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 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 khí động lực Mã số: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN GIA THÁI KHÁNH HÒA - 2017 Cơng trình hồn thành 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 ……………………………………… Phản biện 3: PGS TS Đỗ Đức Lưu ……………………………………… LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất kết nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng lý thuyết CFD (Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam” cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn PGS TS Trần Gia Thái chưa công bố cơng trình khoa học khác thời điểm Khánh Hòa, Ngày … tháng năm 2017 Tác giả luận án (Ký ghi rõ họ tên) Lê Văn Toàn i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực đề tài, nhận giúp đỡ quý Phòng, Ban Trường Đại học Nha Trang tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận án Đặc biệt hướng dẫn tận tâm Thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS.Trần Gia Thái Qua đây, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy giúp đỡ Xin cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Kỹ thuật tàu thủy, Khoa Kỹ thuật giao thông, quý thầy cô Khoa Sau đại học, Trường Đại học Nha Trang, giúp đỡ suốt thời gian học tập thực luận án Trường Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh bạn đồng nghiệp tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn! Khánh Hòa, ngày … tháng năm 2017 Tác giả luận án (Ký ghi rõ họ tên) Lê Văn Toàn ii 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 Mô 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 TỐN 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 TỐN 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 tốn 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 THƠNG 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 không 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 mơmen 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 CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ 163 TÀI LIỆU THAM KHẢO 164 PHỤ LỤC I.1 vi limiter[own], maxVsf[own], minVsf[own], ((pCf[pFacei] - C[own]) & g[own]) ); } } if (fv::debug) { Info