Nghiên cứu lực cản và quạt đẩy tàu đệm khí

Báo viết này trình bày nghiên cứu tính toán lực cản thân tàu và lực đẩy tạo ra từ quạt của tàu đệm khí. Tàu đệm khí là phương tiện di chuyển được trên đa địa hình. Nó có thể lướt trên mặt nước, đi trên bùn lầy, trên đường, trên các bề mặt gồ ghề.

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU LỰC CẢN VÀ QUẠT ĐẨY TÀU ĐỆM KHÍ STUDY ON RESISTANCE AND PROPULSIVE FAN OF A HOVERCRAFT Phan Anh Tuấn1, Vũ Văn Tản2 Email: tuan.phananh@hust.edu.vn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 25/4/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/6/2018 Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2018 Tóm tắt Báo báo trình bày nghiên cứu tính tốn lực cản thân tàu lực đẩy tạo từ quạt tàu đệm khí Tàu đệm khí phương tiện di chuyển đa địa hình Nó lướt mặt nước, bùn lầy, đường, bề mặt gồ ghề Để tính tốn lực cản lực đẩy tàu đệm khí, tác giả sử dụng phương pháp mô số (CFD) với phần mềm chuyên dụng Phương pháp CFD phương pháp nghiên cứu đại phổ biến giới Với việc sử dụng phương pháp CDF, thời gian tính tốn giảm đáng kể Trên sở tính tốn lực đẩy thân tàu đệm khí tạo ra, tác giả thiết kế mẫu quạt đẩy để tạo lực đẩy giúp tàu di chuyển tốt mặt nước Từ khóa: Lực cản; lực đẩy; tàu đệm khí; quạt đẩy; CFD Abstract This paper presents a study on calculation of hull resistance and propulsive fan of a hovercraft A hovercraft is a vehicle that can move on multi-terrains It could run on water surface, mud, roads and non-flat surfaces To calculate the resistance and propulsion of the hovercraft, the authors have used Computational Fluid Dynamics (CFD) method CFD method is a modern and popular studied method in the world Base on the calculation of the hull resistance, the authors have designed a propulsive fan for creating the propulsion to make the hovercraft move well on water surface Keywords: Resistance; propulsion; hovercraft; propulsive fan; CFD GIỚI THIỆU CHUNG Trong năm gần đây, ngành công nghiệp tàu thủy nước ta bước phát triển dần chiếm vị trí nước khu vực Trước đây, tàu đóng với mục đích phương tiện vận chuyển hàng hóa chủ yếu mục đích sử dụng tàu đa dạng lên nhiều Tàu chạy đệm khí, sử dụng chận vịt hay quạt đẩy nghiên cứu ứng dụng nhiều nước ngoài, đặc biệt Hoa Kỳ, Nga, châu Âu Tàu đệm khí sử dụng đội tàu vận tải, du lịch, quân sự, tìm kiếm cứu nạn Đối với loại tàu ta hay thường gọi tàu đệm khí, đặc điểm hình học yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính hàng hải tàu đệm Người phản biện: TS Ngô Văn Hệ GS.TSKH Vũ Duy Quang khí nói chung tốc độ nói riêng, đặc điểm hình học bao gồm kích thước vẽ đường hình Trong báo này, tác giả tiến hành nghiên cứu tổng quan lực cản lực đẩy mẫu tàu đệm khí thơng qua phương pháp CFD, từ thiết lập mơ hình 3D tàu đệm khí đến việc sử dụng bước giải cho tốn CFD để tính tốn lực cản tàu đệm khí Sau có kết tính tốn lực cản, tác giả xác định lực đẩy cần thiết cho tàu dựa vào để thiết kế mẫu quạt đẩy Cuối cùng, tác giả giải toán CFD cho quạt đẩy để đánh giá khả làm việc quạt đẩy lắp lên tàu đệm khí LỰC CẢN TÀU ĐỆM KHÍ 2.1 Các thành phần lực cản tàu đệm khí Đa số tàu đệm khí hoạt động dựa nguyên lý thủy động học hoạt động Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 35 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nguyên lý có hình dáng, kết cấu đơn giản hoạt động nguyên lý khí động học Lực cản tổng hợp tàu đệm khí tính theo cơng thức sau [1]: (1) đó: trị đặt tàu đệm khí nằm đường trục đáy ống tunnel, cách đầu ống nơi dịng khí, nước vào 28 m (tương đương với lần chiều dài tàu) cách cuối ống nơi dịng khí, nước 35 m (tương đương với lần chiều dài tàu đệm khí Hình miêu tả miền giới hạn tính tốn tốn mơ số với tàu đệm khí Rw: lực cản sóng; Ra: lực cản khí động hình dáng tồn tàu; Rm: lực cản khí động đệm khí; Rsk: lực cản váy tàu; Ra”: lực cản khí động ảnh hưởng mũi tàu 2.2 Tính tốn lực cản mơ số Hình Miền tính toán mơ phỏng tàu đệm khí 2.2.1 Thơng số tàu đệm khí 2.2.3 Mơ hình rối Tàu đệm khí sử dụng tính tốn có chiều dài m Các kích thước bảng Mơ hình 3D tàu đệm khí dựng hình Để tính tốn dịng khí bao quanh tàu đệm khí q trình chuyển động, ta sử dụng phương trình liên tục, phương trình Navier-Stokes, với mơ hình rối k-ε Phương trình Navier-Stokes viết sau [2]: Bảng Thông số kỹ thuật tàu đệm khí Chiều dài 7,0 m Chiều rộng 3,0 m Chiều cao 2,6 m Mớn nước 0,2 m Số người chở người (2) đó: u; v; w: vectơ vận tốc thành phần tương ứng với trục tọa độ x; y; z; ρ: khối lượng riêng khơng khí; p: áp suất thủy động; τ: ứng xuất tiếp Hình Mơ hình 3D tàu đệm khí 2.2.2 Khơng gian tính tốn điều kiện biên Miền giới hạn tính tốn chạy mơ giới hạn không gian ống thổi tunnel giả định tạo thành hình hộp chữ nhật, chiều dài 70 m (gấp 10 lần chiều dài tàu đệm khí), chiều rộng 30 m (gấp 10 lần chiều rộng tàu đệm khí) chiều cao 13 m (gấp lần chiều cao tàu đệm khí) Vị 36 Fx, Fy, Fz: lực thành phần theo trục tọa độ tương ứng 2.2.4 Điều kiện biên tốn Mơ số tiến hành với mơ hình rối k-ε Mơ hình rối k-ε tác giả giới sử dụng phổ biến làm mơ hình rối tốn mơ số Điều kiện biên cho tốn mơ số mà tác giả sử dụng là: vận tốc dịng khí thổi Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC vào nằm dải từ 1,39 tới 25 m/s tương đương 2.2.5 Kết mô số lực cản với vận tốc khai thác tàu đệm khí từ đến 90 tưởng tượng đứng yên đặt tường; khối Do giới hạn thời gian tốc độ máy tính, nghiên cứu tác giả tách tốn mơ hai pha nước khí thành hai tốn độc lập cho nước khí để tính lực cản gió tạo lực cản nước tạo lượng riêng không khí lấy ρ=1,225 kg/m3, hệ số 2.2.5.1 Lực cản gió nhớt khơng khí 1,7894 ∙ 10 kg/(ms), khối lượng Hình thể phân bố vận tốc áp suất xung quanh tàu đệm khí gió tạo nên vận tốc khai thác giả định khác km/h; nhiệt độ lấy 27oC tương đương với 300 K; áp suất đầu ống tunnel đặt áp suất khí quyển; tàu đệm khí ống tunnel -5 riêng nước 998,2 kg/m3, độ nhớt nước 1,003 ∙ 10-5 kg/(ms) [3] v = 1,39 m/s v = 5,56 m/s v = 2,88 m/s v = 6,94 m/s v = 8,33 m/s v = 12,5 m/s v= 16,67 m/s v = 25 m/s Hình Phân bố vận tốc dịng khí xung quanh tàu Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 37 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình thể phân bố vận tốc dịng khí xung quanh phía thượng tầng tàu đệm khí Phân bố vận tốc thượng tầng cho thấy dịng khí di chuyển xung quanh thân tàu tương đối êm có tạo xốy cục Hình Phân bố vận tốc xung quanh thân tàu Hình Phân bố áp suất xung quanh thân tàu Hình Phân bố vận tốc dịng khí thượng tầng tàu đệm khí Hình đồ thị lực cản gió tác động lên tàu đệm khí dải vận tốc từ đến 90 km/h Trong hình vẽ này, trục hồnh thể tốc độ khai thác tàu khơng có gió (hoặc tốc độ gió thổi tới thân tàu), hướng gió tác động trực tiếp tới mũi tàu, trục tung giá trị lực cản gió tạo nên Ta thấy tốc độ cao, lực cản gió tàu đệm khí tăng nhanh Hình Phân bố áp suất tĩnh xung quanh thân tàu đệm khí 2.2.5.2 Lực cản nước Kết mô số lực cản nước tác động lên tàu đệm khí thể hình vẽ Hình ảnh kết mơ cho trường hợp vận tốc khai thác khác tàu đệm khí tương đối tương tự Tác giả xin đưa hình ảnh kết mơ vận tốc khai thác tàu đệm 16,67 m/s, tương đương với 60 km/h Hình 6÷11 thể phân bố vận tốc, áp suất xung quanh tàu đệm khí nước tạo nên vận tốc khai thác giả định khác nhau, góc nhìn khác Hình Phân bố áp suất động quanh thân tàu Hình 10 Hình ảnh dịng nước xung quanh thân tàu theo hình chiếu đứng Hình 11 Hình ảnh dịng nước xung quanh thân Hình Đồ thị lực cản gió tác động lên tàu 38 tàu mặt nước Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Kết mô số thể phân bố vận tốc áp suất xung quanh tàu đệm khí phía rõ vùng áp suất cao xuất vỏ tàu hai bên mạn phía mũi tàu Đây khu vực vừa chịu lực tác động gió, nước sóng Sóng mặt nước tạo nên từ đầu, mạn mũi tàu tạo nên q trình tàu rẽ nước để tiến phía trước Hình 12 đồ thị lực cản nước tác động lên tàu đệm khí dải vận tốc từ đến 90 km/h Trong hình 12, trục hồnh thể tốc độ khai thác tàu, trục tung giá tri lực cản nước tạo nên Ta thấy tốc độ cao, lực cản nước tàu đệm khí tăng nhanh lợi Phương pháp thứ tăng công suất máy tàu giống tàu thủy thông thường phương pháp thứ hai tăng lực nâng từ hệ thống nâng tàu làm giảm mớn nước tàu chạy để giảm lực cản nước tạo cho tàu Trong trường hợp này, cần chạy lại mơ số với mớn nước để tính lại thành phần lực cản lực cản tổng hợp tàu đệm khí Ứng với vận tốc khai thác có phương án lựa chọn thích hợp khác QUẠT ĐẨY TÀU ĐỆM KHÍ 3.1 Hình dáng khí động cánh quạt đẩy Sau tính tốn mơ số tìm lực cản tổng hợp tàu đệm khí Trên sở phân tích khí động học mẫu biên dạng cánh, tác giả lựa chọn profil-biên dạng cánh thích hợp cho quạt đẩy tàu đệm khí Một vật có profile cánh, chuyển động dịng khí chất lỏng, sinh lực nâng cánh, vng góc với hướng dịng khí (định lý Giucopski), lực đẩy tàu trường hợp quạt đẩy tàu đệm khí Hình 12 Đồ thị lực cản nước tác động lên tàu Hình 13 đồ thị lực cản tổng hợp tác động lên thân tàu đệm khí Trên sở phân tích khí động học cánh quạt, tác giả lựa chọn kiểu profil cánh biến thể mẫu cánh NACA 6412 uốn cong gần chân cánh để nâng cao hiệu suất đẩy [3] Sau có profile cánh quạt, tác giả cho dựng mô hình 3D chạy mơ số Cụ thể, mơ hình 3D quạt đẩy thể hình 14 Từ kết mơ số, tác giả tìm đường kính quạt đẩy phù hợp với tàu đệm khí 1250 mm, chiều dài cánh 500 mm Hình 13 Lực cản tổng hợp tàu đệm khí Phân tích lực cản tàu hình 13 giúp đưa nhận định cho việc thiết kế hệ thống nâng đẩy, chọn máy hợp lý Ví dụ thiết kế tàu đệm khí này, ta chọn vận tốc khai thác tàu chủ yếu (gọi vận tốc thiết kế) cần cân nhắc hai phương pháp lựa chọn thiết kế sau xem phương pháp Hình 14 Quạt đẩy tàu đệm khí Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 39 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3.2 Miền tính tốn điều kiện biên cho tốn mơ quạt đẩy Với tốn mơ số quạt đẩy, tồn miền chia chọn lưới Tetra Lưới có ưu điểm tăng tính linh động, phù hợp với mơ hình cánh có dạng hình học phức tạp, có hạn chế làm tăng số phần tử tính tốn Lưới khơng gian tính tốn tốn mơ quạt đẩy tàu đệm khí thể hình 15 hình 16 Tổng số lưới chia 1,8 triệu lưới tứ diện Miền giới hạn tính tốn chạy mơ giới hạn khơng gian ống thổi tunnel giả định hình ống đường kính 6,5 m (gấp lần đường kính quạt đẩy), chiều dài 10 m (gấp 50 lần chiều dài quạt) Vị trị quạt đẩy đặt trục ống tunnel, cách đầu ống nơi dịng khí vào m (tương đương với 30 lần chiều dài quạt đẩy) cách cuối ống nơi dịng khí m (tương đương với 20 lần chiều dài quạt đẩy) Điều kiện biên cho tốn mơ số quạt đẩy tương tự với tốn mơ số tính lực cản tàu phía Vận tốc quay quạt nằm dải từ 50 tới 500 rad/s (tương đương với tốc độ trục quạt quay từ 450 đến 4500 vg/ph) 3.3 Kết mô số quạt đẩy Kết mô số quạt đẩy thể hình 17 đến 21 Hình 17 phân bố vận tốc xung quanh quạt đẩy, hình 18 phân bố áp suất xung quanh quạt đẩy, hình 19 phân bố áp suất mặt trước cánh quạt đẩy hình 20 phân bố áp suất mặt sau cánh quạt đẩy Hình 15 Lưới quạt đẩy Hình 16 Miền tính tốn mơ số quạt đẩy Quan sát hình 17 ta thấy có hai vùng tạo xốy lớn dịng khí phía sau quạt đẩy Hai vùng nằm tương đối đối xứng qua trục quay quạt phía sau đỉnh cánh Đây hình ảnh trích suất 2D, thực tế vùng hình vành khăn xung quanh phía sau đỉnh cánh Kết mô phân bố áp suất từ hình 18 đến 20 cho ta thấy, tương tự phân bố vận tốc, phía sau quạt đẩy có hai vùng áp suất lớn, hai vùng xung quanh khu vực có tạo xốy hình ảnh phân bố vận tốc Áp suất xuất cánh lớn khu vực đường uốn cánh Hai bên mép cánh áp suất mép dẫn cao, cịn mép thấp Phân bố áp suất phía trước cánh nhìn chung áp suất thấp khoảng chênh lệch vận tốc dịng khí vào tương đối đồng ổn định Hình 17 Phân bố vận tốc xung quanh quạt đẩy 40 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Hình 17 (Tiếp theo) Phân bố vận tốc xung quanh quạt đẩy ω = 100 rad/s ω = 200 rad/s ω = 300 rad/s ω = 400 rad/s Hình 18 Phân bố áp suất xung quanh quạt đẩy ω = 100 rad/s ω = 200 rad/s Hình 19 Phân bố áp suất mặt sau quạt đẩy Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 41 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ω = 400 rad/s ω = 300 rad/s Hình 19 (Tiếp theo) Phân bố áp suất mặt sau quạt đẩy ω = 200 rad/s ω = 100 rad/s ω = 400 rad/s ω = 300 rad/s Hình 20 Phân bố áp suất mặt trước quạt đẩy Từ kết mô phỏng, ta dựng đồ thị lực đẩy quạt đẩy tàu đệm khí tạo nên hình 21 Trong hình vẽ này, trục hồnh vận tốc quay quạt, trục tung lực đẩy quạt tạo Sau thực mơ tính tốn lực cản tàu đệm khí lực đẩy quạt đẩy tạo nên, ta nhận thấy để tàu khai thác với vận tốc 90 km/h ta cần chế độ làm việc quạt vòng quay khoảng 3200 vg/ph KẾT LUẬN Hình 21 Lực đẩy quạt tạo 42 Trong phương pháp nghiên cứu mô số, ta thu hình ảnh phân bố vận tốc, áp suất, cường độ xốy dịng nước bao quanh tàu đệm khí dịng khí bao quanh quạt đẩy cho ta nhìn trực quan sinh động tượng vật lý dòng chảy bao quanh thân tàu đệm khí quạt đẩy Từ giúp ta đánh giá cách tổng thể đặc tính thủy động hình Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC dáng thân tàu đệm khí, đặc tính khí động quạt đẩy, đặc biệt khu vực tạo dịng xốy, để từ có thiết kế phù hợp cho mẫu tàu đệm khí riêng biệt Trong nghiên cứu này, tác giả tiến hành thiết kế quạt đẩy cho tàu đệm khí thơng qua phương pháp kết hợp lý thuyết mô số với việc giải hai tốn mơ phỏng: mơ số tính tốn lực cản tàu đệm khí mơ số tính toán lực đẩy quạt đẩy thiết kế cho tàu đệm khí Từ kết thu tính tốn lực đẩy cần thiết cho tàu đệm khí, tác giả phân tích lựa chọn mẫu cánh phù hợp để làm quạt đẩy tàu Tác giả thiết kế quạt đẩy cho tàu đệm khí có kích thước dài m, rộng m, cao 2,6 m Quạt đẩy thiết kế theo mẫu cánh NACA 6412 có thay đổi độ cong profil, có đường kính quạt 1250 mm, chiều dài cánh 500 mm Để tàu đệm khí chạy tốc độ 90 km/h quạt đẩy thiết kế phải vận hành tốc độ vòng quay 3200 vg/ph TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh Tuan (2016) A Study on Hovercraft Resistance Using Numerical Modeling Applied Mechanics and Materials, online ISSN: 16627482, print ISSN: 1660-9336, Vol 842, pp 186-190 [2] Nakayama Y (2000) Introduction to Fluid Mechanics Butterworth-Heinemann, MA 01801-2041 [3] Bleier Frank (1998) Fan Handbook: selection, application, and design McGraw Hill Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 43 ... với tàu đệm khí Rw: lực cản sóng; Ra: lực cản khí động hình dáng tồn tàu; Rm: lực cản khí động đệm khí; Rsk: lực cản váy tàu; Ra”: lực cản khí động ảnh hưởng mũi tàu 2.2 Tính tốn lực cản mơ số... cho quạt đẩy tàu đệm khí Một vật có profile cánh, chuyển động dịng khí chất lỏng, sinh lực nâng cánh, vuông góc với hướng dịng khí (định lý Giucopski), lực đẩy tàu trường hợp quạt đẩy tàu đệm khí. .. mũi tàu, trục tung giá trị lực cản gió tạo nên Ta thấy tốc độ cao, lực cản gió tàu đệm khí tăng nhanh Hình Phân bố áp suất tĩnh xung quanh thân tàu đệm khí 2.2.5.2 Lực cản nước Kết mô số lực cản