Trong nghiên cứu này, tập trung mô phỏng trường dòng chảy của nước bao xung quanh vỏ tàu container sức chở 14,000 TEU theo cách tiếp cận RANSE (Reynolds-Averaged NavierStokes equation). Trên cơ sở đó tính toán lực thủy động tác dụng lên thân tàu khi tàu chuyển động đều trong nước tĩnh; so sánh kết quả tính toán mô phỏng CFD với kết quả thử nghiệm trong bể thử đã được công bố. Dòng chảy được xem chảy rối, được mô tả bởi phương trình RANS (ReynoldsAveraged NavierStokes), mô hình rối SST k-.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 21-11/2016 39 TÍNH TỐN SỨC CẢN TÀU CONTAINER BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ CALCULATION OF THE RESISTANCE CONTAINER SHIP BY USING NUMERICAL METHOD 1, Lê Văn Toàn1, Vũ Ngọc Bích2 Đại học Giao thơng vận tải Tp HCM Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, chúng tơi tập trung mơ trường dòng chảy nước bao xung quanh vỏ tàu container sức chở 14,000 TEU theo cách tiếp cận RANSE (Reynolds-Averaged NavierStokes equation) Trên sở tính tốn lực thủy động tác dụng lên thân tàu tàu chuyển động nước tĩnh; so sánh kết tính tốn mơ CFD với kết thử nghiệm bể thử cơng bố Dòng chảy xem chảy rối, mô tả phương trình RANS (ReynoldsAveraged NavierStokes), mơ hình rối SST k- Từ khóa: Sức cản tàu thủy; động lực học chất lỏng (CFD); động lực học tàu container Abstract: In this research, we focused on simulating the flow of water around 14,000-TEU container ship hull in according to RANSE approach (Reynolds-Averaged NavierStokes equation) On that basis, we calculated the hydrodynamic forces exerting on the hull when making uniform motion in still water; then compared between the CFD simulation calculation results with the experimental results in the testing reservoir have been announced The flow is considered turbulent, and described by the equation RANS (Reynolds-Averaged NavierStokes), SST turbulence model k- Keywords: Ship resistance; computational fluid dynamics (CFD); Container ship hydrodynamic Giới thiệu Hiện nay, vận tải đường biển đóng vai trò quan trọng lưu thơng hàng hóa tồn cầu, loại tàu chở container chiếm phần đơng xu thời đại hàng hóa chứa thùng tiêu chuẩn (container) nhằm tăng suất làm hàng khả bảo quản kiểm soát dịch vụ logistics Do tính tối ưu kinh kế đóng vai trò thiết yếu tốn thiết kế tàu thường lấy công suất máy làm giá trị hàm tối ưu, sức cản làm ràng buộc Điều nói lên vấn đề sức cản tàu vấn đề thời sự, giữ vai trò cốt lõi hàm mục tiêu toán thiết kế tàu Giải vấn đề sức cản nêu tính tốn mơ số thường tiếp cận thông qua lời giải phương trình chuyển động dòng chất lỏng khơng nén bao xung quanh thân tàu, phương trình Navier Stokes Theo cách làm truyền thống, người ta giả định chất lỏng khơng có tính nhớt, liên tục, khơng nén đồng chất nhằm đơn giản hóa phương trình Navier - Stokes dạng hàm vận tốc viết phương trình Laplace Cách làm hợp lý với thời điểm năm 2000; ngày nay, với phát triển mạnh cơng nghệ máy tính, phương pháp tính phức tạp tiêu tốn nhiều tài ngun khơng trở ngại, phần độ nhớt nước phương trình Navier - Stokes khơng bỏ qua tính tốn nhằm tăng độ xác kết tính Vì lý đó, cơng trình nghiên cứu này, chọn cách tiếp cận theo RANS để diễn giải phương trình Navier-Stokes cho dòng chất lỏng (nước) chuyển động bao quanh thân tàu, kết hợp mô hình rối SST k- Chọn OpenFOAM làm cơng cụ tính tốn mơ phỏng, gói mã nguồn mở chấp nhận rộng rãi cộng đồng CFD, giới học thuật công nghiệp Tàu mẫu dùng nghiên cứu loại tàu container sức chở 14,000 TEU thiết kế, thử nghiệm Viện Kỹ thuật tàu thủy Giao thông hàng hải ISMT (the Institute of Ship Technology, Ocean Engineering and Transport Systems, ISMT) Thông số vận tốc chuyển động tàu mơ hình nghiên cứu nhận giá trị trùng với giá trị thử nghiệm mơ hình cơng bố [5] để thuận lợi việc so sánh kết nghiên cứu 40 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 21, Nov 2016 Bảng Thông số tàu Cơ sở lý thuyết Trường dòng lưu chất chuyển động quanh thân tàu mơ tả hai phương trình chủ đạo: Phương trình liên tục phương trình Navier - Stokes viết theo cách tiếp cận RANS, đại lượng vật lý mang ý nghĩa trung bình [1] Bài toán giải cách kết hợp phương trình RANS với phương trình trạng thái mơ hình rối theo đề xuất Menter mang tên SST k- [1], [6] U i =0 Phương trình liên tục: (1) x i Phương trình động lượng: Ui U i U j P + =t x j ρ x i Ui U J + + ν x x j x i j u i' u 'j x j (2) Trong đó: Ui u i' : Các thành phần vận tốc trung bình dao động; P : áp lực trung bình; ρ : mật độ chất lỏng ν: mật độ độ nhớt động học chất lỏng Phương trình trạng thái, mơ hình rối SST k- k u i k + = t x i x i νt ν + σk k x i (3) + Pk - β*kω ω t + uiω x i = ν t ω ν + x i σ ω x i ~ +α Pk vt - βω +2 1 - F1 σ ω2 (4) k ω ω x i x i Trong đó: k: Động rối; : Độ nhớt động học; t: Độ nhớt động học dòng xốy; Pk: Xuất lượng rối động học; Tốc độ tiêu tán; k, , *, , : Các hệ số; F1: Hàm trộn Bề mặt tự (giao hai pha khí – nước) xử lý phương pháp thể tích chất lưu (VOF) dựa sở hàm liên kết (x, t) hai pha (x, t) [0, 1] biểu diễn trạng thái lưu chất ô Khi mô thân tàu, = biểu nước lấp đầy tồn ơ, = có nghĩa chứa đầy khơng khí [2] (x, t) = nước + khơng khí (1 - ) (x, t) = nước + khơng khí (1 - ) Kết nghiên cứu (5) (6) TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 21-11/2016 41 3.1 Xác lập liệu đầu vào tốn Xây dựng hình học tàu 3D với cấu trúc theo định dạng *.stl hình bên Hình Hình học 3D tàu container Bài tốn giải dựa giải InterFoam với thiết lập sau: Khơng gian miền tính tốn xác lập vị trí hình Hình Khơng gian miền tính tốn Sử dụng phương pháp lưới thể tích rời rạc khơng gian miền tính thơng qua mô đun mã snappyHexMesh kết nối với lưới tam giác hình học vỏ tàu theo dạng *.stl để hình thành nên miền rời rạc tính tốn hồn chỉnh Áp đặt điều kiện ban đầu (vận tốc tính tốn, hệ số phương trình trạng thái) điều kiện biên vật lý toán nhằm khép kín hệ phương trình mơ trường dòng thực giải với thuật giải PIMPLE giải InterFoam dành cho loại môi trường hai pha lưu chất không nén được, có tính nhớt Rời rạc khơng gian miền tính tốn mơ hình tàu phương pháp lưới chia thể tích, minh họa hình Hình Lưới tính tốn Điều kiện biên vật lý tính tốn cho bảng bên [1], [3], [4] Bảng Đặc tính biên 3.2 Kết tính tốn mơ So sánh kết tính theo CFD kết thử nghiệm trình bày bảng sau: 42 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 21, Nov 2016 Bảng So sánh kết tính sức cản theo CFD kết thử nghiệm, [1], [5] Các trường áp suất (hình e, f), trường vận tốc (hình a ,b, c), trường rối (hình d) tàu hình (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình Các trường vật lý tính tốn Biểu đồ kết tính tốn lực thủy động tác dụng lên tàu tốc độ U = 1.668 m/s hình Hình Đồ thị kết tính theo thời gian TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 21-11/2016 Kết luận khuyến nghị 4.1 Kết luận - Mơ hình tốn mơ theo RANS kết hợp mơ hình rối SST k- cho hình ảnh trường dòng phù hợp thực tế - Kết tính tốn theo mơ CFD cho sai số chấp nhận việc tính tốn sức cản tàu, với sai số so với kết thử nghiệm 3% 4.2 Khuyến nghị - Bằng cách làm phát triển tiếp để xây dựng bể thử số dùng thử nghiệm tàu nước tĩnh sóng - Có thể sử dụng hình ảnh trường dòng để phân tích vùng bất lợi vỏ tàu, giúp tối ưu hình học vỏ tàu phương diện sức cản 43 Tài liệu tham khảo [1] F Moukalled, L Mangani, M Darwish (2015), "Fluid Mechanics and Its Applications", Springer [2] Hrvoje JASAK, Fakultet strojastva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu, Ivana Lučića 5, HR-10000 Zagreb, Croatia, hrvoje.jasak@fsb.hr (2014), "OpenFOAM in marine hydrodynamics", Simpozij Sorta 21, pp 369-376 [3] John D Anderson (1995), "Computational Fluid Dynamics the Basics With Applications", University of Maryland Mc Graw-Hill [4] John F Wendt (2009), "Computational Fluid Dynamics An Introduction" Springer [5] Ould el Moctar1*, Vladimir Shigunov2, Tobias Zorn2 (2012), "Duisburg Test Case: Post-Panamax Container Ship for Benchmarking", Ship Technology Research Schiffstechnik 59(3), pp 50-64 [6] Ozdemir, Yavuz Hakan, Dogrul, Ali, Barlas, Boris, Cosgun, Taner (2016), "A Numerical Application to Predict the Resistance and Wave Pattern of Kriso Container Ship", Brodogradnja 67(2), pp 47-65 Ngày nhận bài: 6/10/2016 Ngày chuyển phản biện: 10/10/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 31/10/2016 Ngày chấp nhận đăng: 7/11/2016 ... có tính nhớt Rời rạc khơng gian miền tính tốn mơ hình tàu phương pháp lưới chia thể tích, minh họa hình Hình Lưới tính tốn Điều kiện biên vật lý tính tốn cho bảng bên [1], [3], [4] Bảng Đặc tính. .. cho sai số chấp nhận việc tính tốn sức cản tàu, với sai số so với kết thử nghiệm 3% 4.2 Khuyến nghị - Bằng cách làm phát triển tiếp để xây dựng bể thử số dùng thử nghiệm tàu nước tĩnh sóng - Có... vỏ tàu theo dạng *.stl để hình thành nên miền rời rạc tính tốn hồn chỉnh Áp đặt điều kiện ban đầu (vận tốc tính tốn, hệ số phương trình trạng thái) điều kiện biên vật lý tốn nhằm khép kín hệ phương