có cấu trúc giúp việc kết nối và quản lý nút tại các phần tử khối dễdàng, trong khi lưới khơng cấu trúc lại phù hợp với hình học phức tạp. Các nghiên cứu về mật độ và thuộc tính
lưới chia ảnh hưởng đến độ hội tụ của bài tốn mơ phỏng sốđược giới thiệu trong các tài liệu chuyên ngành [127]. Trong luận án này, lưới chia hình học vỏ tàu là lưới không cấu trúc Cartesian, tứ diện và lục diện (tetrahedron & hexahedron) được thiết lập trong Fluent [128]. Theo đó, hình học vỏtàu được chia thành 2 vùng phục vụ việc chia lưới tựđộng dựa trên thuật toán NUBS đã xây dựng trong luận án, mơ tả trong Hình 5.26-5.27.
• Vùng lưới mịn là khu vực mũi và lái do độ cong hình học phức tạp • Vùng lưới thơ là khu vực còn lại, nằm xa khu vực bao quanh tàu
Hình 5.25 Lưới hình học bề mặt vỏ tàu từ mơ hình tốn NUBS cho tàu 128 TEU
111
Hình 5.26 Lưới chia trong phần mềm mơ phỏng số cho tàu 128 TEU
Vềđiều kiện biên không xét đến ảnh hưởng của mặt thoáng, việc thiết lập các điều kiện vật lý thích hợp sẽ giúp ổn định nghiệm và sự hội tụ của bài tốn CFD. Dịng chất lỏng bao quanh tàu phức tạp do sự kết hợp của trường vận tốc với sự phân bố áp suất. Các
hàm tường gồm các công thức liên quan đến dịng rối sát tường, được Wilcox trình bày trong các nghiên cứu liên quan đến lớp biên [129]. Theo đó, vỏ tàu được xem là tường (wall), thiết lập điều kiện biên không trượt (non-slip wall). Khu vực đáy miền tính tốn
được thiết lập điều kiện biên di động - không trượt (non-slip – moving wall). Trong luận
án này, các điều kiện biên khu vực đáy tàu thường được sử dụng cho dòng chảy bị giới hạn đảm bảo phù hợp đặc trưng vật lý thực tế trong vùng nước nông. Khu vực các mặt bên, mặt trên miền tính tốn và mặt cắt dọc giữa tàu được thiết lập điều kiện biên đối xứng (symmetry). Mặt phẳng thể hiện dòng vào và dòng ra được thiết lập bao gồm điều kiện biên Dirichlet và Neumann [78], [83], [130], mơ tả trong Hình 5.28 và Bảng 5.14
Điều kiện biên Dirichlet được thiết lập cho hàm thế vận tốc, với vận tốc dòng chảy
theo phương x cũng là vận tốc tàu thiết kế tại mặt phẳng dòng vào, hai phương còn lại của vận tốc nhận giá trị bằng 0.
φ= f(U) với ux =U u, y =0,uz =0, p 0
n
∂ =
∂
Điều kiện biên Neumann được thiết lập cho gradient của các biến vận tốc và áp suất, tại mặt phẳng dòng ra ở xa bề mặt vỏ tàu. 0 n φ ∂ = ∂ , p = 0
tai lieu, luan van129 of 98.
Hình 5.27 Thiết lập điều kiên biên cho tàu 128 TEU trong luận án
Bảng 5.14 Bảng thông sốđiều kiện biên tàu 128 TEU theo ITTC và đề xuất của nhóm Hekkenberg cho vùng nước hạn chế [131]
Thiết lập điều kiện biên tại các mặt
Hạn chế luồng lạch Khơng hạn chế luồng lạch
Dịng vào Vận tốc Vận tốc
Dòng ra Áp suất Áp suất
Thân vỏ tàu Không trượt Không trượt
Mặt phẳng giữa tàu Đối xứng Đối xứng
Các mặt bên Đối xứng Đối xứng
Mặt trên Đối xứng Đối xứng
Mặt dưới Di động - Không trượt Khơng trượt
Nhằm đánh giá hiệu quảhình dáng tàu được mơ hình hóa từ thuật tốn NUBS, quy trình tính tốn mơ phỏng sốCFD được được trình bày tại Hình 5.29 – 5.37.
113
Hình 5.28 Sơ đồđánh giá hiệu quả hình dáng tuyến hình tàu dựa trên CFD
Trong giới hạn của dãy vận tốc tàu container SB, phương pháp tính tốn mơ phỏng số với mơ hình tốn và các kỹ thuật mô phỏng phù hợp cho kết quả khá tương đồng với
phương pháp bán thực nghiệm Holtrop. Trong luận án này, phương pháp đánh giá sức cản tàu dựa trên tính tốn mơ phỏng số phù hợp ở dãy vận tốc thấp với số Froude trong phạm vi ràng buộc là 0.1 – 0.26 đã được xây dựng trong hàm ràng buộc ởchương 2, tương ứng với dãy vận tốc 6 – 13 hải lý của tàu mẫu 128 TEU.
tai lieu, luan van131 of 98.
Hình 5.29 Hệ số sức cản nhớt tàu trước và sau giải thuật hiệu chỉnh
Trường dòng và trường áp suất của tàu được trình bày như sau.
Hình 5.30 Trường áp suất tàu trước và sau khi hiệu chỉnh hình dáng tại vận tốc 10 hải lý / giờ
115
Hình 5.31 Trường áp suất tàu trước và sau khi hiệu chỉnh hình dáng tại vận tốc 14 hải lý / giờ
tai lieu, luan van133 of 98.
Hình 5.32 Trường áp suất tàu trước và sau khi hiệu chỉnh hình dáng tại vận tốc 20 hải lý / giờ
Hình 5.33 Trường dịng trước và sau khi hiệu chỉnh hình dáng tàu tại vận tốc 10 hải lý / giờ
117
Hình 5.34 Trường dịng trước, khi hiệu chỉnh hình dáng tàu tại vận tốc 14 hải lý / giờ giờ
tai lieu, luan van135 of 98.
Hình 5.35 Trường dịng trước, sau khi hiệu chỉnh hình dáng tàu tại vận tốc 20 hải lý / giờ
Hình 5.36 Hệ số sức cản áp suất và sức cản nhớt trước và sau giải thuật hiệu chỉnh Kết quả tính tốn mơ phỏng thể hiện sự cải thiện về mặt sức cản khi vận tốc thiết kế Kết quả tính tốn mơ phỏng thể hiện sự cải thiện về mặt sức cản khi vận tốc thiết kế tàu tăng dần, càng được thể hiện rõ trong phạm vi Fn 0.1 – 0.4, đặc biệt là hệ số sức cản áp suất. Kết quả này là do việc kết hợp điều chỉnh các thơng số hình dáng tàu LCB, CB, CM và CWP phù hợp, bên cạnh việc ràng buộc các kích thước cơ bản khác khơng thay đổi so với tàu mẫu. Như vậy, kết quả tính tốn mơ phỏng thể hiện tính hiệu quả của giải thuật hiệu chỉnh tàu dựa trên thuật giải tối ưu di truyền và mơ hình tốn NUBS.
Kếđến, nghiên cứu tiến hành đánh giá ảnh hưởng tuyến luồng sông biển dựa trên mối quan hệ giữa độ sâu luồng lạch và sức cản toàn tàu. Trong luận án này, NCS phân loại ảnh hưởng độ sâu luồng lạch dựa trên các cơng trình nghiên cứu của Otto, tổ chức Cảng - Đường thủy thế giới (PIANC), ITTC 2014 như trong Bảng 5.15. Và kết quảđược trình bày tại Hình 5.38 – 5.45 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Fn 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17
HE SO SUC CAN AP SUAT Cp [x1000]
TAU MAU 128 TEU TAU HIEU CHINH
119
Bảng 5.15 Phân loại ảnh hưởng độ sâu luồng lạch
Mức độ Độ sâu lulạch ồng Frh Ảnh hưởng tới tàu Luồng tiêu biểu tại Việt Nam
Nước sâu H/T>3.0 0.4 Không ảnh hưởng Cái Mép, Thị Vải
Nước trung bình 1.5< H/T <3.0 0.6 Đáng chú ý Sồi Rạp
Nước nơng 1.2< H/T <1.5 0.73 Nghiêm trọng Hàm Lng
Hình 5.37 Trường áp suất tàu tại độ sâu luồng lạch không hạn chế và H/T = 1.6 (vận tốc 10 hải lý / giờ)
tai lieu, luan van137 of 98.
Hình 5.38 Trường dịng tại độ sâu luồng lạch khơng hạn chế và H/T = 1.6 (vận tốc 10 hải lý / giờ)
Hình 5.39 Trường áp suất tàu tại H/T = 1.6 (vận tốc 14 hải lý / giờ)
Hình 5.40 Trường dòng tại H/T = 1.6 (vận tốc 14 hải lý / giờ)
121
Hình 5.41 Hệ số sức cản nhớt ảnh hưởng bởi độ sâu luồng lạch
Hình 5.42 Hệ số sức cản áp suất ảnh hưởng bởi độ sâu luồng lạch
tai lieu, luan van139 of 98.
Hình 5.43 Hệ số sức cản toàn tàu ảnh hưởng bởi độ sâu luồng lạch
Hình 5.44 Sức cản tồn tàu ảnh hưởng bởi độ sâu luồng lạch
Dựa trên kết quả tính tốn, hệ số sức cản tàu tăng khi độ sâu tuyến luồng giảm là do
trường gradient áp suất tăng dần dẫn đến sức cản toàn tàu tăng. Kết quả tính tốn mơ phỏng thể hiện rằng tàu mẫu container chạy tuyến luồng SB trong nghiên cứu này có độ gia tăng sức cản rất lớn tương ứng hệ số Fn theo vận tốc lớn hơn 0.25 và tỉ lệđộ sâu luồng lạch H/T nhỏ hơn 3.3. Việc này sẽ tác động đáng kể đến hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu trong q trình khai thác thơng qua việc giảm sức cản và cũng cần thêm các khảo sát chi
123
tiết vềđộ sâu tuyến luồng, vận tốc tới hạn phù hợp với kích thước từng nhóm tàu container theo từng đặc thù khu vực của tuyến luồng pha sông biển Việt Nam.
5.4. Thảo luận:
Chương này đã thực hiện được các nội dung đánh giá sau:
- Đánh giá hiệu quả hình dáng tàu theo hàm mục tiêu sức cản dựa trên giải thuật tối
ưu, từđó đề xuất thơng sốhình dáng cơ bản gồm hồnh độ tâm nổi LCB, hệ sốbéo lăng
trụ Cp, hệ sốbéo sườn giữa CM và các hệ số hình dáng khác.
- Đánh giá mơ hình tốn NUBS của tuyến hình tàu container SB
o Xử lý mất liên tục khu vực đoạn thân ống, vùng mũi và lái tàu saubiến đổi
Lackenby
o Tự động hóa làm trơn tồn cục đường cong hình dáng tàu SAC theo nghịch đảo ma trận không vuông trong luận án
- Đánh giá hình dáng tàu container SB có xét ảnh hưởng theo vùng nước có độ sâu hạn chế bằng cơng cụ tính tốn mơ phỏng số chuyên dụng
o Tại giá trị vận tốc thấp dưới 8 hải lý/giờ, tương ứng với hệ số Fn nhỏ hơn 0.16, việc ảnh hưởng tối ưu thơng số hình dáng khơng đáng kể do sự nổi trội của thành phần lực cản nhớt.
o Tuy nhiên, với hệ số Fn lớn hơn 0.16 và nhỏ hơn 0.35, chênh lệch thành phần sức cản của hình dáng tàu trước và sau tối ưu tăng dần. Cụ thể tại giá trị vận tốc thiết kế lá 10 hải lý/giờ, tương ứng Fn là 0.19, hệ số sức cản sóng giảm 18.27 %, hệ số sức cản nhớt giảm 2.24 %, hệ số sức cản toàn tàu giảm 8.05 % so với tàu mẫu , thành phần sức cản tạo sóng giảm đáng kể khi vận tốc tàu tăng. Kết quả chứng tỏ hiệu quả của giải thuật tối ưu di truyền và mơ hình tốn NUBS trong luận án có thể áp dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ nhằm đề xuất hình dáng tàu container phù hợp tuyếnluồng sơng biển Việt Nam. tai lieu, luan van141 of 98.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Luận án đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu đặt ra là nghiên cứu đề xuất hình dáng tàu chở container phù hợp tuyến luồng sông biển Việt Nam trong giai đoạn thiết kếsơ bộ. Kết quảđạt được của luận án thể hiện sự cải thiện sức cản và chất lượng hình học so với với tàu mẫu, bước đầu quá trình tích hợp tự động hóa thiết kế hình dáng cho nhóm tàu container sơng biển cỡ nhỏdưới 5000 tấn, thể hiện qua những đóng góp khoa học và thực tiễn như sau.
+ Luận án đã nghiên cứu và xây dựng được hàm mục tiêu sức cản dựa trên phương pháp
bán thực nghiệm Holtrop, bổ sung ảnh hưởng độ sâu tuyến luồng được thể hiện bao gồm: - Hàm mục tiêu gồm thành phần sức cản ma sát, sức cản hình dáng và sức cản sóng chịu ảnh hưởng bởi sựthay đổi các hệ số hình dáng tàu.
o Diện tích mặt ướt, lượng chiếm nước, các hệ số hình dáng tàuđược tính tốn từ bảng trị số tuyến hình dựa trên tích phân hữu hạn đường cong diện tích sườn thay cho cơng thức kinh nghiệm, cải thiện độ chính xác trong hàm mục tiêu sức cản. Kết quả sai lệch dưới 2% so với phần mềm thiết kế tàu chuyên dụng Maxsurf, đáng tin cậy trong giai đoạn thiết kế sơ bộ.
o Giá trị hàm mục tiêusức cản trong phạm vihệ số Fn là 0.1 – 0.26 với sai số hệ số sức cản dưới 3% là hoàn toàn tin cậy trong khoảng vận tốc hoạt động của tàu container SB và phù hợp với các cơng trình thực nghiệm đã cơng bố. - Hàm ràng buộc độ sâu tuyến luồng bổ sung hệ số sức cản hình dáng k theo tỉ số
mớn nước thiết kế/ độ sâu luồng và các hệ số biến đổi hình dáng liên quan vào hàm mục tiêu sức cản.
Kết quả nghiên cứu về tích phân số trong tính tốn hình dáng tàu và hàm mục tiêu sức cản đã được cơng bố trên cơng trình số (1) và (2).
+ Luận án đã nghiên cứu và xây dựng thành cơng thuật tốn tối ưu hóa và các lưu đồ thực hiện giải thuật di truyền áp dụng cho bài tốn phân tích, chọn lựa thơng số hình dáng tàu container phù hợp tuyến luồng sơng biển theo hướng giảm sức cản. Kết quả tính tốn thể
125
hiện GA là phương pháp tối ưu phù hợp và cho kết quả đáng tin cậy với cách tiếp cận thiết kế theo tàu mẫu. Cơ chế mã hóa các biến số tối ưu và điều kiện ràng buộc như sau:
- Hàm mục tiêu : R= RF (1+k1)+Rw
- Biến số và các ràng buộc : LCB, CP, CM và các hệ số liên quan
Kết quả tính tốn cho thấy ở vận tốc thiết kế 10 hải lý / giờ, tương ứng với hệ số Fn là 0.2, hệ số sức cản sóng giảm 7.57 %, hệ số sức cản nhớt giảm 4.47 %, hệ số sức cản toàn tàu giảm 5.53 % so với tàu mẫu. Kết quả tính tốn cho thấy tính hiệu quả của giải thuật di truyền trong đề xuất nhóm hệ số hình dáng LCB, Cp, CM và các hệ số liên quan thỏa hàm mục tiêu sức cản. Trong luận án này, bài toán nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cho tàu container chạy tuyến sông biển được giải quyết bằng việc tối ưu hóa thiết kế hình dáng thân tàu, nhằm giảm sức cản thân tàu, từ đó tiết kiệm được nhiên liệu cho tàu và góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường. Kết quả nghiên cứu về giải thuật tối ưu được cơng bố trên cơng trình số (2).
+ Luận án đã nghiên cứu và xây dựng thành cơng mơ hình tốn NUBS đề xuất cho hình dáng tàu container, thỏa hàm mục tiêu cải thiện sức cản. Đây là mơ hình tốn hình học hiệu quả và có tính ứng dụng cao trong giai đoạn thiết kếsơ bộ và thiết kế kỹ thuật. Kết quả tính tốn thể hiện tính hiệu quả qua các tiêu chí đánh giá như sau.
- Đánh giá mơ hình tốn NUBS của tuyến hình tàu container SB
o Xử lý mất liên tục khu vực đoạn thân ống, vùng mũi và lái tàu sau biến đổi
Lackenby bằng hàm cơ sở NUBS cho đường cong hình dáng SAC
o Tự động hóa làm trơn tồn cục đường cong hình dáng tàu SAC theo nghịch đảo ma trận không vuông trong luận án. Việc nghiên cứu xây dựng giải thuật nghịch đảo ma trận khơng vng NUBS cho bài tốn đường cong diện tích sườn SAC thể hiện tính hiệu quả cao. Tập hợp điểm điều khiển và vector nút phù hợp của NUBS được xây dựng trong luận án này là hồn tồn phù hợp
- Đánh giá hình dáng tàu container SB có xét ảnh hưởng theo vùng nước có độ sâu hạn chế bằng cơng cụ tính tốn mơ phỏng số chuyên dụng, được thể hiện trong phần thảo luận chương 5
tai lieu, luan van143 of 98.
Hàm tốn NUBS cho hình dáng tàu trong luận án là cơ sởđể mở rộng áp dụng cho các mẫu tàu container chạy tuyến luồng sông biển khác tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu về hàm tốn NUBS cho hình dáng tàu container SB và quy trình đánh giá sức cản dựa trên tính tốn mơ phỏng số CFD được thể hiện qua cơng trình số (3), (4) và (5).
Đề xuất
Trong luận án này, cơ sở dữ liệu tuyến hình tàu được thiết lập theo tích phân số thay cho các công thức kinh nghiệm (không dựa trên dữ liệu tuyến hình) trong các nghiên cứu
trước đây. Điều này giúp cải thiện độ chính xác trong hàm mục tiêu tối ưu sức cản, điều