Nghiên cứu tính bất ổn định của lực bẻ lái tàu thủy trong một số chế độ điều động

Bài báo đưa ra một số kết quả tính toán và mô phỏng số về xâm thực bánh lái, đặc biệt là loại xâm thực có tính bất ổn định trong một số chế độ vận hành điều động tàu thủy. Từ đó xác định lực bẻ lái tương ứng trong mỗi giai đoạn này.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 NGHIÊN CỨU TÍNH BẤT ỔN ĐỊNH CỦA LỰC BẺ LÁI TÀU THỦY TRONG MỘT SỐ CHẾ ĐỘ ĐIỀU ĐỘNG RESEARCHING THE INSTABILITY OF FORCE STEERING OF SHIP IN SOME MANEUVERING PGS TS Phạm Kỳ Quang 1; TS Vũ Văn Duy2; NCS Cổ Tấn Anh Vũ3 Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, phamkyquang@vimaru.edu.vn Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, duyvv.vck@vimaru.edu.vn Trường Đại học Giao thơng vận tải TPHCM, vucotananh@gmail.com Tóm tắt: Bài báo đưa số kết tính tốn mơ số xâm thực bánh lái, đặc biệt loại xâm thực có tính bất ổn định số chế độ vận hành điều động tàu thủy Từ xác định lực bẻ lái tương ứng giai đoạn Từ khóa: Abstract: The article introduces some calculation results and cavitation simulations on the rudder, especially the cavitation instability in certain operating maneuvering of ship There fore the corresponding force steering in each period is given Keywords: cavitation instability, force steering, cavitation simulations, maneuvering of ship Giới thiệu Trong số chế độ điều động tàu (chế độ man-nơ tàu thủy), bánh lái tàu thủy bị xâm thực (phụ thuộc vào góc bẻ lái tốc độ dòng chảy sau chân vịt) Nội dung báo đăng Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng 11/2015, nhóm tác giả triển khai thuật tốn mơ xâm thực cục bánh lái [1] Kết báo dừng lại mức độ xác định kích thước đám bọt xâm thực bánh lái Trong báo này, nhóm tác giả tập trung làm rõ tính bất ổn định loại xâm thực này, lực bẻ lái tương ứng Đây nguyên nhân ảnh hưởng tới việc điều khiển hướng chuyển động tàu thủy (trường hợp giữ tốc độ góc bẻ lái, lực tác động lên bánh lái bị dao động) Mơ hình nghiên cứu thuật tốn Để thuận lợi cho nghiên cứu tiếp theo, nhóm tác giả sử dụng kích thước bánh lái số liệu khác theo hồ sơ M/V TAN CANG FOUNDATION [5] Cơ sở thuật toán sử dụng theo “k- model” kết hợp với “Cavitation model” phần mềm Fluent-Ansys (đây phần mềm mạnh lĩnh vực CFD nhiều nhà khoa học nước nước thường xuyên sử dụng) Nội dung phương pháp thể sau [2, 3, 4, 6] - Rời rạc khơng gian tính tốn cách chia lưới; - Giải phương trình vi phân chủ đạo phương trình Navier - Stokes, động lượng, liên tục phương trình lượng để xác định đại lượng bản; Đưa vào phương trình chuyển pha để xác định tỷ lệ khối lượng pha fvap     fvap   fvap    fvap uvap j     Re  Rc  t x j x j  x j    (1) Trong đó: Re, Rc: phụ thuộc vào giá trị áp suất tĩnh p áp suất bão hòa pvap: * Nếu p < pvap: Re  Ce vch  l vap  pvap  p  3 l 1  f  vap (2) * Nếu p > pvap: Rc  Cc Hình Hình ảnh bánh lái tàu thủy vch  l l  p  pvap  3l Trong đó: vch : vận tốc đặc trưng; f vap (3) Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 Ce, Cc: số thực nghiệm (lấy Ce = 0.02; Cc = 0,01) Khi dòng chảy bao quanh bánh lái để chuyển đổi lượng thành lực bẻ lái có số chế độ vận hành man - nơ (góc bẻ lái lớn hay tốc độ dòng chảy sau chân vịt lớn) bánh lái xuất “xâm thực” Để thấy rõ vấn đề xem bảng sau: Vi(m/s) 10 15 20 i 10 15 20 25 30 35 dọc theo tuyến luồng Hải Phòng [5] Phân tích kết Kết tính tốn sử dụng phần mềm Fluent-Ansys R15.0, với số tham số đầu vào sử dụng cụ thể là: Bước thời gian đặt 1e-05 s, góc bẻ lái 00, 150 350, tốc độ dòng bao 10 m/s, chiều sâu đặt chân vịt m Trường hợp góc bẻ lái  = 00 khơng xuất xâm thực,  = 150 vùng chất lỏng hóa xuất hiện, xem phân bố % pha khơng gian dòng chảy bao quanh bánh lái hình Khơng xâm thực Có xâm thực Điều kiện xuất xâm thực tồn áp suất chất lỏng nhỏ áp suất bão hòa (đối với nước biển khoảng 3540 N/m2), phần tử lỏng hóa (chuyển từ pha lỏng sang pha hơi) Qua bảng trên, thấy rằng: Rất nhiều vùng làm việc bánh lái xuất xâm thực, vấn đề có nhiều loại xâm thực khác nhau, có đặc tính khác Nghĩa rơi vào trạng thái xâm thực, với điều kiện đầu vào khác xâm thực có tên gọi đặc tính khác [2, 3] Trong phạm vi báo, nhóm tác giả tính tốn mơ vùng xâm thực bánh lái theo thời gian (Transient) để thấy rõ tính bất ổn định lực bẻ lái giai đoạn Gọi I góc bẻ lái, Vi vận tốc dòng chảy bao quanh bánh lái, tính tổng vận tốc tiến chân vịt (Vp) vận tốc tiến tàu thủy (Va): Vp = h.n (4) Trong đó: h: bước tiến thực chân vịt; n: số vòng quay chân vịt (các số liệu lấy từ hồ sơ M/V TAN CANG FOUNDATION [5]); Va đo đạc thực tế M/V TAN CANG FOUNDATION vị trí khác Hình Mơ tả % pha  = 00,  =150, tốc độ dòng bao V = 10m/s Nhằm thể tính bất ổn định vùng xâm thực kéo theo dao động lực bẻ lái, xét % pha mặt cắt điều kiện đầu vào bước thười gian khác (hình 3) Hình Mơ tả % pha  =150, tốc độ dòng bao V=10m/s; a) 78 bước thời gian; b) 230 bước thời gian Từ kết nhận theo hình hình 3, nhận xét rằng: Kích thước vùng xâm thực, đặc biệt vùng pha bám bánh lái thay đổi theo thời gian Đây nguyên nhân dẫn tới trị số lực bẻ lái bị dao động số vòng quay chân vịt góc bẻ lái giữ nguyên Trong suốt trình vận hành tàu thủy, bánh lái xuất xâm thực nhiều dạng có đặc điểm khác [2] Trong nội dung báo này, nhóm tác giả khơng thể đưa hết kết cho đầu vào khác nhau, để TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 minh chứng cho tính bất ổn định lực bẻ lái bánh lái làm việc có xâm thực, xét hệ số khơng thứ ngun CL (hệ số lực nâng) [1] [2] Hình Hệ số lực nâng bánh lái bước thời gian khác Phân tích kết từ hình 4, nhận xét rằng: Khi CL biến thiên liên tục theo bước thời gian, góc bẻ lái giữ nguyên  = 150 tốc độ dòng chảy bao 10 m/s Lúc tồn lực bẻ lái tác động lên bánh lái có tượng dao động, dẫn đễn thay đổi hướng chuyển động tàu thủy gặp nhiều khó khăn Kết luận Bài báo đưa sở toán học sử dụng phần mềm Fluent-Ansys để xác định kích thước vùng xâm thực bánh lái số chế độ vận hành man nơ Đặc biệt tập trung nghiên cứu loại xâm thực có tính bất ổn định, từ tính tốn chu kỳ dao động chúng Trên sở phân tích tính bất ổn định lực bẻ lái, ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính hướng chuyển động tàu thủy Điều trở nên quan trọng điều động tàu tuyến luồng hàng hải, khúc cong, cua gấp, khu vực hàng hải đặc biệt, khu vực hàng hải khó khăn nơng cạn,… Để tính tốn chu kỳ dao động lực bẻ lái giai đoạn vận hành, đòi hỏi việc nghiên cứu công phu khối lượng công việc lớn, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu công bố kết báo hay cơng trình khoa học  [3] [4] Tài liệu tham khảo PGS TS Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy, ThS Cổ Tấn Anh Vũ, ThS Nguyễn Thành Nhật Lai Mô số xâm thực cục bánh lái tàu thủy Tạp chí giao thơng vận tải Hà Nội, 11/2015, tr 89 90 Vũ Văn Duy, Nguyễn Thế Mịch, Nguyễn Thế Đức (2007) Mô vùng xâm thực dòng bao quanh profil cánh phương pháp phần tử biên Tr 77 84 Tuyển tập hội Cơ học toàn quốc lần thứ VIII Hà Nội, 6-7/12/2007 Padamanabhan Krishnaswamy (2000) Flow modelling for partially cavitating hydrofoils PhD thesis Technical university of Denmark G Palau-Salvador, P Gouzalez-Altozano and J Arviza-Valverde Numerical modeling of cavitating flows for simple geometries using Fluent Spanish journal of Agricultural research 2007 Ngày nhận bài: 10/01/2016 Ngày chấp nhận đăng: 25/01/2016 Phản biện: PGS.TS Vũ Đức Lập TS Nguyễn Xuân Phương ... xác định kích thước vùng xâm thực bánh lái số chế độ vận hành man nơ Đặc biệt tập trung nghiên cứu loại xâm thực có tính bất ổn định, từ tính tốn chu kỳ dao động chúng Trên sở phân tích tính bất. .. động chúng Trên sở phân tích tính bất ổn định lực bẻ lái, ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính hướng chuyển động tàu thủy Điều trở nên quan trọng điều động tàu tuyến luồng hàng hải, khúc cong, cua... bước thời gian, góc bẻ lái giữ nguyên  = 150 tốc độ dòng chảy bao 10 m/s Lúc tồn lực bẻ lái tác động lên bánh lái có tượng dao động, dẫn đễn thay đổi hướng chuyển động tàu thủy gặp nhiều khó khăn