Giá trị trung bình φ(x,t) đƣợc tính bằng một trong ba kỹ thuật của Reynolds là trung bình thời gian, trung bình không gian và trung bình cả thời gian lẫn không
2.2. ỨNG DỤNG CFD TÍNH SỨC CẢN CỦATÀU TÍNH TOÁN
Mục đích việc tối ƣu hóa hình học quả lê là làm giảm tối đa sức cản tổng của tàu, do đó để giải quyết mục tiêu nghiên cứu luận án, trƣớc tiên cần đặt vấn đề nghiên cứu ứng dụng lý thuyết CFD giải bài toán ƣớc tính chính xác sức cản cho loại tàu đang tính. Về lý thuyết, khi áp dụng kỹ thuật CFD nói chung hoặc các phần mềm CFD nói riêng với giá trị đã cho của các thông số đầu vào đều có thể nhận đƣợc kết quả tính sức cản nhƣng hoàn toàn chƣa thể đánh giá đƣợc độ chính xác và độ tin cậy của kết quả này. Thực tế tính toán cho thấy, kết quả tính sức cản tàu bằng CFD phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của mô hình đầu vào 3D và giá trị các thông số mô phỏng trong lời giải CFD nhƣ kích thƣớc không gian miền tính, điều kiện biên và các thông số của mô hình rối… Do đó để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy khi ứớc tính sức cản cho loại tàu cụ thể, NCS tiến hành xây dựng và kiểm tra độ chính xác của mô hình tàu 3D ở dạng đầu vào, xác định các thông số mô phỏng cho lời giải CFD phù hợp với loại tàu đang tính toán. Trên cơ sở đó đề xuất phƣơng pháp tính chính xác sức cản bằng CFD cho một loại tàu cụ thể theo trình tự nhƣ sau:
(1) Phân tích và lựa chọn các mẫu tàu tính toán phù hợp và có các số liệu thử nghiệm mô hình sức cản.
(2) Xây dựng mô hình hình học 3D của các mẫu tàu lựa chọn để thực hiện tính sức cản bằng CFD.
(3) Xác định các thông số đầu vào cho lời giải của bài toán ƣớc tính sức cản tàu bằng các phần mềm tính CFD, trong trƣờng hợp này là phần mềm XFlow phù hợp với loại tàu dùng làm đối tƣợng nghiên cứu, cụ thể:
- Xác định các kích thƣớc không gian miền tính phù hợp với loại tàu nghiên cứu trên cơ sở đảm bảo kết quả tính sức cản từ CFD ổn định và không thay đổi. - Xác định các thông số mô hình rối phù hợp với loại tàu nghiên cứu trên cơ sở
đảm bảo mức sai lệch giữa kết quả tính sức cản với số liệu thử nghiệm nằm trong giới hạn cho phép dƣới 5%
(4) Tính sức cản cho mẫu tàu tƣơng tự với giá trị các thông số mô phỏng đã xác định và so sánh với các số liệu thử nghiệm để kiểm tra độ tin cậy của kết quả tính toán.
Để thuận tiện trong việc theo dõi và trình bày, có thể tóm tắt quá trình tính toán bằng sơ đồ khối nhƣ trên Hình 2.3.
∆RT > 5% Tính độ sai lệch ∆
sức cản tính từ CFD và thực nghiệm
Hình 2.3. Sơ đồ khối giải bài toán tính sức cản phù hợp với tàu nghiên cứu
Xác định sơ bộ các kích thƣớc miền
tính theo các nghiên cứu hiện có Xây dựng mô hình 3D hình học củabề mặt vỏ tàu nghiên cứu
Thay đổi kích thƣớc để xây dựng các phƣơng án miền tính toán khác nhau
Ƣớc tính sức cản tàu thứ nhất ở các phƣơng án miền tính toán đã xây
Xác định sơ bộ các thông số mô hình rối theo các công thức hiện có
Thay đổi giá trị để lập các phƣơng án thông số mô hình rối khác nhau
Xác định phƣơng án miền tính và các thông số mô hình rối phù hợp với tàu
Lựa chọn nhóm tàu nghiên cứu có đủ số liệu thử nghiệm sức cản
2.2.1. Phân tích, lựa chọn các mẫu tàu tính toán
Sau khi phân tích các mẫu tàu cá của FAO gồm kết quả thử của 570 mô hình [11] chọn các mẫu tàu nghiên cứu có các ký hiệu FAO 72 và FAO 75 vì các lý do cụ thể nhƣ sau:
2.2.1.1. Phù hợp với đặc điểm của nhóm tàu cá ở Việt Nam
Các mẫu tàu lựa chọn có đặc điểm đƣờng hình và phạm vi thay đổi các thông số hình học phù hợp với nhóm tàu cá vỏ gỗ và vỏ thép đang hoạt động ở nƣớc ta hiện nay. Kết quả nghiên cứu các tàu cá đã và đang hoạt động ở ngƣ trƣờng Việt Nam cho thấy, đƣờng hình các tàu này thƣờng có hai dạng chính là dạng gẫy góc và dạng hông tròn, sống mũi thẳng nghiêng với phƣơng ngang góc từ (60o ÷ 70o), các mặt cắt ngang mũi có dạng chữ V, càng lên trên càng mở rộng ra để hình thành mặt boong thao tác phía mũi. Đuôi tàu đƣợc thiết kế theo kiểu vát phẳng dạng Transom hoặc kiểu tuần dƣơng hạm, chiều dài của đoạn thân ống giữa tàu bé, chiếm khoảng (10 ÷ 15)% chiều dài hai trụ tàu. Ví dụ ở hình 2.4 là đƣờng hình dáng của một mẫu tàu đánh cá vỏ thép có dạng vỏ dƣa thích hợp với các nghề khai thác cần có tính quay trở cao nhƣ nghề vây, nghề chụp…. do PGS.TS Trần Gia Thái thiết kế dựa vào đƣờng hình các mẫu tàu cá vỏ thép của FAO, đã đƣợc đóng mới và đƣa vào hoạt động hiệu quả ở nƣớc ta trong thời gian vừa qua [49].
Bảng 2.1 trình bày kết quả so sánh giá trị của các thông số hình học có ảnh hƣởng đến tính năng hàng hải của các mẫu tàu lựa chọn với phạm vi thay đổi tƣơng ứng của nhóm tàu cá Việt Nam nói chung phân theo nghề khai thác [50].
Bảng 2.1. Đặc điểm hình học tàu cá Việt Nam phân theo nghề khai thác
Đại lƣợng Đơn
vị tính
Các nghề khai thác Mẫu FAO
Lƣới kéo Lƣới vây Lƣới rê Nghề câu 72 75
Fn - 0.18 ÷ 0.40 0.25 – 0.35 L/B - 4.00 ÷ 5.00 3.10 ÷ 3.90 3.10 ÷ 3.80 3.00 ÷ 4.00 4.26 4.26 B/T - 1.75 ÷ 2.80 1.80 ÷ 3.50 1.60 ÷ 2.20 1.90 ÷ 2.40 2.27 2.27 L/ 3 ∇ - 4.00 ÷ 5.00 3.50 ÷ 5.50 4.18 4.26 Cw - 0.80 ÷ 0.88 0.82 ÷ 0.88 0.80 ÷ 0.85 0.80 ÷ 0.85 CB - 0.60 ÷ 0.68 0.52 ÷ 0.65 0.52 ÷ 0.63 0.60 ÷ 0.65 0.523 0.524 CP 0.70 ÷ 0.75 0.57 ÷ 0.68 0.55 ÷ 0.66 0.71 ÷ 0.68 0.580 0.596 LCB % -3.7 ÷ 0.0 -0.7 -1.0 1/2 αE độ 12 ÷ 20 13 18.5 1/2 αR độ 16 ÷ 20
Các ký hiệu trong bảng tính trên: LCB - hoành độ tâm nổi của tàu
αE, αR - góc vào nƣớc ở phía mũi và góc ra nƣớc ở phía đuôi tàu
L/ - tỷ lệ chiều dài – thể tích chiếm nƣớc của tàu
Kết quả ở Bảng 2.1 cho thấy giá trị thông số hình học của các mẫu tàu lựa chọn đều nằm trong phạm vi của nhóm tàu cá Việt Nam nên phù hợp với nghề cá nƣớc ta. Điểm khác nhau là so với nhóm tàu cá Việt Nam, nhóm tàu cá của FAO nói chung và mẫu tàu nghiên cứu nói riêng có giá trị các đại lƣợng ∆, L/B, L/ 3 ∇, Cp lớn hơn, trong khi giá trị của các đại lƣợng khác nhƣ V , B/T và C
B lại nhỏ hơn [50]. (L / 10
)Ngoài ra, nhóm tàu cá vỏ thép của Việt Nam hầu hết không trang bị dạng mũi quả lê, trong khi theo NCS thì quả lê có vai trò quan trọng vì ngoài hiệu quả giảm sức cản, nó còn có tác dụng giảm chấn động khi lắc dọc, điểm rất cần cho hoạt động của tàu cá.
2.2.1.2. Có đầy đủ số liệu thử nghiệm sức cản
Các mẫu tàu lựa chọn đã đƣợc các nhà khoa học của FAO tổ chức thử nghiệm ở ba trạng thái thử nghiệm I, II và III tƣơng ứng với các trạng thái tải trọng khác nhau. Điều này là rất cần thiết vì theo giải thuật ƣớc tính sức cản cho loại tàu cụ thể đã nêu, cần thiết phải có ít nhất là hai mẫu tàu có số liệu thử nghiệm sức cản và gần giống nhau, với một mẫu dùng xác định các thông số đầu vào của bài toán tính sức cản bằng CFD, một mẫu dùng hiệu chỉnh các thông số đầu vào và kiểm tra độ tin cậy của kết quả tính. Với hai mẫu tàu đã chọn, quá trình xác định các thông số đầu vào và kiểm tra kết quả ƣớc tính sức cản sẽ đƣợc thực hiện theo trình tự sau:
- Sử dụng số liệu thử nghiệm sức cản của mẫu tàu không có mũi quả lê FAO 75 để ƣớc tính chính xác các thông số đầu vào khi giải bài toán tính sức cản CFD, bao gồm kích thƣớc của miền tính toán và giá trị các thông số của mô hình rối trên cơ sở đảm bảo sao cho mức độ sai lệch của giá trị sức cản tính từ CFD và từ thử nghiệm mô hình của tàu FAO 75 nằm trong giới hạn cho phép dƣới 5% - Sử dụng giá trị thông số đầu vào đã có để tính sức cản tàu mũi quả lê FAO 72, sau đó so sánh với các giá trị sức cản tƣơng ứng đã có từ thử nghiệm mô hình và tiếp tục hiệu chỉnh thông số đầu vào cho đến khi mức độ sai lệch của giá trị kết quả sức cản tính từ CFD và từ thử nghiệm mô hình của tàu này cũng nằm trong giới hạn cho phép dƣới 5%
Ngoài ra, hai mẫu FAO 72 và FAO 75 có các kích thƣớc và hình dạng giống nhau, chỉ khác nhau ở phần mũi, với tàu FAO 75 có mũi chữ V và tàu FAO 72 có mũi quả lê nên tạo điều kiện thuận lợi khi giải quyết mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án. Cụ thể khi phân tích số liệu thử nghiệm mô hình của hai mẫu tàu này có thể nhận thấy ảnh hƣởng của mũi quả lê đến sự thay đổi sức cản trong trƣờng hợp này là không lớn. Nguyên nhân vì mũi quả lê tàu FAO 72 đƣợc thiết kế dƣới dạng ẩn nằm trong sống mũi nên ảnh hƣởng của nó đến hệ thống sóng mũi, dẫn đến sự thay đổi sức cản không nhiều nhƣ đối với các dạng mũi có quả lê nằm lồi ra bên ngoài nhƣ của Taylor hoặc Kracht. Vì thế trong nội dung của luận án cũng sẽ đặt vấn đề nghiên cứu thiết kế một quả lê mới cho mẫu tàu FAO 75 theo các đồ thị thực nghiệm của Kracht và dựa trên cơ sở đó để giải quyết bài toán tối ƣu hóa hình dạng mũi quả lê cho mẫu tàu nghiên cứu.
Bảng 2.2 và Hình 2.5 dƣới đây là bản vẽ đƣờng hình và dữ liệu thử nghiệm sức cản của mẫu tàu FAO 72 đƣợc trích từ tài liệu [11].
Bảng 2.2. Đƣờng hình và các thông số chính của mẫu tàu FAO 72
• Loại tàu : Lƣới vây
• Bể thử : MU
• Ngày thử nghiệm : 15/7/1946
• Tỷ lệ mô hình : 1: 24
• Vật liệu mô hình : gỗ, sơn
• Kiểu tàu: mũi quả lê, đuôi kiểu tuần dƣơng
• Chảy rối: phun nƣớc
• Công thức tính sức cản ma sát: Schoenherr • Dung sai độ nhám: (24-18) % • Phần phụ: không có Các thông số chính Ký hiệu Đơn vị tính Các trƣờng hợp thử nghiệm I II III
Chiều dài hai đƣờng vuông góc LPP m 44.20 44.20 44.20
Chiều dài đƣờng nƣớc thiết kế LWL m 44.20 44.45 44.55
Chiều rộng đƣờng nƣớc thiết kế B m 10.36 10.36 10.36
Chiều chìm
Mũi tàu TFP m 4.57 4.88 5.33
Đuôi tàu TAP m 4.57 4.29 4.11
Trung bình T m 4.57 4.59 4.72
Diện tích mặt cắt ngang giữa AMS m2 43.8 43.8 45.2
Thể tích chiếm nƣớc ∇ m3 1108.0 1123.0 1188.0
Lƣợng chiếm nƣớc ∆ ton 1126.0 1141.0 1208.0
Diện tích mặt ƣớt Ω m2 603 611 625
Hoành độ tâm nổi LCB m -0.309 -0.575 -1.105
Tỷ lệ chiều dài – thể tích L/ 3 ∇ - 4.18 4.29 4.22
Hệ số đầy thể tích CB - 0.523 0.530 0.543
Hệ số lăng trụ dọc Cp - 0.580 0.586 0.598
Dữ liệu thử nghiệm sức cản mẫu tàu FAO 72 Đại lƣợng Đơn vị Giá trị tính toán Fn - 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 0.375 0.390 Trƣờng hợp I U m/s 3.12 3.64 4.16 4.68 5.20 5.72 6.24 6.76 7.28 7.80 8.12 Pe HP 62.5 78.0 125.0 187.5 312.5 406.3 531.3 687.5 1000.0 1531.3 2500.0 R KG 1501.5 1606.2 2252.3 3003.0 4504.5 5323.5 6381.4 7623.0 10296.0 14714.7 23100.0 Trƣờng hợp II U m/s 3.13 3.66 4.18 4.70 5.22 5.75 6.27 6.79 7.31 7.84 8.15 Pe HP 62.5 86.0 132.8 203.0 322.8 421.9 546.9 703.2 1031.3 1625.0 2531.3 R KG 1497.3 1765.9 2386.1 3242.1 4639.9 5513.0 6550.9 7774.6 10587.9 15571.6 23322.9 Trƣờng hợp III U m/s 3.13 3.65 4.17 4.70 5.22 5.74 6.26 6.78 7.30 7.83 8.14 Pe HP 62.5 93.8 140.6 218.8 336.0 437.5 562.5 734.4 1093.8 1750.0 2656.3 R KG 1495.6 1922.9 2523.8 3489.7 4823.5 5710.4 6730.2 8111.0 11216.9 16750.6 24447.2
Hình 2.5. Đồ thị sức cản của mẫu tàu FAO 72 ở các trƣờng hợp thử nghiệm
Sứ c cả n tà u R
Bảng 2.3 và Hình 2.6 dƣới đây là bản vẽ đƣờng hình và dữ liệu thử nghiệm sức cản của mẫu tàu FAO 75 đƣợc trích từ tài liệu [11].
Bảng 2.3. Đƣờng hình và các thông số chính của mẫu tàu FAO 75
• Loại tàu : Lƣới vây
• Bể thử : MU
• Ngày thử nghiệm : 15/7/1946
• Tỷ lệ mô hình : 1: 24
• Vật liệu mô hình : gỗ, sơn
• Kiểu tàu: mũi chữ V, đuôi kiểu tuần dƣơng
• Chảy rối: phun nƣớc
• Công thức tính sức cản ma sát: Schoenherr • Dung sai độ nhám: (24-18) % • Phần phụ: không có Các thông số chính Ký hiệu Đơn vị tính Các trƣờng hợp thử nghiệm I II III
Chiều dài hai đƣờng vuông góc LWL m 44.20 44.20 44.20
Chiều dài đƣờng nƣớc thiết kế LPP m 44.20 44.45 44.55
Chiều rộng đƣờng nƣớc B m 10.36 10.36 10.36
Chiều chìm
Mũi TFP m 4.57 4.88 5.33
Đuôi TAP m 4.57 4.29 4.11
Trung bình T m 4.57 4.59 4.72
Diện tích mặt cắt ngang giữa AMS m2 43.8 44.3 45.2
Thể tích chiếm nƣớc ∇ m3 1111.0 1123.0 1186.0
Lƣợng chiếm nƣớc ∆ ton 1130.0 1142.0 1205.0
Diện tích mặt ƣớt Ω m2 598 602 615
Hoành độ tâm nổi tƣơng đối LCB m -0.486 -0.707 -1.326
Tỷ lệ chiều dài – thể tích L/ 3 ∇ 4.28 4.29 4.26
Hệ số đầy thể tích CB 0.524 0.530 0.542
Hệ số lăng trụ dọc Cp 0.581 0.586 0.597
Dữ liệu thử nghiệm sức cản mẫu tàu FAO 75 Đại lƣợng Đơn vị Giá trị tính toán Fn 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 0.375 0.390 Trƣờng hợp I U m/s 3.12 3.64 4.16 4.68 5.2 5.72 6.24 6.76 7.28 7.8 8.12 Pe HP 62.5 78.0 125.0 187.5 312.5 437.5 531.3 687.5 1031.3 1750.0 2515.6 R KG 1501.5 1606.2 2252.3 3003.0 4504.5 5733.0 6381.4 7623.1 10617.8 16816.8 23244.2 Trƣờng hợp II U m/s 3.13 3.65 4.17 4.70 5.22 5.74 6.26 6.78 7.3 7.83 8.14 Pe HP 62.5 85.9 140.6 203.0 328.0 453.0 537.5 718.8 1037.5 1750.0 2515.6 R KG 1497.3 1764.7 2526.2 3242.1 4714.6 5919.4 6438.3 7947.1 10652.3 16769.5 23178.7 Trƣờng hợp III U m/s 3.13 3.66 4.18 4.70 5.22 5.75 6.27 6.79 7.31 7.84 8.15 Pe HP 62.5 93.8 156.3 218.8 343.8 468.8 562.5 750.0 1125.0 1875.0 3031.3 R KG 1495.6 1923.0 2804.2 3489.7 4935.5 6118.3 6730.2 8283.3 11537.4 17947.1 27898.5
2.2.2. Xây dựng mô hình 3D và tính sơ bộ sức cản của tàu tính toán
Mô hình 3D của tàu nghiên cứu thƣờng đƣợc xây dựng trong các phần mềm CAD thông dụng nhƣ AutoCad, Rhino...và đƣợc lƣu dƣới dạng file.STL (stereolithography) mô tả bề mặt đối tƣợng ở dạng lƣới tam giác để đƣa vào tính trong các phần mềm CFD. Mặc dù mô hình 3D có ảnh hƣởng lớn đến độ chính xác của kết quả tính toán nhƣng do việc xây dựng chính xác mô hình 3D của các vật thể hình học có hình dạng phức tạp nhƣ bề mặt vỏ tàu thủy thƣờng không đơn giản nên nhƣ đã nhận xét trong các phần trên, hầu hết các nghiên cứu hiện nay đều sử dụng chung mô hình 3D của các mẫu tàu đã có, không đề cập đến cách thức xây dựng, cũng nhƣ kiểm tra về độ chính xác của mô hình. Riêng trong luận án này, NCS xây dựng mô hình hình học 3D của tàu tính toán trong phần mềm thiết kế tàu thông dụng AutoShip nhằm lợi dụng tính năng của phần mềm trong việc kiểm tra đô chính xác và