(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thuỷ trong quá trình thay đổi hướng chuyển động

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH GIAO THƠNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH

NCS. NGUYỄN THÀNH NHẬT LAI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC
HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN
TÀU THỦY TRONG QUÁ TRÌNH THAY
ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH - 2020

luan an


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH GIAO THƠNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH

NCS. NGUYỄN THÀNH NHẬT LAI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC
HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN
TÀU THỦY TRONG QUÁ TRÌNH THAY

ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH:

KHOA HỌC HÀNG HẢI

MÃ SỐ:

9840106

Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Phạm Kỳ Quang
2. TS. Vũ Văn Duy

TP. HỒ CHÍ MINH - 2020

luan an


MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................ v
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ............................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................ ix
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................ xvi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của luận án....................................................................... .1
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án . ........................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án . ..................................... 2

4. Phương pháp nghiên cứu của luận án . ................................................... 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................. 4
6. Những điểm đóng góp mới của luận án .................................................. 5
7. Bố cục của luận án . .................................................................................. 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC
DÒNG CHẢY BAO ĐẾN TÀU THỦY ..................... 7
1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của luận án ..................................... 7
1.1.1. Phân tích tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................ 7
1.1.2. Phân tích tình hình nghiên cứu trong nước ......................... 10
1.2. Tổng quan về động lực học dòng chảy bao tàu thủy và CFD ........... 11
1.2.1. Một số khái niệm về động lực học dòng chảy bao tàu thủy 11
1.2.2. Khái niệm về CFD ............................................................. 17
1.3. Một số khái niệm liên quan đến chuyển động tàu thủy .................... 21
1.4. Cơ sở lý thuyết về ổn định tàu thủy ................................................... 24
1.5. Giới hạn vấn đề nghiên cứu của luận án ........................................... 30
i

luan an


1.7. Kết luận chương 1 .............................................................................. 31
CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG CFD TÍNH TỐN MƠ PHỎNG ĐỘNG
LỰC HỌC DỊNG CHẢY BAO QUANH TÀU THỦY
..................................................................................... 32
2.1. Xây dựng mơ hình nghiên cứu và cơ sở tốn học ............................. 32
2.1.1. Xây dựng mơ hình nghiên cứu ........................................... 32
2.1.2. Cơ sở tốn học ................................................................... 34
2.2. Tính tốn mơ phỏng động lực học dịng chảy bao quanh tàu thủy .. 37
2.2.1. Giới hạn điều kiện biên ...................................................... 37
2.2.2. Một số cửa sổ chính khi tính tốn cùng Fluent-Ansys ........ 38

2.3. Phân tích kết quả tính tốn mơ phỏng .............................................. 44
2.3.1. Trường hợp tàu đi thẳng ..................................................... 45
2.3.2. Trường hợp tàu thay đổi hướng chuyển động ..................... 46
2.3.2.1. Kết quả tính tốn mơ phỏng cho bài tốn 2D .................. 46
2.3.2.2. Kết quả tính tốn mơ phỏng cho bài toán 3D .................. 52
2.4. Kết luận chương 2 .............................................................................. 60
CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG
CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN TÀU THỦY KHI
THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG ..................... 61
3.1. Xây dựng mơ hình bài tốn và quy trình tính tốn mơ phỏng .......... 61
3.1.1. Xây dựng mơ hình bài tốn nghiên cứu .............................. 61
3.1.2. Xây dựng quy trình tính tốn mơ phỏng ............................. 63
3.2. Kết quả tính tốn mơ phỏng của từng trường hợp ........................... 65
3.2.1. Điều kiện đầu vào .............................................................. 65

ii

luan an


3.2.2. Kết quả tính tốn mơ phỏng cho từng trường hợp khi hướng
chuyển động thẳng, khi thay đổi hướng chuyển động và vận
tốc của tàu .......................................................................... 67
3.2.2.1. Trường hợp tàu chuyển động thẳng ................................. 67
3.2.2.2. Trường hợp thay đổi hướng chuyển động của tàu θ = 0100
..................................................................................................... 70
3.2.2.3. Trường hợp thay đổi hướng chuyển động θ = 0200 và
θ = 0300 ........................................................................................ 72
3.3. Tổng hợp, phân tích và đánh giá kết quả tính tốn mơ phỏng ........ 73
3.3.1. Đối với giá trị lực cản ........................................................ 73

3.3.2. Đối với giá trị lực ly tâm .................................................... 77
3.3.3. Đối với giá trị mô men gia thêm ........................................ 78
3.4. Kết luận chương 3 .............................................................................. 79
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM: PHÂN TÍCH,
SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ...................... 82
4.1. Một số mơ hình bể thử tàu .................................................................. 82
4.2. Thiết kế và chế tạo mơ hình tàu nghiên cứu thực nghiệm ................ 89
4.2.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm ...................................... 89
4.2.2. Thiết kế chế tạo một số thiết bị chính ................................. 89
4.3. Quy trình và phương án nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mơ hình
tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam ................................... 91
4.3.1. Quy trình vận hành bể thử mơ hình tàu .............................. 91
4.3.2. Giới hạn phương án nghiên cứu thực nghiệm ..................... 92
4.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mơ hình tàu ................. 96
4.4.1. Dữ liệu cơ bản liên quan tại bể thử mơ hình tàu ................. 96
4.4.2. Phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm ...... 96
iii

luan an


4.5. Tổng hợp, so sánh và đánh giá kết quả tính tốn mơ phỏng và kết
quả nghiên cứu thực nghiệm ........................................................... 100
4.6. Kết luận chương 4 ............................................................................ 104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 105
KẾT LUẬN................................................................................................ 105
KIẾN NGHỊ ............................................................................................... 107
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................ 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................ 110

PHẦN PHỤ LỤC (Gồm 03 phụ lục) ....................................................... 115
PHỤ LỤC 1: HỒ SƠ LIÊN QUAN M/V TAN CANG FOUNDATION
PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ TÍNH TỐN MƠ PHỎNG BẰNG NAPA
PHỤ LỤC 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ CHỨNG NHẬN KẾT
QUẢ TẠI BỂ THỬ MÔ HÌNH TÀU CỦA TRƯỜNG ĐẠI
HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

iv

luan an


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Nguyễn Thành Nhật Lai - Nghiên cứu sinh chuyên ngành:
Khoa học hàng hải và là tác giả luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ảnh hưởng động
lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng
chuyển động”, dưới sự hướng dẫn của tập thể người hướng dẫn khoa học:
Thầy PGS. TS. Phạm Kỳ Quang và thầy TS. Vũ Văn Duy.
Bằng danh dự của bản thân, nghiên cứu sinh xin cam đoan rằng:
- Luận án này là cơng trình nghiên cứu của riêng nghiên cứu sinh,
khơng có phần nội dung nào được sao chép một cách bất hợp pháp, từ cơng
trình nghiên cứu của tác giả hay nhóm tác giả khác;
- Các số liệu, kết quả nghiên cứu được nêu trong luận án, chưa được ai
công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác trước đó;
- Các thơng tin, số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo trong luận án đều
được chỉ rõ về xuất xứ, nguồn gốc và đảm bảo tính trung thực./.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 02 năm 2020
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thành Nhật Lai

v

luan an


LỜI CẢM ƠN
Với sự nỗ lực không ngừng của bản thân trong q trình học tập,
nghiên cứu, tìm tịi tài liệu, vận dụng kiến thức đã học trong Nhà trường và
thực tiễn cơng tác. Được sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của các thầy hướng dẫn
khoa học, nhà khoa học, thầy cơ giáo, đồng nghiệp và gia đình, đến nay luận
án tiến sĩ của nghiên cứu sinh đã được hồn thành.
Có được kết quả này, trước tiên, nghiên cứu sinh xin trân trọng và bày
tỏ sự tri ân đến thầy PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, thầy TS. Vũ Văn Duy, đã
hướng dẫn tận tình, chu đáo suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện
luận án tiến sĩ tại Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh.
Nghiên cứu sinh trân trọng cám ơn, sự động viên và tạo mọi điều kiện
thuận lợi nhất của Trường Đại học Giao thơng vận tải TP. Hồ Chí Minh,
Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Lãnh đạo các Ban/Ngành, Viện nghiên
cứu, các đơn vị, công ty vận tải thủy, cảng vụ Hàng hải,… trong quá trình học
tập và nghiên cứu tại Nhà trường.
Nghiên cứu sinh trân trọng cám ơn và cầu thị tiếp thu các ý kiến đóng
góp và nhận xét từ các nhà khoa học, các chuyên gia, giảng viên, cán bộ cơng
nhân viên trong và ngồi Nhà trường.
Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn cán bộ, chuyên viên của Viện Đào
tạo sau đại học, Khoa Hàng hải, các Phòng, Ban chức năng của Nhà trường,
đã tạo điều kiện thuận lợi, động viên, giúp đỡ trong quá trình học tập, thực
hiện và hoàn thành luận án tiến sĩ tại Nhà trường.
Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân, bạn bè và
đồng nghiệp, đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất, trong suốt

thời gian làm nghiên cứu sinh.
Rất mong tiếp tục nhận được sự đóng góp ý kiến cho luận án, từ các
nhà khoa học, các thầy cô giáo, cán bộ, giảng viên và đồng nghiệp.
Nghiên cứu sinh: Nguyễn Thành Nhật Lai
vi

luan an


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt

Giải thích ý nghĩa

CFD

Tính tốn động lực học dịng chảy

E

Năng lượng

Flt

Lực ly tâm, (N)

Fr, Fn

Số Froude

g

Gia tốc trong trường, (m/s2)

ITTC-57

Tiêu chuẩn đồng dạng của Hội đồng bể thử quốc tế

Ls

Chiều dài tàu thực, (m)

Lm

Chiều dài tàu mơ hình (m)

NCS

Nghiên cứu sinh

P

Lực gia thêm, (N)

r

Bán kính vịng quay tàu thủy, (m)

R

Lực cản (N)

RL

Lực bẻ lái tác động lên bánh lái, (N)

RD

Lực cản tác động lên bánh lái, (N)

RTM

Lực cản của tàu mơ hình, (N)

RTS

Lực cản của tàu thực, (N)

T

Lực đẩy do chân vịt tàu thủy tạo ra, (N)

T’

Lực cản tác động lên vỏ tàu thủy, (N)

T*

Lực đổ ngang tác động lên chân vịt tàu thủy, (N)

Tgt

Lực cản gia thêm, (N)

VOF

Tên phương pháp: Thể tích chất lỏng

VS, Vp, Vt

Vận tốc của tàu thực, (knot, m/s)

VM, Vm

Vận tốc mơ hình tàu, (m/s)

α

Góc bẻ lái, (độ)

αk

Tỷ lệ thể tích pha thứ k

vii

luan an


β

Góc nghiêng, (độ)

γ

Trọng lượng riêng của chất lỏng

θ

Góc thay đổi hướng chuyển động, (độ)

ρ

Khối lượng riêng của chất lỏng, (kg/m3)

viii

luan an


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hình
1.1

Tên hình vẽ và đồ thị
Ứng dụng CFD nghiên cứu lực cản và ảnh hưởng của
sóng

Trang
7

1.2

CFD với tương tác dịng chảy qua chân vịt - bánh lái

8

1.3

Kết quả tính tốn mơ phỏng về mặt thống

8

1.4

Mơ hình 3D tàu Ajax (IMD-523C)

9

Kết quả tính tốn mô phỏng bằng CFD và nghiên cứu
1.5

thực nghiệm trên mô hình tàu của tác giả Brendan

9

Smoker
1.6

Hình ảnh mơ tả dịng chảy rối

14

1.7

Quan hệ giữa vận tốc và thời gian của dòng chảy rối

14

1.8

Phân chia thang đo mức dịch chuyển của phần tử lỏng

15

1.9

Mơ tả về điều kiện biên

17

1.10
1.11
1.12

Quy trình tính tốn mơ phỏng bằng CFD trong lĩnh vực
khoa học hàng hải
Mô tả thành phần và tham số động học của chuyển động tàu
Thành phần và tham số động học của chuyển động tàu xét
trong mặt phẳng nằm ngang

19
25
25

1.13

Minh họa ổn định tàu thủy

26

1.14

Ổn định của tàu tại góc nghiêng nhỏ

28

1.15

Ổn định của tàu tại góc nghiêng lớn

28

1.16

Đồ thị đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh

30

ix

luan an


2.1

Mơ phỏng mơ hình tàu đồng dạng theo tiêu chuẩn với
M/V TAN CANG FOUNDATION

32

2.2

Mơ tả hình ảnh các đường mớn nước khảo sát

33

2.3

Mơ hình bài tốn nghiên cứu và các điều kiện biên

34

2.4

Mơ tả mặt thống phân cách trong bài tốn hai pha

35

2.5

Cửa sổ lựa chọn mơ hình tính tốn VOF

39

2.6

Cửa sổ lựa chọn chương trình tính tốn VOF

39

2.7

Cửa sổ lựa chọn thơng số pha 1 (pha khơng khí)

40

2.8

Cửa sổ lựa chọn thông số pha 2 (pha không nước)

40

2.9

Cửa sổ lựa chọn thông số đầu vào nước

41

2.10

Cửa sổ lựa chọn thơng số đầu vào khí

41

2.11

Cửa sổ tổng hợp giá trị đầu vào nước và khí

42

2.12

Cửa sổ lựa chọn kỹ thuật giải

42

2.13

Cửa sổ hiện thị trạng thái tính tốn và tiêu chuẩn hội tụ

43

2.14

Cập nhật điều kiện cho vịng tính tốn đầu

43

2.15

2.16

2.17
2.18
2.19

Cửa sổ đưa số vòng lặp/bước thời gian và tổng bước thời
gian
Kết quả tính tốn mơ phỏng lưới chia của mơ hình tính
tốn
Kết quả tính tốn mơ phỏng phân bố áp suất hai bên mạn
tàu (xét phần tiếp xúc với nước)
Kết quả tính tốn mơ phỏng cho đường nước khảo sát:
a) Phân bố áp suất; b) hệ số áp suất.
Kết quả tính tốn mơ phỏng đường nước số 2 khi

x

luan an

44

44

45
46
47

Vt = 4,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp
suất; b) Phân bố hệ số áp suất
Kết quả tính tốn mơ phỏng đường nước số 2 khi
2.20

Vt = 7,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp

48

suất; b) Phân bố hệ số áp suất
Kết quả tính tốn mơ phỏng đường nước số 5 khi
2.21

Vt = 4,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp

48

suất; b) Phân bố hệ số áp suất
Kết quả tính tốn mơ phỏng đường nước số 5 khi
2.22

Vt = 7,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp

49

suất; b) Phân bố hệ số áp suất
Kết quả tính tốn mơ phỏng đường nước số 7 khi
2.23

Vt = 4,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp

50

suất; b) Phân bố hệ số áp suất
Kết quả tính tốn mơ phỏng đường nước số 7 khi
2.24

Vt = 7,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp

50

suất; b) Phân bố hệ số áp suất
2.25
2.26
2.27
2.28
2.29

Kết quả tính tốn mô phỏng phân bố áp suất của đường
nước số 2, khi giá trị Vt thay đổi, với θ = 0300
Kết quả tính tốn mơ phỏng phân bố hệ số áp suất của
đường nước số 2, khi giá trị Vt thay đổi, với θ = 0300
Kết quả tính tốn mơ phỏng phân bố áp suất trên vỏ tàu,
khi thay đổi θ = 0200, Vt = 7,5 m/s
Kết quả tính tốn mơ phỏng phân bố pha khí trên vỏ tàu,
khi thay đổi θ = 0200, Vt = 7,5 m/s
Kết quả phân bố áp suất phần vỏ tàu chìm dưới nước,
khi thay đổi θ = 0200, Vt = 7,5 m/s: a) Mạn phải; b) Mạn

xi

luan an

51
52
53
54
55


trái
2.30
2.31

Kết quả xác định mô men tác động lên vỏ tàu theo các
phương
Kết quả xác định tâm áp suất tác động lên vỏ tàu theo các
phương

55
56

Kết quả mô phỏng phân bố áp suất phần vỏ tàu chìm
2.32

dưới nước, khi thay đổi hướng chuyển động với θ = 200,

56

Vt = 4,5 m/s: a) Mạn phải; b) Mạn trái

2.33

Kết quả phân bố áp suất phần vỏ tàu chìm dưới nước, khi
thay đổi θ = 0200, Vt = 4,5 m/s: a) Mạn phải; b) Mạn trái

57

Kết quả tính tốn mơ phỏng phân bố áp suất mạn phải
2.34

và mạn trái vỏ tàu phần chìm dưới nước, khi thay đổi

58

θ = 0150: a, b) Vt = 4,5 m/s; c, d) Vt = 7,5 m/s
Kết quả tính tốn mơ phỏng phân bố áp suất mạn phải
2.35

và mạn trái vỏ tàu phần chìm dưới nước, khi thay đổi

58

θ = 0100: a, b) Vt = 4,5 m/s; c, d) Vt = 7,5 m/s
Kết quả phân bố áp suất mạn phải và mạn trái vỏ tàu
2.36

phần chìm dưới nước, khi thay đổi θ = 0050:

59

a, b) Vt = 4,5 m/s; c, d) Vt = 7,5 m/s
3.1

Xây dựng mơ hình bài tốn nghiên cứu

61

3.2

Xây dựng sơ đồ khối quy trình tính tốn mơ phỏng

63

3.3

Kết quả tính tốn mơ phỏng lưới chia

66

3.4
3.5

Kết quả tính tốn mơ phỏng phân bố áp suất khi vận tốc
tàu mơ hình Vm = 0,45 m/s và hướng đi thẳng
Kết quả tính tốn mơ phỏng phân bố áp suất khi hướng đi
thẳng và vận tốc tàu mô hình: a) Vm = 0,55 m/s; b) Vm =

xii

luan an

68
69


0,65 m/s; c) Vm = 0,75 m/s
Đồ thị mối quan hệ lực cản mơ hình tàu và tốc độ tàu mơ
3.6

hình thay đổi, khi tàu ổn định trên hướng chuyển động

70

thẳng
3.7

Kết quả tính tốn mơ phỏng phân bố áp suất khi
Vm = 0,45 m/s, thay đổi hướng chuyển động θ = 0100

70

Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa lực ly tâm và sự thay đổi
3.8

lực cản của tàu, khi chuyển động thẳng và thay đổi

71

hướng chuyển động θ = 0100
3.9

Đồ thị mô tả giá trị mô men gia thêm của tàu, khi thay
đổi hướng chuyển động θ = 0100

72

Mô tả khoảng giá trị lực cản gia thêm, với Vm = 0,75 m/s,
3.10

khi tàu chuyển động thẳng và hướng chuyển động thay

73

đổi θ = {0100, 0200, 0300}
Đồ thị mô tả khoảng giá trị lực cản gia thêm khi hướng
3.11

chuyển động thay đổi, khi vận tốc tàu tăng theo

75

Vm = {0,45, 0,55, 0,65, 0,75}
Đồ thị mô tả khoảng giá trị gia thêm lực ly tâm khi tàu
3.12

thay đổi hướng chuyển động và vận tốc tăng tương ứng

77

Vm = {0,45, 0,55, 0,65, 0,75}

Đồ thị mô tả khoảng giá trị mô men gia thêm theo vận
3.13

tốc, khi tàu thay đổi hướng chuyển động thứ tự

78

θ = {0100, 0200, 0300}
4.1

Hình ảnh mơ tả về bể thử của Trường Đại học Cơng nghệ
Sharif (Iran)

82

4.2

Hình ảnh mơ tả bể thử tại Hamburg (Liêng bang Đức)

83

4.3

Hình ảnh mô tả bể thử tại Trường Đại học Madrid (Tây

83

xiii

luan an

Ban Nha)
4.4

Hình ảnh mơ tả bể thử Marin tại Hà Lan

84

4.5

Hình ảnh mơ tả bể thử tại Trường Đại học Gent (Bỉ)

84

4.6
4.7
4.8

Hình ảnh mơ tả bể thử tại Trường Đại học Shouthampton
(Anh)
Hình ảnh mơ tả bể thử mơ hình tàu Marintek (Na Uy)
Hình ảnh mơ tả bể thử tại Trường Đại học Hàng hải Việt
Nam

85
86
87

4.9

Mơ hình xe kéo tại bể thử mơ hình tàu

88

4.10

Tàu mơ hình được gắn vào xe kéo tại bể thử mơ hình tàu

88

4.11

Xe kéo trên đường ray và hệ thống điều khiển tại bể thử

88

4.12

Thiết bị cân bằng đơn/lực cản R35-1 với dải lực cản đo ±
200 N

89

4.13

Hình ảnh mơ hình tàu dựng trên phần mềm NAPA

90

4.14

u cầu về kích thước mặt bích gắn trên mơ hình tàu

91

4.15

Mặt bích bằng gỗ được bắt với tàu mơ hình thực nghiệm

91

4.16

Kiểm tra tổng thể hệ thống trước khi thực nghiệm

94

4.17

Khởi động máy tính và phần mềm điều khiển

95

4.18

Thực hiện đặt lệnh triển khai thực nghiệm

95

4.19
4.20
4.21

Hệ thống quản lý dữ liệu và ghi lại dữ liệu đo theo thời
gian
Đồ thị mô tả mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận
tốc của tàu mơ hình khi hướng chuyển động thẳng
Đồ thị mô tả mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận

xiv

luan an

95
97
98


tốc của tàu mơ hình khi thay đổi θ = 0100
4.22
4.23
4.24

Đồ thị mô tả mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận
tốc của tàu mơ hình khi thay đổi θ = 0200
Đồ thị mô tả mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận
tốc của tàu mơ hình khi thay đổi θ = 0300
Đồ thị mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận tốc của
tàu, khi thay đổi hướng chuyển động khác nhau

98
99
100

Đồ thị so sánh kết quả nhận được theo CFD (mầu xanh)
4.25

và thực nghiệm (mầu đỏ), khi: a) hướng chuyển động
thẳng; b, c, d) thay đổi hướng chuyển động của tàu mơ
hình

xv

luan an

102


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

2.1

Tổng hợp các đặc tính lựa chọn

36

2.2

Các đặc tính dịng chảy hai pha

36

2.3
3.1
3.2
3.3
3.4

Tổng hợp giá trị đầu vào cho các phương án tính tốn
mơ phỏng
Thơng tin kết quả về lưới chia
Tổng hợp kết quả giá trị lực cản khi tàu ổn định trên
hướng chuyển động thẳng
Kết quả tính tốn khi tàu thay đổi hướng chuyển động
θ = 0100
Tổng hợp kết quả tính tốn mơ phỏng của từng trường
hợp thay đổi

37
66
69
71
72

4.1

Các thơng số chính của bể số 1 và bể số 2

86

4.2

Tổng hợp các phương án nghiên cứu thực nghiệm

93

4.3

Dữ liệu về mơ hình tàu

96

4.4

Đặc tính nước tại bể thử

96

4.5

Kết quả đo lực cản mơ hình tàu và số liệu chuyển đổi

96

4.6
4.7

Tổng hợp kết quả đo trên mơ hình tàu và chuyển đổi cho
tàu thật
Tổng hợp kết quả lực cản tác động trên mơ hình tàu theo
phương pháp CFD và thực nghiệm

xvi

luan an

99
102


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Tàu thủy là đối tượng hoạt động trên mặt nước với môi trường phức tạp
chịu sự tác động của nhiễu ngẫu nhiên, như: sóng, gió, dịng chảy, thời tiết,…
hơn nữa, bản thân các nhiễu này cũng có tính chất tính phi tuyến rất lớn.
Tàu thủy cân bằng trong môi trường nước là nhờ lực đẩy Ác-si-mét tác
động lên tàu, khi tàu thủy chuyển động ở một vận tốc nhất định nào đó, thì lực
đẩy mà chân vịt tạo ra sẽ cân bằng với lực cản do dòng chất lỏng bao quanh
vỏ tàu gây ra. Lực bẻ lái giúp tàu thay đổi hướng chuyển động, cũng được tạo
ra nhờ sự chuyển đổi năng lượng của dòng chảy bao quanh bánh lái. Đặc biệt
khi tàu thay đổi hướng chuyển động, lúc này dòng chảy bao quanh vỏ tàu lệch
với trục dọc tàu một góc nào đó, điều này dẫn tới sự chênh lệch áp suất giữa
hai mạn tàu, lúc này chất lỏng (khối nước) tác động lên thân tàu một lực “gia
thêm” hay lực “bù”. Như vậy, lực gia thêm tác động lên tàu thủy trong khn

khổ của của vấn đề nghiên cứu chính là lực thủy động của chất lỏng tác động
lên vỏ tàu trong quá trình tàu thay đổi hướng chuyển động (P) và được phân
tích thành ba thành phần cơ bản: Lực ly tâm Flt (chiếu P lên phương vng
góc với trục tàu và nó có chiều trùng với lực ly tâm do vật thể có khối lượng
quay quanh tâm quay vì vậy ta gọi là thành phần gia thêm về lực ly tâm), lực
cản gia thêm Tgt (chiếu P lên phương dọc tàu và chúng có chiều ngược hướng
chuyển động tàu lên gọi là lực cản gia thêm) và mô men gây lật (xuất phát từ
thành phần do P chiếu lên phương thẳng đứng và chúng lệch khỏi trục tàu
một cánh tay địn nhất định do đó tạo ra mơ men gây lật).
Khi tàu thay đổi hướng chuyển động, tương ứng với vận tốc chuyển
động của tàu, thì tàu thủy sẽ chịu lực gia thêm khác nhau. Nếu độ lớn của lực
này quá giới hạn cho phép, việc thay đổi hướng chuyển động của tàu sẽ gặp

1

luan an


nhiều khó khăn, nguy hiểm hơn là tàu thủy có thể rơi vào trạng thái cân bằng
không ổn định, là một trong những nguyên nhân gây lật tàu.
Xuất phát từ việc phân tích nêu trên thấy rằng: Việc nghiên cứu hồn
chỉnh cơ sở khoa học về động lực học dịng chảy bao kết hợp với điều khiển
hướng chuyển động tàu thủy ln ln cấp thiết, mang tính thời sự, có ý
nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn trong ngành hàng hải.
Nhằm giải quyết vấn đề nghiên cứu này, nghiên cứu sinh (NCS) đã lựa
chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến
lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động” để thực hiện.
Hơn nữa, để thực hiện thành công mục đích nghiên cứu, NCS đã thực hiện kết
hợp một số nội dung nghiên cứu trong luận án tiến sĩ với hai đề tài Khoa học Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải, năm 2017 [13], [29], cụ thể:
- Đề tài KHCN: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống

đánh giá tác động của tổ hợp chân vịt - bánh lái đến đặc tính điều khiển
hướng chuyển động tàu thủy”, mã số: DT 174003, với chủ nhiệm đề tài là
PGS. TS. Phạm Kỳ Quang làm, TS. Vũ Văn Duy, NCS. Nguyễn Thành Nhật
Lai là các thành viên tham gia chính, cùng một số thành viên khác.
- Đề tài KHCN: “Xây dựng chương trình tính tốn mơ phỏng và thử
nghiệm một số nguyên nhân cơ bản dẫn đến tai nạn hàng hải trên tuyến luồng
Sài Gòn phục vụ công tác đào tạo và huấn luyện thuyền viên”, mã số: DT
174030, năm 2017 do tác giả Cổ Tấn Anh Vũ làm chủ nhiệm đề tài, PGS. TS.
Phạm Kỳ Quang, TS. Vũ Văn Duy, NCS. Nguyễn Thành Nhật Lai là thành
viên tham gia chính, cùng một số thành viên khác.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Là nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu
thủy hay “lực gia thêm”, trong quá trình thay đổi hướng chuyển động.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu:
2

luan an


Động lực học dòng chảy bao tàu thủy và tác động của động lực học
dòng chảy bao đến lực cản, khi thay đổi hướng chuyển động.
Phạm vi nghiên cứu:
- Xây dựng mơ hình bài tốn động lực học dịng chảy bao quanh tàu
thủy, từ đó tính tốn mơ phỏng để đánh giá ảnh hưởng của chúng tới lực cản
hay “lực gia thêm”, khi thay đổi hướng chuyển động được thể hiện bằng 3 giá
trị cơ bản: Lực cản gia thêm, lực ly tâm và mô men gia thêm. Tuy nhiên, luận
án sẽ tập trung nghiên cứu thực nghiệm về giá trị lực cản gia thêm. Việc thay
đổi hướng chuyển động của tàu được hiểu là thay đổi giá trị góc θ0 (là góc
hợp bởi phương của dịng chảy và phương của trục dọc tàu trong khoảng thời

gian thay đổi nhất định, tính bằng độ), hay chính là thân tàu xoay lệch đi các
góc nhất định so với hướng chất lỏng.
- Lựa chọn và sử dụng mơ hình tàu theo tiêu chuẩn đồng dạng với tàu
container M/V TAN CANG FOUNDATION [9], trọng tải 7040 MT, có 01
chân vịt chiều phải, để triển khai nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mô hình
tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.
4. Phương pháp nghiên cứu của luận án
Phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên
cứu thực nghiệm, cụ thể:
Nghiên cứu lý thuyết:
- Nghiên cứu cơ sở lý luận về động lực học dòng chảy bao quanh tàu
thủy và lực cản tàu thủy;
- Nghiên cứu cơ sở toán học trên nền tảng tính tốn động lực học dịng
chảy CFD (Computational Fluid Dynamics), để tính tốn mơ phỏng các
thơng số động lực học dịng chảy bao. Từ đó, áp dụng tính tốn mơ phỏng
chi tiết cho mơ hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, với
các giá trị vận tốc (Vi) và sự thay đổi hướng chuyển động của tàu (θ0);

3

luan an


- Nghiên cứu xây dựng mơ hình nghiên cứu bằng phương pháp số và
quy trình tính tốn mơ phỏng ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực
cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động. Áp dụng tính tốn
mơ phỏng cho mơ hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION,
với các giá trị vận tốc khác nhau và khi thay đổi hướng chuyển động.
Nghiên cứu thực nghiệm:
Kiểm chứng kết quả nghiên cứu trong luận án, đã triển khai thực

nghiệm tại bể thử mơ hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, với
một số nội dung cụ thể như sau:
- Thiết kế công nghệ và chế tạo mơ hình nghiên cứu thực nghiệm đồng
dạng theo tiêu chuẩn với tàu M/V TAN CANG FOUNDATION;
- Thiết kế, chế tạo bộ phận kết nối mơ hình tàu với hệ thống thí nghiệm
tại bể thử mơ hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Triển khai
vận hành bể thử theo phương án thực nghiệm;
- Đo giá trị lực cản tác động lên tàu thủy với giá trị vận tốc và thay đổi
hướng chuyển động của tàu.
- Tổng hợp, phân tích, so sánh và đánh giá kết quả của luận án.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
Ý nghĩa khoa học của đề tài:
- Hệ thống hóa cơ sở lý luận về động lực học dòng chảy bao quanh tàu
thủy, nhằm đưa ra mơ hình nghiên cứu phù hợp. Từ kết quả nghiên cứu nhận
được, đã góp phần hồn thiện một phần cơ sở lý luận liên quan đến vấn đề
nghiên cứu và thực sự đóng góp nhất định cho khoa học hàng hải;
- Đề xuất phương pháp luận về xây dựng quy trình ứng dụng CFD với
phần mềm Fluent - Ansys, để đánh giá ảnh hưởng của động lực học dòng
chảy bao đến lực cản tàu thủy, khi thay đổi hướng chuyển động. Từ đó áp
dụng vào đối tượng và phạm vi nghiên cứu cụ thể của luận án, vì vậy, có
những giải pháp tránh những rủi ro trong thực tiễn hàng hải.
4

luan an


Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
- Một mặt, kết hợp cơ sở khoa học lý thuyết mang tính đặc thù liên
quan đến lĩnh vực khoa học chuyên ngành với thực tiễn hàng hải. Mặt khác,
hỗ trợ thuyền trưởng chủ động trong điều khiển hướng chuyển động tàu thủy,

tránh rủi ro, nguy hại do lực gia thêm gây ra, đặc biệt trong quá trình điều
động tàu, xử lý tình huống khẩn cấp liên quan nghiệp vụ dẫn tàu.
- Đóng góp nhất định vào khoa học chuyên ngành: Xây dựng một phần
hệ thống thí nghiệm phục vụ nghiên cứu thực nghiệm. Giúp các chuyên gia
trong xây dựng chương trình điều khiển tàu tự động có tính tới yếu tố ảnh
hưởng của lực gia thêm nhằm chủ động trong quá trình điều động tàu.
6. Những điểm đóng góp mới của luận án
6.1. Xây dựng giải thuật mô phỏng trên nền tảng ứng dụng CFD với
phần mềm Fluent - Ansys đối với bài tốn 2D và bài tốn 3D cho mơ hình
động lực học dịng chảy bao quanh tàu thủy. Từ đó, tính tốn mơ phỏng cho
đối tượng cụ thể với số liệu đầu vào đồng dạng với tàu container M/V TAN
CANG FOUNDATION theo 16 trường hợp, khi thay đổi vận tốc khác nhau
và thay đổi hướng chuyển động của tàu (θ0).
6.2. Xây dựng mơ hình bài tốn nghiên cứu, quy trình chung tính tốn
mơ phỏng và thực hiện tính tốn mơ phỏng ảnh hưởng động lực học dòng
chảy bao đến lực gia thêm tác động lên tàu thủy, khi thay đổi hướng chuyển
động của tàu, thông qua 3 giá trị cơ bản là: Lực cản gia thêm, lực ly tâm và
mô men gia thêm. Tổng hợp, phân tích và đánh giá cụ thể mối quan hệ theo 3
giá trị cho từng trường hợp khác nhau, trong đó có áp dụng cụ thể mơ hình
đồng dạng với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION.
Đồng thời, đã xây dựng được bốn phương trình bậc 3, thể hiện mối quan
hệ giữa lực cản (R) với sự thay đổi hướng chuyển động của tàu (θ0), tại từng
trường hợp vận tốc tàu mơ hình khác nhau (Vm), cụ thể:
Khi vận tốc tàu Vm = 0,75 m/s:
5

luan an


R = 0,00003167θ 3 + 0,005525θ 2 − 0, 05672θ + 0,698

Khi vận tốc tàu Vm = 0,65 m/s.
R = 0,0001472θ 3 + 0,001335θ 2 − 0, 007533θ + 0,523

Khi vận tốc tàu Vm = 0,55 m/s.
R = 0,00002567θ 3 + 0,001445θ 2 − 0,007517θ + 0,376

Khi vận tốc tàu Vm = 0,45 m/s.
R = −0, 0000645θ 3 + 0, 000424θ 2 − 0,03195θ + 0,314

6.3. Thực hiện thiết kế, chế tạo mơ hình tàu và các chi tiết, thiết bị phụ
trợ phục vụ quá trình nghiên cứu thực nghiệm một phần kết quả cơ bản của
luận án. Tiến hành đo bộ dữ liệu giá trị lực cản mơ hình tàu cho 15 trường
hợp khác nhau. Từ đó, tổng hợp, phân tích, so sánh và đánh giá kết quả
nghiên cứu thực nghiệm với kết quả tính tốn mơ phỏng bằng CFD với phần
mềm Fluent - Ansys, khẳng định rằng: Kết quả nhận được khi thực hiện theo
hai phương pháp đảm bảo tính hiện đại, độ chính xác và tin cậy (sai lệch trung
bình là 8,4%).
7. Bố cục của luận án
Luận án được bố cục theo các phần thứ tự sau: Mở đầu; nội dung (4
chương); kết luận và kiến nghị; danh mục các cơng trình khoa học đã cơng
bố; tài liệu tham khảo; phụ lục (3 phụ lục).
Bốn chương của luận án gồm:
- Chương 1. Tổng quan ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến tàu
thủy.
- Chương 2. Ứng dụng CFD tính tốn mơ phỏng động lực học dịng chảy
bao quanh tàu thủy.
- Chương 3. Đánh giá ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực
cản tàu thủy khi thay đổi hướng chuyển động.
- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm: Phân tích, so sánh và đánh giá kết

quả.
6

luan an


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC
DÒNG CHẢY BAO ĐẾN TÀU THỦY
1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của luận án
Liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận án, NCS đã thực hiện tìm
tịi tài liệu, nghiên cứu tổng hợp có thể kể đến một số cơng trình tiêu biểu sau:
1.1.1. Phân tích tình hình nghiên cứu trên thế giới
Động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy là vấn đề cơ bản, chuyên
ngành đặc thù thuộc lĩnh vực khoa học hàng hải, do đó nhiều trường đại học,
trung tâm nghiên cứu lớn trên thế giới đã tập trung nghiên cứu cả về lý thuyết,
phương pháp số hay nghiên cứu thực nghiệm.
- Năm 2009, Force Technology - MAN Diesel [31], đã thực hiện dự án
lớn về ứng dụng CFD trong nghiên cứu, trong đó có lĩnh vực động lực học
dòng chảy bao quanh tàu.
- Cùng hướng nghiên cứu này, năm 2013 tác giả Karsten Hochkirch
(Đức) và Benoit Mallol (Bỉ) [35], đã công bố kết quả nghiên cứu điển hình
liên quan đến ứng dụng CFD đối với lực cản và ảnh hưởng của sóng tác động
thể hiện trên hình 1.1. Mặt khác cơng bố một số kết quả nghiên cứu liên quan
đến sự tương tác dòng chảy qua chân vịt - bánh lái tàu thủy, được thể hiện
trên hình 1.2.

Hình 1.1. Ứng dụng CFD nghiên cứu lực cản và ảnh hưởng của sóng
7

luan an