Nghiên cứu mô phỏng số biến dạng của cánh ngầm tàu cao tốc trong quá trình vận hành

Bài báo nghiên cứu tính toán mô phỏng sự tương tác giữa dòng chảy và cánh ngầm tại các vận tốc làm việc khác nhau. Bài toán tương tác rắn - lỏng hai chiều giữa cánh ngầm và dòng chảy có mặt thoáng qua cánh ngầm được mô phỏng.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG SỐ BIẾN DẠNG CỦA CÁNH NGẦM TÀU CAO TỐC TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH NUMERICAL SIMULATION FOR DEFORMATION OF HYDROFOIL WING IN OPERATING CONDITIONS MAI THANH KIỀU, PHẠM THỊ THANH HƯƠNG, PHẠM VĂN SÁNG* Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email liên hệ: sang.phamvan@hust.edu.vn Tóm tắt Bài báo nghiên cứu tính tốn mơ tương tác dòng chảy cánh ngầm vận tốc làm việc khác Bài toán tương tác rắn - lỏng hai chiều cánh ngầm dòng chảy có mặt thống qua cánh ngầm mơ Giá trị biến đổi theo thời gian lực cản, lực nâng tác dụng lên cánh ngầm, biến dạng cánh ngầm ảnh hưởng biến dạng tới lực tương tác tính tốn, mơ vận tốc tàu khác Kết cho thấy phụ thuộc lực cản, lực nâng, biến dạng cánh ngầm vào vận tốc tàu độ chiều sâu cánh so với mặt thống Từ khóa: Cánh ngầm, CFD, phương pháp biên Abstract The article explores the simulation of interaction between the flow and the hydrofoil wing at different working speeds Two - dimensional solid - liquid interaction problem between the hydrofoil wing and the fluid is simulated The value and transformation over time of the drag force, the lifting force on the wing, the deformation of the wing and the effect of the deformation to the interactive force, simulation at different speeds The result shows the dependence of the resistance, the lifting, the deformation of the wing at the speed of the ship and the depth of the wings hợp giúp thân tàu nhẹ hơn, từ tăng tính động tàu Trong loại tàu cao tốc, tàu cánh ngầm loại có tỷ số lực nâng lực cản cao Sau kỷ XX, tàu cánh ngầm thiết kế, chế tạo đưa vào khai thác phục vụ du lịch cách rộng rãi Ngày nay, loại tàu cao tốc cánh ngầm dần bị thay tàu hai thân với nhiều ưu điểm vượt trội, thu hút khách du lịch trải nghiệm, giảm chi phí vận hành bảo dưỡng, đặc biệt tàu cỡ lớn Trong trình phát triển loại tàu hai thân, việc trang bị thêm cánh ngầm cho tàu khai thác đóng vấn đề mà nhà thiết kế, chủ tàu đặc biệt quan tâm Bởi cánh ngầm giúp tăng đáng kể vận tốc, làm êm chuyển động tàu từ tăng hiệu suất q trình khai thác Trên giới có vài nghiên cứu mô số cho cánh ngầm lắp hỗ trợ cho tàu hai thân nhằm đánh giá đặc tính thủy động lực học cánh [2] Riêng nước, chưa có báo khoa học nghiên cứu vấn đề Keywords: Inertial sorting, CFD, microfluidic, Immersed Boundary Method Giới thiệu 1.1 Khái quát chung Ở vùng biển Việt Nam nay, loại tàu cao tốc đưa vào khai thác rộng rãi, có loại tàu hai thân cao tốc Loại tàu có ưu điểm bật với sức cản thân tàu nhỏ, độ ổn định cao, giảm lắc, khơng gian boong rộng giúp tăng hiệu suất sử dụng giảm chi phí khai thác Bên cạnh đó, tàu chế tạo vật liệu hợp kim nhơm, sợi tổng SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Tàu thân Catamaran 1.2 Tính thực tiễn vấn đề Mỗi tàu hai thân khai thác đóng có vận tốc khai thác định trường hợp tàu toàn tải yếu tố có mối quan hệ với lực cản chiều chìm Đó vấn đề mà nhà thiết kế đặc biệt quan tâm trình cách tân, phát triển dòng tàu hai thân cao tốc TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Đối với chủ tàu, yêu cầu đưa chủ yếu làm để tăng vận tốc khai thác, giảm thời gian hành trình, tiết kiệm chi phí vận hành Từ u cầu đó, tốn đặt cho nhà thiết kế tìm giải pháp tối ưu vừa giải vấn đề chủ tàu đưa ra, vừa tiết kiệm phí cải tiến chế tạo Một giải pháp hiệu lắp thêm cánh ngầm để tăng lực nâng giúp giảm chiều chìm từ giảm sức cản cho tàu ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Trong đó: CL hệ số lực nâng cánh ngầm; CD hệ số lực cản cánh ngầm Thực q trình tính tốn lực nâng lực cản cánh độc lập theo hệ số thực nghiệm bảng Hình Lý thuyết cánh ngầm Khi cánh ngầm nghiêng góc α so với phương dòng chảy, cánh xuất hợp lực thủy động F đặt điểm gọi tâm áp lực cánh ngầm [1] Hình Tàu thân Catamaran lắp thêm cánh ngầm 1.3 Mục đích nghiên cứu Áp dụng thiết kế cánh ngầm cho tàu khai thác tàu khách hai thân cao tốc CATAMARAN 2975 với vận tốc khai thác 30hl/h Yêu cầu toán cần giải xác định thông số lực nâng, lực cản, ứng suất, biến dạng cánh ngầm thiết kế nhằm phục vụ cho q trình tính tốn ổn định bổ sung cho tàu cánh ngầm, tính tốn kết cấu cánh kiểm bền cánh Từ yêu cầu trên, thực q trình mơ để khảo sát tương tác độ ổn định cánh ngầm vận tốc khác Mơ hình nghiên cứu Lực F bao gồm thành phần lực như: Lực nâng FL vng góc phương dịng chảy, lực cản FD song song với phương dòng chảy Lực nâng cánh tạo nên xác định theo công thức: 𝐹𝐿 = 𝐶𝑧 Cánh ngầm thiết kế có biên dạng cánh Naca 4412, trường hợp dịng chảy có số Reynolds (Re) 50.000 góc cánh độ có thông số từ nghiên cứu thực nghiệm cho biên dạng cánh thể Bảng Tham Số Giá trị Đơn vị α độ CL 0,635 - CD 0,048 - 𝑆 (1) Cánh ngầm thiết kế có góc đặt cánh độ, tra hệ số lực nâng bảng trên, áp dụng cơng thức để tính tốn lực nâng cánh theo Bảng Bảng Lực nâng cánh tính theo cơng thức lý thuyết Đơn Giá trị số vị S 1,74 1,74 1,74 1,74 m2 v 13,89 14,4 14,92 15,43 m/s Re 68.033 70.552 73.072 75.592 - CL 0,635 0,635 0,635 0,635 - FL 109,25 117,42 126,05 134,82 kN Tham Bảng Thông số biên dạng cánh Naca 4412 Trong đó: Cz hệ số nâng; ρ mật độ nước (kg/m3); v vận tốc dòng chảy hay vận tốc tàu (m/s); S diện tích mặt cánh Tham 2.1 Biên dạng cánh ngầm ứng dụng cho tàu hai thân 𝜌𝑣 số S Đơn Giá trị 1,74 1,74 1,74 vị 1,74 m2 v 15,95 16,46 16,98 17,49 m/s Re 78.112 80.631 83.151 85.671 - CL 0,635 0,635 0,635 0,635 - FL 144,06 153,42 163,26 173,22 kN SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2.2 Miền không gian tính tốn Lựa chọn kích thước vùng khơng gian bao quanh cánh cần đảm bảo điều kiện đủ lớn để khơng ảnh hưởng tới kết tính tốn Từ u cầu trên, tác giả lựa chọn kích thước miền khơng gian tính tốn mơ Hình chất rắn (Solid Stress), tương tác rắn-lỏng (Fluid Structure Coupling) 2.4 Phương trình chủ đạo 2.4.1 Phương trình Reynolds-Averaged NavierStokes (RANS) Turbulence Models: 𝜕𝜌 𝜕𝑡 + ∆ (𝜌𝑣̅ ) = (2) 𝜕/𝜕𝑡 (𝜌𝑣̅ ) + ∇ (𝜌𝑣̅ × 𝑣̅ ) = −∇ 𝑝̅ 𝐼 + ∇ (𝑇̅ + 𝑇𝑅𝐴𝑁𝑆 ) + 𝑓𝑏 (3) ̅ ̅ ̅ 𝜕/𝜕𝑡 (𝜌𝐸 ) + ∇ (𝜌𝑣̅ 𝐸 𝑣̅ ) = −∇ 𝑝̅ 𝑣̅ + ∇ (𝑇 + 𝑇𝑅𝐴𝑁𝑆 )𝑣̅ − ∇𝑞̅ + 𝑓𝑏 𝑣̅ (4) Trong đó: ρ khối lượng riêng chất lỏng; v vận tốc trung bình; p áp suất trung bình, I tenxơ danh tính; T tenxơ ứng suất nhớt; fb kết lực khối (như trọng lực lực ly tâm); E tổng lượng trung bình đơn vị khối lượng; q thơng lượng nhiệt 2.4.2 Phương trình biến dạng vật liệu: Hình Miền khơng gian bao quanh cánh a Chuyển vị Các thơng số kích thước miền khơng gian chọn: 𝑥(𝑋, 𝑡) = 𝑋 + 𝑢(𝑋, 𝑡) - Chiều dài: 16m; 𝑢 = {𝑢𝑥 , 𝑢𝑦 , 𝑢𝑧 } - Chiều rộng: 11m; Trong đó: X vị trí chất điểm vật liệu; u(X,t) dịch chuyển chất điểm - Chiều cao: 7m 2.3 Các mơ hình vật lý Với tốn mơ cánh ngầm, chọn mơ hình vật lý đặc trưng cho chất lỏng (Physics Fluid) tương ứng với dòng bao quanh cánh chất rắn (Physics Solid) tương ứng với vật liệu chế tạo cánh ngầm Mơ hình vật lý cho chất lỏng bao gồm: - Không gian Demensional); (5) 𝑇 (Space): chiều (Three Trường biến dạng (Deformation Gradient): 𝐹= 𝜕𝑥 𝜕𝑋 =𝐼+ 𝜕𝑢 𝜕𝑋 =𝐼+ 𝜕𝑈𝑥 𝜕𝑈𝑥 𝜕𝑈𝑥 𝜕𝑋 𝜕𝑈𝑦 𝜕𝑌 𝜕𝑈𝑦 𝜕𝑍 𝜕𝑈𝑦 𝜕𝑋 𝜕𝑈𝑍 𝜕𝑌 𝜕𝑈𝑍 𝜕𝑍 𝜕𝑈𝑍 𝜕𝑌 𝜕𝑍 ( 𝜕𝑋 (6) ) 𝐹 = 𝑅𝑈 - Thời gian (Time): Không ổn định (Implicit Unsteady); Trong đó: I ma trận đơn vị; X, Y, Z thành phần vị trí chất điểm vật liệu; R tenxơ quay; U tenxơ ứng suất: - Vật liệu (Material): Nhiều pha (Eulerian Multiphase); (7) 𝐹 = 𝐹𝑉 𝐹𝑑 𝐹 𝑑 = 𝐽−1/3 𝑓 𝐹 𝑉 = 𝐽−1/3 𝐼 𝐽 = 𝑑𝑒𝑡𝐹 - Dòng (Flow): Hỗn loạn (Segregated Flow); - Chế độ nhớt (Viscous Regime): Chảy rối (Turbulent); - Mơ hình rối: K-Epsilon b Ứng suất: Mơ hình vật lý cho chất rắn bao gồm: - Không gian Dimensional); (Space): chiều d Trong đó: J  det F phần thể tích; F phần rời rạc (Three - Thời gian (Time): Không ổn định (Implicit Unsteady); - Vật liệu (Material): Chất rắn (Solid); 𝜏𝑥 𝐹𝑥 /𝐴 𝜏 = (𝜏𝑦 ) = (𝐹𝑦 /𝐴) 𝜏𝑧 𝐹𝑧 /𝐴 (8) Trong đó: F lực tác động lên bề mặt; A diện tích bề mặt - Mơ hình tùy chọn (Optional Models): Ứng suất SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 𝜎𝑥𝑥 𝜎 𝜎 = ( 𝑦𝑥 𝜎𝑧𝑥 𝜎𝑥𝑦 𝜎𝑦𝑦 𝜎𝑧𝑦 𝜎𝑥𝑥 𝜏 = 𝜎 𝑛 = (𝜎𝑦𝑥 𝜎𝑧𝑥 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY - Kích thước lưới 100mm vùng chất lỏng xa cánh ngầm, xa mặt thoáng; 𝜎𝑥𝑧 𝜎𝑦𝑧 ) 𝜎𝑧𝑧 𝜎𝑥𝑦 𝜎𝑦𝑦 𝜎𝑧𝑦 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 𝜎𝑥𝑧 𝑛𝑥 𝜎𝑦𝑧 ) (𝑛𝑦 ) 𝜎𝑧𝑧 𝑛𝑧 - Kích thước lưới nhỏ 10mm khu vực xung quanh bề mặt cánh khu vực mặt thống (9) Kết sau q trình sinh lưới 370.000 phần tử lưới Trong đó: n: vector đơn vị c Phương trình bảo tồn động lượng ̈ 𝑏=0 𝜌𝑢 − ∇ 𝜎 − (10) Trong đó: ρ khối lượng riêng chất lỏng; u dịch chuyển chất rắn; b tổng lực khối đơn vị thể tích 2.5 Điều kiện biên Miền khơng gian tính tốn hình hộp chữ nhật bao gồm mặt, mặt có điều kiện biên giống khác tùy thuộc vào điều kiện thực tế toán xét Với tốn mơ cánh ngầm, điều kiện biên lựa chọn sau: Hình Chia lưới cánh ngầm - Mặt Inlet miền khơng gian phía trước cánh đặt điều kiện biên vận tốc đầu vào (Velocity Inlet); - Mặt Outlet miền khơng gian phía sau cánh đặt điều kiện biên áp suất đầu (Pressure Outlet); - Các mặt cịn lại miền khơng gian: Điều kiện biên tường (Wall) Hình Khu vực lưới gần bề mặt cánh mặt thoáng Kết 3.1 Kết tính tốn Quan sát đồ thị sai số tính tốn sau vịng lặp để nhận biết kết tính tốn mơ hội tụ Hình Điều kiện biên 2.6 Mơ hình lưới Hình Đồ thị sai số lực nâng Chia lưới trình quan trọng q trình mơ Số lượng chất lượng lưới ảnh hưởng trực tiếp tới thời gian mơ độ xác kết tính tốn [3] Với thơng số máy tính: Chip Intel(R) Core™ i5-5200U CPU @ 2.2GHz , RAM 4.00GB, sử dụng công cụ chia lưới tự động (Automatic Mesh) với thiết lập sau: Hình Đồ thị sai số lực cản SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Lực nâng (kN) BIỂU ĐỒ LỰC NÂNG THEO VẬN TỐC 150 100 50 27 28 29 30 31 32 33 34 Vận tốc (Hl/h) Hình 10 Đồ thị sai số ứng suất lớn Hình 12 Biểu đồ thay đổi lực nâng theo vận tốc BIỂU ĐỒ LỰC CẢN THEO VẬN TỐC 20 Lực cản (kN) Hình 11 Đồ thị sai số biến dạng lớn Sau q trình mơ trường hợp vận tốc xuất kết quả, tổng hợp kết lực nâng, lực cản, ứng suất lớn nhất, biến dạng lớn Bảng 15 10 Bảng Kết mô Giá trị v 27 28 29 30 Knot v 13,89 14,4 14,92 15,43 m/s FL 87,73 94,21 101,07 108,03 kN FD 10,36 11,13 11,94 12,76 kN σMAX 4,94 5,31 5,7 6,09 Mpa ΔZMAX 1,25 1,35 1,45 1,54 mm Tham Hình 13 Biểu đồ thay đổi lực cản theo vận tốc BIỂU ĐỒ ỨNG SUẤT LỚN NHẤT THEO VẬN TỐC Đơn Giá trị số 27 28 29 30 31 32 33 34 Vận tốc (Hl/h) vị Ứng suất lớn (Mpa) Tham số Đơn vị v 31 32 33 34 Knot v 15,95 16,46 16,98 17,49 m/s FL 115,36 122,79 130,61 138,50 kN FD 13,62 14,5 15,12 16,34 kN σMAX 6,51 6,93 7,39 7,83 Mpa ΔZMAX 1,65 1,76 1,87 1,99 mm 10 27 28 29 30 31 32 33 34 Vận tốc (Hl/h) Trong đó: v vận tốc dịng chảy hay vận tốc tàu; FL lực nâng, FD lực cản; σMAX ứng suất lớn nhất; ΔZMAX biến dạng lớn theo phương Z Hình 14 Biểu đồ thay đổi ứng suất lớn theo vận tốc Từ bảng tổng hợp kết quả, xây dựng biểu đồ thể mối quan hệ lực nâng, lực cản, ứng suất lớn nhất, biến dạng lớn với vận tốc SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Biến dạng lớn (mm) BIỂU ĐỒ BIẾN DẠNG LỚN NHẤT THEO VẬN TỐC 2.5 1.5 0.5 Hình 19 Phân bố mặt thống hình chiếu 27 28 29 30 31 32 33 34 Vận tốc (Hl/h) Hình 15 Biểu đồ thay đổi biến dạng lớn theo vận tốc 3.2 Trường vận tốc áp suất quanh cánh Hình 20 Phân bố mặt thống hình chiếu cạnh Hình 16 Phân bố áp suất động hình chiếu cạnh Hình 21 Phân bố ứng suất cánh ngầm Hình 17 Phân bố áp suất động hình chiếu Hình 18 Phân bố mặt thống Hình 22 Phân bố ứng suất hình chiếu cạnh SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình 23 Phân bố ứng suất hình chiếu Hình 25 Phân bố biến dạng hình chiếu đứng Hình 24 Phân bố biến dạng cánh Hình 26 Phân bố biến dạng hình chiếu cạnh 3.3 So sánh lực nâng kết mơ với tính tốn lý thuyết BIỂU ĐỒ LỰC NÂNG THEO VẬN TỐC 200 Lực nâng (kN) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 150 100 50 27 28 29 30 31 32 33 Vận tốc (Hl/h) Tính tốn mơ Tính tốn lý thuyết Kết luận Kết mô cho thấy thành phần lực nâng, lực cản, ứng suất, biến dạng tăng đồng biến theo vận tốc; kết giá trị lực nâng từ q trình mơ nhỏ kết tính tốn lý thuyết; giá trị lực cản nhỏ không ảnh hưởng nhiều tới lực cản thân tàu Bên cạnh đó, giá trị ứng suất biến dạng vận tốc khai thác lớn tàu nằm giới hạn cho phép vật liệu chế tạo cánh Qua q trình mơ phỏng, ý nghĩa kết mong muốn đạt giúp ích cho trình thiết kế biên dạng cánh ngầm cho phù hợp với mục tiêu giảm lực cản, tăng vận tốc khai thác tới giá trị mong muốn; đồng thời giúp ích cho việc kiểm tra ổn định cho tàu, tính tốn lựa chọn kết cấu cánh ngầm đảm bảo điều kiện đủ bền, biên dạng tiết kiệm vật tư chế tạo TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 27 Biểu đồ so sánh lực nâng tính tốn lý thuyết mô [1] Trần Công Nghị, Thiết kế tàu cỡ nhỏ chạy nhanh, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2005 [2] Hari Prastowo, Agoes Santoso, Andre Arya B, SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Analysis and Optimation Hydrofoil Supported Catamaran (HYSUCAT) Size 25 Meter, Based on CFD Method, Int J of Marine Engineering Innovation and Research, 2016 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 10/7/2021 03/8/2021 12/8/2021 [3] Hyunyul Kim and Chi Yang, Hydrodynamic Optimization of Multihull Ships, 11th International Conference on Fast Sea Transportation FAST 2011 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... áp lực cánh ngầm [1] Hình Tàu thân Catamaran lắp thêm cánh ngầm 1.3 Mục đích nghiên cứu Áp dụng thiết kế cánh ngầm cho tàu khai thác tàu khách hai thân cao tốc CATAMARAN 2975 với vận tốc khai... Thông số biên dạng cánh Naca 4412 Trong đó: Cz hệ số nâng; ρ mật độ nước (kg/m3); v vận tốc dòng chảy hay vận tốc tàu (m/s); S diện tích mặt cánh Tham 2.1 Biên dạng cánh ngầm ứng dụng cho tàu hai... số lực nâng, lực cản, ứng suất, biến dạng cánh ngầm thiết kế nhằm phục vụ cho q trình tính tốn ổn định bổ sung cho tàu cánh ngầm, tính tốn kết cấu cánh kiểm bền cánh Từ yêu cầu trên, thực q trình