Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thuỷ trong quá trình thay đổi hướng chuyển động tt

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍMINH NGUYỄN THÀNH NHẬT LAI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN TÀU THỦY TRONG Q TRÌNH THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Khoa học hàng hải Mãsố: 9840106 TP Hồ ChíMinh - 2020 Cơng trì nh hồn thành Trường Đại học Giao thơng vận tải TP Hồ ChíMinh Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Phạm Kỳ Quang TS Vũ Văn Duy Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Phùng Hưng Trường Đại học Giao thơng vận tải TP Hồ ChíMinh Phản biện 2: PGS.TS LêTất Hiển Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ ChíMinh Phản biện 3: TS Mai Bá Lĩnh Bộ Giao thông vận tải Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường, họp Trường Đại học Giao thông vận tải TP Hồ ChíMinh vào hồi … … phút, ngày …… tháng … năm 2020 Cóthể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam; - Thư viện Trường Đại học Giao thơng vận tải TP Hồ ChíMinh DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN PGS TS Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy, ThS Cổ Tấn Anh Vũ, ThS Nguyễn Thành Nhật Lai Môphỏng số xâm thực cục bánh lái tàu thủy Tạp chíGiao thơng vận tải, ISSN: 2354-0818, № 11, 11/2015, tr 89 - 91 PGS TS Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy, NCS Nguyễn Thành Nhật Lai Tí nh tốn mơphỏng lực gia thêm tác động lên tàu thủy thay đổi hướng chuyển động Tạp chíKhoa học Cơng nghệ Giao thông vận tải, ISSN: 1859-4263, № 22, 02/2016, tr 19 - 21 Prof Dr Luong Cong Nho, Prof Dr Pham Ky Quang, Dr Vu Van Duy, PhD Student Bui Van Cuong, PhD Student Co Tan Anh Vu, PhD Student Nguyen Thanh Nhat Lai Calculation and simulation of the current effects on maritime safety in Haiphong fairway, Vietnam International Association of Maritime Universities (IAMU), 17th Annual General Assembly (AGA), ISBN: 978-604-937120-2, 26 - 29 October, 2016, Vietnam, pp 170 - 179 PGS TS Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy, ThS Nguyễn Thành Nhật Lai, ThS Phạm Nguyễn Đăng Khoa Tính tốn mơphỏng tác động lực gia thêm đến đặc tí nh ổn định tàu thủy Tạp chíKhoa học - Cơng nghệ hàng hải, ISSN: 1859-316X, № 49, 01/2017, tr 60 - 64 PGS TS TTr Phạm Kỳ Quang (Chủ biên), TS Vũ Văn Duy, ThS Bùi Văn Cường, ThS Cổ Tấn Anh Vũ, ThS Nguyễn Thành Nhật Lai Sách chuyên khảo “Ứng dụng CFD khoa học hàng hải” Nhàxuất Khoa học vàKỹ thuật, ISBN: 978-604-67-0897-1, HàNội, năm 2017 PGS TS Phạm Kỳ Quang (Chủ nhiệm đề tài), TS Vũ Văn Duy, NCS Nguyễn Thành Nhật Lai, thành viên khác Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh giá tác động tổ hợp chân vịt - bánh lái đến đặc tính điều khiển hướng chuyển động tàu thủy Đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải; mãsố: DT174003, năm 2017 Cổ Tấn Anh Vũ (Chủ nhiệm đề tài), PGS TS Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy, NCS Nguyễn Thành Nhật Lai, thành viên khác Xây dựng chương trình tí nh tốn mơ thử nghiệm số nguyên nhân dẫn đến tai nạn hàng hải tuyến luồng Sài Gịn phục vụ cơng tác đào tạo vàhuấn luyện thuyền viên Đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải; mãsố: DT174030, năm 2017 Vu Van Duy, Pham Ky Quang, Nguyen Thanh Nhat Lai, Nguyen Chi Cong Studying effects of extending forces on the ship hull in maneuvering The First International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems 2018 - ICFMAS 2018, ISBN: 978-604-95-0609-3, October 27 - 28, 2018, Hanoi, Vietnam ThS NCS Nguyễn Thành Nhật Lai, TS Cổ Tấn Anh Vũ, TS Vũ Văn Duy, PGS TS Phạm Kỳ Quang, ThS Nguyễn Mạnh Nên, ThS Nguyễn ChíCơng Nghiên cứu thực nghiệm tác động dòng chảy đến tàu thủy trình thay đổi hướng chuyển động Tạp chíGiao thơng vận tải, ISSN: 2354-0818, № 9/2019, tr 113 - 116 MỞ ĐẦU Tí nh cấp thiết luận án Tàu thủy cân môi trường nước nhờ lực đẩy Ác-si-mét tác động lên tàu, tàu chuyển động vận tốc đó, lực đẩy màchân vịt tạo cân với lực cản dòng chất lỏng bao quanh vỏ tàu gây Lực bẻ lái giúp tàu thay đổi hướng chuyển động, tạo nhờ chuyển đổi lượng dòng chảy bao quanh bánh lái Đặc biệt, tàu thay đổi hướng chuyển động, lúc dòng chảy bao quanh vỏ tàu lệch với trục dọc tàu góc đó, điều dẫn tới chênh lệch áp suất hai mạn tàu Lúc chất lỏng (khối nước) tác động lên thân tàu lực “gia thêm” hay lực “bù”, làm thay đổi lực cản tác động lên tàu thủy, lực ly tâm vàmômen gia thêm Thực tiễn hàng hải điều động tàu, liên tục thay đổi hướng chuyển động để phùhợp với tí nh chất cơng việc theo kế hoạch Khi tàu thay đổi hướng chuyển động, tương ứng với vận tốc chuyển động tàu, thìtàu chịu lực gia thêm khác Nếu độ lớn lực giới hạn cho phép, việc thay đổi hướng chuyển động tàu gặp khó khăn, nguy hiểm tàu cóthể rơi vào trạng thái cân khơng ổn định, làmột nguyên nhân gây lật tàu Để giải vấn đề này, nghiên cứu sinh (NCS) thực xây dựng mơhình tốn, mơ hình nghiên cứu, thực tí nh tốn mơphỏng vànghiên cứu thực nghiệm Hơn nữa, kết hợp chặt chẽ vấn đề nghiên cứu đề tài luận án với nghiên cứu thực hai đề tài KHCN cấp Bộ Giao thông vận tải, cụ thể: NCS nghiên cứu vàsử dụng phần kết nghiên cứu hai đề tài KHCN cấp Bộ Giao thông vận tải, năm 2017: - Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế vàchế tạo thử nghiệm hệ thống đánh giá tác động tổ hợp chân vịt - bánh lái đến đặc tính điều khiển hướng chuyển động tàu thủy”, mã số: DT 174003 PGS TS Phạm Kỳ Quang làm chủ nhiệm đề tài, TS Vũ Văn Duy, NCS Nguyễn Thành Nhật Lai làthành viên tham gia chính, số thành viên khác - Đề tài: “Xây dựng chương trình tính tốn mơ thử nghiệm số nguyên nhân dẫn đến tai nạn hàng hải tuyến luồng Sài Gòn phục vụ công tác đào tạo vàhuấn luyện thuyền viên”, mã số: DT 174030, năm 2017 tác giả Cổ Tấn Anh Vũ làm chủ nhiệm đề tài, PGS TS Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy, NCS Nguyễn Thành Nhật Lai làthành viên tham gia chính, số thành viên khác Xuất phát từ việc phân tí ch nêu trên, NCS đãlựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trình thay đổi hướng chuyển động” để thực vàln cấp thiết, mang tí nh thời sự, có ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn ngành hàng hải Mục tiêu nghiên cứu luận án Lànghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy hay “lực gia thêm”, trình thay đổi hướng chuyển động Đối tượng vàphạm vi nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu: Động lực học dòng chảy bao tàu thủy tác động động lực học dòng chảy bao đến lực cản, thay đổi hướng chuyển động Phạm vi nghiên cứu: - Xây dựng mơ hình tốn động lực học dịng chảy bao quanh tàu thủy, từ tính tốn mơphỏng để đánh giá ảnh hưởng chúng tới lực cản hay “lực gia thêm”, thay đổi hướng chuyển động thể giátrị bản: Lực cản gia thêm, lực ly tâm vàmômen gia thêm Tuy nhiên, luận án tập trung nghiên cứu thực nghiệm giátrị lực cản gia thêm Việc thay đổi hướng chuyển động tàu hiểu thay đổi giátrị góc θ0 (làgóc hợp phương dòng chảy phương trục dọc tàu khoảng thời gian thay đổi định, tính độ), hay làthân tàu xoay lệch góc định so với hướng chất lỏng - Lựa chọn vàsử dụng mơhình tàu theo tiêu chuẩn đồng dạng với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION, trọng tải 7040 MT, có01 chân vịt chiều phải, để triển khai nghiên cứu thực nghiệm bể thử mơhì nh tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Phương pháp nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu lýthuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể: Nghiên cứu lýthuyết: - Cơ sở lýluận động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy vàlực cản tàu thủy; sở tốn học tảng tính tốn động lực học dịng chảy CFD (Computational Fluid Dynamics), để tí nh tốn mơphỏng thơng số động lực học dịng chảy bao Áp dụng tính tốn mơphỏng chi tiết cho mơ hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, với giátrị vận tốc (Vi) vàthay đổi hướng chuyển động tàu (θ0); - Xây dựng mơhì nh nghiên cứu phương pháp số vàquy trình tính tốn mơphỏng ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy Áp dụng tí nh tốn mơphỏng cho mơ hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, với giá trị vận tốc khác vàkhi thay đổi hướng chuyển động Nghiên cứu thực nghiệm: NCS triển khai thực nghiệm bể thử mơ hình tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, với số nội dung cụ thể sau: - Thiết kế công nghệ vàchế tạo mơhình nghiên cứu thực nghiệm đồng dạng theo tiêu chuẩn với tàu M/V TAN CANG FOUNDATION; - Thiết kế, chế tạo phận kết nối mơhình tàu với hệ thống thínghiệm bể thử mơ hì nh tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Triển khai vận hành bể thử theo phương án thực nghiệm; - Đo giá trị lực cản tác động lên tàu với giátrị vận tốc, thay đổi hướng chuyển động; - Tổng hợp, phân tích, so sánh đánh giá kết nghiên cứu Ý nghĩa khoa học vàthực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học đề tài: - Hệ thống hóa sở lýluận động lực học dịng chảy bao quanh tàu thủy, nhằm đưa mơhì nh nghiên cứu phùhợp Kết nghiên cứu góp phần hồn thiện phần sở lýluận liên quan đến vấn đề nghiên cứu có đóng góp định cho khoa học chuyên ngành hàng hải; - Đưa phương pháp luận xây dựng quy trình ứng dụng CFD với phần mềm Fluent - Ansys, để đánh giá ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy, thay đổi hướng chuyển động Từ áp dụng cho đối tượng vàphạm vi nghiên cứu cụ thể luận án, cónhững giải pháp tránh rủi ro thực tiễn hàng hải Ý nghĩa thực tiễn đề tài: - Một mặt, kết hợp sở khoa học lý thuyết đặc thù liên quan đến khoa học chuyên ngành với thực tiễn hàng hải Mặt khác, hỗ trợ thuyền trưởng chủ động điều khiển hướng chuyển động tàu thủy, tránh rủi ro, nguy hại lực gia thêm gây ra, đặc biệt trình điều động tàu, xử lýcác tì nh khẩn cấp nghiệp vụ dẫn tàu; - Đóng góp định vào khoa học chuyên ngành: Xây dựng phần hệ thống thí nghiệm phục vụ nghiên cứu thực nghiệm Giúp chuyên gia xây dựng chương trình điều khiển tàu tự động có tí nh tới yếu tố ảnh hưởng lực gia thêm, nhằm chủ động trình điều động tàu Những điểm đóng góp luận án 6.1 Xây dựng giải thuật môphỏng tảng ứng dụng CFD với phần mềm Fluent - Ansys toán 2D toán 3D cho mơ hì nh động lực học dịng chảy bao quanh tàu thủy Từ đó, tính tốn mơ cho đối tượng cụ thể với số liệu đầu vào đồng dạng với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION theo 16 trường hợp, thay đổi vận tốc khác vàthay đổi hướng chuyển động tàu 6.2 Xây dựng mô hình tốn nghiên cứu, quy trì nh chung tính tốn mơ thực tí nh tốn mơphỏng ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực gia thêm tác động lên tàu thủy, thay đổi hướng chuyển động, thông qua giátrị là: Lực cản gia thêm, lực ly tâm mô men gia thêm Tổng hợp, phân tích đánh giá cụ thể mối quan hệ theo giátrị cho trường hợp khác nhau, có áp dụng cụ thể mơhình đồng dạng với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION Đồng thời, xây dựng bốn phương trình bậc 3, thể mối quan hệ lực cản (R) với thay đổi hướng chuyển động tàu, trường hợp vận tốc tàu mơ hì nh khác (Vmh), cụ thể: Khi Vmh = 0,45 m/s: R  0,0000645  0,000424  0,03195  0,314 Khi Vmh = 0,55 m/s: R  0,00002567  0,001445  0,007517  0,376 Khi Vmh = 0,65 m/s: R  0,0001472  0,001335  0,007533  0,523 Khi Vmh = 0,75 m/s: R  0,00003167  0,005525  0,05672  0,698 6.3 Thực thiết kế, chế tạo mơhì nh tàu vàcác chi tiết, thiết bị phụ trợ phục vụ trì nh nghiên cứu thực nghiệm phần kết luận án Đo liệu giátrị lực cản mơhình tàu cho 15 trường hợp khác Từ đó, tổng hợp, phân tí ch, so sánh đánh giá kết nghiên cứu thực nghiệm với kết tính tốn mơphỏng ứng dụng CFD với Fluent - Ansys, khẳng định: Kết nhận thực theo hai phương pháp đảm bảo tí nh đại, độ chí nh xác vàtin cậy (với sai lệch trung bì nh là8,4%) Bố cục luận án Luận án gồm 115 trang (không kể phụ lục), gồm phần thứ tự sau: Mở đầu; nội dung (04 chương); kết luận vàkiến nghị; danh mục cơng trình khoa học công bố liên quan đến luận án (09 công trì nh khoa học); tài liệu tham khảo vàphụ lục (03 phụ lục) CHƯƠNG TỔNG QUAN ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN TÀU THỦY Chương tập trung nghiên cứu tổng quan ảnh hưởng động lực học dịng chảy bao đến tàu thủy, tóm tắt vấn đề sau: Tì nh hì nh nghiên cứu giới nước liên quan đến luận án: Trên giới: Có thể kể đến số cơng trì nh tiêu biểu, như: Năm 2009, Force Technology - MAN Diesel, thực dự án ứng dụng CFD nghiên cứu toán động lực học dòng chảy bao quanh tàu tàu Năm 2013 nhóm tác giả Karsten Hochkirch, FutureShip, Potsdam (Đức) vàBenoit Mallol, Numeca, Brussels (Bỉ), công bố kết liên quan đến ứng dụng CFD lực cản vàảnh hưởng sóng tác động, tương tác dịng chảy qua chân vịt bánh lái tàu Năm 2012 nhóm tác giả Voxakis, Petros trường Massachusetts (Mỹ), công bố kết ứng dụng CFD để tí nh tốn lực cản vỏ tàu Năm 2015, nhóm tác giả Tahsin Tezdogan, Yigit Kemal Demirel, Paula Kellett, Mahdi Khorasanchi, Atilla Incecik, Osman Turan, cơng bố kết tốn động lực học bao quanh vỏ tàu sử dụng kỹ thuật “unsteady RANS” ảnh hưởng Hình 1.1 So sánh kết theo CFD mặt thoáng,… vàthực nghiệm Brendan Smoker Năm 2012, tác giả Brendan Smoker, Trường Đại học Victoria (Anh), công bố kết nghiên cứu CFD triển khai nghiên cứu thực nghiệm, để so sánh mơhì nh tàu 3D Ajax (IMD-523C) Kết so sánh cụ thể mơ tả theo hì nh 1.1 Sai lệch lớn công bố là10,16% tốc độ 0,324 m/s vàsai lệch trung bình là6,04% Tác giả bước đầu đưa hệ số lực nâng CL, hệ số lực cản CD với tốc độ tàu vàthay đổi hướng chuyển động khác Tại Việt Nam: Đã có nhiều tác giả nghiên cứu lĩnh vực này, tiêu biểu cóthể kể đến: - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, như: GS TSKH Vũ Duy Quang, GS TS Nguyễn Thế Mịch, PGS TS Trương Việt Anh, PGS TS LêQuang, TS LêThanh Tùng, PGS TS Lương Ngọc Lợi, Nguyễn Đức Hải, Nguyễn Văn Cường,… công bố kết liên quan: Xác định lực cản vỏ tàu, ảnh sóng, xâm thực chân vịt, bánh lái tàu thủy, động lực học dịng chảy, tính tốn lực cản tàu phương pháp mô số, phương pháp xác định sức cản nhờ thử nghiệm mơhì nh tàu, - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Trường Đại học Giao thơng vận tải TP Hồ Chí Minh, Trường Đại học Nha Trang, Viện Khoa học Công nghệ tàu thủy, như: Trần Công Nghị, PGS Nguyễn Đức Ân, KS Nguyễn Bân, PGS Vũ Ngọc Bí ch, PGS LêHồng Bang, PGS Đỗ Quang Khải, TS Vũ Văn Duy, TS Trần Ngọc Tú, TS LêThanh Bì nh, PGS TS Trần Gia Thái, công bố kết nghiên cứu xung quanh vấn đề này, như: Lý thuyết tàu thủy, tính động lực học dịng chảy bao quanh tàu, ứng dụng lýthuyết CFD, tối ưu thiết kế thân tàu thủy, ổn định tàu thủy, tương tác dòng chảy sau chân vịt - bánh lái, xác định lực bẻ lái hay tính bất ổn định, ứng dụng CFD xác định sức cản tàu cávỏ gỗ Việt Nam, Từ kết nghiên cứu nêu nhận xét rằng: Mặc dùcómột số cơng trì nh nghiên cứu động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy Tuy nhiên, việc nghiên cứu vàgắn kết kết vào toán để điều khiển hướng chuyển động tàu qtrì nh điều động chưa có nhiều Với phạm vi đối tượng nghiên cứu đề tài luận án cụ thể, vấn đề nghiên cứu ln mang tí nh thời sự, có ý nghĩa khoa học vàthực tiễn chuyên ngành hàng hải, đồng thời không trùng lặp với cơng trình cơng bố trước Tổng quan động lực học dòng chảy bao tàu thủy vàứng dụng CFD: Trong luận án nghiên cứu chi tiết sở lý luận động lực học dòng chảy bao tàu vàứng dụng CFD; Các khái niệm vàphương trình liên quan đến chất lỏng; Điều kiện đầu điều kiện biên; Chỉ rõnhững ưu, khuyết điểm ứng dụng CFD nghiên cứu Một số khái niệm chuyển động tàu thủy: Liên quan đến chuyển động tàu thủy, điều động tàu, tính chuyển động, tính điều khiển; Tốc độ tàu; Lực cản chuyển động tổng hợp tác động lên tàu Cơ sở lý thuyết ổn định tàu thủy: Thành phần chuyển động, tham số động học chuyển động tàu thủy hệ tọa độ; Trạng thái cân tàu thủy; Ổn định tàu thủy góc nghiêng nhỏ vàgóc nghiêng lớn Giới hạn phạm vi nghiên cứu đề tài luận án: Xây dựng mơhì nh nghiên cứu; Mơ hình tốn động lực học dịng chảy bao quanh tàu, giới hạn khơng xét đến ảnh hưởng sóng, gióvàtập trung nghiên cứu tác dụng dòng chảy (cụ thể vận tốc dòng chảy) lên tàu, thay đổi hướng chuyển động; Ứng dụng CFD với phần mềm FluentAnsys, nhằm tính tốn mơphỏng Phân tích đánh giá ảnh hưởng chúng tới lực cản tàu thủy hay “lực gia thêm”, thay đổi hướng chuyển động, thông qua ba giá trị đặc trưng là: Lực cản gia thêm, lực ly tâm vàmômen gia thêm Lựa chọn vàsử dụng phương pháp theo tiêu chuẩn đồng dạng Froude Lựa chọn sử dụng thông số tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, trọng tải 7040 MT, để làm mơ hình đồng dạng, thực nghiên cứu thực nghiệm bể thử mơhì nh tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Kết luận chương 1: Chương đạt kết sau: - Phân tích đánh giá tổng quan tình hì nh nghiên cứu nước ngồi nước cơng trình liên quan đến luận án Từ đó, rút kết luận vấn đề nghiên cứu luận án mang tí nh cấp thiết, đảm bảo ý nghĩa khoa học đóng góp thực tiễn chuyên ngành hàng hải vàkhông trùng lặp với công trì nh nghiên cứu cơng bố; - Hệ thống hóa sở lýluận tốn động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy ứng dụng CFD, nhằm đánh giá ảnh hưởng chúng tới tàu thủy trình thay đổi hướng chuyển động; Hệ thống hóa sở lýluận điều động tàu thủy, ổn định tàu thủy chuyển động tàu thủy; - Đã giới hạn cụ thể phạm vi nghiên cứu luận án CHƯƠNG ỨNG DỤNG CFD TÍNH TỐN MƠ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO QUANH TÀU THỦY Chương tập trung tí nh tốn mơ động lực học dòng chảy bao quanh tàu CFD, với vấn đề sau: Xây dựng mơ hình nghiên cứu sở toán học; Xây dựng quy trình tính tốn mơ vàthực tính tốn mơ cho toán 2D toán 3D; Phân tí ch kết tính tốn mơ trường hợp tàu chuyển động thẳng thay đổi hướng chuyển động khác Xây dựng mơhì nh nghiên cứu vàcơ sở tốn học: - Mơhì nh nghiên cứu: Lựa chọn vàsử dụng số liệu đồng dạng theo tiêu chuẩn Froude với M/V TAN CANG FOUNDATION (hì nh 2.1), hệ số đồng dạng hình học làk = 100 Các điều kiện biên (hình 2.2): “Đầu vào nước” “đầu vào khí” đặt làvận tốc đầu vào, với độ lớn phương chiều theo tính tốn đồng dạng với tốn thực tế; “Đầu nước” “đầu khí” đặt làáp suất đầu ra, có tí nh tới ảnh hưởng gia tốc trọng trường; Phần giao hai pha làmặt thống phân cách; Bài tốn khơng xét đến ảnh hưởng gióvàsóng, nghĩa dịng chảy bao quanh mơhình tàu cócùng vận tốc - Cơ sở tốn học: Sử dụng phương pháp VOF (volume of fluid), nghĩa giải phương trì nh vi phân chủ đạo cho hỗn hợp nhiều pha, cách đưa thêm vào đại lượng tỷ lệ thể tí ch pha Chương trình sử dụng kỹ thuật giải (Transistion SST) vàcác hệ số thực nghiệm khác Hì nh 2.1 Mơ hình đồng dạng với M/V TAN Hì nh 2.2 Mơhì nh tốn nghiên CANG FOUNDATION vàhình ảnh cứu điều kiện biên đường mớn nước khảo sát Tí nh tốn mơ động lực học dịng chảy bao quanh tàu cho toán 2D toán 3D ứng dụng CFD với phần mềm Fluent - Ansys Điều kiện biên: - Vận tốc đồng dạng theo hồ sơ tàu thực M/V TAN CANG FOUNDATION: Vt = {4,5; 5,0; 5,5; 6,0; 6,5; 7,0; 7,5}, (m/s) - Thay đổi hướng chuyển động tàu trường hợp sau: θ0 = {0050, 0100, 0150, 0200, 0250, 0300}, (độ) Kết nhận được: Kết tí nh tốn mơphỏng cho số đường nước cụ thể; phân bố áp suất, phân bố pha, vận tốc,…; áp lực tác động lên vỏ tàu theo phương Như vậy, giới hạn vùng phương án tính tốn mơ với giátrị vận tốc tàu giátrị hướng chuyển động thay đổi Do đó, tương ứng việc tí nh tốn mơphỏng với 42 trường hợp khác nhau, cho toán 2D đường nước khác (xét đường nước đường số 2, số vàsố theo hì nh 2.1đặc trưng cho trạng thái tàu khơng tải, nửa tải đầy tải) vàbài tốn 3D làcả biên dạng vỏ tàu Hì nh 2.3 mơtả kết tính tốn mơphỏng chia lưới cho khơng gian tính tốn vàcác điều kiện biên Ơ lưới códạng tam giác, khoảng 1,1 triệu ô lưới thu Mỗi trường hợp tí nh tốn, phải xây dựng lại mơ hình cách, quay vỏ tàu khơng gian tính tốn ứng giátrị bất kỳ, nghĩa làthay đổi hướng chuyển động, dẫn tới việc chia lại lưới Phân tí ch kết tí nh tốn mơphỏng Trường hợp tàu chuyển động thẳng Để thuận lợi phân tí ch kết tí nh tốn mơ phỏng, xét trường hợp tàu chuyển động thẳng vận tốc tàu Vt = 7,5 m/s, không xét tới ảnh hưởng sóng vàgió Phân bố áp suất hai mạn tàu gần đối xứng, hay áp lực chất lỏng tác động lên vỏ tàu theo phương thẳng đứng lực đẩy Ác-si-mét cân với trọng tải tàu, theo phương dọc trục chí nh làlực cản theo phương ngang làbằng khơng Hì nh 2.4 Kết tí nh tốn mơphỏng phân bố áp suất hai bên mạn tàu (phần nước) Trường hợp tàu thay đổi hướng chuyển động Kết tí nh tốn mơphỏng cho tốn 2D Với đường nước tính tốn mơphỏng giátrị phân bố áp suất vàhệ số áp suất hai bên mạn tàu Giátrị cụ thể biểu diễn tương ứng cột mầu bên trái hình tương ứng Từ kết này, xác định lực gia thêm theo phương Sau tổng hợp nhiều đường nước khác nhau, để đưa giátrị cho tồn vỏ tàu Tí nh tốn mơphỏng 3đường nước khảo sát đặc trưng làsố 2, số vàsố (các đường nước khác thực tương tự), với điều kiện đầu, cụ thể: - Thay đổi hướng chuyển động tàu: θ0 = 0050, θ0 = 0200 vàθ0 = 0300 - Thay đổi vận tốc tàu là: Vt = 4,5 m/s vàVt = 7,5 m/s Kết tí nh tốn mơphỏng cho ba đường nước, mơtả từ hình 2.5 đến hình 2.9 Hì nh 2.5 Kết tí nh tốn mơphỏng đường nước số Vt = 4,5 m/s, thay đổi θ0 = 0050 vàθ0 = 0200: a) Phân bố áp suất; b) Phân bố hệ số áp suất Hì nh 2.9 Kết tí nh tốn mơphỏng đường nước số Vt thay đổi, θ0 = 0300: a) Phân bố áp suất; b) Phân bố hệ số áp suất Kết tí nh tốn mơphỏng cho tốn 3D Điều kiện đầu vào tương tự toán 2D, kết tính tốn tường minh so với 2D, cho kết phân bố áp suất toàn biên dạng vỏ tàu thủy, đưa lực gia thêm theo phương khác nhau, phân bố pha nước vàkhísẽ cho hình dạng mặt thống tương ứng Kết tí nh tốn mơphỏng thể hình 2.10 Hình 2.10 Kết tí nh tốn mơphỏng, với Vt = 7,5 m/s, thay đổi hướng chuyển động θ0 = 0200: a) Phân bố áp suất vỏ tàu; b) Phân bố pha khítrên vỏ tàu 10 Khi tàu chuyển động thẳng, thìphân bố áp suất hai mạn làgần đối xứng, thay đổi hướng hướng chuyển động θ0 = 0200, thìgiátrị chênh lệch khálớn, đặc biệt làphần mũi tàu, kết tí nh tốn mơphỏng theo hình 2.11 a) b) Hì nh 2.11 Kết mơphỏng phân bố áp suất phần vỏ tàu chìm nước, thay đổi hướng θ0 = 0200, Vt = 7,5 m/s: a) Mạn phải; b) Mạn trái Từ kết theo hình 2.11, ứng dụng CFD với phần mềm Fluent-Ansys xác định giátrị: Lực tác động gia thêm, mô men tác động, theo phương khác nhau, mơtả theo hình 2.12 a) b) Hình 2.12 Kết tí nh tốn theo phương: a) Lực tác động; b) Mơmen gia thêm Hì nh 2.13 vàhình 2.14 đưa kết tí nh tốn môphỏng phân bố áp suất hai mạn vỏ tàu, phần chìm nước, với tốc độ tàu thay đổi Vt = 4,5 m/s vàVt = 7,5 m/s Các trường hợp cịn lại, hồn tồn tính tốn tương tự Phân tí ch kết nhận theo hình 2.14 đến hình 2.15, nhận xét rằng: - Giátrị phân bố áp suất mạn phải vàmạn trái vỏ tàu phần chìm nước với trường hợp thể chi tiết tương ứng ơcột màu nằm bên trái hình tương ứng - Khi thay đổi hướng chuyển động lớn, thìphân bố áp suất bên hai mạn vỏ tàu phần chìm nước thay đổi mạnh tăng theo 11 Hình 2.13 Kết tí nh tốn mơphỏng phân bố áp suất mạn phải vàmạn trái vỏ tàu phần chìm nước, thay đổi θ0 = 0100: a, b) Vt = 4,5 m/s; c, d) Vt = 7,5 m/s Hình 2.14 Kết tí nh tốn mơphỏng phân bố áp suất mạn phải vàmạn trái vỏ tàu phần chìm nước, thay đổi θ0 = 0150: a, b) Vt = 4,5 m/s; c, d) Vt = 7,5 m/s 12 Kết luận chương 2: Chương đạt kết sau: - Xây dựng mơ hình nghiên cứu, sở tốn học, quy trình chung tính tốn, thực tí nh tốn mơphỏng tốn động lực học dịng chảy bao quanh tàu thủy Từ kết nhận cho trường hợp tốn 2D tốn 3D, hồn tồn cho phép xác định lực gia thêm, mô men theo phương tâm áp suất - Kết tí nh tốn cụ thể, chi tiết tường minh trường hợp toán, tàu thay đổi hướng chuyển động Từ thực phân tích, đánh giá so sánh kết toán 2D vàbài toán 3D Tuy nhiên, từ kết tốn mơ hình đồng dạng, cần chuyển đổi mơhình tốn thực cho đại lượng khác CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN TÀU THỦY KHI THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG Từ kết đạt tính tốn mơphỏng đạt chương 2, chương 3, tiếp tục phân tí ch đánh giá ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực gia thêm, tàu thay đổi hướng chuyển động, cụ thể: Xây dựng mơ hì nh nghiên cứu quy trì nh tính tốn mơ phỏng; Tí nh tốn mơ trường hợp hướng chuyển động thẳng thay đổi hướng chuyển động; Tổng hợp, phân tích đánh giá kết tính tốn mơphỏng lực cản, lực ly tâm vàmômen gia thêm Xây dựng mơhì nh nghiên cứu vàquy trình tí nh tốn mơphỏng NCS thực xây dựng mơ hì nh nghiên cứu theo hình 3.1 vàquy trì nh tính tốn mơ thực thông qua bước cụ thể theo hình 3.2 Hì nh 3.1 Mơhì nh nghiên cứu tốn Hì nh 3.2 Quy trì nh tính tốn mơphỏng Phân tí ch quy trình tí nh tốn mơphỏng CFD với Fluent - Ansys theo hì nh 3.2: 13 Các bước từ (1) đến (4) triển khai thực tương tự chương Đối với bước phân tí ch theo sau: Bước 5: Xác định thành phần lực gia thêm; Bước 6: Phân tích đánh giá kết làm bật mục tiêu đánh giá ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến thành phần lực gia thêm; Bước 7: Thay đổi vận tốc tàu, nghĩa thực tí nh tốn lặp lại từ bước 4, cách đặt lại điều kiện biên cho toán (ở thay đổi trị số vận tốc tàu); Bước 8: Thay đổi hướng chuyển động tàu, nghĩa làyêu cầu vẽ lại mơhình tí nh tốn, cách thay đổi thân tàu so với lúc ban đầu giátrị định, sau tiến hành chia lưới cho mơhì nh tính tốn (lặp lại từ bước 3) Kết tí nh tốn mơphỏng trường hợp Điều kiện đầu vào - Bốn giátrị vận tốc tàu thật: Vt ={4,5, 5,5, 6,5, 7,5}, (m/s) - Hướng chuyển động thẳng vàba giátrị thay đổi hướng chuyển động: θ0 = {0100, 0200, 0300}, (độ) Tổng số 16 trường hợp, đồng thời thực tính tốn mơphỏng mơhình tàu thỏa mãn theo tiêu chuẩn Froude với hệ số đồng dạng hình học k = 100, vìvậy vận tốc vào cho tốn mơ hình tàu tương ứng quy đổi theo cơng thức: Vmh  Vs k2 Khi đó: Vmh = {0,45; 0,55; 0,65; 0,75}, (m/s) Hình 3.3 mơ tả kết tính tốn mơ hình ảnh lưới chia cho khơng gian tí nh tốn, với tốn hai pha (pha nước pha khí ) tổng số nút lưới 1,5 triệu, hay 2,65 triệu phần tử lưới Kết tí nh tốn mơ cho trường hợp Trường hợp tàu chuyển động thẳng Kết tính tốn mơ thay đổi vận tốc tàu mơ hình: Vmh = {0,45, 0,55, 0,65, 0,75}, hiển thị bên cột mầu phí a bên trái hình 3.4, nhận xét rằng: Phân bố áp suất hai mạn tàu gần đối xứng, đồng thời tổng hợp kết môtả chi tiết bảng 3.1 Bảng 3.1 Tổng hợp kết giá trị lực cản tàu ổn định hướng chuyển động thẳng Vận tốc mô hình tàu, (m/s) 0,45 0,55 0,65 0,75 Lực cản mơ hình tàu, (N) 0,314 0,376 0,523 0,698 Từ kết bảng 3.1, xây dựng đồ thị lực cản vàvận tốc mơhình tàu, tàu chuyển động thẳng, theo hình 3.5 Hơn nữa, kết tính tốn mơphỏng cho thấy lực ly tâm vàmômen gia thêm gây lật cógiátrị xấp xỉ khơng 14 Hì nh 3.4 Kết tí nh tốn mơphỏng phân bố áp suất, tàu chuyển động thẳng vàthay đổi vận tốc tàu mơhình Trường hợp thay đổi hướng chuyển động tàu θ = 0100 Kết tí nh tốn mơ phân bố áp suất hai mạn tàu mơ tả hình 3.6 vànhận xét rằng: Phân bố áp suất hai mạn tàu bất đối xứng, nguyên nhân gây nên lực gia thêm, khơng làlực cản màcịn lực ly tâm vàmơmen gây lật, với kết tính tốn bảng 3.2 15 Từ kết tổng hợp theo bảng 3.1 vàbảng 3.2, thực xây dựng đồ thị mô tả mối quan hệ lực ly tâm vàlực cản tàu thủy trường hợp tàu chuyển động thẳng thay đổi hướng chuyển động HT = 0100, mơtả theo hình 3.7 a) b) Hình 3.7 Đồ thị mối quan hệ: a) Lực ly tâm vàthay đổi lực cản; b) Mômen gia thêm, chuyển động thẳng thay đổi hướng chuyển động θ0 = 0100 Mô men gia thêm tăng nhanh vận tốc tăng từ 0,55 m/s đến 0,65 m/s và0,75 m/s Đây lànguyên nhân tiềm tàng khiến tàu thủy rơi vào trạng thái cân không ổn định Trường hợp thay đổi hướng chuyển động θ0 = 0200 vàθ0 = 0300 Tương tự, tính tốn trường hợp thay đổi hướng chuyển động với θ0 = 0200, θ0 = 0300 Tổng hợp kết tính tốn cho trường hợp thay đổi môtả theo bảng 3.3 Tổng hợp, phân tí ch đánh giá kết tí nh tốn mơphỏng Đối với giátrị lực cản Từ kết bảng 3.3, xây dựng đồ thị mô tả khoảng giá trị lực cản, lực ly tâm vàmômen gia thêm, theo vận tốc, thay đổi chuyển động, theo hình 3.8, nhận xét: Lực cản gia thêm mơ hình tàu tăng nhanh, thứ tự tăng giá trị hướng chuyển động thay đổi, với giátrị Vmh, cụ thể: - Khi Vmh = 0,45 m/s, lực 16 cản tàu mơ hình tăng: RTM = 1,430 N - 0,314 N = 1,116 N - Khi Vmh = 0,55 m/s, lực cản tàu mơ hình tăng: RTM = 2,144 N - 0,376 N = 1,768 N - Khi Vmh = 0,65 m/s, lực cản tàu mơ hình tăng: RTM = 3,521N - 0,523 N = 2,998 N - Khi Vmh = 0,75 m/s, lực cản tàu mơ hình tăng: RTM = 4,824 N - 0,698 N = 4,126 N Lực cản gia thêm mơ hì nh tàu tăng nhanh, thứ tự tăng giá trị vận tốc mơ hình tàu Vmh = {0,45, 0,55, 0,65, 0,75}, (m/s), với giá trị hướng chuyển động, cụ thể: - Khi hướng chuyển động thẳng, lực cản tàu mơ hình tăng: RTM = 0,698 N - 0,314 N = 0,384 N - Khi thay đổi hướng chuyển động θ = 0100, lực cản tàu mơ hình tăng: RTM = 0,715 N - 0,354 N = 0,361 N - Khi thay đổi hướng chuyển động θ = 0200, lực cản tàu mơ hình tăng: RTM = 2,027 N - 0,855 N = 1,172 N - Khi thay đổi hướng chuyển động θ = 0300, lực cản tàu mơ hình tăng: RTM = 4,824 N - 1,430 N = 3,394 N Lực cản gia thêm tàu thực trường hợp thay đổi hướng chuyển động lớn θ = 0300, quy đổi tính bằng: RTS = 3,394 x k3 = 3,394 x 106 N Xét trường hợp vận tốc mơhì nh tàu lớn nhất, Vmh = 0,75 m/s, hướng chuyển động thay đổi lớn θ = 0300, lực cản gia thêm mơ hì nh tàu nhanh, cụ thể: RTM = 4,824 N - 0,698 N = 4,126 N Lực cản gia thêm tàu thực quy đổi tí nh bằng: RTS = 4,126 x k3 = 4,126 x 106 N Như vậy, với giá trị lực cản tăng nhanh, dẫn đến vận tốc tàu giảm nhanh, lực đẩy chân vịt không thắng lực cản, vìvậy trình điều động tàu cần thay đổi hướng chuyển động cách phùhợp - Đồ thị lực cản tương ứng với vận tốc khác tàu thay đổi hướng chuyển động (hình 3.9), có dạng phần đường cong bậc ba tổng quát: 17 (3.1) R  a  b  c  d Từ kết bảng 3.3, thực thay điểm làm việc khác, chẳng hạn: (0100; 0,715), (0200; 2,027) và(0300; 4,824) vào phương trình (3.1), nhận hệ phương trình bậc ẩn làa, b, c vàxác định biến a, b, c sau: a = 0,00003167; b = 0,005525; c = - 0,05672 Như vậy, phương trình đường cong thể mối quan hệ lực cản hướng chuyển động tàu, vận tốc thay đổi: Khi Vmh = 0,45 m/s: R  0,0000645  0,000424  0,03195  0,314 Khi Vmh = 0,55 m/s: R  0,00002567  0,001445  0,007517  0,376 Khi Vmh = 0,65 m/s: R  0,0001472  0,001335  0,007533  0,523 Khi Vmh = 0,75 m/s: R  0,00003167  0,005525  0,05672  0,698 Đối với giátrị lực ly tâm Phân tí ch kết theo bảng 3.3 vàhì nh 3.10, nhận xét rằng: Lực ly tâm mơ hình tàu tăng, thứ tự tăng giá trị θ = {0100, 0200, 0300}, với giátrị Vmh, cụ thể: - Vmh = 0,45 m/s, lực ly tâm tàu mơ hì nh tăng: Fly tâm mơ hình = 0,047 N 0,0015 N = 0,0455 N; - Vmh = 0,55 m/s, lực ly tâm tàu mô hì nh tăng: Fly tâm mơ hình = 0,065 N 0,0085 N = 0,0565 N; - Vmh = 0,65 m/s, lực ly tâm tàu mơ hì nh tăng: Fly tâm mơ hình = 0,083 N 0,0120 N = 0,0710 N; - Khi Vmh = 0,75 m/s, lực ly tâm tàu mơ hình tăng: - Fly tâm mơhình = 0,148 N 0,0180 N = 0,1300 N Lực ly tâm mô hình tàu tăng nhanh, thứ tự tăng giá trị vận tốc mơhình tàu Vmh = {0,45, 0,55, 0,65, 0,75}, (m/s), với giátrị hướng chuyển động tàu, cụ thể: - Khi thay đổi hướng chuyển động làθ = 0100, lực ly tâm tàu mơ hình tăng: Fly tâm mơhình = 0,148 N - 0,047 N = 0,101 N - Khi thay đổi hướng chuyển động làθ = 0200, lực ly tâm tàu mơ hình tăng: Fly tâm mơhình = 0,0240 N - 0,0065 N = 0,0175 N - Khi thay đổi hướng chuyển động làθ = 0300, lực ly tâm tàu mơ hình tăng: Fly tâm mơhình = 0,0180 N - 0,0015 N = 0,0165 N Lực ly tâm tàu thực trường hợp thay đổi hướng chuyển động lớn θ = 0300 vàVmh = 0,75 m/s, quy đổi tính bằng: Fly tâm tàu thực = 0,0180 x k3 = 0,0180 x 106 N Đối với giátrị mơmen gia thêm Từ bảng 3.3 vàhì nh 3.11, nhận xét: Mơmen gia thêm mơhì nh tàu tăng, thứ tự tăng giá trị hướng chuyển động θ = {0100, 0200, 0300}, với giátrị Vmh, cụ thể: 18 - Khi Vmh = 0,45 m/s, mơ men gia thêm tàu mơ hình tăng: Mgia thêm mơ hình = 0,27 N.m - 0,08 N.m = 0,19 N.m; - Khi Vmh = 0,55 m/s, mô men gia thêm tàu mơ hình tăng: Mgia thêm mơ hình = 7,02 N.m - 1,00 N.m = 6,02 N.m; - Khi Vmh = 0,65 m/s, mô men gia thêm tàu mơ hình tăng: Mgia thêm mơ hình = 22,14 N.m - 7,88 N.m = 14,26 N.m; - Khi Vmh = 0,75 m/s, mô men gia thêm tàu mơ hình tăng: Mgia thêm mơ hình = 32,15 N.m - 10,89 N.m = 21,26 N.m Mô men gia thêm mơ hình tàu tăng nhanh, thứ tự tăng giá trị vận tốc mơ hì nh tàu Vmh = {0,45, 0,55, 0,65, 0,75}, (m/s), với giátrị hướng chuyển động tàu: - Khi thay đổi hướng chuyển động làθ = 0100, mô men gia thêm tăng là: Mgia thêm mơhình = 10,89 N.m - 0,09 N.m = 10,78 N.m - Khi thay đổi hướng chuyển động làθ = 0200, mô men gia thêm tăng là: Mgia thêm mơhình = 21,62 N.m - 0,15 N.m = 21,47 N.m - Khi thay đổi hướng chuyển động làθ = 0300, mơ men gia thêm tăng là: Mgia thêm mơhình = 32,15 N.m - 0,27 N.m = 31,88 N.m Mô men gia thêm tàu thực, thay đổi hướng chuyển động lớn θ = 0300 Vmh = 0,75 m/s, quy đổi tí nh bằng: Mgia thêm mơhình = 32,15 N.m - N.m = 32,15 N.m Mgia thêm tàu thực = 32,15 x k4 = 32,15 x 108 N.m Kết luận chương 3: Chương đạt kết sau: - Đã xây dựng mơhình tốn đánh giátác động động lực học dòng chảy bao đến tàu thủy, thay đổi hướng chuyển động, đảm bảo bám sát vàphùhợp thực tiễn hàng hải, đặc biệt công tác nghiệp vụ dẫn tàu; - Đã xây dựng quy trình ứng dụng CFD với phần mềm Fluent - Ansys cách phù hợp, đề giải vấn đề nghiên cứu đặt Từ đó, kết tí nh tốn mơphỏng chi tiết cho trường hợp cụ thể, tường minh đảm bảo độ chí nh xác; - Tí nh tốn mơ cụ thể cho mơ hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION với 16 điểm làm việc tương ứng Từ kết tí nh tốn mơphỏng, thực tổng hợp, phân tích đánh giá cụ thể mối quan hệ lực cản gia thêm, lực ly tâm, mômen gia thêm, theo vận tốc với thay đổi hướng chuyển động tàu Đồng thời, tính tốn quy đổi giátrị nêu giátrị tàu thực theo tiêu chuẩn đồng dạng Frounde - Đã xây dựng bốn phương trình bậc 3, thể mối quan hệ lực cản R với hướng chuyển động thay đổi vàvận tốc tàu khác 19 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM: PHÂN TÍCH, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Chương tập trung nghiên cứu thực nghiệm giải cụ thể vấn đề sau: Giới thiệu tổng quan số bể thử nghiệm mơhì nh tàu giới vàtrong nước; Thiết kế, chế tạo mơhình tàu nghiên cứu thực nghiệm vàthiết bị liên quan; Quy trình phương án nghiên cứu thực nghiệm bể thử Trường Đại học Hàng hải Việt Nam; Tổng hợp, so sánh đánh giá kết tính tốn mơphỏng vàkết nghiên cứu thực nghiệm Giới thiệu tổng quan số bể thử nghiệm mơhì nh tàu giới nước: Trên giới, luận án mơ tả chi tiết bể thử mơhình tàu, cóthể kể đến: Trường Đại học Công nghệ Sharif; Trường Đại học Madrid (Tây Ban Nha); Trường Đại học Gent (Bỉ); Trường Đại học Shouthampton (Anh); bể thử mơ hì nh tàu Marintek (Na Uy), Tại Việt Nam, có số bể thử Trường Đại học Bách khoa TP Hồ ChíMinh, Viện Khoa học - Cơng nghệ tàu thủy, thực số tốn định Một bể thử điển hì nh đại bể thử mơ hì nh tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam (VMU), nghiên cứu thực nghiệm phần kết luận án NCS lựa chọn bể thử để thực Hì nh 4.1 Hình ảnh bể thử mơ hình tàu nghiên cứu thực nghiệm Một số Trường Đại học Hàng hải Việt Nam thơng số chí nh bể thử mơhì nh tàu: Chiều dài: 50 (m); Chiều rộng: 2,0 (m); Chiều sâu: 1,5 (m); Chiều dày thành bể: 0,5 (m); Vận tốc tối đa: 3,2 (m/s); Sai số phép đo: 1,5% Thiết kế, chế tạo mơ hì nh tàu nghiên cứu thực nghiệm thiết bị liên quan: NCS kết hợp với nhóm nghiên cứu xây dựng cụ thể mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm, đảm bảo: Làm chủ quy trình chế tạo tàu mơ hì nh phụ kiện liên quan; Quy trình vận hành bể thử mơ hì nh tàu; Kiểm chứng số kết đạt luận án 20 Đồng thời, thiết kế vàchế tạo mơhì nh vỏ tàu; chế tạo thiết bị phụ trợ liên quan; chế tạo mặt bí ch kết nối mơhình tàu với hệ thống dẫn động bể thử, Xây dựng quy trình phương án triển khai nghiên cứu thực nghiệm bể thử mơhình tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam: Thông qua khởi động thiết bị (4 bước); tắt thiết bị (2 bước); bước triển khai (7 bước); chúýliên quan Tổng số 16 trường hợp nghiên cứu thực nghiệm, đó: Hướng chuyển động thẳng vàba lần thay đổi hướng chuyển động: θ = {0100, 0200, 0300} vàbốn giátrị vận tốc tàu Tổng hợp phương án nghiên cứu thực nghiệm theo bảng 4.1 Kết nghiên cứu thực nghiệm bể thử mơhì nh tàu: Thực phân tích, đánh giá kết thực nghiệm trường hợp hướng chuyển động thẳng thay đổi hướng chuyển động, thứ tự: θ = {0100, 0200, 0300} Xây dựng đồ thị mối quan hệ giátrị lực cản đo với tốc độ tương ứng, tàu chuyển động thẳng thay đổi hướng chuyển động: Hì nh 4.2 Đồ thị mối quan hệ giátrị lực cản đo vận tốc tàu mơhì nh chun động thẳng thay đổi hướng chuyển động 21 Bảng 4.2 Tổng hợp kết đo mơhình tàu vàchuyển đổi cho tàu thật Hình 4.3 Đồ thị quan hệ giá trị lực cản vận tốc, tàu thay đổi hướng chuyển động Chi tiết kết nghiên cứu thực nghiệm bể thử mơ hình tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam cho Phụ lục luận án, kèm theo giấy chứng nhận Tổng hợp, so sánh đánh giá kết tí nh tốn mơphỏng vàkết nghiên cứu thực nghiệm Từ kết tính tốn môphỏng CFD với phần mềm Fluent - Ansys chương 3, kết hợp với kết nghiên cứu thực nghiệm chương Kết cụ thể trường hợp hướng chuyển động thẳng thay đổi hướng chuyển động tàu mơ hì nh với ba giátrị θ = {0100, 0200, 0300}, môtả chi tiết theo hình 4.4 Hình 4.4 Đồ thị so sánh kết tí nh tốn mơ theo CFD (mầu xanh) thực nghiệm (mầu đỏ): a) Khi chuyển động thẳng; b, c, d) Khi thay đổi hướng chuyển động 22 Từ kết Bảng 4.3 Tổng hợp kết lực cản theo CFD vàthực nghiệm bảng 4.3, nhận xét: - Kết tính tốn phương pháp CFD vànghiên cứu thực nghiệm có độ chênh lệch trung bình cho 15 trường hợp 8,4%, sai lệch lớn trường hợp tàu chuyển động thẳng với tốc độ là0,55 m/s gần 19% - So sánh tương kết sai lệch trung bì nh màtác giả Brendan Smoker thuộc Trường Đại học Victoria (Anh), công bố cơng trì nh khoa học quốc tế 10,16% năm 2012, thìrõ ràng: Kết nhận theo hai phương pháp mà NCS nhóm nghiên cứu thực hiện, bể thử mơhì nh tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, đảm bảo độ tin cậy vàhoàn toàn chấp nhận Kết luận chương 4: Tập trung nghiên cứu thực nghiệm, thực phân tí ch, so sánh đánh giánhằm minh chứng cho số kết đạt luận án, cụ thể: - Hệ thống hóa số bể thử mơhình tàu uy tín giới nước, ứng dụng thực nghiệm bể thử mơhì nh tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam; - Thiết kế, chế tạo mơ hì nh tàu vàcác chi tiết, thiết bị phụ trợ mơ hì nh, phù hợp tốn, để phục vụ quátrình nghiên cứu thực nghiệm bể thử; - Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, đo giá trị lực cản mơ hình tàu cho 15 trường hợp (trừ trường hợp tàu chuyển động thẳng với tốc độ nhỏ là0,45 m/s) Phân tí ch kết đo đạc 15 trường hợp làm việc, từ tổng hợp, đánh giá so sánh cụ thể kết nghiên cứu thực nghiệm với kết tính tốn mơphỏng CFD Từ kết nhận theo hai phương pháp này, chứng tỏ rằng: Qtrì nh tí nh tốn mơphỏng vànghiên cứu thực nghiệm bể thử mơhì nh tàu đảm bảo độ chí nh xác vàtin cậy (với sai lệch trung bì nh là8,4%) KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Bằng phương pháp nghiên cứu thực đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy thay đổi hướng chuyển động”, đạt mục đích nghiên cứu đặt ra, với kết cụ thể sau: 1.1 Hệ thống hóa sở lýluận quan đến tốn động lực học dịng chảy bao quanh tàu đánh giá ảnh hưởng đến lực gia thêm trình thay đổi hướng chuyển động 1.2 Xây dựng mơhình nghiên cứu vàcơ sở tốn học tảng ứng dụng CFD với phần mềm Fluent - Ansys, để tí nh tốn mơphỏng động lực học dịng chảy bao quanh tàu thủy cho toán 2D vàbài tốn 3D Từ đó, thực tính tốn mơphỏng cho đối tượng cụ thể với số liệu đầu vào đồng dạng với tàu thực M/V TAN CANG FOUNDATION là16 trường hợp, cụ thể: Vận tốc tàu thay đổi Vt = {4,5; 5,5; 6,5; 7,5}, (m/s) vàthay đổi hướng chuyển động tàu, tương ứng với giátrị θ = {0100, 0150, 0200, 0300} Kết tí nh tốn mơphỏng chi tiết tường minh trường hợp vấn đề nghiên cứu, như: Phân bố áp suất hai bên mạn tàu, hệ số áp suất, mômen 23 1.3 Xây dựng mơ hình tốn nghiên cứu quy trình tính tốn mơ ảnh hưởng động lực học dịng chảy bao đến lực gia thêm tác động lên tàu thủy, thay đổi hướng chuyển động tàu mơhình, thơng qua giátrị là: Lực cản gia thêm, lực ly tâm vàmơmen gia thêm Từ đó, xây dựng đồ thị mối quan hệ giátrị theo vận tốc hướng chuyển động thay đổi Đồng thời, tổng hợp, phân tích đánh giá mối quan hệ cho trường hợp Mặt khác, khái quát mối quan hệ giátrị nêu sau: - Khi tàu chuyển động thẳng, tốc độ tàu tăng dẫn đến lực cản tăng theo; - Khi tàu thay đổi hướng chuyển động khác tăng dần: Tốc độ tàu tăng giátrị lực cản, lực ly tâm mô men gia thêm tăng; - Khi tàu thay đổi hướng chuyển động khác tăng dần, vận tốc tàu khơng thay đổi, thìgiátrị lực cản tăng mô men gia thêm tăng theo, lực ly tâm giảm 1.4 Đã xây dựng bốn phương trình bậc 3, thể mối quan hệ lực cản R với thay đổi hướng chuyển động tàu, tốc độ tàu mơhì nh khác nhau, cụ thể: Khi Vmh = 0,45 m/s: R  0,0000645  0,000424  0,03195  0,314 Khi Vmh = 0,55 m/s: R  0,00002567  0,001445  0,007517  0,376 Khi Vmh = 0,65 m/s: R  0,0001472  0,001335  0,007533  0,523 Khi Vmh = 0,75 m/s: R  0,00003167  0,005525  0,05672  0,698 1.5 Đã thiết kế, chế tạo mơ hì nh tàu vàcác chi tiết, thiết bị phụ trợ phục vụ quátrình nghiên cứu thực nghiệm phần kết luận án làlực cản tác động lên tàu trình thay đổi hướng chuyển động bể thử mơ hì nh tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Cụ thể thực đo liệu giátrị lực cản mơ hình tàu cho 15 trường hợp khác Đồng thời, tổng hợp, phân tích, so sánh đánh giá kết nghiên cứu thực nghiệm với kết tính tốn mơphỏng CFD với phần mềm Fluent - Ansys, khẳng định rằng: Kết nhận thực theo hai phương pháp đảm bảo tí nh đại, độ xác vàtin cậy (với sai lệch trung bình là8,4%) KIẾN NGHỊ Kiến nghị luận án vấn đề cần quan tâm hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể: 2.1 Luận án tính tốn mơ chi tiết, tường minh thành phần lực cản gia thêm, lực ly tâm vàmômen gia thêm Tuy nhiên, nghiên cứu thực nghiệm bể thử mơ hì nh tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam chưa đo lực ly tâm vàmô men gia thêm, vìhệ thống bể thử chưa trang bị thiết bị cần thiết để đo thành phần nêu Nếu điều kiện cho phép, nghiên cứu tiếp theo, nghiên cứu sinh cố gắng nghiên cứu thực nghiệm giátrị lại 2.2 Luận án xây dựng quy trình ứng dụng CFD tính tốn mơ động lực học dịng chảy bao quanh tàu thủy, từ áp dụng cho chủng loại tàu khác Tuy nhiên, đánh giá ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy thay đổi hướng chuyển động, thực cho chủng loại tàu cụ thể (đồng dạng theo mơ hì nh tàu M/V TAN CANG FOUNDATION), theo số trường hợp điều động tàu có nguy an toàn hàng hải 24 ... nghiên cứu: Động lực học dòng chảy bao tàu thủy tác động động lực học dòng chảy bao đến lực cản, thay đổi hướng chuyển động Phạm vi nghiên cứu: - Xây dựng mơ hình tốn động lực học dịng chảy bao. .. hải Mục tiêu nghiên cứu luận án L? ?nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy hay ? ?lực gia thêm”, trình thay đổi hướng chuyển động Đối tượng vàphạm vi nghiên cứu luận án... LUẬN Bằng phương pháp nghiên cứu thực đề tài luận án: ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy thay đổi hướng chuyển động? ??, đạt mục đích nghiên cứu đặt ra, với kết