Nghiên cứu phương pháp thiết kế mũi quả lê tàu thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG - - NGUYỄN HUY VŨ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ MŨI QUẢ LÊ TÀU THỦY ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC (Ngành đào tạo: Kỹ Thuật Tàu Thủy) CÁN BỘ HƢỚNG DẪN PGS.TS TRẦN GIA THÁI NHA TRANG, NĂM 2018 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Nguyễn Huy Vũ Lớp: 56KTTT Ngành: Kỹ thuật tàu thủy Tên đề tài: “Nghiên cứu phương pháp thiết kế mũi lê tàu thủy” Số trang: 95 Số chương: Số tài liệu tham khảo: NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN Kết luận: Nha Trang, Ngày… tháng….năm 2018 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) PGS.TS Trần Gia Thái PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Huy Vũ Lớp: 56KTTT Ngành: Kỹ thuật tàu thủy Tên đề tài: “Nghiên cứu phương pháp thiết kế mũi lê tàu thủy” Số trang: 95 Số chương: Số tài liệu tham khảo: NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Điểm phản biện: Nha trang, Ngày….tháng… năm2018 CÁN BỘ PHẢN BIỆN (Ký ghi rõ họ tên) Nha trang, Ngày… tháng… năm 2018 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực đề tài, thân nhận giúp đỡ tận tình từ tất Thầy cô Khoa Kỹ thuật Giao thông Trường Đại học Nha Trang Nhân dịp này, xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn PGS.TS Trần Gia Thái tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm q báu để giúp tơi hồn thành đề tài Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân bạn bè giúp đỡ, động viên tơi q trình thực đề tài Xin chân thành cảm ơn! Khánh Hòa, ngày … tháng năm 2018 Tác giả (Ký ghi rõ họ tên) Nguyễn Huy Vũ MỤC LỤC CHƢƠNG I PHẦN TỔNG QUAN 1.1 LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1.3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu - 1.3.2 Đối tƣợng nghiên cứu 1.3.3 Phạm vi nghiên cứu 1.4 PHƢƠNG PHÁP VÀ NÔI DUNG NGHIÊN CỨU CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC MŨI TÀU QUẢ LÊ 2.1.1 Phân loại mũi lê - 2.1.2 Các tham số hình học mũi lê 10 2.2 ẢNH HƢỞNG CỦA QUẢ LÊ ĐẾN TÍNH NĂNG TÀU 13 2.2.1 Ảnh hƣởng lê đến sức cản 13 2.2.2 Ảnh hƣởng đến tính tàu - 16 2.3 THIẾT KẾ QUẢ LÊ THEO PHƢƠNG PHÁP KRACHT 17 2.3.1 Các đồ thị thiết kế lê Kracht 17 2.3.2 Phƣơng pháp thiết kế lê theo đồ thị Kracht - 19 2.4 PHẦN MỀM XFLOW 21 2.4.1 Giới thiệu chung 21 2.4.2 Các phƣơng trình chủ đạo XFlow - 22 CHƢƠNG TÍNH TỐN SỨC CẢN CHO TÀU TÍNH TỐN 25 3.1 LỰA CHỌN NHĨM TÀU TÍNH TỐN 27 3.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3D CỦA TÀU TÍNH TỐN 30 3.2.1 Xây dựng vẽ đƣờng hình 2D 3D tàu FAO 72 AutoCad 30 3.2.2 Xây dựng mơ hình 3D phần mềm AutoShip 31 3.2.3 Thiết lập điều kiện cho mơ hình 32 3.2.4 Tạo bề mặt vỏ tàu từ vách đuôi đến mũi tàu chỉnh trơn 33 3.2.5 Kiểm tra thông số mơ hình tàu 34 3.2.6 Tạo file STL cho mô hình 3D tàu thiết kế - 36 3.3 TÍNH SỨC CẢN BẰNG XFLOW 37 3.3.1 Nhập mô hình 3D tàu tính tốn vào XFlow 37 3.3.2 Lựa chọn tỷ lệ xây dựng mơ hình - 37 3.3.3 Xác định miền tính tốn - 38 3.3.4 Thiết lập điều kiện biên 39 3.3.4.1 Thiết lập Mass flow cho điều kiện biên Inlet 39 3.34.2 Thiết lập điều kiện biên Outlet 41 3.3.5 Thiết lập hệ số dòng rối - 42 3.3.6 Tính xuất kết tính sức cản - 42 3.4 KIỂM TRA VÀ HIỆU CHỈNH KẾT QUẢ TÍNH SỨC CẢN 47 3.4.1 So sánh thơng số hình học - 47 3.4.2 So sánh kết tính sức cản - 48 3.4.3 Tính hiệu chỉnh sức cản tàu tính tốn 48 CHƢƠNG THIẾT KẾ QUẢ LÊ CHO TÀU TÍNH TỐN 53 4.1 LỰA CHỌN TÀU TÍNH TỐN 53 4.2 THIẾT KẾ QUẢ LÊ TÍNH TỐN THEO ĐỒ THỊ KRACHT 56 4.2.1 Xác định tham số hình học lê cho tàu tính tốn 56 4.2.2 Xây dựng đƣờng hình dáng lê tính tốn 60 4.2.3 Tính kiểm tra hiệu chỉnh đƣờng cong biên dạng lê tính tốn 62 4.2.4 Thiết kế tích hợp lê vào đƣờng hình tàu - 63 4.3 XÁC ĐỊNH HÌNH DẠNG QUẢ LÊ TỐI ƢU 66 4.3.1 Xây dựng phƣơng án hình học lê - 67 4.3.2 Tính sức cản cho phƣơng án thiết kế lê 73 4.3.3 Kết lựa chọn phƣơng án thiết kế lê tối ƣu 74 CHƢƠNG THẢO LUẬN KẾT QUẢ 75 5.1 Thảo luận kết 75 5.2 Đánh giá ảnh hƣởng hình dạng mũi lê đến sức cản 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHẦN PHỤ LỤC 79 BẢNG KẾT QUẢ TÍNH GIÁ TRỊ CÁC THƠNG SỐ THŨY TĨNH CỦA TÀU THIẾT KẾ Ở CÁC PHƢƠNG ÁN TĂNG HOẶC GIẢM CHIỀU RỘNG THEO CÁC GIA SỐ XÁC ĐỊNH XUẤT TỪ AUTOSHIP 79 HÌNH ẢNH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TÀU FAO NO.72 TRONG PHẦN MỀM XFLOW Ở TRƢỜNG HỢP I 81 HÌNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG XFLOW PHƢƠNG ÁN THAY ĐỔI KÍCH THƢỚC QUẢ LÊ THIẾT KẾ 86 HÌNH PHƢƠNG ÁN THAY ĐỔI KÍCH THƢỚC QUẢ LÊ THIẾT KẾ 91 CHƢƠNG I PHẦN TỔNG QUAN 1.1 LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Tác dụng mũi lê tạo hệ thống sóng có biên độ khác hai hệ thống sóng mũi, lái lệch pha với chúng để triệt tiêu lẫn nhằm giảm sức cản cho tàu Trong nhiều trường hợp, lê giúp làm giảm sức cản tàu lên tới (12 – 15) % Tuy nhiên nay, thiết kế mũi lê cho tàu toán phức tạp, thường giải thực nghiệm chưa có phương pháp thiết kế hiệu Theo cách làm trước đây, nhà khoa học giới thường tiến hành thử nghiệm phương án hình học lê bể thử tổng hợp kết thử thành đồ thị thể mối quan hệ thơng số hình học lê để thiết kế hình dạng Tuy nhiên việc lựa chọn kích thước hình học lê theo đồ thị thiết kế thường không đảm bảo hình dạng lê thiết kế tối ưu theo hàm mục tiêu đặt Ngoài ra, việc thử nghiệm bể thử nhiều thời gian, công sức, chi phí tốn nên khó áp dụng, điều kiện kỹ thuật hạn chế nước ta Đồng thời người thiết kế thường phải nhiều thời gian, cơng sức tìm hình dáng tối ưu lê tính hàng hải, sức cản tàu Cùng với phát triển mạnh máy tính phương pháp tính, xuất phương pháp tính tốn động lực học lưu chất CFD (Computational Fluid Dynamics) – chất kết hợp phương pháp số với kỹ thuật mô máy tính để giải tốn liên quan đến chuyển động dòng lưu chất xung quanh vật thể, nhà khoa học lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần mềm CFD việc xác định yếu tố thủy động lực học tàu thủy cụ thể xác định giá trị sức cản cách nhanh chóng Phương pháp chứng tỏ tính ưu việt nhờ ưu điểm cho kết nhanh chóng xác, giảm nhiều thời gian, chi phí, cơng sức thử mơ hình Trên sở đó, chúng tơi đặt vấn đề nghiên cứu phương pháp thiết kế lê có, kết hợp sử dụng phần mềm CFD tính tốn thủy động lực học tàu nói chung sức cản tàu nói riêng giải tốn thiết kế tối ưu hình dạng lê cho tàu thủy Đây lý thực đề tài: ” Nghiên cứu phương pháp thiết kế mũi lê tàu thủy” 1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Như biết, gần 90 năm trước, nhà khoa học R.E Froude lý giải tượng sức cản tàu ngư lôi sau lắp ống ngư lôi phần mũi tàu thấp ảnh hưởng phần mũi dày lên lắp ống ngư lôi làm giảm sóng phần mũi tàu D.W.Taylor người nhận mũi lê thiết giúp giảm sức cản tạo sóng Năm 1907, ơng cho lắp lên tàu quân Delaware mũi lê để làm tăng tốc độ tàu công suất không đổi Mặc dù có kết tuyệt vời lĩnh vực thực nghiệm nhằm khám phá tiềm mũi lê, phải trải qua khoảng 70 năm, lê khẳng định thiết bị hiệu đóng tàu để làm giảm sức cản tàu Đến năm 1978, nhà khoa học người Đức A.M Kracht công bố phương pháp thiết kế mũi lê dựa đồ thị tổng hợp kết thực nghiệm bể thử Mặc dù có số khơng nhiều giải pháp thiết kế lê nhận thấy, thiết kế lê theo đồ thị thực nghiệm Kracht xem phương pháp truyền thống nhiều nước giới áp dụng Tuy vậy, nghiên cứu thiết kế mũi lê theo phương pháp chúng tơi nhận thấy gặp số điểm hạn chế cụ thể sau: - Các đồ thị thiết kế lê thực nghiệm Kracht thực cho tàu có hệ số đầy thể tích (hay hệ số béo) nằm phạm vi CB (hay ) = 0.56  0.80 Ngoài tài liệu khoa học cơng bố thức mình, Kracht giới thiệu đồ thị thực nghiệm cho tàu có hệ số béo CB = 0.7, hồn tồn khơng cơng bố đồ thị thực nghiệm cho tàu có hệ số béo khác Điều hạn chế nhiều việc sử dụng phương pháp thiết kế lê này, trường hợp khơng có điều kiện đặt mua đồ thị thực nghiệm nước ta - Phương pháp Kracht thực chất cho phép lựa chọn gần thơng số hình học lê gần với tối ưu, chưa phải phương án lê tối ưu cần tìm Riêng nước ta vấn đề thiết kế lê lĩnh vực mới, chưa có cơng trình nghiên cứu tài liệu trình bày lý thuyết mũi lê nói chung phương pháp thiết kế mũi tàu lê nói riêng 1.3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung đề tài nghiên phương pháp thiết kế mũi lê tàu thủy, nhằm giải mục tiêu cụ thể sau: - Nghiên cứu phương pháp thiết kế lê theo đồ thị thực nghiệm Kracht ứng dụng phương pháp để thiết kế lê cho tàu nghiên cứu - Nghiên cứu sử dụng phương pháp Kracht trường hợp tàu thiết kế nằm phạm vi sử dụng đồ thị Kracht - Nghiên cứu giải pháp xác định hình dạng hình học tối ưu lê dựa sở lê ban đầu thiết kế theo phương pháp Kracht 1.3.2 Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài mũi lê mẫu tàu cá vỏ thép Tổ chức Nông lương Liên Hợp quốc FAO có ký hiệu FAO 72 FAO 73 Chúng lựa chọn mẫu tàu lý cụ thể sau: - Các mẫu tàu nhà khoa học FAO tổ chức thử nghiệm kéo để xác định đường cong sức cản chúng bể thử nghiệm mơ hình tàu, tạo điều kiện thuận lợi việc xác định thông số đầu vào sử dụng phần mềm CFD xác định sức cản tàu nghiên cứu sở so sánh kết tính sức cản theo phần mềm CFD với số liệu thực nghiệm - Sử dụng làm tàu mẫu thiết kế mẫu tàu cá vỏ thép cỡ lớn có chiều dài (40 – 50) m nước ta giai đoạn tới 1.3.3 Phạm vi nghiên cứu Trong phạm vi nghiên cứu đề tài này, thực nội dung: - Nội dung đề tài không sâu lý thuyết CFD mà ứng dụng phần mềm CFD, trường hợp phần mềm XFlow để tính sức cản tàu nghiên cứu - Lựa chọn phương án hình học tối ưu lê theo hàm mục tiêu sức cản, tức đảm bảo cho sức cản chung cơng suất có ích tàu nhỏ nhất, không nghiên cứu ảnh hưởng khác lê HÌNH ẢNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TÀU FAO NO.72 TRONG PHẦN MỀM XFLOW Ở TRƢỜNG HỢP I Sức cản tàu V = 3.12 m/s Sức cản tàu V = 3.64 m/s 81 Sức cản tàu V = 4.16 m/s Sức cản tàu V = 4.68 m/s 82 Sức cản tàu V = 5.2 m/s Sức cản tàu V = 5.72 m/s 83 Sức cản tàu V = 6.24 m/s Sức cản tàu V = 6.76 m/s 84 Sức cản tàu V = 7.28 m/s Sức cản tàu V = 7.8 m/s 85 Sức cản tàu V = 8.12 m/s HÌNH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG XFLOW PHƢƠNG ÁN THAY ĐỔI KÍCH THƢỚC QUẢ LÊ THIẾT KẾ Mô sức cản phƣơng án 86 Hình ảnh mơ sức cản phƣơng án Hình ảnh mơ sức cản phƣơng án 87 Hình ảnh mơ sức cản phƣơng án Hình ảnh mơ sức cản phƣơng án 88 Hình ảnh mơ sức cản phƣơng án Hình ảnh mơ sức cản phƣơng án 89 Hình ảnh mơ sức cản phƣơng án Hình ảnh mơ sức cản phƣơng án 90 HÌNH PHƢƠNG ÁN THAY ĐỔI KÍCH THƢỚC QUẢ LÊ THIẾT KẾ Phƣơng án (LPR = 1.49 m, BB = 1,709 m) Phƣơng án (LPR = 1.2 m, BB = 2,209 m) 91 Phƣơng án (LPR = 0.9 m, BB = 2,209 m) Phƣơng án (LPR = 0.7 m, BB = 2,209 m) 92 Phƣơng án (LPR =0.5 m, BB = 2,209 m) Phƣơng án (LPR = 1.2 m, BB = 2,609 m) 93 Phƣơng án (LPR = 0.9 m, BB = 2,609 m) Phƣơng án (LPR = 0.7 m, BB = 2,609 m) 94 Phƣơng án (LPR = 0.5 m, BB = 2,609 m) 95 ... tài nghiên phương pháp thiết kế mũi lê tàu thủy, nhằm giải mục tiêu cụ thể sau: - Nghiên cứu phương pháp thiết kế lê theo đồ thị thực nghiệm Kracht ứng dụng phương pháp để thiết kế lê cho tàu nghiên. .. vấn đề nghiên cứu phương pháp thiết kế lê có, kết hợp sử dụng phần mềm CFD tính tốn thủy động lực học tàu nói chung sức cản tàu nói riêng giải tốn thiết kế tối ưu hình dạng lê cho tàu thủy Đây... yếu phương pháp nghiên cứu lý thuyết sở kết hợp phương pháp thiết kế Kracht phương pháp CFD, với nội dung cụ thể sau: - Tính tốn thơng số hình học lê ban đầu theo phương pháp Kracht - Thiết kế