- Đường kết thúc của vách đuôi để định hình kiểu vòm đuôi tàu dạng transom hay tuần dương hạm.
Chương 2 TÍNH SỨC CẢN TÀU BẰNG CFD 2.1 CFD VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÍNH SỨC CẢN TÀU
2.1.2. Ứng dụng CFD trong tính sức cản tàu
Tính chính xác sức cản là bài toán có vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế tàu và chính là cơ sở để nghiên cứu giải quyết các bài toán thủy động lực học tàu nói chung và bài toán tối ưu hóa hình dạng của thân tàu và hình dạng của mũi quả lê nói riêng [54]. Về mặt bản chất, tàu chuyển động trên nước tĩnh sẽ chịu tác dụng của sức cản nước RT, có thể phân thành hai thành phần chính có liên quan đến hai hiện tượng vật lý chính là sự xuất hiện sóng và dòng chảy rối ở khu vực xung quanh thân tàu cụ thể như sau [51]:
RT = RF + RP (2.16)
trong đó: RF - sức cản ma sát, tính bằng tổng tất cả các lực tiếp tuyến tác dụng theo hướng tiếp tuyến với bề mặt vỏ tàu, gây ra bởi sự ma sát giữa các lớp chất lỏng và bề mặt vỏ tàu nên phụ thuộc độ nhớt của chất lỏng. RP - sức cản áp suất, bằng tính bằng tổng tất cả lực tác dụng vuông góc
với bề mặt vỏ tàu, được gây ra chủ yếu bởi sức cản sinh sóng của tàu, do đó phụ thuộc vào sự hình thành sóng tàu và cả độ nhớt chất lỏng. Nếu dựa trên tiêu tán năng lượng có thể phân sức cản tổng RT thành các thành phần cụ thể như sau:
RT = RV + RW (2.17)
trong đó: RV - sức cản nhớt, tính bằng tổng tất cả các sức cản gây ra do sự có mặt độ nhớt chất lỏng, gồm sức cản ma sát RF và sức cản sóng RW. RW - sức cản sóng tàu, biểu diễn cho phần năng lượng lấy từ thân tàu
để duy trì hệ thống sóng tàu.
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của quả lê đến các thành phần sức cản thường sử dụng cách phân chia sức cản tổng RT thành các thành phần như sau [14]:
RT = RF + RPV + RWF + RWB (2.18)
trong đó: RPV - sức cản áp suất nhớt, xuất hiện do sự hình thành các xoáy nhớt RWF - sức cản sinh sóng.
Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật và máy tính, việc ứng dụng phương pháp CFD trong tính toán thủy động lực học lưu chất nói chung và tính sức cản tàu nói riêng cũng đã có sự phát triển rất mạnh mẽ, bắt đầu từ phương pháp số giản đơn của Michell, cho đến các phương pháp phần tử biên BEM, Panel với mô hình rối tiêu chuẩn k- và hiện nay là phương pháp RANSE với mô hình rối SST k- như đã được trình bày ở trên. Phương pháp Mitchel, BEM, Panel với mô hình rối tiêu chuẩn k- có chung nhược điểm là độ chính xác thấp vì xem lưu chất không có độ nhớt và phương trình chuyển động dòng lưu chất được biến đổi để đưa về dạng hàm thế tốc độ theo phương trình Laplace. Điều này thực sự không thuyết phục khi thực hiện mô hình hóa trường dòng lưu chất bao xung quanh thân tàu, đặc biệt là khi sử dụng nó để tính toán sức cản tàu nói chung và sức cản áp suất nói riêng mà không tính đến sự tham gia của thành phần sức cản nhớt. Ngoài ra, việc sử dụng mô hình rối k- mô tả trường dòng rối là không thực sự hợp lý bởi vì mô hình này chỉ thật sự thích hợp cho trường dòng tự do ở bên ngoài lớp biên, còn trong khu vực lớp biên, đặc biệt ở vùng gần tường thì mô hình này không phù hợp. Với những mẫu tàu chở hàng thông thường hay có hình dạng mạn thẳng và hông tròn, với đoạn thân ống khá dài, nếu chạy vận tốc chậm thì có thể sử dụng mô hình rối k- tuy nhiên nếu như vận tốc của tàu tăng lên thì cần phải quan tâm đến giá trị của hệ số ω. Như đã nêu, các nghiên cứu tính sức cản tàu gần đây đều sử dụng phương pháp RANSE và mô hình rối SST k- cho kết quả khá chính xác và phù hợp với các phương pháp số, đặc biệt khi dùng phương pháp thể tích hữu hạn FVM để rời rạc hóa miền tính toán cho tàu chạy tốc độ thấp với đặc trưng cơ bản là xuất hiện các dòng xoáy mạnh [33]. Một trong các nghiên cứu đầu tiên theo phương pháp này đã được công bố tại Hội thảo ứng dụng CFD trong thủy động học tàu tổ chức ở Gothenburg (Thụy Điển) năm 2014, trong đó tác giả đã dùng bộ giải NavalFoam trong phần mềm mã nguồn mở OpenFOAM theo mô hình RANSE và mô hình rối SST k- để tính sức cản tàu KCS (Hình 2.2) [32].
Về công cụ giải, các nghiên cứu tính sức cản bằng CFD trước đây thường sử dụng ngôn ngữ lập trình như Fotran, Python, STAR-C++ hoặc một số ngôn ngữ lập trình khác. Ưu điểm chính của việc lập trình là chủ động lựa chọn các thông số và phương pháp giải phù hợp cho bài toán cụ thể nhưng phức tạp nên thường thích hợp cho các phương pháp đơn giản như phương pháp Michel, Panel… hoặc giải các bài toán không quá phức tạp. Trong thời gian gần đây, đa số các nhà nghiên cứu trong ngành tàu lại có khuynh hướng sử dụng các phần mềm CFD có sẵn để giải các bài toán mô phỏng động lực học tàu thủy. Từ những phân tích đã được trình bày trong tài liệu [57], NCS có thể rút ra một số nhận xét cụ thể như sau:
Phần mềm Ansys với các môđun về CFD: Flotran, CFX, Fluent xuất hiện từ rất sớm và đã được ứng dụng để giải nhiều bài toán trong trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên cho đến hiện nay, Ansys vẫn sử dụng mô hình rối truyền thống dạng k-, với giá trị các hệ số rối mặc định sẵn nên thường khó đảm bảo độ chính xác cần thiết khi ứng dụng cho các bề mặt vỏ tàu có độ cong phức tạp, nhất là ở khâu chia lưới. OpenFOAM là phần mềm mã nguồn mở được sử dụng rộng rãi thời gian gần đây, trong đó đã cài đặt sẵn các thuật toán mới như SIMPLE, PIMPLE nên người sử dụng không phải nghiên cứu lập trình theo các phương pháp giải hiện có, thường phức tạp. OpenFOAM cho phép giải được nhiều bài toán thủy động học tàu phức tạp nhưng các tính toán đều thực hiện dựa trên hai mẫu tàu thiết lập trước trong phần mềm là tàu Wigley và DTC Hull, do đó khi ứng dụng cho các tàu có đặc điểm thủy động học khác hai mẫu tàu nêu trên thì nếu sử dụng các thông số đã thiết lập sẵn trong lời giải CFD về mô hình rối và điều kiện ban đầu của hai mẫu tàu Wigley hoặc DTC Hull, chắc chắn kết quả tính từ CFD sẽ khác xa so với kết quả thử nghiệm mô hình tàu. Việc sử dụng OpenFOAM khá phức tạp, phải mất rất nhiều thời gian và công sức để thiết lập lại chương trình mỗi lần chạy nên hạn chế rất nhiều khả năng ứng dụng.
START C++ là công cụ mô phỏng có khả năng chia lưới mạnh và tự động tinh chỉnh nhiều loại lưới khác nhau, đồng thời tích hợp nhiều mô hình mô phỏng phù hợp việc phân tích và giải các bài toán động lực học lưu chất khác nhau nên được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, nhất là ở lĩnh vực kỹ thuật truyền nhiệt. Tương tự OpenFOAM, việc sử dụng START C++ cũng không đơn giản.
ShipFlow là phần mềm chuyên dụng về CFD trong ngành kỹ thuật tàu thủy nên rất phù hợp để giải các bài toán thủy động lực học và tối ưu hóa đường hình tàu thủy. Tuy nhiên ShipFlow dựa trên phương pháp tính Panel cho dòng thế (potential flow) nên mặc dù cho kết quả tính khá nhanh nhưng cần lưu ý về độ chính xác khi tính toán. Ngoài ra, đây là phần mềm thương mại bán với giá khá cao và có tính bảo mật lớn nên gây khó khăn cho việc nghiên cứu, nhất là trong điều kiện kinh tế còn hạn chế.
XFlow được xây dựng dựa trên cơ sở công nghệ và phương pháp tính mới [35], [36], nên có nhiều ưu điểm, thể hiện ở các mặt [37]: