Tính toán sức cản tàu thủy bằng phương pháp CFDứng dụng để đưa ra các biện pháp nhằm giảm sức cản

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .1 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU .9 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu .10 Phƣơng pháp nghiên cứu luận văn 10 Tóm tắt đọng luận điểm đóng góp tác giả 11 CHƢƠNG TỔNG QUAN NGHI N C U 12 1.1 Giới thiệu chung sức cản tàu thủy 12 1.2 Sự cần thiết việc giảm sức cản cho tàu 13 1.3 Một số phƣơng pháp giảm sức cản cho tàu .14 1.4 Các vấn đề giải luận văn 20 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUT TÍNH TỐN LỰC CẢN 21 2.1 Tính ực cản tác động ên tàu theo thuyết .21 2.2 Tính tốn ực cản tàu b ng phƣơng pháp C 23 CHƢƠNG Q TRÌNH TÍNH MƠ PHỎNG SỐ TÍNH LỰC CẢN GIĨ TÁC ĐỘNG LÊN TÀU THƠNG QUA SỬ DỤNG CFD 29 3.1 Mơ hình tàu sử dụng tính mơ CFD .29 3.2 Thiết kế miền khơng gian tính tốn, chia ƣới đặt điều kiện biên 32 3.3 Các bƣớc thực tính tốn mơ 35 CHƢƠNG LỰC CẢN GIÓ TÁC ĐỘNG L N TÀU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM LỰC CẢN GIÓ CHO TÀU 50 4.1 Mơ hình tàu tính tốn khảo sát lực cản gió .50 4.2 Kết tính mơ phân bố áp suất dịng bao quanh tàu .52 4.3 Kết mô lực cản gió tác động lên tàu 63 4.4 Đề xuất số giải pháp nh m giảm lực cản gió cho tàu 65 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 5.1 Kết luận .66 5.2 Kiến nghị 66 LỜI CẢM ƠN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Văn Cƣờng DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, từ viết tắt Tên gọi Đơn vị  Độ nhớt rối  Khối ƣợng riêng khơng khí Kg/m3 Area Diện tích m-Rad Akk Diện tích mặt ngang phần thân tàu nhô lên khỏi mặt nƣớc Coefficients Các hệ số Cd,kE Hệ số ực cản bổ sung CAA Hệ số ực cản khơng khí Cp Hệ số ăng trụ Cy Hệ số lực nâng Cx Hệ số lực cản Cy3 Hệ số lực nâng tàu nghiêng dọc 30 Cx3 Hệ số lực cản tàu nghiêng dọc 30 Deadweight Trọng tải toàn phần Deg Độ DWG Trọng tải k Động rối  Tổn thất rối tấn H ng số thể phụ thuộc hình Gk thành ƣợng rối k vào biến thiên vận tốc trung bình Prt H ng số Prant d  Hệ số gi n nở nhiệt môi trƣờng Mt Số Mach a Vận tốc âm  Hệ số gi n nở nhiệt môi trƣờng m/s Ký hiệu, từ viết tắt t YM Tên gọi Đơn vị Hệ số nhớt rối Hệ số thể biến thiên trình gi n nở so với giá trị trung bình p Áp suất ui, uj Các vận tốc tức thời Force Lực Coeficient force Hệ số ực cản Ltk Chiều dài thiết kế m B Chiều rộng m H Chiều cao mạn m L Khoảng sƣờn RT Sức cản toàn N RV Sức cản nhớt N Rf Sức cản ma sát N RP Sức cản hình dáng N Rw Sức cản sóng N Rr Sức cản dƣ N RA Sức cản bổ sung N RAA Lực khí động N Rx Lực cản theo phƣơng x N Ry Lực cản theo phƣơng y N Rx3 Lực cản theo phƣơng x nghiêng dọc 30 N Ry3 Lực cản theo phƣơng y nghiêng dọc 30 N T Mớn nƣớc m Volume Thể tích m3 S at thuyết iện tích mặt hứng gió Weight Khối lƣợng Wind Gió m/s m m2 T Ký hiệu, từ viết tắt Tên gọi ĐN Đƣờng nƣớc Re (Rn) Số Reynolds Fr (Fn) Số Froude Đơn vị DANH MỤC HÌNH VẼ Chƣơng Hình 1.1 Một số biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu Hình 1.2 Làm vỏ tàu để giảm ma sát cho tàu Hình 1.3 Cải tiến hình dáng thân tàu để giảm tách dịng Hình 1.4 Cải tiến phần đỡ ống bao trục chân vịt Hình 1.5 Cải tiến vây giảm lắc theo dạng sóng tàu Hình 1.6 Cải tiến bánh lái theo dạng khí động học Hình 1.7 Cải tiến hình dạng kẽm chống ăn mòn ắp tàu Hình 1.8 Cải tiến phần gót ky Hình 1.9 Ngun lý hệ thống đệm khí tàu Hình 1.10 Ngun lý giảm sức cản sóng mũi lê Hình 1.11 Tàu cá mũi lê Nhật Bản Chƣơng Hình 2.1 Sơ đồ phân tích lực tác động ên tàu hƣớng gió Chƣơng Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Đƣờng hình dáng tàu hàng 3400T iểu đồ trọng ƣợng tàu tàu n m ngang iểu đồ trọng ƣợng tàu tàu nghiêng dọc 30 Hình 3.4 Mơ hình tàu hàng 3400T Hình 3.5 Miền khơng gian tính tốn mơ C Hình 3.6 Chia ƣới miền khơng gian tính tốn Hình 3.7 Chia ƣới bề mặt thân tàu Hình 3.8 Giao diện khởi động tính tốn mơ sử dụng Hình 3.9 Giao diện đọc kiểm tra ƣới Fluent Hình 3.1 Hộp thoại thay đổi đơn vị kích thƣớc mơ hình Hình 3.11 Thay đổi thơng số mơ hình tính Hình 3.12 Thiết ập thơng số ban đầu cho tốn Hình 3.13 Thiết ập mơ hình rối tính tốn uent Hình 3.14 Thiết ập mơi trƣờng tính tốn Hình 3.15 Thiết lập điều kiện biên đầu vào Hình 3.16 Thiết lập điều kiện biên đầu Hình 3.17 Hộp thoại tính tốn diện tích mặt hứng gió Hình 3.18 Thiết lập điều kiện đầu vào tính hệ số lực cản Hình 3.19 Thiết ập điều kiện hội tụ cho tốn Hình 3.20 Khởi tạo điều kiện cho tốn Hình 3.21 Thiết ập bƣớc thời gian tính tốn số vịng ặp cho tốn Hình 3.22 Hộp thoại xuất iệu tính tốn đ thực Hình 3.23 Phân bố áp suất xung quanh tàu mặt cắt dọc tâm Hình 3.24 Phân bố dòng bao quanh thân tàu mặt cắt dọc tâm Hình 3.25 Đồ thị ực khí động tác động ên tàu theo góc hƣớng gió khác Chƣơng Hình 4.1 Hình 4.2 Tàu khơng tải trạng thái khai thác cân b ng, NB1 Tàu không tải trạng thái khai thác nghiêng dọc 30, NB2 Hình 4.3 Tàu đầy tải trạng thái khai thác cân b ng, N Hình 4.4 Tàu đầy tài trạng thái khai thác nghiêng dọc 30, NF2 Hình 4.5 Phân bố áp suất mặt cắt dọc tâm tàu, N Hình 4.6 Phân bố áp suất số mặt cắt b ng xung quanh tàu, N Hình 4.7 Phân bố dịng bao quanh thân tàu, N Hình 4.8 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu, N Hình 4.9 Phân bố áp suất mặt cắt dọc tâm tàu tàu nghiên độ, NB2 Hình 4.1 Phân bố áp suất mặt cắt b ng z = 0.1m z = 0.15m, NB2 Hình 4.11 Phân bố áp suất mặt cắt b ng z = 0.18m z = 0.24m, NB2 Hình 4.12 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu, N Hình 4.13 Phân bố dòng bao quanh thân tàu nghiêng dọc độ, N Hình 4.14 Phân bố áp suất mặt cắt dọc tâm tàu đầy tải cân b ng, N Hình 4.15 Phân bố áp suất mặt cắt b ng z = 0.13m, z = 0.15m, NF1 Hình 4.16 Phân bố áp suất mặt cắt b ng z = 0.18m, z = 0.24m, NF1 Hình 4.17 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu, NF1 Hình 4.18 Phân bố vận tốc dịng xung quanh tàu, NF1 Hình 4.19 Phân bố áp suất mặt cắt dọc tâm tàu nghiêng độ, N Hình 4.20 Phân bố áp suất mặt cắt b ng z = 0.13, 0.15, 0.18 0.25(m), NF2 Hình 4.21 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu, N Hình 4.22 Phân bố vận tốc dịng xung quanh tàu, NF2 Hình 4.23 Đồ thị hệ số lực cản gió tác động lên tàu Hình 4.24 Đồ thị hệ số lực cản gió tác động lên tàu Hình 4.9 Phân bố áp suất mặt cắt dọc tâm tàu tàu nghiên độ, NB2 Hình 4.10 Phân bố áp suất mặt cắt b ng z=0.1m z=0.15m, NB2 55 Hình 4.11 Phân bố áp suất mặt cắt b ng z=0.18m z=0.24m, NB2 Hình 4.12 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu, NB2 56 Hình 4.13 Phân bố dịng bao quanh thân tàu nghiêng dọc độ, NB2 Từ kết cho thấy rõ thay đổi phân bố áp suất dòng bao quanh thân tàu, tàu thay đổi tƣ khai thác tàu cân b ng tàu nghiêng dọc độ Kết cho thấy rõ phụ thuộc hình dáng tàu đến yếu tố khí động lực học tàu thủy Từ hình 4.14 đến hình 4.18 thể kết phân bố áp suất dòng bao quanh thân tàu trạng thái khai thác tàu đầy hàng cân b ng, NF1 Từ kết cho thấy rõ ảnh hƣởng chiều chìm tàu đến đặc tính khí động lực học tác động lên tàu Trên sở so sánh kết giúp dự đốn đƣợc thay đổi lực cản gió tác động lên tàu 57 Hình 4.14 Phân bố áp suất mặt cắt dọc tâm tàu đầy tải cân b ng, NF1 Hình 4.15 Phân bố áp suất mặt cắt b ng z=0.13m, z=0.15m, NF1 58 Hình 4.16 Phân bố áp suất mặt cắt b ng z=0.18m, z=0.24m, NF1 Hình 4.17 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu, NF1 59 Hình 4.18 Phân bố vận tốc dịng xung quanh tàu, NF1 Từ hình 4.19 đến hình 4.22 thể kết phân bố áp suất dòng bao quanh thân tàu trạng thái khai thác tàu khơng tải nghiêng dọc độ Hình 4.19 Phân bố áp suất mặt cắt dọc tâm tàu nghiêng độ, NF2 60 Hình 4.20 Phân bố áp suất mặt cắt b ng z=0.13m, 0.15m, 0.18m 0.25m, NF2 61 Hình 4.21 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu, NF2 Hình 4.22 Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu, NF2 62 4.3 Kết mơ lực cản gió tác động lên tàu Trong phần này, kết tính mơ lực cản gió tác động lên thân tàu trƣờng hợp khảo sát đƣợc so sánh Hình 4.23 thể kết so sánh lực cản gió hai trƣờng hợp, tàu không tải trạng thái khai thác cân b ng nghiêng độ, NB1 NB2 Kết cho thấy rõ thay đổi lực cản gió thay đổi góc hƣớng gió tàu nghiêng độ so với trạng thái cân b ng tàu ình 4.23 Đồ thị hệ số lực cản gió tác động lên tàu Bảng 4.1 Bảng tính hệ số lực khí động tác động lên tàu Góc hƣớng Cx Cx3 Cy Cy3 -0.8328 -0.8440 -0.0058 0.0046 20 -0.3455 -0.3071 0.2313 0.2793 40 -0.1964 -0.2608 0.6949 0.7249 60 -0.0861 -0.1417 1.3706 1.4446 90 0.0031 -0.1571 3.4341 3.9936 120 0.0753 -0.0101 1.1799 1.1945 160 0.3096 0.2865 0.2037 0.1841 180 0.4189 0.4983 -0.0005 -0.0113 gió 63 Hình 24 thể đồ thị hệ số lực khí động tác động lên tàu trạng thái khai thác tàu đầy tải cân b ng tƣ nghiêng dọc độ, NF1 NF2 Bảng 4.2 thể chi tiết giá trị tính tốn mơ hệ số lực cản gió tác động lên tàu Hình 4.24 Đồ thị hệ số lực cản gió tác động lên tàu Bảng 4.2 Bảng tính hệ số lực khí động tác động lên tàu Góc hƣớng Cx Cx3 Cy Cy3 -0.8832 -1.0609 -0.0016 0.0041 20 -0.4274 -0.4291 0.1949 0.2005 40 -0.3267 -0.3658 0.5660 0.5449 60 -0.5145 -0.2139 0.7494 0.9944 90 -0.0624 -0.1224 2.3970 2.6884 120 0.0577 0.0195 0.9323 0.8867 160 0.3417 0.3705 0.2368 0.1585 180 0.5083 0.6204 -0.0208 -0.0483 gió 64 Từ kết tính tốn mơ lực cản gió tác động lên tàu cho thấy, lực cản gió tác động lên tàu thay đổi phụ thuộc theo góc hƣớng gió tác động lên tàu ng với góc hƣớng gió khác nhau, lực cản thay đổi khác Kết thể hình 4.23 4.24 cho thấy cần thiết phải nghiên cứu góc hƣớng gió khai thác tàu để mang lại hiệu giảm lực cản gió tác động lên tàu Kết thể bảng 4.1 4.2 cho thấy lực cản gió tác động lên tàu thay đổi trạng thái khai thác tàu thay đổi từ cân b ng đến nghiêng độ Tại số góc hƣớng gió lực cản tác động lên tàu trạng thái tàu nghiên độ lớn so với tàu cân b ng nhƣ góc hƣớng gió độ, độ, độ, độ 180 độ Nhƣ nhiều trƣờng hợp trạng thái khai thác tàu cân b ng có lợi mặt lực cản khí động tác động lên tàu 4.4 Đề xuất số giải pháp nhằm giảm lực cản gió cho tàu Từ phân tích nhận xét đây, nhóm nghiên cứu đ tổng hợp, đƣa số giải pháp, khuyến cáo cho nhà thiết kế tối ƣu sử dụng khai thác tàu nhƣ sau: Trong thiết kế tàu, cần thiết tối ƣu phần thƣợng tầng, lầu cho tàu để giảm tối đa diện tích hứng gió tàu Góc hƣớng gió có ảnh hƣởng tới lực cản gió tác động lên tàu, việc xem xét chạy tàu với góc hƣớng gió tƣơng ứng để giảm tối đa ực cản gió tác động lên tàu cần đƣợc nghiên cứu chi tiết việc khai thác tàu Để tối ƣu thân tàu, giảm lực cản gió cho thân tàu, cần thiết phải có thêm tính tốn, thiết kế chi tiết nhƣ thay đổi thiết kế thƣợng tầng tàu, tối ƣu vận tốc khai thác tàu … việc kết luận mức độ giảm lực cản, nâng cao hiệu khai thác tàu thiết thực 65 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Luận văn đ đƣợc hoàn thành nội dung đƣợc giao, bao gồm tìm hiểu quy trình trình tự bƣớc việc sử dụng phƣơng pháp tính tốn động lực học chất lỏng CFD thực tính tốn mơ lực cản tác động lên thân tàu Luận văn sử dụng làm tài liệu phục vụ cho việc nghiên cứu tính tốn lực cản gió tác động lên tàu, sử dụng làm tài liệu tra cứu ảnh hƣởng lực cản gió đến trình khai thác tàu tài iệu tham khảo cho nhà khai thác sử dụng tàu khai thác tàu để có hiệu kinh tế Về phƣơng pháp nghiên cứu, luận văn áp dụng cơng cụ mơ động lực học dịng chảy CFD để tiến hành tính tốn điều kiện thí nghiệm khơng cho phép Kết tính tốn đ dự báo đƣợc hình ảnh quan sát phân bố áp suất, vân tốc, động lực học Từ kết tính tốn mơ lực cản gió tác động lên tàu cho thấy, lực cản gió tác động ên tàu thay đổi phụ thuộc theo góc hƣớng gió tác động lên tàu ng với góc hƣớng gió khác nhau, lực cản thay đổi khác Cho thấy cần thiết phải nghiên cứu góc hƣớng gió khai thác tàu để mang lại hiệu giảm lực cản gió tác động lên tàu Trong nhiều trƣờng hợp trạng thái khai thác tàu cân b ng có lợi mặt lực cản khí động tác động lên tàu 5.2 Kiến nghị Từ phân tích nhận xét tác giả xin đƣa số giải pháp, khuyến cáo cho nhà thiết kế tối ƣu sử dụng khai thác tàu nhƣ sau: Trong thiết kế tàu, cần thiết tối ƣu phần thƣợng tầng, lầu cho tàu để giảm tối đa diện tích hứng gió tàu Góc hƣớng gió có ảnh hƣởng tới lực cản gió tác động lên tàu, việc xem xét chạy tàu với góc hƣớng gió tƣơng ứng để giảm tối đa ực cản gió tác động lên tàu cần đƣợc nghiên cứu chi tiết việc khai thác tàu 66 Để tối ƣu thân tàu, giảm lực cản gió cho thân tàu, cần thiết phải có thêm tính tốn, thiết kế chi tiết nhƣ thay đổi thiết kế thƣợng tầng tàu, tối ƣu vận tốc khai thác tàu … việc kết luận mức độ giảm lực cản, nâng cao hiệu khai thác tàu thiết thực Trong nhiều trƣờng hợp trạng thái khai thác tàu cân b ng có lợi mặt lực cản khí động tác động ên tàu o q trình thiết kế khai thác tàu ta nên cho tàu hoạt động trạng thái không bị nghiêng dọc 67 LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, xin gửi lời cảm ơn tới thầy hƣớng dẫn luận văn tôi, PGS.TS Lê Quang, thầy đ tạo điều kiện, động viên tận tình giúp đỡ, đƣa đề nghị, dẫn để tơi hồn thành tốt luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tới Tiến sĩ Ngơ Văn Hệ suốt q trình nghiên cứu, thầy đ kiên nhẫn hƣớng dẫn, trợ giúp động viên nhiều Sự hiểu biết sâu sắc khoa học, nhƣ kinh nghiệm thầy tiền đề giúp đạt đƣợc thành tựu kinh nghiệm quý báu Xin cám ơn Thầy cô Bộ mơn kỹ thuật thủy khí tàu thủy, Viện Cơ khí động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội đ tạo điều kiện thuận lợi cho làm việc Bộ môn để tiến hành tốt luận văn Tơi xin cảm ơn bạn bè, gia đình đồng nghiệp đ uôn giúp đỡ, cổ vũ động viên tơi úc khó khăn để vƣợt qua hồn thành tốt luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn ! 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO K Mizutani, D Arai, Ngo V.H, Y Ikeda (2013) A Study on Reduction of the Wind Resistance Acting on a Wood Chip Carrier Proceeding of the JASNAOE, Hiroshima, Japan, Vol.16, ISSN: 2185-1840, pp.282-285 K Mizutani, Y Akiyama, Ngo V.H, Y Ikeda (2014) Effects of cargo handling equipment on wind resistance acting on a wood chip carrier Proceeding of the JASNAOE, Hiroshima, Japan, Vol.18, ISSN: 2185-1840, pp.421-424 Ngo V.H, K Mizutani, Y Ikeda (2014) Reducing air resistance acting on a ship by using interaction effects between the hull and accommodation Proceeding of the 7th AUN/SEED-Net RCMME 2014, Hanoi, Vienam, ISSN: 978-604-911-942-2, pp.497-501 Ngo V.H, Phan A.T, Luong N.L, Y Ikeda (2015) A Study on interaction Effects on air resistance acting on a ship by shape and location of the accommodation Journal of Science and Technology, Vietnam, Vol 27, ISSN:1859-3585, pp 109-112 ITTC, 2011, Practical Guideline for Ship CFD Application, No 7.5-03-01-03 http://www.cfd-online.com/Wiki/Best_practise_guidelines Trần Công Nghị, Sổ tay thiết kế tàu thủy, Nhà xuất Xây dựng, 11 Thaweesak T, Tập huấn tối ưu hóa lư ng an tồn trên biển cho tàu cá cỡ nhỏ, SEAFDEC,2013 Mohammad Saeed Seif, Mohammad Taghi Tavakoli, New technologies for reducing fuel consumption in marine vehicles, XVI Symposium SORTA,2004 10 Nguyễn Tiến Lai (2 6) Động lực học tàu thủy, Trƣờng Đại học Hàng Hải 11 Trƣơng Sĩ Cáp (1976) Lực cản tàu thủy, Trƣờng Đại học Hàng hải 12 Joel H Ferziger, Milovan PeriC, Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer, No 382 69 ... phần sức cản độc lập, sơ đồ thành phần sức cản nhƣ sau (bảng 1.1): Bảng 1.1 Các thành phần sức cản [7] Sức cản toàn RT Sức cản bổ Sức cản vỏ tàu sung RA Sức cản nhớt RV Sức cản sóng RW Sức cản. .. cứu để làm giảm tối đa lực cản tác động lên tàu, góp phần nâng cao hiệu qua khai thác tàu Tác giả thực đề tài: ‘? ?Tính tốn sức cản tàu thủy phƣơng pháp CFD, ứng dụng để đƣa biện pháp nhằm giảm sức. .. sinh sức cản sóng Sức cản sóng lớn vận tốc tàu lớn Sức cản toàn tàu đƣợc xác định tổng sức cản ma sát RF sức cản dƣ Rr thành phần sức cản bổ sung: RT = RF + Rr + RA (1.1) 1.2 Sự cần thiết việc giảm