CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN THÂN TÀU CHỞ HÀNG SÔNG
4.2. Nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu
Trong phần này, một số hình dáng khí động được đề xuất phát triển cho tàu chở hàng sông đã nghiên cứu khảo sát trên các phần trước của luận văn. Vơi mục đích có thể tác động, can thiệp thay đổi trực tiếp trên những tàu hàng sông tương tự hiện đang sử dụng và khai thác trên các tuyến sông miền Bắc nước ta. Những đề xuất này nhằm cải tiến đặc tính khí động học và giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu hàng sông.
Trong nghiên cứu này, hướng tới đối tượng tàu chở hàng sông hiện đang khai thác và nhằm hướng tới thiết kế một loại tàu mới có đặc tính khí động tốt hơn.
Các giải pháp hoán cải tàu được tập trung vào phần thượng tầng mũi, miệng khoang hàng và một phần thượng tầng tàu. Hình 4.9 thể hiện hình dáng thân tàu mới sau khi được hoàn cải thượng tầng mũi, khoang hàng và thượng tầng lái.
60
Hình 4.9. Hình dáng thân tàu thay đổi phần thượng tầng mũi, N1
61
Hình 4.10. Hình dáng thân tàu thay đổi phần khoang hàng và thượng tầng mũi, N2
62
Hình 4.11. Hình dáng tàu thay đổi phần thượng tầng mũi và thượng tầng lái, N3
63
Hình 4.12. Kích thước chủ yếu của thượng tầng tàu trước và sau khi thay đổi
Trên cơ sở xây dựng được các mô hình thân tàu như đã đề xuất nhằm hoán cải cho tàu để có thể cải thiện đặc tính khí động và giảm lực cản khí động tác động lên tàu. Thực hiện các bước tính toán mô phỏng số cho bài toán khảo sát đặc tính khí động của tàu đặt ra tương tự như các bước đã trình bày và thực hiện trong các
64
phần trước của luận văn này, kết quả thu được các đặc tính khí động học của các mẫu tàu khảo sát được trình bày dưới đây.
Trong phần này, với giới hạn về thời gian tính toán và chạy bài toán mô phỏng. Trong nghiên cứu này, chỉ thực hiện khảo sát các thân tàu mới đề xuất ở tương ứng với một vận tốc khảo sát nhất định với số Reynold tương ứng Rn=18.6x106. Hình 4.13 – 4.15 thể hiện kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát.
Z=2.2m:
Hình 4.13. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N1
65 Z=2.5m:
Z=3m:
Hình 4.14. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N1
66
Hình 4.15. Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu khảo sát, N1
67 Y=0:
Z=2.2m:
Y=0:
Z=2.2m:
Hình 4.16. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N2
68 Z= 2.5m:
Z=3m:
Hình 4.17. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N2
69
Hình 4.18. Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu khảo sát, N2
70 Y=0:
Z=2.2m:
Y=0:
Z=2.2m:
Hình 4.19. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N3
71 Z=2.5m:
Z=3m:
Hình 4.20. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N3
72
Hình 4.21. Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu khảo sát, N3
Kết quả mô phỏng phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu thể hiện trên các hình ảnh kết quả trên đây cho thấy rõ sự thay đổi phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát. Với các mẫu tàu mới có sự thay đổi hình dáng thượng tầng mũi và đuôi, miệng khoang hàng đã cho thấy rõ sự cải thiện phân bố áp suất và
73
vùng nhiễu động dòng bao quanh thân tàu mới khảo sát so vơi mẫu tàu ban đầu.
Diện tích các vùng phân bố áp suất cao trên bề mặt thân tàu và vùng nhiễu động dòng bao quanh thân tàu đã giảm đáng kể so với các mẫu tàu ban đầu. Từ các kết quả này có thể thấy, lực cản khí động tác động lên thân tàu được cải tiến có thể sẽ giảm đi đáng kể so với các mẫu ban đầu.
Trong các mẫu tàu đã thay đổi, có thể thấy việc thay đổi không làm thay đổi đáng kể phần diện tích mặt hứng gió của các mẫu tàu. Tuy nhiên có thể thấy việc thay đổi thiết kế này khá đơn gian và thuận lợi cho việc hoán cải các tàu hàng sông hiện nay mà có thể làm cải thiện được đặc tính khí động học đáng kể cho các mẫu tàu mới có sự cải tiến như trên.
Trên hình 4.22 thể hiện kết quả so sánh lực cản khí động tác động lên các mẫu tàu khảo sát. Các giá trị so sánh cụ thể được thể hiện chi tiết trong bảng 4.3.
Hình 4.22. So sánh lực cản khí động tác động lên thân tàu các mẫu khảo sát, Rn=18.6x106
74
Bảng 4.3: Các thành phần lực cản tác động lên các mẫu tàu khảo sát
TT
Ra CT
Áp suất Ma sát Tổng Áp suất Ma sát Tổng Cân bằng 612.962 33.337 646.299 0.7758 0.0422 0.8180 Ngóc mũi
3 độ 583.718 34.6320 618.350 0.7388 0.0438 0.7826 N1 529.281 35.141 564.422 0.6699 0.0445 0.7143 N2 425.130 36.549 461.679 0.5381 0.0463 0.5843 N3 329.755 39.779 369.534 0.4173 0.0503 0.4677
Bảng 4.4: So sánh các thành phần lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát
TT
%Ra %CT
Áp suất Ma sát Tổng Áp suất Ma sát Tổng
Cân bằng 0 0 0 0 0 0
Ngóc
mũi 3 độ -5 4 -4 -5 4 -4
N1 -14 5 -13 -14 5 -13
N2 -31 10 -29 -31 10 -29
N3 -46 19 -43 -46 19 -43
Từ các kết quả thể hiện trên đồ thị hình 4.22 và bảng 4.3, 4.4 cho thấy rõ mức giảm lực cản khí động tác động lên các mẫu tàu với sự cải tiến trên thân tàu như đã trình bày. Kết quả tính toán được cho thấy, với sự thay đổi thượng tầng mũi
75
tàu mẫu N1, lực cản khí động tác động lên mẫu tàu mới có thể giảm được tới 13%
tổng lực cản khí động tác động lên thân tàu so với ban đầu. Với mẫu tàu có cải tiến bằng việc che chắn và nối liền các thành quay hầm hàng, mẫu N2 có thể giúp cải thiện được tới 29% lực cản khí động tác động lên thân tàu. Với mẫu tàu có sự cải tiến về thượng tầng, có thể giúp cải tiến được tới 43% lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát.
Từ các kết quả trên đây cho thấy, việc hoán cải các tàu chở hàng sông có thể thực hiện khá đơn giản tuy nhiên hiệu quả mang lại khá tốt. Tuy vậy, để thực hiện được vấn đề này, cần thiết phải thực hiện các nghiên cứu tính toán và thiết kế chi tiết hơn cho các mẫu tàu này. Trong quá trình nghiên cứu thiết kế mới các loại tàu hàng sông, có thể sử dụng các kết quả nghiên cứu này làm căn cứ nhằm hướng tới tối ưu thiết kế hình dáng khí động cho các tàu chở hàng sông nói chung và các mẫu tàu khác.
76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Trong luận văn này, các nội dung được giao trong đề cương luận văn đã được hoàn thành. Các phần đã thực hiện được bao gồm: nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán mô phỏng số CFD, các bước thực hiện và quy trình tính toán mô phỏng số CFD bài toán khảo sát đặc tính khí động học thân tàu chở hàng sông. Nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động học thân tàu chở hàng sông và nghiên cứu giảm lực cản cho tàu chở hàng sông thông qua sử dụng CFD.
Kết quả thực hiện nghiên cứu và kết quả thực hiện luận văn cho thấy: dải vận tốc khái thác tàu hay điều kiện khai thác tàu ở cấp gió khác nhau có ảnh hưởng đến các đặc tính khí động học và lực cản khí động tác động lên thân tàu. Tư thế khai thác tàu có ảnh hưởng đến đặc tính khí động học và lực cản tác động lên tàu. Thông qua các biện pháp cải tiến hình dáng phần thân trên mặt nước của tàu, có thể giúp cải thiện đặc tính khí động học cho tàu và giúp giảm được đáng kể lực cản khí động tác động lên thân tàu, mức giảm lên tới 43% tổng lực cản khí động tác động lên tàu trong điều kiện khảo sát.
Luận văn này có thể sử dụng làm tài liệu phục vụ cho việc nghiên cứu tính toán lực cản gió tác động lên tàu thông qua sử dụng CFD, có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo nghiên cứu về ảnh hưởng của lực cản khí động đến quá trình khai thác tàu và cũng như nghiên cứu giảm lực cản cho tàu nhằm cải thiện và nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu.
2. Kiến nghị
Với giới hạn về thời gian thực hiện nghiên cứu cũng như hạn chế về các điều kiện thực hiện nghiên cứu tính toán mô phỏng. Vì vậy trong luận văn này chỉ thực hiện được một số nghiên cứu tính toán nhất định cụ thể, chưa thực hiện được toàn bộ các nghiên cứu tính toán và khảo sát liên quan khác như nghiên cứu phần lực cản
77
dưới nước, nghiên cứu phát triển thân tàu mới có biên dạng khí động tổng thể … Từ các phân tích và nhận xét trên đây tác giả xin đưa ra một số kiến nghị nhằm có thể thực hiện hoàn chỉnh nghiên cứu này, đồng thời góp phần đưa ra các giải pháp, khuyến cáo cho các nhà thiết kế tối ưu và sử dụng khai thác tàu như sau:
Trong thiết kế tàu, cần thiết tối ưu phần thượng tầng, lầu cho tàu để có thể giảm tối đa diện tích hứng gió của tàu, nhưng lại có thể giúp cải thiện đặc tính khí động học và giảm lực cản cho tàu hơn.
Để tối ưu hình dáng thiết kế thân tàu, giảm lực cản khí động cho thân tàu, cần thiết phải có thêm các tính toán, thiết kế chi tiết hơn nữa như thay đổi thiết kế thượng tầng tàu, tối ưu vận tốc khai thác tàu … thì việc kết luận về mức độ giảm lực cản, nâng cao hiệu quả khai thác tàu sẽ thiết thực hơn.
Trong nhiều trường hợp thì tư thế khai thác tàu và dải vận tốc khai thác tàu có ảnh hưởng tốt hơn và có lợi hơn về mặt lực cản khí động cho tàu, tuy nhiên cần có nghiên cứu ảnh hưởng của tư thế khai thác đến các tính năng cần bằng ổn định khác của tàu.hai thác tàu cân bằng có lợi hơn về mặt lực cản khí động tác động lên tàu. Do đó trong quá trình thiết kế và khai thác tàu thì ta nên cho tàu hoạt động ở trạng thái không bị nghiêng dọc.
78
BẢNG GIẢI THÍCH TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU SỬ DỤNG
TT Ký hiệu Tên gọi Đơn vị
1 CFD Chương trình tính toán động lực học chất lỏng (Computation Fluid Dynamic).
2 ANSYS Bộ chương trình tính toán, mô phỏng số ứng dụng trong nghiên cứu, khảo sát và thiết kế với nhiều lĩnh vực khác nhau.
3 Lmax Chiều dài tàu lớn nhất m
4 Lpp Chiều dài giữa hai trụ của tàu m
5 Ltk Chiều dài thiết kế của tàu m
6 LWL Chiều dài đường nước thiết kế của tàu m
7 Bmax Chiều rộng tàu lớn nhất m
8 Btk Chiều rộng thiết kế của tàu m
9 BWL Chiều rộng tàu đo tại đường nước thiết kế của tàu
m
10 H Chiều cao mạn của tàu m
11 T Chiều chìm của tàu m
12 D Lượng chiếm nước của tàu tấn
13 S Diện tích ươt của tàu m2
14 A Diện tích mặt hứng gió của tàu m2
15 R Lực cản tác động lên tàu N
16 M Mômen lực tác động lên tàu Nm
17 V Vận tốc tàu m/s
18 Cx, Cy, CT Hệ số lực cản tương ứng theo các phương x, y và hệ số lực cản tổng cộng tác động lên tàu
19 , Cp Hệ số béo thể tích của tàu
20 , CM Hệ số béo mặt cắt ngang của tàu
79
21 , CWL Hệ số béo đường nước của tàu
22 Độ nhớt động học m2/s
23 Độ nhớt động lực học kg.s/m2
24 Khối lượng riêng kg/m3
25 Trọng lượng riêng N/m3
26 p Áp suất N/m2,
Pa, at
27 l Chiều dài m
28 b Chiều rộng m
29 h Chiều cao m
30 k-ε Mô hình rối k-ε
31 k Hệ số đặc trưng cho động năng rối
32 ε Hệ số đặc trưng cho mức độ tiêu tán rối của dòng chảy
33 Rn Số Reynolds
34 Pr Số Prandtl
80