Ứng dụng lý thuyết CFD (Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam.

1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Với 3,000 km bờ biển, thủy sản đã trở thành một trong các ngành kinh tế mũi nhọn, đóng góp quan trọng vào sự phát triển ổn định và bền vững kinh tế - xã hội của đất nước. Trong những năm qua, nghề cá nước ta nói chung và đội tàu khai thác hải sản nói riêng đã có sự phát triển vượt bậc và đóng góp đáng kể cho ngành thủy sản của Việt Nam. Tính đến giữa năm 2016, đội tàu khai thác hải sản nước ta đã đạt đến gần 120,000 tàu nhưng hầu hết là tàu vỏ gỗ cỡ nhỏ, đóng theo kinh nghiệm dựa vào mẫu tàu truyền thống, không được tính toán cụ thể nên trong nhiều trường hợp, các mẫu tàu đã không đảm bảo được các tính năng hàng hải cần thiết, nhất là trong điều kiện thời tiết không thuận lợi. Do đó trong thời gian gần đây, nhà nước ta đã xây dựng nhiều chủ trương, chính sách nhằm phát triển bền vững và hiện đại hóa đội tàu đánh cá ngang tầm với nhiệm vụ mới. Trong bối cảnh đó, vấn đề đặt ra cho các nhà khoa học là cần nghiên cứu thiết kế các mẫu tàu cá phù hợp nghề khai thác và có hình dạng tối ưu nhằm làm giảm sức cản để tăng mức độ an toàn và giảm bớt chi phí chuyến biển do giá nhiên liệu ngày càng cao. Vì lý do đó, bài toán nghiên cứu xác định chính xác sức cản các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ ở nước ta hiện nay có vai trò và ý nghĩa quan trọng, đồng thời mang tính chất cấp thiết, nhất là trong bối cảnh vùng biển đông Việt Nam đang có nhiều biến động như hiện nay. Theo cách truyền thống, thường có hai cách tiếp cận chính trong nghiên cứu giải quyết bài toán xác định sức cản tàu thủy là nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết được tiến hành chủ yếu dựa trên cơ sở lý thuyết về cơ lưu chất, có thể cho độ chính xác cao nhưng rất khó áp dụng vì giới hạn về khả năng tính toán. Phương pháp thực nghiệm hay dùng là phương pháp kéo thử mô hình tàu trong bể thử, tuy nhiên ngoài các hạn chế thường gặp khi thực nghiệm như mất rất nhiều thời gian, công sức, chi phí tốn kém, trong nhiều trường hợp không thể tổ chức thực nghiệm được, vì qua thử nghiệm mô hình tàu cũng chỉ nhận được thông tin hạn chế về trường dòng với kết quả chủ yếu là xác định lực cản dư nói riêng và lực cản toàn bộ tàu nói chung. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh của phương pháp tính và kỹ thuật máy tính, tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics - CFD) đã trở thành phương pháp nghiên cứu hiệu quả trong nhiều lĩnh vực nói chung, đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy nói riêng để giải nhiều bài toán phức tạp như tính toán, thiết kế tối ưu, kiểm nghiệm, dự báo kết quả nghiên cứu, mô phỏng [10], [11]. CFD đóng vai trò như là một công cụ hỗ trợ rất đắc lực cho việc tính toán, thiết kế và ảnh hưởng lớn đến cuộc cách mạng về tính toán động lực học các chất lỏng và chất khí. Với vai trò quan trọng như thế nên CFD đã được nhìn nhận là “phương pháp thứ ba”, cùng hai phương pháp truyền thống là nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm thuần túy, trong các nghiên cứu về lý thuyết và phát triển những ứng dụng trong khoa học kỹ thuật. Về bản chất, tính toán động lực học lưu chất là phương pháp tính xây dựng trên cơ sở kết hợp phương pháp số và công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải những bài toán liên quan chuyển động của dòng chất lỏng hoặc dòng chất khí bao xung quanh vật thể. Vì thế phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong giải bài toán dòng lưu chất chuyển động xung quanh vật thể phức tạp nói chung và các bài toán động lực học tàu thủy nói riêng. Trong số đó như đã biết, bài toán xác định sức cản tàu có vai trò, ý nghĩa rất quan trọng vì là cơ sở cho việc tính toán thiết bị năng lượng và tối ưu hóa đường hình dáng tàu – những bài toán mà trước đây thường chỉ được thực hiện bằng con đường thực nghiệm. Ngày nay, CFD đã thực sự đóng vai trò rất quan trọng trong thiết kế hình dáng thân tàu, được sử dụng để phân tích các tính năng hàng hải tàu nói chung và sức cản tàu nói riêng, đồng thời khảo sát sự thay đổi của chúng khi thay đổi các thông số hoặc hình dáng tàu, vốn là một nhiệm vụ rất quan trọng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ và thiết kế kỹ thuật. Phân tích sức cản dựa trên mô phỏng CFD cũng đã trở thành một yếu tố quyết định trong việc phát triển hình dạng các mẫu tàu mới, hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường. Với lý do đó, chúng tôi đã lựa chọn hướng nghiên cứu về mô phỏng số dựa trên cơ sở phương pháp tính toán động lực học lưu chất để giải bài toán xác định sức cản tàu thủy, đặc biệt là ứng dụng cho các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ truyền thống ở nước ta hiện nay. Từ phân tích trên đây, khi thực hiện luận án Tiến sĩ ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, chúng tôi đã đặt vấn đề thực hiện đề tài: “Ứng dụng lý thuyết CFD (Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam”.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG LÊ VĂN TOÀN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) XÁC ĐỊNH SỨC CẢN TÀU CÁ VỎ GỖ VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÁNH HÒA – 2017 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC KÝ HIỆU vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT x DANH MỤC CÁC BẢNG xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .xiii MỞ ĐẦU 1 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Ý nghĩa khoa học đề tài 2.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài 3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 Mục tiêu nghiên cứu 3.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4.1 Phương pháp nghiên cứu 4.2 Nội dung nghiên cứu Chương 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI 1.1.1 Mơ hình tàu Wigley phương pháp số Michell 1.1.2 Phương pháp phần tử biên - BEM (Boundary Element Method) 13 1.1.3 Phương pháp Panel 16 iii 1.1.4 Phương pháp RANS (Reynold Average Navier-Stoke) 20 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 33 1.3 NHẬN XÉT CHUNG 37 1.3.1 Về mẫu tàu tính tốn 37 1.3.2 Về mơ hình tính phương pháp giải 37 1.3.3 Về công cụ giải 38 1.3.4 Về kết độ xác kết tính 39 1.4 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 40 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 41 2.1 SỨC CẢN TÀU THỦY 41 2.1.1 Các thành phần sức cản 41 2.1.2 Bản chất thành phần sức cản 43 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CFD 53 2.2.1 Khái quát CFD 53 2.2.2 Các phương trình chủ đạo 54 2.2.3 Phương trình RANS 59 2.2.4 Mơ hình dòng chảy rối 61 2.3 THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH GIẢI CÁC PHƯƠNG TRÌNH RANS 66 2.3.1 Thuật tốn giải theo phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) 66 2.3.2 Thuật toán giải 73 2.3.3 Mã nguồn mở OpenFoam 78 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 80 3.1 LỰA CHỌN MẪU TÀU TÍNH TOÁN 82 3.1.1 Mẫu tàu M1317A 82 3.1.2 Mẫu tàu M1319 84 iv 3.2 PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG HỌC LOẠI TÀU TÍNH TỐN 86 3.3 THUẬT TỐN VÀ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG DỊNG LƯU CHẤT 91 3.3.1 Thuật toán giải tốn mơ dòng lưu chất bao xung quanh thân tàu 91 3.3.2 Lập trình giải OpenFOAM 95 3.4 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA LỜI GIẢI BÀI TỐN TÍNH SỨC CẢN BẰNG CFD PHÙ HỢP VỚI LOẠI TÀU ĐANG TÍNH 97 3.4.1 Xây dựng mơ hình hình học 3D vỏ tàu 98 3.4.2 Xác lập khơng gian miền tính tốn 111 3.4.3 Rời rạc hóa khơng gian tính tốn mơ hình hình học vỏ tàu 118 3.4.4 Thiết lập điều kiện ban đầu điều kiện biên 125 3.5 TÍNH TỐN CHO CÁC MẪU TÀU THỰC NGHIỆM M1317A VÀ M1319 131 3.5.1 Tính tốn trường dòng chất lỏng bao xung quanh tàu 131 3.5.2 Tính lực thủy động mômen thủy động 136 3.5.3 Tính xây dựng đường cong sức cản 140 Chương 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN 148 4.1 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 148 4.1.1 Đánh giá kết tính sức cản 148 4.1.2 Đặc điểm thành phần sức cản 150 4.2 KẾT LUẬN 154 4.2.1 Về file hình học bề mặt vỏ tàu 154 4.2.2 Lời giải CFD toán xác định sức cản tàu cá Việt Nam 154 4.2.3 Đặc điểm thành phần sức cản mẫu tàu cá vỏ gỗ Việt Nam 155 4.2.4 Đặc điểm trường dòng giá trị vận tốc khai thác, vận tốc giới hạn hợp lý 155 4.2.5 Độ tin cậy kết nghiên cứu 156 4.3 KHUYẾN NGHỊ 162 v DANH MỤC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ 163 TÀI LIỆU THAM KHẢO 164 PHỤ LỤC I.1 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các thơng số tàu DTMB-5415 21 Bảng 1.2 Các thơng số tàu 22 Bảng 1.3 Thơng số kích thước tàu 23 Bảng 1.4 Giá trị hệ số sức cản CT, CR, CF Fn = 0.26 25 Bảng 1.5 Các thơng số tàu container 28 Bảng 1.6 Giá trị sức cản mẫu tàu tính tốn 30 Bảng 1.7 Các thơng số kỹ thuật tàu container KCS 31 Bảng 2.1 Các số mơ hình SST 65 Bảng 3.1 Các thơng số hình học mẫu tàu M1317A 82 Bảng 3.2 Kết thử nghiệm kéo nước tĩnh chuyển đổi sang tàu thật mô hình tàu M1317A chế độ d = 1.23 m 83 Bảng 3.3 Các thơng số hình học mẫu tàu M1319 84 Bảng 3.4 Kết thử nghiệm kéo nước tĩnh chuyển đổi sang tàu thật mơ hình tàu M1319 chế độ d = 0.74 m 85 Bảng 3.5a Đặc điểm hình học tàu cá Việt Nam phân theo nghề khai thác 86 Bảng 3.5b So sánh thông số Fn, CB, Lpp tàu chở hàng chạy biển thông thường tàu cá vỏ gỗ Việt Nam 88 Bảng 3.6 So sánh thông số hình học mẫu tàu M1317A mơ hình dựng phần mềm Autoship 105 Bảng 3.7 So sánh thơng số hình học mẫu tàu M1319 mơ hình mẫu tàu dựng phần mềm Autoship 108 Bảng 3.8 Đặc điểm lớp lăng trụ nằm gần lớp biên tường tốn mơ mơ hình tàu M1317A xét 122 Bảng 3.9 Giá trị hệ số rối tàu M1317A 128 xi Bảng 3.10 Giá trị hệ số rối tàu M1319 128 Bảng 3.11 Đặc tính biên 130 Bảng 3.12 Tính chất vật lý chất lỏng biên 130 Bảng 3.13 Lực mômen thủy động mẫu tàu M1317A Fn = 0.329 136 Bảng 3.14 Lực mômen thủy động mẫu tàu M1319 Fn = 0.396 137 Bảng 3.15 Kết tính chuyển sức cản tàu M1317A so sánh thực nghiệm 143 Bảng 3.16 Kết tính chuyển sức cản tàu M1319 so sánh thực nghiệm 147 Bảng 4.1 So sánh kết tính sức cản mẫu tàu M1317A theo CFD với thực nghiệm 148 Bảng 4.2 So sánh kết tính sức cản mẫu tàu M1319 theo CFD với thực nghiệm 149 Bảng 4.3 Các thông số chung mẫu tàu MH076 157 Bảng 4.4 So sánh kết tính từ CFD thực nghiệm mẫu tàu MH076 161 xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Q trình sinh sóng tàu di chuyển Hình 1.2 Tàu mảnh theo giả thuyết Michell Hình 1.3 Các dạng hình học tàu Wigley 10 Hình 1.4 Hệ số sức cản sinh sóng mẫu tàu Wigley 11 Hình 1.5 Các hệ số sức cản giá trị số Froude (Fn) khác 12 Hình 1.6 Sơ đồ phương pháp nghiên cứu theo phương pháp phần tử biên 13 Hình 1.7 Mơ hình tính theo BEM 14 Hình 1.8 Rời rạc mơ hình hình học theo BEM 14 Hình 1.9 Hệ số sức cản sinh sóng 15 Hình 1.10 Sơ đồ tính phương pháp Panel 17 Hình 1.11 Các điểm Panel bề mặt vỏ tàu 18 Hình 1.12 Bố trí điểm hình học bề mặt vỏ tàu theo phương pháp Panel 19 Hình 1.13 Mơ hình tàu DTMB-5415 21 Hình 1.14 Đồ thị sức cản tính theo CFD thực nghiệm 22 Hình 1.15 Mơ hình hình học tàu KCS 23 Hình 1.16 Hình ảnh so sánh profile sóng tính tốn thực nghiệm 24 Hình 1.17 Đồ thị lực cản giá trị số Fn = 0.26 24 Hình 1.18 Giá trị hệ số sức cản C tai Fn = 0.26 tàu KCS 25 Hình 1.19 Trường vận tốc bề mặt phân cách nước khơng khí 26 Hình 1.20 So sánh sức cản tàu giá trị số Fn khác 27 Hình 1.21 Tuyến hình tàu 28 Hình 1.22 Kích thước kênh 28 xiii Hình 1.23 Hình học thân tàu 3D 29 Hình 1.24 Miền tính tốn 29 Hình 1.25 Trường áp suất thủy động 30 Hình 1.26 Hình học tàu KCS 31 Hình 1.27 Giá trị sức cản Fn = 0.26 32 Hình 1.28 Hình ảnh mặt thống giá trị số Fn = 0.26 32 Hình 1.29 Mơ hình tàu tính tốn hệ trục tọa độ khảo sát 33 Hình 1.30 Sơ đồ phương pháp giải 34 Hình 2.1 Mơ hình lực mơi trường nước tác dụng lên tàu chuyển động 41 Hình 2.2 Sơ đồ thành phần sức cản nước tác dụng lên tàu 42 Hình 2.3 Các khu vực bao xung quanh thân tàu 44 Hình 2.4 Mơ hình dòng lưu chất bao xung quanh thân tàu 44 Hình 2.5 Biểu đồ phân bố vận tốc lớp biên phẳng 46 Hình 2.6 Mơ hình dòng lưu chất bao xung quanh vỏ tàu 47 Hình 2.7 Mơ hình lực tác dụng theo hướng x phần tử chất lỏng 55 Hình 2.8 Biến trung bình biến động dòng lưu chất theo RANS 59 Hình 2.9 Các ký hiệu dùng để rời rạc thể tích hữu hạn 66 Hình 2.10 Sơ đồ thuật tốn SIMPLE 75 Hình 2.11 Sơ đồ thuật toán PISO 77 Hình 3.1 Sơ đồ khối nghiên cứu 81 Hình 3.2 Đường hình dáng mẫu tàu M1317A 82 Hình 3.3 Đồ thị đường cong sức cản mẫu tàu thử nghiệm M1317A 83 Hình 3.4 Bản vẽ đường hình mẫu tàu M1319 84 Hình 3.5 Đồ thị đường cong sức cản mẫu tàu thử nghiệm M1319 85 Hình 3.6(a) Đường cong diện tích sườn tàu chở hàng thông thường 89 xiv Hình 3.6(b) Đường cong diện tích sườn tàu cá vỏ gỗ Việt Nam 89 Hình 3.7 Phạm vi sử dụng mũi lê 90 Hình 3.8 Sơ đồ thuật toán nghiên cứu 94 Hình 3.9 Sơ đồ tính dẫn để điều chỉnh thơng số lời giải CFD 97 Hình 3.10 Sơ đồ q trình xây dựng mơ hình hình học 3D mẫu tàu tính tốn 98 Hình 3.11 Bản vẽ đường hình tàu M1317A dựng AutoCad 99 Hình 3.12 Vẽ đường sườn tàu dạng 3D 100 Hình 3.13 Hộp import DXF 101 Hình 3.14 Hình dạng khung sườn 3D sau nhập vào Autoship 101 Hình 3.15 Hộp thoại đổi tên lại đường AutoShip 102 Hình 3.16 Hộp thoại chọn lại gốc tọa độ di chuyển gốc tọa độ 102 Hình 3.17 Di chuyển điểm control 103 Hình 3.18 Hộp thoại Creat Surface 103 Hình 3.19 Hộp thoại (a) nhập khoảng sườn (b) mặt cắt dọc 104 Hình 3.20 Dịch chuyển hàng cột mặt vỏ tàu 104 Hình 3.21 Kiểm tra yếu tố hình dáng vỏ tàu 105 Hình 3.22 Mơ hình tàu trước sau tơ bóng với hộp thoại xuất file *.iges 106 Hình 3.23 Bản vẽ đường hình tàu M1319 107 Hình 3.24 Hộp thoại kiểm tra thơng số hình dáng vỏ tàu M1319 107 Hình 3.25 Mơ hình tàu M1319 xây dựng AutoShip 108 Hình 3.26 Định dạng hình học dạng file.stl 109 Hình 3.27 Mơ hình vỏ tàu M1317A chia lưới theo định dạng file STL 110 Hình 3.28 Khơng gian giả lập tính tốn 111 Hình 3.29 Vị trí biên tính tốn 114 Hình 3.30 Kích thước miền khơng gian tính tốn theo đề nghị ITTC 2011 116 xv limiter[own], maxVsf[own], minVsf[own], ((pCf[pFacei] - C[own]) & g[own]) ); } } if (fv::debug) { Info