Tính toán sức cản tàu cao tốc long phú 22

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÍNH TỐN SỨC CẢN TÀU CAO TỐC LONG PHÚ 22 Giảng viên hướng dẫn: TS Huỳnh Lê Hồng Thái Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phú Phúc Mã số sinh viên: 56131881 Khánh Hòa - 2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG BỘ MÔN KỸ THUẬT TÀU THỦY - - Trang bìa ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÍNH TỐN SỨC CẢN TÀU CAO TỐC LONG PHÚ 22 GVHD: TS Huỳnh Lê Hồng Thái SVTH: Nguyễn Phú Phúc MSSV: 56131881 Khánh Hòa – tháng 7/2018 i Quyết định giao ĐA/KLTN ii NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Nguyễn Phú Phúc Lớp: 56 - KTTT Ngành: Kỹ thuật tàu thủy Tên đề tài: Tính tốn sức cản tàu cao tốc Long Phú 22 Số trang: 60 Số chương: 04 Tài liệu tham khảo: 11 Hiện vật: 02 Quyển đồ án + 02 CD NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Kết luận: Nha Trang, ngày……tháng.… năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) TS Huỳnh Lê Hồng Thái iii PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐATN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Phú Phúc Lớp: 56 - KTTT Ngành: Kỹ thuật tàu thủy Tên đề tài: Tính tốn sức cản tàu cao tốc Long Phú 22 Số trang: 60 Số chương: 04 Tài liệu tham khảo: 11 Hiện vật: 02 Quyển đồ án + 02 CD NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Điểm phản biện: Nha Trang, ngày……tháng.… năm 2018 CÁN BỘ PHẢN BIỆN (Ký ghi rõ họ tên) ĐIỂM CHUNG Bằng số Khánh Hòa, ngày… tháng… năm 2018 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Bằng chữ (Ký ghi rõ họ tên) iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan phần nghiên cứu thể đồ án tốt nghiệp riêng tôi, không chép đồ án khác Các số liệu kết tính tốn nêu đồ án trung thực Nếu không tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm đề tài thân Người cam đoan v LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực đề tài, nhận giúp đỡ quý Phòng, Ban Trường Đại học Nha Trang tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành đồ án tốt nghiệp Đặc biệt hướng dẫn tận tâm Thầy TS HUỲNH LÊ HỒNG THÁI Qua đây, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy giúp đỡ Xin cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Kỹ thuật tàu thủy, Khoa Kỹ thuật giao thông, Trường Đại học Nha Trang, giúp đỡ suốt thời gian học tập thực đồ án Trường Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn bè tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên suốt trình học tập, nghiên cứu thực đồ án Tơi xin chân thành cảm ơn! vi MỤC LỤC Đề mục Trang Trang bìa i Quyết định giao ĐA/KLTN ii Lời cam đoan v Lời cảm ơn vi Mục lục vii Danh mục hình .x Danh mục bảng xii Danh mục chữ viết tắt xiii CHƯƠNG PHẦN TỔNG QUAN .1 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước .2 1.3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.3.2 Đối tượng nghiên cứu .3 1.3.3 Phạm vi nghiên cứu 1.4 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .5 2.1 MỘT SỐ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỨC CẢN TÀU THỦY 2.2.1 Các thành phần sức cản tàu 2.1.1.1 Sức cản ma sát 2.1.1.2 Sức cản áp suất Rp 2.2.2 Các phương pháp tính sức cản tàu thủy 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH SỨC CẢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SAVITSKY .10 2.2.1 Giới thiệu phương pháp Savitsky 10 vii 2.2.2 Các thành phần thủy động lực học tàu lướt 10 2.2.3 Diện tích mặt ướt chiều dài ướt – Wetted area 11 2.2.5 Lực cản tàu – Drag 13 2.2.6 Góc nghiêng dọc  15 2.2.7 Giới hạn ổn định nhấp nhô (Porpoising Limit) 15 2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CFD .16 2.4 PHẦN MỀM XFLOW 18 2.4.1 Giới thiệu chung .18 2.4.2 Các phương trình chủ đạo XFlow 19 2.4.3 Lý thuyết điều kiện biên (Boundary Conditions) 21 CHƯƠNG TÍNH TỐN SỨC CẢN CANO LONG PHÚ 22 25 3.1 ỨNG DỤNG TÍNH TỐN CHO CANO LONG PHÚ 25 3.1.1 Giới thiệu cano Long Phú 22 .25 3.1.2 Thủ tục tính tốn 28 3.1.3 Thực bước xây dựng bảng tính .29 3.1.4 Kết tính tốn 39 3.1.4.1 Đồ thị sức cản công suất .39 3.1.4.2 Đồ thị quan hệ Vận tốc – Sức cản – Góc nghiêng dọc 40 3.1.4.3 Dự đoán tốc độ cano Long Phú 22 41 3.1.5 Dự đoán thời điểm tàu lướt 41 3.1.6 Ổn định nhấp nhô (Porpoising Limit) 42 3.1.7 Ảnh hưởng góc vát đáy sức cản góc nghiêng dọc 43 3.2 TÍNH SỨC CẢN BẰNG PHẦN MỀM MAXSURF 44 3.2.1 Xây dựng mơ hình tàu 44 3.2.2 Nhập mơ hình vào phần mềm Maxsurf .44 3.2.3 Thiết lập điều kiện để tính tốn sức cản 45 3.2.4 Tính tốn sức cản Module Maxsurf Resistance 46 3.2.5 Kết từ phần mềm .47 3.3 TÍNH SỨC CẢN BẰNG PHẦN MỀM XFLOW 50 3.3.1 Lựa chọn tỉ lệ xây dựng mơ hình .50 3.3.2 Nhập mô hình vào phần mềm Xflow 50 3.3.3 Xác định miền tính tốn 51 viii 3.3.4 Thiết lập điều kiện biên hệ số dịng rối cho miền tính tốn 52 3.3.5 Xuất kết tính tốn .56 3.4 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH SỨC CẢN .57 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 58 4.1 KẾT LUẬN 58 4.2 ĐỀ XUẤT .58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 ix Hình 3.13 Thiết lập đơn vị phần mềm Maxsurf Thiết lập mớn nước thiết kế, trụ mũi, trụ đuôi, đường bản, zero point: Data  Frame of Reference and Zero point Hình 3.14 Thiết lập mớn nước, trụ mũi, trụ lái cho mơ hình tàu Long Phú 22 Sau hoàn tất bước ta tiến hành lưu file dạng msd 3.2.4 Tính tốn sức cản Module Maxsurf Resistance Mở module Maxsurf Resistance lên ta có giao diện chương trình 46 Hình 3.15 Module Maxsurd Resistance Mở file lưu sau thiết lập hoàn tất điều kiện từ module Maxsurf Modeler Hình 3.16 Đưa mơ hình vào Module Resistance hồn tất Chọn phương pháp tính áp dụng cho tàu cao tốc Long Phú cách: Analysis  Method, sau tích chọn vào Savitsky Planing, tiếp tục nhập thông số đầu vào nhấn Start 3.2.5 Kết từ phần mềm Kết tính tốn ta thu liệu đồ thị sức cản, cơng suất, góc nghiêng dọc 47 Hình 3.17 Màn hình kết phần mềm Bảng Kết xuất từ phần mềm Maxsurf V (Knot) 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Froude Froude Number (L) 0.745 0.993 1.242 1.49 1.738 1.987 2.235 2.483 2.732 Number (V) 1.786 2.381 2.976 3.571 4.166 4.761 5.357 5.952 6.547  Sức Cản Công suất (deg) (lb) (hp) 3.91 4.67 4.72 4.29 3.75 3.26 2.85 2.51 2.23 6682.3 8482.5 9529.1 10208 11001 12072 13450 15122 17067 69.15 117.04 164.35 211.26 265.62 333.14 417.56 521.61 647.59 Từ kết ta kháo sát mối quan hệ sức cản vận tốc cách xây dựng đồ thị quan hệ sức cản vận tốc dựa theo số liệu từ phần mềm Maxsurf Resistance 48 Hình 3.18 Đồ thị sức cản tàu Long Phú phần mềm Maxsurf Từ đồ thị ta nhận thấy vận tốc tăng từ 15hl/h đến 30hl/h sức cản tăng đều, từ dải vận tốc 30hl/h đến 45hl/h sức cản tăng độ biến thiên từ dải vận tốc 45 trở sức cản lại tăng Nhận thấy thời điểm tàu đạt vận tốc từ 30 hl/h đến 45hl/h sức cản tăng điều có ích q trình vận hành tàu Hình 3.19 Đồ thị quan hệ Vận tốc- Sức cản- Góc nghiêng dọc Thơng qua đồ thị khảo sát V--D ta nhận thấy dải vận tốc từ 30hl/h đến 45hl/h thời điểm sức cản tăng tăng nhỏ, góc nghiêng dọc tàu giảm dần 49 chứng tỏ dải vận tốc dùng để vận hành tàu tốt nhất, vận tốc vượt qua 45hl/h sức cản tăng nhanh khơng có lợi vận hành tàu Tiếp theo sau phần ứng dụng CFD vào để tính sức cản cho tàu cao tốc Long Phú 22, tơi xin trình bảy thiết lập thông số cần nhập vào phần mềm Xflow để thực q trình tính tốn lấy kết 3.3 TÍNH SỨC CẢN BẰNG PHẦN MỀM XFLOW 3.3.1 Lựa chọn tỉ lệ xây dựng mơ hình Trường hợp tơi sử dụng mơ hình có tỷ lệ 1:1 Ta sử dụng vận tốc thật nhập vào phần mềm để tính tốn mà khơng cần quy đổi Ta có knot = 0,514 m/s 𝑛 (𝐿𝑊𝐿) 𝑛 (𝑉) = = 𝑉 √𝑔.𝐿 𝑉 ( cơng thức tính hệ số Froude theo chiều dài) ( cơng thức tính hệ số Froude theo thể tích) √𝑔 √∇ Bảng Vận tốc mơ hình cần nhập vào Xflow V V (knot) (m/s) 15 7,72 20 10,29 25 12,86 30 15,43 35 18,01 40 20,58 45 23,15 50 25,72 55 28,29 Fr (LWL) 0,745 0,993 1,242 1,44 1,738 1,987 2,235 2,483 2,732 Fr (V) 1,873 2,498 3,122 3,747 4,371 4,996 5,620 6,245 6,869 Vm 4,953 6,603 8,254 9,905 11,556 13,207 14,858 16,508 18,159 Q (Kg/s) 30458 40611 50763 60916 71069 81221 91374 101527 111679 3.3.2 Nhập mơ hình vào phần mềm Xflow Mở giao diện đồ họa phần mềm Xflow ta sau: 50 Hình 3.20 Giao diện phần mềm Xflow Để đưa mơ hình vào phần mềm Xflow, cơng cụ ta chọn tab Geometry  Import a new geometry  chọn file igs mơ hình tàu Sau nhập mơ hình vào phần mềm ta sau: Hình 3.21 Sau import mơ hình tàu vào phần mềm 3.3.3 Xác định miền tính tốn Trong mơ phỏng, khó để mơ tồn khơng gian tốn khảo sát mà thơng thường chọn vùng không gian quan tâm để mô phỏng, vùng không gian giới hạn tường bao quanh (các biên) gọi miền tính tốn Miền tính tốn ảnh hưởng lớn đến kết tính thường chọn theo kinh nghiệm Nếu chọn miền tính tốn q nhỏ, giải nhanh tốn khơng xác ảnh hưởng ngược tường bao đáy tường, ngược lại chọn lớn 51 u cầu máy tính phải có cấu hình đủ mạnh số phần tử lưới chia lớn Trên sở tham khảo tài liệu nhiều lần mơ khơng thành cơng, chúng tơi chọn kích thước miền tính tốn tốn đề tài sau (hình 3.22): L = 60 m ; B = 20 m ; H = 30 m Hình 3.22 Kích thước miền tính tốn cho phần mềm 3.3.4 Thiết lập điều kiện biên hệ số dòng rối cho miền tính tốn Như trình bày, mơ hình đối xứng hình học vật lý nên để giảm thiểu khối lượng tính độ lớn mơ hình, trường hợp mơ mơ hình Các điều kiện biên gồm: đầu vào (inlet), đầu (outlet), thân tàu (ship), điều kiện biên dòng vào chọn Mass flow (lưu lượng nước khơng khí), xem tàu đứng yên dòng lưu chất chảy vào thân tàu với vận tốc vận tốc tàu 52 Hình 3.23 Thiết lập mơi trường mơ Ở tab Environment, ta thiết lập sau: + Kenel: 2d ( cho biểu thị kết dạng 2D) + Flow model: Free surface external ( dùng để mơ dịng chảy xung quanh bề mặt hình học vỏ tàu) + Ext acceleration laws: Y [-9.81] m/s2 ( gia tốc trọng trường) + Initial conditions: Water Chanel ( dòng chảy miền tính tốn chất lỏng) + Water Chanel: (x,y,z) = (60,20,30) ( biểu thị kích thước miền tính tốn) + Velocity laws: X [-7.72] m/s ( biểu thị vận tốc dòng chảy) + Water initial surface water inlet wave function: y Automatic 53 Hình 24 Thiết lập điều kiện cho mơ hình Ở tab Geometry ta thiết lập sau: + Behavior: Rigid body dymamics ( dùng để phân tích động lực học chất lỏng xung quanh vỏ tàu) + Position: (x,y,z) = (0, -0.5,0) ( biểu thị mớn nước tàu d = 0,5 m) + Mechanical properties: Nhập Density = 1025 kg/m3 trọng lượng riêng nước biển + Contraints: Translation (Global) ( cho phép tàu dịch chuyển theo phương y), Rotation ( Local) ( không cho phép tàu xoay theo trục tọa độ) Near wall resolution Ở trường hợp xét, dòng chất lỏng chảy dọc theo bề mặt thân tàu nên cần phải lưu tâm đến tính tốn dịng lưu chất chảy gần sát thành vỏ tàu Vì tính độ dày lớp biên tiếp giáp thành tàu phải đủ nhỏ Trong trường hợp ta có - Time > Simulation time: seconds - Time > Time step mode: Fixed automatic 54 - Time > Time step mode > Courant: - Resolution > Resolved scale: metres - Resolution > Shape > Target resolved scale : 125 m Hình 3.25 Thiết lập mơ hình hóa Sau nhập liệu xong ta thực tính tốn Click vào nút Run hình để thực tính tốn Hình 3.26 Kết sau q trình chạy hồn tất 55 3.3.5 Xuất kết tính tốn Sau chạy mơ lần thử nghiệm nhận thấy việc cho kết sức cản đánh giá độ xác khó khăn, nên nên dựa vào kết thực nghiệm kết từ phần mềm khác để đánh giá, việc ứng dụng phần mềm cịn giai đoạn tìm hiểu chỉnh sửa nên khơng tránh khỏi sai sót Sau kết sau chạy mô V (knot) 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Xflow 6676,8 8382,5 9322,4 10164 11653 11926 13240 15671 17324 EHP 69,183 115,81 160,99 210,63 281,73 329,53 411,56 541,27 658,18 Để khảo sát quan hệ sức cản vận tốc ta xây dựng đồ thị biểu diễn để thuận tiện cho việc so sánh sau Hình 3.27 Đồ thị sức cản Xflow Từ đồ thị ta nhận thấy kết từ phần mềm Xflow giúp ta xác định thời điểm vận tốc tăng sức cản tăng không đáng kể, điều giúp cho trình vận hành tàu đạt trạng thái mong muốn 56 3.4 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH SỨC CẢN Để có nhìn tổng qt sau q trình tính tốn ba phương pháp ta lập đồ thị so sánh ba phương pháp Hình 3.28 Đồ thị so sánh phương pháp Savitsky, Maxsurf Xflow Từ đồ thị ta dễ dàng nhận thấy việc tính tốn sức cản cho tàu lướt phương pháp Savitsky có kết gần sát với kết từ phần mềm Maxsurf Đối với kết từ phần mềm Xflow cịn q trình tìm hiểu nên khơng tránh khỏi sai sót dẫn kết kết có sai số Và thực nhập thơng số đầu vào cịn biến số chưa thể kiểm sốt hết tơi xin lấy kết phù hợp sau lần chạy mô để so sánh với phương pháp Savitsky Maxsurf 57 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 4.1 KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu đề tài, tính sức cản tàu cao tốc phương pháp Savitsky, rút kết sau: - Từ phương pháp Savitsky ta xác định sức cản cano Long Phú thời điểm vận tốc thơng số, giá trị góc nghiêng dọc  tương ứng với điểm vận tốc, xác định thời điểm tàu bắt đầu lướt kiểm tra tính ổn định nhấp nhơ tàu Như trình bày phần kết luận phương pháp - Phương pháp Savitsky hoàn toàn phù hợp với loại tàu lướt phù hợp tính cho cano Long Phú 22, xác định vận tốc 32hl/h góc nghiêng dọc tàu đạt 40 hiệu suất đạt 46% gần với kết chạy thử Viện Nghiên Cứu Chế Tạo Tàu Thủy thực - Xác định hiệu suất cần thiết muốn tàu đạt chế độ lướt sức cản tối thiểu - Nhận thấy từ đồ thị quan hệ sức cản góc vát đáy , cho góc  tăng sức cản tăng theo, khảo sát đồ thị quan hệ góc nghiêng dọc  góc vát đáy  cho góc vát đáy  tăng góc nghiêng dọc tăng theo Hai ảnh hưởng có ích q trình tối ưu hóa hình dáng tàu cao tốc có ý nghĩa việc thiết kế tàu cao tốc - Thông qua phương pháp Savitsky, phần mềm Maxsurf phần mềm Xflow ta thấy kết đạt phù hợp tốn tính sức cản cano Long Phú 22 4.2 ĐỀ XUẤT Quá trình tính sức cản phương pháp Savitsky phần mềm Maxsurf so sánh với kết thực nghiệm chạy thử Viện Nghiên Cứu Và Chế Tạo Tàu Thủy có tính xác đảm bảo sai lệch khơng nhiều Tuy nhiên tìm hiểu ứng dụng thêm phần mềm Xflow vào để tính sức cản gặp số khó khăn Phần mềm Xflow cịn nhiều biến chưa thể kiểm soát nên kết thu từ phần mềm sai số nhiều chưa đủ độ tin cậy Hy vọng đề tài tìm hiểu sau kiểm sốt thơng số, biến số phần mềm 58 Ngồi tơi muốn đề xuất thêm phần mềm ứng dụng để tính sức cản tàu thủy như: - Module Marine CFD Analysis Plugin Rhinoceros - Autodesk Simulation CFD - OpenFOAM - … 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sổ tay thiết kế tàu thủy – Trần Công Nghị - Nhà xuất Xây Dựng (2008) Nguyễn Thanh Bình, “Nghiên cứu mô số động lực học mẫu tàu đánh cá thực nghiệm M1317A”, Luận văn Thạc sĩ Trường Đại Học Nha Trang (2015) Lý thuyết tàu – Tập Sức cản vỏ tàu thiết bị đẩy tàu – Trần Công Nghị - NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh (2004) Thiết kế tàu cỡ nhỏ chạy nhanh – Trần Công Nghị – NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh (2004) Phan Thanh Bình, “Ứng dụng phần mềm XFlow giải toán thủy động lực học tàu thủy”, Đồ án tốt nghiệp khóa 55 Kĩ thuật Tàu thủy (2017) Daniel Savitsky, Hydrodynamic Design of planning hull, Marine Technology, (1964) Savitsky & Brown, Procedures for Hydrodynamic Evaluation of Planning Hulls in Smooth and Rough Water, Marine Technology, okt, (1976) P.G Alourdas Planning Hull Resistance calculation the CAHI method, SNAME Greek section Meeting, (2016) A A Mohamad: Lattice Boltzmann method, Springer-Verlag London, (2011) 10 Lattice Boltzmann method, Ljubljana, March 2013 11 D P Ziegler: Boundary conditions for lattice Boltzmann simulations, J Stat Phys 71, 1171-1177, (1993) 60 ... phương pháp tính sức cản Savitsky; - Sử dụng phương pháp Savitsky để tính sức cản tàu cao tốc Long Phú - Ứng dụng phần mềm XFlow để tính sức cản tàu cao tốc; - So sánh kết tính tốn tính phương... lịch Long Phú, Viện Nghiên Cứu Chế Tạo Tàu thủy đóng seri cano Long Phú cano Long Phú 22 trong seri Hình 3.1 Tàu cao tốc Long Phú 22 25 Bản vẽ Cano Long Phú 22 26 3.1.2 Các thông số cano Long Phú. .. tài tính sức cản cano Long Phú 22 24 CHƯƠNG TÍNH TỐN SỨC CẢN CANO LONG PHÚ 22 Thiết kế tàu lướt (tàu cao tốc) nhiệm vụ tương đối phức tạp nhằm đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ thư đặt ra, yêu cầu tốc