Chƣơng 1 ĐẶT VẤN ĐỀ
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 nhƣ là các biến của bài toán tối ƣu để xác định hình dạng tối ƣu của thân tàu hoặc quả lê [9], [25], [26]. Tiêu biểu cho hƣớng 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 đƣờng cong đặc tính biểu diễn của mô hình tàu đƣợc minh họa ở Hình 1.8, gồm các đƣờng cong cụ thể nhƣ sau:
- Đƣờng cong dọc tâm chạy theo mặt phẳng dọc giữa tàu để định hình đƣờng đáy, đƣờng giới hạn trƣớc (phía mũi tàu) và giới hạn sau (phía đuôi tàu). - Đƣờng mép boong chạy dọc theo mép boong tàu để định hình mép boong tàu. - Đƣờng giới hạn đáy và đƣờng giới hạn mạn phẳng để định hình khu vực đáy
và mạn phẳng của tàu.
- Đƣờng kết thúc của vách đuôi để định hình kiểu vòm đuôi tàu dạng transom hay tuần dƣơng hạm.
Với quả lê, do đƣờng hình quả lê ảnh hƣởng lớn đến sức cản sóng hình thành nên các tác giả lựa chọn các biến thiết kế là các tham số kiểm soát hình dạng quả lê gồm có:
- Khoảng cách giữa trọng tâm và điểm mút trƣớc quả lê (Dcf) và cao độ của điểm mút trƣớc quả lê (Hf);
- Diện tích (Ftl) và hệ số đầy diện tích (Cftl) mặt cắt ngang dọc ở đỉnh quả lê - Diện tích (Fll) và hệ số đầy diện tích (Cfll) mặt cắt ngang dọc ở đáy quả lê - Diện tích (Fhb) và nửa chiều rộng tối đa của mặt cắt ngang quả lê (Bh).
Sử dụng các tham số điều khiển này để tạo ra các đƣờng cơ bản mô tả hình dạng quả lê gồm đƣờng bao mặt cắt dọc ở đỉnh, đƣờng bao mặt cắt dọc ở đáy, đƣờng cao độ ở nửa chiều rộng và đƣờng cao độ ở chiều rộng lớn nhất nhƣ mô tả ở Hình 1.9 [27].
Hình 1.9. Các đƣờng cong tham số của quả lê
Khi đó, có thể thay đổi hình dạng quả lê bằng cách di chuyển các điểm kiểm soát của đƣờng B-Spline dùng mô tả các đƣờng cong đặc tính nêu ở phần trên để thay đổi hình dạng đƣờng này theo các thông số hình học nhập vào nhƣ mô tả ở Hình 1.10 [26].
(a) (b)
Kết quả nghiên cứu đƣợc các tác giả tính cho mẫu tàu Ro-Ro chiều dài 165.0 m, chiều rộng 24.8 m, mớn nƣớc 8.7 m, hệ số béo 0.65, chạy ở vận tốc 22 hải lý, Fn = 0.28. Thao tác tối ƣu thực hiện trong môi trƣờng tích hợp của môđun Caeses và ShipFlow, trong đó dùng môđun Caeses xây dựng mô hình tham số các đƣờng đặc trƣng đã nêu, với tập dữ liệu dùng dựng đƣờng cong tham số mô tả các đƣờng cắt dọc tàu trƣớc tiên và dựa trên cơ sở đó dựng các đƣờng mặt cắt ngang bằng đƣờng cong tham số B-Spline mô tả hình dạng vỏ tàu và quả lê theo các đƣờng B-Spline và mặt NURBS (Hình 1.11).
Hình 1.11. Các bề mặt vỏ tàu của tàu Ro-Ro nghiên cứu [33]
Kết quả nhận đƣợc tọa độ đƣờng hình thân tàu và quả lê đã cho và tự động nhập vào ShipFlow để thực hiện tính toán sức cản bằng CFD, sau đó các kết quả tính CFD lại đƣợc nhập trở lại vào môđun Caeses để so sánh với hàm mục tiêu của bài toán tối ƣu. Nếu đạt hàm mục tiêu sẽ xuất đƣờng hình tối ƣu, nếu không tiếp tục hiệu chỉnh lại các biến thiết kế theo thuật toán tối ƣu đến khi đạt giá trị hàm mục tiêu (Hình 1.12) [26].
Mô hình tham số
File tọa độ đƣờng hình tàu Hiệu chỉnh các biến thiết kế
Tính và xuất kết quả CFD
Xuất đƣờng hình tối ƣu
Các biến thiết kế và các phƣơng án hình học của quả lê đƣợc liệt kê ở Bảng 1.2, còn kết quả của hàm mục tiêu tối ƣu và các điều kiện ràng buộc cho ở Bảng 1.3 [26].
Bảng 1.2. Kết quả tối ƣu hóa của các biến thiết kế
Biến thiết kế Phạm vi Giá trị ban đầu Giá trị tối ƣu
Dcf (m) [0.00 ÷ 1.00] 0.624 0.237 Hf (m) [1.00 ÷ 5.50] 4.287 4.856 Ftl [0.10 ÷ 0.60] 0.410 0.340 Cftl [0.52 ÷ 0.91] 0.730 0.842 Fll [1.12 ÷ 1.37] 1.280 1.310 Cfll [0.65 ÷ 0.96] 0.850 0.943 Fhb [1.40 ÷ 2.00] 1.640 1.873 Bh (m) [2.10 ÷ 2.58] 2.301 2.834
Bảng 1.3. Kết quả tối ƣu của hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc Các đại lƣợng Giá trị ban đầu Giá trị tối ƣu Thay đổi (%)
Hệ số sức cản sinh sóng CW 0.0020368 0.0019488 4.320 Lƣợng chiếm nƣớc ∆ (tấn) 22357.695 22382.706 0.112
Hoành độ tâm nổi LCB 0.515798 0.515262 0.104
Nhƣ có thể nhìn thấy từ các kết quả tối ƣu hóa, sức cản sinh sóng đã đƣợc giảm bằng cách chỉnh sửa những biến thiết kế, trong khi vẫn đáp ứng những ràng buộc. Các giá trị ban đầu của các biến thiết kế sẽ là một tập hợp họ lời giải khả thi cho thấy Dcf, Ftl nhỏ hơn, ngƣợc lại Hf, Cftl, Fll, Cfll, Fhb, Bh lớn hơn giúp giảm sức cản sinh sóng. Hình 1.13 là hình ảnh quả lê trƣớc và sau khi thực hiện tối ƣu.
(a) (b)
Một số nghiên cứu khác về vấn đề này đƣợc thực hiện theo hƣớng tƣơng tự nhƣng sử dụng công cụ tối ƣu hiện đại nhƣ thuật toán di truyền GA (Genetic Algorithm) để thực hiện việc tối ƣu hóa hình dạng trƣớc khi thực hiện tính toán bằng CFD [28]. Một trong các nghiên cứu nhƣ thế đƣợc thực hiện với tàu seri 60 và mũi quả lê đƣợc trích từ tạp chí chuyên ngành Journal of Marine Science and Application số 11, 2012. Phƣơng pháp tối ƣu là giải thuật di truyền GA và chƣơng trình viết bằng MATLAB. Công việc chuẩn bị cho chƣơng trình do 2 file đảm nhiệm, một file chuẩn bị và xử lý dữ liệu, file thứ hai sử dụng để tính giá trị hàm mục tiêu theo cách làm nhƣ trong CFD. Các tác giả đã thực hiện tính toán cho mô hình tàu seri 60 có thông số hình học: chiều dài giữa hai đƣờng vuông góc 7.00m, chiều rộng 0.93m, chiều chìm 0.37m, lƣợng chiếm nƣớc 1.462 m3, diện tích mặt ƣớt 8.349 m2, hệ số béo thể tích CB = 0.6. Sử dụng phƣơng pháp RANSE và mô hình rối SST k - ω tính sức cản của tàu ban đầu tại hai giá trị vận tốc tƣơng ứng với các giá trị số Froude là Fn = 0.159 và Fn = 0.34. Kết quả tính gần với kết quả thí nghiệm với sai số giữa chúng dƣới 10% (Hình 1.14).
Hình 1.14. Đƣờng cong sức cản tổng của tàu nghiên cứu [28]
Quá trình thiết kế tối ƣu bắt đầu từ tính toán động lực học dòng chảy quanh tàu. Giải thuật di truyền GA tạo quần thể đông cá thể đóng vai trò các tọa độ đƣờng hình tàu. Lợi thế lớn của GA là giá trị ban đầu của các cá thể thuộc quần thể xác định ngẫu nhiên. Ngoài ra, số lƣợng cá thể không phải là vấn đề quá khó giải quyết của giải thuật di truyền đồng thời GA không đòi hỏi hệ thống các ràng buộc nhƣ các phƣơng pháp kinh điển. Giải thuật cải thiện hình dáng mũi tàu ở đây là một thành phần của quá trình tối ƣu hóa hình dáng vỏ tàu, cho phép thay đổi hình dáng mũi, tự động tạo lƣới cho mỗi trƣờng hợp.
Các phần mềm xây dựng theo giải thuật di truyền GA sử dụng ở những năm 2000 thƣờng sử dụng những thông số quen thuộc sau: chiều dài chuỗi = 7, xác suất lai ghép pc = 0.5, xác suất đột biến pm = 0.3, độ lớn quần thể = 60, số thế hệ = 50 – 60.
Hàm mục tiêu nhƣ cách gọi quen thuộc: F1 (x) = RW (1.1) Hàm thứ hai đƣợc định nghĩa nhƣ sau: F2(x) = ∑ηi2 (1.2) trong đó η là độ dâng mặt sóng, kết quả phép tính động lực học dòng lƣu chất bằng CFD.
Hình 1.15 là mặt bao của mũi tàu quả lê của tàu trƣớc và sau khi tối ƣu hóa [28].
(a) Đƣờng hình tàu sau tối ƣu hóa (b) Đƣờng hình tàu ban đầu
Hình 1.15. Đƣờng hình tàu nghiên cứu cùng mũi quả lê trƣớc và sau khi tối ƣu
Kết quả tính sức cản sinh sóng và độ dâng của mặt sóng đƣợc trình bày ở Bảng 1.4 và Hình 1.16 [28].
Bảng 1.4. Sức cản sinh sóng
Số Nguyên Min Min
Froude thủy RW ηi
Fn RW, kN RW, kN RW, kN 0.175 9.300 15.919 51.365 0.200 21.810 16.117 39.799 0.220 95.739 77.798 89.940 0.240 129.739 106.670 114.160 0.260 205.882 177.982 180.822 Hình 1.16. Kết quả tính sức cản 0.280 353.063 317.829 316.510 sóng và độ dâng mặt sóng
Trong trƣờng hợp tàu chƣa có mũi quả lê, các nghiên cứu thƣờng bắt đầu từ việc thiết kế một loạt hình dạng mũi quả lê, sau đó đem gắn chúng vào thân tàu ban đầu và dựa trên cơ sở đó lựa chọn mô hình mũi quả lê thích hợp theo các cách đã trình bày, với sức cản thân tàu nhỏ nhất và các tính năng hàng hải khác đảm bảo tất cả yêu cầu. Điển hình cho nghiên cứu này là kết quả thiết kế hình dáng seri tàu 60 cùng quả lê mới. Đƣờng hình seri 60 đƣợc thiết kế lại trong năm 2003 tại Mỹ so với nguyên mẫu seri 60 từ những năm năm mƣơi, sáu mƣơi của thế kỷ trƣớc, đƣa ra kết quả nhƣ tại Hình 1.17.
Hình 1.17. Thân tàu seri 60 đƣợc thiết kế lại [28]
Thiết kế mũi quả lê mới cho tàu, đặt mũi quả lê vào vị trí trƣớc mũi (Hình 1.18)
Sau khi đƣa gắn mũi quả lê vào thân tàu có dạng nhƣ trình bày tại Hình 1.19, trong đó hình trên là tàu ban đầu (original) và hình dƣới (case 1) là có mũi quả lê [28].
Hình 1.19. Thân tàu seri 60 trƣớc khi cải hoán (trên) và sau khi có quả lê (dƣới)
Hình 1.20 là đƣờng hình tàu lúc không có quả lê và sau khi tối ƣu quả lê [28].
Hình 1.20. Đƣờng hình tàu seri 60
Sức cản sinh sóng của tàu tính cho phạm vi vận tốc tƣơng ứng với giá trị số Froude lớn hơn 0.20 cho ở Hình 1.21 [28].
Hiện nay có khá nhiều phƣơng pháp tính sử dụng trong tối ƣu hóa đƣờng hình tàu, tuy nhiên các nghiên cứu gần đây thƣờng thực hiện tối ƣu hóa đƣờng hình tàu mũi quả lê theo phƣơng pháp hàm cơ sở xuyên tâm RBF (Radial Basis Function) [29]. Cách tiếp cận này liên kết các thông số quả lê, đóng vai trò nhƣ là các biến thiết kế với tập hợp nút kiểm tra di động của hàm cơ sở xuyên tâm RBF thuộc bề mặt vỏ tàu ban đầu Trƣờng hợp tổng quát, hình dạng thân tàu ban đầu không nhất thiết phải có mũi quả lê. Quá trình dịch chuyển các điểm kiểm tra của bề mặt vỏ tàu dạng NURBS nhờ nội suy các nút kiểm tra RBF di động và cố định trình bày dƣới dạng các điều kiện ràng buộc. Các nhà nghiên cứu đã ứng dụng phƣơng pháp này để thiết kế tối ƣu bốn mẫu tàu có hình dạng khác nhau thuộc tổ chức Joint High Speed Sealift (JHSS) nhằm mục tiêu làm giảm sức cản và mũi quả lê sẽ đƣợc xây dựng từ một tàu trong nhóm không có quả lê trƣớc khi thiết kế tối ƣu, còn mũi quả lê của ba thân tàu còn lại cũng đƣợc tối ƣu hóa. Bốn mẫu tàu nêu trên của JHSS có các thông số hình học chính cho trong Bảng 1.5. Các mẫu tàu này đều có mũi quả lê, với 3 quả lê thiết kế mới là
BB (Baseline Bulb), EB (Elliptical Bulb), GB (Gooseneck Bulb) và ST (Stem Bow) (Hình 1.22) [30].
Hình 1.22. Hình dạng 4 mẫu tàu JHSS
Bảng 1.5. Các thông số chính của các vỏ tàu JHSS [30]
Các thông số Đơn vị ST EB GB BB Lpp m 289.71 289.71 298.71 289.71 L m 289.24 289.38 298.06 289.56 B m 31.99 31.98 31.98 31.98 T m 8.87 8.82 8.78 8.79 Ω m2 9627 9775 9775 9761 ∆ ton 37074 37074 37074 37074
Ở nƣớc ta hiện nay, nhìn chung CFD vẫn còn mới nhƣng đang rất đƣợc quan tâm, chủ yếu tập trung vào việc ứng dụng CFD để giải bài toán thuộc ngành kỹ thuật tàu thủy. Liên quan đến lĩnh vực còn nhiều mới mẻ này này có thể kể đến công trình nghiên cứu của các nhà khoa học ở Viện Cơ khí động lực của Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, tập trung chủ yếu về vấn đề xác định sức cản, ảnh hƣởng của sóng, xâm thực chân vịt…Một trong những nghiên cứu đầu tiên đƣợc công bố là bài báo
“Ứng dụng phương pháp các điểm kì dị để tính sức cản sóng của tàu thủy” của các nhà khoa học của Viện [52], trong đó tàu tính toán thực hiện cùng lúc 6 chuyển động, gồm 03 chuyển động tịnh tiến dọc theo các trục trong hệ tọa độ cố định (OXYZ) gắn chặt với không gian khảo sát và 03 chuyển động quay quanh các trục trong hệ tọa độ liên kết (Oxyz) tại trọng tâm tàu. Thực tế phân tích nhận thấy, mô hình tính này xem xét tàu đang tính với 6 bậc tự do trong tƣơng tác với môi trƣờng nƣớc nên phản ánh khá đúng chuyển động thực của tàu nhƣng mô hình tính này thƣờng chỉ phù hợp với các tàu có dạng mảnh nhƣ tàu Wigley. Ngoài ra do không biết phân bố trƣờng của áp suất, vận tốc và trƣờng dòng lƣu chất bao xung quanh thân tàu nên vẫn còn nhiều hạn chế khi giải các bài toán động lực học tàu. Một số nhà khoa học ở Trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam, Trƣờng Đại học Giao thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh tập trung nghiên cứu ứng dụng CFD giải quyết một số bài toán chuyên ngành liên quan đến động lực học dòng chất lỏng bao quanh thân tàu, tƣơng tác của dòng chảy sau chân vịt - bánh lái, xác định lực bẻ lái hay tính bất ổn định, mô phỏng số lực gia thêm tác dụng lên thân tàu khi tàu thay đổi hƣớng chuyển động… Các công trình nghiên cứu CFD của các nhà khoa học ở Trƣờng Đại học Nha Trang đã công bố thƣờng tập trung mô phỏng số dòng lƣu chất bao quanh thân tàu chuyển động và dựa trên cơ sở đó để xác định chính xác sức cản và tối ƣu hóa đƣờng hình thân tàu. Liên quan hƣớng nghiên cứu này là luận án Tiến sĩ của Lê Văn Toàn thực hiện tại Trƣờng Đại học Nha Trang, trong đó tác giả xây dựng đƣợc giải thuật và chƣơng trình xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ của Việt Nam viết bằng mã nguồn mở OpenFOAM [53]. Ngoài hƣớng nghiên cứu trên, các nhà khoa học của Trƣờng còn nghiên cứu tối ƣu hóa đƣờng hình tàu dựa trên cơ sở sử dụng CFD để xác định vị trí hoành độ tâm nổi (LCB) tƣơng ứng với sức cản của tàu nhỏ nhất và ứng dụng phƣơng pháp chuyển đổi hình học Lackenby để xây dựng đƣờng hình tàu tối ƣu tƣơng ứng vị trí hoành độ tâm nổi tối ƣu đã đƣợc xác định từ phƣơng pháp CFD [54].
Riêng các công trình nghiên cứu có liên quan đến mũi quả lê hầu nhƣ không có, nguyên nhân vì các tàu chở hàng thông dụng thƣờng đƣợc thiết kế theo các mẫu có sẵn nên đối với những tàu có trang bị mũi quả lê, các nhà thiết kế thƣờng hay sử dụng bản vẽ thiết kế của tàu mẫu mà hầu nhƣ không tính toán, thiết kế dạng mũi các tàu này. Liên quan nội dung thiết kế hình dạng mũi tàu quả lê, NCS nhận thấy có công trình nghiên cứu của PGS.TS Đỗ Quang Khải tại Trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam. Trong nghiên cứu này, dựa trên cơ sở hàm đa thức biểu diễn các đƣờng nƣớc tàu thuỷ tác giả xây dựng thêm các hàm biển diễn hình dáng vùng đuôi và mũi quả lê của tàu. Kết quả nghiên cứu này đƣợc tác giả phát triển thành một trong các module của chƣơng trình thiết kế tàu trình bày trong luận án tiến sĩ tại trƣờng Đại học Liège (Bỉ). Theo nghiên cứu này, các mặt đƣờng nƣớc tàu đƣợc biểu diễn bằng các đa thức [56]: