Nghiên cứu đề xuất hình dáng tàu chở container phù hợp tuyến luồng sông biển việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ NGỌC HOA NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HÌNH DÁNG TÀU CHỞ CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SƠNG BIỂN VIỆT NAM Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số chuyên ngành: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP Hồ Chí Minh, 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ NGỌC HOA NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HÌNH DÁNG TÀU CHỞ CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số chuyên ngành: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Vũ Ngọc Bích PGS.TS Lê Tất Hiển TP Hồ Chí Minh, 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Các số liệu kết nghiên cứu suốt luận án trung thực chưa công bố luận án nghiên cứu khác Tất tham khảo kế thừa trích dẫn, tham chiếu đầy đủ Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Ngọc Hoa ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí trường cho phép tạo điều kiện cho thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn khoa học: PGS TS Vũ Ngọc Bích PGS TS Lê Tất Hiển nhiệt tình hướng dẫn, định hướng giúp tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn tất chuyên gia tham gia góp ý phản biện hội đồng bảo vệ tổng quan, bảo vệ chuyên đề giúp làm sáng tỏ vấn đề từ có nghiên cứu trọng tâm để hồn thiện luận án Tơi xin cảm ơn đơn vị thiết kế tàu hỗ trợ tài liệu, mơ cần thiết giúp tơi ứng dụng nghiên cứu, xây dựng đánh giá mơ hình tốn mơ xác Cuối tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, đồng nghiệp bạn bè ln động viên, khuyến khích, tạo điều kiện cho tơi suốt thời gian hồn thành luận án TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngọc Hoa iii TÓM TẮT Vấn đề sử dụng lượng hiệu cho phương tiện thủy ngày mang tính cấp thiết liên quan đến tiết kiệm nhiên liệu khai thác tàu yêu cầu bắt buộc Ủy ban bảo vệ môi trường biển (MEPC) thuộc Tổ chức hàng hải quốc tế (IMO) giảm nhiễm mơi trường lượng phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính tồn cầu Đối với tàu chạy tuyến SB (pha sông biển), nằm đối tượng áp dụng quy định IMO, cần phải thỏa mãn quy định, nghị quyết, luật Việt Nam mục tiêu sử dụng lượng hiệu tiết kiệm Chính vậy, toán nghiên cứu giải pháp thiết kế phương tiện thủy nhằm nâng cao hiệu sử dụng lượng chủ đề có tính thời đội tàu chạy chuyến quốc tế Việt Nam nói chung mà cịn đội tàu SB nói riêng Trong luận án này, tác giả trình bày phương pháp luận thiết kế tuyến hình tàu SB phân tích, trình bày hàm mục tiêu sức cản dựa phương pháp bán thực nghiệm Holtrop, có xét điều kiện ràng buộc độ sâu tuyến luồng sơng biển Việt Nam Kế đến, thuật tốn tối ưu hóa di truyền xây dựng để chọn lựa thơng số hình dáng phù hợp theo hướng giảm sức cản tàu, từ tiết kiệm nhiên liệu cho tàu, góp phần nâng cao hiệu kinh tế giảm ô nhiễm môi trường Cuối cùng, luận án thiết lập đề xuất mơ hình tốn NUBS cho hình dáng tàu để giải tính liên tục phân đoạn mũi, lái thân ống sau hiệu chỉnh Lackenby mở rộng đề xuất tập hợp hàm sở NUBS phù hợp cho tàu container tuyến luồng sông biển Phương pháp mô số (CFD) sử dụng để tính tốn lực cản tàu nhằm đánh giá, kiểm chứng hình dáng thân tàu container khẳng định kết cải tiến hình dáng thân tàu container theo mơ tốn đề xuất iv ABSTRACT The issue of efficient energy use for ships is urgent because of fuel-saving in ship operation and the mandatory requirements of the Marine Environment Protection Committee (MEPC) of the International Maritime Organization (IMO) to reduce environmental pollution global and greenhouse gas emissions For ships operating on the coastal route (both at sea and in inland waters), although they are not subject to the application of the above regulations of IMO, it is also necessary to satisfy the regulations, resolutions, and laws of Vietnam on the intended use of energy-efficient and economical Therefore, researching solutions to design vessels to improve energy efficiency is critical for Vietnam's international fleet of ships in general and the whole coaster fleet in particular In this thesis, the author presents the methodology in designing the hull form of a sea-river ship and analyzes and presents the objective function of resistance based on the Holtrop semi-empirical method, considering the condition of constraining the shallow water of the Vietnamese waterway Next, a genetic optimization algorithm was built to select suitable hull form parameters to reduce ship resistance, thereby saving fuel for ships, improving economic efficiency, and reducing environmental pollution Finally, the NUBS mathematical model has been established and proposed for the ship hull form to solve the discontinuity between the bow, aft, and mid-body after Lackenby variation and extended the proposed set of basis functions of NUBS is suitable for container ships on the coastal route The computational fluid dynamic method (CFD) is used to calculate the ship resistance to evaluate and verify the hull form and confirm the results of improving the hull form of the container ship according to the proposed NUBS mathematical model v MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC HÌNH VẼ x DANH MỤC BẢNG BIỂU xv MỞ ĐẦU CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM 1.1 Tổng quan tuyến vận tải thủy sông biển hệ thống vận tải đa phương thức 1.1.1 Vai trò, thực trạng vận tải thủy giới Việt Nam 1.1.2 Đặc điểm ràng buộc thủy – hải văn ảnh hưởng đến hình dáng phương tiện thủy tuyến luồng sông biển Việt Nam 1.2 Tổng quan kích thước ràng buộc thiết kế cho hình dáng tàu container tuyến luồng sông biển giới Việt Nam 13 1.3 Hướng tiếp cận cải tiến tuyến hình tàu container nhằm giảm sức cản dựa giải thuật tối ưu đồ họa máy tính 20 1.3.1 Tiếp cận tối ưu hóa hình dáng dựa xây dựng tuyến hình từ tàu mẫu phù hợp với tuyến luồng sông biển Việt Nam 20 1.3.2 Tiếp cận đồ họa máy tính để xây dựng mơ hình tốn tuyến hình 23 1.4 Kết luận chương 27 CHƯƠNG : NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU SỨC CẢN TÀU CONTAINER SB 29 2.1 Cơ sở phương pháp luận thiết kế hình dáng tàu container SB 29 2.2 Phân tích lựa chọn phương pháp xác định sức cản tàu 31 2.3 Nghiên cứu, xây dựng hàm mục tiêu sức cản theo phương pháp Holtrop 33 2.3.1 Tổng quan thành phần sức cản 33 2.3.2 Tích hợp phương pháp Holtrop vào hàm mục tiêu sức cản 36 2.3.3 Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tích phân gần hệ số hình dáng tàu sở đường cong diện tích sườn (SAC) 40 2.4 Tích hợp ảnh hưởng vùng nước hạn chế đến sức cản toàn tàu 45 vi 2.4.1 Ảnh hưởng vận tốc tới hạn tuyến luồng đến sức cản tàu SB 46 2.4.2 Ảnh hưởng độ sâu luồng lạch hình dáng tàu đến sức cản tàu SB 48 2.5 Kết luận 50 CHƯƠNG : NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU THƠNG SỐ HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER SB 52 3.1 Cơ sở giải thuật tối ưu di truyền kỹ thuật 52 3.1.1 Tổng quan sở tối ưu giải thuật di truyền 52 3.1.2 Đánh giá hiệu thuật toán di truyền dựa hàm toán sở 55 3.2 Xây dựng giải thuật tối ưu di truyền đề xuất hình dáng phương tiện thủy 58 3.2.1 Cơ chế mã hóa chọn lựa 59 3.2.2 Cơ chế lai ghép 61 3.2.3 Cơ chế đột biến 63 3.2.4 Các ràng buộc thơng số hình dáng tàu tiếp cận dựa đường cong diện tích sườn SAC 64 3.3 Kết luận 71 CHƯƠNG : NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HĨA HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER SB THEO HÀM THAM SỐ NUBS .72 4.1 Cơ sở hiệu chỉnh hình dáng tàu dựa đường cong SAC 72 4.1.1 Phương pháp hiệu chỉnh hình dáng tàu – Cp 72 4.1.2 Phương pháp hiệu chỉnh hình dáng tàu Swing 74 4.1.3 Phương pháp hiệu chỉnh hình dáng tàu Lackenby 74 4.1.4 Về tính trơn liên tục đường cong SAC sau hiệu chỉnh Lackenby 77 4.2 Xây dựng mơ hình tốn đường hình dáng tàu với hỗ trợ hàm tham số NUBS 79 4.2.1 Cơ sở toán hàm tham số xây dựng hình dáng tàu 79 4.2.2 Tính liên tục hàm tham số xây dựng hình dáng tàu 80 4.2.3 Thiết lập phương trình tốn học biểu diễn đường cong tham số NUBS (Non-Uniform B-spline) 82 4.2.4 Thiết lập vector nút (knot vector) 84 vii 4.2.5 Thuật toán nghịch đảo NUBS (reverse engineering) từ đường cong diện tích sườn lý thuyết SAC 85 4.3 Kết thảo luận 89 CHƯƠNG : ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THUẬT TOÁN XÂY DỰNG HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER SB 90 5.1 Đánh giá hệ số hình dáng theo đường cong SAC hàm sức cản tối ưu di truyền 92 5.1.1 Kết tích phân số đường cong diện tích sườn từ hình dáng tàu mẫu 92 5.1.2 Đánh giá hiệu hình dáng tàu theo hàm mục tiêu tối ưu sức cản có xét đến ảnh hưởng độ sâu luồng lạch 93 5.2 Đánh giá tuyến hình tàu container 128TEU xây dựng từ hàm sở NUBS 98 5.2.1 Kết đường cong diện tích sườn lý thuyết SAC sau hiệu chỉnh Lackenby 98 5.2.2 Kết mơ hình tốn NUBS hiệu chỉnh theo dạng ma trận không vuông 99 5.3 Đánh giá hiệu hình dáng tàu dựa tính tốn mơ số 107 5.3.1 Thiết lập phương trình (governing equations) mơ hình dịng rối (turbulence model) 107 5.3.2 Thiết lập miền tính toán, chia lưới điều kiện biên 109 5.4 Thảo luận: 123 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .124 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CỐNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 PHỤ LỤC TỔNG HỢP CÁC BÀI BÁO, KỶ YẾU .135 PHỤ LỤC LẬP TRÌNH CODE MATLAB 136 viii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AM Midship section Diện tích sườn tàu B Breadth Chiều rộng thiết kế CB Block coefficient Hệ số béo thể tích CP Prismatic coefficient Hệ số béo lăng trụ CM Midship section coefficient Hệ số béo sườn tàu CWP Waterplane area coefficient Hệ số béo diện tích mặt đường nước CF Frictional coefficient Hệ số sức cản ma sát CW Wave-making resistance coefficient Hệ số sức cản sóng CPf ,a The forebody, afterbody of prismatic Hệ số hình dáng lăng trụ ban đầu tính từ vị trí sườn đến phía coefficient trước mũi, sau lái tàu δ CPf ,a The change in forebody, afterbody of Độ lệch hệ số hình dáng lăng trụ prismatic coefficient phần trước mũi sau lái ∆ Displacemnet Lượng chiếm nước ∇ Volume Thể tích chiếm nước D Depth Chiều cao tàu DNS Direct numerical simulation Phương pháp mô số trực tiếp Fn Froude number Hệ số Froude Froude number in shallow water Hệ số Froude theo độ sâu tuyến luồng H Height Độ sâu luồng lạch hf ,a The forebody, afterbody of fractional Khoảng cách trọng tâm δ C Pf ,a distance from midships of the tính từ vị trí sườn tàu đến phía centroid of the added area mũi, sau lái FnH LCB Longitudinal centre of buoyancy Hoành độ tâm tàu xét từ tàu δ LCB The change in longitudinal centre of Độ lệch hoành độ tâm tàu buoyancy mẫu tàu thiết kế LCG Longitudinal centre of gravity LPf ,a The forebody, afterbody of length of Chiều dài đoạn thân ống phần parallel middle body trước mũi sau lái Hoành độ trọng tâm 136 PHỤ LỤC LẬP TRÌNH CODE MATLAB GIẢI THUẬT MATLAB CHO CÁC THÀNH PHẦN SỨC CẢN function y = resistance(x) L=72.5; Lpp=71.2; B=12.875; Tf=3.9; Ta=3.9; % delta=2995; hoanh_tam=-0.013; Abt=0.0; hb=0.0; % Cm=0.967; Cwp=0.947; At=7; Sapp=0; Cstern=10; khoang_ho_cv=0.1; V=10; T=(Tf+Ta)/2; Fn=(V*1852/3600)/sqrt(9.81*L); Cb = Cp*Cm; delta = Cb*(L*B*(Tf+Ta)/2); Lr=(1-Cp+0.06*Cp*lcb/(4*Cp-1))*L; if Tf/L>0.05 c12=(T/L)^0.2228446; elseif 0.02