7. Bố cục của luận ỏn
3.2.1. Cỏc thụng số của tàu khảo sỏt
Tàu cỏ khảo sỏt trong luận ỏn này là tàu cỏ đỏnh bắt xa bờ sử dụng lưới kộo hoạt động tại ngư trường Hải Phũng - Quảng Ninh mang biển kiểm soỏt HP-90577- TS do chủ tàu Bựi Văn Giang trỳ tại Lập Lễ, Thuỷ Nguyờn điều khiển cú cụng suất mỏy là 155CV, tốc độ quay của trục chớnh là 2200 vũng/phỳt trang bị hộp số cơ khớ với tỷ số truyền là 3,5:1, số vũng quay trục chõn vịt là 629 vũng/phỳt. Cỏc thụng số cơ bản của tàu cỏ, chõn vịt trang bị trờn tàu được trỡnh bày trong Bảng 3.1, Bảng 3.2. Bỏnh lỏi sử dụng trờn tàu cỏ khảo sỏt cú tiết diện vuụng gúc với trục là profile khớ động Naca 0012, chiều cao bỏnh lỏi là 1,2m, chiều dài dõy cung profile đỉnh là 0,6m, chiều cao dõy cung profile đỏy là 0,4m.
Bảng 3.1. Cỏc thụng số cơ bản của tàu cỏ khảo sỏt.
Stt Tờn gọi Giỏ trị Đơn vị
1 Chiều dài toàn bộ 15 m
2 Chiều rộng mộp boong 5,03 m
3 Chiều rộng thiết kế 4,85 m
5 Chiều chỡm trung bỡnh 1,84 m
6 Hệ số bộo thể tớch 0,684
7 Lượng chiếm nước 112,81 Tấn
8 Cụng suất mỏy chớnh 155 CV
9 Số vũng quay trục mỏy chớnh 2200 v/ph
10 Tỷ số truyền 3,5:1
11 Tốc độ kộo lưới 4 - 6 Knot
12 Số vũng quay của trục chõn vịt 629 v/ph
Bảng 3.2. Cỏc thụng số cơ bản của chõn vịt cũ của tàu cỏ
Stt Tờn Giỏ trị Đơn vị 1 Đường kớnh 1 m 2 Bước chõn vịt H 0,5 m 3 Số vũng quay 629 v/ph 4 Tỷ số bước chõn vịt 0,5 5 Số cỏnh 3 6 Tỷ số bầu 0,18 7 Loại chõn vịt Seri B 3.2.2. Tớnh toỏn thiết kế cỏnh chõn vịt
Chõn vịt hai bước là chõn vịt cú bước cỏnh cú thể thay đổi được để phự hợp với hai chế độ hoạt động chớnh của tàu là chế độ chạy tự do và chế độ kộo lưới do đú chõn vịt này cũng được coi là chõn vịt biến bước. Trước khi tớnh toỏn thiết kế
37 biờn dạng cỏnh chõn vịt ta phải xỏc định đường kớnh tối ưu của chõn vịt để khi hoạt động ở cỏc tỷ số bước khỏc nhau chõn vịt đều cú hiệu suất cao. Thụng thường đường kớnh tối ưu của chõn vịt bằng với đường kớnh của chõn vịt cú bước cố định được tớnh toỏn ở cựng một chế độ khai thỏc. Bầu của chõn vịt hai bước cú kớch thước lớn hơn so với bầu chõn vịt cú bước cố định từ 1,5 - 2 lần do phải cú đủ khụng gian chứa cơ cấu điều khiển bước cỏnh. Do đú để đảm bảo diện tớch mặt cỏnh cần thiết thỡ cỏnh chõn vịt hai bước cú chiều rộng cỏnh lớn hơn chõn vịt cú bước cố định. Biờn dạng cỏnh chõn vịt hai bước cũng khỏc với biờn dạng cỏnh chõn cố định do phải đảm bảo sự biến đổi suụn đều của tiết diện chõn cỏnh khi liờn kết với biờn dạng bầu của chõn vịt, thụng thường tiết diện chõn cỏnh của chõn vịt biến bước cú chiều dài dõy cung gần bằng với đường kớnh đĩa xoay điều khiển bước cỏnh.
Bảng 3.3. Cỏc thụng số cơ bản của chõn vịt hai bước.
Stt Tờn Giỏ trị Đơn vị
1 Đường kớnh 1 m
2 Tỷ số bước ở chế độ chạy kộo lưới 0,5
3 Bước ở chế độ chạy kộo lưới 0,5 m
4 Số vũng quay 629 v/ph
5 Số cỏnh 3
6 Tỷ số bầu 0,3
7 Gúc nghiờng của cỏnh 0 độ
8 Gúc xoắn của cỏnh 0 độ
Bảng 3.4. Cỏc thụng số cơ bản của biờn dạng cỏnh chõn vịt.
Stt Tỷ số r/R Bỏn kớnh r (mm) Chiều rộng cỏnh (mm) Độ dày lớn nhất (mm) Gúc bước (Độ) 1 0,2 100 68,65 40,60 46,41 2 0,3 150 208,75 35,90 35,00 3 0,4 200 348,80 31,20 27,71 4 0,5 250 426,80 26,50 22,79 5 0,6 300 460,50 21,80 19,30 6 0,7 350 461,20 17,10 16,71 7 0,8 400 421,75 12,40 14,71 8 0,9 450 334,00 7,70 13,14 9 0,95 475 251,30 5,40 12,47 10 1 500 3,00 1,50 11,86
Độ nghiờng và gúc xoắn của cỏnh chõn vịt biến bước thường nhỏ nằm trong khoảng 00 - 50 để giảm tải trọng tỏc động lờn hệ thống điều khiển bước, đảm bảo độ bền cũng như giảm lực điều khiển bước cỏnh chõn vịt [9, 10, 12, 13]. Sử dụng phương phỏp tớnh toỏn thiết kế chõn vịt theo mẫu luận ỏn đó tớnh toỏn, thiết kế được
38 cỏnh chõn vịt hai bước thoả món hai chế độ khai thỏc chớnh là chế độ kộo lưới với tốc độ khai thỏc là 4 Hải lý/h và chế độ chạy tự do với vận tốc khai thỏc là 11 hải lý/h. Chi tiết cỏc bước tớnh toỏn thiết kế cỏnh chõn vịt hai bước tham khảo phụ lục 1 của luận ỏn. Cỏc thụng số cơ bản, cỏnh của chõn vịt hai bước sau khi thiết kế và chỉnh trơn Bảng 3.3, Bảng 3.4, Hỡnh 3.1.
Hình 3.1. Cỏnh chõn vịt hai bước sau khi chỉnh trơn
3.2.3. Tớnh toỏn thiết kế bầu
Bầu chõn vịt hai bước chứa cơ cấu điều khiển bước cỏnh cú nhiệm vụ cố định cỏnh chõn vịt trong quỏ trỡnh hoạt động, tiếp nhận lực đẩy, mụ men xoắn từ cỏnh và truyền đến hệ trục. Bầu chõn vịt hai bước phải cú kớch thước và biờn dạng phự hợp để bố trớ hệ thống điều khiển bước cỏnh, đảm bảo độ bền trong quỏ trỡnh hoạt động và thuận tiện trong quỏ trỡnh gia cụng và lắp rỏp tuy nhiờn kớch thước bầu khụng được quỏ lớn vỡ làm giảm hiệu suất của chõn vịt. Đối với chõn vịt biến bước núi
chung và chõn vịt hai bước núi riờng tỷ số bầu Db/D thường nằm trong khoảng 0,25
ữ 0,32.
Đường kớnh chõn vịt càng nhỏ thỡ tỷ số bầu càng lớn để đảm bảo khụng gian cho hệ thống điều khiển và khụng gian khi gia cụng lắp rỏp. Bầu chõn vịt loại này thường gồm ba phõn chớnh là thõn bầu, mũ kớn nước và mặt bớch phớa đầu bầu để kết nối bầu với trục chõn vịt, chiều dày thõn bầu phải được thoả món được độ bền và khụng gian bờn trong lừi bầu. Bớch đầu bầu thường kết nối với trục chõn vịt bằng khớp nối do đú cỏc kớch thước của bớch nối phải được chọn theo tiờu chuẩn để dễ gia cụng, lắp rỏp, thay thế và sửa chữa [10, 12, 13]. Trong luận ỏn này cỏc kớch thước và biờn dạng của bầu chõn vịt được chọn theo mẫu được trỡnh bày trong tài liệu [10], cỏc thụng số khỏc của bầu chõn vịt như chiều dài bầu, chiều dày thõn bầu,
39 chõn vịt sau khi được tớnh toỏn thiết kế cú biờn dạng và cỏc kớch thước được trỡnh bày trong Hỡnh 3.2 và Bảng 3.5.
Bảng 3.5. Cỏc kớch thước chớnh của bầu chõn vịt hai bước
Stt Tờn Ký hiệu Giỏ trị Đơn vị
1 Đường kớnh bầu Db 300 mm
2 Chiều dài bầu lb 275 mm
3 Chiều dày thõn bầu tb 5mm mm
4 Đường kớnh lắp đĩa xoay Ddx 220 mm
5 Chiều dài mũ thoỏt nước ltn mm
6 Bỏn kớnh mũ thoỏt nước rtn 228 mm
Hình 3.2. Bản vẽ kỹ thuật chõn vịt hai bước
3.2.4. Xỏc định tỷ số bước H/D cho chế độ hoạt động thứ hai
Cỏnh chõn vịt hai bước được tớnh toỏn, thiết kế ở chế độ kộo lưới là chế độ tải trọng nặng và cú thời gian khai thỏc dài chiếm 48% tổng thời gian của một chuyến đi với vận tốc khai thỏc nằm trong khoảng 4 - 5 hải lý/h ở chế độ này chõn vịt sử dụng tối đa cụng suất của mỏy chớnh, tải trọng trong chế độ khai thỏc này chủ yếu là sức cản của lưới kộo. Ở chế độ chạy tự do tải trọng chủ yếu là sức cản tỏc động lờn vỏ tàu, do đú để sử dụng hết cụng suất của mỏy chớnh thỡ tàu phải hoạt động ở vận tốc khai thỏc lớn hơn. Tuy nhiờn do số vũng quay của động cơ chớnh gần như khụng đổi trong quỏ trỡnh làm việc nờn để tăng được vận tốc khai thỏc của tàu thỡ phải tăng tỷ số bước của chõn vịt H/D. Trong phần này của luận ỏn trỡnh bày cỏch xỏc định sơ bộ tỷ số bước H/D của chõn vịt hai bước ở chế độ hoạt động thứ hai để chõn vịt làm việc với hiệu suất cao nhất và sử dụng tối đa cụng suất của động cơ. Để xỏc định tỷ
40 số bước chõn vịt phự hợp cho chế độ chạy tự do tương ứng với biờn dạng cỏnh đó thiết kế ta sử dụng phương phỏp tớnh toỏn lý thuyết kết hợp với mụ phỏng số. Xỏc định tỷ số bước phự hợp cho chõn vịt hai bước hoạt động ở chế độ chạy tự do sử dụng đồ thịB'p gồm hai bước như sau [10, 12, 13]:
Bước 1: Dựa vào đồ thị '
p
B xỏc định sơ bộ được tỷ số bước hay gúc xoay
của cỏnh chõn vịt ở chế độ chạy tự do;
Bước 2: Sau khi xỏc định được phạm vi gúc xoay của cỏnh chõn vịt, sử dụng
phương phỏp số tớnh toỏn mụ phỏng cho cỏc trường hợp để tỡm ra được tỷ số bước phự hợp H/D cho cỏnh chõn vịt ở chế độ chạy tự do.
Dựa vào vận tốc khai thỏc ở chế độ chạy tự do và đồ thị Bp - δ xỏc định được sơ bộ được tỷ số bước cỏnh chõn vịt cho chế độ chạy tự do là H/D = 0,6 tương ứng với gúc xoay của cỏnh so với vị trớ thiết kế ban đầu cho chế độ kộo lưới là 60. Trờn nguyờn tắc cõn bằng lực đẩy chõn vịt với lực cản tàu, trong phần tiếp theo sử dụng phương phỏp số để tớnh toỏn mụ phỏng đặc tớnh của chõn vịt tại một số tỷ số bước khỏc nhau để tỡm ra tỷ số bước phự hợp cho chế độ chạy tự do của tàu cỏ. Để xỏc định tỷ số bước cỏnh phự hợp của chõn vịt hay là gúc xoay phự hợp của cỏnh thực hiện tớnh toỏn mụ phỏng cho 7 trường hợp tương ứng với gúc xoay của cỏnh nằm trong khoảng 1- 60. Chi tiết phần tớnh toỏn mụ phỏng số để xỏc định tỷ số bước H/D ở chế độ chạy tự do xem mục 3.3 của luận ỏn.
3.3. Tớnh toỏn mụ phỏng số
3.3.1. Cỏc trường hợp tớnh toỏn mụ phỏng
Trong phần này của luận ỏn phương phỏp số được sử dụng để xỏc định tỷ số bước phự hợp của chõn vịt hai bước ở chế độ chạy tự do, chứng minh hiệu quả của hệ thống chõn vịt hai bước so với chõn vịt cú bước cố định, nghiờn cứu sự tương tỏc của chõn vịt - bỏnh lỏi và ảnh hưởng của tỷ số bước đến đặc tớnh thuỷ động lực học của chõn vịt. Cỏc trường hợp tớnh toỏn mụ phỏng gồm cú:
Hệ thống chõn vịt cú bước cố định ở cỏc chế độ làm việc khỏc nhau tương ứng
với hệ số tiến J từ 0,1 - 0,55;
Hệ thống chõn vịt hai bước ở cỏc chế độ làm việc khỏc nhau tương ứng với hệ
số tiến J từ 0,1 - 0,7 với tỷ số bước cỏnh H/D lần lượt là 0,5; 0,52; 0,53; 0,55; 0,57; 0,59 và 0,6;
Hệ thống chõn vịt hai bước, bỏnh lỏi ở cỏc chế độ làm việc khỏc nhau tương ứng với hệ số tiến J từ 0,1 - 0,7 ở hai tỷ số bước 0,5 và 0,6.
Thụng số kỹ thuật của chõn vịt cú bước cố định, chõn vịt hai bước, và bỏnh lỏi tớnh toỏn mụ phỏng được trỡnh bày trong Bảng 3.2, Bảng 3.3.
41
3.3.2. Xõy dựng mụ hỡnh và miền khụng gian tớnh toỏn
Bước đầu tiờn trong quỏ trỡnh mụ phỏng số là xõy dựng mụ hỡnh bài toỏn và miền khụng gian tớnh toỏn, miền khụng gian tớnh toỏn là khối chất lỏng bao quanh chõn vịt. Miền khụng gian tớnh toỏn cú ảnh hưởng lớn đến kết quả tớnh toỏn và mụ phỏng số, kớch thước miền khụng gian tớnh toỏn phải cú kớch thước phự hợp khụng quỏ lớn để đảm bảo khả năng tớnh toỏn của mỏy tớnh, cũng khụng được quỏ nhỏ để trỏnh ảnh hưởng của vựng lớp biờn gần thành rắn đến dũng chảy bao quanh chõn vịt. Để xỏc kớch thước miền khụng gian tớnh toỏn luận ỏn đó tham khảo một số cụng trỡnh cú uy tớn đó được cụng bố trờn trang web khoa học ScienceDirect [21, 22, 30, 31, 33, 77]. Miền khụng gian khảo sỏt trong luận ỏn là hỡnh trụ cú đường kớnh bằng 10 lần đường kớnh chõn vịt và cú chiều dài bằng 13 lần đường kớnh chõn vịt. Khoảng cỏch từ đầu vào đến chõn vịt bằng 3 lần đường kớnh chõn vịt, khoảng cỏch từ chõn vịt đến đầu ra bằng 10 lần đường kớnh chõn vịt. Miền khụng gian khảo sỏt được chia làm hai khối là khối động ‘The rotating domain’ cú chứa chõn vịt, khối tĩnh ‘The static domain’ là miền khụng gian bao quanh khối động và chứa bỏnh lỏi. Chõn vịt bước cố định, chõn vịt hai bước, bỏnh lỏi, mụ hỡnh bài toỏn và vựng khụng gian tớnh toỏn sau khi xõy dựng Hỡnh 3.3, Hỡnh 3.4.
42
Hình 3.4. Mụ hình bài toỏn mụ phỏng số chõn vịt.
3.3.3. Chia lưới, và điều kiện biờn
Miền khụng gian tớnh toỏn sau khi xõy dựng được chia lưới bằng phần mềm ICEM - meshing tool trong gúi phần mềm Ansys. Loại lưới, số lượng lưới, kớch thước lưới cú ảnh hưởng lớn đến kết quả tớnh toỏn, cú hai loại lưới dựng trong tớnh toỏn mụ phỏng số là lưới cấu trỳc ‘Structure mesh’ và lưới phi cấu trỳc ‘Unstructure mesh’. Lưới cấu trỳc cú ưu điểm là giảm nhẹ được khối lượng tớnh toỏn và cú độ chớnh xỏc tớnh toỏn cao hơn so với lưới phi cấu trỳc, tuy nhiờn việc lưới hoỏ mụ hỡnh bằng lưới cấu trỳc mất rất nhiều thời gian, phụ thuộc vào độ phức tạp của biờn dạng hỡnh học của bài toỏn nghiờn cứu. Lưới phi cấu trỳc cú ưu điểm dễ dàng lưới hoỏ mụ hỡnh, tiết kiệm thời gian chia lưới, tuy nhiờn đối với lưới phi cấu trỳc thời gian tớnh toỏn yờu cầu nhiều hơn, độ chớnh xỏc của lưới phi cấu trỳc thấp hơn so với lưới cấu trỳc với cựng số nỳt lưới và phần tử lưới. Tuy nhiờn, ngày nay với sự phỏt triển của khoa học mỏy tớnh, kỹ thuật giải gần đỳng cỏc phương trỡnh vi phõn, tớch phõn sự chớnh xỏc của cỏc kết quả tớnh toỏn mụ phỏng khi dựng lưới phi cấu trỳc so với lưới cấu trỳc đó được giảm xuống đỏng kể đặc biệt khi chỳng ta sử dụng lưới đa giỏc đều. Hỡnh 3.5 là một số loại lưới thường dựng trong tớnh toỏn mụ phỏng số, đối với bài toỏn hai 2D cú lưới tam giỏc và lưới tứ giỏc, đối với bài toỏn 3D cú lưới tứ diện, lưới lăng trụ, lưới tứ diện, lưới khối đa diện, lưới lập phương . Miền khụng gian tớnh toỏn trong luận ỏn này được mụ hỡnh hoỏ bằng lưới đa diện đều. Để tiết kiệm thời gian tớnh toỏn, khối tĩnh ‘The static domain’ được mụ hỡnh hoỏ bằng lưới
43 cú kớch thước lớn, khối động ‘The dynamic domain’ được mụ hỡnh hoỏ bằng lưới cú kớch thước nhỏ hơn.
Hình 3.5. Một số loại phần tử lưới thường dựng trong tớnh toỏn mụ phỏng số.
Hình 3.6. Chõn vịt và miền khụng gian khảo sỏt sau khi chia lưới.
Số lượng lưới, kớch thước phần tử cú ảnh hưởng quyết định đến kết quả tớnh toỏn mụ phỏng số, do đú đối với mỗi bài toỏn cần phải xỏc định số lượng lưới tối thiểu để kết quả tớnh toỏn hội tụ nghĩa là khi số lượng lưới lớn hơn giỏ trị đú thỡ kết quả tớnh toỏn mụ phỏng khụng thay đổi. Thụng thường để xỏc định giỏ trị này mụ
44 hỡnh được chia với cỏc số lượng lưới khỏc nhau sau đú thực hiện tớnh toỏn, mụ phỏng với cựng một mụ hỡnh và điều kiện biờn. Kết quả tớnh toỏn mụ phỏng với cỏc số lượng lưới khỏc nhau dưới dạng đồ thị sẽ cho biết số lượng lưới nhỏ nhất dựng để tớnh toỏn mụ phỏng. Trong luận ỏn này, để xỏc định số lượng lưới nhỏ nhất để tớnh toỏn mụ phỏng đặc tớnh thuỷ động lực học của chõn vịt thực hiện tớnh toỏn với 9 trường hợp với số lượng lưới lần lượt là 200000, 250000, 300000, 400000,