Nghiên cứu phương pháp thiết kế mũi quả lê tàu thủy

Theo cách làm trước đây, các nhà khoa học trên thế giới thường tiến hành thử nghiệm các phương án hình học quả lê trong bể thử và tổng hợp kết quả thử thành các đồ thị thể hiện mối quan

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANGKHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

- -

NGUYỄN HUY VŨ

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MŨI

QUẢ LÊ TÀU THỦY

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

(Ngành đào tạo: Kỹ Thuật Tàu Thủy)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS TRẦN GIA THÁI

NHA TRANG, NĂM 2018

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Huy Vũ Lớp: 56KTTT

Ngành: Kỹ thuật tàu thủy

Tên đề tài: “Nghiên cứu phương pháp thiết kế mũi quả lê tàu thủy”

Số trang: 95 Số chương: 5 Số tài liệu tham khảo: 6

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Kết luận:

Nha Trang, Ngày… tháng….năm 2018

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS Trần Gia Thái

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Huy Vũ Lớp: 56KTTT

Ngành: Kỹ thuật tàu thủy

Tên đề tài: “Nghiên cứu phương pháp thiết kế mũi quả lê tàu thủy”

Số trang: 95 Số chương: 5 Số tài liệu tham khảo: 6

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Điểm phản biện:

Nha trang, Ngày….tháng… năm2018 CÁN BỘ PHẢN BIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) Nha trang, Ngày… tháng… năm 2018

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đề tài, bản thân tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất tận tình

từ tất cả các Thầy cô trong Khoa Kỹ thuật Giao thông của Trường Đại học Nha Trang Nhân dịp này, xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn PGS.TS Trần Gia Thái

đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm quý báu để giúp tôi hoàn thành đề tài Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và các bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

Khánh Hòa, ngày … tháng năm 2018 Tác giả

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Huy Vũ

MỤC LỤC

CHƯƠNG I PHẦN TỔNG QUAN 4

1.1 LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 4

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 5

1.3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 6

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu - 6

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu - 6

1.3.3 Phạm vi nghiên cứu - 6

1.4 PHƯƠNG PHÁP VÀ NÔI DUNG NGHIÊN CỨU 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC MŨI TÀU QUẢ LÊ 8

2.1.1 Phân loại mũi quả lê - 8

2.1.2 Các tham số hình học của mũi quả lê - 10

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA QUẢ LÊ ĐẾN TÍNH NĂNG TÀU 13

2.2.1 Ảnh hưởng của quả lê đến sức cản - 13

2.2.2 Ảnh hưởng đến các tính năng của tàu - 16

2.3 THIẾT KẾ QUẢ LÊ THEO PHƯƠNG PHÁP KRACHT 17

2.3.1 Các đồ thị thiết kế quả lê của Kracht - 17

2.3.2 Phương pháp thiết kế quả lê theo đồ thị Kracht - 19

2.4 PHẦN MỀM XFLOW 21

2.4.1 Giới thiệu chung - 21

2.4.2 Các phương trình chủ đạo của XFlow - 22

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN SỨC CẢN CHO TÀU TÍNH TOÁN 25

3.1 LỰA CHỌN NHÓM TÀU TÍNH TOÁN 27

3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D CỦA TÀU TÍNH TOÁN 30

3.2.1 Xây dựng bản vẽ đường hình 2D và 3D của tàu FAO 72 trong AutoCad - 30

3.2.2 Xây dựng mô hình 3D trong phần mềm AutoShip - 31

3.2.3 Thiết lập các điều kiện cho mô hình - 32

3.2.4 Tạo bề mặt vỏ tàu từ tấm vách đuôi đến mũi tàu và chỉnh trơn - 33

3.2.5 Kiểm tra các thông số của mô hình tàu - 34

3.2.6 Tạo file STL cho mô hình 3D của tàu thiết kế - 36

3.3 TÍNH SỨC CẢN BẰNG XFLOW 37

3.3.1 Nhập mô hình 3D của tàu tính toán vào XFlow - 37

3.3.2 Lựa chọn tỷ lệ xây dựng mô hình - 37

3.3.3 Xác định miền tính toán - 38

3.3.4 Thiết lập các 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 và xuất kết quả tính sức cản - 42

3.4 KIỂM TRA VÀ HIỆU CHỈNH KẾT QUẢ TÍNH SỨC CẢN 47

3.4.1 So sánh các thông số hình học - 47

3.4.2 So sánh kết quả tính sức cản - 48

3.4.3 Tính hiệu chỉnh sức cản của tàu tính toán - 48

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ QUẢ LÊ CHO TÀU TÍNH TOÁN 53

4.1 LỰA CHỌN TÀU TÍNH TOÁN 53

4.2 THIẾT KẾ QUẢ LÊ TÍNH TOÁN THEO ĐỒ THỊ KRACHT 56

4.2.1 Xác định các tham số hình học của quả lê cho tàu tính toán - 56

4.2.2 Xây dựng đường hình dáng của quả lê tính toán - 60

4.2.3 Tính kiểm tra và hiệu chỉnh đường cong biên dạng quả lê tính toán 62

4.2.4 Thiết kế tích hợp quả lê vào đường hình tàu - 63

4.3 XÁC ĐỊNH HÌNH DẠNG QUẢ LÊ TỐI ƯU 66

4.3.1 Xây dựng các phương án hình học quả lê - 67

4.3.2 Tính sức cản cho từng phương án thiết kế quả lê - 73

4.3.3 Kết quả lựa chọn phương án thiết kế quả lê tối ưu - 74

CHƯƠNG 5 THẢO LUẬN KẾT QUẢ 75

5.1 Thảo luận kết quả 75

5.2 Đánh giá ảnh hưởng của hình dạng mũi quả lê đến sức cản 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHẦN PHỤ LỤC 79

1 BẢNG KẾT QUẢ TÍNH GIÁ TRỊ CÁC THÔNG SỐ THŨY TĨNH CỦA TÀU THIẾT KẾ Ở CÁC PHƯƠNG ÁN TĂNG HOẶC GIẢM CHIỀU RỘNG THEO CÁC GIA SỐ XÁC ĐỊNH XUẤT TỪ AUTOSHIP 79

2 HÌNH ẢNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TÀU FAO NO.72 TRONG PHẦN MỀM XFLOW Ở TRƯỜNG HỢP I 81

3 HÌNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG XFLOW 9 PHƯƠNG ÁN THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC QUẢ LÊ THIẾT KẾ 86

4 HÌNH 9 PHƯƠNG ÁN THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC QUẢ LÊ THIẾT KẾ 91

CHƯƠNG I PHẦN TỔNG QUAN

1.1 LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Tác dụng của mũi quả lê là tạo ra hệ thống sóng có biên độ khác hai hệ thống sóng mũi, lái và lệch pha với chúng để triệt tiêu lẫn nhau nhằm giảm sức cản cho tàu Trong nhiều trường hợp, quả lê có thể giúp làm giảm sức cản tàu lên tới (12 – 15) % Tuy nhiên cho đến hiện nay, thiết kế mũi quả lê cho tàu vẫn là bài toán rất phức tạp, thường chỉ giải quyết bằng thực nghiệm chứ chưa có phương pháp thiết kế hiệu quả Theo cách làm trước đây, các nhà khoa học trên thế giới thường tiến hành thử nghiệm các phương án hình học quả lê trong bể thử và tổng hợp kết quả thử thành các đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa các thông số hình học quả lê để thiết kế hình dạng của nó Tuy nhiên việc lựa chọn các kích thước hình học quả lê theo các đồ thị thiết kế như thế thường không đảm bảo hình dạng của quả lê thiết kế tối ưu theo hàm mục tiêu đặt ra Ngoài ra, việc thử nghiệm trong bể thử mất nhiều thời gian, công sức, chi phí tốn kém nên rất khó áp dụng, nhất là trong điều kiện kỹ thuật hạn chế như ở nước ta hiện nay Đồng thời người thiết kế thường phải mất rất nhiều thời gian, công sức mới có thể tìm

ra được hình dáng tối ưu của quả lê về các tính năng hàng hải, nhất là sức cản của tàu Cùng với sự phát triển mạnh của máy tính và phương pháp tính, nhất là sự xuất hiện phương pháp tính toán động lực học lưu chất CFD (Computational Fluid Dynamics) –

về bản chất chính là sự kết hợp phương pháp số với kỹ thuật mô phỏng trên máy tính

để giải bài toán liên quan đến chuyển động của dòng lưu chất xung quanh các vật thể, các nhà khoa học trong lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy cũng đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp và những phần mềm về CFD trong việc xác định các yếu tố thủy động lực học tàu thủy cụ thể là có thể xác định được giá trị sức cản một cách nhanh chóng Phương pháp này đã chứng tỏ được tính ưu việt nhờ các ưu điểm như cho kết quả nhanh chóng và chính xác, giảm được nhiều thời gian, chi phí, công sức thử mô hình Trên cơ sở đó, chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu phương pháp thiết kế quả lê hiện có, kết hợp sử dụng phần mềm CFD tính toán thủy động lực học tàu nói chung và sức cản của tàu nói riêng giải bài toán thiết kế tối ưu hình dạng quả lê cho tàu thủy Đây chính

là lý do thực hiện đề tài: ” Nghiên cứu phương pháp thiết kế mũi quả lê tàu thủy”

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Như đã biết, gần 90 năm trước, nhà khoa học R.E Froude đã lý giải hiện tượng sức cản của tàu ngư lôi sau khi được lắp ống một ngư lôi ở phần mũi tàu thấp hơn là

do ảnh hưởng của phần mũi dày lên khi lắp ống ngư lôi làm giảm sóng ở phần mũi tàu D.W.Taylor là người đầu tiên nhận ra mũi quả lê là thiết giúp giảm sức cản tạo sóng

Năm 1907, ông cho lắp lên tàu quân sự Delaware mũi quả lê để làm tăng tốc độ tàu ở

công suất không đổi Mặc dù đã có các kết quả tuyệt vời trong lĩnh vực thực nghiệm nhằm khám phá tiềm năng của mũi quả lê, nhưng cũng phải trải qua khoảng 70 năm, quả lê mới khẳng định được là thiết bị hiệu quả khi đóng tàu để làm giảm sức cản tàu Đến năm 1978, nhà khoa học người Đức là A.M Kracht mới công bố phương pháp thiết kế mũi quả lê dựa trên các đồ thị tổng hợp các kết quả thực nghiệm trong bể thử Mặc dù cho đến hiện nay cũng có một số không nhiều giải pháp thiết kế quả lê nhưng

có thể nhận thấy, thiết kế quả lê theo các đồ thị thực nghiệm của Kracht được xem là phương pháp truyền thống chính đã và đang được nhiều nước trên thế giới áp dụng Tuy vậy, khi nghiên cứu thiết kế mũi quả lê theo phương pháp này chúng tôi nhận thấy vẫn còn gặp một số điểm hạn chế cụ thể như sau:

- Các đồ thị thiết kế quả lê thực nghiệm của Kracht chỉ thực hiện cho các tàu có

hệ số đầy thể tích (hay hệ số béo) nằm trong phạm vi CB (hay ) = 0.56  0.80 Ngoài ra trên các tài liệu khoa học đã được công bố chính thức của mình, Kracht chỉ giới thiệu một đồ thị thực nghiệm cho tàu có hệ số béo CB = 0.7, hoàn toàn không công bố đồ thị thực nghiệm cho các tàu có hệ số béo khác Điều này đã hạn chế rất nhiều việc sử dụng phương pháp thiết kế quả lê này, nhất là trong trường hợp không có điều kiện đặt mua các đồ thị thực nghiệm như ở nước ta hiện nay

- Phương pháp của Kracht thực chất cũng chỉ cho phép lựa chọn được gần đúng các thông số hình học của quả lê gần với tối ưu, chưa phải là phương án quả lê tối ưu cần tìm

Riêng ở nước ta hiện nay thì vấn đề thiết kế quả lê vẫn còn là lĩnh vực rất mới, hầu như chưa có bất kỳ công trình nghiên cứu hoặc tài liệu nào trình bày về lý thuyết mũi quả lê nói chung và phương pháp thiết kế mũi tàu quả lê nói riêng

1.3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chung của đề tài là nghiên phương pháp thiết kế mũi quả lê tàu thủy, nhằm giải quyết các mục tiêu cụ thể như sau:

- Nghiên cứu phương pháp thiết kế quả lê theo các đồ thị thực nghiệm Kracht và

ứng dụng phương pháp này để thiết kế quả lê cho tàu nghiên cứu

- Nghiên cứu sử dụng phương pháp Kracht trong trường hợp tàu thiết kế nằm

ngoài phạm vi sử dụng của các đồ thị Kracht

- Nghiên cứu giải pháp xác định hình dạng hình học tối ưu của quả lê dựa trên

cơ sở quả lê ban đầu được thiết kế theo phương pháp Kracht

1.3.2 Đối tƣợng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là mũi quả lê của các mẫu tàu cá vỏ thép

của Tổ chức Nông lương của Liên Hợp quốc FAO có ký hiệu là FAO 72 và FAO 73 Chúng tôi lựa chọn các mẫu tàu này vì các lý do cụ thể sau:

- Các mẫu tàu này đã được các nhà khoa học của FAO tổ chức thử nghiệm kéo

để xác định đường cong sức cản của chúng trong bể thử nghiệm mô hình tàu, tạo điều kiện thuận lợi trong việc xác định các thông số đầu vào khi sử dụng phần mềm CFD xác định sức cản tàu nghiên cứu trên cơ sở so sánh kết quả tính sức cản theo các phần mềm CFD với số liệu thực nghiệm

- Sử dụng làm tàu mẫu khi thiết kế các mẫu tàu cá vỏ thép cỡ lớn có chiều dài (40 – 50) m ở nước ta trong giai đoạn sắp tới

1.3.3 Phạm vi nghiên cứu

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng tôi chỉ thực hiện các nội dung:

- Nội dung đề tài không đi sâu lý thuyết CFD mà chỉ ứng dụng phần mềm CFD, trong trường hợp này là phần mềm XFlow để tính sức cản của tàu nghiên cứu

- Lựa chọn phương án hình học tối ưu của quả lê theo hàm mục tiêu về sức cản, tức là đảm bảo sao cho sức cản chung hoặc công suất có ích của tàu nhỏ nhất, không nghiên cứu các ảnh hưởng khác của quả lê

1.4 PHƯƠNG PHÁP VÀ NÔI DUNG NGHIÊN CỨU

Đề tài sử dụng chủ yếu là phương pháp nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở kết hợp

phương pháp thiết kế Kracht và phương pháp CFD, với các nội dung cụ thể như sau:

- Tính toán các thông số hình học quả lê ban đầu theo phương pháp Kracht

- Thiết kế thân tàu cùng quả lê trong phần mềm AutoShip để đảm bảo tích hợp hài hóa hình dáng sơ bộ của quả lê vào đường hình của tàu nghiên cứu

- Xây dựng các phương án hình học quả lê trong AutoShip bằng cách thay đổi các thông số kích thước chính của quả lê như chiều dài, chiều rộng, chiều cao

- Sử dụng phần mềm CFD là XFlow để xác định sức cản của tàu nghiên cứu với các phương án hình học quả lê đã xây dựng trên cơ sở điều chỉnh các thông số đầu vào để đảm bảo sao cho kết quả sức cản tính từ XFlow phù hợp với kết quả thực nghiệm

- Xác định phương án hình học tối ưu cho quả lê của tàu nghiên cứu trên cơ sở sức cản là nhỏ nhất

Có thể tóm tắt các nội dung nghiên cứu bằng sơ đồ khối như trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ khối của quá trình nghiên cứu

Tính toán các thông số hình học

quả lê theo phương pháp Kracht

Thiết kế 3D đường hình tàu và quả lê trong phần mềm AutoShip

Xác định sức cản tàu nghiên cứu có mũi quả lê bằng phần mềm XFlow

Điều chỉnh các thông số đầu vào của XFlow để sai lệch giữa các kết quả tính

sức cản từ XFlow và thực nghiệm nằm trong phạm vi cho phép (dưới 5%)

Xây dựng các phương án hình học quả lê bằng cách thay đổi các kích thước

chính của quả lê trong AutoShip

Xác định sức cản của các phương án hình học quả lê bằng phần mềm XFlow

với các thông số đầu vào đã xác định ở trên

Lựa chọn phương án quả lê tối ưu ứng với sức cản chung của tàu là nhỏ nhất

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC MŨI TÀU QUẢ LÊ

2.1.1 Phân loại mũi quả lê

Hình dạng và kết cấu mũi quả lê trong thực tế khá đa dạng với bốn kiểu đặc trưng như mô tả trên hình 2.1

- Kiểu mũi tàu dạng ống trụ tròn kéo khá dài về phía trước và kết thúc dưới dạng nửa chỏm cầu đường kính bằng đường kính ống hay chỏm ellipsoid (hình 2.1a)

- Kiểu thông dụng nhất hiện nay có hình dạng như bóng đèn tròn (bulb) hoặc hình giọt nước (hình 2.1b)

- Mũi quả lê có kết cấu gần giống hình bóng đèn tròn như vừa nêu ở bên trên Điểm khác biệt là quả lê có diện tích phần đáy lớn hơn giọt nước (hình 2.1c)

- Mũi tàu SV chính là hình ảnh của cấu hình Mayer thông dụng (hình 2.1d)

Hình 2.1 Bốn kiểu đặc trưng cho dạng mũi tàu quả lê

Về nguyên tắc, việc mô tả chính xác hình dạng của một quả lê cũng giống việc

mô tả một dạng thân tàu, chỉ với một số hữu hạn thông số hình học là không khả thi, tuy nhiên nếu chỉ phân loại một cách đơn giản thì có thể sử dụng chỉ một vài thông số

Cụ thể nếu lấy hình dạng mặt cắt ngang mũi quả lê ABT tại đường vuông góc mũi (FP) làm tiêu chí có thể phân biệt ba dạng quả lê chính như trên hình 2.2

diện tích mặt cắt ngang ABT cũng có dạng giọt nước nhưng có trọng tâm nằm ở nửa trên và trọng tâm khối lượng nằm ở gần mặt thoáng (hình 2c) Loại này dễ hòa hợp với mũi chữ V, có tính năng đi biển tốt và khi ngập hoàn toàn có hiệu ứng giảm chấn cao nên dùng phổ biến nhất hiện nay

2.1.2 Các tham số hình học của mũi quả lê

Theo Krach, có 6 tham số hình học cần thiết dùng để mô tả hình dạng của quả lê, gồm 03 tham số dạng tuyến tính và 03 tham số dạng phi tuyến, cụ thể như sau:

Ba tham số tuyến tính của quả lê:

(1) Tham số chiều dài CLPR tính bằng tỷ số giữa chiều dài phần nhô ra của quả lê LPR

và chiều dài hai trụ LPP của tàu (Hình 2.3)

Hình 2.3 Xác định tham số chiều dài và chiều rộng

(2) Tham số chiều rộng CBB bằng tỷ số giữa chiều rộng lớn nhất BB của mặt cắt ngang quả lê đo ở đường vuông góc mũi (FP) và chiều rộng mặt cắt ngang giữa tàu BMSChiều rộng BB không nhất thiết phải là chiều rộng lớn nhất đo ở phần thân quả lê,

mà vì lý do về mặt thủy động lực học của hình dạng quả lê có thể đặt trước FP

CBB =

MS

B

BB

(3) Tham số chiều cao tính bằng tỷ số giữa chiều cao điểm cao nhất của quả lê ZB tính

từ đáy và mớn nước TFP đo tại đường vuông góc mũi (FP) (hình 2.4)

CZB =

FP

B

TZ

Hình 2.4 mô tả cách xác định tham số chiều cao của quả lê

Hình 2.4 Cách xác định các tham số chiều cao của quả lê

Ba tham số phi tuyến của quả lê bao gồm:

(4) Tham số mặt cắt ngang tính bằng tỷ số giữa diện tích mặt cắt ngang quả lê ABT tại đường vuông góc mũi FP và diện tích mặt cắt ngang giữa tàu AMS (Hình 2.5 a)

(5) Tham số cạnh bên tính bằng tỷ số giữa diện tích phần nhô ra của quả lê ABL trong mặt cắt dọc và diện tích mặt cắt ngang giữa tàu AMS (Hình2.5 b)

CABL =

MS

BL

AA

(a) (b)

Hình 2.5 Cách xác định tham số mặt cắt ngang và tham số cạnh bên

(6) Tham số thể tích bằng tỷ số giữa thể tích phần nhô ra của quả lê PR (phần quả lê kéo dài ra trước đường vuông góc mũi) và thể tích chiếm nước của tàu WL

Hình 2.6 Cách xác định tham số thể tích

Hình 2.7 trình bày cách xác định các tham số tuyến tính và phi tuyến của quả lê, với sự thay đổi các tham số tuyến tính của quả lê dễ thực hiện trong quá trình thiết kế, còn thể tích danh nghĩa của quả lê PR được tính theo công thức:

PR = 

P R L

BT(x)dx

Hình 2.7 Cách xác định các tham số tuyến tính và phi tuyến của quả lê

Cuối cùng, cần phân biệt trường hợp quả lê được thêm vào và quả lê đang có sẵn,

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA QUẢ LÊ ĐẾN TÍNH NĂNG TÀU

2.2.1 Ảnh hưởng của quả lê đến sức cản

Mục đích chính khi gắn quả lê vào phần mũi tàu là để tạo ra một hệ thống sóng

phía trước tàu nhằm mục đích làm giảm tối đa hệ thống sóng truyền dọc theo thân tàu

Có thể giải thích hiện tượng này như mô tả trên hình 2.16, ở đó khi tàu chuyển động về phía trước, do áp lực nước ở khu vực mũi cao hơn nên bản thân thân tàu (2) sẽ tạo ra

hệ thống sóng mũi (4) cản trở tàu chuyển động và gây ra tổn thất năng lượng cho tàu Khi mũi tàu có gắn quả lê, quả lê (1) đặt phía trước mũi tàu sẽ tạo ra hệ thống sóng (3) Nếu quả lê có hình dạng hoặc vị trí phù hợp, hai hệ thống sóng khi tương tác với nhau

có thể dẫn đến giao thoa ngược pha tích cực, theo nghĩa đỉnh hệ thống sóng này chồng lên đáy của hệ thống sóng kia và ngược lại, sẽ làm triệt tiêu cả hai hệ thống sóng này

Sự tương tác như thế sẽ làm ảnh hưởng lớn đến thành phần sức cản sinh sóng của tàu

và ảnh hưởng càng thể hiện rõ hơn khi vận tốc tàu tăng lên

Hình 2.8 Minh họa tương tác của sóng mũi tàu và sóng tạo ra bởi quả lê

Ngoài ảnh hưởng hệ thống sóng tàu, quả lê cũng ảnh hưởng đến sức cản ma sát

Bề mặt dưới nước của quả lê sẽ được tính bổ sung vào diện tích bề mặt dưới nước của tàu nên luôn làm tăng thành phần sức cản ma sát, đóng góp lớn nhất vào sức cản nhớt Ngoài ra, sự có mặt quả lê trong một số trường hợp sẽ nâng cao độ trơn xung quanh phần mũi, do đó làm thay đổi trường áp suất nhớt của tàu và có thể giảm sức cản nhớt Với tàu béo và chạy chậm, việc giảm thành phần sức cản nhớt do độ trơn của phần mũi

có thể làm xuất hiện nhiều sóng khác làm hạn chế ảnh hưởng của quả lê (Kracht 1978)

Tàu chuyển động trên nước tĩnh sẽ chịu tác dụng chủ yếu bởi sức cản nước RT,

có thể phân thành hai thành phần chính có liên quan đến hai hiện tượng vật lý chính là

sự xuất hiện sóng và dòng chảy rối ở khu vực xung quanh thân tàu, cụ thể như sau:

RT = RF + RP (2.1) trong đó: RF - sức cản ma sát, tính bằng tổng tất cả các lực tiếp tuyến tác dụng

theo hướng tiếp tuyến với bề mặt vỏ tàu, gây ra bởi sự ma sát giữa các lớp chất lỏng và bề mặt vỏ tàu nên phụ thuộc độ nhớt chất lỏng

RWM - sức cản sinh sóng

RWB - sức cản sóng vỡ, tính đến phần năng lượng dùng bẻ gẫy sóng mũi

Hai thành phần sức cản sau liên quan đến việc tạo sóng tàu và đóng góp của chúng vào sức cản tổng của các tàu có hệ số béo và tốc độ khác nhau là rất khác nhau

Có thể giải thích điều này vì trong thực tế việc giảm sức cản do quả lê cho các tàu béo, chạy chậm có thể vượt quá sức cản sóng một mình ở giá trị số FN <0.2 là phần không đáng kể của sức cản tổng

Hiệu ứng quan trọng nhất của mũi quả lê là ảnh hưởng của nó đến các thành phần sức cản khác nhau của tàu và do đó sẽ ảnh hưởng đến công suất yêu cầu đẩy tàu chạy

- Ảnh hưởng đến thành phần sức cản sinh sóng RWF và sức cản bẻ gẫy sóng RWB

Hai thành phần sức cản này có liên quan đến việc tạo ra hệ thống sóng của tàu và

sẽ có giá trị rất khác nhau đối với các tàu có hệ số béo và tốc độ hành trình khác nhau Nguyên nhân vì trong thực tế việc giảm sức cản do quả lê cho các tàu béo, chạy chậm

có thể vượt sức cản sinh sóng ở số FN < 0,2 là phần không đáng kể của sức cản tổng Như đã giải thích ở trên, quả lê ảnh hưởng lớn đến thành phần sức cản sinh sóng RWF

do xảy ra hiện tượng giao thoa giữa hai hệ thống sóng độc lập của thân tàu và quả lê Tùy thuộc vào sự khác nhau về pha và biên độ của hai hệ thống sóng mà có thể xảy ra

sự giao thoa tích cực giữa hai hệ thống sóng làm triệt tiêu sức cản tổng hợp của cả hai, trong đó vị trí thân quả lê gây ra sự lệch pha, còn thể tích của nó liên quan đến biên độ Sức cản bẻ gẫy sóng RWB sẽ phụ thuộc trực tiếp vào sự gia tăng và phát triển của

hệ thống các sóng tự do và sóng cục bộ xuất hiện trong vùng lân cận mũi tàu khi chạy

và là nguyên nhân gây ra hiện tượng bắn những tia nước ở khu vực này khi tàu chạy

Do đó việc am hiểu hiện tượng phá vỡ các sóng tàu có vai trò và ý nghĩa rất quan trọng khi thiết kế hình dạng mũi quả lê cho các tàu có hình dạng béo và chạy ở tốc độ chậm Thành phần sức cản bẻ gẫy sóng RWB bao gồm tất cả các phần năng lượng đã bị mất đi

do sự bẻ gẫy hay phá vỡ các hệ thống sóng mũi quá đứng khi va đập với sống mũi tàu Giá trị chính của phần năng lượng mất mát này có thể tìm được thông qua thử nghiệm

đo các hệ số dòng theo xuất hiện ở khu vực phía đuôi hoặc mũi khi tàu chuyển động

Hệ thống sóng cục bộ cũng đóng góp phần chủ yếu vào trong thành phần sức cản này

2.2.2 Ảnh hưởng đến các tính năng của tàu

Mũi quả lê ảnh hưởng lớn đến các tính năng thủy động học quan trọng của tàu,

do đó cần cân nhắc cẩn thận trước khi quyết định nên hay không nên dùng mũi quả lê

Mũi quả lê sẽ làm thay đổi sức cản nên sẽ làm ảnh hưởng đến lực đẩy của chân vịt và

do đó ảnh hưởng đến các đặc tính đẩy tàu khác như hệ số hút, hệ số dòng theo w…

Hình 2.9 thể hiện ảnh hưởng gián tiếp của quả lê đến hệ số hút và hệ số dòng theo,

trong đó cả hai hệ số đều tăng lên khi trang bị bổ sung quả lê cũng như quả lê có sẵn

nếu như tàu có mũi quả lê có sức cản toàn phần thấp hơn so với tàu không có quả lê

Hình 2.9 Ảnh hưởng của một mũi quả lê đến hệ số hút t và dòng theo w

Mặc dù có thể sẽ xảy ra những ảnh hưởng không thuận lợi nhưng nhìn chung thì các mũi quả lê không ảnh hưởng nhiều đến tính ổn định hoặc tính cơ động của tàu

Không có sự thay đổi lớn về góc vào nước hoặc khoảng thời gian thử tàu chạy zigzag

Ngoại trừ sự xuất hiện chuyển động tương đối của phần mũi quả lê so với mặt nước thì

mũi quả lê không gây ra các ảnh hưởng xấu đến các thành phần chuyển động còn lại,

hoặc là có ảnh hưởng đến giá trị mômen uốn cực đại trong mặt cắt ngang giữa tàu

Mặc dù có sự chuyển động tương đối của mũi quả lê nhưng những nguy hiểm gây ra

do sự va đập của một quả lê có hình dáng tốt không cao hơn so với tàu không có quả lê

Cụ thể quả lê làm giảm nhẹ chuyển động lắc dọc của tàu nhờ giảm chấn động cao hơn

Mũi quả lê làm phần thân mũi đầy hơn nên sẽ đảm bảo chúi dọc và ổn định tốt hơn

- - - : có quả lê - : không có quả lê

2.3 THIẾT KẾ QUẢ LÊ THEO PHƯƠNG PHÁP KRACHT

2.3.1 Các đồ thị thiết kế quả lê của Kracht

Phương pháp thiết kế quả lê của Kracht được xây dựng dựa trên cơ sở các đồ thị tổng hợp lại kết quả thử nghiệm trong bể thử các mô hình hình học quả lê khác nhau Các đồ thị thực nghiệm này, hoặc còn được gọi là các đồ thị thiết kế quả lê của Kracht,

là tập hợp đồ thị xây dựng cho các tàu có hệ số béo trong phạm vi CB = 0.56 – 0.82, trong đó tương ứng với mỗi hệ số béo CB sẽ có 06 đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị hệ số giảm công suất dư có ích của tàu CPR với 6 tham số hình học của quả lê như đã được trình bày ở mục 2.1 trong phần trên, ở các giá trị số Froude FN khác nhau Nói cách khác, đồ thị thiết kế quả lê của Kracht là đồ thị biểu diễn mối quan hệ sau: CPR = f(Ci, FN)

trong đó: CPR - hệ số giảm công suất dư của tàu CPR, tính bằng % công suất

giảm khi lắp mũi quả lê so với trường hợp không dùng quả lê, trong đó nếu giá trị hệ số giảm công suất dư lớn nghĩa là độ giảm của công suất máy tàu lớn

Ci - các thông số hình học của quả lê, bao gồm 3 thông số tuyến tính

và 3 thông số phi tuyến như trình bày ở mục 2.1

FN - giá trị số Froude của tàu đang tính

Mặc dù về lý thuyết là có nhiều đồ thị thiết kế quả lê dùng cho các tàu khác nhau nhưng trong thực tế, Kracht chỉ công bố 6 đồ thị mẫu cho tàu có hệ số béo CB = 0.70 Các đồ thị dùng cho các tàu có hệ số béo còn lại không được tác giả công bố rộng rãi

Ví dụ ở hình 2.2 là các đồ thị của Kracht giúp xác định giá trị lớn nhất của hệ số CPR

áp dụng cho tàu có hệ số béo CB = 0.70 trong phạm vi của giá trị số Froude đã cho và

ở mỗi đồ thị đều có các đường giới hạn giá trị lớn nhất (upper limit) của hệ số CPR

Ví dụ xét ở giá trị vận tốc Fn = 0.26, giả sử thiết kế quả lê đòi hỏi tỷ số LPR/LPP < 35% Nếu LPR/LPP < 0.035 cho thấy max CPR = 0.38 từ hình 2.10, tại tỷ số LPR/LPP < 0.033, từ hình 2.20 tại CPR = 0.038 thì hệ số CBB thích hợp là 15.5%, còn từ hình 2.10 thì CABT = 0,12 Các hệ số CABL và CPR cũng tìm được theo cách thức tương tự

CPR = f(CLBR, FN) CPR = f(CBB, FN)

2.3.2 Phương pháp thiết kế quả lê theo đồ thị Kracht

Trên cơ sở các đồ thị thiết kế quả lê của Kracht, các tác giả Hagen, Fung (1983)

đã xây dựng hướng dẫn thiết kế quả lê theo các bước cụ thể như sau:

Bước 1: Xác định hệ số béo và số Froude thiết kế cho tàu không có quả lê tính toán và lựa chọn các đồ thị thiết kế Kracht phù hợp với hệ số béo của tàu tính toán Bước 2: Trên 6 đồ thị thiết kế của Kracht, xác định những điểm nằm trên các đường

có giá trị số Froude phù hợp và giá trị hệ số giảm sức cản dư CPVR lớn nhất Ghi lại các giá trị của CPVR liên quan với từng giá trị cực đại

Bước 3: Chọn giá trị hệ số CPVR nhỏ nhất trong các giá trị CPVR lớn nhất nói trên

và xem giá trị này là giá trị để tính toán, thiết kế quả lê cho tàu đang tính Dựa trên từng đồ thị trong số 6 đồ thị thiết kế, xác định giá trị các tham số hình học quả lê tương ứng với giá trị hệ số CPVR vừa được xác định ở trên Bước 4: Xác định chiều cao của mũi quả lê nằm tại đường vuông góc ở mũi tàu (FP)

Cần xem xét kỹ chiều cao và khoảng cách từ đáy quả lê đến đường cơ bản bị hạn chế bởi ít nhất là hai yêu cầu sau:

i Nó phải đủ lớn để có thể khai triển diện tích mặt cắt ngang yêu cầu (ABT)

ii Điểm trên cùng quả lê nằm dưới đường nước thiết kế khoảng thích hợp

Có thể ước tính giá trị chiều cao quả lê HB theo công thức kinh nghiệm:

HB = (4ABT) / ( BB)

Chiều cao này sẽ được giữ không đổi cho tất cả phương án quả lê tính toán tiếp theo

Bước 5: Thiết kế phần nhô ra ở phía trên của mặt cắt dọc quả lê bằng cách nối các

điểm ở đường vuông góc mũi (ở chiều cao HB phía trên đáy quả lê) đến điểm mút mũi (ở độ cao ZB trên đường cơ sở) bằng đường cong tùy ý (lõm xuống)

có hình dạng tổng quát có thể là một hình elip hoặc parabol với đỉnh ở mũi Quyết định của người thiết kế sẽ ảnh hưởng rất lớn hình dạng đường cong tùy ý nói trên, do đó hai nhà thiết kế khác nhau có thể xây dựng hình dạng của quả lê có các thông số giống nhau là hoàn toàn khác nhau

Bước 6: Bố trí đường cong dưới của mặt cắt dọc bằng cách tính khoảng cách y (x)

nằm bên dưới đường cong trên cùng theo chiều dọc x một ở khoảng cách, trước đường vuông góc mũi theo theo công thức sau:

y (x) = [HB2 – x2 (HB / LPR)2]0,5

Bước này tương đối rõ và dễ thực hiện nhưng Hagen (1983) không đề cập đến nguồn gốc của công thức này

Bước 7: Tính giá trị diện tích mặt cắt ngang phần nhô ra ABL của quả lê đã vẽ ở trên

So sánh với giá trị ABL tương ứng nhận được từ đồ thị thiết kế của Kracht và tiến hành các điều chỉnh nhỏ trong mặt cắt dọc để đạt được giá trị gần đúng với giá trị thông số ABL của một trong các giá trị xác định từ đồ thị thiết kế Bước 8: Tính gần đúng giá trị diện tích ngang của quả lê tại các trạm dọc lựa chọn

theo công thức sau:

AT (x) = y2 (x) A’BT / HB2

với A’BT là diện tích mặt cắt ngang thực của quả lê tại đường vuông góc mũi Nói chung A’BT bằng hay rất gần giá trị tương ứng xác định từ đồ thị thiết kế Lưu ý là Hagen cũng không đề cập nguồn gốc của các công thức này,

Bước 9: Tính toán thể tích của quả lê đã được xác định trong các phần trên bằng các

phương pháp tính thông dụng, ví dụ có thể áp dụng trực tiếp quy tắc Simpson

để tính các diện tích ngang trong bước này

Bước 10: Với giá trị gần đúng của các tham số hình học quả lê đã tính được, xây dựng

hình dạng trơn của quả lê (tức đã nối với đường hình và mặt phẳng dọc tàu) Tính giá trị các tham số hình học của quả lê đã có và so sánh với các giá trị

đã xác định được từ các đồ thị thiết kế quả lê của Kracht đã lựa chọn ở trên Mặc dù không mong đợi sẽ đạt được ngay sự phù hợp giữa hai kết quả tính, tuy nhiên ta có thể lặp đi, lặp lại nhiều lần quá trình thiết kế cho đến khi các giá trị tính toán phù hợp hơn với các giá trị lấy từ các đồ thị thiết kế đã chọn Lưu ý: quyết định của cá nhân người thiết kế một lần nữa đóng vai trò chính khi thực hiện bước này

2.4 PHẦN MỀM XFLOW

2.4.1 Giới thiệu chung

Hiện nay có nhiều phần mềm CFD dùng tính động lực học tàu thủy nhưng trong phạm vi đề tài sử dụng phần mềm XFlow để tính và mô phỏng 3D theo kỹ thuật CFD, hiện đang được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy, ô tô, hàng không…

Về lý thuyết, XFlow sử dụng phương pháp dựa trên hạt và Lagrangian để giải quyết các bài toán về CFD và các bài toán trong lý thuyết tối ưu hóa dựa trên phương pháp LBM (Lattice Boltzmann Method) – phương pháp tính mới đã khắc phục được nhiều nhược điểm của phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) truyền thống Với phương pháp tính mới này, phân chia miền chất lỏng cổ điển là không giới hạn Next Limit Technologies là nhà phát triển và chủ sở hữu XFlow ™ là công cụ CFD, công nghệ cho phép mô phỏng các hệ thống phức tạp và phân tích đa môi trường XFlow cho phép tính chính xác dòng lưu chất chuyển động và động lực học vật rắn, thậm chí tính toán trong tương tác đồng thời phức tạp giữa các môi trường khác nhau Công nghệ của XFlow có thể giải quyết được nhiều bài toán có liên quan đến những dòng chảy bên trong và bên ngoài vật thể, đặc biệt hữu ích cho tính toán khí động học của vật thể chuyển động, các bài toán liên quan hình học phức tạp và điều kiện biên

Cụ thể, XFlow có thể tính tải khí động học tổng, phân bố áp suất tĩnh và tổng áp suất Khác phần mềm CFD khác, Xflow cung cấp phương pháp thủy động lực học đầy đủ dựa trên Lagrangian nên làm giảm đáng kể thời gian và tăng độ chính xác khi sử dụng Khi sử dụng XFlow cũng yêu cầu phần cứng máy tính cao hơn các phương pháp khác Hình 2.6 là hình ảnh mô phỏng chuyển động của tàu bằng Xflow

Hình 2.11 Hình ảnh mô phỏng chuyển động của tàu bằng XFlow

2.4.2 Các phương trình chủ đạo của XFlow

Phương pháp LBM bắt nguồn từ lý thuyết động học của Ludwig Boltzmann [1],

dựa trên ý tưởng cơ bản là các loại lưu chất (chất khí hoặc chất lỏng) có thể được coi

là bao gồm một số lượng lớn các hạt nhỏ đang di chuyển với chuyển động ngẫu nhiên.Việc trao đổi động lực và năng lượng thực hiện thông qua dòng hạt và va chạm hạt.Quá trình này có thể được mô phỏng theo phương trình vận chuyển Boltzmann, đó là:





fut

được định nghĩa bởi công thức sau

4,3,2,1i)1,0(),0,1(),1,0(),0,1(

0i)

0,0(

, t), với i = 0,…8 để mô tả khả năng truyền theo một hướng cụ thể

Hình 2.12 Nút mạng điển hình của mô hình D2Q9

Ngoài phương trình trên, các phương trình chủ đạo của phương pháp LBM được diễn tả như sau:

 Mật độ chất lỏng vĩ mô có thể được định nghĩa như là một kết hợp của các hạt

i

iecf

stream

i i

i

t,xft,xft

,xftt,texf

trong điều kiện va chạm (2.59) thì fieq x,t

là sự phân bố cân bằng và τ là thời gian

hồi phục đối với sự cân bằng cục bộ

Khi thực hiện mô hình trong thực tế, dòng chảy và va chạm sẽ được tính riêng Hình 2.8 minh hoạ bước truyền (hay hướng chuyển động) diễn ra ở các nút bên trong

Hình 2.13 Minh họa hướng chuyển động của nút lưới

Để mô phỏng các dòng chảy pha đơn, sự phân bố cân bằng fieqnêu trên sẽ được xác định bởi phương trình sau:

3c

)u.e(2

9c

u.e3wu

4,3,2,0i9/1

0i9/4

Thuật toán có thể được tóm tắt như sau:

1 Giá trị ban đầu ,u,fi,fieq

4 Bước va chạm: tính hàm chuyển động fi fi* 1 fi*fieq)





5 Lặp lại các bước tính từ bước (2) đến bước (5)

Cần lưu ý là có thể phát sinh vấn đề về số, ví dụ như  1/2 nên trong quá trình chuyển động và va chạm, các nút nằm ở biên đòi hỏi phải có phương pháp nghiên cứu cho hàm số chuyển động theo thứ tự, mới có thể đáp ứng yêu cầu về điều kiện biên

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN SỨC CẢN CHO TÀU TÍNH TOÁN

Xác định sức cản là một trong các bài toán có vai trò quan trọng khi thiết kế tàu,

cơ sở chính để giải quyết nhiều bài toán thủy động lực học tàu như tính toán công suất thiết bị động lực, xác định tốc độ tàu thiết kế, tối ưu hóa hình dạng vỏ tàu và quả lê… Riêng với tàu cá, việc không đảm bảo được tốc độ có thể làm tàu không vây bắt kịp đàn cá hoặc mất nhiều thời gian trên đường ra ngư trường hay từ ngư trường về cảng, dẫn đến làm ảnh hưởng xấu đến mức độ an toàn và hiệu quả kinh tế của tàu khai thác Với vai trò và ý nghĩa quan trọng như vậy nên bài toán tính sức cản luôn được những nhà đóng tàu tập trung nghiên cứu theo hai phương pháp chính như sau:

- Phương pháp lý thuyết

Phương pháp lý thuyết nghiên cứu tính sức cản tàu theo lý thuyết cơ chất lỏng Phương pháp này nhìn chung rất phức tạp, còn nhiều vấn đề lúng túng về lý thuyết tàu bởi vì đường hình trước đây không được biểu diễn theo công cụ toán học chính xác, những liên quan đến hình học tàu, xuất hiện như yếu tố chủ quan trong tương tác giữa tàu và môi trường cũng là trở ngại chính không vượt qua được trong tính toán sức cản Với những trở ngại như vậy nên phần lớn các ý tưởng nghiên cứu về sức cản tàu của các nhà khoa học nhiều nước đều tập trung theo hướng thực nghiệm

- Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm gồm kéo mô hình tàu trong bể thử hoặc kéo tàu thật, tuy cho kết quả chính xác nhưng mất nhiều thời gian, công sức và chi phí quá tốn kém, không dễ thực hiện và thậm chí trong nhiều trường hợp là không thể thực hiện được, nhất là trong các điều kiện kinh tế- kỹ thuật còn nhiều hạn chế như ở nước ta hiện nay

Do đó để thuận tiện khi sử dụng, trong giai đoạn thiết kế sơ bộ thường tính sức cản tàu theo công thức gần đúng hoặc đồ thị thực nghiệm xây dựng trên cơ sở hệ thống hóa các dữ liệu thực nghiệm sức cản nhận được khi thử hàng loạt mô hình tàu trong bể thử Khi đó, độ chính xác của công thức tính gần đúng sức cản sẽ phụ thuộc vào phạm vi thay đổi các thông số hình học tàu và số lần thử nghiệm, tức dữ liệu đem phân tích Nếu sai khác các thông số hình học của tàu đang tính với các tàu thử mô hình càng ít cùng với số liệu thử nghiệm càng nhiều thì độ chính xác của công thức tính càng tăng

Mặc dù không phủ nhận vai trò của các công thức tính sức cản gần đúng hiện có nhưng các công thức này chưa đề cập đầy đủ ảnh hưởng của các thông số hình học tàu đến sức cản nên nhiều khi kết quả tính chưa phản ảnh đúng bản chất vấn đề đang xét

Do đó như đã trình bày ở trên, trong thời gian gần đây cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và phương pháp tính, xu hướng sử dụng CFD, phương pháp thứ ba giữa thực nghiệm và lý thuyết đã trở thành hướng nghiên cứu chính để xác định sức cản tàu Với cách đặt vấn đề như thế, trong phần này chúng tôi sử dụng phần mềm CFD là XFlow để thực hiện tính sức cản cho tàu nghiên cứu đảm bảo độ chính xác yêu cầu

Về mặt lý thuyết, khi sử dụng các phần mềm CFD với các thông số đầu vào được lựa chọn một cách tùy ý đều cho phép nhận được kết quả tính sức cản cho tàu tính toán Tuy nhiên vấn đề quan trọng đặt ra ở đây là ta không thể đánh giá được độ tin cậy và mức độ chính xác của giá trị sức cản tàu đang tính nhận được theo phương pháp CFD

Để giải quyết bài toán này, chúng tôi đặt vấn đề sử dụng các phần mềm CFD để tính cho các tàu đã có số liệu thử nghiệm sức cản và sử dụng các dữ liệu này để điều chỉnh các thông số đầu vào của phần mềm CFD cho đến khi mức độ sai lệch giữa kết quả tính sức cản từ phần mềm CFD và thực nghiệm nằm trong giới hạn cho phép dưới 3% Một cách tổng quát có thể tóm tắt các bước tính trong phần này như sau:

(1) Lựa chọn nhóm tàu tính toán đã có sẵn các số liệu thử nghiệm sức cản

(2) Sử dụng phần mềm CFD là XFlow tính sức cản cho một tàu lựa chọn

(3) Xác định các thông số đầu vào khi sử dụng các phần mềm CFD nói chung và XFlow nói riêng, gồm kích thước miền tính, các thông số của mô hình rối đảm bảo mức sai lệch giữa kết quả tính từ XFlow và thực nghiệm đối với tàu đang tính dưới 3%

(4) Sử dụng XFlow cùng với các thông số đầu vào đã được xác định ở phần trên

để tính sức cản của tàu khác trong nhóm và so sánh với kết quả thực nghiệm

để kiểm tra mức độ chính xác của kết quả nghiên cứu

Ngoài ra, để hạn chế mức độ sai số khi sử dụng các phần mềm CFD nói chung, nội dung của phần này còn đặt vấn đề xây dựng mô hình 3D của tàu tính toán trong phần mềm AutoShip nhằm tính toán và kiểm tra các thông số hình học của mô hình 3D đã xây dựng có phù hợp với mô hình tàu thực tế hay không

3.1 LỰA CHỌN NHÓM TÀU TÍNH TOÁN

Lựa chọn nhóm tàu tính toán là các tàu đánh cá lưới vây vỏ thép của FAO được chế tạo và thử nghiệm mô hình theo bốn phương án có các ký hiệu là 72, 73, 74 và 75 tại ba trạng thái thử nghiệm I, II, III tương ứng với các trạng thái tải trọng khác nhau

Mô hình ở các phương án này có kích thước như nhau, chỉ khác ở đặc điểm phần mũi (mũi chữ V/mũi quả lê) và phần đuôi (tuần dương hạm/Transom) (Bảng 3.1)

Bảng 3.1 Đặc điểm hình học của các mẫu tàu nghiên cứu Thông

số

Đơn

vị

 m2 603 611 625 620 627 655 608 617 645 598 602 616 1/2E độ 13.0 11.0 9.0 13.0 11.0 9.0 18.5 16.7 17.0 18.5 16.7 17.0

L, B, T - chiều dài, chiều rộng và chiều chìm ở đường nước thiết kế

CB, Cp - hệ số đầy thể tích (hệ số béo), hệ số đầy lăng trụ dọc tàu

 - thể tích chiếm nước và lượng chiếm nước của tàu

LCB - hoành độ tâm nổi của tàu

 - diện tích mặt ướt của tàu

1/2E - nửa góc vào nước phía mũi tàu

Lựa chọn mẫu tàu tính toán sức cản đầut iên là mẫu tàu FAO 72 với bản vẽ đường hình, các thông số hình học và dữ liệu thử nghiệm sức cản cho như sau

Hình 3.1 Bản vẽ đường hình mẫu FAO N o 72 (model 205)

 Loại tàu : Lưới vây

 Bể thử : MU

 Ngày thử nghiệm : 15/7/1946

 Tỷ lệ mô hình : 1: 24

 Vật liệu mô hình : gỗ, sơn

 Kiểu tàu: Mũi quả lê, đuôi tuần dương hạm

 Chảy rối: Phun nước

44.45 145.88

44.55 146.14

ft

10.36 34.00

10.36 34.00

10.36 34.00

ft

4.57 15.00

4.88 16.00

5.33 17.50

ft

4.57 15.00

4.57 15.00

4.72 15.50

ft

4.57 15.00

4.27 14.00

4.11 13.50

Bảng 3.2 Kết quả thử nghiệm sức cản trong bể thử của mẫu tàu No.72 ở

3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D CỦA TÀU TÍNH TOÁN

Quá trình xây dựng mô hình 3D của tàu tính toán thực hiện theo trình tự sau:

3.2.1 Xây dựng bản vẽ đường hình 2D và 3D của tàu FAO 75 trong AutoCad

- Từ bản vẽ đường hình phác thảo của tàu FAO 75 như trình bày trên hình 3.1, quét Scan bản vẽ và tiến hành xây dựng lại bản vẽ các mặt cắt ngang (hình 3.3)

và dựa trên cơ sở đó xây dựng bản vẽ đường hình 2D của tàu trong AutoCad

Hình 3.3 Bản vẽ mặt cắt ngang của tàu thiết kế

- Sắp xếp các sườn ngang nằm đúng vị trí của chúng dọc theo chiều dài tàu để hình thành mô hình 3D và vẽ các đường cơ bản của tàu gồm đường sống mũi, đường dọc tâm, đường mạn, đường boong, sau đó chuyển gốc tọa độ O (0,0,0)

về sườn giữa bằng lệnh Move chọn điểm giữa tàu (hình 3.4)  lưu lại file đường hình 3D vừa tạo dưới dạng file dxf để có thể nhập vào AutoShip

Hình 3.4 Vẽ các đường sườn tàu dưới dạng 3D

Sau khi xây dựng được file đường hình 3D của mẫu tàu FAO 75 trong AutoCad,

nhập file này vào phần mềm AutoShip để thực hiện các công việc gồm mô phỏng 3D, tiền xử lý bề mặt, xác định tỷ lệ và vị trí đường nước sao cho kích thước và vị trí các đường nước phù hợp mô hình thử nghiệm, chia lưới ban đầu trên mô hình hình học 3D

3.2.2 Xây dựng mô hình 3D trong phần mềm AutoShip

- Nhập file mô hình 3D của tàu tính toán từ phần mềm AutoCad vào AutoShip

để xây dựng mô hình 3D của bề mặt thân tàu tính toán bằng cách: vào menu

File → New → Setting – Units → chọn Meter và Tonnes → OK → Setting – Preferences → Coordinate system → Engineer/Scientific → OK → Save →

trong hộp thoại Project Info xuất hiện, nhập tên file dự án là FAO 75 → OK

→ sẽ xuất hiện hộp thoại Save Project → nhập tên FAO 75.pr3 → OK

- Nhập file sườn 3D của tàu tính toán từ

AutoCad vào Autoship bằng cách: chọn File

→ Import → DXF → xuất hiện hộp thoại

Import DXF (hình 3.15) → chọn các tùy chọn

có trong hộp Import DXF như ở hình 3.5 và

nhấp OK → tìm đường dẫn tới vị trí đặt File

mô hình 3D của tàu FAO 75.dxf → Open Hình 3.5 Hộp import DXF

- Chọn đường dẫn đến nơi lưu file import chúng ta đươc khung sườn 3D sau khi nhập (import) vào phần mềm Autoship (hình 3.6)

Hình 3.6 Hình dạng khung sườn 3D sau khi nhập vào Autoship

3.2.3 Thiết lập các điều kiện cho mô hình

- Sau khi nhập file, AutoShip sẽ tự động gán tên mặc định cho các đường sườn

Để thuận tiện trong việc quản lí, nên đổi tên lại các đường sườn bằng cách

chọn mục Edit - Attributes → chọn các đường muốn đổi tên và nhấp vào mục

Properties để đặt lại tên các đường → OK → đổi tên các đường sườn

- Sau khi đổi tên các sườn, di chuyển gốc tọa độ về sườn giữa để thuận lợi cho

các bước tiếp bằng cách nhấp mục Edit để xem tọa độ điểm muốn chọn làm gốc tọa độ (0, 0, 0) → nhấp phải chuột nút Set Base Point và nhập tọa độ vừa xem vào hộp Location (Hình 3.7a)

- Sau khi chọn lựa điểm sườn giữa làm gốc tọa độ, di chuyển gốc tọa độ về điểm (0, 0, 0) bằng cách nhấp Ctrl+A để chọn tất cả đối tượng trong AutoShip

→ nhấp phải chuột nút Move và nhập các giá trị ngược lại với tọa độ điểm gốc

vừa chọn (Hình 3.7b)

(a) Hộp thoại chọn lại gốc tọa độ (b) Hộp thoại di chuyển gốc tọa độ

Hình 3.7 Hộp thoại chọn lại gốc tọa độ và di chuyển gốc tọa độ về 0

Các đường sườn sau khi nhập từ AutoCad vào AutoShip sẽ có rất nhiều điểm control làm cho việc tạo và chỉnh trơn bề mặt gặp rất nhiều khó khăn nên cần tiến hành

bỏ bớt các điểm control bằng cách sau: tạo một bản copy của đường muốn bỏ bớt các

điểm control → chọn đường muốn bỏ bớt các điểm control → nhấp vào mục Edit → nhấp chọn những điểm control ở giữa muốn bỏ bớt đi → nhấp chuột vào nút Delete

→ di chuyển những điểm control còn lại ở giữa sao cho đường cong này trùng với biên dạng của đường copy Tiến hành cho tất cả các đường còn lại

3.2.4 Tạo bề mặt vỏ tàu từ tấm vách đuôi đến mũi tàu và chỉnh trơn

- Nhấp mục Creat Mode → Create Surface → xuất hiện hộp Creat Surface 

chọn thẻ Loft → nhập vào ô Surface Name tên mặt, ví dụ “Be mat vo tau” →

chọn các đường sườn để dựng mặt đi qua các đường sườn

- Sau khi dựng bề mặt vỏ tàu, nhập khoảng cách giữa các sườn trong AutoShip

Để thuận lợi cho việc chỉnh trơn nên nhập khoảng sườn trong AutoShip trùng

khoảng sườn trong AutoCad bằng cách: Setting – Contours: nhập giá trị các

sườn (stations), cắt dọc (buttocks), mặt đường nước (waterlines) (Hình 3.8)

Hình 3.8 Hộp thoại (a) nhập khoảng sườn và (b) mặt cắt dọc

- Tiến hành chỉnh trơn bề mặt tàu bằng cách di chuyển các điểm control trên các hàng, cột của bề mặt vỏ tàu cho đến khi đường sườn, đường cắt dọc và đường nước trơn đều (Hình 3.9) và khi chỉnh trơn nên bật contours để dễ quan sát

Hình 3.9 Dịch chuyển các hàng và cột của mặt vỏ tàu

3.2.5 Kiểm tra các thông số của mô hình tàu

Sau khi chỉnh trơn xong bề mặt vỏ tàu, tính kiểm tra lại các thông số hình học của mô hình, nhất là các hệ số hình dáng CB, CP, CW xem có phù hợp mẫu tàu đang vẽ hay không bằng cách nhấp chuột trái vào kí tự H có trên thanh công cụ → xuất hiện

hộp Instant Hydrostatics → Group → chọn nhóm “Hull” liên kết các bề mặt vỏ tàu Trong ô Depth (mớn nước) nhập mớn nước thiết kế của tàu đang xây dựng → Update

→ xuất hiện giá trị các yếu tố thủy tĩnh của mô hình tàu đang xây dựng (Hình 3.10) Nếu chưa phù hợp thì tiếp tục chỉnh cho đến khi đạt các thông số giống tàu mẫu

Hình 3.10 Kiểm tra các yếu tố hình dáng vỏ tàu

Bảng 3.3 trình bày kết quả so sánh các thông số hình học của mẫu tàu FAO 75 với mô hình tàu dựng trong phần mềm AutoShip

Bảng 3.3 So sánh các thông số hình học của tàu FAO 75 và mô hình tàu dựng

Mô hình tàu dựng trong AutoShip

Sau khi dựng xong mô hình, chọn Group vỏ tàu → nhấp chọn View → Render để

tô bóng toàn bộ mô hình và lưu lại mô hình tàu dưới dạng file có đuôi iges bằng cách:

nhâp chọn mục File → Export → IGES → chọn nơi lưu giữ và nhập tên file, ví dụ FAO75.igs → chọn mục Yes trong hộp câu hỏi: Split Objects at Corners? → nhập trong hộp thoại Accep table Tolerance (m) giá trị 0.01 → OK

Hình 3.11 Mô hình tàu trước và sau tô bóng với hộp thoại xuất file *.iges

3.2.6 Tạo file STL cho mô hình 3D của tàu thiết kế

Thông thường, các phần mềm dùng tính toán CFD nói chung và XFlow nói riêng đều sử dụng file mô hình 3D dưới dạng STL, thuật ngữ viết tắt từ STereoLithography, dùng mô tả bề mặt của đối tượng ở dạng lưới tam giác, một hình thức rời rạc hình học đối tượng đang tính được ứng dụng phổ biến trong các bài toán của CFD (Hình 3.12)

Hình 3.12 Định dạng hình học dạng file.STL

Do trong AutoShip không xuất được file STL nên tiến hành chuyển mô hình 3D của tàu thiết kế dang phần mềm Rhino như mô tả trên hình 3.13 và sau đó lưu lại file

mô hình 3D dưới dạng file STL trong phần mềm Rhino

Hình 3.13 Mô hình tàu No.72 trong phần mềm Rhino