Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số hệ thống tạo lực đẩy đến chuyển động của thiết bị ngầm

Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu hoàn thiện mô hình lý thuyết về thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa làm cơ sở nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của lực đẩy và một số tham số hệ thống tạo lực đẩy đến chuyển động của thiết bị ngầm. Kết quả nghiên cứu góp phần định hướng cho việc nghiên cứu thiết kế cũng như cải tiến, nâng cấp thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa.

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa sử dụng ngày rộng rãi nhiều lĩnh vực, với nhiều mục đích khác Nhằm nâng cao khả hoạt động thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa, nhiều giải pháp nghiên cứu, phát triển với phát triển kỹ thuật công nghệ nước Các giải pháp nâng cao tốc độ chuyển động thiết bị ngầm sử dụng: tăng công suất, số lượng động đẩy, bố trí động đẩy hợp lý, thiết kế tối ưu hình dáng thủy động, tối ưu hóa khối lượng thiết bị ngầm Do vậy, nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống tạo lực đẩy đến chuyển động thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa có vai trị quan trọng vấn đề nghiên cứu thiết kế, chế tạo, cải tiến thiết bị ngầm nhằm vừa nâng cao tốc độ chuyển động vừa bảo đảm khả kiểm soát hoạt động thiết bị ngầm q trình hoạt động Với lí nêu trên, NCS lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng số tham số hệ thống tạo lực đẩy đến chuyển động thiết bị ngầm” nhằm đưa khoa học cho việc hồn thiện mơ hình tính tốn giải tốn chuyển động thủy động lực học thiết bị ngầm Mục đích nghiên cứu luận án Nghiên cứu hồn thiện mơ hình lý thuyết thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa làm sở nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng lực đẩy số tham số hệ thống tạo lực đẩy đến chuyển động thiết bị ngầm Kết nghiên cứu góp phần định hướng cho việc nghiên cứu thiết kế cải tiến, nâng cấp thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án - Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa - Phạm vi nghiên cứu: Lựa chọn, hồn thiện mơ hình tính tốn chuyển động thiết bị ngầm khơng người lái điều khiển từ xa có hình dáng phức tạp, khơng hồn tồn đối xứng (chỉ có mặt phẳng đối xứng) Nội dung nghiên cứu luận án - Giới thiệu tổng quan vấn đề định nghiên cứu, loại thiết bị ngầm không người lái, tình hình nghiên cứu phân tích ưu, nhược điểm mơ hình nghiên cứu thiết bị ngầm khơng người lái từ đưa định hướng, nội dung cần nghiên cứu, giải - Hồn thiện mơ hình nghiên cứu thủy động lực học thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa có hình dáng phức tạp, có hai mặt phẳng đối xứng có kể đến đầy đủ lực thủy động, thủy tĩnh tác dụng - Từ kết giải toán chuyển động thủy động lực học, khảo sát ảnh hưởng lực đẩy động cơ, vị trí lắp đặt động đẩy đến chuyển động thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa - Trên sở nghiên cứu mơ hình lý thuyết chương kết giải khảo sát chương 3, thực nghiệm đo vận tốc chuyển động thiết bị ngầm giai đoạn chuyển động bình ổn nhằm khẳng định đắn, phù hợp mơ hình nghiên cứu lý thuyết, phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Sử dụng kết hợp phương pháp: nghiên cứu lý thuyết, tính tốn mơ kết nối thực nghiệm kiểm chứng - Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu mơ hình thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa Giải hệ phương trình vi phân chuyển động thiết bị ngầm phương pháp số - Tính tốn mơ kết nối: Kết nối, trao đổi liệu tự động, chương trình mơ ANSYS Fluent chương trình tính tốn Fortran nhằm tính tốn chuyển động thiết bị ngầm có kể đến ảnh hưởng điều kiện mơi trường dịng chảy xung quanh thiết bị ngầm - Thực nghiệm kiểm chứng: xác định thông số đầu vào, chế tạo mơ hình thiết bị ngầm, thực nghiệm đo đạc xác định vận tốc chuyển động thiết bị ngầm hệ thống thiết bị đo đại Cấu trúc luận án Luận án gồm: phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục Trong có 130 trang thuyết minh, 13 bảng, 49 hình vẽ đồ thị, 42 tài liệu tham khảo 26 trang phụ lục Mở đầu Trình bày tính cấp thiết đề tài luận án Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu thiết bị ngầm không người lái, tượng cản thủy động Chương Mơ hình nghiên cứu thủy động lực học thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa Chương Nghiên cứu ảnh hưởng số tham số hệ thống tạo lực đẩy đến chuyển động thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa Chương Thực nghiệm kiểm chứng đánh giá kết Kết luận kiến nghị: Những kết luận án kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trình bày tổng quan cấu tạo, hoạt động thiết bị ngầm không người lái, tượng cản thủy động, lực thủy động, thủy tĩnh tác dụng lên thiết bị ngầm khơng người lái q trình hoạt động Một số cơng trình nghiên cứu cơng bố ngồi nước thiết bị ngầm khơng người lái mơ hình xây dựng tác giả thiết bị ngầm không người lái Từ cơng trình cơng bố, mơ hình có ưu điểm riêng có số nội dung chưa tính đến sau: - Các mơ hình xây dựng giải tốn chuyển động thủy động lực học thiết bị ngầm không người lái với đầy đủ lực thủy động, thủy tĩnh tác dụng Các nghiên cứu sâu phân tích ảnh hưởng lực cản thủy động, thủy tĩnh đến q trình chuyển động thiết bị ngầm khơng người lái, nhiên nghiên cứu coi thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa có ba mặt phẳng đối xứng - Các phương pháp tính tốn xác định lực khối lượng nước kèm, lực cản thủy động thông qua việc xác định ma trận hệ số khối lượng nước kèm ma trận hệ số cản thủy động Tuy nhiên, mơ hình nghiên cứu việc xác định hệ số hai ma trận khối lượng nước kèm ma trận cản thủy động chủ yếu xác định thực nghiệm phức tạp tốn kèm sử dụng số liệu có sẵn Với điểm hạn chế mơ hình trước, luận án tập trung nghiên cứu giải vấn đề sau: - Xây dựng mơ hình thiết bị ngầm khơng người lái điều khiển từ xa có hình dáng phức tạp sát với thực tế có mặt phẳng đối xứng - Xây dựng phương pháp xác định ma trận khối lượng nước kèm ma trận cản thủy động dựa tính tốn lý thuyết sở liệu thực nghiệm có - Nâng cao độ xác việc giải toán chuyển động thủy động lực học thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa thơng qua mơ hình mơ kết nối chương trình tính tốn mơ số động lực học dịng chảy (ANSYS Fluent) kết hợp với chương trình tính tốn dựa phương pháp số (Runge-Kutta) ngơn ngữ lập trình Fortran CHƯƠNG MƠ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CỦA THIẾT BỊ NGẦM KHÔNG NGƯỜI LÁI ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 2.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình thủy động lực học ROV Y d2 d3 D X l2 O x1 x2 l3 d4 L Hình 2.1 Mơ hình 3D ROV Z Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo ROV Các giả thiết sau sử dụng trình tính tốn thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động ROV nước: - ROV coi vật thể rắn tuyệt đối chuyển động môi trường nước; - ROV có mặt phẳng đối xứng vng góc với (XOZ YOZ) Hai mặt phẳng đối xứng qua khối tâm (cũng trọng tâm) ROV chia thành nửa trái phải, trước sau - ROV chuyển động với vận tốc thấp; - Bỏ qua ảnh hưởng sóng bề mặt (chỉ xét chuyển động ROV độ sâu đủ lớn); - Môi trường nước coi khơng nén được, khơng có biên mở rộng vơ hạn; - Bỏ qua ảnh hưởng nối thân ROV với động đẩy, đèn chiếu sáng, cân trọng lượng dây cáp nguồn q trình tính tốn ma trận cản thủy động - Bỏ qua ảnh hưởng cản nhớt thủy động bậc lớn 2.2 Thiết lập hệ phương trình vi phân thủy động lực học ROV Hình 2.3 thể mơ hình thủy động lực học ROV khảo sát Trên hình vẽ biểu diễn hệ trục tọa độ phục vụ cho việc khảo sát, hệ tọa độ cố định O0 X 0Y0 Z0 gắn với đất hệ tọa độ động OXYZ gắn chặt với vật Hệ tọa độ OXYZ di động với vật, có gốc O đặt trọng tâm ROV mặt phẳng tọa độ OXZ ,OYZ mặt phẳng đối xứng Y0 X0 O0 Fp FB O" Y + + FK D A O' O Z FG Z0 X Hình 2.3 Mơ hình thủy động lực học ROV Các lực tác dụng lên ROV bao gồm: - Lực đẩy động (lực chân vịt) Fp : Lực đẩy động chiều với chiều tiến chân vịt đặt vị trí tâm củ chân vịt; - Trọng lực FG : có chiều thẳng đứng, từ xuống theo chiều trục OZ, đặt trọng tâm O ROV - Lực FB : có chiều thẳng đứng từ lên trên, đặt tâm O’ ROV Như vậy, trọng lực lực có phương thẳng đứng, ngược chiều Tổng hợp hai thành phần lực ta lực thủy tĩnh tác dụng vào ROV - Lực khối lượng nước kèm FA : lực cản khối lượng nước kèm gây liên quan đến gia tốc chuyển động ROV Lực khối lượng nước kèm có chiều ngược với chiều véc tơ gia tốc - Lực cản thủy động FD : Đây lực cản thủy động môi trường chất lỏng gây Lực cản thủy động liên quan đến vận tốc chuyển động ROV, có chiều ngược với chiều chuyển động ROV - Lực Froude-Kriloff FFK : Lực xuất ma trận quán tính chất lỏng gây (khi xuất trường áp suất không ổn định môi trường nước), phương với phương chuyển động Từ mơ hình ROV xây dựng, ta tiến hành thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động ROV nước Xuất phát từ công thức định luật Newton, ta có phương trình vi phân chuyển động ROV [19]: mv  F (2.1) đó: m - khối lượng ROV; v - véc tơ vận tốc ROV; F - véc tơ ngoại lực tác dụng vào trọng tâm ROV 2.2.1 Xác định vị trí mơ tả chuyển động ROV Trong ngành rơ bốt cơng nghiệp nói chung kỹ thuật hàng hải nói riêng, phép quay Roll - Pitch - Yaw thường sử dụng để chuyển đổi hệ tọa độ cố định hệ tọa độ động [2], [19, tr22] Xác định ma trận quay chuyển hệ tọa độ động sang hệ tọa độ cố định biểu diễn Hình 2.4: a) Quay quanh OZ b) Quay quanh OY1 c) Quay quanh OX2 Hình 2.1 Phép quay Roll-Pitch-Yaw Như ma trận quay Roll - Pitch - Yaw chuyển hệ tọa độ động sang hệ tọa độ cố định thông qua phép quay quanh trục xác định: c c J1 2    s c    s  s c  c s s c c  s s s c s s s  c s c  c s  s s c    c c (2.2) s, c, t ký hiệu viết tắt sin(.), cos(.), tan(.) a) Phép chuyển véc tơ vận tốc dài T Gọi v1  u v w  véc tơ vận tốc dài ROV so với hệ tọa độ cố định chiếu lên trục OX , OY , OZ tương ứng hệ tọa độ động T 1   x y z  véc tơ dịch chuyển dài ROV hệ tọa độ cố định Từ ma trận quay (2.2) chuyển hệ tọa độ động sang hệ tọa độ cố định, ta có mối quan hệ véc tơ vận tốc dài ROV hai hệ tọa độ:  x u   y  J   v    1    z   w  (2.3) Hay: 1  J1 2  v1 (2.4) b) Phép chuyển véc tơ vận tốc góc T Gọi v2   p q r  véc tơ vận tốc góc ROV có thành phần p, q, r thành phần vận tốc góc ROV chiếu lên trục OX , OY , OZ tương ứng hệ tọa độ động T 2      véc tơ vận tốc góc ROV hệ tọa độ cố định Phép chuyển véc tơ vận tốc góc từ phép chiếu hệ tọa độ động sang hệ tọa độ cố định:    p        J 2   q     r    (2.5) Hay: 2  J 2  v2 (2.6) Với 1 sin  tan  J 2   0 cos  0 sin  cos cos  tan    sin    cos  cos  (2.7) Từ (2.4) (2.6) ta có hệ phương trình xác định vị trí hướng ROV dạng véc tơ: 1   J1 2  O3 x   v1       O J 2   v2     3x3 (2.8) Sau áp dụng tiên đề Euler bảo toàn động lượng [19, tr46], qua số bước biến đổi, ta thiết lập hệ PTVP chuyển động thủy động lực học ROV dạng véc tơ [19], [26], [27]: M RBV  CRB V V  F (2.9) đó: T V  u v w p q r  - véc tơ vận tốc ROV so với hệ tọa độ cố định biểu diễn theo trục tọa độ hệ tọa độ động; T F   X Y Z K M N  - véc tơ lực mô men ngoại lực tác dụng lên trọng tâm ROV, lấy trục hệ tọa độ động; M RB - ma trận khối lượng ROV; CRB V  - ma trận lực Coriolis ROV; Ngoại lực F tác dụng lên ROV xác định: F  FHS  FA  FD  FFK  Fp (2.10) - Lực thủy tĩnh FHS tổng hợp trọng lực FG (gravity force) lực FG (buoyancy force) tác dụng lên ROV [14], [19]; Trọng lực FG có phương thẳng đứng, có chiều từ xuống đặt trọng tâm rG   xG , yG , zG  vật thể rắn Trong hệ tọa độ cố định trọng lực FG xác định theo công thức: FG  mg (2.11) đó: m - khối lượng ROV; g - gia tốc trọng trường - Lực FB (lực đẩy Ác-si-mét) có phương thẳng đứng, có chiều từ lên đặt tâm ROV Vị trí tâm so với trọng tâm ROV xác định thơng qua véc tơ vị trí: rB   xB , yB , zB  Trong hệ tọa độ cố định, lực FB xác đinh: FB  g (2.12) đó:  - mật độ mơi trường chất lỏng;  - thể tích chiếm chỗ ROV; g - gia tốc trọng trường - Véc tơ lực khối lượng nước kèm FA xác định [19, tr121]: FA    M A Vr  CA Vr .Vr  (2.13) đó: Vr - véc tơ vận tốc tương đối ROV nước; M A - ma trận khối lượng nước kèm CA Vr  - ma trận lực Coriolis khối lượng nước kèm gây - Véc tơ lực cản thủy động FD xác định theo công thức [26], [21, tr542]: FD  D Vr .Vr (2.14) đó: Vr - véc tơ vận tốc tương đối ROV dòng nước; D Vr  - ma trận cản thủy động - Véc tơ lực Froude-Kriloff FFK xác định theo công thức: FFK  M FK Vl (2.15) đó: M FK - khối lượng Froude-Kriloff ROV; Vl - véc tơ vận tốc chuyển động dòng nước - Véc tơ lực đẩy chân vịt Fp từ động đẩy: Fp   X p Yp Zp Kp Mp N p  T (2.16) Thay thành phần FA , FD , FFK vào phương trình (2.9), ta được: M  M A Vr  CRB (V )V  CA (Vr )Vr  D Vr Vr  FHS  Fp (2.17) Mặt khác ta có mối liên hệ vận tốc V ROV, vận tốc dòng nước Vl hệ tọa độ cố định với vận tốc tương đối Vr ROV dòng nước xác định theo công thức: V  Vr  Vl (2.18) Qua bước biến đổi, phương trình (2.17) tương đương: V  Vl  M 1 A V ,Vr  (2.19) đó: A V ,Vr    CRB (V )V  C A (Vr )Vr  D Vr Vr  FHS  Fp  (2.20) Kết hợp hệ phương trình xác định vị trí hướng ROV (2.8), hệ phương trình vi phân thủy động lực học (2.19) phương trình liên kết, phương trình điều kiện đầu, ta có hệ PTVP chuyển động thủy động lực học ROV: 1) V  Vl  M 1 A V ,Vr   2) A V , Vr    CRB (V )V  C A (Vr )Vr  D Vr Vr  FHS  Fp   3) M   M RB  M A   4) Vr  V  Vl (2.21)    J  O  v  1   1 1 2 x3   5)     O J 2   v2      x3 6) V    V  7) Vl    Vl RB 2.3 Tính tốn xác định ma trận cản thủy động 2.3.1 Ma trận khối lượng nước kèm Hiện tượng khối lượng nước kèm liên quan đến gia tốc chuyển động ROV Vì vậy, chất vật lý, khối lượng nước kèm khối lượng tính thêm vào khối lượng ROV chuyển động có gia tốc mơi trường chất lỏng Ma trận khối lượng nước kèm ROV có dạng [19, tr119-121]:  Xu 0 Y v  0 MA   0 0   0 0 Zw 0 0 0 Kp 0 0 0 Mq 0 0    m11 0 0    m22 0 m33 0  0    0 m44 0  0  0 0 m55  0     0 0 m66  N r   (2.22) Phương pháp xác định thành phần khối lượng nước kèm ROV dựa phương pháp kết hợp lý thuyết dải hẹp [19, tr84], [22] sở liệu thực nghiệm [12, tr141] thực theo trình tự bước sau [14, tr59]: Bước 1: Chọn vật thể tiêu chuẩn có hình dạng gần giống với hình dạng ROV cần nghiên cứu; Bước 2: Xác định hệ số sai khác hình dạng C pmn ; Bước 3: Xác định hệ số khối lượng nước kèm cho chuyển động dài sử dụng liệu thực nghiệm 3D có; Bước 4: Xác định hệ số khối lượng nước kèm cho chuyển động thẳng sử dụng liệu 2D theo lý thuyết dải hẹp; Bước 5: Tính tốn hệ số tỷ lệ  hệ số khối lượng nước kèm xác định hai phương pháp trên; Bước 6: Xác định thành phần khối lượng nước kèm cho chuyển động quay sử dụng liệu 2D lý thuyết dải hẹp; Bước 7: Xác định thành phần khối lượng nước kèm cho chuyển động quay 3D sử dụng hệ số tỷ lệ; 10 2.3.2 Ma trận cản thủy động Lực cản thủy động tác động lên ROV chuyển động nước xác định theo công thức [19], [39, tr25]: 1 D     C D Af 2  V V  (2.23) đó:  - mật độ mơi trường nước; Af - diện tích cản diện ROV; V - vận tốc chuyển động ROV; CD - hệ số cản dọc theo phương chuyển động ROV nước Do mơ hình ROV khơng đối xứng qua mặt phẳng tọa độ XOY (không đối xứng - dưới), nên hệ phương trình xác định lực mơ men cản thủy động ROV có dạng: XD  Xuuu u  YD  Yv v v v  Z D  Z w w w w  K D  K p p p p  Kv v v v  M D  M q q q q  M u u u u N  N r r rr  D (2.24) đó: X u u , Yv v , Z w w - hệ số lực cản thủy động cần xác định; K p p , K v v , M q q , M u u , N r r - hệ số mô men cản thủy động cần xác định Như ma trận cản thủy động D V  ROV xác định theo công thức:  Xuu u     D V     M u u u   0 0 Yv v v 0 0 Zw w w 0 Kv v v Kp p p 0 0 Mqq q 0 0 11          N r r r  (2.25) Phương pháp xác định hệ số cản thủy động ROV dựa lý thuyết dải hẹp tổng hợp từ hệ số cản thủy động phận: thân, đèn chiếu sáng, động dọc trục cân trọng lượng Xác định hệ số lực cản xác định theo công thức tổng quát: X u u   CD AfX (2.26) đó:  - mật độ mơi trường chất lỏng; A fX - diện tích cản diện thành phần tính tốn; CD - hệ số cản theo phương chuyển động tính tốn Xác định hệ số mô men cản xác định theo công thức tổng quát: Kp p     y2 y1 Cdcl y y dy  (2.27) đó:  - mật độ mơi trường chất lỏng; y1 , y2 - khoảng cách từ điểm gần xa phận tính tốn đến trục quay (trục dọc thân ROV); Cdc - hệ số cản ngang phận tính tốn; l - chiều dài phận tính tốn Y X p a+b+c y a+b dy l2 O Hình 2.8 Mơ hình xác định hệ số mô men cản đèn chiếu sáng Sau xác định hệ số lực cản mô men cản phận thân, đèn chiếu sáng, động dọc trục cân trọng lượng, hệ số lực cản mô men cản ROV xác định phương pháp cộng tác dụng Như vậy, với việc xác định xong hai ma trận khối lượng nước kèm ma trận cản thủy động, lực thủy động, thủy tĩnh tác dụng vào ROV hoàn toàn xác định, đủ điều kiện để giải hệ PTVP chuyển động thủy động lực học ROV 12 Kết luận chương Trong chương 2, mơ hình ROV có hình dạng phức tạp, có mặt phẳng đối xứng với sáu bậc tự gồm ba bậc tự theo chuyển động thẳng, ba bậc tự theo chuyển động quay xây dựng Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động thủy động lực học ROV nước có kể đến đầy đủ lực thủy động, thủy tĩnh tác dụng lên ROV trình hoạt động công bố báo số [1] [3] tác giả Xây dựng phương pháp xác định thành phần hệ số hai ma trận xác định phương pháp giải tích kết hợp lý thuyết dải hẹp sở liệu thực nghiệm sẵn có Đây đóng góp luận án Kết nghiên cứu công bố báo số [2] số [4] tác giả Việc xác định hệ số hai ma trận khối lượng nước kèm ma trận cản thủy động thiết bị ngầm thay cho thực nghiệm đo đạc tốn kém, yêu cầu hệ thống thiết bị đo lường đại giải pháp có ý nghĩa khoa học thực tiễn việc giải hệ PTVP chuyển động, nghiên cứu thiết kế, chế tạo, cải tiến thiết bị ngầm CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ HỆ THỐNG TẠO LỰC ĐẨY ĐẾN CHUYỂN ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ NGẦM 3.1 Đề xuất phương án giải kết Để giải toán chuyển động thủy động lực học ROV, ta tiến hành giải hệ PTVP chuyển động (2.21) Đây hệ PTVP cấp I vận tốc Do hệ giải phương pháp số Runge-Kutta, Milne, Newmark… dựa sở ngơn ngữ lập trình Pascal, Visual Basic, Fortran, Matlab, Maple… Trong luận án này, tác giả sử dụng phương pháp Runge-Kutta ngôn ngữ lập trình Fortran để giải hệ phương trình vi phân chuyển động thủy động lực học ROV Phương pháp giải trình bày theo lưu đồ thuật tốn Hình 3.1 Với yêu cầu ROV phải bảo đảm điều kiện cân động trình chuyển động, kết hàm vận tốc Vx,Vy,Vz, quãng đường dịch chuyển, giá trị góc lắc ROV xác định trường hợp lực đẩy động Fp=40N, vận tốc dòng chảy Vl = 0m/s, thời gian khảo sát 20 giây 13 Bắt đầu Nhập thơng số đầu vào Tính tốn hệ số cản suy giảm thủy động Tính tốn hệ số khối lượng nước kèm Tính tốn hệ số cản doc trục Tính tốn lực thủy tĩnh (trọng lực, lực nổi) Tính tốn lực cản thủy động Giải hệ PTVP chuyển động ROV k=0 Lực động đẩy S Đ u, v, w =0 x, y, z =0 F, , 0 k=k+1 Đ   S Xuất kết Kết thúc Hình 3.1 Lưu đồ thuật tốn giải tốn chuyển động ROV Hình 3.2 Vận tốc Vx ROV theo phương O0X0 Hình 3.3 Vận tốc Vy ROV theo phương O0Y0 14 35 Dịch chuyển (m) 30 25 20 15 10 0 10 12 14 16 18 20 Thời gian (s) Hình 3.5 Dịch chuyển ROV theo phương O0X0 0.0002 Dịch chuyển theo O0Z0 (m) Dao động quanh O0Y0 (rad) Hình 3.4 Vận tốc Vz ROV theo phương O0Z0 -0.0002 10 12 14 16 18 20 -0.0004 -0.0006 -0.0008 -0.001 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 12 14 16 18 20 Thời gian (s) Thời gian (s) Hình 3.6 Góc dao động theta Hình 3.7 Dịch chuyển ROV (Pitch) quanh trục O0Y0 theo phương O0Z0 Qua kết giải hệ PTVP chuyển động ROV, ta nhận thấy: sau thời gian tăng tốc (khoảng 6s), ROV đạt trạng thái chuyển động bình ổn với vận tốc Vx khơng thay đổi Trong trình chuyển động bình ổn, ROV bảo đảm trạng thái cân động (  0.00033rad  0.02 độ, góc Pitch nhỏ) khơng bị chìm (Vz  0m/s) thời gian khảo sát 3.2 Xác định hệ số cản tổng hợp ROV hệ số cản ngang thân ROV 3.2.1 Xác định hệ số cản tổng hợp ROV Hệ số cản tổng hợp ROV xác định phương pháp mô số động lực học dịng chảy CFD thơng qua chương trình ANSYS Fluent Ứng với giá trị vận tốc tìm theo lý thuyết, thơng qua chương trình mơ ANSYS Fluent, ta tìm giá trị lực cản thủy động tương ứng Từ giá trị lực cản ta xác định hệ số cản tương ứng theo công thức: CD  ui    FD  Af ui ui đó: 15 (3.1) FD - lực cản tổng hợp tác động lên ROV giai đoạn chuyển động bình ổn;  - mật độ mơi trường nước; CD  ui  - hệ số cản dọc ROV tương ứng với vận tốc ui ; Af - diện tích cản diện ROV; ui - vận tốc theo phương OX ROV giai đoạn chuyển động bình ổn tương ứng với giá trị lực đẩy Hệ số cản tổng hợp CD ROV giá trị trung bình CD xác định theo công thức: n CD   C u  D i (3.2) n 3.2.2 Xác định hệ số cản ngang thân ROV hình trụ trịn hai đầu bán cầu Trong q trình tính tốn xác định ma trận khối lượng nước kèm, hệ số cản ngang thân ROV lấy hệ số cản ngang hình trụ trịn (Cdc=1.1) Tuy nhiên mơ hình nghiên cứu, thân ROV có hình trụ trịn hai đầu bán cầu, việc xác định xác hệ số cản ngang thân ROV cần thiết nhằm tăng tính xác cho kết giải tốn chuyển động ROV Bằng phương pháp thay đổi hệ số cản ngang thân ROV khoảng giá trị xung quanh giá trị có Cdc  1.1, ta thu giá trị hệ số cản tổng hợp CD ROV phương pháp lý thuyết Tiến hành so sánh CD theo tính tốn lý thuyết với kết CD' xác định chương trình mơ ANSYS Fluent, hệ số cản ngang phù hợp Cdc(1)  0.9 thân ROV lựa chọn với sai số nhỏ (0.32%) khoảng khảo sát Việc tìm hệ số cản ngang hình trụ trịn hai đầu bán cầu điểm luận án Đây giải pháp nhằm nâng cao độ xác giải hệ PTVP chuyển động thủy động lực học ROV Cdc  0.9 Cdc  1.1 a) Hình trụ trịn b) Thân ROV Hình 3.8 Hệ số cản ngang hình trụ tròn thân ROV 16 3.3 Khảo sát ảnh hưởng số tham số hệ thống tạo lực đẩy tới chuyển động ROV nước 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng lực đẩy động đến chuyển động ROV Tiến hành khảo sát vận tốc chuyển động ROV miền lực đẩy từ 10N đến 50N với hai giá trị lực đẩy hai động Kết hàm vận tốc theo lực đẩy Hình 3.10 1.8 1.6 Vận tốc Vx (m/s) 1.4 1.2 0.8 50N 40N 30N 20N 10N 0.6 0.4 0.2 0 10 15 20 Thời gian (s) Hình 3.10 Vận tốc Vx ROV theo phương O0X0 Ta nhận thấy, phạm vi khảo sát từ 10N đến 50N, tăng lực đẩy động cơ, vận tốc ROV tăng theo Sau khoảng thời gian tăng tốc ban đầu, ROV chuyển động với vận tốc ổn định Kết chứng tỏ rằng, giai đoạn ROV chuyển động bình ổn, lực đẩy động cân với lực cản tổng hợp môi trường nước tác động lên ROV 3.2.2 Ảnh hưởng vị trí lắp đặt động đến chuyển động ROV 3.2.2.1 Ảnh hưởng vị trí đặt lực đẩy theo phương OZ đến chuyển động ROV a) Ảnh hưởng tọa độ z vị trí đặt lực đẩy đến chuyển động ROV Vị trí đặt lực đẩy tâm củ chân vịt Trong hệ tọa độ động OXYZ, hai vị trí đặt lực đẩy có tọa độ Bảng 3.3 Bảng 3.3 Tọa độ điểm đặt lực đẩy động Tọa độ đặt lực đẩy hệ tọa độ động Tọa độ x Tọa độ y Động phải (m) -0.28 0.23 17 Động trái (m) -0.28 -0.23 Tọa độ z thơng số cần khảo sát nhằm tìm vị trí đặt lực đẩy hợp lý cho việc lắp đặt động đẩy lên thân ROV Kết khảo sát ảnh hưởng vị trí đặt lực đẩy đến chuyển động ROV thể Hình 3.12 1.8 1.6 Vận tốc Vx (m/s) 1.4 Z=-0.06 Z=-0.03 Z=0 Z=0.03 Z=0.06 Z=0.09 Z=0.12 Z=0.13 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 15 20 Thời gian (s) Hình 3.12 Sự phụ thuộc vận tốc Vx ROV theo tọa độ z Qua kết khảo sát, ta nhận thấy: - Vận tốc Vx ROV theo phương O0 X đạt giá trị lớn phạm vi z  0.06  0.09m Tuy nhiên vị trí z  0.06 m , ROV sớm đạt trạng thái chuyển động bình ổn Như vị trí bố trí động đẩy hợp lý nằm phía mặt phẳng ngang qua trọng tâm ROV Điều hồn tồn hợp lý phía thân ROV có lắp hai cân trọng lượng - Khi tọa độ z  0.09 m , vận tốc ROV có xu hướng giảm xuống - Khi tọa độ z  0.12 m , ROV có xu hướng bị ổn định Tọa độ vị trí đặt lực đẩy hợp lý thể Bảng 3.4 Bảng 3.4 Tọa độ điểm đặt lực đẩy hệ tọa độ động sau khảo sát TT Động Tọa độ phương Tọa độ phương Tọa độ phương x (m) y (m) z (m) Động phải -0.28 0.23 0.06 Động trái -0.28 -0.23 0.06 18 b) Ảnh hưởng khoảng cách hai động đẩy đến chuyển động ROV Khoảng cách hai động đẩy liên quan đến tọa độ y vị trí đặt lực đẩy Hai tọa độ x z vị trí đặt lực đẩy khơng thay đổi trình khảo sát lấy theo Bảng 3.4 Kết khảo sát ảnh hưởng khoảng cách hai động đẩy đến chuyển động ROV thể Hình 3.10 Hình 3.11 0.4 Vận tốc Vz (m/s) Vận tốc Vx (m/s) 1.5 50N 40N 30N 20N 10N 0.5 0 10 Thời gian (s) 15 0.3 0.2 0.1 -0.1 20 50N 40N 30N 20N 10N -0.2 10 15 20 Thời gian (s) Hình 3.13 Hàm vận tốc Vx ROV Hình 3.14 Hàm vận tốc Vz ROV theo lực đẩy động theo lực đẩy động Qua kết khảo sát, ta nhận thấy: Do bỏ qua cản nối chưa xét đến ảnh hưởng dòng chảy rối môi trường nước hai động đẩy nên hàm vận tốc Vx Vz ROV không thay đổi thay đổi khoảng cách hai động đẩy Trong phạm vi khảo sát, vận tốc Vx Vz ROV phụ thuộc vào độ lớn lực đẩy động 3.2.3 Mơ kết nối Mục đích mô kết nối trao đổi liệu tự động chương trình ANSYS Fluent Fortran nhằm đưa thêm điều kiện mơi trường dịng chảy (vận tốc dịng chảy tức thời nước) vào q trình giải hệ PTVP chuyển động thủy động lực học ROV Từ kết đó, nâng cao độ xác cho kết nghiên cứu lý thuyết Vận tốc dòng chảy Vl Phần mềm mô CFD (ANSYS Fluent) Chương trình bên ngồi (Fortran) Vận tốc ROV (Vx,Vy,Vz) Hình 3.2 Sơ đồ trao đổi liệu ANSYS Fluent Fortran 19 Hệ PTVP chuyển động thủy động lực học ROV có dạng: 1)V  Vl  M 1 A V ,Vr   2) A V ,Vr    CRB (V )V  C A (Vr )Vr  D Vr Vr  FHS  Fp   3) M   M RB  M A       J   O3 x   v1  4)      J 2   v2   2   O3 x  5) Vr  V  Vl 6) V    Vo  7) Vl    Vlo (3.3) 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 Tỷ lệ sai số (%) Vận tốc Vx (m/s) Kết tốn mơ kết nối Hình 3.25 Hình 3.26 Vận tốc Vx sau kết nối Vận tốc Vx trước… 0 10 12 14 16 18 20 10 15 20 Thời gian (s) Thời gian (s) Hình 3.25 Vận tốc Vx ROV trước Hình 3.26 Phần trăm sai số sau kết nối với ANSYS Fluent vận tốc Vx trước sau kết nối Vận tốc Vx sau kết nối nhỏ vận tốc Vx trước kết nối hồn tồn hợp lý mơ hình kết nối có kể đến ảnh hưởng vận tốc dịng chảy tức thời Vl dòng chảy rối tác động lên ROV trình hoạt động Kết trường vận tốc Vx trường áp suất dòng nước bao quanh ROV thể Hình 3.27 Hình 3.28 Hình 3.27 Trường vận tốc Vx dịng nước xung quanh ROV Hình 3.28 Trường áp suất dịng nước bảo quanh ROV 20 Qua kết mô kết nối, ta nhận thấy: dịng chảy có xu hướng tăng tốc qua khu vực xung quanh phận đèn chiếu sáng, cân trọng lượng đặc biệt qua khu vực động đẩy Mặt khác, qua phổ vận tốc, ta thấy có xuất dòng chảy rối khu vực hai động đẩy, phía sau ROV Áp suất lớn tập trung vào phần mũi phía trước ROV xuất vùng áp suất thấp khu vực phía sau phận đèn chiếu sáng, cân trọng lượng động đẩy 3.2.5 Mô kết nối thay đổi khoảng cách hai động đẩy Mục đích việc thay đổi khoảng cách hai động đẩy nhằm đánh giá ảnh hưởng dòng chảy rối khu vực hai động đẩy đến chuyển động ROV Phương án thứ nhất, hai động đẩy bố trí gần với khoảng cách 0.455m Phương án thứ hai, hai động đẩy bố trí nằm cách xa với khoảng cách 0.505m Kết trường vận tốc Vx dòng chảy thể Hình 3.30 a) Hai động gần b) Hai động xa Hình 3.30 Trường vận tốc dòng nước xung quanh ROV Nhận xét: - Khi lắp đặt hai động đẩy gần hơn, dịng chảy rối hai động đẩy có độ rối cao ngược lại - Khi tăng khoảng cách hai động lên 11%, vận tốc ROV tăng lên 0.2% Mặc dù vận tốc ROV tăng lên không đáng kể tăng khoảng cách động cơ, nhiên điều chứng tỏ dòng chảy rối hai động làm giảm vận tốc chuyển động ROV Kết luận chương Chương tập trung giải hệ PTVP thủy động lực học ROV hai phương pháp: phương pháp Runge-Kutta thông qua ngơn ngữ lập trình Fortran phương pháp mơ kết nối, trao đổi liệu tự động, chương trình mơ ANSYS Fluent chương trình tính tốn Fortran 21 Sử dụng chương trình tự viết ngôn ngữ Fortran, ta khảo sát ảnh hưởng lực đẩy động vị trí lắp đặt động đẩy đến chuyển động thủy động lực học ROV Từ kết đó, tìm điểm đặt lực đẩy hợp lý hệ thống tạo lực đẩy lên ROV Sử dụng phương pháp mô kết nối, ta đánh giá ảnh hưởng khoảng cách hai động đẩy đến vận tốc ROV, ảnh hưởng vận tốc dòng chảy tức thời đến chuyển động thủy động lực học ROV Ngồi ra, việc sử dụng độc lập chương trình mơ số ANSYS Fluent xác định hệ số cản tổng hợp ROV, từ tìm hệ số cản ngang thân ROV có hình trụ trịn hai đầu bán cầu Những đóng góp chương Qua nghiên cứu, khảo sát, điểm luận án tìm hệ số cản ngang thân ROV có hình trụ trịn hai đầu bán cầu Nội dung nghiên cứu công bố báo số [2] tác giả CHƯƠNG THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG Mục đích nghiên cứu thực nghiệm đo đạc xác định vận tốc ROV giai đoạn chuyển động bình ổn theo giá trị lực đẩy khác theo phương án khoảng cách hai động đẩy khác Điều kiện môi trường: Thực nghiệm tiến hành bể thử Học viện Kỹ thuật Quân với kích thức bể: 50 x 25 x 2.5 (m) (dài x rộng x sâu) Độ sâu thử nghiệm 1m; điều kiện thời tiết khơ ráo, nhiệt độ khơng khí ngồi trời từ 300C đến 350C; mật độ môi trường nước 1000 kg/m3; áp suất khí 101.325 kPa Chất lượng nước bể đủ độ bảo đảm chất lượng hình ảnh trình thực nghiệm Trang thiết bị thực nghiệm: Mơ hình thiết bị ROV tự chế có kích thước theo tỷ lệ 1:1 so với tính tốn lý thuyết; camera thuật phóng FASTCAM SA1.1 Model 675K-C1; máy tính cài đặt phần mềm PFV để điều khiển phần mềm TEMA để phân tích kết đo Phương pháp thực nghiệm: Thực nghiệm tiến hành theo giai đoạn: cân tĩnh, cân động ghi hình đo tham số vận tốc động ROV giai đoạn chuyển động bình ổn với giá trị lực đẩy phương án khoảng cách động khác Phương án 1: khoảng cách hai động đẩy 0.455m Phương án 2: khoảng cách hai động đẩy 0.505m 22 Hình 4.2 Quá trình cân tĩnh cho ROV Hình 4.3 Quá trình cân động cho ROV Hình 4.4 Ghi xử lý số liệu đo Hình 4.6 Sơ đồ bố trí hệ thống trang thiết bị thực nghiệm So sánh kết lý thuyết thực nghiệm: Phương án Phương án Vận tốc Vx lớn theo phương O0X0 (m/s) Lực đẩy 10N Lực đẩy 20N Mô Thực Mô Thực Sai số kết nối nghiệm kết nối nghiệm 0.8120 0.7759 4.66% 1.1617 1.1261 0.8493 0.7971 6.55% 1.1787 1.1636 Vận tốc Vx lớn theo phương O0X0 (m/s) Lực đẩy 30N Lực đẩy 40N Mô Thực Mô Thực Sai số kết nối nghiệm kết nối nghiệm 1.3226 1.2758 3.67% 1.6233 1.5109 1.4200 1.3515 5.06% 1.6266 1.5616 23 Sai số 3.16% 1.29% Sai số 7.44% 4.16% Nhận xét: - Kết thực nghiệm phù hợp với kết tính tốn lý thuyết, mô kết nối Các giá trị vận tốc thu từ thực nghiệm nhỏ giá trị tính tốn mơ kết nối tương ứng - Trong phạm vi thực nghiệm, lực đẩy từ động lớn, vận tốc lớn ROV lớn ngược lại Điều hoàn toàn phù hợp với thực tế - Sai số kết thực đo tính tốn mơ kết nối nhỏ (từ 1.29% đến 7.44%) Điều chứng tỏ hệ thống thiết bị đo phương án thử nghiệm hoạt động tin cậy ổn định - Khi tăng khoảng cách hai động đẩy, vận tốc ROV có xu hướng tăng theo Điều chứng tỏ dòng chảy rối hai động đẩy ảnh hưởng làm giảm vận tốc chuyển động ROV nước Kết luận chương Chương giới thiệu mục đích, ý nghĩa, phương pháp thực nghiệm, trang thiết bị nội dung tiến hành thử nghiệm phần mềm sử dụng trình đo đạc xử lý số liệu Kết vận tốc ROV thực đo nhỏ kết tính tốn lý thuyết mơ kết nối với sai số nhỏ 7.44% chứng tỏ mô hình tính tốn lý thuyết đắn, tin cậy KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Những đóng góp luận án - Hồn thiện mơ hình tính tốn thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa có tính đến khơng đối xứng hồn tồn hình dáng chịu tác động đầy đủ lực thủy động thủy tĩnh - Xây dựng phương pháp xác định ma trận khối lượng nước kèm, ma trận cản thủy động cho thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa - Xác định hệ số cản ngang thân thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa có dạng hình trụ tròn hai đầu bán cầu (Cdc=0.9) Hướng phát triển luận án Tiếp tục nghiên cứu, thử nghiệm chuyển động ROV môi trường nước biển với nhiều yếu tố nhiễu động tác dụng lên ROV q trình hoạt động Kết hợp giải tốn chuyển động thủy động lực học toán điều khiển tối ưu nhằm nâng cao hiệu hoạt động ROV nước 24 ... sát ảnh hưởng số tham số hệ thống tạo lực đẩy tới chuyển động ROV nước 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng lực đẩy động đến chuyển động ROV Tiến hành khảo sát vận tốc chuyển động ROV miền lực đẩy từ 10N đến. .. Mơ hình nghiên cứu thủy động lực học thiết bị ngầm không người lái điều khiển từ xa Chương Nghiên cứu ảnh hưởng số tham số hệ thống tạo lực đẩy đến chuyển động thiết bị ngầm không người lái điều... SỐ HỆ THỐNG TẠO LỰC ĐẨY ĐẾN CHUYỂN ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ NGẦM 3.1 Đề xuất phương án giải kết Để giải toán chuyển động thủy động lực học ROV, ta tiến hành giải hệ PTVP chuyển động (2.21) Đây hệ PTVP