Nghiên cứu ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Bánh lái đối tƣợng điều khiển, nhằm thay đổi hƣớng chuyển động tàu thủy Bánh lái đƣợc đặt sau chân vịt tàu thủy, để chuyển đổi lƣợng dịng chảy thành lực bẻ lái Vì nói tƣợng vật lý xung quanh vấn đề trao đổi lƣợng dòng chảy bánh lái ảnh hƣởng lớn đến lực bẻ lái tàu thủy Một tƣợng phổ biến quan trọng xâm thực bánh lái, có diễn biến phức tạp ảnh hƣởng rõ nét đến lực bẻ lái, đặc biệt tàu thủy liên tục thay đổi chế độ làm việc, điều động tàu, tàu chạy với tốc độ cao, Vậy sở khoa học làm rõ vấn đề xâm thực bánh lái, nhƣ phân tích ảnh hƣởng chúng đến lực bẻ lái tàu thủy; từ đƣa đƣợc giải pháp nhằm giảm thiểu tác hại mà xâm thực bánh lái gây Hơn nữa, giải đƣợc vấn đề giúp cho chuyên gia lĩnh vực hàng hải có đƣợc thuật giải điều khiển tàu thủy đủ thông minh để hạn chế ảnh hƣởng xâm thực bánh lái, góp phần nâng cao an toàn hàng hải Xuất phát từ sở lý luận trên, nghiên cứu sinh (NCS) lựa chọn nghiên cứu đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy” Việc tính tốn mơ nghiên cứu thực nghiệm đƣợc triển khai Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam, riêng nghiên cứu thực địa thực tuyến luồng hàng hải Hải Phòng tàu lên đà sửa chữa định kỳ nhà máy Ship Marine Sài Gòn Hơn nữa, nghiên cứu sinh kết hợp chặt chẽ vấn đề nghiên cứu đề tài luận án tiến sĩ với vấn đề nghiên cứu thực hai đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải, mà nghiên cứu sinh chủ nghiệm đề tài thành viên tham gia Cụ thể, nghiên cứu sinh nghiên cứu sử dụng phần kết nghiên cứu hai đề tài Khoa học Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải năm 2017 23, 30: - “Xây dựng chương trình tính tốn mơ thử nghiệm số nguyên nhân dẫn đến tai nạn hàng hải tuyến luồng Sài Gịn phục vụ cơng tác đào tạo huấn luyện thuyền viên”, mã số: DT 174030 nghiên cứu sinh làm chủ nhiệm đề tài, PGS TS Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy thành viên tham gia số thành viên khác; - “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh giá tác động tổ hợp chân vịt - bánh lái đến đặc tính điều khiển hướng chuyển động tàu thủy”, mã số: DT 174003 PGS TS Phạm Kỳ Quang làm chủ nhiệm đề tài, nghiên cứu sinh thành viên tham gia chính, số thành viên khác Mục đích nghiên cứu luận án Nghiên cứu ảnh hƣởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu: Hiện tƣợng xâm thực bánh lái tàu thủy tác động xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Phạm vi nghiên cứu đề tài: - Làm rõ sở khoa học tƣợng vật lý xâm thực bánh lái, nghiên cứu tính tốn mơ số tƣợng này, nhƣ kiểm chứng số kết nghiên cứu thực nghiệm Từ phân tích ảnh hƣởng mà tƣợng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái - Lựa chọn sử dụng tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION, trọng tải 7040 MT, có chân vịt chiều phải để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm Phƣơng pháp nghiên cứu luận án Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm, để làm bật tính khoa học tính thực tiễn vấn đề cần giải quyết, cụ thể: Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu sở lý luận xâm thực nói chung xâm thực bánh lái tàu thủy nói riêng; - Nghiên cứu sở tốn học tảng tính tốn động lực học dịng chảy CFD (Computational Fluid Dynamics) để tính tốn mơ vùng xâm thực Từ áp dụng tính tốn mô chi tiết cho bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION bị xâm thực; - Nghiên cứu xây dựng mơ hình nghiên cứu phƣơng pháp số quy trình tính tốn mơ ảnh hƣởng xâm thực cục mép vào bánh lái xâm thực mép thoát tới lực bẻ lái tàu thủy, tƣơng ứng với tổ hợp đầu vào (ni, i) xuất xâm thực cục Từ áp dụng tính tốn mơ chi tiết cho đối tƣợng cụ thể bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION bị xâm thực Trên sở kết đạt đƣợc thực đánh giá ảnh hƣởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống thí nghiệm (áp dụng bánh lái theo tiêu chuẩn đồng dạng Froude với bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION) khảo sát thực địa tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, nhằm minh chứng cho số kết tính tốn mơ xâm thực bánh lái nhƣ ảnh hƣởng xâm thực tới lực bẻ lái tàu thủy Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học luận án: - Hệ thống hóa sở lý luận tƣợng xâm thực bánh lái tàu thủy nhằm đƣa mơ hình nghiên cứu Với kết nghiên cứu đạt đƣợc góp phần hồn thiện phần sở lý luận liên quan đến vấn đề nghiên cứu có đóng góp định cho khoa học chuyên ngành hàng hải; - Đƣa phƣơng pháp luận xây dựng quy trình tính tốn mơ ảnh hƣởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy nói chung Trên sở áp dụng cho đối tƣợng phạm vi nghiên cứu cụ thể luận án Từ đánh giá tác động xâm thực tới lực bẻ lái tàu thủy nhƣ giải pháp giảm thiểu tác hại tƣơng ứng nhƣ đƣa trạng thái xâm thực bánh lái tàu thủy theo tham số vận hành Ý nghĩa thực tiễn luận án: - Kết hợp chặt chẽ sở khoa học lý thuyết đặc thù liên quan đến khoa học chuyên ngành hàng hải với thực tiễn hàng hải Hơn nữa, xây dựng sở khoa học cho chuyên gia lĩnh vực hàng hải triển khai thuật tốn điều khiển tàu thủy có tính đến ảnh hƣởng xâm thực bánh lái - Đóng góp định vào khoa học chuyên ngành: Xây dựng phần hệ thống thí nghiệm phục vụ nghiên cứu thực nghiệm xâm thực bánh lái tàu thủy Chủ động đánh giá có giải pháp phù hợp ảnh hƣởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy đặc biệt chế độ điều động tàu Những điểm đóng góp luận án 6.1 Xây dựng giải thuật mơ số tốn 2D tốn 3D cho mơ hình dịng chảy xâm thực bao quanh bánh lái tàu thủy Từ tính tốn mơ chi tiết cho bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION phƣơng pháp BEM, xâu chuỗi 2D ứng dụng CFD phần mềm Fluent-Ansys; 6.2 Đƣa đặc tính xâm thực bánh lái, ảnh hƣởng tới lực bẻ lái trạng thái vận hành với tổ hợp đầu vào (ni, i) Đồng thời xây dựng mơ hình nghiên cứu phƣơng pháp số quy trình tính tốn mơ ảnh hƣởng xâm thực cục mép vào bánh lái tới lực bẻ lái, tƣơng ứng tổ hợp (ni, i) xuất xâm thực cục bộ, cụ thể nhƣ sau: - Chu kỳ (T) tần số dao động (f) lực bẻ lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION là: T = 0,091s f = 11Hz; - Biên độ dao động (A) lực bẻ lái giai đoạn bánh lái xuất xâm thực cục phụ thuộc vào tốc độ dịng chảy góc bẻ lái Đã xây dựng đƣợc công thức xác định biên độ dao động lực bẻ lái tàu M/V TAN k L CANG FOUNDATION là: A  Rtb ; - Dự báo quy luật lực tác động bánh lái tàu thủy đề xuất khuyến cáo hạn chế ảnh hƣởng xâm thực Đƣa quy luật biến thiên lực bẻ lái theo thời gian R(t) bị ảnh hƣởng xâm thực cục mép vào bánh lái Kết tính tốn mơ áp dụng cụ thể cho bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, góc bẻ lái  = 350 vận tốc tàu V = 7,5 m/s 6.3 Phân tích, đánh giá so sánh kết nghiên cứu thực nghiệm với phƣơng án khác liên quan Hơn nữa, nghiên cứu khảo sát thực địa tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, nhằm minh chứng cho số kết tính tốn mơ xâm thực bánh lái nhƣ ảnh hƣởng xâm thực tới lực bẻ lái tàu thủy Kết cấu luận án Kết cấu đề tài luận án gồm phần thứ tự sau: - Phần mở đầu; - Phần nội dung (được chia thành chương); - Phần kết luận kiến nghị; - Danh mục cơng trình khoa học công bố liên quan đến luận án; - Tài liệu tham khảo; - Phần phụ lục (gồm phụ lục) Trong phần nội dung luận án đƣợc chia thành chƣơng nhƣ sau: Chƣơng Tổng quan ảnh hƣởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Chƣơng Tính tốn mơ xâm thực bánh lái tàu thủy Chƣơng Đánh giá ảnh hƣởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Chƣơng Nghiên cứu thực nghiệm: Phân tích, so sánh đánh giá kết CHƢƠNG TỔNG QUAN ẢNH HƢỞNG XÂM THỰC BÁNH LÁI ĐẾN LỰC BẺ LÁI TÀU THỦY 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu luận án Nghiên cứu sinh nghiên cứu, tìm tịi tài liệu phân tích cụ thể lĩnh vực nghiên cứu luận án với cơng trình cơng bố liên quan nƣớc nƣớc ngồi, kể đến số cơng trình sau: Tình hình nghiên cứu giới liên quan đến luận án: Trên giới công bố xâm thực từ năm 1980 kỷ 20, nghiên cứu chủ yếu đo đạc thực nghiệm, nhƣng kết minh chứng rõ nét lý thuyết vấn đề xâm thực cánh dẫn nói chung bánh lái tàu thủy nói riêng, kể đến: - Năm 1985, tác giả J Pierre Franc J Marie Michel [67, 71, 74], công bố phân biệt loại xâm thực, điều kiện xuất loại xâm thực theo số xâm thực góc đặt cánh Với mẫu profil đặc thù khác, năm 1986 Pháp tác giả Nguyễn Thế Mịch [72] nghiên cứu thực nghiệm để đo đạc đƣợc kích thƣớc túi xâm thực cục bộ, tốc độ dịng chảy ngƣợc đặc biệt chu kỳ hình thành, phát triển chúng theo hình 1.1 Hình 1.1 Bảng định dạng chiều dài vùng xâm thực với V = 10 m/s Những năm gần đây, với phát triển khoa học công nghệ, đặc biệt cơng nghệ thơng tin với cấu hình máy tính tăng cao, đáp ứng tốt cơng việc tính tốn tốn khối lƣợng lớn, mơ dịng chảy (hải lƣu) lựa chọn tối ƣu nghiên cứu xâm thực Nhiều tác giả khai thác sâu thuật toán khác đƣa kết cụ thể - Năm 2001, công trình khoa học nhóm nghiên cứu A V Pustoshny, S V Kaprantsev [43], thuộc Viện nghiên cứu tàu thủy Krylov St Petersburg, Liên bang Nga, nghiên cứu động lực học chân vịt, yếu tố ảnh hƣởng tới động lực học chân vịt tàu thủy Công trình thiết lập mơ hình tốn, tính tốn phân tích tác động động lực học chân vịt, nhƣ yếu tố ảnh hƣởng đến động lực học chân vịt, có xét đến tƣợng xâm thực số chế độ điều động tàu thủy - Năm 2003 cơng trình nghiên cứu nhóm tác giả O Coutier Delgosha J F Devillers [62] thực nghiệm mơ số dịng xâm thực bao quanh hydrofoil Các tác giả xây dựng tốn mơ hình 3D máy thuỷ lực cánh dẫn nhƣ: chân vịt tàu thuỷ, bơm cánh dẫn,… để xác định vùng xâm thực cánh dẫn nhƣ thay đổi chúng chế độ vận hành khác - Năm 2003 tác giả Yoshinori Saito, Ichiro Nakamori Toshiaki Ikohagi (Nhật Bản) [63], tính tốn mơ dịng xâm thực cánh 2D, đƣa chu kỳ túi nhƣ hệ số áp suất, hệ số lực nâng Kết tính tốn mơ tả cụ thể theo hình 1.2 Hình 1.2 Chu kỳ túi xâm thực, hệ số lực nâng hệ số áp suất số xâm thực khác - Năm 2003 tác giả Masashi Fukaya, Tomoyoshi Okamura, Yoshiaki Tamura Yoichiro Matsumoto Nhật Bản [64], đƣa số kết quan trọng xâm thực profil cánh, đƣợc mô tả theo hình 1.3 hình 1.4 Hình 1.3 Hình ảnh xâm thực cánh Hình 1.4 Chu kỳ xâm thực cục thực nghiệm mô - Năm 2009 tác giả Thomas Lücke, Heinrich Streckwall, thuộc Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH (HSVA), Hamburg, Liên bang Đức [70, 74], công bố nghiên cứu thực nghiệm tính tốn mơ số xâm thực bánh lái “semi spade”, với kết cụ thể đƣợc mơ tả theo hình 1.5 hình 1.6 Hình 1.5 Hình ảnh bánh lái hệ thống thí nghiệm HYKAT, LB Đức Các kết nghiên cứu xâm thực rõ việc xuất xâm thực cục mép vào bánh lái nhƣ vùng xâm thực mép thoát số chế độ điều động tàu khác Hình 1.6 Hình ảnh xâm thực cục mép vào bánh lái Tình hình nghiên cứu nước liên quan đến luận án: Do vấn đề nghiên cứu xâm thực địi hỏi cơng phu tốn kém, nên nƣớc bƣớc đầu nghiên cứu vài trƣờng đại học, viện nghiên cứu trọng điểm 10 ... đích nghiên cứu luận án Nghiên cứu ảnh hƣởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu: Hiện tƣợng xâm thực bánh lái tàu thủy tác động xâm. .. mơ xâm thực bánh lái tàu thủy Chƣơng Đánh giá ảnh hƣởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Chƣơng Nghiên cứu thực nghiệm: Phân tích, so sánh đánh giá kết CHƢƠNG TỔNG QUAN ẢNH HƢỞNG XÂM THỰC... đƣợc thực đánh giá ảnh hƣởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống thí nghiệm (áp dụng bánh lái theo tiêu chuẩn đồng dạng Froude với bánh