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

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 tro

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

Ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 62520116

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KHÁNH HÒA - 2017

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Nha Trang

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Gia Thái

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Đức Ân

Phản biện 2: PGS TS Phan Anh Tuấn

1

Do đó vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu thiết kế các mẫu tàu cá phù hợp nghề khai thác, hình dạng tối ưu để giảm sức cản nhằm nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả đánh bắt

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 đất nước 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 nhưng chúng đều tồn tại những nhược điểm lớn nên rất hạn chế về khả năng ứng dụng Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của phương pháp tính và

kỹ thuật máy tính, tính toán động lực học lưu chất (Computional Fluid Dynamíc - CFD)

đã trở thành phương pháp nghiên cứu hiệu quả trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật 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… 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

Từ những trình bày trên đây, chúng tôi đã lựa chọn cách tiếp cận nghiên cứu sức cản tàu theo hướng nghiên cứu lý thuyết dựa trên cơ sở lý thuyết CFD với tên đề tài là:

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

2

2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Kết quả nghiên cứu của đề tài bước đầu có những đóng góp quan trọng nhất định,

cả về mặt khoa học và thực tiễn, cụ thể như sau

2.1 Ý nghĩa khoa học

Về mặt khoa học, đề tài đã đóng góp được những kết quả mới cụ thể như sau:

- Xây dựng cơ sở khoa học, cùng với giá trị những thông số cần thiết cho việc ứng dụng lý thuyết tính toán động lực học lưu chất CFD trong xác định sức cản của loại tàu có kích thước bé, chạy chậm, có đoạn thân ống ngắn nói chung và các mẫu tàu cá vỏ gỗ theo mẫu dân gian truyền thống của Việt Nam nói riêng

- Mô phỏng chính xác hình ảnh trường dòng lưu chất chảy xung quanh thân tàu

và hiện tượng thủy động lực học xảy ra khi tàu cá chuyển động trên nước tĩnh Trên cơ sở đó, giải thích tường minh về sức cản áp suất, qui luật và tỉ trọng của hai thành phần sức cản chính có trong sức cản toàn bộ của tàu thông dụng là sức cản do tính nhớt chi phối Rv và sức cản do áp suất chi phối Rp

- Cơ sở để xây dựng công thức tính sức cản phù hợp cho đội tàu cá Việt Nam

- Cơ sở lý thuyết và khoa học để giải quyết nhiều bài toán vẫn còn đang tồn tại trong lĩnh vực tàu thuyền nghề cá ở nước ta hiện nay, đặc biệt là các bài toán về thủy động lực học và tối ưu hóa đường hình tàu

2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Về mặt ý nghĩa thực tiễn, đề tài đã đóng góp được những kết quả cụ thể như sau:

- Việc xác định được chính xác giá trị sức cản sẽ cho phép phân tích, đánh giá và xây dựng công thức tính sức cản phù hợp với tàu cá vỏ gỗ ở nước ta hiện nay Trên cơ sở đó, có thể tính toán, lựa chọn được máy chính phù hợp khi thiết kế, góp phần quan trọng trong việc nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả kinh tế -

kỹ thuật của đội tàu cá vỏ gỗ ở nước ta hiện nay

- Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực tàu thuyền nghề cá

- Khuyến cáo tốc độ khai thác hợp lý và tốc độ giới hạn trong tính toán thiết kế

và sử dụng tàu cá

3

3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chung của đề tài là nghiên cứu ứng dụng lý thuyết động lực học lưu chất

để xác định sức cản của các mẫu tàu cá vỏ gỗ theo mẫu truyền thống của Việt Nam

3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính là sức cản của các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ Việt Nam Với đối tượng nghiên cứu trên, nội dung nghiên cứu của đề tài giới hạn trong phạm vi:

- Tàu làm việc ở chế độ bơi, chuyển động thẳng đều trong nước tĩnh, không chịu

tác động bởi sóng biển và độ sâu không hạn chế

- Lưu chất sử dụng trong mô phỏng có tính chất nhớt, không nén được, đồng chất 3.3 Phương pháp và nội dung nghiên cứu

Sử dụng phương pháp lý thuyết, bắt đầu từ việc phân tích đặc điểm hình học tàu tính toán và bản chất vật lý bài toán mô phỏng dòng lưu chất chuyển động quanh tàu,

từ đó áp đặt các giả thiết và điều kiện ràng buộc vật lý đối với đối tượng khảo sát mới, trong trường hợp này là các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ theo mẫu truyền thống của Việt Nam, nhằm mục tiêu đưa bài toán về mô hình toán và các điều kiện tính sát thực tế và khả thi Trên cơ sở đó, xây dựng thuật toán và viết chương trình giải bài toán xác định sức cản, đồng thời sử dụng phương pháp tính đúng dần, cùng với số liệu thử nghiệm làm cơ sở

để xác định các thông số của mô hình và lời giải CFD phù hợp đối tượng tàu tính toán Với mục tiêu trên, luận án gồm các nội dung nghiên cứu cụ thể như sau

- Phân tích mô hình tính và phương pháp giải bài toán mô phỏng dòng lưu chất

bao xung quanh thân tàu chuyển động trong nước tĩnh

- Nghiên cứu xây dựng mô hình tính và lựa chọn phương pháp giải phù hợp với

đối tượng tàu đang tính

- Xây dựng giải thuật và viết chương trình tính bằng mã nguồn mở OpenFOAM

- Ứng dụng mô phỏng dòng lưu chất và tính sức cản cho các mẫu tàu thực nghiệm

- Phân tích và so sánh kết quả nghiên cứu với kết quả thực nghiệm để xác định các thông số của lời giải CFD phù hợp với đối tượng tàu tính toán

4

Chương 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.1 ĐÁNH GIÁ CHUNG

Từ việc tổng quan các công trình nghiên cứu tính sức cản bằng phương pháp CFD trình bày trong luận án, cho phép chúng tôi rút ra một số nhận xét cụ thể như sau: (1) Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và máy tính, phương pháp tính CFD trong tính toán thủy động lực học nói chung và xác định sức cản tàu nói riêng cũng

có sự phát triển mạnh mẽ, điển hình là sự phát triển từ phương pháp số của Michell, cho đến phương pháp phần tử biên BEM, Panel và hiện là phương pháp RANS Các phương pháp như Mitchel, BEM, Panel thường sử dụng mô hình rối k-e nên

có độ chính xác thấp vì xem lưu chất không có độ nhớt, phương trình chuyển động của dòng lưu chất được đưa về dạng hàm thế của tốc độ theo phương trình Laplace Các nghiên cứu gần đây dùng phương trình RANS (Reynolds Average Equations) kết hợp mô hình rối SST k-w, kết hợp hai mô hình rối tiêu chuẩn là k-w và k-e, cho kết quả và lời giải phù hợp phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) khi rời rạc hóa miền tính toán cho các tàu chạy chậm với đặc trưng xuất hiện dòng xoáy mạnh (2) Mẫu tàu tính toán thường là tàu mảnh (tàu Wigley), tàu hàng có đoạn thân ống dài, mạn thẳng, hông tròn, kết cấu mũi quả lê như DTMB 5415 (Mỹ), KCS (Hàn Quốc) Chưa có công trình thực hiện đối với loại tàu kích thước bé, đoạn thân ống ngắn, mũi thẳng, tốc độ chậm, tương tự mẫu tàu cá vỏ gỗ truyền thống của Việt Nam (3) Các công trình nghiên cứu trước đây thường sử dụng những ngôn ngữ lập trình khá mạnh như Fotran, Python, STAR-CCM+, MathLab hoặc các ngôn ngữ khác Thời gian gần đây thường ứng dụng lập trình trên mã nguồn mở OpenFOAM để giải bài toán mô phỏng động lực học tàu như tính sức cản, sea-keeping, tối ưu hóa (4) Hầu hết các công trình nghiên cứu đều trình bày dưới dạng kết quả cuối cùng ít trình bày phương pháp giải, cũng như giá trị cụ thể của những thông số cần thiết khi giải các bài toán CFD, ví dụ thông số đầu vào, các hệ số xác định mô hình rối, kích thước không gian miền tính toán, lưới chia phù hợp với các tàu tính toán Các chương trình giải các bài toán CFD nếu có công bố cũng ít khi chạy được

5

1.2 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Từ những phân tích và nhận xét nêu trên, chúng tôi đã rút ra được các định hướng trước mắt khi nghiên cứu giải quyết nội dung bài toán đặt ra trong luận án như sau: (1) Chọn tàu tính toán là các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ truyền thống của Việt Nam, thuộc loại tàu chưa thấy có trong bất kỳ nghiên cứu tính sức cản bằng CFD nào Mặc dù logic của quá trình tính toán không thay đổi nhưng có thể với những đặc điểm hình học khác đặc điểm hình học của mẫu tàu chở hàng thông thường, đặc biệt là tàu lại thường xuyên chạy ở tốc độ thấp, tương ứng giá trị số Fn bé,

do đó phương pháp thực hiện và kết quả tính có thể sẽ có nhiều điểm khác biệt

so với các nghiên cứu hiện nay

(2) Nghiên cứu phương pháp xây dựng và kiểm tra độ chính xác của mô hình 3D nhằm đảm bảo độ chính xác của mô hình hình học vỏ tàu và kết quả tính toán,

cơ sở để có thể ứng dụng đối với các mẫu tàu khác

(3) Lựa chọn mô hình rối SST k-w để mô phỏng dòng lưu chất bao xung quanh tàu

và dựa trên cơ sở đó xác định giá trị của các thông số cần thiết của mô hình rối bao gồm các hệ số rối k, w và cường độ rối I phù hợp với đối tượng tính toán Đặc biệt, xây dựng hàm điều khiển (hàm trộn) quá trình kết hợp hai mô hình rối tiêu chuẩn k-w và k-e để đảm bảo phản ánh đúng bản chất của các dòng chảy trong dòng lưu chất chảy sát tường (bề mặt vỏ tàu), chảy bên trong lớp biến và dòng chảy tự do bên ngoài lớp biên đối với các tàu chạy chậm

(4) Xác định các thông số cần thiết của quá trình tính toán sức cản tàu bằng CFD như kích thước lưới chia bề mặt, kích thước của không gian miền tính toán…, cùng với những giải pháp kiểm tra, nâng cao độ chính xác của kết quả tính toán ngay trong từng bước tính toán

(5) Ứng dụng các phương pháp và thuật toán giải các phương trình RANS hiện có

và dựa trên cơ sở đó nghiên cứu sử dụng mã nguồn mở OpenFOAM để viết chương trình giải bài toán tính sức cản cho tàu tính toán và so sánh với kết quả thử nghiệm để tiến hành điều chỉnh và xác định lại các thông số cần thiết của bài toán CFD nhằm đảm bảo sự phù hợp với đối tượng tàu tính toán

6

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 SỨC CẢN TÀU THỦY

Khi chuyển động đều trong nước tĩnh, tàu chịu tác dụng của sức cản không khí Rkk

và sức cản môi trường nước RT, nhiều khi được hiểu đó là sức cản toàn bộ của con tàu

Để thuận tiện trong nghiên cứu, tùy theo nguyên nhân xuất hiện và các bản chất vật lý,

có thể chia sức cản nước theo nhiều cách, phổ biến là phân chia như sơ đồ hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ các thành phần sức cản của nước tác dụng lên tàu

Về lý thuyết, công thức tính các thành phần sức cản tàu có dạng chung như sau:

R = CR r W

2

U2 (2.1)

CR – hệ số sức cản ; U – vận tốc tàu, m/s ; r - khối lượng riêng của chất lỏng KG.s2/m4

W - diện tích phần vỏ tàu dưới nước (hay diện tích mặt ướt), m2

Sức cản của môi trường nước RT

Sức cản dư RR

Ảnh hưởng hình dạng đến ma sát ở lớp biên

7

u = u(x,y,z,t) ; v = v(x,y,z,t) ; w = w(x,y,z,t)

Ñ - toán tử vector (thuật ngữ trong tính toán CFD gọi là “del” hoặc “nabla”),

được định nghĩa trong hệ tọa độ Descartes theo công thức chung sau:

Ñ = i

x

¶

¶ + j

¶

¶

8

2.2.2 Phương trình RANS (Reynolds Average Navier-Stokes Equations)

Hai phương trình (2.2) và (2.3) kết hợp lại thành hệ phương trình Navier-Stokes dùng mô phỏng dòng lưu chất nhớt, không nén gồm 4 phương trình với 4 ẩn u, v, w, p

Do chuyển động của dòng chảy rối không ổn định nên để giải được hệ phương trình này thường sử dụng một số phương pháp số như LES, DNS… nhưng phổ biến nhất là phương pháp Navier-Stokes Reynolds trung bình (RANS) được xây dựng trên cơ sở tách giá trị của các biến dòng lưu chất thành thành phần trung bình và thành phần biến động, sau đó thay vào hệ phương trình trên, sau một số biến đổi nhận được hệ phương trình RANS dưới dạng tổng quát như sau:

=

= Ñ

g U p

dt

U d

U

rµ

0

(2.7)

trong đó: p - trường áp lực trung bình; r - mật độ chất lưu;

U - vector vận tốc trung bình; g - gia tốc trọng trường

2.2.3 Mô hình dòng chảy rối

Do trong các phương trình RANS xuất hiện thêm 6 biến số mới tương ứng với 6 thành phần ứng suất rối Reynolds biểu diễn cho sự sự gia tăng vận tốc của dòng lưu chất nên để giải được cần bổ sung thêm phương trình rối để đóng kín hệ phương trình RANS

Có nhiều mô hình dòng chảy rối nhưng phổ biến nhất hiện nay là mô hình k-e và k-w Hiện tại, mô hình k-ε và k-ω đã trở thành những mô hình tiêu chuẩn công nghiệp và được sử dụng rất phổ biến cho hầu hết các dòng lưu chất trong những bài toán kỹ thuật, Tuy nhiên khi ứng dụng cho dòng lưu chất chảy xung quanh bề mặt vỏ tàu đã nhận thấy,

mô hình k-e khá mạnh nhưng lại it chính xác khi tính lớp biên, trong khi mô hình k-w tuy chính xác hơn mô hình k-e trong lớp biên gần tường và dự đoán tốt hơn dòng chảy

có gradient áp lực bất lợi nhưng lại rất nhạy cảm đối với các giá trị của dòng chảy tự do

Do dó để đảm bảo chính xác hơn, Menter đề xuất mô hình SST k-w kết hợp hai mô hình, trong đó mô hình k-w sử dụng ở lớp biên, mô hình k-e sử dụng trong dòng chảy tự do

9

2.3 THUẬT TOÁN GIẢI

Đối với chất lỏng không nén được, nhiều chương trình CFD hiện nay thường dùng thuật toán SIMPLE để giải hệ phương trình RANS và mô hình phương trình dòng rối Tuy nhiên gần đây thường sử dụng mã nguồn mở OpenFOAM với sự kết hợp của csac thuật toán SIMPLE và PISO để giải hệ các phương trình RANS Mạc dù có nhiều ưu điểm nhưng thuật toán này vẫn chưa thấy ứng dụng trong ngành tàu vì thế trong luận án

sẽ sử dụng thuật toán này để tính trường dòng bao quanh tàu Trong mỗi bước thời gian, bài toán được giải bằng thuật toán SIMPLE, sau đó sử dụng thuật toán PISO để hiệu chỉnh việc điều chỉnh áp lực, nghĩa là thuật toán PISO được lồng ghép vào một bước tính toán của thuật toán SIMPLE

Trong mỗi bước thời gian, thuật toán này có thể được tóm tắt như sau (Số hiệu các

phương trình, công thức trong thuật toán được lấy như trong luận án):

1 Tính vận tốc U*từ phương trình (2.90) với áp lực P từ bước thời gian trước *

2 Tính xấp xỉ lượng chất lỏng chảy qua mặt ô ( )

ú

úû

ùê

êë

é

÷÷

ø

öçç

è

æ

=

f P

a

U H S F

*

* r , điều này cần

thiết để tính vế phải của phương trình áp lực (2.87)

3 Tính áp lực hiệu chỉnh P bằng cách giải phương trình (2.87) với thông lượng *

-6 Chỉnh sửa vận tốc từ giá trị áp lực mới P , sử dụng phương trình (2.82) new

7 Lặp lại các bước từ (2÷6) với số lần lặp bằng nCorrectors lần

8 Kiểm tra sự hội tụ, nếu thỏa mãn thì chuyển sang bước thời gian tiếp theo, nếu

không thỏa mãn thì lặp lại các bước 1-8 nOuterCorrectors lần

10

Sơ đồ thuật toán được diễn giải như hình bên dưới:

Hình 2.2 Sơ đồ thuật toán nghiên cứu

gian tiếp

theo

11

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 MẪU TÀU TÍNH TOÁN

3.1.1 Đặc điểm các mẫu tàu tính toán

Các mẫu tàu dùng tính toán là mẫu tàu cá dân gian khu vực miền Trung Việt Nam

có ký hiệu M1317A và M1319 đã được TS Nguyễn Quang Vĩnh, KS Nguyễn Đức Thọ thử nghiệm ở bể thử Đại học Kỹ thuật và Công nghiệp cá Kaliningrat (Liên Xô cũ) Trong thực nghiệm, hai mẫu tàu được chế tạo theo tỷ lệ đồng dạng hình học k = 1 : 7 Các thông số hình học của các tàu ở tỷ lệ thực và ở tỷ lệ thử kéo mô hình trong bể thử được cho ở bảng 3.1

Bảng 3.1 Các thông số hình học của các mẫu tàu M1317A và M1319 ở tỷ lệ thực

và ở tỷ lệ thử nghiệm kéo mô hình trong bể thử k = 1:7

Các thông số hiệu Ký Đơn vị

Tỷ lệ 1:1 Tỷ lệ 1:7 Tỷ lệ 1:1 Tỷ lệ 1:7

Đặc điểm hình học mạn thẳng, gẫy góc nằm ở hông tàu Dạng vỏ dưa Chiều dài toàn bộ LOA m 21.90 3.129 17.40 2.485 Chiều dài đường nước LPP m 18.55 2.650 14.29 2.041 Chiều dài giữa hai trụ LWL m 19.00 2.714 14.80 2.114 Chiều rộng lớn nhất Bmax m 4.48 0.640 3.88 0.554 Chiều rộng đường nước BWL m 4.48 0.640 3.14 0.448

12

3.1.2 Kết quả thử nghiệm

Kết quả thử nghiệm kéo các mô hình tàu trong bể thử để xác định sức cản được cho trong bảng 3.2 và hình 3.1

Bảng 3.2 Kết quả thử nghiệm kéo trên nước tĩnh và khi chuyển đổi sang tàu thật

của các mô hình tàu M1317A và M1319 Mẫu M1317A (d = 1.23 m) Mẫu M1319 (d = 0.74 m)

U

(m/s) (hl/h) U s (KG) R M Số Fn R (N) H (m/s) U (hl/h) U s (KG) R M Số Fn R (N) H

0.712 3.664 0.214 0.139 756.6 0.629 3.240 0.097 0.140 268.6 0.951 4.896 0.532 0.186 1562.9 0.904 4.655 0.253 0.202 752.9 1.029 5.299 0.755 0.202 2327.9 1.166 6.005 0.447 0.260 1360.5 1.251 6.441 1.081 0.245 3135.3 1.369 7.049 0.765 0.306 2401.1 1.402 7.210 1.390 0.275 4341.4 1.460 7.515 0.896 0.326 2826.6 1.478 7.658 1.721 0.291 5435.0 1.553 7.996 1.077 0.347 3422.0 1.544 7.946 2.086 0.303 6659.5 1.587 8.172 1.130 0.354 3594.3 1.633 8.406 2.507 0.320 8058.5 1.652 8.505 1.283 0.369 3925.8 1.697 8.739 2.907 0.332 9397.0 1.666 8.579 1.297 0.372 4144.7 1.73 8.907 3.077 0.339 9962.9 1.772 9.125 1.920 0.396 6250.9 1.758 9.035 3.252 0.345 10548 1.807 9.304 1.702 0.404 4969.2

Hình 3.1 Đồ thị đường cong sức cản của các tàu M1317A và M1319