107
Hình 5.23 Chất lượng tuyến hình tồn tàu hiệu chỉnh 128 TEU tích hợp nghịch đảo NUBS trong luận án
Kết quả chứng tỏ chất lượng đường hình dáng tàu container SB được xây dựng từ mơ hình tốn NUBS hoàn toàn đáp ứng độ cong trơn toàn cục trên tồn bộ thân vỏ tàu.
5.3. Đánh giá hiệu quảhình dáng tàu dựa trên tính tốn mơ phỏng số
Các phương pháp mô phỏng sốđang ngày càng phát triển đáng tin cậy hơn nhờ vào hệ thống máy tính mạnh mẽ và phần mềm chuyên dụng. Lợi thếmà các phương pháp số
nổi trội hơn phương pháp tính tốn truyền thống là ở mức độ chi tiết của trường dòng chảy và áp suất tại các khu vực cần khảo sát. Trong phạm vi giới hạn của mỗi phương
pháp, áp dụng mơ hình tốn và các kỹ thuật mơ phỏng phù hợp sẽđưa ra kết quảtương đồng với số liệu đo đạc thực nghiệm. Quy trình tính tốn mơ phỏng số được thực hiện
theo hướng dẫn ITTC [78], [84], [111].
Trong các nghiên cứu liên quan của NCS và các cộng sự, việc tính tốn mơ phỏng số sức cản vỏtàu được thiết lập và kết quả hoàn tồn phù hợp với kết quảthu được thơng qua thực nghiệm theo cơng trình đã cơng bố [119].
Ởđây để một lần nữa khẳng định kết quả cải tiến hình dáng thân tàu container ở trên
theo mơ mình tốn mà NCS đề xuất là đúng, NCS sẽ sử dụng phương pháp số CFD để
tính tốn lực cản tàu ứng với phương án hình dáng ban đầu và phương án hình dáng sau
cải tiến, sau đó so sánh kết quả tính giữa hai phương pháp này với nhau.
5.3.1 Thiết lập các phương trình cơ bản (governing equations) và mơ hình dịng rối
(turbulence model)
Dịng chảy bao quanh vỏtàu được thiết lập bởi các định luật bảo toàn về khối lượng,
động lượng và năng lượng, gọi chung là các phương trình Navier–Stokes [120]. Trong
tai lieu, luan van125 of 98.
nghiên cứu này, nhằm đánh giá trường dòng chảy bảo quanh vỏ tàu, NCS ứng dụng
phương pháp thể tích hữu hạn trong tính tốn mơ phỏng số (CFD) nhằm rời rạc hóa các
hàm tích phân trong phương trình Navier–Stokes.
Phương trình liên tục được thể hiện dưới dạng vi phân như sau:
( ) 0 ∂ + ∇ • = ∂t ρ ρ U (5-1)
Phương trình Navier–Stokes, dựa trên bảo tồn động lượng của phần tử chất lỏng nhớt, khơng nén, thể hiện dưới dạng vi phân như sau:
( ) ( ) ( )
∂ + ∇ • = −∇ + ∇
∂t ρU ρUU p τ (5-2)
Với U là trường vector vận tốc, ρ là tỉ trọng chất lỏng,
(ρ )
∇ • UU , thành phần đối lưu thể hiện dưới dạng tensor ( ' ')
i j i j j u u u u x ρ ρ ∂ + ∂ , trong đó ' ' i j u u ρ là thành phần ứng suất Reynolds p, thành phần áp suất
τ , thành phần ứng suất nhớt trung bình, thể hiện dưới dạng tensor i j j i u u x x µ∂ +∂ ∂ ∂
Về mặt tốn học, phương trình Navier Stokes có thể giải được với dịng chảy tầng
và các điều kiện biên đơn giản. Tuy nhiên, trong thực tế dòng chảy bao quanh vỏ tàu thủy là dòng nhớt, lớp biên chảy rối biến đổi liên tục theo thời gian và khơng gian. Phương
pháp trung bình hóa vận tốc, áp suất, ứng suất Reynolds cho phương trình Navier Stokes (RANS) được sử dụng phổ biến nhất trong tính tốn sức cản tàu thủy [121]. Theo đó, các thuộc tính dịng tức thời được phân tích thành thành phần trung bình theo thời gian và thành phần dao động. Trong luận án này, giải thuật “áp suất hiệu chỉnh” (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations - SIMPLE) được áp dụng tính phương trình RANS
theo sơ đồẩn, giá trị vận tốc sẽđược cập nhật. Thành phần đối lưu ∇ •(ρUU)trong phương trình RANS được rời rạc hóa theo phương pháp nội suy bậc cao (Quadratic Upwind
109
Interpolation for Convection Kinetics - QUICK) đểxác định giá trị tại các mặt giao diện của thể tích hữu hạn [122].
Về mơ hình tốn dịng rối, để đánh giá gần đúng thực tế sức cản vỏ tàu, mơ hình
dịng chảy k – ω với các giả thuyết tuyến tính về xốy nhớt của Boussinesq (linear eddy viscosity) được áp dụng phổ biến cho dịng chảy [123], [124]. Theo đó, thành phần của tensor ứng suất Reynolds tỷ lệ với các gradient vận tốc trung bình, với k là động năng dịng rối và µt là hệ số rối do xoáy nhớt thể hiện qua hệ số phân tán rối ε hay hệ số phân
tán riêng ω. Các hệ số này có thể xác định thơng qua thực nghiệm hoặc nghiên cứu lý
thuyết về động lực học dòng chảy. Tuy nhiên, trên mặt mơ hình tiếp xúc nước, ω có thể vơ định. Dựa trên tính chất ε mang giá trị rất cụ thể tại mép lớp biên, Menter (1993) đề xuất pha trộn hai phương trình chuyển theo cách, một phương trình trình bày chỉ ω trên mặt vỏ tàu, phương trình kia chỉ ε ngồi lớp biên, gọi là mơ hình dịng rối SST k - ω. Trong luận án này, mơ hình dịng rối được sử dụng để đánh giá sức cản là mơ hình tốn SST k - ω. Hệ sốđộng năng rối k và hệ sốtiêu tán động năng rối w thường được xác định theo thực nghiệm, có thể áp dụng cho bài tốn mơ phỏng số [125].
K = 3/2 (IV)2
w = 10(V/Lpp),
Trong đó:
I – cường độ rối thường 0.05 - 0.01 đối với tàu chạy chậm, được tính là '
ave u
V với
'
u căn quân phương của thành phần dao động của vận tốc dòng rối, Vave là vận tốc trung bình Reynold.
5.3.2 Thiết lập miền tính tốn, chia lưới và điều kiện biên
Các phương trình RANS là phi tuyến, có nghĩa là miền tính tốn cần được rời rạc
hóa đểcó được lời giải số. Kích thước miền tính tốn, giới hạn bởi các điều kiện biên của bài tốn mơ phỏng số tàu container, được thiết lập sau khi xây dựng mơ hình hóa hình học tuyến hình tàu từ thuật tốn NUBS. Theo tài liệu hướng dẫn của ITTC, kích thước khu vực miền tính tốn bao quanh bề mặt vỏtàu được lấy tối thiểu tương ứng với chiều dài tàu. Hình 5.25 trình bày miền tính tốn được mở rộng trong phạm vi (1.5 ~ 2.5) x Lpp
tai lieu, luan van127 of 98.
cách từmũi và lái để tránh hiệu ứng phản xạ từ biên, khu vực đáy tàu được thiết lập tương ứng với độ sâu mớn nước [78], [126].
Hình 5.24 Xác định miền tính tốn cho tàu mẫu 128 TEU trong luận án Vềcơng tác chia lưới, có thể phân loại gồm nhóm lưới có và khơng có cấu trúc. Lưới