Chƣơng 1 ĐẶT VẤN ĐỀ
1.2. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN HƢỚNG NGHIÊN CỨU
1.2.1. Phân tích các hƣớng nghiên cứu liên quan
Từ phần tổng quan các nghiên cứu liên quan, NCS rút ra một số các nhận xét để làm cơ sở cho việc lựa chọn hƣớng nghiên cứu của mình, cụ thể nhƣ sau:
1.2.1.1. Mẫu tàu tính toán
- Hầu hết các nghiên cứu thƣờng thực hiện cho các mẫu tàu đã có sẵn mũi quả lê nhƣ tàu xây dựng theo công thức Wigley, tàu DTMB 5415 của Mỹ, tàu container KCS của Hàn Quốc hoặc các mẫu tàu thuộc seri 60 tại bể thử Taylor của Mỹ. Hầu hết những mẫu tàu này là tàu hàng, dạng đáy phẳng, hông tròn, mạn thẳng, với giá trị tỷ số chiều dài L và chiều rộng tàu B khá lớn, thƣờng lớn hơn 6.0, chiều dài thân ống lớn, làm việc chủ yếu ở chế độ tƣơng ứng mớn nƣớc thiết kế, với phạm vi thay đổi của giá trị số Froude nằm trong khoảng Fn = (0.20 – 0.40). Ít có nghiên cứu liên quan việc ứng dụng CFD để tính sức cản hoặc tối ƣu hóa hình dạng quả lê cho tàu cá, loại tàu có nhiều điểm khác biệt với tàu hàng nhƣ tỷ số L/B khá nhỏ, thân ống ngắn và chạy chậm, chế độ làm việc thƣờng xuyên thay đổi, cùng với giá trị số Froude thay đổi trong phạm vi khá rộng nhƣ tàu cá.
- Đặc điểm chung của các mẫu tàu có sẵn quả lê là phần mô hình hình học 3D và số liệu thử nghiệm kéo mô hình trong bể thử đều đã đƣợc công bố rộng rãi. Chính vì thế mà hầu hết các công trình nghiên cứu dựa trên các mẫu tàu này đều không thực hiện, hoặc nếu có cũng không trình bày rõ về nội dung xây dựng cũng nhƣ kiểm tra độ chính xác của kết quả xây dựng mô hình hình học 3D, trong khi độ chính xác của mô hình tàu 3D cũng sẽ là một trong các yếu tố có ảnh hƣởng lớn đến các kết quả tính toán.
1.2.1.2. Phương pháp thiết kế quả lê
Ngoài đồ thị Taylor mà theo đánh giá của nhiều nhà nghiên cứu là chƣa đủ mạnh, chỉ có phƣơng pháp thiết kế quả lê theo các đồ thị của Kracht (1978) là hiệu quả nhất. Tuy nhiên phƣơng pháp này cũng có những hạn chế nhất định, cụ thể là chỉ áp dụng cho các tàu có hệ số béo nằm trong phạm vi nhất định CB = (0.56 - 0.82), quả lê tính đƣợc chỉ gần với tối ƣu và không đề cập việc nối mũi quả lê đã thiết kế vào thân tàu còn lại.
1.2.1.3. Phương pháp tính sức cản
Hầu hết các nghiên cứu tối ƣu hóa quả lê đều dựa trên hàm mục tiêu về sức cản, do đó xác định sức cản chính là công đoạn đầu tiên có vai trò và vị trí rất quan trọng. Tổng quan các phƣơng pháp tính sức cản tàu nói chung và trong các nghiên cứu tối ƣu hình dạng quả lê nói riêng có thể rút ra một số nhận xét sau:
• Các công trình nghiên cứu trƣớc đây thƣờng tính sức cản theo các phƣơng pháp giải truyền thống nhƣ phƣơng pháp số của Mitchel tính sức cản của tàu Wigley, phƣơng pháp phần tử biên (BEM), phổ biến nhất là phƣơng pháp Panel…. [53]. Các phƣơng pháp truyền thống này đều tính sức cản theo phƣơng pháp hàm thế nên có chung một nhƣợc điểm quan trọng là xem lƣu chất không có độ nhớt và biểu diễn phƣơng trình chuyển động của dòng chất lỏng dƣới dạng hàm thế của tốc độ theo phƣơng trình Laplace nhƣ đã nêu trong các tài liệu liên quan [31]. Điều này thực sự là không thuyết phục khi mô hình hóa trƣờng dòng lƣu chất bao quanh thân tàu vì không tính đến sự tham gia của thành phần sức cản nhớt. Ngoài ra, việc sử dụng mô hình rối k-ε mô tả dòng rối là không thực sự hợp lý, vì mô hình này chỉ thích hợp để mô tả cho dòng tự do nằm bên ngoài lớp biên, còn trong lớp biên, nhất là vùng gần tƣờng thì mô hình k-ω tỏ ra phù hợp hơn.
• Các nghiên cứu gần đây thƣờng sử dụng phƣơng pháp CFD với lời giải RANSE và mô hình rối SST k-ε kết hợp hai mô hình k-ω và k-ε theo đề xuất của Menten. Có thể nhận thấy, cách tiếp cận theo phƣơng pháp RANS là cách làm hiện đại, thƣờng cho đƣợc kết quả và lời giải khá thích hợp với những phƣơng pháp số, đặc biệt là phƣơng pháp thể tích hữu hạn (FVM) khi rời rạc hóa miền tính và phù hợp với những tàu chạy chậm với đặc trƣng xuất hiện dòng xoáy mạnh [32]. Vì thế hầu hêt các phần mềm tính CFD hiện nay đều sử dụng lời giải RANSE với mô hình rối SST k-ε để thực hiện tính sức cản tàu bằng kỹ thuật CFD [55].
• Các nghiên cứu liên quan thƣờng chỉ công bố kết quả so sánh sức cản tính đƣợc với số liệu thực nghiệm mô hình để khẳng định độ chính xác của kết quả tính. Hầu nhƣ chƣa có một công trình nào công bố cụ thể về phƣơng pháp xác định, cũng nhƣ giá trị các thông số đầu vào cần thiết khi mô phỏng một tàu cụ thể nhƣ các kích thƣớc của miền tính, điều kiện biên, các thông số của mô hình rối…
1.2.1.4. Mô hình và phương pháp giải bài toán tối ưu hóa hình dạng quả lê
(a) Mô hình bài toán tối ƣu hóa hình dạng quả lê
Tƣơng tự bài toán tối ƣu tổng quát, mô hình bài toán tối ƣu quả lê bao gồm những thành phần chính là biến thiết kế, hàm mục tiêu và các ràng buộc cụ thể nhƣ sau:
• Các biến thiết kế
Các biến thiết kế đƣợc lựa chọn trong bài toán này là các tham số kích thƣớc chính, bao gồm chiều dài, chiều rộng và chiều cao của quả lê nhƣ sẽ đƣợc trình bày ở mục 3.1. Tuy nhiên trong hầu hết các nghiên cứu hiện nay đều không phân tích ảnh hƣởng của việc thay đổi các kích thƣớc đến hiệu quả thủy động học của quả lê nên dẫn đến việc xây dựng các phƣơng án hình học của quả lê chủ yếu dựa trên cơ sở thay đổi chủ quan gồm hai trƣờng hợp chính là thay đổi chỉ một biến kích thƣớc: chiều dài, chiều cao và thay đổi đồng thời hai biến thiết kế: chiều dài - chiều cao, chiều cao - chiều rộng quả lê. Ngoài ra, trong các nghiên cứu cũng không đề cập đến ảnh hƣởng việc thay đổi các kích thƣớc đến các yếu tố thiết kế và các tính năng hàng hải của tàu nhƣ là các ràng buộc đối với biến thiết kế của bài toán tối ƣu mũi quả lê.
• Hàm mục tiêu
Các nghiên cứu đều lựa chọn hàm đơn mục tiêu là độ giảm của sức cản tổng hoặc công suất có ích là lớn nhất, tính ở mớn nƣớc hoặc vận tốc (hoặc số Froude) nhất định. Đặc điểm này có thể sẽ phù hợp với các tàu chở hàng thƣờng hoạt động ở một chế độ, nhƣng đối với tàu cá thƣờng hoạt động ở nhiều chế độ vận tốc và mớn nƣớc khác nhau nên cần phân tích và lựa chọn chính xác hàm đa mục tiêu trên cơ sở đảm bảo sao cho hiệu quả của quả lê là lớn nhất ở các chế độ làm việc khác nhau của tàu.
• Các điều kiện ràng buộc của bài toán tối ƣu
Hầu hết các nghiên cứu chỉ đề cập tối ƣu hóa quả lê với hàm mục tiêu sức cản, chƣa đƣa vào điều kiện ràng buộc của bài toán nhằm giới hạn ảnh hƣởng sự thay đổi của các kích thƣớc hình học quả lê đến hiệu quả làm việc và các tính năng hàng hải của tàu, dẫn đến việc lựa chọn các phƣơng án tính toán kích thƣớc quả lê chƣa có cơ sở rõ ràng. Một vài công trình nghiên cứu cũng đã có đề cập đến vấn đề này nhƣng hầu hết đều cho rằng sẽ đƣợc thực hiện trong tƣơng lai.
(b) Phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu
Nhƣ đã phân tích, các nghiên cứu tối ƣu hóa quả lê hiện nay thực hiện theo các phƣơng pháp, tạm chia thành hai nhóm phƣơng pháp chính nhƣ sau.
• Phƣơng pháp phƣơng án
Phƣơng pháp này xây dựng trên cơ sở thay đổi các kích thƣớc của quả lê ban đầu theo gia số nhất định để hình thành các phƣơng án tính toán, tính sức cản cho tất cả phƣơng án và lựa chọn quả lê tối ƣu ứng với phƣơng án có độ giảm sức cản lớn nhất. Theo phƣơng pháp này thƣờng phải sử dụng mô hình toán dƣới dạng mô hình thay thế để tìm ra phƣơng án tối ƣu dựa vào tập các dữ liệu sức cản rời rạc ban đầu.
• Phƣơng pháp tham số
Phƣơng pháp này hình thành trên cơ sở sử dụng tập hợp các đƣờng cong tham số xây dựng bề mặt hình học thân tàu và quả lê, sau đó dùng các thuật toán tối ƣu xác định các tham số tối ƣu có sức cản tàu nhỏ nhất và dùng chúng để dựng lại hình dạng quả lê.
Theo phân tích, việc sử dụng mô hình thay thế có ƣu điểm hơn vì các lý do sau: - Việc ƣớc tính sức cản tàu bằng kỹ thuật CFD thƣờng tốn rất nhiều thời gian,
trong khi mô hình thay thế lại có thể ƣớc tính kết quả từ tập số liệu ban đầu không lớn nên cho phép giảm đƣợc nhiều số liệu tính toán bằng CFD so với các mô hình tối ƣu khác.
- Kết quả tính từ CFD và mô hình thay thế cho thấy có độ tin cậy cao hơn nhiều nhờ việc tìm và bổ sung thêm các số liệu tính toán gần với phƣơng án tối ƣu. Đồng thời lời giải tối ƣu không phụ thuộc vào điểm đầu tiên và hàm mục tiêu không cần ở dạng tƣờng minh, những đặc điểm cơ bản của bài toán đang xét. Do đó giải pháp sử dụng mô hình thay thế để giải bài toán tối ƣu hóa hình học mũi quả lê tỏ ra hiệu quả hơn nhiều so với các mô hình tối ƣu khác.
- Do sự thay đổi của sức cản tàu rất phức tạp, hầu nhƣ không thể biết trƣớc đƣợc nên việc sử dụng các thuật toán tối ƣu dựa trên gradient hoặc di truyền trở nên rất nặng nề và ít chính xác, nhất là khi điểm xuất phát đƣợc xác định không tốt. Khi đó phƣơng pháp tối ƣu hóa hình học quả lê dựa theo mô hình thay thế chính là cách tiếp cận hiệu quả nhất.
1.2.2. Phân tích và lựa chọn hƣớng nghiên cứu
(1) Lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu
Xuất phát từ ý nghĩa khoa học và thực tế của luận án, lựa chọn tàu tính toán là các mẫu tàu cá vỏ thép có các đặc điểm hình học, thủy động học, chế độ làm việc khác tàu hàng và phù hợp với nghề cá Việt Nam hiện nay, đồng thời có đầy đủ các số liệu thử nghiệm mô hình và chƣa đƣợc nghiên cứu trong các công trình liên quan.
(2) Nghiên cứu tính sức cản của tàu tính toán với độ chính xác mong đợi
Sử dụng phần mềm CFD Xflow để tính sức cản của tàu tính toán với độ chính xác mong đợi, dựa trên cơ sở đảm bảo độ chính xác của mô hình 3D và sự phù hợp của các thông số mô phỏng phù hợp với loại tàu cụ thể dùng tính toán.
(3) Nghiên cứu thiết kế mũi quả lê cho tàu tính toán
Nghiên cứu sử dụng đồ thị Kracht để thiết kế mũi quả lê cho tàu tính toán có hệ số béo không nằm trong phạm vi áp dụng của các đồ thị này.
(4) Nghiên cứu phƣơng pháp tối ƣu hình dạng quả lê tàu cá
Hƣớng nghiên cứu tập trung xác định hàm mục tiêu, các biến thiết kế và giới hạn phạm vi thay đổi của chúng, các điều kiện ràng buộc và phƣơng pháp giải phù hợp đặc điểm làm việc của tàu cá nói chung và tàu cá Việt Nam nói riêng để đảm bảo hiệu quả làm việc của quả lê tốt nhất và không ảnh hƣởng tính năng tàu.
Kết luận chƣơng 1
Nội dung chƣơng phân tích tổng quan tài liệu và công trình nghiên cứu liên quan, và dựa trên cơ sở đó xây dựng hƣớng nghiên cứu của luận án gồm các nội dung sau:
(i) Phân tích, lựa chọn tàu tính toán phù hợp mục tiêu và nội dung nghiên cứu; (ii) Nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp CFD trong xác định sức cản loại tàu
cụ thể dùng tính toán với độ chính xác mong đợi;
(iii) Nghiên cứu sử dụng các đồ thị Kracht để thiết kế mũi quả lê cho tàu tính toán có hệ số béo không nằm trong phạm vi áp dụng của các đồ thị này;
(iv) Nghiên cứu xây dựng mô hình, phƣơng pháp tối ƣu mũi quả lê tàu cá lựa chọn.