Chƣơng 1 ĐẶT VẤN ĐỀ
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.