Các phương trình RANS là phi tuyến, có nghĩa là miền tính toán cần được rời rạc
hóa đểcó được lời giải số. Kích thước miền tính toán, giới hạn bởi các điều kiện biên của bài toán mô phỏng số tàu container, được thiết lập sau khi xây dựng mô hình hóa hình học tuyến hình tàu từ thuật toán NUBS. Theo tài liệu hướng dẫn của ITTC, kích thước khu vực miền tính toán bao quanh bề mặt vỏtàu được lấy tối thiểu tương ứng với chiều dài tàu. Hình 5.25 trình bày miền tính toán được mở rộng trong phạm vi (1.5 ~ 2.5) x Lpp
cách từmũi và lái để tránh hiệu ứng phản xạ từ biên, khu vực đáy tàu được thiết lập tương ứng với độ sâu mớn nước [78], [126].
Hình 5.24 Xác định miền tính toán cho tàu mẫu 128 TEU trong luận án Vềcông tác chia lưới, có thể phân loại gồm nhóm lưới có và không có cấu trúc. Lưới có cấu trúc giúp việc kết nối và quản lý nút tại các phần tử khối dễdàng, trong khi lưới không cấu trúc lại phù hợp với hình học phức tạp. Các nghiên cứu về mật độ và thuộc tính
lưới chia ảnh hưởng đến độ hội tụ của bài toán mô phỏng sốđược giới thiệu trong các tài liệu chuyên ngành [127]. Trong luận án này, lưới chia hình học vỏ tàu là lưới không cấu trúc Cartesian, tứ diện và lục diện (tetrahedron & hexahedron) được thiết lập trong Fluent [128]. Theo đó, hình học vỏtàu được chia thành 2 vùng phục vụ việc chia lưới tựđộng dựa trên thuật toán NUBS đã xây dựng trong luận án, mô tả trong Hình 5.26-5.27.
• Vùng lưới mịn là khu vực mũi và lái do độ cong hình học phức tạp • Vùng lưới thô là khu vực còn lại, nằm xa khu vực bao quanh tàu
Hình 5.26 Lưới chia trong phần mềm mô phỏng số cho tàu 128 TEU
Vềđiều kiện biên không xét đến ảnh hưởng của mặt thoáng, việc thiết lập các điều kiện vật lý thích hợp sẽ giúp ổn định nghiệm và sự hội tụ của bài toán CFD. Dòng chất lỏng bao quanh tàu phức tạp do sự kết hợp của trường vận tốc với sự phân bố áp suất. Các
hàm tường gồm các công thức liên quan đến dòng rối sát tường, được Wilcox trình bày trong các nghiên cứu liên quan đến lớp biên [129]. Theo đó, vỏ tàu được xem là tường (wall), thiết lập điều kiện biên không trượt (non-slip wall). Khu vực đáy miền tính toán
được thiết lập điều kiện biên di động - không trượt (non-slip – moving wall). Trong luận
án này, các điều kiện biên khu vực đáy tàu thường được sử dụng cho dòng chảy bị giới hạn đảm bảo phù hợp đặc trưng vật lý thực tế trong vùng nước nông. Khu vực các mặt bên, mặt trên miền tính toán và mặt cắt dọc giữa tàu được thiết lập điều kiện biên đối xứng (symmetry). Mặt phẳng thể hiện dòng vào và dòng ra được thiết lập bao gồm điều kiện biên Dirichlet và Neumann [78], [83], [130], mô tả trong Hình 5.28 và Bảng 5.14
Điều kiện biên Dirichlet được thiết lập cho hàm thế vận tốc, với vận tốc dòng chảy
theo phương x cũng là vận tốc tàu thiết kế tại mặt phẳng dòng vào, hai phương còn lại của vận tốc nhận giá trị bằng 0.
φ= f(U) với ux =U u, y =0,uz =0, p 0
n
∂ =
∂
Điều kiện biên Neumann được thiết lập cho gradient của các biến vận tốc và áp suất, tại mặt phẳng dòng ra ở xa bề mặt vỏ tàu. 0 n φ ∂ = ∂ , p = 0
Hình 5.27 Thiết lập điều kiên biên cho tàu 128 TEU trong luận án
Bảng 5.14 Bảng thông sốđiều kiện biên tàu 128 TEU theo ITTC và đề xuất của nhóm Hekkenberg cho vùng nước hạn chế [131]
Thiết lập điều kiện biên tại các mặt
Hạn chế luồng lạch Không hạn chế luồng lạch
Dòng vào Vận tốc Vận tốc
Dòng ra Áp suất Áp suất
Thân vỏ tàu Không trượt Không trượt
Mặt phẳng giữa tàu Đối xứng Đối xứng
Các mặt bên Đối xứng Đối xứng
Mặt trên Đối xứng Đối xứng
Mặt dưới Di động - Không trượt Không trượt
Nhằm đánh giá hiệu quảhình dáng tàu được mô hình hóa từ thuật toán NUBS, quy trình tính toán mô phỏng sốCFD được được trình bày tại Hình 5.29 – 5.37.
Hình 5.28 Sơ đồđánh giá hiệu quả hình dáng tuyến hình tàu dựa trên CFD (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong giới hạn của dãy vận tốc tàu container SB, phương pháp tính toán mô phỏng số với mô hình toán và các kỹ thuật mô phỏng phù hợp cho kết quả khá tương đồng với
phương pháp bán thực nghiệm Holtrop. Trong luận án này, phương pháp đánh giá sức cản tàu dựa trên tính toán mô phỏng số phù hợp ở dãy vận tốc thấp với số Froude trong phạm vi ràng buộc là 0.1 – 0.26 đã được xây dựng trong hàm ràng buộc ởchương 2, tương ứng với dãy vận tốc 6 – 13 hải lý của tàu mẫu 128 TEU.
Hình 5.29 Hệ số sức cản nhớt tàu trước và sau giải thuật hiệu chỉnh
Trường dòng và trường áp suất của tàu được trình bày như sau.
Hình 5.30 Trường áp suất tàu trước và sau khi hiệu chỉnh hình dáng tại vận tốc 10 hải lý / giờ
Hình 5.31 Trường áp suất tàu trước và sau khi hiệu chỉnh hình dáng tại vận tốc 14 hải lý / giờ
Hình 5.32 Trường áp suất tàu trước và sau khi hiệu chỉnh hình dáng tại vận tốc 20 hải lý / giờ
Hình 5.33 Trường dòng trước và sau khi hiệu chỉnh hình dáng tàu tại vận tốc 10 hải lý / giờ
Hình 5.34 Trường dòng trước, khi hiệu chỉnh hình dáng tàu tại vận tốc 14 hải lý / giờ
Hình 5.35 Trường dòng trước, sau khi hiệu chỉnh hình dáng tàu tại vận tốc 20 hải lý / giờ
Hình 5.36 Hệ số sức cản áp suất và sức cản nhớt trước và sau giải thuật hiệu chỉnh Kết quả tính toán mô phỏng thể hiện sự cải thiện về mặt sức cản khi vận tốc thiết kế tàu tăng dần, càng được thể hiện rõ trong phạm vi Fn 0.1 – 0.4, đặc biệt là hệ số sức cản áp suất. Kết quả này là do việc kết hợp điều chỉnh các thông số hình dáng tàu LCB, CB, CM và CWP phù hợp, bên cạnh việc ràng buộc các kích thước cơ bản khác không thay đổi so với tàu mẫu. Như vậy, kết quả tính toán mô phỏng thể hiện tính hiệu quả của giải thuật hiệu chỉnh tàu dựa trên thuật giải tối ưu di truyền và mô hình toán NUBS.
Kếđến, nghiên cứu tiến hành đánh giá ảnh hưởng tuyến luồng sông biển dựa trên mối quan hệ giữa độ sâu luồng lạch và sức cản toàn tàu. Trong luận án này, NCS phân loại ảnh hưởng độ sâu luồng lạch dựa trên các công trình nghiên cứu của Otto, tổ chức Cảng - Đường thủy thế giới (PIANC), ITTC 2014 như trong Bảng 5.15. Và kết quảđược trình bày tại Hình 5.38 – 5.45 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Fn 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17
HE SO SUC CAN AP SUAT Cp [x1000]
TAU MAU 128 TEU TAU HIEU CHINH
Bảng 5.15 Phân loại ảnh hưởng độ sâu luồng lạch
Mức độ Độ sâu lulạch ồng Frh Ảnh hưởng tới tàu Luồng tiêu biểu tại Việt Nam
Nước sâu H/T>3.0 0.4 Không ảnh hưởng Cái Mép, Thị Vải
Nước trung bình 1.5< H/T <3.0 0.6 Đáng chú ý Soài Rạp
Nước nông 1.2< H/T <1.5 0.73 Nghiêm trọng Hàm Luông
Hình 5.37 Trường áp suất tàu tại độ sâu luồng lạch không hạn chế và H/T = 1.6 (vận tốc 10 hải lý / giờ)
Hình 5.38 Trường dòng tại độ sâu luồng lạch không hạn chế và H/T = 1.6 (vận tốc 10 hải lý / giờ)
Hình 5.39 Trường áp suất tàu tại H/T = 1.6 (vận tốc 14 hải lý / giờ)
Hình 5.41 Hệ số sức cản nhớt ảnh hưởng bởi độ sâu luồng lạch
Hình 5.43 Hệ số sức cản toàn tàu ảnh hưởng bởi độ sâu luồng lạch
Hình 5.44 Sức cản toàn tàu ảnh hưởng bởi độ sâu luồng lạch
Dựa trên kết quả tính toán, hệ số sức cản tàu tăng khi độ sâu tuyến luồng giảm là do
trường gradient áp suất tăng dần dẫn đến sức cản toàn tàu tăng. Kết quả tính toán mô phỏng thể hiện rằng tàu mẫu container chạy tuyến luồng SB trong nghiên cứu này có độ gia tăng sức cản rất lớn tương ứng hệ số Fn theo vận tốc lớn hơn 0.25 và tỉ lệđộ sâu luồng lạch H/T nhỏ hơn 3.3. Việc này sẽ tác động đáng kể đến hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu trong quá trình khai thác thông qua việc giảm sức cản và cũng cần thêm các khảo sát chi
tiết vềđộ sâu tuyến luồng, vận tốc tới hạn phù hợp với kích thước từng nhóm tàu container theo từng đặc thù khu vực của tuyến luồng pha sông biển Việt Nam.