Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM THỊ THANH HƢƠNG NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN NHỚT CỦA TÀU THỦY BẰNG PHƢƠNG PHÁP TẠO BỌT KHÍ CHUYÊN NGÀNH: CƠ HỌC CHẤT LỎNG MÃ SỐ: 62.44.22.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC CHẤT LỎNG HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.GS.TSKH NGND VŨ DUY QUANG 2.TS LÊ THANH TÙNG HÀ NỘI 2013 Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng i LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu hoàn thành luận án tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứu giảm lực cản nhớt tàu thủy phương pháp tạo bọt khí ” tác giả nhận nhiều giúp đỡ từ tổ chức cá nhân Tác giả xin chân thành cảm ơn: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Cơ khí Động lực, Bộ mơn Kỹ thuật Thủy khí & Tàu thủy tạo điều kiện mặt thời gian công tác chuyên môn để tác giả tập trung nghiên cứu Hội Cơ học Việt Nam, Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia – NAFOSTED, Phịng Khoa học – Cơng nghệ trường Đại học Bách khoa Hà Nội hỗ trợ kinh phí, tạo điều kiện để tác giả báo cáo kết nghiên cứu hội nghị nước Trung tâm Nghiên cứu Thử nghiệm Kiểm định Tàu thủy - Viện Khoa học Công nghệ Tàu thủy Việt Nam, Trung tâm Cơ khí xác Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hỗ trợ kinh phí giúp đỡ tác giả hoàn thành nghiên cứu thực nghiệm Tập thể cán hướng dẫn: GS.TSKH.NGND Vũ Duy Quang TS Lê Thanh Tùng định hướng để tác giả tiếp cận tốt với phương pháp nghiên cứu Gia đình bạn bè động viên, khích lệ để tác giả hồn thành tốt luận án Trân trọng cảm ơn! Tác giả Phạm Thị Thanh Hương Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất nội dung luận án “Nghiên cứu giảm lực cản nhớt tàu thủy phương pháp tạo bọt khí” tự thực đồng thực hướng dẫn tập thể cán hướng dẫn GS.TSKH.NGND Vũ Duy Quang TS Lê Thanh Tùng Để hồn thành luận án này, tơi dùng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo, không chép kết cơng trình nghiên cứu khác Tác giả Phạm Thị Thanh Hương Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng iii MỤC LỤC TRANG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU 1 Lý nghiên cứu, mục đích đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận án CHƢƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN - LỰC CẢN 1.1 Nghiên cứu lớp biên 1.1.1 Khái niệm lớp biên 1.1.2 Cấu trúc lớp biên 1.1.3 Hệ phương trình lớp biên 1.1.3.1 Phương trình Navier – Stokes 1.1.3.2 Phương trình Reynolds 1.1.3.3 Hệ phương trình Prandtl 1.1.4 Phương pháp giải hệ phương trình lớp biên 1.1.4.1 Phương pháp giải tích 1.1.4.2 Phương pháp tích phân 1.1.4.3 Tính tốn số 1.2 Lực cản vật chuyển động chất lỏng 1.2.1 Khái niệm lực cản 1.2.2 Thành phần lực cản vật ngập chuyển động 10 chất lỏng 1.3 Lực cản tàu thủy 10 1.3.1 Khái niệm lực cản tàu thủy 10 1.3.2 Thành phần lực cản tàu nguyên nhân xuất 11 1.4 Phương pháp giảm lực cản tàu số công trình 13 nghiên cứu 1.4.1 Giảm lực cản nhớt 13 1.4.1.1 Tầng hóa lớp biên 13 1.4.1.2 Tạo dao động bề mặt giảm ma sát rối 22 Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng iv 1.4.2 1.4.3 22 22 24 CHƢƠNG TÍNH TỐN LỰC CẢN TÀU – MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN GIẢM LỰC CẢN TÀU Lực cản tàu thủy tính theo lý thuyết Lực cản tàu chuyển động nước tĩnh Lực cản toàn phần tàu Lực cản nhớt tàu Lực cản sóng tàu Lực cản khơng khí tàu Lực cản tàu chuyển động sóng Lực cản tàu tính gần theo thực nghiệm Phương pháp tính lực cản tồn phần theo cơng suất kéo tàu Phương pháp tính lực cản dư lực cản sóng Phương pháp tính chuyển đồng dạng từ tàu mẫu Một số yếu tố ảnh hưởng đến giảm lực cản tàu Hình dáng thân tàu Hình dáng thân tàu biển Hình dạng thân tàu nội địa tàu pha sông biển Hệ số béo tàu Độ nhám thân tàu Độ nhám chung Độ nhám cục Ảnh hưởng lớp rêu, hà bám vào vỏ thân tàu Ảnh hưởng lớp biên bao quanh tàu Ảnh hưởng lớp khí phun vào lớp biên đáy tàu 24 24 24 26 28 28 31 32 33 NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ 40 2.1 2.1.1 2.1.1.1 2.1.1.2 2.1.1.3 2.1.1.4 2.1.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.3.1 2.3.1.1 2.3.1.2 2.3.2 2.3.3 2.3.3.1 2.3.3.2 2.3.4 2.3.5 2.3.6 CHƢƠNG Giảm lực cản hình dáng Giảm lực cản sóng 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.2.3 3.1.2.4 3.1.3 3.1.3.1 Tổng quan phương pháp số Khái quát chung Hệ phương trình Phương trình liên tục Phương trình bảo tồn động lượng Phương trình bảo tồn lượng Dạng tổng qt phương trình bảo tồn Các phương pháp số Phương pháp điểm kỳ dị 33 34 34 34 35 35 36 36 36 37 38 38 39 40 40 41 41 41 42 42 42 42 Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng 3.1.3.2 3.1.3.3 3.1.3.4 3.1.3.5 3.1.3.6 3.1.3.7 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.5.1 3.2.5.2 3.2.5.3 3.2.5.4 3.2.5.5 3.2.5.6 CHƢƠNG Phương pháp vi phân hữu hạn (FDM) Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) Phương pháp phần tử biên (BEM) Phương pháp phổ (SEM) Mô số (CFD) Mơ dịng chảy bao quanh thân tàu tính tốn lực cản tàu phương pháp CFD Cấu trúc phần mềm Các phương trình tổng quát Phương thức giải Các bước giải toán FLUENT Trình tự mơ dịng chảy bao quanh thân tàu đo lực cản tàu Khởi động xây dựng mơ hình hình học tàu Lựa chọn phương pháp – mẫu dịng rối Miền tính tốn – Điều kiện biên Cấu trúc lưới Quy định độ xác, vịng lặp Kết mơ NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG THỰC NGHIỆM PHUN KHÍ VÀO LỚP BIÊN ĐÁY TÀU 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.2.1 4.1.2.2 4.1.3 4.1.4 4.1.4.1 4.1.4.2 4.1.4.3 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 Cơ sở thực nghiệm nghiên cứu lực cản tàu Hai nguyên tắc lập mơ hình Cách thức lập mơ hình tàu Lập mơ hình phần theo số Reynolds Lập mơ hình phần theo số Froude Ảnh hưởng mơ hình đến kết thực nghiệm Tính chuyển lực cản từ mơ hình sang tàu thực Phương pháp Froude Phương pháp Hughes Phương pháp Telfer Trang thiết bị thử mô hình tàu Bể thử mơ hình tàu Xe kéo mơ hình thiết bị gắn xe kéo Thiết bị tạo khử sóng bể thử mơ hình Thiết bị đo thử nghiệm v 43 45 45 49 49 49 54 54 55 56 56 57 58 60 60 61 63 63 72 72 72 72 73 73 74 74 75 76 76 77 77 78 80 82 Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng vi 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.3 4.4 83 83 84 85 85 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.3.1 4.4.3.2 4.4.4 4.4.5 4.4.5.1 4.4.5.2 4.4.5.3 4.4.6 Thiết bị kết nối máy tính Hệ thống điều khiển trung tâm Phần mềm CATMAN đo lực cản tàu Trình tự thử nghiệm đo lực cản tàu Thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu giảm lực cản tàu Mơ hình thiết bị thử nghiệm Kết nối thiết bị thử nghiệm Quá trình thử nghiệm đo lực cản tàu Thực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động nước tĩnh Thực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động sóng So sánh kết lực cản tàu theo tính tốn số thực nghiệm Đánh giá cơng suất kéo tàu thử nghiệm Công suất kéo tàu tính theo lý thuyết Cơng suất kéo tàu thử nghiệm Đánh giá hiệu áp dụng phun khí vào lớp biên đáy tàu thử nghiệm Thảo luận kết thực nghiệm KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 85 88 89 89 90 92 93 93 94 96 97 99 xii xvi Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT TÊN GỌI KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT ĐƠN VỊ L; LH; LM m B H T  m m m m Chiều dài tàu, chiều dài tàu thực, chiều dài tàu mơ hình Chiều rộng tàu Chiều cao mạn Chiều chìm tàu Chiều dày lớp biên Chiều dày nén lớp biên * m Chiều dày tổn thất xung lượng lớp biên m Chiều cao đỉnh mô nhám thân tàu ** k k  tb m 10 11 Chiều cao bình phương trung bình mơ nhám thân tàu Cơng suất kéo tàu Diện tích mặt cắt ướt tàu EPS (PS,PE) W m2 12 Diện tích mặt cắt ướt thân tàu trơn 13 Góc vào nước (góc tới) cánh 14 17 Hệ số béo thể tích tàu (Hệ số thể tích lượng chiếm nước) Hệ số béo đường nước tàu (Hệ số diện tích mặt đường nước) Hệ số béo thẳng đứng tàu (Hệ số diện tích mặt cắt ngang tàu) Hệ số béo dọc tàu (Hệ số lăng trụ) 18 Hệ số lực cản toàn phần 19 20 Hệ số lực cản tàu thực tàu mơ hình Hệ số lực nâng 21 22 23 Hệ số lực cản áp suất Hệ số lực cản ma sát Hệ số cản ma sát cục CP CF 24 Hệ số lực cản ma sát phẳng tương ương CFo 25 Hệ số lực cản nhớt CV 15 16  0   (CB)  (CWP)  (CM)  C, Cx CH, CM Cy Cf m m2 độ Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng viii 26 27 28 29 30 31 32 Hệ số lực cản hình dáng Hệ số lực cản sóng Hệ số lực cản khơng khí Hệ số lực cản độ nhám bề mặt thân tàu Hệ số lực cản phần nhô Hệ số lực cản dư Hệ số lực cản bổ sung CVP CW CAA CA CAP CR 33 34 Hệ số hải quân Hệ số hình dáng (kể đến ảnh hưởng độ cong hình dáng thân tàu) Hệ số ảnh hưởng độ cong bề mặt thân tàu Hệ số ảnh hưởng hình dáng thân tàu Hệ số nhớt động học chất lỏng CE 35 36 37 Cd k kF kVP m2/s 39 Hệ số nhớt động học chất lỏng quanh tàu thực Hệ số nhớt động học chất lỏng bể thử  H M m2/s 40 Hệ số nhớt động lực học chất lỏng  m2/s 41 Khối lượng riêng chất lỏng  kg/m 42 Khối lượng riêng khơng khí A kg/m 43 44 Lưu lượng khí phun Lực cản tồn phần Q, QA lít/phút N 45 Lực nâng Ry 46 Số xâm thực 47 Số Froude biến thể 48 49 Số Reynolds biến thể Trọng lượng tàu 50 Thể tích ngâm nước tàu 51 Tỉ lệ xích tàu mơ hình so với tàu thực k 52 53 54 55 56 Tiết diện cản Vận tốc dịng chảy thành phần Vận tốc tàu thực, vận tốc tàu mơ hình Vận tốc luồng khí bao quanh phần khơ tàu Vận tốc tuyệt đối gió S v, vx, vy, vz vH; vM vA vB 38 R, Rx m2/s 3 N  Fr, FrV, FrH, FrB Re, Re*, Re**  N  m3 LM  LH 33 m2 m/s m/s m/s m/s Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Giá trị hệ số lực cản phần nhô 28 Bảng 2.2 Giá trị hệ số lực cản bề mặt CA tàu biển 28 Bảng 2.3 Vận tốc gió Bopho độ cao h = 6,0 m so với mặt nước biển 30 Bảng 2.4 Giá trị hệ số lực cản khơng khí CAA 30 Bảng 2.5 Giá trị hệ số bổ sung k E khai thác tàu biển 30 Bảng 3.1 Thông số tàu mơ hình MHNCS 2008-015 58 Và thơng số buồng phun khí ngăn riêng biệt Bảng 4.1 Thông số tàu thực tàu mơ hình Và thơng số buồng phun khí ngăn riêng biệt 85 Chương Nghiên cứu lực cản tàu thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu 93 Nhận thấy kết thực nghiệm phù hợp với kết tính tốn số (các đường biểu diễn lực cản, hệ số lực cản tương tứng gần sát nhau) Tuy nhiên, có vài giá trị sai khác nhỏ kết tính toán số thực nghiệm, song phần lớn kết thu chấp nhận Nguyên nhân sai khác điều kiện sau: Sai số từ kết tính tốn số: Khi sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để mơ phỏng, tính tốn, việc chọn lưới chưa thực phù hợp độ mịn, độ tinh, kiểu lưới, hội tụ lưới… Điều kiện biên chưa thể rõ nét chất vật lý toán Sai số từ kết thử nghiệm:  Trong thử nghiệm đồng thời thỏa mãn điều kiện Froude Reynolds, cần phải áp dụng phương pháp gần tính lực cản tàu để xử lý kết thử nghiệm kết xử lý chứa sai số hiệu ứng tỷ lệ hình học mơ hình tàu thực (hệ số k)  Thực nghiệm xuất trạng thái chảy tầng, khơng kiểm sốt quanh mơ hình tàu, song tàu thực ln chịu ảnh hưởng dịng chảy rối Ảnh hưởng độ nhám bề mặt vỏ tàu khó so sánh với độ nhám chuẩn phẳng xác định từ Froude; ảnh hưởng độ cong 3D vỏ tàu đến lực cản ma sát ý đến thử nghiệm  Bề mặt mơ hình tàu bể thử xử lý nhẵn đến mức độ nhám không ảnh hưởng tới lực cản, nghĩa mơ hình xem mặt nhẵn thuỷ động Tuy nhiên, q trình thử mơ hình, độ nhám thay đổi lớp phủ bị phá huỷ, bị ăn mịn, rỗ bề mặt, xuất vết nhày hà bám hư hỏng học khác Đây nguyên nhân gây nên sai số thử nghiệm Một biện pháp hạn chế ảnh hưởng sai số thực nghiệm so với tàu thực hiệu chỉnh tỷ lệ hình học mơ hình thích hợp Nhìn chung mơ hình lớn, gần với kích thước tàu thực, sai số thực nghiệm nhỏ Tuy nhiên, người ta tiến hành thực nghiệm với mơ hình q lớn, vượt q khả làm việc bể thử 4.4.5 Đánh giá công suất kéo tàu thử nghiệm 4.4.5.1 Công suất kéo tàu tính theo lý thuyết Cơng suất kéo tàu khơng phun khí: Chương Nghiên cứu lực cản tàu thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu 94 (PS )  Rx v Công suất kéo tàu phun khí: ( PS )  Rx v  WP đó: W P : cơng suất tạo khí (cơng suất từ máy nén khí), có tính đến tổn thất lượng cột áp điểm phun áp suất cục   WP  Qa   g d  C P  v    Q a - lưu lượng khí phun g ,  – gia tốc trọng trường khối lượng riêng nước d – Độ sâu nơi phun khí so với mặt nước C p - Hệ số lực cản áp suất vị trí phun khí v,  - Tốc độ diện tích mặt ướt tàu C W R x – hệ số lực cản sóng R : Lực cản tổng tàu khơng phun khí phun khí x     1 Rx  C x  v 2   v 2   k  C F  CW    2  R  C  v    v 2   k C F0  CW  x x   C C x F0 C  - hệ số lực cản tồn phần khơng phun phun khí x C  hệ số lực cản ma sát phẳng tương đương vỏ tàu F0 không phun áp dụng phun khí k  – hệ số ảnh hưởng hình dạng tàu (xem 2.1) 4.4.5.2 Công suất kéo tàu thử nghiệm  Trường hợp tàu nước tĩnh Chương Nghiên cứu lực cản tàu thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu 95 Cơng suất cần thiết kéo tàu nước tĩnh thể đồ thị hình 4.29, trục ngang vận tốc tàu (v) trục đứng công suất (PS) Thực nghiệm khoảng vận tốc khai thác có hiệu từ 1,2 m/s đến 1,6 m/s, sử dụng phương pháp phun bọt khí làm giảm cơng suất tiêu hao cho việc kéo mơ hình tàu Sự giảm công suất tiêu hao lớn 15,3% trường hợp kéo mơ hình tàu vận tốc v = 1,44 m/s lưu lượng khí phun Q = 20 lít/phút Hình 4.29 Cơng suất kéo tàu nước tĩnh  Trường hợp tàu sóng hình sin Hình 4.30 Cơng suất kéo tàu mơ hình sóng hình sin tính theo lý thuyết thực nghiệm khơng phun khí phun khí với lưu lượng Q=20 lít/phút Chương Nghiên cứu lực cản tàu thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu 96 Cơng suất cần thiết kéo tàu sóng hình sin thể đồ thị hình 4.30, bao gồm bốn nhóm biểu đồ cột thể cho giá trị tính tốn theo lý thuyết thử nghiệm cơng suất tiêu hao cho việc kéo mơ hình tàu sóng hình sin trường hợp phun khí với lưu lượng Q = 20 lít/phút khơng phun khí với biên độ sóng khác Trục ngang biểu thị trị số biên độ sóng hình sin, trục đứng biểu thị cơng suất kéo (PS) Trong nhóm biểu đồ cột gồm cột giá trị, tính từ bên trái sang phải, giá trị bên trái giá trị tính tốn lý thuyết sử dụng phương pháp phun khí (Q20-LT), giá trị kết thực nghiệm sử dụng phun khí (Q20-TN), giá trị kết tính tốn sử khơng phun khí (Q0-LT), giá trị cuối bên phải kết thực nghiệm khơng phun khí (Q0-TN) Đồ thị rằng, công suất tiêu hao cho việc kéo mơ hình tàu thủy tính tốn lý thuyết thực nghiệm gần giống Hiệu phương pháp phun khí vào lớp biên đáy tàu làm giảm cơng suất tiêu hao cho việc kéo mơ hình tàu sóng hình sin lớn đạt khoảng 8,6% Kết đạt tàu mơ hình tính tốn thử nghiệm với biên độ sóng h = 12cm lưu lượng dịng khí phun Q = 20 lít/phút 4.4.5.3 Đánh giá hiệu áp dụng phun khí đáy tàu thử nghiệm Để đánh giá khả áp dụng phun khí làm giảm lực cản tàu, ta cần tính ảnh hưởng lượng cần thiết phun khí vào lớp biên đáy tàu Việc giảm lực cản túy xác định dựa theo lập luận Merkle [26] với số bổ sung Giả thiết tốc độ tàu v, hệ số lực cản sóng C W , hệ số ảnh hưởng hình dạng tàu k  khơng thay đổi q trình phun khí Giả định đại lượng không thứ nguyên rw tỷ số công cần thiết để kéo tàu áp dụng phun khí khơng phun khí tàu: Khi tỷ số cơng biểu diễn sau: C*F0  rD  CP  C Rx WP F0 Qa Fr rw      (PS) R x R x v  rD v. (1  k  )C F0 (1 r D ) (PS) * đó: Chương Nghiên cứu lực cản tàu thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu rD  Fr  97 CW hệ số tỉ lệ lực cản sóng lực cản nhớt (1  k  ) C F0 v số Froude gd Từ công thức rw nhận thấy rằng, để giảm lực cản tàu ( rw