- Kết quả tính theo XFlow thường cho giá trị sức cản lớn hơn kết quả thử nghiệm, chứng tỏ mô hình SST k ước lượng các thành phần sức cản lớn hơn thực tế.
Chương 3 THIẾT KẾ TỐI ƯU MŨI QUẢ LÊ TÀU CÁ 3.1 ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA MŨI QUẢ LÊ
3.3.2.2. Hàm mục tiêu
Như đã biết, mục đích trang bị mũi quả lê là để làm giảm sức cản tổng của tàu RT
nên bài toán tối ưu hóa hình dạng mũi quả lê thường chỉ là bài toán tối ưu đơn mục tiêu, với hàm mục tiêu ở đây là độ giảm sức cản tổng của con tàu sau khi lắp quả lê. Trên cơ sở đó có thể xây dựng mô hình tối ưu hóa mũi tàu quả lê trong trường hợp chung là bài toán xác định phương án các kích thước hình học tối ưu của mũi quả lê để sao cho độ giảm sức cản tổng của con tàu sau khi lắp quả lê RT (%) đạt được giá trị lớn nhất. Nói cách khác, có thể xây dựng hàm mục tiêu cho bài toán tối ưu hóa mũi tàu quả lê dưới dạng công thức tổng quát như sau [32]:
R = RT RTb = f(L , B , Z ) max (3.17) PRi T Bi Bi
trong đó RT và RTb lần lượt là sức cản tổng của tàu trước và sau khi lắp quả lê tính ở chỉ một tốc độ tàu U; và LPRi, BBi và ZBi là chiều dài, chiều rộng, chiều cao của quả lê và là các biến thiết kế trong hàm mục tiêu tối ưu hóa quả lê (xem mục 3.2.2.1).
Về mặt lý thuyết, quả lê thường chỉ có thể phát huy hiệu quả tối đa ở một chế độ hoạt động nhất định, tương ứng với chế độ vận tốc hoặc mớn nước tàu không thay đổi. Do đó với các loại tàu thông thường như tàu hàng, tàu quân sự..., thường chỉ hoạt động nhiều ở một chế độ tải trọng nhất định tương ứng chế độ vận tốc và mớn nước cố định, thì tối ưu hóa mũi quả lê dưới dạng hàm đơn mục tiêu về sức cản như đã nêu là phù hợp. Tuy nhiên khác với những loại tàu thông thường nêu trên, do tính chất đặc thù công việc nên tàu đánh cá phải hoạt động ở nhiều chế độ tải trọng hoặc chế độ đánh bắt khác nhau, dẫn đến vận tốc và mớn nước tàu cũng thường xuyên thay đổi trong quá trình đánh bắt. Ví dụ với tàu cá lưới vây, ban đầu tàu chạy từ bờ ra ngư trường với tốc độ hành trình, khi gặp đàn cá tàu lại chạy với tốc độ rất nhanh để có thể kịp thời vây bắt được đàn cá, sau đó tàu lại chạy chậm lại để thủy thủ tiến hành thu lưới và đưa cá lên trên boong tàu. Đặc điểm này của tàu cá sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của mũi quả lê, do đó nếu chỉ sử dụng hàm đơn mục tiêu sức cản tổng của tàu như với các tàu thông thường khác, có thể sẽ không phát huy được hết hiệu quả mũi quả lê ở các chế độ làm việc khác nhau, đặc biệt là ở chế độ tàu chạy vận tốc thấp khi kéo thả lưới, thường cũng chiếm một tỷ lệ thời gian khá lớn trong quá trình hoạt động của tàu cá.
T
Như vậy, nếu xét ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ tàu trong quá trình hoạt động thì bài toán tối ưu hóa hình dạng quả lê tính cho một tốc độ tàu nhất định sẽ trở thành bài toán đa mục tiêu, gồm các hàm đơn mục tiêu về độ giảm sức cản tàu RTi (%) sau khi lắp quả lê ở chế độ làm việc (i) tương ứng với tốc độ tàu Ui (m/s) cụ thể như sau:
RT = [(RT1, U1),…, (RTi, Ui), …, (RTn, Un)] max (3.18) với RTi là độ giảm sức cản tổng của tàu sau khi lắp quả lê ở chế độ làm việc tương ứng với tốc độ tàu Ui, xác định theo công thức:
RTi = RTi RTbi
R
(3.19)
Ti
với RTi và RTbi là sức cản tổng của tàu trước và sau khi lắp quả lê tính ở tốc độ tàu Ui. Ở trường hợp này, thích hợp nhất là chuyển hàm đa mục tiêu (3.18) về độ giảm sức cản tổng RT (%) sang hàm đa mục tiêu độ giảm công suất có ích của tàu Pe (%) trước và sau khi lắp mũi quả lê ở cùng vận tốc tàu Ui (m/s) theo công thức sau [32]:
Pe = (Pe1, Pe2,…, Pei,…, Pen) max (3.20) trong đó Pei (%) là độ thay đổi công suất có ích của tàu sau khi lắp mũi quả lê ở chế độ làm việc (i) tương ứng với tốc độ tàu Ui, tính theo các công thức sau:
P = P
ei
Pebi = (RTi Ui RTbi Ui ) = R (3.21)
ei Ti
ei Ti i
với Pei, Pebi là công suất có ích của tàu trước và sau khi lắp quả lê ở chế độ làm việc (i) tương ứng với tốc độ tàu Ui
Về mặt phương pháp giải (xem mục 3.3.1), có thể tính tính chuyển dạng hàm đa mục tiêu (3.20) về hàm đơn mục tiêu bằng cách cộng các hàm đơn mục tiêu có nhân với trọng số có liên quan đến vận tốc tàu ở các chế độ làm việc (i), cụ thể như sau:
n n
Pe = wiPei = wi R Ti
(3.22)
i1 i 1
với wi là trọng số hàm mục tiêu có thể xác định theo khoảng thời gian tàu làm việc ở chế độ làm việc (i), phụ thuộc vào điều kiện hoạt động của tàu và thỏa mãn điều kiện:
m
w
Như vậy, để giải bài toán hàm đa mục tiêu đặt ra ở đây, trước tiên cần phân tích, lựa chọn các chế độ làm việc điển hình của tàu đánh cá, tương ứng với giá trị vận tốc, mớn nước và khoảng thời gian tàu hoạt động để xác định giá trị trọng số wi của các hàm đơn mục tiêu và thực hiện tối ưu hóa quả lê đáp ứng hiệu quả cao nhất ở các chế độ này. Từ phân tích hoạt động đội tàu cá nước ta hiện nay, chọn lựa các chế độ làm việc điển hình của tàu cá tương ứng vận tốc và tỷ lệ thời gian hoạt động như sau [50]:
(i) Chế độ chạy hành trình ra ngư trường, về bến, tìm đàn cá với vận tốc U1 bằng vận tốc thiết kế U và thời gian chiếm tỷ lệ khoảng 60% thời gian chuyến biển. (ii) Chế độ chạy dắt lưới với vận tốc U2 = 0.8U và thời gian chiếm tỷ lệ khoảng
10% thời gian chuyến biển.
(iii) Chế độ chạy kéo hoặc thả lưới với vận tốc U3 = 0.3U và thời gian chiếm tỷ lệ khoảng 30% thời gian chuyến biển.
Từ đó có thể tính hàm mục tiêu của của bài toán tối ưu quả lê tàu cá như sau [32]:
n
Pe = w i R Ti = 0.6RT1 + 0.1RT2 + 0.3RT3 max (3.24)
i1
với RT1, RT2, RT3 lần lượt là độ thay đổi sức cản tổng của tàu tính tại các tốc độ U1, U2 và U3 tương ứng chế độ chạy hành trình, chạy dắt lưới và chạy kéo, thả lưới.
Tương tự, kết quả thống kê tỷ lệ phân bố các giá trị vận tốc U và mớn nước T tương ứng các chế độ làm việc nêu trên cho đội tàu cá được trình bày ở Bảng 3.7 [50].
Bảng 3.7. Phân bố các chế độ vận tốc và mớn nước của tàu cá
Các chế độ vận tốc tàu Mớn nước tàu 0.30 U 0.80 U U Tổng cộng 0.8T 7.5 % 3.0 % 11.0 % 21.5 % 0.9T 3.5 % 2.5 % 6.0 % 12.0 % T Khác 15.5 %3.5 % 1.0 %3.5 % 41.5 %2.0 % 60.0 %6.5% Tổng cộng 30.0 % 10.0 % 60.0 % 100.0 %
Từ số liệu ở Bảng 3.7 có thể nhận thấy, thời gian tàu hoạt động tại các mớn nước T và 0.8T ở các giá trị vận tốc 0.3U, 0.8U, U chiếm tỷ lệ 85.5 % thời gian chuyến biển do đó chọn các vận tốc 0.3U, 0.8U, U và hai mớn nước T, 0.8T để tối ưu hóa quả lê.