Nghiên cứu mô phỏng chuyển động của tàu tự hành dưới nước

Bài viết này nghiên cứu chuyên sâu vào việc mô phỏng ảnh hưởng của dòng lưu chất tác dụng lên biến dạng của tàu tự hành bằng phương pháp tính toán động lực học dòng chảy. Kết quả mô phỏng cho thấy biến dạng của tàu tự hành ảnh hưởng đáng kể bởi lực cản tàu và đồng thời các điểm ứng suất nguy hiểm sẽ xuất hiện ở phần mũi tàu khi nó chuyển động.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 36-05/2020 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU TỰ HÀNH DƯỚI NƯỚC NUMERICAL STUDY OF AN AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLE MOVEMENT Lê Thanh Long1, Trần Ngọc Huy2 Khoa Cơ khí, PTN Trọng điểm Quốc gia ĐKS KTHT (DCSELab),ltlong@hcmut.edu.vn Khoa Điện-Điện tử, tnhuy@hcmut.edu.vn Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt: Ngày nay, phương tiện tự hành nước ứng dụng rộng rãi toàn giới Phương tiện tự hành nước ứng dụng lĩnh vực viễn thám, nghiên cứu hải dương học, kiểm sốt mơi trường, bảo vệ lãnh hải,… Khả tự động điều khiển phản ứng linh hoạt phương tiện tự hành khẳng định vai trò mũi nhọn phát triển ngành tàu ngầm Trong xu thể đó, báo nghiên cứu chuyên sâu vào việc mô ảnh hưởng dòng lưu chất tác dụng lên biên dạng tàu tự hành phương pháp tính tốn động lực học dịng chảy Kết mơ cho thấy biên dạng tàu tự hành ảnh hưởng đáng kể lực cản tàu đồng thời điểm ứng suất nguy hiểm xuất phần mũi tàu chuyển động Ngồi ra, ảnh hưởng biên dạng cánh lái đến lực cản góc xoay tàu tìm hiểu nghiên cứu Từ khóa: Cánh tàu lặn, lực cản, phương tiện tự hành, tính tốn động lực học dịng chảy Chỉ số phân loại: 2.1 Abstract: Nowadays, the autonomous underwater vehicle is applied worldwide It can be applied in the field of remote sensing, oceanographic research, environmental control, territorial protection The ability to automatically control and flexibly react to the autonomous underwater vehicle has been affirmed in the role of submarine industrial base development In this trend, the study investigates on simulating the effect of fluid flow on the profile of an autonomous underwater vehicle by computational fluid dynamics method The numerical results indicate that an autonomous underwater vehicle profile determines the drag and the largest stress occurs at the head of autonomous underwater vehicle when it moves In addition, the effect of the wing profile on the drag and rotation angle of the autonomous underwater vehicle is also explored in this study Keywords: AUV wing, drag, autonomous underwater vehicle, computational fluid dynamics Classification number: 2.1 Giới thiệu Nghiên cứu phương tiện tự hành nước (Autonomos Underwater Vehicle AUV) tiến hành từ sớm Năm 1930 nỗ lực Otis Barton William Beebe giúp người lặn xuống quan sát đại dương độ sâu 500m [1] Thời gian gần đây, nhiều nghiên cứu phương tiện tự hành nước ý Một động lực lớn cho việc phát triển thiết bị lặn không người lái (Unmanned underwater vehicle - UUV) độ sâu ngành công nghiệp dầu mỏ vượt qua giới hạn thợ lặn lựa chọn thay khơng cịn Đối với thiết bị lặn không người lái người ta thường chia thành hai dạng thiết bị lặn điều khiển từ xa (Remotely Operated Underwater Vehicle ROV) thiết bị lặn tự hành (AUV) Do kỹ thuật ban đầu kém, cảm biến chưa tinh gọn, hệ thống lượng chưa thể lưu trữ nhiều nên thiết bị lặn tự hành chưa phát triển Trên giới, AUV quan tâm Vào cuối kỷ trước, AUVs chuyển từ môi trường học thuật điều khiển đến viễn cảnh đầy thách thức, bao gồm ứng dụng khoa học, thương mại quân Cụ thể, từ năm 2000 đến 2010, giai đoạn phát triển thị trường thương mại AUV Việc sử dụng công nghệ AUV vào ứng dụng thương mại trở nên rõ ràng Các chương trình sử dụng AUV xây dựng đưa vào hoạt động Các thị trường AUV xác định đánh thị trường độc lập Đây thập kỉ mà công nghệ AUV chuyển từ nghiên cứu môi trường, học thuật sang ngành công 10 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 36, May 2020 nghiệp, thương mại đại dương [2] Tại Việt Nam, AUV đạt bước đầu, chưa có nhiều kết Những thơng tin tìm được, hầu hết tập trung dạng thiết bị tiền AUV, nhóm nghiên cứu robot phát triển, với cấu trúc đơn giản [3] Tuy nhiên, hầu hết loại AUV có bán tự động, cấu tạo thường thấy dạng khối với phần dây nối trực tiếp tới tàu mẹ, bên chứa sợi dây cấp điện, cáp quang truyền liệu,…Cấu tạo dễ gia cơng khó đạt hiệu suất cao việc di chuyển Do hoạt động nhiều nước, nên dòng chảy quanh AUV ảnh hưởng nhiều tới hoạt động tốc độ Để khắc phục vấn đề đó, ứng dụng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất để nghiên cứu tính chất dịng chảy lưu chất quanh AUV, tính tốn động lực học dịng chảy tác dụng lên AUV Từ có sở khoa học việc hoàn thiện thiết kế thực tế cho AUV Cơ học chất lưu thủy - khí động lực học tính tốn (CFD – Computational Fluid Dynamics), hay thường gọi ngắn gọn khí động lực học tính tốn đơn giản tính tốn khí động Lĩnh vực thuộc ngành phát triển sớm, nhanh, rộng rãi, ngày nhanh đạt nhiều thành tựu vô to lớn lý thuyết thực tế Việc nghiên cứu AUV dựa CFD đạt nhiều thành tựu định Trong thời gian gần đây, CFD ứng dụng nghiên cứu thiết bị thủy động gần gũi với AUV CFD ứng dụng để nghiên cứu lực cản lên thân thuyền [4], kiểm tra độ bền vỏ tàu vận tốc khác [5] Các nghiên cứu CFD tập trung vào AUV thực hiện, chưa phổ biến Các kết tiêu biểu kể đến việc xác định mối tương quan biên dạng AUV lực cản, nghiên cứu vùng chảy rối quanh AUV [6, 7] Bằng cách áp dụng phương pháp tính tốn động lực học dịng chảy, báo nghiên cứu tác dụng áp suất lên tàu AUV trình hoạt động khác Bên cạnh đó, báo phân tích lực đẩy động cho trường hợp có nhiễu Ngồi ra, khả bù góc xoay dọc trục hệ thống cánh bên khảo sát Mơ hình vật lý phương pháp số Mơ hình nghiên cứu tàu lặn AUV có biên dạng Myring hình [8] Mơ hình biên dạng xây dựng phù hợp với sản phẩm thực tế Tính chất vật lý nước biển vật liệu vỏ tàu lặn (nhôm) trình bày bảng Hình Mơ hình tàu tự hành nước Bảng Tình chất vật lý nước nhơm Tính chất T P nước biển η P nhôm Giá trị 20 1030 0,00099 2700 68.9 Đơn vị o C Kg/m3 Kg/m3 ε GPa Trong đó, T nhiệt độ nước, P nước biển khối lượng riêng nước biển, P nhôm khối lượng riêng nhôm, η độ nhớt nước biển, ε modul đàn hồi nhôm 6061 Phương trình tốn học mơ tả q trình chuyển động tàu lặn AUV nước bao gồm [9]: Phương trình liên tục:  ∂ρ + ρ∇.V = ∂t (1) Phương trình động lượng (Phương trình Navier - Stock):  ∂u ∂ (u ) ∂ (uv) ∂ (uw)  ∂p + + +  =− + µ∇ u + Fx t x y z ∂ ∂ ∂ ∂ ∂x   (2)  ∂v ∂ (uv) ∂ (v ) ∂ (vw)  ∂p + + +  =− + µ∇ v + Fy ∂x ∂y ∂z  ∂y  ∂t (3)  ∂w ∂ (uw) ∂ (vw) ∂ ( w2 )  ∂p + + +  =− + µ∇ w + Fz ∂x ∂y ∂z  ∂z  ∂t (4) ρ ρ ρ Ngoài phần Inlet, Outlet biên dạng tàu định nghĩa theo cách thơng thường, bốn bên cịn lại hình lập phương đặt dạng Symmetry Điều kiện biên TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 36-05/2020 bề mặt mơ hình vật lý thể bảng Bảng Điều kiện biên tiết diện Dạng bề mặt Inlet Oulet Moving wall Symmetry Phương trình tốn ( u = −U n [ − pI + µ ∇u + ( ∇u ) T ) n =− pˆ n u = u0 ( ) T κ − (κ n)= n 0, κ=  µ ∇u + ( ∇u )  n   Trong nghiên cứu này, phần mềm Comsol Mutiphysics dùng để mô chuyển động AUV nước Phần mềm chia mơ hình mơ thành phần tử (element) với kích thước lưới nhỏ phương trình tốn đề cập biến đổi thành dạng ma trận tuyến tính giải phương pháp số (hình 2) Do tốn đặt cần phải mơ di chuyển AUV, cần phải sử dụng phương pháp Moving Mesh, cho phép ta biến lưới tĩnh chia lúc đầu thành lưới động Nền tảng Moving Mesh dựa phương pháp ALE - Arbitrary Lagrangian Eulerian Để điều khiển biến dạng mắt lưới, ta sử dụng phương pháp Windslow, với công thức: δ X δ 2Y + = δ x2 δ y (5) Hình Mơ hình lưới tàu lặn Khi AUV di chuyển với vận tốc lớn, lưới bị biến dạng nhiều, gây lỗi Inverted Mesh, q trình mơ khơng thể hội tụ Để khắc phục tượng này, ta sẽ chia lại lưới theo phương trình: (6) δM > Trong đó, δ M tỉ sổ thể tích mắt lưới sau trước biến dạng Sau giải trường áp suất vận tốc mơ hình, ta tiến hành phân tích lực Để tính lực tốn mơ ta sử dụng cơng thức sau [10]: = F   [n ∫∫ Π]surface dS 11 (7) S Trong dS vi phân diện tích tàu, n vector đơn vị, vng góc với dS, Π tensor ứng suất Trong phần mềm Comsol Multiphysics, tích tensor ứng suất n thể công thức sau:  spf T _ stressx       n  T =Π =   Surface  spf T _ stressy   spf T _ stressz    xyz (8) Từ ấy, cơng thức tính lực dọc trục tàu (trục x), rút gọn thành: (9) Fx = ∫∫ ( spf T _ stressx )dS S Tương tự ta có cơng thức tính lực cho thành phần vng góc (trục y): (10) Fy = ∫∫ ( spf T _ stressy )dS S Tương tự ta có cơng thức tính lực cho thành phần tiếp tuyến (trục z): (11) Fz = ∫∫ ( spf T _ stressz )dS S Đánh giá kết mô Tàu thiết để chạy ổn định tốc độ tối đa m/s, độ sâu trung bình m, độ sâu tối đa 50 m Các điều kiện đầu vào cho q trình mơ tuân theo yêu cầu thiết kế Hình biểu thị phân bố áp suất thân tàu độ sâu m, tốc độ m/s, 1.5 m/s, m/s Dựa vào kết mô phỏng, ta thấy áp suất mũi tàu lớn trường hợp tàu chạy ngang Vì ta cần tìm hiểu thêm áp suất điểm Kết áp suất mũi tàu mô tả hình Áp suất mũi tàu hoạt động ổn định có giá trị ổn định Giá trị đạt cực đại (421800Pa) tàu di chuyển với tốc độ 2m/s Từ việc xác định trường áp suất ta tính lực cản nước theo thời gian, dựa công thức đề cập phần Kết lực cản thể hình 12 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 36, May 2020 (a) 1m/s (b) 1,5m/s (b) (c) Hình Áp suất mũi tàu theo thời gian (c) 2m/s Hình Phân bố áp suất thân tàu tốc độ (a) (a) (b) TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 36-05/2020 (c) Hình lực cản nước theo thời gian Lực cản tối đa nước tàu hoạt động tốc độ m/s 113.2 N Thông số lực cản sử dụng để thiết kế động đẩy cho AUV Khi AUV hoạt động, có nhiều loại nhiễu xảy Trong đó, độ nhiễu có ảnh hưởng lớn dịng biển Tốc độ hướng dòng biển đa dạng Ở đây, báo trình bày kết mơ cho hai trường hợp: Tàu xiên xuống với vận tốc đứng m/s, vận tốc ngang m/s Dòng biển di chuyển theo phương ngang với tốc độ m/s, ngược chiều di chuyển AUV Kết lực cản nước lên tàu thể hình Dựa vào kết mơ phỏng, ta thấy trường hợp lực cản lớn Đặc biệt, lực cản theo phương đứng lên tới 222N Để AUV di chuyển trường hợp này, cần có thiết kế đặc biệt để thắng lực cản Ngồi tìm hiểu lực cản, báo cịn tiến hành mơ góc cánh AUV Trong loại AUV sử dụng động đẩy cần có góc cánh phù hợp để khử moment khiên tàu quay dọc trục Mối liên hệ góc cánh moment sinh thể hình Theo thiết kế tài liệu [11], moment cần thiết trường hợp 1.09N Vì thế, ta nội suy góc cánh cần thiết theo biểu đồ 2.01o Moment góc cánh tạo theo thời gian thể hình Kết mơ cho thấy góc cánh tính tốn phù hợp đến 93,57% yêu cầu thực tế Vì kết khả quan tham khảo thiết kế 13 Hình Lực cản nước có ảnh hưởng dịng biển Hình Mối liên hệ moment góc nghiêng cánh Hình Moment quay cánh gây theo thời gian Kết luận Bài báo trình bày kết mơ chuyển động tàu lặn nước Các kết mô trường áp suất, lực cản cho thấy mũi tàu phần chịu ứng suất lớn trình tàu lặn AUV hoạt động Về bản, kết phù hợp với thực tế, đưa nhiều số liệu tham khảo có ích cho hoạt động thiết kế Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Hồ Chí Minh (VNU-HCM) khuôn khổ Đề tài mã số B2018-20b-01 14 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 36, May 2020 Nhóm nghiên cứu xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM; Phịng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia Điều khiển số Kỹ thuật hệ thống (DCSELAB) - Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM; Phịng thí nghiệm Cơng nghệ thiết kế Gia công tiên tiến - Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQGHCM hỗ trợ thời gian, phương tiện sở vật chất cho nghiên cứu này Tài liệu tham khảo [1] Vikrant P Shah (2005), Design Considerations for Engineering Autonomous Underwater Vehicles, B.S thesis, The University of Texas at Austin; [2] D Richard Blidberg (2001), The Development of Autonomous Underwater Vehicles (AUV); A Brief Summary, Autonomous Undersea Systems Institute, Lee New Hampshire, USA; [3] Phạm Thượng Cát, Xu phát triển Robot giới tình hình nghiên cứu Robot Việt Nam nay, Tạp chí tự động hóa ngày nay, số 123 (2011); [4] Mohammad Moonesun, CFD Analysis on the Bare Hull Form of Submarines for Minimizing the Resistance, Int J Maritime Technology, Vol.3, pp 1-16 (2015); [5] S Carberry Mogan, CFD Study of an Autonomous Submarine in Extraterrestrial Seas, Proceedings of the ASME 2017 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference (IDETC2017) (2017); [6] M M Karim, Computation of Turbulent Viscous Flow around Submarine Hull Using Unstructured Grid; [7] P.G Marshallsay, Use of computational Fluid Dynamics as a Tool to Assess the Hydrodynamic Performance of a Submarine, 18th Australasian Fluid Mechanics Conference (2012); [8] D.F.Myring, A theoretical study of the effects of body shape and Mach number on the drag of bodies of revolution in subcritical axisymmetric flow, Technical Report 81005 (1981); [9] Trần Đình Thắng, Tổng quan CFD, Moscow Institude of Physics and Technology (2012); [10] Faith Morrision, Calculating Fluid Force on Surfaces in COMSOL 5.1, Michigan Technological University (2015); [11] Đinh Quang Vinh (2015), Phân tích thiết kế robot lặn khơng người lái Ngày nhận bài: 17/4/2020 Ngày chuyển phản biện: 22/4/2020 Ngày hoàn thành sửa bài: 13/5/2020 Ngày chấp nhận đăng: 20/5/2020 ... đạt nhiều thành tựu định Trong thời gian gần đây, CFD ứng dụng nghiên cứu thiết bị thủy động gần gũi với AUV CFD ứng dụng để nghiên cứu lực cản lên thân thuyền [4], kiểm tra độ bền vỏ tàu vận tốc... Trong nghiên cứu này, phần mềm Comsol Mutiphysics dùng để mô chuyển động AUV nước Phần mềm chia mơ hình mơ thành phần tử (element) với kích thước lưới nhỏ phương trình tốn đề cập biến đổi thành... Mơ hình tàu tự hành nước Bảng Tình chất vật lý nước nhơm Tính chất T P nước biển η P nhôm Giá trị 20 1030 0,00099 2700 68.9 Đơn vị o C Kg/m3 Kg/m3 ε GPa Trong đó, T nhiệt độ nước, P nước biển khối