Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

HUỲNH VĂN CHÍNH

ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN
ĐỘNG LỰC HỌC LƢU CHẤT (CFD) TRONG TỐI ƢU HĨA
HÌNH DẠNG MŨI TÀU QUẢ LÊ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH – 2022


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

HUỲNH VĂN CHÍNH

ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN
ĐỘNG LỰC HỌC LƢU CHẤT (CFD) TRONG TỐI ƢU HĨA
HÌNH DẠNG MŨI TÀU QUẢ LÊ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

NGÀNH:

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

MÃ SỐ:

9520116

Ngƣời hƣớng dẫn:

PGS.TS Trần Gia Thái
TS. Bùi Hồng Dƣơng

TP. HỒ CHÍ MINH – 2022


3

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả nghiên cứu trong đề tài luận án: “Ứng dụng
phương pháp tính tốn động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng
mũi tàu quả lê” là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tơi dƣới sự hƣớng dẫn khoa học
của PGS.TS. Trần Gia Thái và TS. Bùi Hồng Dƣơng và chƣa từng công bố trong bất
cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 4 năm 2022
Nghiên cứu sinh

Huỳnh Văn Chính

LỜI CÁM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện luận án, bản thân tơi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ
tận tình của Phịng, Ban Trƣờng Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh.
Đặc biệt là sự hƣớng dẫn tận tâm của PGS.TS. Trần Gia Thái và TS. Bùi Hồng
Dƣơng. Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến các Thầy về sự giúp
đỡ này. Nhân dịp này tôi cũng xin gởi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu, Thầy Cơ Viện
Cơ Khí, Viện Đào tạo Sau Đại học Trƣờng Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ
Chí Minh và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện, giúp đỡ và động viên tơi trong suốt
q trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án tại Trƣờng.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 4 năm 2022
Tác giả

Huỳnh Văn Chính


TĨM TẮT
Sử dụng mũi quả lê khơng chỉ là giải pháp hiệu quả để làm giảm sức cản, mà còn
cho phép cải thiện hầu hết các tính năng tàu, nhờ vậy có thể giảm chi phí nhiên liệu,
tăng tốc độ, nâng cao mức độ an toàn và các hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cho tàu đi biển.
Với tàu cá, mũi quả lê còn cho phép cải thiện đƣợc hiệu quả đánh bắt trên biển nhờ tàu
có độ chúi dọc và độ ổn định khi lắc dọc tốt hơn so với khi không trang bị dạng mũi
này. Tuy nhiên cho đến hiện nay, việc thiết kế và dự đoán cơng suất của tàu có mũi quả
lê vẫn cịn rất khó khăn do tƣơng tác phức tạp giữa hệ thống sóng của thân tàu và quả
lê. Trong trƣờng hợp thuận lợi, dạng mũi quả lê tối ƣu có thể tạo ra hệ thống sóng giao
thoa tích cực với hệ thống sóng tàu và có thể làm giảm đến (10-15)% sức cản tổng của
tàu, nhƣng nếu có hình dạng hoặc vị trí khơng thuận lợi, quả lê có thể gây ra sự giao
thoa tiêu cực, làm tăng hệ thống sóng tổng hợp và dẫn đến làm tăng lớn sức cản
tổng của tàu.
Các nghiên cứu trƣớc đây thƣờng thử mơ hình một loạt hình dạng thân tàu và quả lê,

và dựa trên cơ sở đó để tìm hình dạng quả lê phù hợp, tƣơng ứng sức cản tàu là nhỏ
nhất, nhƣng các thử nghiệm nhƣ thế thƣờng mất nhiều thời gian, công sức, chi phí tốn
kém. Một trong những nghiên cứu thực nghiệm toàn diện và nổi tiếng đã đƣợc thực
hiện bởi M.Kracht (1978), trong đó ơng đã phân tích dữ liệu thử nghiệm nhiều mơ
hình quả lê để thiết lập các đồ thị thiết kế sử dụng để thiết kế mũi quả lê cho các tàu đi
biển hiện nay, tuy nhiên phƣơng pháp này cũng có những nhƣợc điểm cần đƣợc bổ
sung, hoàn thiện. Các nghiên cứu gần đây thƣờng tối ƣu hóa quả lê cho các tàu đã có
sẵn dạng mũi này, bằng cách thay đổi các kích thƣớc của nó và sử dụng phƣơng pháp
tính hiện đại CFD (Computational Fluid Dynamics) để ƣớc tính giá trị hàm đơn mục
tiêu vế sức cản tàu. Từ những phân tích trên đây, cùng với chủ trƣơng hiện đại hóa đội
tàu cá của nhà nƣớc trong thời gian gần đây, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án:
Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình
dạng của mũi tàu quả lê với mục tiêu thiết kế mũi quả lê cho các tàu cá chƣa có sẵn
dạng mũi này và ứng dụng CFD xác định hình dạng quả lê tối ƣu đảm bảo độ giảm sức
cản tổng của tàu là lớn nhất.
Trên cơ sở tổng hợp và phân tích các nghiên cứu và các cơ sở lý luận có liên
quan, tác giả đã xây dựng hƣớng nghiên cứu và các dữ liệu khoa học cần thiết để giải
quyết mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án, với những kết quả đạt đƣợc nhƣ
sau:


(1) Ƣớc tính sức cản của tàu tính tốn với độ chính xác mong đợi bằng CFD
Các nghiên cứu tính sức cản để tối ƣu hóa quả lê hiện nay thƣờng thực hiện cho
mơ hình tàu có sẵn và khơng có giải pháp đảm bảo độ chính xác của kết quả tính CFD.
Nghiên cứu đã đƣợc ứng dụng để tính sức cản các tàu FAO 72 và FAO 75 bằng CFD
với độ chính xác mong đợi, trên cơ sở đảm bảo độ chính xác của các thơng số đầu vào,
bao gồm mơ hình tàu 3D, kích thƣớc miền tính tốn và các hệ số của mơ hình rối.
(2) Bổ sung, hoàn thiện phƣơng pháp thiết kế mũi quả lê bằng đồ thị Kracht
Phƣơng pháp thiết kế quả lê hiệu quả nhất hiện nay là sử dụng các đồ thị Kracht,
tuy nhiên phƣơng pháp này chỉ áp dụng cho tàu có hệ số béo trong phạm vi

(0.56 - 0.82), kích thƣớc quả lê chỉ gần tối ƣu, không đề cập việc nối quả lê thiết kế
vào phần thân tàu. Kết quả nghiên cứu đã bổ sung, hồn thiện phƣơng pháp tính quả lê
bằng đồ thị Kracht bằng cách xây dựng các đƣờng cong nội suy và ngoại suy để tính
quả lê tàu FAO 75 có hệ số béo CB = 0.524 nằm ngoài phạm vi áp dụng (0.56-0.82) của
đồ thị này, với quả lê ban đầu có chiều dài LPRo= 1.50 m, chiều rộng BBo= 1.70 m,
chiều cao ZBo = 2.1 m,

sau đó sử dụng AutoShip xây dựng đƣờng biên dạng và

tích hợp quả lê vào thân tàu đảm bảo bề mặt tiếp giáp giữa quả lê và thân tàu trơn đều
và các thông số quả lê không đổi.
(3) Xây dựng mơ hình tốn và phƣơng pháp tối ƣu hóa mũi quả lê tàu cá
Các nghiên cứu tối ƣu quả lê hiện nay thƣờng dựa trên hàm đơn mục tiêu sức cản
không phù hợp với tàu cá và không đƣa ra ràng buộc hoặc cơ sở khi thay đổi kích
thƣớc quả lê, dẫn đến các phƣơng án tính quả lê có thể là không đầy đủ hoặc
không cần thiết. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng đƣợc mơ hình và phƣơng pháp tối
ƣu mũi quả lê tàu cá với hàm đa mục tiêu về độ giảm cơng suất có ích phù hợp các chế
độ làm việc tàu cá nhằm phát huy tối đa hiệu quả của quả lê, xác định các giới hạn và
ràng buộc thay đổi kích thƣớc để xây dựng ma trận phƣơng án tính quả lê phù hợp và
giải bài toán tối ƣu dựa trên sự kết hợp CFD và mơ hình thay thê. Kết quả đã tính
đƣợc quả lê tối ƣu của tàu FAO 75 có chiều dài LPRop = 1.65 m, chiều rộng BBop = 1.91
m, chiều cao ZBop = 2.10 m dựa trên việc thay đổi đồng thời chiều dài và chiều rộng
quả lê ban đầu với các gia số ∆LPR = 0.11 m, ∆BB = 0.21 m, và độ giảm sức cản tổng
của tàu bằng khoảng 14%.
Từ khóa: mũi quả lê, FAO 75, tối ưu, CFD, đồ thi Kracht, tàu cá.


ABSTRACT
The use of a bulbous bow is not only an effective solution to reducing resistance
but can also improve most of the ship's features, thereby, reducing fuel consumption,

increasing speed, stability, and some economic-technical efficiencies for seagoing
ships. For fishing vessels, a bulbous bow improves fishing efficiency due to better trim
and pitch motion. Until now, the optimal design and required power prediction of the
vessel with a bulbous bow has still been difficult due to the complex interference
between the waves generated by the bulbous bow, and the waves of the hull when the
ship moves. In case of positive interference between these waves, the ship resistance
can be reduced by about (12-15)%, but a negative interference can greatly increase the
resistance. Previous studies have often performed model tests for a series of hull and
bulb shapes and based on that to find the optimal bulb, corresponding to the smallest
ship resistance, however, such model tests are often time-consuming, and especially
very expensive. One of the most comprehensive and well-known model

testing

studies was performed by M.Kracht (1978), in which he analyzed the test data of many
bulb models to establish design graphs, called Kracht charts, used to design the bulb
for current seagoing ships, however, this method also has limitations that need to be
completed and improved. Recent studies have often optimized the bulb for ships that
already have this bow shape, by varying its sizes and using the modern CFD method
(Computational Fluid Dynamics) to predict the value of a single objective function in
terms of the ship’s total resistance. From the above analysis and the recent policy of
modernizing the state's fishing fleet, the author has selected the thesis topic as
“Application of computational fluid dynamics (CFD) method in the optimization of the
bulbous bow shape” with the objective of designing a bulbous bow for

fishing

vessels, and appying the CFD method to find an optimal bulbous bow to achieve the
maximum reduction in ship’s total resistance.
Based on synthesizing and analyzing relevant studies and theoretical bases,

the author has determined research directions and necessary scientific databases to
solve the research objectives and contents of the thesis, and has achieved new research
results, specifically as follows.


(1)

Predicting resistance of computation vessel with expected accuracy using CFD
Current studies on resistance predicting for bulb optimizing are often performed

for existing hull models without a solution to ensure the accuracy of CFD-based
results. This research has been applied to predict the resistance of fishing vessels
FAO72 and FAO 75, with the expected accuracy based on ensuring the accuracy of
input parameters, including 3D hull models, domain computation size, and turbulence
model coefficients.
(2)

Completing and improving the method of designing the bulb using the Kracht

charts
The most efficient bulb design method today is to use Kracht charts, but this
method is applicable to vessels with a block coefficient (CB) in the range of
(0.56 - 0.82), the bulb sizes are only close to optimal, and without joining the bulbs to
the rest hull. The research results have completed and improved the design bulb
method using Kracht charts by determining the interpolation and extrapolation curves
to design the initial bulb of the FAO 75 vessel with a block coefficient of 0.524 outside
range of (0.56 - 0.82), with length L PRo = 1.50 m, breadth BBo = 1.70 m, and height
ZBo = 2.1 m, then use AutoShip to contour and join the bulb to the rest hull so that the
transition surface between the bulb and the rest hull are smooth, and the bulb
parameters are unchanged.

(3)

Establishing a mathematical model and optimization method for fishing vessel

bulbs
Current bulb optimization studies are often based on a single-objective function
of resistance which is unsuitable for fishing vessels, and do not provide constraints or
bases for changing bulb sizes, leading to bulb variants are set incompletely or
unnecessarily. The research results have established a mathematical model and an
optimization method for bulbous bow with a multi-objective function of effective
power reduction suitable for the operating modes of the fishing vessels to maximize
the efficiency of the bulb, define the limits and constraints to establish a suitable
matrix of the bulb size variants, and solve the optimization problem using a
combination of CFD and surrogate models. An optimal bulb of FAO 75 vessel was
obtained with length LPRop = 1.65 m, breadth BBop = 1.91 m, height ZBop = 2.10 m based
on a change of 0.11 m in length and 0.21 m in the breadth of the initial bulb, and
maximum total resistance reduction of about 14%
Keywords: bulbous bow, FAO 75, optimization, CFD, Kracht charts, fishing vessel.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

i

LỜI CẢM ƠN

ii

TÓM TẮT

iii

ABSTRACT

v

MỤC LỤC

vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

x

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

xi

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG

xvi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

xix

MỞ ĐẦU

1

1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

1

2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3

3. PHƢƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

4

4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN

5

Chƣơng 1. ĐẶT VẤN ĐỀ

6

1.1. TỔNG QUAN CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

6

1.1.1. Các cơng trình nghiên cứu truyền thống

7

1.1.2. Các cơng trình nghiên cứu hiện đại

11

1.2. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN HƢỚNG NGHIÊN CỨU

26

1.2.1. Phân tích các hƣớng nghiên cứu liên quan

26

1.2.2. Phân tích và lựa chọn hƣớng nghiên cứu

30

Kết luận chƣơng 1

30


Chƣơng 2. TÍNH SỨC CẢN TÀU BẰNG CFD

31

2.1. CFD VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÍNH SỨC CẢN TÀU

31

2.1.1. Khái quát về lý thuyết CFD

31

2.1.2. Ứng dụng CFD trong tính sức cản tàu

37

2.2. ỨNG DỤNG CFD TÍNH SỨC CẢN CỦA TÀU TÍNH TỐN

41

2.2.1. Phân tích, lựa chọn các mẫu tàu tính tốn

43

2.2.2. Xây dựng mơ hình 3D và tính sơ bộ sức cản của tàu tính tốn

50

2.2.3. Xác định các thơng số mơ phỏng phù hợp với tàu tính tốn

54

2.2.4. Tính sức cản của tàu tính tốn

63

2.3. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

64

Kết luận chƣơng 2

67

Chƣơng 3. THIẾT KẾ TỐI ƢU MŨI QUẢ LÊ TÀU CÁ

68

3.1. ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA MŨI QUẢ LÊ

68

3.1.1. Phân loại mũi quả lê

68

3.1.2. Các thông số hình học của mũi quả lê

70

3.1.3. Ảnh hƣởng của các thơng số hình học đến hiệu quả làm việc quả lê

72

3.2. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MŨI QUẢ LÊ BẰNG ĐỒ THỊ KRACHT

73

3.2.1. Xác định các hệ số hình học của quả lê cho tàu tính tốn

75

3.2.2. Xây dựng đƣờng hình dáng của quả lê tính tốn

78

3.2.3. Tích hợp hình dạng quả lê vào đƣờng hình tàu tính tốn

81

3.3. MƠ HÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP TỐI ƢU HÓA MŨI QUẢ LÊ TÀU CÁ

86

3.3.1. Mơ hình bài tốn tối ƣu hóa tổng qt

86

3.3.2. Mơ hình bài tốn tối ƣu hóa mũi quả lê tàu cá

88

3.3.3. Phƣơng pháp giải bài tốn tối ƣu hóa mũi quả lê

95


3.4. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO TÀU TÍNH TỐN

99

3.4.1. Thiết lập ma trận các phƣơng án tính tốn quả lê

99

3.4.2. Xác định phƣơng án quả lê tối ƣu

101

Kết luận chƣơng 3

123

Chƣơng 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ

124

4.1. KẾTLUẬN

124

4.2. KHUYẾN NGHỊ

126

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN 128
ÁN TIẾN SĨ
TÀI LIỆU THAM KHẢO

129

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ABS

American Bureau of Shipping

Đăng kiểm Mỹ

BEM

Boundary Element Method

Phƣơng pháp phần tử biên

CFD

Computational Fluid Dynamics

Tính tốn động động lực học lƣu chất

DNS

Direct Numerical Simulation

Mô phỏng số trực tiếp

DTMB

David Taylor Model Basin

Bể thử mơ hình Taylor

EB

Elliptical Bulb

Quả lê dạng Ellip

FAO

Food and Agriculture Oganization

Tổ chức Nông Lƣơng Liên Hiệp Quốc

FVM

Finite Volume Method

Phƣơng pháp thể tích hữu hạn

GB

Gooseneck Bulb

Quả lê Gooseneck

ITTC

International Towing Tank Conference Hội nghị quốc tế các bể thử tàu

JHSS

Joint High Speed Sealift

Tổ chức vận tải biển tốc độ cao

KCS

KRISO Container Ship

Tàu container KRISO

KRISO

Korean Research Institute for Ship and Viện nghiên cứu tàu thủy và cơng
Ocean Engineering

trình biển Hàn Quốc

LES

Large Eddy Simulation

Mơ phỏng xốy lớn

NPL

National Physical Laboratory

Phịng thí nghiệm vật lý quốc gia

NURBS

Non Uniform Ration B-Splines

Các đƣờng B-Spline khơng đồng dạng

RANSE

Reynolds Average Navier-Stokes Equa- Trung bình Reynolds các phƣơng trình
tions

Navier-Stokes

RBF

Radial Basis Function

Hàm cơ sở xuyên tâm

RSM

Reponse Surface Method

Phƣơng pháp bề mặt đáp ứng

SSPA

Swedish State Shipbuilding Tank

Bể thử đóng tàu quốc gia Thụy Điển

SST

Shear Stress Transport

Chuyển vị ứng suất cắt

STL

STereoLithography

In Litho lập thể


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Các ký hiệu liên quan đến thông số tàu
LOA

chiều dài lớn nhất của tàu, m

LWL

chiều dài đƣờng nƣớc thiết kế,

m
Lpp

chiều dài hai đƣờng vng góc, m

Lfz

chiều dài phía mũi của tàu tại chiều cao z, m

Laz

chiều dài phía đi của tàu tại chiều cao z, m

B

chiều rộng tàu ở đƣờng nƣớc thiết kế, m

T, d

chiều chìm thiết kế của tàu, m

TFP

chiều chìm phía mũi tàu, m

TAP

chiều chìm phía đi tàu, m

CB

hệ số đầy thể tích (hệ số béo)

CBf, CBa

hệ số béo thể tích phía mũi và phía đi

CP

hệ số lăng trụ dọc tàu

Cw

hệ số đầy mặt đƣờng nƣớc

Cwf, Cwa

hệ số béo đƣờng nƣớc phía mũi và phía

đi CM

hệ số đầy mặt cắt ngang giữa tàu

Cp

hệ số đầy lăng trụ

dọc LCB hoành độ tâm nổi, m
αE , αR

góc vào nƣớc phía mũi và phía đi, độ

∆

lƣợng chiếm nƣớc, tấn

∇

thể tích chiếm nƣớc, mAMS

diện tích mặt cắt ngang giữa tàu, m


Ω, S

diện tích mặt ƣớt của tàu, mCác ký hiệu liên quan đến sức cản tàu

RT

sức cản tổng (hay sức cản chung) của tàu, KG

RTi

sức cản tổng của tàu ở chế độ làm việc (i), KG

RF

sức cản ma sát, KG

RP

sức cản áp suất, KG

RR

sức cản dƣ, KG

RV

sức cản nhớt, KG

RPV

sức cản áp suất nhớt (do xoáy tạo ra), KG

RW

sức cản sóng, KG

RWM

sức cản sinh sóng, KG

RWB

sức cản sóng vỡ, KG

CF

hệ số sức cản ma sát

Cp

hệ số sức cản áp suất

CR

hệ số sức cản dƣ

Rn

số Reynold

Fn

số Froude

ν

độ nhớt động học của chất lỏng

γ

trọng lƣợng riêng của chất lỏng

U

vận tốc tàu (hay vận tốc dòng chảy), m/s

Utp

vận tốc tấm phẳng, m/s

RXF

sức cản tàu tính từ phần mềm Xflow, KG

Rtn

sức cản tàu tính từ thử nghiệm mơ hình tàu trong bể thử, KG

∆R

độ sai lệch kết quả giữa sức cản tính từ XFlow và từ thử mơ hình, %


Các ký hiệu liên quan đến lý thuyết CFD

DU
Dt

đạo hàm toàn phần (hay đạo hàm thực)

∂U
∂t
ρ

đạo hàm riêng
mật độ (hay khối lƣợng riêng) của chất lỏng

dρ
dt

độ biến đổi mật độ chất lỏng theo thời gian

∂ρ
∂t

độ biến đổi mật độ chất lỏng theo thời gian tại điểm cố định

∇

toán tử Haminlton (hay vector nabla)

u, v, w

các thành phần vận tốc theo các vector đơn vị của hệ tọa độ Descartes

i, j, k

vector đơn vị của hệ tọa độ Descartes

φ(x, t)

hàm dòng

φ (x, t)

thành phần trung bình của hàm dịng φ(x, t)

φ’(x, t)

thành phần biến động của hàm dòng φ(x,

t) T

khoảng thời gian trung bình

p

trƣờng áp lực trung bình.

p’

độ lệch tức thời của áp lực

pi

biến áp lực

U

vector vận tốc trung bình.

U’

độ lệch tức thời của vận tốc

Ui

biến vận tốc

ε

tốc độ tiêu tán động năng

rối I

cƣờng độ rối


k

động năng rối.

ω

tốc độ khuếch tán động năng rối

Gk

động năng rối do các gradient vận tốc trung bình sinh ra

Gω

phát sinh hệ số ω

Γk, Γm

độ khuyếch tán hiệu quả của các hệ số k và

ω Yk, Yω

sự tiêu tán của các hệ số k và ω do rối

Dω

số hạng khuếch tán chéo

Sk, Sω

các số hạng do ngƣời dùng định nghĩa

σk1, σω1, σω2

các hằng số của mơ hình rối SST k-ω

αi, βi1

các hằng số của mơ hình rối SST k-ω

Pk

suất năng lƣợng rối

UF

vận tốc dòng lƣu chất tại điểm đang xét lấy bằng vận tốc tàu

U U∞

vận tốc dịng xa vơ cùng

p

áp suất trong dịng chảy

P∞

áp suất trong dịng xa vơ cùng

∂U
∂n
∂p
∂n

tốc độ thay đổi vận tốc dòng chảy

tốc độ thay đổi áp suất dòng chảy

Các ký hiệu liên quan đến quả lê

2
2

LPR

chiều dài quả lê, m

BB

chiều rộng lớn nhất của mặt cắt ngang quả lê, m

BMS

chiều rộng mặt cắt ngang giữa tàu, m

ZB

chiều cao quả lê, m

ABT

diện tích mặt cắt ngang quả lê tính tại đƣờng vng góc mũi tàu FP, m3


2

ABL

diện tích phần nhơ ra của quả lê

trong mặt cắt dọc, mVPR

thể tích phần nhơ

ra của quả lê, m2
3

VBtot

thể tích tồn phần của quả lê, mVF thể tích của

phần trơn để lắp quả lê vào thân tàu, m3

3

CLPR hệ số chiều dài quả lê
CBB
hệ số chiều rộng quả lê
CZB

hệ số chiều cao quả lê

CABT

hệ số mặt cắt ngang của quả lê

CABL

hệ số cạnh bên của quả lê C∇PR
hệ số thể tích quả lê

∆CP∇R

hệ số giảm cơng suất dƣ, %

∆RT, ∆RTi độ thay đổi sức cản tổng của tàu sau khi lắp quả lê ở tốc độ tàu U và Ui, %
RT, RTi

sức cản tổng của tàu trƣớc khi lắp quả lê ở tốc độ tàu U và Ui, KG

RTb, Rbi

sức cản tổng của tàu sau khi lắp quả lê ở tốc độ tàu U và Ui, KG

Pei, Pebi

cơng suất có ích của tàu trƣớc và sau khi lắp quả lê ở tốc độ Ui,

PS
∆Pei

độ thay đổi cơng suất có ích của tàu sau khi lắp quả lê ở tốc độ tàu Ui, %
wi trọng số hàm mục tiêu

∆RT1, ∆RT2, ∆RT3 độ thay đổi sức cản tổng của tàu tính tại các tốc độ U1, U2, U3 ở
chế độ chạy hành trình, chạy dắt lƣới và chạy kéo, thả lƣới.
δCB, δ∆, δLCB, δMG độ thay đổi của hệ số béo, lƣợng chiếm nƣớc, hoành độ tâm nổi
và độ cao tâm ổn định của tàu.
LPRo, LPri, LPRop

chiều dài quả lê ban đầu, ở phƣơng án (i) và tối ƣu.

BBo, BBi, BBop

chiều rộng quả lê ban đầu, ở phƣơng án (i) và tối

ƣu ZBo, ZBi, ZBop

chiều cao quả lê ban đầu, ở phƣơng án (i) và tối ƣu


DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG
Bảng 1.1.

Kết quả tính và so sánh mức độ thay đổi của công suất (%) đối với 09

1

phƣơng án thiết kế mũi quả lê mới so với mũi quả lê ban đầu
Bảng 1.2.

Kết quả tối ƣu hóa của các biến thiết kế

1

Bảng 1.3.

Kết quả tối ƣu của hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc

1

Bảng 1.4.

Sức cản sinh sóng

1

Bảng 1.5.

Các thơng số chính của các vỏ tàu JHSS

2

Bảng 2.1.

Đặc điểm hình học tàu cá Việt Nam phân theo nghề khai thác

4

Bảng 2.2

Đƣờng hình và các thơng số chính của mẫu tàu FAO 72

4

Bảng 2.3

Đƣờng hình và các thơng số chính của mẫu tàu FAO 75

4

Bảng 2.4.

So sánh thơng số mơ hình tàu FAO 75 dựng trong Autoship và tàu thật

5

Bảng 2.5.

Các khuyến nghị về các kích thƣớc của khơng gian miền tính

5

Bảng 2.6.

Các phƣơng án kích thƣớc khơng gian miền tính

5

Bảng 2.7.

Giá trị sức cản tổng R (KG) ở các phƣơng án kích thƣớc miền tính tốn

5

Bảng 2.8.

Các điều kiện biên trong mơ hình tính của tàu tính tốn

5

Bảng 2.9.

Kết quả tính sức cản ở các phƣơng án tham số mơ hình rối tàu FAO 75

6

Bảng 2.10.

Giá trị các hệ số trong mơ hình rối khi mô phỏng số tàu FAO 75

6

Bảng 2.11.

So sánh các thơng số hình học thực tế của tàu FAO 75 với các số liệu

6

tƣơng ứng xuất ra từ phần mềm XFlow ở trƣờng hợp thử nghiệm I
Bảng 2.12.

So sánh kết quả tính sức cản tàu FAO 75 từ XFlow và từ thử mơ hình ở

6

trƣờng hợp thử nghiệm I
Bảng 2.13.

So sánh kết quả tính sức cản tàu FAO 72 từ XFlow và từ thử mơ hình ở

6

trƣờng hợp thử nghiệm II
Bảng 3.1.

Giá trị các tham số quả lê tƣơng ứng với hệ số ∆CP∇R là lớn nhất

7

Bảng 3.2.

Bảng giá trị các hệ số hình học của quả lê ở giá trị ∆CP∇R = 0.290

7

Bảng 3.3.

Bảng giá trị các thông số hình học của quả lê ở giá trị ∆CP∇R = 0.290

7


Bảng 3.4.

Giá trị các thơng số hình học của tàu và của quả lê tính tốn

7

Bảng 3.5.

Tọa độ đƣờng cong biên dạng dọc ở phần dƣới quả lê

7

Bảng 3.6.

So sánh các thơng số hình học của quả lê tàu thiết kế với quả lê của mơ

8

hình tàu xây dựng trên phần mềm AutoShip
Bảng 3.7.

Phân bố các chế độ vận tốc và mớn nƣớc của tàu cá

9

Bảng 3.8.

Ma trận các phƣơng án kích thƣớc quả lê của tàu tính tốn

9

Bảng 3.9.

Kiểm tra các điều kiện ràng buộc

10

Bảng 3.10.

Độ thay đổi sức cản tổng của tàu tại các phƣơng án thay đổi chiều dài

10

và chiều cao quả lê ban đầu ở các mớn nƣớc khảo sát (%)
Bảng 3.11.

Độ thay đổi công suất có ích của tàu ∆Pe (%) ở các phƣơng án quả lê

10

Bảng 3.12.

Phƣơng án quả lê tối ƣu của các mơ hình thay thế ở lần tính thứ nhất

10

Bảng 3.13.

So sánh giá trị ∆Pemax (%) tính từ XFlow và từ các mơ hình thay thế

10

trong lần tính thứ nhất
Bảng 3.14.

Phƣơng án chiều dài và chiều rộng của quả lê tối ƣu và giá trị ∆Pe (%)

10

của tàu tính theo các mơ hình thay thế ở lần tính thứ hai
Bảng 3.15.

So sánh giá trị ∆Pemax (%) tính từ XFlow và từ các mơ hình thay thế ở

10

trong lần tính thứ hai
Bảng 3.16.

Độ thay đổi sức cản tổng của tàu ∆RT (%) tại các phƣơng án thay đổi

10

chiều dài và chiều rộng quả lê ban đầu ở các mớn nƣớc khảo sát
Bảng 3.17.

Giá trị ∆Pe (%) ở các phƣơng án thay đổi chiều dài – chiều cao quả lê

11

Bảng 3.18.

Phƣơng án quả lê tối ƣu của các mơ hình thay thế ở lần tính thứ nhất

11

Bảng 3.19.

So sánh giá trị ∆Pemax (%) tính từ XFlow và từ các mơ hình thay thế

11

trong lần tính thứ nhất
Bảng 3.20.

Phƣơng án chiều dài và chiều cao của quả lê tối ƣu và giá trị ∆Pe (%)

11

của tàu tính theo các mơ hình thay thế trong lần tính thứ hai

Bảng 3.21.

So sánh giá trị ∆Pemax (%) tính từ XFlow và từ các mơ hình thay thế
trong lần tính thứ hai

11


Bảng 3.22. Độ thay đổi sức cản tổng của tàu ∆RT (%) tại các phƣơng án thay đổi

11

chiều rộng và chiều cao quả lê ban đầu ở các mớn nƣớc khảo sát
Bảng 3.23. Giá trị ∆Pe (%) ở các phƣơng án thay đổi chiều dài – chiều cao quả lê

11

Bảng 3.24. Phƣơng án quả lê tối ƣu của các mô hình thay thế ở lần tính thứ nhất

11

Bảng 3.25. So sánh giá trị ∆Pemax (%) tính từ XFlow và từ các mơ hình thay thế

11

trong lần tính thứ nhất
Bảng 3.26. Phƣơng án chiều rộng và chiều cao quả lê tối ƣu và giá trị ∆Pemax (%)

11

của tàu tính theo các mơ hình thay thế ở lần tính thứ hai
Bảng 3.27. So sánh giá trị ∆Pemax (%) tính từ XFlow và từ các mơ hình thay thế
trong lần tính thứ hai

11


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1.

Minh họa tƣơng tác của sóng mũi tàu và sóng tạo ra bởi quả lê

6

Hình 1.2.

Hình dạng mũi quả lê kiểu ống trụ trịn

7

Hình 1.3.

Các hình dạng mũi quả lê kiểu bóng đèn trịn

7

Hình 1.4.

Sức cản tàu có gắn quả lê phía mũi

8

Hình 1.5.

Hình ảnh tàu KCS với kết cấu quả lê ban đầu

11

Hình 1.6.

Các phƣơng án thiết kế mũi quả lê

12

Hình 1.7.

Bề mặt đáp ứng biểu diễn cho giá trị độ giảm công suất có ích với các

13

điểm đen là dữ liệu ban đầu và điểm đỏ biểu diễn độ giảm công suất tối đa
Hình 1.8.

Các đƣờng bao và đƣờng đặc tính xây dựng mơ hình tham số của tàu

14

Hình 1.9.

Các đƣờng cong tham số của quả lê

15

Hình 1.10.

Thay đổi hình dạng quả lê (a) ban đầu, (b) sau khi biến đổi

15

Hình 1.11.

Các bề mặt vỏ tàu của tàu Ro-Ro nghiên cứu

16

Hình 1.12.

Sơ đồ khối của q trình tối ƣu quả lê theo mơ hình tham số

16

Hình 1.13.

Hình ảnh quả lê trƣớc (Hình a) và sau tối ƣu (Hình b)

17

Hình 1.14.

Đƣờng cong sức cản tổng của tàu nghiên cứu

18

Hình 1.15.

Đƣờng hình tàu nghiên cứu cùng mũi quả lê trƣớc và sau khi tối ƣu

19

Hình 1.16.

Kết quả tính sức cản sóng và độ dâng của mặt sóng

19

Hình 1.17.

Thân tàu seri 60 đƣợc thiết kế lại

20

Hình 1.18.

Bố trí mũi quả lê tàu seri 60

20

Hình 1.19.

Thân tàu seri 60 trƣớc khi cải hoán (trên) và sau khi có quả lê (dƣới)

21

Hình 1.20.

Đƣờng hình tàu seri 60

21

Hình 1.21.

Kết quả tính sức cản tàu seri 60 nhờ CFD

21

Hình 1.22.

Hình dạng 4 mẫu tàu JHSS

22

Hình 1.23.

Mũi tàu dạng thơng thƣờng và các tham số xác định nó

25


Hình 1.24.

Mũi tàu dạng quả lê và các tham số xác định nó

25

Hình 2.1.

Các biến số trung bình và biến động của dịng lƣu chất theo RANSE

34

Hình 2.2.

Mơ hình 3D của tàu KCS

38

Hình 2.3.

Sơ đồ khối giải bài tốn tính sức cản phù hợp với tàu nghiên cứu

42

Hình 2.4.

Đƣờng hình mẫu tàu cá vỏ thép dạng vỏ dƣa

43

Hình 2.5.

Đồ thị sức cản của mẫu tàu FAO 72 ở các trƣờng hợp thử nghiệm

47

Hình 2.6.

Đồ thị sức cản của mẫu tàu FAO 75 ở các trƣờng hợp thử nghiệm

49

Hình 2.7.

Xây dựng lại bản vẽ mặt cắt ngang tàu FAO 75

50

Hình 2.8.

Hiệu chỉnh các hàng và cột của bề mặt vỏ tàu

51

Hình 2.9.

Mơ hình 3D của tàu FAO 75 trong phần mềm AutoShip

51

Hình 2.10.

Kiểm tra các yếu tố hình dáng vỏ tàu

52

Hình 2.11.

Mơ hình 3D của tàu FAO 75 trong phần mềm XFlow

53

Hình 2.12.

Các kích thƣớc và vị trí các biên của khơng gian miền tính

54

Hình 2.13.

Kích thƣớc khơng gian miền tính phù hợp với tàu tính tốn

57

Hình 2.14.

Kích thƣớc khơng gian miền tính phù hợp tàu FAO 75 trong XFlow

57

Hình 2.15.

Kết quả tính sức cản tàu FAO 75 ở một số giá trị vận tốc tàu

63

Hình 2.16.

Đồ thị sức cản tàu FAO 75 từ XFlow và từ thử mơ hình ở trƣờng hợp I

65

Hình 2.17.

Đồ thị sức cản tàu FAO 72 từ XFlow và từ thử mơ hình ở trƣờng hợp II

66

Hình 3.1.

Bốn kiểu đặc trƣng cho dạng mũi tàu quả lê

68

Hình 3.2.

Các dạng quả lê

69

Hình 3.3.

Xác định các hệ số chiều dài và chiều rộng quả lê

70

Hình 3.4.

Cách xác định hệ số chiều cao của quả lê

70

Hình 3.5.

Cách xác định hệ số mặt cắt ngang và hệ số cạnh bên quả lê

71

Hình 3.6.

Cách xác định hệ số thể tích C∇PR quả lê

71

Hình 3.7.

Đồ thị thiết kế quả lê của Kracht ở hệ số béo CB = 0.70

74


Hình 3.8.

Các đƣờng cong nội suy thể hiện mối quan hệ giữa các thông số

75

quả lê với hệ số béo ở số Fn = 0.377 của tàu FAO 75
Hình 3.9.

Đồ thị thể hiện mối quan hệ ∆CP∇R = f(CLPR, Fn) ở hệ số béo CB = 0.56

76

Hình 3.10.

Dựng đƣờng cong biên dạng dọc cho phần trên của quả lê

78

Hình 3.11.

Đƣờng cong biên dạng của quả lê thiết kế

79

Hình 3.12.

Hiệu chỉnh các cột ở khu vực mũi để tạo biên dạng dọc quả lê

81

Hình 3.13.

Hiệu chỉnh các đƣờng sƣờn để tạo biên dạng ngang của quả lê

82

Hình 3.14.

Hiệu chỉnh đƣờng hình phần mũi tàu

82

Hình 3.15.

Mơ hình tàu FAO 75 sau khi tích hợp quả lê

83

Hình 3.16.

Kiểm tra các thơng số hình học của quả lê

84

Hình 3.17.

Bản vẽ đƣờng hình quả lê đã đƣợc tích hợp với đƣờng hình tàu

85

Hình 3.18.

Biến thiết kế là các tham số kích thƣớc của quả lê

88

Hình 3.19.

Cách xác định giới hạn phạm vi thay đổi của hệ số hình học CLPR

89

Hình 3.20.

Các bƣớc xây dựng mơ hình thay thế

96

Hình 3.21.

Sơ đồ khối phƣơng pháp tối ƣu hóa mũi quả lê theo mơ hình thay thế

98

Hình 3.22.

Thay đổi tọa độ các điểm sƣờn mũi để tạo các phƣơng án quả lê

100

Hình 3.23.

Các phƣơng án thay đổi đồng thời chiều dài và chiều rộng quả lê

101

Hình 3.24.

Thay đổi đồng thời chiều dài và chiều rộng quả lê tàu FAO 75

102

Hình 3.25.

Các mơ hình thay thế ∆Pe = f (∆LPRi, ∆BBi) trong lần tính thứ nhất

104

Hình 3.26.

Các mơ hình thay thế ∆Pe = f (∆LPRi, ∆BBi) ở mớn nƣớc T = 4.57 m

106

trong lần tính thứ 2
Hình 3.27.

Các phƣơng án thay đổi đồng thời chiều dài và chiều cao quả lê

108

Hình 3.28.

Các mơ hình thay thế ∆Pe = f (∆LPRi, ∆ZBi) trong lần tính thứ nhất

110

Hình 3.29.

Các mơ hình thay thế ∆Pe = f (∆LPRi, ∆ZBi) ở mớn nƣớc T = 4.57 m

112

trong lần tính thứ hai
Hình 3.30.

Các phƣơng án thay đổi đồng thời chiều rộng và chiều cao quả lê

114


Hình 3.31. Các mơ hình thay thế ∆Pe = f (∆BBi, ∆ZBi) trong lần tính thứ nhất

116

Hình 3.32. Các mơ hình thay thế ∆Pe = f (∆BBi, ∆ZBi) ở mớn nƣớc T = 4.57 m

118

trong lần tính thứ hai

Hình 3.33. Phân bố trƣờng vận tốc và trƣờng áp suất trong dòng lƣu chất

121

xung quanh thân tàu FAO 75 trong trƣờng hợp khơng có quả lê
Hình 3.34. Phân bố trƣờng vận tốc và trƣờng áp suất trong dòng lƣu chất

122

xung quanh thân tàu FAO 75 trong trƣờng hợp có quả lê tối ƣu
Hình 3.35. Bản vẽ đƣờng hình mũi quả lê ban đầu và quả lê tối ƣu

123


25

MỞ ĐẦU
1.

LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI
Sử dụng mũi quả lê không chỉ là giải pháp hiệu quả để làm giảm sức cản, mà còn

cho phép cải thiện hầu hết các tính năng tàu, nhờ vậy có thể giảm chi phí nhiên liệu,
tăng tốc độ, nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả kinh tế-kỹ thuật cho tàu đi biển [1].
Tuy nhiên cho đến hiện nay, việc thiết kế và dự đốn cơng suất của tàu có mũi quả lê
vẫn cịn rất khó khăn do tƣơng tác phức tạp giữa hệ thống sóng của thân tàu và quả lê.
Trong trƣờng hợp thuận lợi, dạng mũi quả lê tối ƣu có thể tạo ra hệ thống sóng giao
thoa tích cực với hệ thống sóng tàu và làm giảm đến (12-15)% sức cản tổng của tàu
[2], [3], nhƣng nếu có hình dạng hoặc vị trí khơng thuận lợi, quả lê có thể gây ra sự

giao thoa tiêu cực, làm tăng hệ thống sóng tổng hợp và dẫn đến làm tăng lớn sức cản
tổng của tàu. Trƣớc đây, hình dạng và vị trí mũi quả lê thƣờng đƣợc xác định thơng
qua thử nghiệm mơ hình trong bể thử với nhiều phƣơng án đặc điểm hình học khác
nhau nhằm xác định phƣơng án hình dạng quả lê phù hợp, tƣơng ứng giá trị sức cản
tổng của tàu là nhỏ nhất. Rõ ràng các thử nghiệm nhƣ thế thƣờng mất nhiều thời gian,
công sức, chi phí tốn kém. Gần đây, cùng với sự phát triển máy tính là sự xuất hiện
phƣơng pháp tính động lực học lƣu chất, còn đƣợc gọi tắt bằng thuật ngữ CFD
(Computational Fluid Dynamics) đã giúp giải quyết hiệu quả nhiều bài toán thực tế
nhƣ thiết kế tối ƣu, kiểm nghiệm và dự báo kết quả nghiên cứu, mô phỏng dịng lƣu
chất và nhiều bài tốn phức tạp khác [4], [5]. Với vai trò quan trọng nhƣ thế nên CFD
đã đƣợc nhìn nhận là “phƣơng pháp thứ ba”, cùng hai phƣơng pháp truyền thống là
nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm thuần túy, trong nghiên cứu và phát triển những
ứng dụng trong khoa học kỹ thuật [6], [7], [8]. Với lý do đó, nghiên cứu sinh (NCS) đã
lựa chọn hƣớng nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp CFD trong xác định hình dạng tối
ƣu của mũi tàu quả lê, bắt đầu từ việc giải bài toán xác định sức cản trong trƣờng hợp
tàu có và khơng có trang bị dạng mũi này và dựa trên cơ sở đó xây dựng và tính sức
cản cho các phƣơng án hình dạng khác nhau của quả lê để xác định phƣơng án vị trí,
kích thƣớc và hình dạng phù hợp của mũi quả lê khi gắn nó lên tàu nhằm đạt đƣợc
một sự tối ƣu về phƣơng diện sức cản tổng cho những mẫu tàu tính tốn.