Chƣơng 1 ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
Mũi quả lê ra đời từ đầu thế kỷ XX, nhƣng đến năm 1910 mới đƣợc D.Taylor (Mỹ) đƣa vào thiết kế tàu hải quân USS Delaware nhƣng vẫn chƣa đƣợc chấp nhận rộng rãi. Đến năm 1920, quả lê xuất hiện lần đầu trên hai tàu khách Bremen và Europa của Đức. Đến năm 1931, mũi quả lê tiếp tục đƣợc trang bị trên các tàu chở khách nhỏ hơn khác nhƣ các tàu mang tên tổng thống Mỹ Hoover và Coolidge với kết cấu khá cồng kềnh. Năm 1935, tàu Normandie đƣợc chế tạo với mũi quả lê đã chạy đạt đƣợc đến 30 hải lý. Ngoài các tàu dân sự, ngay từ thế chiến thứ II thì một số tàu hải quân của Mỹ và Nhật nhƣ tàu tuần dƣơng mang tên Yamato đóng năm 1940 đã có sử dụng dạng mũi quả lê. Kể từ cuối năm 1950 mới bắt đầu có các nghiên cứu chính thức dạng mũi này và đến năm 1960, các tàu viễn dƣơng của dân sự và quân sự mới trang bị nhiều dạng mũi này. Tàu Yamashiro Maru đóng năm 1963 tại nhà máy đóng tàu Mitsubishi ở Nhật Bản là tàu đầu tiên trang bị mũi quả lê chạy đến tốc độ 20 hải lý với công suất 13.500 mã lực, trong khi các tàu tƣơng tự phải cần đến công suất 17.500 mã lực để đạt cùng tốc độ [13]. Mục đích gắn quả lê vào mũi tàu là để tạo ra thêm một hệ thống sóng phía trƣớc tàu nhằm làm giảm tối đa hệ thống sóng truyền dọc theo thân tàu nhƣ minh họa ở Hình 1.1. Khi tàu chƣa có mũi quả lê chuyển động, do áp lực nƣớc ở mũi cao hơn nên thân tàu (2) tạo ra hệ thống sóng mũi (4) cản trở tàu chuyển động, gây tổn thất năng lƣợng cho tàu. Khi gắn quả lê có hình dạng phù hợp vào mũi tàu, quả lê (1) sẽ tạo ra hệ thống sóng (3), khi tƣơng tác với hệ thống sóng mũi tàu (4) có thể xảy ra giao thoa ngƣợc pha tích cực, theo nghĩa là đỉnh hệ thống sóng này chồng lên đáy của hệ thống sóng kia và ngƣợc lại, làm triệt tiêu cả hai hệ thống sóng (5), nhờ vậy làm giảm sức cản sinh sóng của tàu [14].
Một cách tổng quát, có thể chia những công trình nghiên cứu về mũi tàu quả lê thành hai hƣớng chính nhƣ sau:
1.1.1. Các công trình nghiên cứu truyền thống
Những công trình nghiên cứu truyền thống thƣờng tiến hành xác định hình dạng và kích thƣớc các dạng mũi quả lê dựa vào kết quả thử nghiệm mô hình tàu trong bể thử. Ví dụ ở Hình 1.2 là hình dạng mũi quả lê dƣới dạng ống trụ tròn có ký hiệu kiểu C của Đại học Michgan đƣợc thiết kế dựa theo những mô hình đã qua thực nghiệm
[13].
Hình 1.2. Hình dạng mũi quả lê kiểu ống trụ tròn
Hình 1.3 trình bày dạng mũi quả lê kiểu “bóng đèn tròn” ký hệu 3A, 3B, 3C [51].
Năm 1962, giáo sƣ T.Inui (Nhật) công bố công trình liên quan đến sức cản sóng, với thuyết “dạng tàu không sóng” ứng dụng quả lê làm phƣơng tiện giảm sóng [15]. Thực tế dạng tàu không sóng (waveless form) của giáo sƣ Inui ít có khả năng thực hiện song nếu chế tạo tàu theo tỷ lệ kích thƣớc tác giả đề nghị cộng với sử dụng mũi quả lê theo tác giả đề nghị thì sức cản sóng của tàu sẽ nhỏ hơn nhiều so với tàu bình thƣờng. Theo giáo sƣ Inui, với mũi quả lê thì hệ thống mũi, lái đƣợc xét là hai hệ thống riêng còn hệ thống sóng do chúng sinh ra sẽ bị triệt tiêu lẫn nhau bằng phân bố bổ sung gồm các nguồn âm dƣơng hoặc nói theo ngôn ngữ toán là các điểm kỳ dị toán (singularities). Chức năng của hệ thống bổ sung này là tạo ra một hệ thống sóng cùng biên độ với hai hệ thống sóng ở mũi và lái, lệch pha với chúng và bằng cách đó vô hiệu hóa chúng. Mũi quả lê của giáo sƣ Inui đƣợc lắp thử cho tàu Murasaki và Kurenai Maru của Nhật. Tàu sau lắp quả lê khá to, gấp ba bình thƣờng, đƣờng kính đến 3.5m, thể tích 40m3. Điều rất lạ là mặc dù kích thƣớc mũi quả lê khá to nhƣng đã phát huy tác dụng tốt hơn, giảm đến 13.1% công suất của máy chính tàu so với tàu khi không có lắp mũi quả lê. Ở vận tốc cao 18.5 hl/h, tàu lắp mũi quả lê lớn chạy nhanh hơn tàu đồng kiểu 0.8 hl/h. Hình 1.4 là kết quả thí nghiệm tàu gắn quả lê độ lớn khác nhau chạy vùng tốc độ rộng. Có thể lƣu ý với kiểu “quả lê” nhất định, kết quả mới sẽ có lợi khi giảm sức cản tàu nếu tàu khai thác ở vận tốc lớn nhất định [15].
Ảnh hƣởng mũi quả lê thƣờng đƣợc nghiên cứu ở nhiều góc độ khác nhau nhƣng thƣờng tập trung vào ảnh hƣởng của nó đến sức cản và tính năng tàu [16], [1]: (1) Ảnh hƣởng đến sức cản
Hiệu ứng quan trọng nhất của quả lê là ảnh hƣởng đến các thành phần sức cản tàu và do đó sẽ ảnh hƣởng đến công suất yêu cầu đẩy tàu chạy, cụ thể nhƣ sau [17], [18].
- Sự xuất hiện của quả lê sẽ làm tăng diện tích mặt ƣớt thân tàu nên luôn làm tăng thành phần sức cản ma sát RF, chiếm phần chủ yếu của sức cản nhớt của tàu RV. Ngoài ra, sự có mặt quả lê ở một số trƣờng hợp sẽ làm tăng độ trơn xung quanh phần mũi nên sẽ làm thay đổi trƣờng áp suất nhớt và làm giảm sức cản nhớt. Với tàu béo và chạy chậm, việc giảm sức cản nhớt do độ trơn của phần mũi tàu có thể làm xuất hiện thêm nhiều sóng khác, làm hạn chế ảnh hƣởng của quả lê. Còn ảnh hƣởng của quả lê đến thành phần sức cản nhớt dƣ RVR do thay đổi trƣờng vận tốc trong vùng gần mũi tàu vẫn chƣa thật rõ ràng nên trong phân tích các dữ liệu thử nghiệm theo phƣơng pháp Froude đã không tính đến điểm này. - Quả lê ảnh hƣởng lớn đến thành phần sức cản sinh sóng của tàu RWF do xảy ra hiện tƣợng 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 tƣợng bắn các tia nƣớc 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 vƣợt sức cản sinh sóng ở số Fn < 0.2 là phần không đáng kể của sức cản tổng. Do đó việc am hiểu hiện tƣợng 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 lƣợng 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 lƣợng mất đi này có thể tìm đƣợc 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 hƣởng đến các tính năng hàng hải của tàu
Mặc dù có thể sẽ xảy ra những ảnh hƣởng không thuận lợi nhƣng nhìn chung thì các mũi quả lê không ảnh hƣởng nhiều đến tính ổn định hoặc tính cơ động tàu [19]. Không có sự thay đổi lớn nào về góc vào nƣớc hoặc khoảng thời gian thử tàu chạy zigzag Ngoại trừ sự xuất hiện chuyển động tƣơng đối của phần mũi tàu quả lê so với mặt nƣớc thì mũi quả lê không gây ra các ảnh hƣởng xấu đến các thành phần chuyển động còn lại hoặc ảnh hƣởng đến giá trị mômen uốn cực đại trong mặt cắt ngang giữa thân tàu [17]. Mặc dù có sự chuyển động tƣơng đối của mũi quả lê nhƣng 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 hƣởng đến lực đẩy của chân vịt, và do đó làm ảnh hƣởng đến các đặc tính đẩy tàu nhƣ 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 hƣớng ngƣợc nhau. Tóm lại, mũi quả lê ảnh hƣởng lớn đến các tính năng thủy động học quan trọng của tàu theo hai hƣớng ngƣợc nhau nên cần cân nhắc trƣớc 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 nhƣng hoàn toàn có thể tìm đƣợc những hình dạng và vị trí tối ƣu của mũi quả lê cho phép làm giảm đƣợc giá trị sức cản tổng của tàu, mà thực chất chính là làm giảm đƣợc 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 trƣớc đây, nổi tiếng nhất là công trình nghiên cứu của nhà khoa học ngƣời 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 đƣợc, ông đã xây dựng đƣợc hàng loạt đồ thị đã đƣợc 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 ƣu mũi quả lê hiện nay đều bắt đầu từ việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết CFD để ƣớc tính sức cản đối với loại tàu đang tính. Sau đó xây dựng các phƣơng án quả lê mới bằng cách thay đổi các kích thƣớc hình học hoặc cải tiến hình dáng quả lê và tính toán lại sức cản tƣơng ứng với từng phƣơng án nhằm tìm kiếm những phƣơng án có lợi về mặt sức cản tàu trong các chế độ khai thác. Yêu cầu chung đặt ra cho phƣơng án quả lê đƣợc 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 hƣớng nghiên cứu giải bài toán tối ƣu hóa quả lê nhƣ sau.
1.1.2.1. Tối ưu hóa mũi quả lê dựa trên phương pháp phương án
Các công trình nghiên cứu theo hƣớng này thƣờng cũng bắt đầu từ việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết CFD ƣớc tính sức cản cho những tàu đã có trang bị sẵn mũi quả lê, sau đó tiến hành thay đổi các kích thƣớc hình học của quả lê theo các gia số nhất định và ƣớc tính sức cản, phân tích trƣờng dòng để lựa chọn hình dạng tối ƣu của mũi quả lê, tƣơng ứng trƣờng hợp có độ giảm sức cản tổng so với ban đầu lớn nhất [21], [1], [22]. Đại diện cho hƣớng 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 ƣu hóa quả lê cho tàu chở hàng KCS (KRISO Container Ship) (Hình 1.5) đƣợc 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 phƣơng án hình học quả lê khác nhau (Hình 1.6). Sau đó thực hiện tính sức cản cho 9 phƣơng án bằng công cụ OpenFOAM của CFD theo cách làm phổ biến hiện nay là phƣơng pháp RANSE với mô hình rối SST k - ω. So sánh kết quả tính sức cản để chọn ra phƣơng án tối ƣu có sức cản nhỏ nhất [23].
Hình 1.6. Các phƣơng 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 phƣơng 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 phƣơng án thiết kế mũi quả lê mới so với mũi quả lê ban đầu
Phƣơng 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 lƣợng các phƣơng án thiết kế quả lê lựa chọn là chƣa đủ để có thể nắm bắt chính xác sự thay đổi của giá trị sức cản tàu ở các phƣơng án khác nên để đảm bảo đƣợc độ chính xác của kết quả nghiên cứu nói chung và kết quả ƣớc 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 đƣợc 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 phƣơng 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 đƣợc 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 đƣợc xây dựng từ giá trị độ giảm công suất có ích của 9 phƣơng 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 ƣu hóa, lựa chọn 9 phƣơng án thiết kế quả lê ban đầu, xử lý lƣới chia ở khu vực mặt thoáng và đánh giá độ chính xác của lƣới 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 hƣớng này sử dụng mô hình tham số xây dựng từ tập hợp các đƣờng cong cơ bản dùng biểu diễn các đƣờng bao ngoài hình dạng thân tàu và quả lê. Khi đó, các đƣờng cong và mặt cong hình thành bề mặt tàu và quả lê sẽ đƣợc nội suy từ các đƣờng 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 ƣu đƣợc xem