Tính toán lực cản sóng của tàu ba thân bằng phương pháp nghiệm hữu hạn

Bài báo trình bày các luận cứ và cơ sở lý thuyết để xác định lực cản sóng của tàu ba thân bằng phương pháp nghiệm hữu hạn (phương pháp nghiệm gốc). Trên cơ sở so sánh kết quả tính toán bằng lý thuyết này với các số liệu thử nghiệm đã được công bố, khẳng định tính thời sự của giả thuyết về “tàu mảnh” của Mitchell để dự đoán lực cản nói chung, lực cản sóng của tàu ba thân nói riêng trong giai đoạn thiết kế ban đầu.

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Tính tốn lực cản sóng tàu ba thân phương pháp nghiệm hữu hạn Estimating wave resistance of trimaran using finite root method Nguyễn Văn Võ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, vonv.dt@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày luận sở lý thuyết để xác định lực cản sóng tàu ba thân phương pháp nghiệm hữu hạn (phương pháp nghiệm gốc) Trên sở so sánh kết tính tốn lý thuyết với số liệu thử nghiệm công bố, khẳng định tính thời giả thuyết “tàu mảnh” Mitchell để dự đốn lực cản nói chung, lực cản sóng tàu ba thân nói riêng giai đoạn thiết kế ban đầu Từ khóa: Lực cản sóng, tàu ba thân, phương pháp nghiệm hữu hạn Abstract This paper presents foundations and basic theory to calculate wave resistance of trimaran using finite root method (original root method) On the basis of comparing the result obtained by the theoretical method to the experimental data which has been published, this paper substantiates the topicality of Mitchell's “thin ship” theory for predicting the ship resistance in general, the wave resistance of trimaran in particular in the initial design Keywords: Wave resistance, trimaran, finite root method Giới thiệu chung Tàu ba thân (còn gọi trimaran) thuộc họ tàu nhiều thân Tàu ba thân bao gồm thân hai thân mạn Thông thường, theo truyền thống thân lớn thân mạn Lực cản tàu thủy nói chung, tàu ba thân nói riêng, xác định lực cần thiết để kéo với vận tốc cho điều kiện xác định Liên quan đến thành phần lực cản tồn phần, có hai sơ đồ biểu diễn Sơ đồ thứ gọi sơ đồ Froude, từ sơ đồ ta thấy rằng, thành phần lực cản tàu thủy lực cản vỏ bao nó, tức lực cản ma sát (RF) lực cản áp suất (RP) Lực cản ma sát quy ước ứng suất tiếp tuyến tính theo phương pháp tích phân ứng suất dọc theo mặt ướt tàu Lực cản ma sát xác định cách sử dụng hiệu chỉnh đường cong Hội nghị Giám đốc Bể thử Thế giới năm 1957 (ITTC-1957) phương án thực hiệu chỉnh khác đường cong Lực cản áp suất liên quan đến ứng suất pháp mặt ướt tàu hướng chuyển động bao gồm lực cản sóng, lực cản phá sóng lực cản áp suất nhớt (lực cản hình dáng) Các thành phần lực cản tồn phần viết sau: RT = RF + RR ; RT = 0, 5CT ρSv ; RR = 0, 5C R ρSv ; RF = 0, 5CF ρSv , Trong đó: , S v - tương ứng khối lượng riêng nước; diện tích mặt ướt tốc độ tàu Sơ đồ thứ hai Hughes đặt ra, thành phần lực cản toàn phần biểu diễn từ hai thành phần chính, lực cản nhớt (RV) lực cản sóng (RW) Trong lực cản nhớt RV bao gồm lực cản phá sóng RWB, lực cản áp suất nhớt (lực cản hình dáng) RVP lực cản ma sát RF Các thành phần khác lực cản mà đưa vào lực cản tồn phần lực cản khơng khí (liên quan đến có khơng có gió) Lực cản sóng cho chiếm tỷ trọng lớn lực cản dư HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 226 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Phương pháp khác biểu diễn thành phần lực cản tàu sử dụng phương pháp yếu tố - hình dáng Tồn thành phần lực cản, hệ số tàu mơ hình có liên hệ tương ứng Khi với “chỉ số dưới” “M” “S” liên quan đến mơ hình tàu thực tương ứng RT = RW + RV , CT = CW + CV ; RV = (1 + k ) RF , CV = (1 + k )C F ; RW = RT – (1 + k ) RF , CW = CT – (1 + k )C F ; CWM = CWS Nghiên cứu lực cản tàu thủy nói riêng, thủy động lực học tàu thủy nói chung, thường sử dụng ba biện pháp bản: nhận lời giải giải tích; thử nghiệm vật lý bể thử; sử dụng phương pháp số Một phương pháp số phương pháp nghiệm hữu hạn Sơ đồ biểu diễn hình dáng ngồi tàu ba thân thể hình hình p p TS TC BS BS BC Hình Ngoại hình tàu ba thân (dạng hình chiếu cạnh) H-íng däc LS Y - LSH/2 + LSH/2 (0, 0) Thân trái Đuôi Mũi Thân BC X (0, 0) - LCH/2 H-íng ngang p + LCH/2 U Y Thân phải - LSH/2 (0, 0) X + LSH/2 Hình Ngoại hình tàu ba thân (dạng hình chiếu bằng) Cơ sở lý thuyết 2.1 Tích phân lực cản sóng Các nghiên cứu sử dụng dạng hàm tích phân lực cản sóng tàu hai thân, đưa Tuck E.O Lazauskas L [4], phát triển Faltinsen Odd M [5] với kết luận vị trí biên độ sóng tàu thân từ cơng trình Newman [3] Cơng thức tổng qt tính đến ảnh hưởng đặc trưng hình học HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 227 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 theo phương ngang dọc nhờ yếu tố giao thoa thân tương ứng HIFT() HIFL() Tổ hợp hệ sóng mơ tả biểu thức tương ứng:    ig  ζ j ( x , y ) = Re  Aj ( )exp  2 ( x j 0cos  y j 0sin )  × –  U cos     –ig ×exp  2 ( xcos + ysin )  d ;  U cos    –ig  A(θ ) =  A(θ ) j  exp  2 ( x j cosθ + y j sinθ ) ;  U cos θ  (1) j = 1, , n; j = 1, , n (2) Đối với tàu ba thân n = Tách phần thực biểu thức này, viết hàm tích phân lực cản sóng dạng sau: RW = πρU 2 π  A(θ)j dh HIFT (θ ) j × HIFL (θ ) j × cos 3θ.dθ (3) –π  gx  HIFT (θ ) = cos  ;  U cosθ  (4)  0, 5(2 p L)sinθ  HIFL (θ ) = cos   2  Fr cos θ  (5) Bởi vị trí tương đối theo chiều dọc thân thân mạn cố định x biểu thức HIFL() thay LS, tức khoảng cách dọc gốc tọa độ thân thân mạn Khi mà gốc tọa độ hướng dọc tất thân LS = ứng HIFL() = 2.2 Biến thể công thức ban đầu để tính lực cản sóng Giới hạn /2 Tuck - Lazauskas sử dụng tích phân lực cản sóng tàu nhiều thân cơng trình thay góc truyền sóng lớn p max Giả thuyết góc truyền sóng lớn xếp chồng phức tạp hệ sóng phân kỳ sóng ngang có Có thể cho rằng, giá trị p max nghiệm hữu hạn hàm tích phân lực cản sóng xác định phép lặp sở số lần gần ban đầu Khi q trình lặp tìm p max thực vùng góc  gần với /2 Áp dụng phương pháp đặt dẫn đến lời giải xác, mà trước sử dụng thành cơng nghiên cứu tương tự tàu thân tàu nhiều thân [6] Chú ý đến dẫn trên, biểu thức biến thể RW tàu ba thân viết dạng:  πρU  RW =     θp max  A(θ )CP HIFL (θ )sec 3θ.dθ (6) 2.3 Phương pháp tính Để thực tích phân theo tọa độ dọc tích phân, thân mạn chia thành khoảng dọc theo mặt phẳng đối xứng tàu (mặt cắt sườn), theo hướng thẳng đứng (mặt phẳng đường nước) Sự phân chia thân tàu theo chiều dọc theo phương thẳng đứng tích phân cho kết Sự chia góc thực với bước độ giới hạn từ đến 88 độ, ngồi giá trị nghiệm gốc hữu hạn p max - chia với bước bé HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 228 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Tích phân ban đầu thân mạn thân tính chương trình riêng biệt, sau sử dụng để tính tốn lực cản sóng cuối RW Ngoài yếu tố giao thoa ngang thân HIFT(), nói tàu hai thân, tàu ba thân cần phải đưa vào tính đến yếu tố giao thoa dọc thân HIFL() Các kích thước thân thân mạn tàu ba thân bốn trường hợp tính tốn thực khảo sát Ví dụ áp dụng 3.1 Các số liệu đưa vào tính tốn Các kích thước chủ yếu mơ hình tàu ba thân, với thân tàu dạng Wigley, đưa vào tính tốn thử nghiệm giới thiệu bảng Bảng Các kích thước chủ yếu mơ hình tàu ba thân Thân tàu Wigley Các đặc trưng TT 1,8 2,5 1,292 2,584 Chiều dài theo đường nước LWL, m Chiều chìm T, m 0,1125 0,1547 0,0762 0,1524 Chiều rộng theo đường nước BWL, m 0,180 0,125 0,12192 0,24384 Lượng chiếm nước , t 0,0162 0,0309 0,005034 0,010068 Diện tích mặt ướt S chiều chìm T, m2 0,482 0,921 Khoảng cách ngang thân thân mạn p, m 0,2221 0,4442 (xem bảng bảng 3) Khoảng cách dọc gốc tọa độ thân thân mạn LS, m Chú ý: Thân tàu Wigley có kích thước lớn gấp hai lần thân tàu Wigley 3.2 So sánh kết tính tốn giải tích lý thuyết với kết thử nghiệm Kết tính tốn phương pháp lý thuyết (phương pháp nghiệm hữu hạn) so sánh với kết thử nghiệm mơ hình có kích thước khác nhau, trường hợp (1)  (4) thực bể thử Trung tâm Công nghệ biển thuộc Trường Đại học tổng hợp KulaLumpur, Malaysia công bố Khi tuân thủ cách làm tiêu chuẩn chuẩn bị thử nghiệm hiệu chỉnh kết Phân tích kết thực nghiệm thực phù hợp với cách làm khuyến nghị ITTC-1957 có ý đến phương pháp yếu tố -hình dáng Bảng Giá trị CW theo thực nghiệm Giá trị thực nghiệm CW.103 [trường hợp (1)  (4)] Fr Trường hợp (1): 2p/L = 0,216; LS = m Trường hợp (2): 2p/L = 0,288; LS = m Trường hợp (3): 2p/L = 0,216; LS = – 0,35 m Trường hợp (4): 2p/L = 0,288; LS = – 0,35 m 0,255 0,253 0,604 0,432 0,214 0,339 1,433 2,189 1,439 1,044 0,424 6,187 5,778 4,914 4,333 0,509 5,106 4,533 4,528 3,740 0,594 3,623 3,254 3,023 2,501 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 229 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Kết thử nghiệm xác định quan hệ CW = CW(Fr) thể bảng đồ thị hình 3, kết tính phương pháp lý thuyết thể bảng đồ thị hình Trường hợp (1): thân tàu Wigley 2, so sánh kết thực nghiệm với tính tốn lý thuyết (MKK), 2p/L = 0,216; LS = m Trường hợp (2): thân tàu Wigley 2, so sánh kết thực nghiệm với tính tốn lý thuyết (MKK), 2p/L = 0,288; LS = m Trường hợp (3): thân tàu Wigley 2, so sánh kết thực nghiệm với tính tốn lý thuyết (MKK), 2p/L = 0,216; LS = 0,35 m đuôi Trường hợp (4): thân tàu Wigley 2, so sánh kết thực nghiệm với tính tốn lý thuyết (MKK), 2p/L = 0,288; LS = 0,35 m đuôi Bảng Giá trị CW tính theo lý thuyết Fr 0,255 0,339 0,424 0,509 0,594 Giá trị thực nghiệm CW.103 [trường hợp (1)  (4)] Trường hợp (1): Trường hợp (2): Trường hợp (3): Trường hợp (4): 2p/L = 0,216, 2p/L = 0,288, 2p/L = 0,216, 2p/L = 0,288, LS = m LS = m LS = – 0,35 m LS = – 0,35 m 0,2449 0,5847 0,4190 0,2074 1,3875 2,1197 1,3938 1,0117 5,9919 5,5963 4,7601 4,1975 4,9462 4,3918 4,3855 3,6235 3,5092 3,1520 2,9283 2,4228 Hình Đồ thị biểu diễn mối quan hệ CW = CW(Fr) theo thực nghiệm Hình Đồ thị biểu diễn mối quan hệ CW = CW(Fr) tính theo phương pháp lý thuyết HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 230 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Kết luận Từ kết nói thấy rằng, khác số liệu thực nghiệm phương pháp tính lý thuyết (phương pháp nghiệm hữu hạn) trường hợp tính tốn từ (1  4) nằm giới hạn 3% Sử dụng công thức Tuck-Lauzaskas phối hợp với hàm biên độ Newman, cho thấy hiệu để đánh giá lực cản sóng tàu ba thân Phương pháp nghiệm hữu hạn đưa đến kết không phù hợp tốt với thực nghiệm trực tiếp xác định lực cản, mà phù hợp tốt với kết nghiên cứu thực nghiệm thay đổi prfile sóng sau thân tàu phương pháp Landweber biến đổi tích phân Fourier (LFT), phương pháp phần tử ma trận (MEM) phương pháp đặc biệt tương đương (MES) Các cơng trình rằng, quan niệm lý thuyết tuyến tính “tàu mảnh” Mitchell ln có tính thời ngày khuyến nghị áp dụng để dự đốn lực cản sóng tàu phối hợp với phương pháp nghiệm hữu hạn hàm biên độ sóng thích hợp Tài liệu tham khảo [1] Michell J.H., The Wave Resistance of a Ship// Philosophical Magazine., 1898 Vol.45 - Ser.5 - P.6 -123 [2] Wigley W.C.S., Calculated and Measured Wave Resistance for a Series of Forms Defined Algebraically the Prismatic Coefficient and Angle of Entrance Being Varied Independently// Trans., INA - 1942 - Vol.84 [3] Newman J.N., Marine Hydrodynamics, - The MIT Press 1977 P.260 - 284 [4] Tuck E.O, Lazaauskas L., Optimum Hull Spacing of a Family of Multyhulls - Applied Mathematics Department, University Adelaide, Australia, June 1998 [5] Faltinsen Odd M., Hydrodynamics of High - Speed, Marine Vehicles University Press, 2005, p 120 - 125 [6] Камил М.С., Применение метода конечного корня в линейной теории волнового сопротивления многокорпусных судов -Ч.1: Oднокорпусные суда Ч.2: Двухкорпусные суда.// научный журнал «Морские интеллектуальные технологии» No (25) T.1 2014, сс 83-90 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 231 ... giá lực cản sóng tàu ba thân Phương pháp nghiệm hữu hạn đưa đến kết không phù hợp tốt với thực nghiệm trực tiếp xác định lực cản, mà phù hợp tốt với kết nghiên cứu thực nghiệm thay đổi prfile sóng. .. phân ban đầu thân mạn thân tính chương trình riêng biệt, sau sử dụng để tính tốn lực cản sóng cuối RW Ngoài yếu tố giao thoa ngang thân HIFT(), nói tàu hai thân, tàu ba thân cần phải đưa vào tính. .. thủy động lực học tàu thủy nói chung, thường sử dụng ba biện pháp bản: nhận lời giải giải tích; thử nghiệm vật lý bể thử; sử dụng phương pháp số Một phương pháp số phương pháp nghiệm hữu hạn Sơ