hiện tượng giao thoa giữa hai hệ thống sóng độc lập của thân tàu và của quả lê. Còn thành phần sức cản bẻ gẫy sóng RWB phụ thuộc trực tiếp vào sự phát triển của hệ thống sóng tự do và sóng cục bộ xuất hiện trong vùng lân cận mũi tàu và là nguyên nhân gây ra hiện tượng bắn các tia nước ở khu vực này khi tàu chạy. Hai thành phần sức cản này có liên quan đến việc tạo ra hệ thống sóng của tàu và có giá trị rất khác đối với các tàu có hệ số béo và tốc độ hành trình khác nhau. Nguyên nhân vì việc giảm sức cản do quả lê cho các tàu béo, chạy chậm có thể vượt sức cản sinh sóng ở số Fn < 0.2 là phần không đáng kể của sức cản tổng. Do đó việc am hiểu hiện tượng phá vỡ các sóng tàu có ý nghĩa rất quan trọng khi thiết kế dạng mũi quả lê cho các tàu có hình dạng béo và chạy ở tốc độ chậm. Thành phần sức cản bẻ gẫy sóng RWB gồm tất cả phần năng lượng đã bị mất đi do bẻ gẫy hay phá vỡ hệ thống sóng mũi quá đứng khi va đập với sống mũi tàu. Giá trị chính của phần năng lượng mất đi này có thể tìm được qua thử nghiệm đo các hệ số dòng theo xuất hiện ở khu vực phía đuôi hoặc mũi khi tàu chạy. Hệ thống sóng cục bộ cũng góp phần chính yếu vào thành phần sức cản này.
(2) Ảnh hưởng đến các tính năng hàng hải của tàu
Mặc dù có thể sẽ xảy ra những ảnh hưởng không thuận lợi nhưng nhìn chung thì các mũi quả lê không ảnh hưởng nhiều đến tính ổn định hoặc tính cơ động tàu [19]. Không có sự thay đổi lớn nào về góc vào nước hoặc khoảng thời gian thử tàu chạy zigzag Ngoại trừ sự xuất hiện chuyển động tương đối của phần mũi tàu quả lê so với mặt nước thì mũi quả lê không gây ra các ảnh hưởng xấu đến các thành phần chuyển động còn lại hoặc ảnh hưởng đến giá trị mômen uốn cực đại trong mặt cắt ngang giữa thân tàu [17]. Mặc dù có sự chuyển động tương đối của mũi quả lê nhưng những nguy hiểm gây ra do sự va đập của một quả lê có hình dáng tốt, không cao hơn so với tàu không lắp quả lê cụ thể quả lê làm giảm nhẹ chuyển động lắc dọc của tàu nhờ giảm chấn động hơn [20]. Mũi quả lê làm phần thân mũi đầy đặn hơn nên đảm bảo chúi dọc và ổn định tốt hơn, đồng thời làm thay đổi sức cản tổng nên cũng làm ảnh hưởng đến lực đẩy của chân vịt, và do đó làm ảnh hưởng đến các đặc tính đẩy tàu như hệ số hút t, hệ số dòng theo w…dẫn đến làm hiệu suất động lực của tàu thay đổi, có thể là theo hai hướng ngược nhau. Tóm lại, mũi quả lê ảnh hưởng lớn đến các tính năng thủy động học quan trọng của tàu theo hai hướng ngược nhau nên cần cân nhắc trước khi quyết định dùng dạng mũi này.
Từ phân tích về các công trình nghiên cứu thực nghiệm truyền thống nhận thấy, mặc dù cũng sẽ gặp nhiều khó khăn nhưng hoàn toàn có thể tìm được những hình dạng và vị trí tối ưu của mũi quả lê cho phép làm giảm được giá trị sức cản tổng của tàu, mà thực chất chính là làm giảm được hệ thống sóng tạo ra khi tàu chuyển động tiến nhờ xảy ra sự giao thoa tích cực giữa hệ thống sóng của thân tàu và của mũi quả lê. Tùy thuộc vào sự khác nhau về pha và biên độ của hai hệ thống sóng mà có thể xảy ra sự giao thoa tích cực giữa hai hệ thống sóng làm triệt tiêu sức cản tổng hợp của cả hai, trong đó vị trí thân quả lê gây ra sự lệch pha, còn thể tích của nó liên quan biên độ. Trong số các công trình nghiên cứu thực nghiệm truyền thống đã thực hiện trước đây, nổi tiếng nhất là công trình nghiên cứu của nhà khoa học người Đức Kracht (1978), trong đó ông đã tiến hành thử nghiệm hàng loạt mô hình tàu có gắn dạng mũi quả lê có hình dạng khác nhau và có hệ số béo của tàu nằm trong phạm vi CB = (0.56 – 0.82). Trên cơ sở phân tích thống kê các dữ liệu thực nghiệm thu được, ông đã xây dựng được hàng loạt đồ thị đã được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế mũi quả lê cho các tàu.
1.1.2. Các công trình nghiên cứu hiện đại
Tất cả các công trình nghiên cứu thiết kế tối ưu mũi quả lê hiện nay đều bắt đầu từ việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết CFD để ước tính sức cản đối với loại tàu đang tính. Sau đó xây dựng các phương án quả lê mới bằng cách thay đổi các kích thước hình học hoặc cải tiến hình dáng quả lê và tính toán lại sức cản tương ứng với từng phương án nhằm tìm kiếm những phương án có lợi về mặt sức cản tàu trong các chế độ khai thác. Yêu cầu chung đặt ra cho phương án quả lê được chọn là đảm bảo sao cho các tính năng hàng hải của tàu không thay đổi, còn sức cản của tàu có thể giảm đến mức tối đa có thể. Kết quả tổng quan các công trình nghiên cứu thế giới có liên quan vấn đề đặt ra ở đây, có thể tổng hợp thành hai xu hướng nghiên cứu giải bài toán tối ưu hóa quả lê như sau.
1.1.2.1. Tối ưu hóa mũi quả lê dựa trên phương pháp phương án
Các công trình nghiên cứu theo hướng này thường cũng bắt đầu từ việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết CFD ước tính sức cản cho những tàu đã có trang bị sẵn mũi quả lê, sau đó tiến hành thay đổi các kích thước hình học của quả lê theo các gia số nhất định và ước tính sức cản, phân tích trường dòng để lựa chọn hình dạng tối ưu của mũi quả lê, tương ứng trường hợp có độ giảm sức cản tổng so với ban đầu lớn nhất [21], [1], [22]. Đại diện cho hướng nghiên cứu này là công trình của tác giả Grzegorz Filip ở Khoa Kỹ thuật tàu thủy Đại học Michigan và các cộng sự ở Đăng kiểm Mỹ (ABS) [23] thực hiện tối ưu hóa quả lê cho tàu chở hàng KCS (KRISO Container Ship) (Hình 1.5) được thiết kế và phát triển bởi Viện nghiên cứu tàu thủy và công trình biển KRISO (Korean Research Institute for Ship and Ocean Engineering) của Hàn Quốc [24].
Trong nghiên cứu này, các tác giả tiến hành thay đổi chiều cao H và chiểu rộng C của quả lê ban đầu để hình thành ra 9 phương án hình học quả lê khác nhau (Hình 1.6). Sau đó thực hiện tính sức cản cho 9 phương án bằng công cụ OpenFOAM của CFD theo cách làm phổ biến hiện nay là phương pháp RANSE với mô hình rối SST k - . So sánh kết quả tính sức cản để chọn ra phương án tối ưu có sức cản nhỏ nhất [23].
Hình 1.6. Các phương án thiết kế mũi quả lê
Bảng 1.1 trình bày kết quả tính toán và so sánh mức độ thay đổi về công suất (%) của 09 phương án thiết kế mũi quả lê so với mũi quả lê ban đầu [23].
Bảng 1.1. Kết quả tính và so sánh mức độ thay đổi của công suất (%) đối với 09 phương án thiết kế mũi quả lê mới so với mũi quả lê ban đầu
Phương án H1 = 8 m H2 = 9 m H3 = 10 m
C1 = 4.0 m -6.9 -3.9 0.3
C2 = 5.4 m -5.6 4.0 18.4
Do số lượng các phương án thiết kế quả lê lựa chọn là chưa đủ để có thể nắm bắt chính xác sự thay đổi của giá trị sức cản tàu ở các phương án khác nên để đảm bảo được độ chính xác của kết quả nghiên cứu nói chung và kết quả ước tính sức cản nói riêng, các tác giả đề xuất sử dụng mô hình thay thế, thuật ngữ tiếng Anh là surrogate model. Mô hình thay thế được sử dụng trong nghiên cứu này là mô hình nội suy Kriging nhằm xây dựng các bề mặt đáp ứng (reponse surface) đi qua các điểm dữ liệu sức cản ban đầu, dựa trên cơ sở đó xác định các phương án quả lê mới có độ giảm sức cản hay công suất có ích nhỏ nhất để bổ sung vào tập dữ liệu ban đầu, sau đó thực hiện tính toán xây dựng lại bề mặt đáp ứng của mô hình thay thế cho đến khi đạt được độ chính xác mong muốn. Hình 1.7 mô tả hình ảnh bề mặt đáp ứng của mô hình thay thế dạng mô hình nội suy Kriging với đa thức bậc hai được xây dựng từ giá trị độ giảm công suất có ích của 9 phương án ban đầu (các điểm tròn) và điểm có độ giảm công suất lớn nhất (điểm đỏ) (hình bên trái) và sau khi bổ sung thêm các điểm có độ giảm công suất lớn nhất (hình bên phải).
Hình 1.7. Bề mặt đáp ứng biểu diễn cho giá trị độ giảm công suất có ích với các điểm đen là dữ liệu ban đầu và điểm đỏ biểu diễn độ giảm công suất tối đa [23]
Khi nghiên cứu công trình này, NCS nhận thấy vẫn còn nhiều vấn đề cần thảo luận về cơ sở khoa học lựa chọn các thông số chiều rộng và chiều cao quả lê khi tối ưu hóa, lựa chọn 9 phương án thiết kế quả lê ban đầu, xử lý lưới chia ở khu vực mặt thoáng và đánh giá độ chính xác của lưới chia và kết quả tính sức cản thực hiện trong OpenFOAM.
1.1.2.2. Tối ưu hóa mũi quả lê dựa trên phương pháp tham số
Các nghiên cứu theo hướng này sử dụng mô hình tham số xây dựng từ tập hợp các đường cong cơ bản dùng biểu diễn các đường bao ngoài hình dạng thân tàu và quả lê. Khi đó, các đường cong và mặt cong hình thành bề mặt tàu và quả lê sẽ được nội suy từ các đường cơ bản trên, nhờ vậy cho phép thay đổi hình dạng thân tàu và quả lê hiệu quả. Thiết lập mối quan hệ giữa các thông số hình học của tàu với các tham số của mô hình và dựa trên cơ sở đó lựa chọn các thông số hình học tối ưu được xem như là các biến của bài toán tối ưu để xác định hình dạng tối ưu của thân tàu hoặc quả lê [9], [25], [26]. Tiêu biểu cho hướng nghiên cứu này là công trình của các tác giả Weilin Luo và Linqiang Lan thuộc Viện Cơ khí và Tự động hóa Đại học Phúc Châu, Trung Quốc [27], trong đó các đường cong đặc tính biểu diễn của mô hình tàu được minh họa ở Hình 1.8, gồm các đường cong cụ thể như sau: