Trên cơ sở thuật toán để tính toán mô phỏng vùng xâm thực trong bài toán dòng chảy bao quanh bánh lái tàu thủy, bài báo quan tâm hiện tượng xâm thực tại mép thoát của bánh lái tàu thủy, từ đó đề xuất giải pháp giảm thiểu hiện tượng này.
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Tính tốn mơ đề xuất giải pháp giảm thiểu tượng xâm thực mép thoát bánh lái tàu thủy Calculation, simulation and proposing the solution to reduce the cavitation area on the edge of ship rudder Phạm Kỳ Quang, Nguyễn Mạnh Cường, Vũ Văn Duy, Cổ Tấn Anh Vũ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, phamkyquang@vimaru.edu.vn Tóm tắt Xâm thực bánh lái tàu thủy xuất vùng áp suất chất lỏng bao quanh bánh lái nhỏ áp suất bão hòa (đối với nước 280C 3540 N/m2) Hiện tượng xuất thay đổi thường xuyên chế độ điều động tàu, tốc độ tàu lớn, phụ thuộc chặt chẽ vào góc bẻ lái, tốc độ dòng chảy sau chân vịt tàu thủy Trên sở thuật tốn để tính tốn mơ vùng xâm thực tốn dòng chảy bao quanh bánh lái tàu thủy, báo quan tâm tượng xâm thực mép thoát bánh lái tàu thủy, từ đề xuất giải pháp giảm thiểu tượng Từ khóa: Xâm thực, khu vực xâm thực, bánh lái tàu thủy, góc bẻ lái Abstract Ship rudder cavitation appeared in case of liquid pressure area surround the rudder, that is smaller than saturation vapor pressure (for water at 28oC is 3540 N/m2) This cavitation problem occurs when frequently changes maneuvering mode, high speed of vessels, and closely dependent on the steering angle, speed of the current after propeller of vessel Based on the algorithm for calculation and simulation the cavitation area used in case of current surround of ship rudder, this paper focuses on the cavitation area on the edge of ship rudder, then gives the solution to reduce this problem Keywords: Cavitation, cavitation area, rudder of vessel, steering angle Đặt vấn đề Khi tàu hành trình luồng, thuyền trưởng hay hoa tiêu thường xuyên thay đổi tốc độ tàu, để điều động tàu tuyến luồng Tùy giai đoạn điều động tàu xuất xâm thực, ngồi xâm thực có nhiều loại với đặc điểm khác Trong báo “Mô số xâm thực cục bánh lái tàu thủy” [1, 2], nhóm tác giả hai loại xâm thực, xuất nhiều bánh lái tàu thủy xâm thực cục xâm thực mép thoát Với xâm thực cục xuất phát từ mép vào bánh lái tàu thủy đóng kín vùng túi lưng bánh lái Đây loại xâm thực có tính bất ổn định lớn gây ảnh hưởng xấu tới lực bẻ lái Đối với xâm thực mép thoát, xuất dòng chảy mặt bụng giao với mặt lưng tạo lên vùng xốy có tốc độ cao, dẫn tới áp suất giảm mạnh Từ nhận thấy rằng, xâm thực mép thoát thường xuyên xuất nhiều Trong phạm vi báo, nhóm tác giả đưa sở thuật tốn để mơ vùng xâm thực mép thoát đề xuất để giảm thiểu tượng (hình 1) Mơ hình nghiên cứu sở tốn học 2.1 Mơ hình nghiên cứu Xét dòng chảy bao quanh profil bánh lái hình 1: Từ hình nhận xét rằng: vùng giao hai dòng chảy, tạo thành vùng xốy có tốc độ tăng nhanh áp suất giảm sâu Đây nguyên nhân tạo vùng xâm thực mép thoát bánh lái HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Trong phạm vi báo này, nhóm tác giả lấy số liệu bánh lái tàu thủy thông số điều động tàu theo hồ sơ M/V TAN CANG FOUNDATION [3] Hình Mơ hình nghiên cứu 2.2 Cơ sở tốn học Thuật tốn sử dụng theo mơ hình “Mixture” mà nhiều tác giả nhà khoa học giới thiệu đặc biệt phân mềm Ansys - Fluent [4, 5] Nội dung phương pháp thể sau: - 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: f vap (1) f f u R R t vap x j vap vap j x j x j e c Trong đó: Re, Rc - phụ thuộc vào giá trị áp suất tĩnh p áp suất bão hòa pvap: pvap p v - Nếu p < pvap: R C ch 1 f e - Nếu p > pvap: e Rc Cc l vch l l vap 3 l p pvap 3 l f vap vap (2) (3) Trong đó: vch - vận tốc đặc trưng; 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 điều động tàu (phụ thuộc vào góc bẻ lái hay tốc độ dòng chảy sau chân vịt), làm bánh lái tàu thủy xuất “xâm thực” Hình Lựa chọn “model” tính tốn HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Dựa theo thuật tốn trên, hồn tồn xác định vận tốc, áp suất điểm không gian tính tốn Những vùng có áp suất chất lỏng nhỏ 3540 N/m2, pha nước chuyển thành pha (vùng xâm thực) Dưới số cửa sổ để thể qui trình nghiên cứu Trên hình rõ “model” sử dụng “mixture” k-ε, số khác dựa theo nghiên cứu tương tự Hình Cửa sổ thể đặc tính chuyển pha Hình cho biết việc chuyển pha đặt từ pha (pha nước) sang pha (pha hơi) với áp suất bão hòa cho trước, lựa chọn 3540 N/m2 280C Phân tích kết 3.1 Một số kết Mơ hình tốn xây dựng phần mềm Solidwork, chia lưới đặt đặc tính phần mềm Workbench trước xuất sang file.msh để tính tốn phần mềm Fluent -Ansys Hình Thể kết chia lưới cho mơ hình tốn HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 10 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Điều kiện đầu vào lựa chọn tốc độ dòng chảy bao quanh bánh lái V = 7,5 m/s; góc bẻ lái α = 300 Khi đó, nhận số kết minh chứng việc xuất vùng xâm thực bánh lái tàu thủy mép thoát sau: Hình Kết tính tốn mơ phân bố % pha profil bánh lái tàu thủy Trên hình cho thấy, vùng phần trăm pha có giá trị lớn hai vị trí: xuất mép vào profil, loại xâm thực cục nhóm tác giả nghiên cứu công bố [1]; hai mép thoát profil, tượng giao hai dòng chảy từ hai phía profil có cường độ phương chiều khác Tại tốc độ tăng nhanh áp suất giảm gây vùng nhiễu loạn kèm theo túi xâm thực Để thể rõ ta xét phân bố áp suất hệ số áp suất tương ứng Hình Kết tính tốn mô phân bố áp suất tĩnh profil bánh lái tàu thủy Phân tích kết tính tốn mơ từ hình hình 7, nhận xét rằng: vùng nhiễu loạn mép profil có áp suất tĩnh giảm sâu phân bố lệch phía lưng (tương ứng phía profil) áp suất phía bụng lớn (tương ứng phía profil) dòng chảy ngang gây nhiễu động lệch phía lưng HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 11 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình Kết tính tốn mơ hệ số áp suất profil bánh lái tàu thủy Phân tích kết tính tốn mơ từ hình hình 7, nhận xét rằng: vùng nhiễu loạn mép profil có áp suất tĩnh giảm sâu phân bố lệch phía lưng (tương ứng phía profil) áp suất phía bụng lớn (tương ứng phía profil) dòng chảy ngang gây nhiễu động lệch phía lưng 3.2 Đề xuất giải pháp giảm thiểu tượng Hiện tượng xâm thực mép có ngun nhân giao hai dòng chảy, từ hai phía bánh lái có cường độ, phương chiều khác Tại vùng giao này, tốc độ tăng đột ngột dẫn tới áp suất giảm sâu, tạo vùng túi xâm thực “xâm thực mép thoát” Từ năm 2000, tác giả Pyo Suh [6] đưa mơ hình bánh lái có đoạn uốn cong “flap” vùng mép để hạn chế tượng Hình Mơ hình bánh lái có đoạn uốn cong mép Giải thích liệu hình 8: với Vs vận tốc theo phương dọc trục sau chân vịt bao quanh bánh lái tàu thủy, α góc bẻ lái, Cbot chiều dài dây cung, Xf chiều dài dây cung tính tới điểm uốn, αflap góc uốn phía mép thoát, L lực nâng, D lực cản Tuy nhiên, ứng với chế độ điều động nhiều chủng loại tàu khác Xf/Cbot αflap phải tính tốn thiết kế cho phù hợp Trong phạm vi báo nhóm tác giả chưa định lượng cho loại tàu cụ thể nào, mà đưa phương pháp tính tốn mơ để thấy rõ ý nghĩa giải pháp Tính tốn mơ cho trường hợp Xf/Cbot = 0,75 αflap = 100 so với trường hợp chưa uốn cong mép thoát số liệu đầu vào nhận HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 12 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình Hệ số áp suất khơng uốn cong có uốn cong mép Từ kết nhận theo hình 9, minh chứng tính hiệu uốn cong phần mép thốt, khơng dập xâm thực tăng độ chênh áp suất hai bên bánh lái tàu thủy Tuy nhiên với chiều bẻ lái ngược lại, góc uốn αflap đảo chiểu cho phù hợp, điều dẫn đến cần cấu điều khiển góc uốn Trong trường hợp tàu thẳng, góc uốn điều chỉnh khơng Kết luận Bài báo đưa kết tính tốn mơ vùng xâm thực mép bánh lái, phân tích sở khoa học hình thành vùng nhiễu loạn Từ đưa giải pháp tính tốn đoạn uốn cong góc uốn cho giảm thiểu tượng xâm thực mép thoát bánh lái tàu thủy Tài liệu tham khảo [1] 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, № 11, (2015) [2] PGS TS Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy, NCS Cổ Tấn Anh Vũ Nghiên cứu tính bất ổn định lực bẻ lái số chế độ điều động tàu Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Giao thơng Vận tải TP Hồ Chí Minh № 18 (2016) [3] Hồ sơ M/V TAN CANG FOUNDATION [4] http://www.ansys.com [5] Zorn T, Heimann J, Bertram V CFD analysis of a duct’s effectiveness for model scale and full scale 13th Numerical Towing Tank Symp (NuTTS) Duisburg (2010) [6] Pyo S and Suh J Numerical prediction of open water performance of flapped rudders SOTECH, Vol 4, №.1, pp.110 (2000) HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 13 ... cho giảm thiểu tượng xâm thực mép thoát bánh lái tàu thủy Tài liệu tham khảo [1] 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. .. động lệch phía lưng 3.2 Đề xuất giải pháp giảm thiểu tượng Hiện tượng xâm thực mép có ngun nhân giao hai dòng chảy, từ hai phía bánh lái có cường độ, phương chiều khác Tại vùng giao này, tốc độ... suất giảm sâu, tạo vùng túi xâm thực xâm thực mép thoát Từ năm 2000, tác giả Pyo Suh [6] đưa mơ hình bánh lái có đoạn uốn cong “flap” vùng mép thoát để hạn chế tượng Hình Mơ hình bánh lái có