Bài viết trình bày một nghiên cứu về giảm sức cản tác động lên tàu bằng cách sử dụng CFD. Bài viết áp dụng công cụ CFD để xác định sức cản và hình dạng đường dòng tác động lên thân tàu tại các vị trí mũi và đuôi.
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC PHÂN TÍCH, MƠ PHỎNG HÌNH ẢNH SĨNG VÀ TÍNH TỐN SỨC CẢN TÀU THỦY SỬ DỤNG CFD ANALYSIS, SIMULATION THE WAVES AROUND THE SHIP AND SHIP HULL RESISTANCE CALCULATIONS USING CFD METHODS Nguyễn Đức Hải, Vũ Văn Tản, Nguyễn Ngọc Đàm Email: shipbuilding_dta10@yahoo.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 27/3/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/6/2018 Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2018 Tóm tắt Ngày nay, khí động lực học tàu thủy đóng vai trị quan trọng vấn đề tính tốn thiết kế tối ưu hình dáng nhằm tăng hiệu suất đẩy, tiết kiệm lượng giảm sức cản tác động lên tàu Với phát triển cơng nghệ máy tính, nhà sản xuất thấy khả tính tốn động lực học dịng chảy thay thử nghiệm bể thử đạt tiêu chuẩn để giảm thời gian thử nghiệm tiết kiệm chi phí nghiên cứu phát triển Trong nghiên cứu này, chúng tơi trình bày nghiên cứu giảm sức cản tác động lên tàu cách sử dụng CFD Chúng áp dụng công cụ CFD để xác định sức cản hình dạng đường dịng tác động lên thân tàu vị trí mũi Kết mơ CFD sau so sánh với liệu thử nghiệm để xác nhận tính xác Từ khóa: CFD; Ansys-Fluent; lực cản tàu thủy Abstract Nowadays, aerodynamics plays important role in shipbuilding in the matter of calculating the optimal shape design in order to increase efficiency, save energy as well as reduce impact resistance on board For improvement in computer technology, manufacturers are using computational fluid dynamic softwares instead of testing in a towing tank to reduce the time for testing and save costs for development optimization the hull In this study, the author present a study on the reduction of impact resistance on board using CFD method The author used the CFD method to determine the drag and geometry of the line acting on the hull at the bow and stern of a ship After that, the results of the CFD simulation are compare with the test data to confirm the accuracy Keyword: CFD; Ansys-Fluent; ship resistance GIỚI THIỆU CHUNG hình tàu để xác định hệ số thủy động lực học cho tàu thực sử dụng phương pháp thí nghiệm bể kéo bể thử nghiệm mơ hình [4] Tính tốn lực cản chuyển động tàu vấn đề tốn ngồi chất lỏng để xác định lực thủy động chất lỏng chảy bao vật thể Với phát triển không ngừng ngành kinh tế vận tải sơng biển, việc nghiên cứu thủy động lực học tàu thủy cải tiến loại thiết bị đẩy tàu đóng vai trị quan trọng Bởi lẽ chúng có liên quan trực tiếp đến tiêu kinh tế khai thác tàu cụ thể [4, 5, 6] Hiện nay, nghiên cứu lực cản chuyển động tàu người ta thường dùng phương nghiên cứu lý thuyết phương pháp nguyên cứu thực nghiệm Đặc biệt để thu số liệu đáng tin cậy người ta thường sử dụng mô Người phản biện: PGS.TS Lê Văn Học TS Vũ Hoa Kỳ Để xác định công suất máy phù hợp theo yêu cầu tốc độ tàu, phải biết sức cản tàu chạy Nói chung sức cản nước thành phần sức cản chủ yếu Sức cản phụ thuộc vào trị số hình dáng tốc độ tàu [1] Mặc dù bỏ nhiều công nghiên cứu, có nhiều cơng trình nghiên cứu ngồi Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 53 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nước đến vấn đề sức cản nước chưa giải thích cách rõ ràng chặt chẽ, trình diễn biến tượng phức tạp Đã có công thức kinh nghiệm dựa hàng loạt lần thử khảo sát cho phép xác định sức cản độ xác chưa cao Vì nay, xác định sức cản thường có so sánh tàu đóng với mơ hình thân tàu thí nghiệm kéo bể thử [1, 8] Trên sở phân tích hạn chế vấn đề nghiên cứu sức cản tàu thủy Việt Nam ưu điểm trình thừa kế công thức kinh nghiệm phương pháp tính tốn sức cản, ứng dụng phần mềm tiên tiến vào tính tốn thiết kế nước có cơng nghiệp đóng tàu phát triển giới, nhóm tác giả đưa phương pháp nghiên cứu tính tốn đánh giá sức cản tàu chuyển động để trung tâm thiết kế nghiên cứu ứng dụng nhằm rút ngắn thời gian tính tốn sức cản tính chọn cơng suất máy cho tàu thiết kế, đồng thời tài liệu nghiên cứu, giảng dạy nhà trường giúp cho sinh viên có sở tính tốn nghiên cứu sức cản tàu thủy Chúng đề xuất phương pháp CFD kết hợp từ nhiều phần mềm phân tích số giúp xác hóa tính tốn tối ưu sức cản nhà máy xử lý nước thải Phần mềm có khả mơ hình hóa động xilanh, đường đạn, máy thiết bị turbin, hệ thống đa pha Ngày nay, hàng ngàn công ty giới lợi từ việc sử dụng công cụ thiết kế phân tích Được mở rộng khả tương tác đa môi trường khiến phần mềm trở thành công cụ phổ thông cộng đồng CFD, với tiếng thân thiện mạnh mẽ Fluent tương đối dễ sử dụng người bắt đầu Fluent sử dụng công nghệ lưới phi cấu trúc, nghĩa lưới bao gồm phần tử có hình dạng khác nhau, lưới tứ giác lưới tam giác cho mơ hình 2D lưới lục diện, tứ diện, đa diện cho mơ hình 3D Mô số giải mạnh mẽ đảm bảo Fluent có kết xác [3] Ứng dụng để mơ hình hóa dịng chảy rối phân tích trường áp suất, trường vận tốc sử dụng pháp mô hình k-epsilon, k-omega, phương trình ứng suất Reynolds… Cấu trúc phần mềm Fluent sau: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương pháp Computational Fluid Dynamics (CFD) tính tốn động lực học chất lỏng, nhánh học chất lỏng với giúp đỡ máy tính, sử dụng phương pháp số để giải phân tích vấn đề liên quan đến dịng chảy chất lỏng Máy tính sử dụng để thực tính tốn việc thực vịng lặp, sau vịng lặp độ xác cải thiện Máy tính sử dụng để thực hàng triệu phép tính cần thiết để mơ tương tác chất lỏng khí với bề mặt xác định điều kiện biên Ngay với siêu máy tính tốc độ cao giải gần đạt kết tốt nhiều trường hợp Khả mơ hình hóa vật lý Fluent ứng dụng rộng khắp lĩnh vực công nghiệp: từ dịng chảy khơng khí qua cánh máy bay đến bốc cháy lò, từ cột bọt khí đến việc sản xuất thủy tinh, từ dịng chảy 54 Hình Sơ đồ cấu trúc phần mềm Fluent Tuy nhiên, với việc phát triển Fluent tích hợp thành module Ansys bước phân tích chia lưới thơng qua Gambit loại bỏ Hiện nay, sử dụng phương pháp tạo mơ hình trực tiếp từ phần mềm CAE Autoship, Napa sau đưa vào Fluent Lựa chọn mẫu dịng chảy rối Có thực tế khơng có mẫu dịng chảy rối độc lập hiểu hết tính chất, vấn đề Việc lựa chọn mẫu chảy rối phụ thuộc vào đặc điểm tính chất vật lý dịng, vấn đề thực tế lớp đặc biệt, mức độ u cầu xác, sở tính tốn lượng thời gian Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC cần cho việc mơ Để có lựa chọn phù hợp cho mẫu ứng dụng, cần hiểu khả giới hạn nhiều lựa chọn khác Đối với phân tích chúng tơi lựa chọn mơ hình rối Mơ hình có ba mẫu Standard, RNG Realizable Cả ba mẫu tương tự với phương trình cần cho k Những điểm khác mơ hình sau: - Phương pháp tính tốn độ nhớt dịng rối Mơ hình sử dụng VOF, mơ hình hóa tàu để nghiên cứu dòng chảy tàu chuyển động với hai pha nước khơng khí MƠ HÌNH PHÂN TÍCH SỨC CẢN 3.1 Mơ hình hình học tàu đa ứng phó cố tràn dầu Đối với phân tích chúng tơi sử dụng phần mềm CFD tính tốn sức cản nước tác dụng lên thân tàu, sau kết so sánh với kết kéo thử tàu bể thử tàu quốc gia - Sự phụ thuộc số Prandlt vào khuếch tán k phương pháp phân tích thực nghiệm - Các tốn hạng sinh biến phương trình mại Napa, q trình xây dựng mơ hình liên quan Mơ hình mơ hình đơn giản áp dụng với hầu hết tốn thơng thường với độ xác tốt Tuy nhiên, trường hợp đặc biệt, tính chất dịng bị thay đổi mạnh xuất sóng va việc áp dụng mơ hình cho kết khơng tốt hình Những đường cong nhằm tạo Trong báo này, việc nghiên cứu dòng chảy xung quanh tàu tàu chuyển động công cụ CFD Việc tính tốn sử dụng mơ hình dịng chảy chất lỏng khơng nén ngun nhân sinh lực cản chuyển động tác dụng lên tàu CFD chương trình ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải vấn đề Mơ hình mơ tả dịng chảy khơng nén chất lỏng nhớt số Mach thấp (M < 0,3), số Reynolds Mật độ điểm lưới nhỏ, cho phép tính đến lực nâng Mơ hình bao gồm phương trình Navier-Stokes, phương trình lượng Phương trình Navier-Stokes để tìm vận tốc dịng chảy chuyển động có dạng: biết Mơ hình hình học sử dụng phần mềm thương đến việc xuất nhập thiết kế tàu vào Napa bề mặt vỏ tàu với mức xác đánh giá thơng qua công cụ đánh giá tự động Napa Mô hình cuối chuyển thành vật thể đóng khối trước nhập vào Fluent Các kích thước tàu phân tích, tính tốn nghiên cứu thể bảng Bảng Các kích thước tàu Trạng thái tải trọng Design Chiều dài hai trụ Lpp m 50,84 Chiều dài đường nước Lwp m 50,84 Chiều rộng B m 12 Chiều chìm: mũi Tf m Lái TA m Hệ số béo thể tích Cb - 0,72 (1) (2) đó: S giá trị ban đầu xác định cơng thức: (3) Phương trình lượng có dạng: (4) Hình Mơ hình tàu Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 55 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3.2 Chia lưới thân tàu mơ hình hóa điều kiện biên Nhằm hạn chế số điều kiện tính tốn để giúp đơn giản hóa tốn, mơ coi mặt nước tĩnh để khảo sát sóng sinh tàu chuyển động Để tính tốn chọn thơng số mơ hình phần mềm Fluent quy trình xây dựng mơ hình phần mềm bao gồm bước sau: - Tạo mơ hình ba chiều thân tàu phần mềm chuyên dụng hệ thống thiết kế 3D, sau chuyển mơ hình định dạng trung gian tương ứng chuyển vào Fluent Đối với mơ hình tính tốn đề tài, tác giả sử dụng phần mềm mô hình ba chiều thân tàu xây dựng Napa - Tạo trường tính tốn, mơ mơi trường, Fluent giải toán chuyển động ngược thân tàu, điều cho phép kích thước tương đối nhỏ miền tính tốn để mơ chuyển động tàu thời gian tương ứng Các miền tính tốn Fluent mơ hình hóa dạng miền khơng gian boxing (bể thử mơ hình), boxing đoạn khu vực kéo ảo mà tàu chuyển động Kích thước hộp ảnh hưởng lớn đến thời gian độ xác phép tính Những thơng số chọn lý giảm thiểu tác động điều kiện bên ngồi ranh giới đến mơ hình tàu Dưới thơng số giới hạn miền khơng gian tính toán tàu, đồng thời quy định điều kiện biên q trình tính tốn tính tốn mơ tàu phần mềm Fluent theo áp dụng cho tính tốn mô tàu sử dụng phần mềm khác CFX, Flowvision… [2, 7] PHÂN TÍCH Đối với cơng việc trình bày sức cản tàu thủy chủ yếu sức cản nước tác dụng lên thân tàu Do vậy, phân tích chúng tơi bỏ qua sức cản gió, sức cản phần nhô, giảm lắc, ky tàu, chong chóng, ống bao Chính mơ hình phân tích đây, phần nhơ cắt giảm mơ hình tính tốn Trong q trình kéo thử tàu bể thử, mơ hình gia cơng phù hợp với vẽ tuyến hình tàu, với tỉ lệ 1:15,33 Để đánh giá xác đường dịng chảy qua thân tàu q trình mơ phần mềm Fluent, tác giả dựng lại mơ hình tàu với kích thức kích thước tàu mơ hình Thử nghiệm dịng chảy quanh thân tàu nhằm mục đích đánh giá chất lượng tuyến hình tàu góc độ dịng chảy Nếu dịng chảy tất vị trí đều, khơng rối coi tuyến hình đạt u cầu Ngồi ra, dựa vào kết thử nghiệm dịng chảy để bố trí vây giảm lắc nhằm mục đích giảm tối đa sức cản vây giảm lắc gây Sau q trình tính tốn phần mềm Fluent với tốc độ tàu 1,58 m/s, số vòng lặp 150 vịng, ta có kết sau: a) b) Hình Miền khơng gian tính tốn 56 Hình Dịng chảy qua mũi tàu (a) phân tích CFD; (b) thử nghiệm Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC a) b) Hình Hình ảnh sóng kéo bể thử (a) sóng tàu; (b) sóng tàu b) Hình Dịng chảy qua tàu (a) phân tích CFD; (b) thử nghiệm Qua tính tốn so sánh kết mơ hình tương đương xây dựng tính tốn CFD so sánh với cơng thức tính tốn sức cản công thức thực nghiệm Holtrop, Fung kết hợp với kết tính tốn bể thử quốc gia, tác giả có đồ thị so sánh (kết tính tốn mơ hình) Hình Đồ thị so sánh sức cản tàu Hình Hình ảnh sóng mơ CFD - Từ kết tính tốn cho kết tính tốn sức cản sát với thực tế Ở dải tốc độ mơ hình 1,5 m/s, kết tính tốn sức cản CFD có xu hướng lớn so với phương pháp khác - Đường dịng bao quanh thân tàu tương đối sát với mơ hình kéo bể thử - Ứng dụng vào tính mơ nhằm làm giảm chi phí chế tạo kéo thử mơ hình KẾT LUẬN a) Theo kết nghiên cứu này, tác giả mô dòng chảy xung quanh thân tàu Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 57 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC cách sử dụng CFD Đã nhận hình ảnh bề mặt sóng tàu chuyển động, mơ hình kết sóng sát với thực tế mơ hình chế tạo kéo thử nghiệm bể thử tàu quốc gia Việc ứng dụng CFD vào trình tính tốn giúp tăng suất, giảm chi phí khơng phải đầu tư chi phí cho bể thử kéo thử mơ hình bể thử [3] Fluent Totorial Guide (2001) Fluent Inc [4] Viện Khoa học Công nghệ tàu thủy Việt Nam Báo cáo kết thử nghiệm tàu nước tĩnh MH080 - 250NM [5] Nguyễn Tiến Lai (2006) Giáo trình động lực học tàu thủy Đại học Hàng hải Việt Nam [6] Trương Sỹ Cáp (1997) Lực cản tàu thủy NXB TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jacek Jachowski (2008) Assessment of ship squat in shallow water using CFD Archives of Civil Mechanical Engineering, Vol 8, No 1, pp 27-36 [2] L.J Doctors and M.R Renilson (1992) Corections for finite-water-depth effects on ship resistance University of Tamania, Hobart, Australia 14-18 58 Giao thông vận tải Hà Nội [7] B.R Clayton and R.E.D Bishop (1981) Mechanics of marine vehicles University College London University of California [8] Hongxuan Peng (2001) Numerical computation of multi-hull ship resistance and motion Doctor thesis Naval Architecture at Dalhousie University Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 ... a) b) Hình Hình ảnh sóng kéo bể thử (a) sóng tàu; (b) sóng tàu b) Hình Dịng chảy qua tàu (a) phân tích CFD; (b) thử nghiệm Qua tính tốn so sánh kết mơ hình tương đương xây dựng tính tốn CFD so... tính tốn tính tốn mơ tàu phần mềm Fluent theo áp dụng cho tính tốn mô tàu sử dụng phần mềm khác CFX, Flowvision… [2, 7] PHÂN TÍCH Đối với cơng việc trình bày sức cản tàu thủy chủ yếu sức cản nước... KHOA HỌC cách sử dụng CFD Đã nhận hình ảnh bề mặt sóng tàu chuyển động, mơ hình kết sóng sát với thực tế mơ hình chế tạo kéo thử nghiệm bể thử tàu quốc gia Việc ứng dụng CFD vào trình tính tốn giúp