Nghiên cứu mô phỏng số động lực học mẫu tàu đánh cá thực nghiệm m 1317a

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC MẪU TÀU
ĐÁNH CÁ THỰC NGHIỆM M.1317A

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngành:

Kỹ thuật Cơ khí động lực

Mã số:

60520116

Quyết định giao đề tài:

939/QĐ-ĐHNT ngày 30/9/2014

Quyết định thành lập HĐ:
Ngày bảo vệ:

30/11/2015

Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. TRẦN GIA THÁI
Chủ tịch Hội đồng:
PGS. TS. PHẠM HÙNG THẮNG

Khoa sau đại học:

KHÁNH HÒA - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC MẪU TÀU
ĐÁNH CÁ THỰC NGHIỆM M.1317A

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÒA - 2015


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng số động lực học
mẫu tàu đánh cá thực nghiệm M.1317A” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và
chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời
điểm này.

Nha Trang, ngày

tháng

năm 2015

NGUYỄN THANH BÌNH

iii


LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của quý phòng
ban trƣờng Đại học Nha Trang, khoa Kỹ thuật giao thông, khoa Sau đại học đã tạo
điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài. Qua đây bản thân xin bày tỏ lòng biết ơn
sâu sắc nhất đến PGS. TS Trần Gia Thái, ngƣời thầy đã hƣớng dẫn, truyền đạt những
kinh nghiệm quý báu và tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô đã tận tình hƣớng dẫn, giảng dạy tôi, cảm ơn
tập thể chi cục Khai thác và Bảo vệ nguồn lợi thủy sản Quảng Ngãi, cảm ơn sự giúp
đỡ, động viên và chia sẻ của tất cả các học viên lớp CHCKĐL 2013 và CHCKĐL
2014 trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng Đại học Nha Trang.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, ngƣời vợ yêu quý của
tôi và tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện
đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết sức mình, song chắc chắn luận văn không tránh
khỏi những thiếu sót. Bản thân tôi rất mong nhận đƣợc sự thông cảm và chỉ bảo tận
tình từ quý thầy và các bạn.

Nha Trang, ngày

tháng

năm 2015

NGUYỄN THANH BÌNH

iv


MỤC LỤC

Lời cam đoan ........................................................................................................iii
Lời cảm ơn ............................................................................................................iv
Mục lục ..................................................................................................................v
Danh mục ký hiệu .................................................................................................ix
Danh mục chữ viết tắt ...........................................................................................xi
Danh mục bảng ....................................................................................................xii
Danh mục hình ...................................................................................................xiii
Danh mục đồ thị .................................................................................................xvi
Trích yếu luận văn.............................................................................................xviii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
Chƣơng 1. PHẦN TỔNG QUAN ...........................................................................1
1.1. Lý do thực hiện đề tài ......................................................................................2
1.2. Tình hình nghiên cứu đối với vấn đề đặt ra trong đề tài..................................3
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nƣớc ngoài ..............................................................3
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .................................................................4
1.3. Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu ...........5
1.3.1. Mục tiêu và mục đích nghiên cứu của đề tài ................................................5
1.3.2. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................. .5
1.3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ..............................................................................5
1.3.3.1. Nghiên cứu lý thuyết..................................................................................5
1.3.3.2. Nghiên cứu thực nghiệm............................................................................6
1.3.4. Nội dung nghiên cứu.....................................................................................6

1.3.4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài ......................................................................7
1.4. Tổng quan về phần mềm Autoship ..................................................................7
v


1.5. Tổng quan về phần mềm Ansys Fluent ...........................................................9
1.5.1. Giới thiệu chung về phần mềm Ansys Fluent ..............................................9
1.5.2. Khả năng của Ansys Fluent ........................................................................12
1.5.3. Các bƣớc giải trong Ansys Fluent ..............................................................16
1.5.3.1. Mô hình hình học .....................................................................................17
1.5.3.2. Chia lƣới ..................................................................................................17
1.5.3.3. Thiết lập bài toán và giải trong Ansys Fluent ..........................................19
1.5.3.4. Kiểm tra sự hội tụ ....................................................................................20
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................21
2.1. Lý thuyết CFD ...............................................................................................21
2.1.1. Khái quát về lý thuyết CFD ........................................................................21
2.1.2. Các phƣơng trình chủ đạo của CFD ...........................................................22
2.2. Lý thuyết về điều kiện biên ...........................................................................25
2.2.1. Khái niệm điều kiện biên ............................................................................25
2.2.2. Vai trò của điều kiện biên trong mô phỏng số ............................................25
2.2.3. Một số dạng điều kiện biên .........................................................................26
2.2.3.1. Điều kiện biên kiểu vật lý ........................................................................26
2.2.3.2. Điều kiện biên toán học ...........................................................................27
2.2.4. Các dạng điều kiện biên trong Ansys .........................................................28
2.2.4.1. Kiểu biên Inlet .........................................................................................29
2.2.4.2. Kiểu biên Outlet .......................................................................................29
2.2.4.3. Kiểu biên Opening ...................................................................................30
2.2.4.4. Kiểu biên Wall .........................................................................................30
2.2.4.5. Kiểu biên Symmetry ................................................................................31
2.3. Lƣới chia trong bài toán CFD ........................................................................32

2.3.1. Các dạng phần tử ........................................................................................32
vi


2.3.2. Các dạng lƣới chia ......................................................................................33
2.3.2.1. Lƣới cấu trúc ............................................................................................33
2.3.2.2. Lƣới không cấu trúc .................................................................................34
2.3.3. Đánh giá chất lƣợng lƣới chia .....................................................................34
2.3.3.1. Độ lệch (Skewness) .................................................................................34
2.3.3.2. Độ trơn (Smooth) .....................................................................................35
2.3.3.3. Tỉ lệ co giãn (Aspect ratio) ......................................................................36
2.4. Khái quát về sức cản tàu thủy ........................................................................36
Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................39
3.1. Lựa chọn mô hình tàu ....................................................................................43
3.1.1. Đặc điểm hình học của mẫu tàu cá M.1317.A ............................................43
3.1.2. Số liệu thử nghiệm mô hình mẫu tàu khảo sát............................................44
3.2. Xây dựng mô hình hình học mẫu tàu M.1317A ............................................46
3.2.1. Xây dựng đƣờng hình 2D mẫu tàu M.1317A trong phần mềm AutoCad ..46
3.2.2. Xây dựng mô hình tàu trong phần mềm AutoShip .....................................47
3.3. Mô phỏng số dòng chất lỏng chảy quanh bề mặt tàu ....................................55
3.3.1. Lựa chọn tỷ lệ xây dựng mô hình ...............................................................55
3.3.2. Chia lƣới mô hình tàu tính toán ..................................................................56
3.3.3. Nhập mô hình tàu từ AutoShip vào Ansys Fluent và thiết lập các .............60
3.3.4. Xác định miền tính toán ..............................................................................62
3.3.5. Thiết lập các điều kiện biên ........................................................................62
3.3.6. Giải bài toán ................................................................................................65
3.3.6.1. Tính toán lƣu lƣợng nƣớc và không khí ..................................................67
3.3.6.2. Thiết lập lời giải .......................................................................................68
3.3.6.3. Giám sát sai số .........................................................................................69
3.3.7. Xuất kết quả ................................................................................................73

vii


3.3.8. Tổng hợp kết quả nghiên cứu .....................................................................80
3.4. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm mô hình ...................................81
3.5. Tính sức cản mẫu tàu thực nghiệm M.1319 ..................................................86
Chƣơng 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .....................................................92
4.1. Kết luận ..........................................................................................................92
4.2. Khuyến nghị ...................................................................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................93
PHỤ LỤC
CÁC TRANG THỦ TỤC

viii


DANH MỤC KÝ HIỆU

Bmax : Chiều rộng lớn nhất, m
Btk

: Chiều rộng thiết kế, m

BMTT : Chiều rộng miền tính
Cw

: Hệ số diện tích mặt đƣờng nƣớc

Cb

: Hệ số thể tích chiếm nƣớc

Cp

: Hệ số mặt cắt ngang giữa tàu

dtb

: Chiều chìm trung bình, m

Fr

: Số Froude

HMTT : Chiều cao miền tính toán, m
K

: Tỉ lệ đồng dạng

Lmax : Chiều dài lớn nhất, m
Ltk

: Chiều dài thiết kế, m

LMTT : Chiều dài miền tính toán, m
R

: Lực cản vỏ tàu, N

Rv

: Lực cản nhớt

Rw

: Lực cản sóng

Rf

: Lực cản ma sát

Rp

: Lực cản hình dáng

Rr

: Lực cản dƣ

RM : Lực cản tàu thử nghiệm mô hình trong bể thử, kg
Rm

: Lực cản tàu mô hình trong mô phỏng số, N

RH

: Lực cản cảu tàu thực khi tính chuyển đồng dạng từ tàu mô hình sang tàu
thực, N
ix

Rt

: Lực cản cảu tàu thực khi tính chuyển đồng dạng từ tàu mô hình sang tàu
trong mô phỏng số, N

Qwater: Lƣu lƣợng nƣớc, Kg/s
Qair : Lƣu lƣợng không khí, Kg/s
V

: Vận tốc tàu, m/s

VH : Vận tốc của tàu thực khi tính chuyển đồng dạng từ tàu thử nghiệm mô
hình trong bể thử, hl/h
Vm : Vận tốc tàu mô hình mô phỏng số, m/s
Vt

: Vận tốc tàu thực tính chuyển đồng dạng từ tàu mô hình sang tàu thực từ
kết quả mô phỏng số, hl/h



: Thể tích chiếm nƣớc, m3

Ω

: Diện tích mặt ƣớt, m2

x

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CFD : Computational Fluid Dynamics (Tính toán động lực học chất lỏng)
DBS : Density – based Solution (Lời giải dựa trên mật độ)
DNS : Direct Numeriacal Simulation (Phƣơng pháp tính trực tiếp)
LES : Large Eddy Simulation (Phƣơng pháp mô phỏng xoáy lớn)
RANS : Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulation (Phƣơng pháp RANS)
PBS : Pressure-Based Solution (Lời giải dựa trên áp suất)

xi


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. 1. Mô hình rối và phạm vi áp dụng .........................................................14
Bảng 1. 2. Các giá trị đặt điều kiện hội tụ ............................................................20
Bảng 2. 1. Tiêu chuẩn về độ lệch..........................................................................35
Bảng 2. 2. Các thành phần sức cản từ môi trƣờng nƣớc tác dụng lên vỏ tàu .......38
Bảng 3. 1. Các thông số hình học cơ bản của mẫu tàu M1317A..........................43
Bảng 3. 2. Kết quả thử nghiệm kéo trên nƣớc tĩnh và khi chuyển đổi sang tàu thật
của mô hình tàu M1317A ở chế độ T = 1.225 m ..................................................44
Bảng 3. 3. Kết quả thử nghiệm kéo trên sóng không đều hòa và chuyển đổi sang
tàu thật của mô hình tàu M1317A ở chế độ T = 1.4 m .........................................44
Bảng 3. 4. So sánh các thông số hình học cơ bản của mẫu tàu M1317A và chính
mẫu tàu đó sau khi đƣợc dựng lại trong phần mềm Autoship ..............................54
Bảng 3. 5. Các thông số hình học cơ bản của tàu thực và tàu mô hình ................55
Bảng 3. 6. Các điều kiện biên trong mô hình .......................................................63
Bảng 3. 7. Thiết lập lời giải ..................................................................................65
Bảng 3. 8. Các giá trị tính toán .............................................................................67

Bảng 3. 9. Kết quả tính sức cản tƣơng ứng với từng giá trị Fr .............................80
Bảng 3. 10. So sánh kết quả tính sức cản của mẫu tàu M1317A đƣợc xuất ra từ
phần mềm với kết quả thử mô hình ......................................................................82
Bảng 3. 11. Các giá trị tính toán ...........................................................................84
Bảng 3. 12. Kết quả thử nghiệm kéo trên nƣớc tĩnh và khi chuyển đổi sang tàu
thật của mô hình tàu M.1319 ở chế độ T = 0.735 m.............................................86
Bảng 3. 13. Các thông số hình học cơ bản của mẫu tàu M.1319 và chính mẫu tàu
đó sau khi đƣợc dựng lại trong phần mềm Autoship ............................................87
Bảng 3. 14. So sánh kết quả tính sức cản mẫu tàu M.1319 xuất ra từ phần mềm
với kết quả thử mô hình ........................................................................................90
xii


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1. 1. Tàu mảnh theo giả thiết của Michell .....................................................3
Hình 1. 2. Hệ thống các môđun của phần mềm Autoship ......................................8
Hình 1. 3. Ứng dụng Fluent trong mô phỏng động lực học chân vịt ....................10
Hình 1. 4. Tối ƣu hóa hình dáng mũi quả lê bằng phân mềm Ansys Fluent ........11
Hình 1. 5. Fluent trong Ansys workbench ............................................................11
Hình 1. 6. Trình tự mô phỏng số bằng phần mềm Ansys Fluent ..........................12
Hình 1. 7. Phân tích CFD bằng Fluent trong môi trƣờng Ansys Workbench .....17
Hình 1. 8. Tạo lƣới hexa bằng block ...................................................................18
Hình 1. 9. Sơ đồ đơn giản ánh xạ trong chia lƣới bằng phƣơng pháp block ........18
Hình 1. 10. Hai bộ giải khả dụng ..........................................................................19
Hình 1. 11. Hộp thoại Residual Monitors thiết lập sai số .....................................20
Hình 2. 1. Các điều kiện biên cho một vòi hội tụ - phân kỳ .................................27
Hình 2. 2. Các điều kiện biên cơ bản định nghĩa một dòng chảy .........................29
Hình 2. 3. Thiết lập vận tốc dòng vào và dòng ra biên inlet.................................29
Hình 2. 4. Thiết lập vận tốc dòng vào và dòng ra biên outlet...............................30

Hình 2. 5. Mô hình thiết lập điều kiện biên đối xứng ...........................................31
Hình 2. 6. Mô hình không thiết lập điều kiện biên đối xứng ................................32
Hình 2. 7. Các dạng phần tử .................................................................................32
Hình 2. 8. Miền tính toán đƣợc biến đổi ...............................................................33
Hình 2. 9. Lƣới không cấu trúc .............................................................................34
Hình 2. 10. Xác định độ lệch theo phƣơng pháp thể tích .....................................35
Hình 2. 11. Xác định độ lệch theo phƣơng pháp độ sai lệch góc .........................35
Hình 2. 12. Độ trơn lƣới chia ................................................................................35

xiii


Hình 2. 13. Độ thay đổi khoảng cách lƣới chia ....................................................35
Hình 2. 14. Các tỷ lệ co giãn của lƣới chia khác nhau .........................................36
Hình 2. 15. Tỷ lệ co giãn xấp xỉ 1 ........................................................................36
Hình 2. 16. Lực thủy động tác dụng lên tàu khi tàu chuyển động tiến .................37
Hình 3. 1. Dòng chảy rối trên mặt thoáng xung quanh tàu ...................................39
Hình 3. 2. Trình tự giải bài toán tính sức cản bằng phần mềm Ansys Fluent ......42
Hình 3. 3. Đƣờng hình dáng mẫu tàu M1317A ....................................................43
Hình 3. 4. Biên dạng sƣờn dựng lại trên Autocad dạng 2D .................................46
Hình 3. 5. Vẽ các đƣờng sƣờn tàu dƣới dạng 3D .................................................47
Hình 3. 6. Hộp import DXF ..................................................................................48
Hình 3. 7. Hình dạng khung sƣờn 3D sau khi nhập vào Autoship .......................48
Hình 3. 8. Hộp thoại đổi tên lại các đƣờng trong AutoShip .................................49
Hình 3. 9. Hộp thoại chọn lại gốc tọa độ và di chuyển gốc tọa độ về 0 ...............49
Hình 3. 10. Di chuyển các điểm control ...............................................................50
Hình 3. 11. Hộp thoại Creat Surface.....................................................................50
Hình 3. 12. Hộp thoại (a) nhập khoảng sƣờn và (b) mặt cắt dọc..........................51
Hình 3. 13. Dịch chuyển các hàng và cột của mặt vỏ tàu .....................................52
Hình 3. 14. Hộp thoại Group ................................................................................52

Hình 3. 15. Hộp thoại tạo mặt đối xứng ...............................................................52
Hình 3. 16. Bề mặt vỏ tàu sau khi tạo đối xứng ...................................................53
Hình 3. 17. Hộp thoại kiểm tra các yếu tố hình dáng vỏ tàu ................................53
Hình 3. 18. Hộp thoại xuất file *.iges ...................................................................54
Hình 3. 19. Block không gian chia lƣới ................................................................56
Hình 3. 20. Khối block xung quanh tàu ................................................................57
Hình 3. 21. Lƣới chia mô hình tàu ........................................................................57
Hình 3. 22. Kiểm tra chỉ số chất lƣợng hình học Orthogonal Quality .................58
xiv


Hình 3. 23. Kiểm tra chỉ số chất lƣợng hình học Skew ........................................58
Hình 3. 24. Kết quả kiểm tra lƣới chia trong Ansys Fluent ..................................59
Hình 3. 25. Hộp thoại Multiphase Model .............................................................60
Hình 3. 26. Hộp thoại Vicous Model ....................................................................60
Hình 3. 27. Hộp thoại FLUENT database Materials ............................................61
Hình 3. 28. Định nghĩa pha không khí..................................................................61
Hình 3. 29. Định nghĩa pha nƣớc ..........................................................................61
Hình 3. 30. Xác định miền tính toán .....................................................................62
Hình 3. 31. Các điều kiện biên trên mô hình tàu khảo sát ....................................63
Hình 3. 32. Mass flow inlet ..................................................................................63
Hình 3. 33. Nhập lƣu lƣợng không khí .................................................................64
Hình 3. 34. Nhập lƣu lƣợng nƣớc .........................................................................64
Hình 3. 35. Hộp thoại pressure-outlet ...................................................................64
Hình 3. 36. Mặt cắt ngang miền tính toán ............................................................67
Hình 3. 37. Hộp Solution Method ........................................................................68
Hình 3. 38. Hộp Solution Controls .......................................................................68
Hình 3. 39. Hộp thoại Solution Initialization .......................................................68
Hình 3. 40. Quan sát Lƣu lƣợng dòng chảy qua mặt phẳng volume-fraction-0.5 69
Hình 3. 41. Thiết lập mặt điều khiển ....................................................................70

Hình 3. 42. Thiết lập đƣờng trên mặt....................................................................70
Hình 3. 43. Thiết lập điểm trên đƣờng..................................................................70
Hình 3. 44. Kích hoạt đồ thị Residual ..................................................................70
Hình 3. 45. Hộp thoại Autosave ...........................................................................71
Hình 3. 46. Hộp thoại Run Calculation ................................................................71
Hình 3. 47. Menu contour .....................................................................................73
Hình 3. 48. Hộp thoại Forces Repotrs ..................................................................77
xv


Hình 3. 49. Đƣờng hình dáng mẫu tàu M.1319 ....................................................86
Hình 3. 50. Hộp thoại kiểm tra các yếu tố hình dáng vỏ tàu M.1319...................87
Hình 3. 51. Mô hình tàu M.1319 dựng trong AutoShip .......................................88

xvi


DANH MỤC ĐỒ THỊ

Biểu đồ 3. 1. Biểu đồ Residual (là sai số khép, dung sai) ....................................72
Biểu đồ 3. 2. Biểu đồ đƣờng viền áp suất đối với mặt symmetry ........................73
Biểu đồ 3. 3. Biểu đồ đƣờng viền vận tốc đối với symmetry ...............................74
Biểu đồ 3. 4. Biểu đồ vector vận tốc dòng............................................................74
Biểu đồ 3. 5. Biểu đồ vector vận tốc dòng ở mũi và đuôi tàu ..............................75
Biểu đồ 3. 6. Biểu đồ đƣờng quỹ đạo chuyển động của phần tử nƣớc .................75
Biểu đồ 3. 7. Biểu đồ đồ phân bố áp suất tĩnh ......................................................76
Biểu đồ 3. 8. Biểu đồ phân bố động năng rối .......................................................76
Biểu đồ 3. 9. Biểu đồ đồ phân bố áp suất tĩnh của mẫu tàu M.1319 ....................88
Đồ thị 3. 1. Đồ thị đƣờng cong sức cản của mẫu tàu thử nghiêm M1317A .........45
Đồ thị 3. 2. Đồ thị đƣờng cong sức cản mẫu tàu M 1317 A thử nghiệm .............45

Đồ thị 3. 3. Đồ thị sức cản mẫu tàu M1317A bằng phƣơng pháp mô phỏng số ..81
Đồ thị 3. 4. Đồ thị sức cản tàu M1317A tính bằng mô phỏng số và ....................82
Đồ thị 3. 5. Đồ thị sức cản của mẫu tàu M.1317A sau khi hiệu chỉnh theo phƣơng
pháp bình phƣơng bé nhất.....................................................................................85
Đồ thị 3. 6. Đồ thị sức cản của mẫu tàu M.1319 tính bằng phƣơng pháp mô
phỏng số và thử nghiệm mô hình tàu trong bể thử ...............................................91

xvii


TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

1. Giới thiệu về chủ đề nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu
Xác định sức cản tàu hiện vẫn là bài toán phức tạp, chƣa có lời giải thỏa đáng,
chủ yếu là dựa vào các thử nghiệm tàu thật hoặc thử mô hình tàu trong bể thử nghiệm.
Tuy nhiên phƣơng pháp thử nghiệm này tốn rất nhiều thời gian, công sức và chi phí,
đặc biệt trong điều kiện nƣớc ta hiện nay, bể thử cho ngành đóng tàu còn rất hạn chế.
Việc sử dụng công thức gần đúng tính sức cản tàu thủy nói chung và tàu cá nói riêng
tuy cho kết quả nhanh chóng nhƣng có độ chính xác thấp, giới hạn phạm vi ứng dụng,
hơn nữa không hình dung đƣợc đặc điểm phân bố của dòng chảy bao quanh thân tàu
khi tàu chuyển động nên không có khả năng tối ƣu hóa đƣợc hình dáng của thân tàu.
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh của cấu hình máy tính và phƣơng pháp tính
động lực học lƣu chất (Computational Fluid Dynamics - CFD) việc nghiên cứu sức cản
đã dần dần đƣợc phổ biến vì tính ƣu việt của phƣơng pháp, cho kết quả nhanh chóng,
giảm thời gian, chi phí thử mô hình đồng thời dự đoán đƣợc chuyển động của tàu thực.
Qua đó giúp nhà nghiên cứu có đƣợc cái nhìn tổng quan về chuyển động của con tàu
trong nƣớc để có thể thực hiện tối ƣu hóa tuyến hình tàu, giảm đƣợc sức cản tàu.
Từ các trình bày nêu trên, có thể nhận thấy mục tiêu chính của đề tài này là
nghiên cứu mô phỏng số động lực học và dựa trên cơ sở đó để tính sức cản tàu thủy
nhằm xây dựng phƣơng pháp tính sức cản tàu nói chung và các tàu đánh cá nói riêng

bằng phần mềm CFD thông dụng đảm bảo đƣợc độ tin cậy và tính chính xác cần thiết.
Đề tài đặt vấn đề sử dụng phần mềm CFD Ansys Fluent để mô phỏng số một mẫu tàu
đã có các số liệu thực nghiệm về động lực học, trong trƣờng hợp này là sức cản vỏ tàu,
và so sánh số liệu nhận từ kết quả mô phỏng trong phần mềm với số liệu thực nghiệm
của chính mẫu tàu đó để xây dựng phƣơng pháp mô phỏng số động lực học xác định
sức cản tàu đảm bảo độ tin cậy và độ chính xác cần thiết.
Mô hình bài toán nghiên cứu: xét tàu chạy trên nƣớc tĩnh với vận tốc v (m/s),
quy đổi thành tàu đứng yên trên dòng nƣớc chảy đều với vận tốc bằng vận tốc tàu v.
Để giảm kích thƣớc cho bài toán, mô hình tàu trong bài toán đang xét đƣợc thu nhỏ
với tỷ lệ 1/10.
xviii


2. Phương pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài là kết hợp giữa phƣơng pháp
nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể nhƣ sau:
2.1. Nghiên cứu lý thuyết
Với mục tiêu nghiên cứu sử dụng phần mềm CFD để mô phỏng số động lực học
nên những nghiên cứu lý thuyết trong đề tài chủ yếu nhƣ sau:
- Nghiên cứu lý thuyết CFD, tập trung vào các nội dung liên quan đến đề tài nhƣ
xây dựng mô hình tính, kỹ thuật chia lƣới, kỹ thuật đặt điều kiện biên.
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế tàu Autoship để có thể xây dựng đƣợc
mô hình tàu 3D một cách chính xác dựa theo đƣờng hình của mẫu tàu tính toán.
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm Ansys Fluent và ứng dụng trong mô phỏng số
động lực học một mẫu tàu cụ thể.
2.2. Nghiên cứu thực nghiệm
Về mặt phƣơng pháp, để có thể đảm bảo đƣợc độ tin cậy của kết quả tính toán
sức cản tàu xuất ra từ phần mềm CFD, cần phải so sánh và đối chiếu kết quả tính toán
từ lý thuyết với kết quả thử nghiệm trong bể thử mô hình nhƣ cách làm truyền thống.
Do điều kiện thử nghiệm mô hình tàu trong điều kiện hiện nay gặp rất nhiều khó khăn,

do đó trong đề tài chúng tôi lựa chọn phƣơng án sử dụng mẫu tàu đánh cá M1317A,
mẫu tàu đã có số liệu thử nghiệm mô hình về sức cản để so sánh, đối chiếu và dựa trên
cơ sở đó để hiệu chỉnh lại kết quả mô phỏng số mô hình tàu trong phần mềm CFD.
3. Kết quả nghiên cứu
Bài toán mô phỏng số tính sức cản tàu thủy đƣợc giải bằng phƣơng pháp thể tích
hữu hạn dựa trên phần mềm CFD Ansys Fluent, theo trình tự sau.
Xây dựng mô hình hình học: quét scan bản vẽ đƣờng hình của mẫu tàu khảo sát
và dựa vào ảnh scan dựng đƣờng hình mẫu tàu dạng 2D trong phần mềm AutoCad.
Sau đó tiến hình chính trơn và xây dựng mô hình bằng phần mềm Autoship.
Chia lưới: sử dụng phần mềm ICEM CFD để chia lƣới với phần tử khối tứ diện
Tetrahedron. Tại mặt thoáng yêu cầu lƣới tại vùng này phải mịn để có thể mô phỏng

xix


đƣợc dòng chảy trên mặt thoáng. Tổng số phần tử có trong miền khảo sát là 587696,
cùng với chỉ số Orthogonal Quality – chỉ số trực giao lớn hơn 0,1 và Skew xấp xỉ 0.25.
Các điều kiện biên: điều kiện biên đƣợc thiết lập cho miền chất lỏng tính toán
và thân tàu, bao gồm đầu vào, đầu ra, thành biên, mặt trên, mặt dƣới, mặt đối xứng.
Thiết lập mô hình giải: Sử dụng mô hình tính hai pha, gồm pha nƣớc và pha
khí. Mô hình rối sử dụng là mô hình Realazable k-epsilon. Bƣớc thời gian tính bằng
0.01s. Điều kiện ban đầu đƣợc áp đặt cho toàn bộ miền khảo sát theo lƣu lƣợng dòng
chảy, năng lƣợng động lực học k và tỉ lệ tiêu tán rối ε. Quá trình tính toán đƣợc thực
hiện với khoảng (1200 – 1500) bƣớc lặp, mỗi bƣớc lặp đƣợc thực hiện trên mỗi bƣớc
thời gian. Trên cơ sở thiết lập và chạy mô phỏng thu đƣợc kết quả sức cản xuất ra từ
phần mềm.
4. Kết luận và khuyến nghị
4.1. Kết luận
Từ kết quả nghiên cứu của đề tài, bƣớc đầu có thể rút ra một số kết quả sau:
- Xây dựng đƣợc phƣơng pháp tính sức cản tàu đánh cá bằng phần mềm CFD

– Ansys Fluent đảm bảo đƣợc độ tin cậy, bắt đầu từ việc xây dựng mô hình
hình học chính xác của mẫu tàu bằng phần mềm thiết kế tàu AutoShip, chia
lƣới, đặt các điều kiện biên, lựa chọn phƣơng pháp giải phù hợp v..v…
- Kết quả tính theo phƣơng pháp mô phỏng là khá gần với các số liệu thử
nghiệm thực tế, điều này cho phép kết luận đƣợc độ tin cậy của phƣơng
pháp mô phỏng đã đƣợc thực hiện.
4.2. Khuyến nghị
Từ kết quả nghiên cứu nêu trên, chúng tôi khuyến nghị một số nội dung sau:
- Xin khuyến nghị các cơ quan có thẩm quyền nghiên cứu ứng dụng các kết
quả của đề tài để xác định sức cản tàu thay cho bể thử nghiệm.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài còn là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu mô phỏng
vỏ bao thân tàu cùng với tổ hợp thiết bị đẩy, thiết bị lái ngay ở bƣớc thiết kế
phƣơng án để tính toán nghiên cứu các đặc tính thủy động lực học của tàu
khi hành hải, giúp phân tích các bài toán về thủy động lực học dòng chảy,
nhằm tối ƣu hóa hình dáng thân cùng sự làm việc của tổ hợp thiết bị đẩy,
xx


thiết bị lái sau thân tàu, phục vụ cho quá trình thiết kế tối ƣu các tàu đánh cá
nói riêng và tàu thủy nói chung.
5. Từ khóa
Động lực học chất lỏng, dòng chảy bao quanh thân tàu, sức cản vỏ tàu,
Computional Fluid Dynamics.

xxi


MỞ ĐẦU

Nƣớc ta có bờ biển trải dài khoảng 3.260 km từ Quảng Ninh đến Kiên Giang, với

nguồn tài nguyên biển đa dạng, phong phú và thuận lợi cho việc khai thác thủy sản
Tuy nhiên, nghề cá ở nƣớc ta hiện nay vẫn là nghề cá nhân dân, trong đó sự phát triển
của nghề còn mang tính chất tự phát, với phần lớn tàu thuyền đánh cá là tàu gỗ cỡ nhỏ,
đóng theo kinh nghiệm dân gian truyền thống, chƣa có phƣơng pháp đóng khoa học.
Trong những năm gần đây, nhà nƣớc đã có khá nhiều chính sách nhằm hiện đại hóa
đội tàu đánh cá và tìm kiếm những vật liệu mới nhằm thay thế vỏ gỗ vốn đã cạn kiệt.
Vấn đề đặt ra cho các nhà quản lý, nhà khoa học, nhà thiết kế là nghiên cứu mẫu tàu cá
phù hợp với ngành nghề và tập tính khai thác của ngƣ dân, có hình dạng tối ƣu nhằm
giảm sức cản để có thể giảm bớt chi phí chuyến biển do giá nhiên liệu ngày càng cao.
Với mục tiêu đóng góp cho công cuộc hiện đại hóa đội tàu cá nƣớc nhà, tác giả
đã đƣợc Khoa Kỹ thuật Giao thông Trƣờng Đại học Nha Trang giao thực hiện đề tài:
“Nghiên cứu mô phỏng số động lực học mẫu tàu đánh cá thực nghiệm M1317A”. Nội
dung đề tài chủ yếu nhằm ứng dụng phƣơng pháp tính toán động lực học lƣu chất
(Computional Fluid Dynamics - CFD), kết hợp phƣơng pháp số (numerical method)
để mô phỏng động lực học tính sức cản mẫu tàu đánh cá đã có số liệu thử nghiệm về
sức cản trong bể thử nhằm xây dựng phƣơng pháp lý thuyết để tính sức cản tàu thủy.
Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, CFD hiện đã trở thành một công cụ
nghiên cứu rất hiệu quả trong việc giải quyết nhiều bài toán kỹ thuật phức tạp nhƣ
tính toán và thiết kế tối ƣu, kiểm nghiệm, dự báo các kết quả nghiên cứu v..v...
Trong giai đoạn đất nƣớc đang phát triển, việc xây dựng bể thử cho ngành đóng tàu
gặp rất nhiều khó khăn do kinh phí rất tốn kém và thực tế sử dụng cũng ít hiệu quả,
việc áp dụng lý thuyết CFD vào xác định sức cản vỏ tàu và tính toán, thiết kế tối ƣu
hình dáng tàu nói chung và tàu đánh cá nói riêng đã trở nên một nhu cầu cần thiết.
Chính vì thế, vấn đề nghiên cứu ứng dụng CFD để mô phỏng động lực học tàu thủy
nói chung và các tàu đánh cá nói riêng có vai trò và ý nghĩa rất quan trọng, cả về mặt
lý thuyết và thực tiễn, đồng thời mang tính chất cấp thiết trong giai đoạn hiện nay.

1

Chương 1. PHẦN TỔNG QUAN

1.1. Lý do thực hiện đề tài
Mô phỏng số động lực học tàu thủy đƣợc hiểu là quá trình xây dựng mô hình tàu
bằng phƣơng pháp số và kết hợp với công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải quyết
những bài toán có liên quan đến dòng lƣu chất chảy xung quanh bề mặt mô hình tàu và
dựa trên cơ sở đó để mô tả, giải thích và dự đoán hành vi tàu thực khi chuyển động.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin,
vấn đề mô phỏng trên máy tính đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật.
Các phần mềm mô phỏng hiện nay xây dựng dựa trên lý thuyết động lực học lƣu chất
(Computional Fluid Dynamics - CFD), gắn liền với phƣơng pháp phần tử hữu hạn hay
thể tích hữu hạn và phƣơng pháp số, đã cho phép mô phỏng đƣợc chuyển động của
một dòng chất lỏng hoặc dòng chất khí chảy xung quanh một vật thể hình dạng bất kỳ.
Hình dáng của thân tàu có ảnh hƣởng rất lớn đến tính năng động lực học của nó, do đó
nghiên cứu mô phỏng cấu trúc dòng lƣu chất chuyển động quanh thân tàu có vai trò và
ý nghĩa quan trọng, giúp nhà nghiên cứu có đƣợc cái nhìn toàn diện về sự vận động
của dòng lƣu chất chảy xung quanh bề mặt thân tàu và dựa trên cơ sở đó để xác định
sức cản vỏ và định hƣớng cho việc tính toán, thiết kế tối ƣu hình dáng của thân tàu.
Theo những cách làm truyền thống trong nghiên cứu động lực học tàu thủy,
thƣờng sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết hoặc thực nghiệm thuần túy.
Phƣơng pháp lý thuyết thuần túy tuy có thể cho độ chính xác cao nhƣng khó áp dụng
vì tính chất phức tạp của bài toán và các giới hạn về khả năng tính toán của máy tính.
Còn phƣơng pháp thực nghiệm thuần túy thƣờng mất nhiều thời gian, công sức, chi phí
tốn kém và cũng gặp nhiều khó khăn, nhất là trong trƣờng hợp chƣa có bể thử nghiệm.
Đề tài đặt vấn đề sử dụng phần mềm CFD Ansys Fluent để mô phỏng số một mẫu tàu
đã có các số liệu thực nghiệm động lực học, trong trƣờng hợp này là sức cản vỏ tàu, và
so sánh các số liệu nhận từ kết quả mô phỏng trong phần mềm với số liệu thực nghiệm
của chính mẫu tàu đó để xây dựng phƣơng pháp mô phỏng số động lực học xác định
đƣợc sức cản vỏ tàu nhằm mục đích đảm bảo đƣợc độ tin cậy và độ chính xác cần thiết
Đây cũng là lý do thực hiện luận văn “Nghiên cứu mô phỏng số động lực học mẫu tàu

đánh cá thực nghiệm M.1317A”.
2


1.2. Tình hình nghiên cứu đối với vấn đề đặt ra trong đề tài
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Trên thế giới hiện nay, CFD đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi trong
hầu hết các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật nhƣ hàng không vũ trụ, sinh học, y tế...
Riêng trong ngành Kỹ thuật tàu thủy, các công ty đóng tàu lớn trên thế giới cũng đã
đƣa CFD vào chƣơng trình nghiên cứu của mình để thực hiện mô phỏng và tính toán
trƣờng lƣu chất bao quanh thân tàu để phục vụ cho bài toán thiết kế tối ƣu phần vỏ tàu.
Tuy nhiên theo tìm hiểu của chúng tôi thì các tài liệu công bố về vấn đề này hiện rất ít,
nếu có cũng chủ yếu chỉ công bố kết quả nghiên cứu dƣới dạng hình ảnh cuối cùng,
bởi vì đây chính là vũ khí về mặt công nghệ và lợi thế cạnh tranh giữa các quốc gia và
các tập đoàn đóng tàu lớn trên thế giới trong việc nghiên cứu tính toán, thiết kế tối ƣu
và phát triển những sản phẩm phức tạp nói chung và những con tàu hiện đại nói riêng.
Các công trình nghiên cứu tính sức cản tàu bằng kỹ thuật CFD đã công bố chủ yếu
theo hƣớng lý thuyết, trên cơ sở xây dựng mô hình tính và sử dụng phƣơng pháp số để
tính toán sức cản sóng đối với các hình dạng tàu đã có sẵn phƣơng trình cho trƣớc.
Tiêu biểu cho hƣớng nghiên cứu này là công trình ứng dụng phƣơng pháp số của
Michell để tính toán sức cản tạo sóng của mô hình tàu có dạng Wigley [1], [2], [3].
Trong trƣờng hợp này là tàu đƣợc giả thiết là “tàu mảnh” theo khái niệm của Michell
thƣờng rất hay đƣợc giả thuyết trong lý thuyết của các lát cắt phẳng (strip theory).
Theo Michell, ngƣời có nhiều đóng góp ở lĩnh vực nghiên cứu sức cản do sóng tạo ra,
khái niệm tàu mảnh là tàu có tỷ lệ chiều dài và chiều rộng L/B ≥ 9, hệ số béo Cb< 0.55,
góc giữa tốc độ và tiếp tuyến với tàu phải rất nhỏ, xấp xỉ bằng 0 (hình 1.1).

Hình 1.1. Tàu mảnh theo giả thiết của Michell
3

- Bài báo “ Computational investigation of free surface flow around a ship hull”
của Katuri Samarpana, Ajay Konapala, Duvvada Ramesh, thuộc trƣờng M.V.G.R.
College of Engineering/ Mechanical, Vizianagaram, India công bố năm 2013, trong đó
sử dụng phần mềm CFD - Ansys Fluent mô phỏng động lực học tàu thủy trên cơ sở đó
tính sức cản tàu thủy, tuy nhiên trong công trình này chỉ đề cập đến tàu có mũi quả lê,
và chƣa đề cập đến mức độ chính xác của bài toán.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở nƣớc ta hiện nay, việc ứng dụng lý thuyết CFD trong kỹ thuật nói chung và
trong mô phỏng động lực học tàu thủy nói riêng vẫn đang còn là lĩnh vực rất mới mẻ,
chủ yếu chỉ ở mức tiếp cận lý thuyết cơ bản và giải một số bài toán kỹ thuật đơn giản.
Do đó cũng chƣa thấy có những công trình nghiên cứu chuyên sâu về CFD nói chung
và tính sức cản tàu thủy bằng phần mềm hoặc phƣơng pháp lý thuyết CFD nói riêng.
Nhìn chung, bài toán mô phỏng động lực học tàu thủy bằng phần mềm vẫn còn mới,
đang trong giai đoạn làm quen ban đầu, ngoài trừ một số rất ít công trình nghiên cứu.
Hiện tại có một số rất ít công trình nghiên cứu trong nƣớc đƣợc công bố chính thức có
liên quan đến vấn đề này, có thể kể một số công trình tiêu biểu nhƣ sau:
- Công trình “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất
trong mô phỏng số để thay thế một số thực nghiệm trong ngành Kỹ thuật giao thông”,
của PGS.TS Trần Gia Thái của Trƣờng Đại học Nha Trang thực hiện năm 2014 [10],
trong đó đã sử dụng phần mềm Ansys Aqua để mô phỏng số động lực học tàu thủy và
tính toán thông số dao động của tàu trên sóng với biên độ và chu kỳ phụ thuộc biên độ,
tần số sóng, cụ thể nhƣ yếu tố thủy tĩnh (Hydrostatic), thủy động học (Hydrodynamic),
biên độ dao động của tàu trên sóng biển - RAOs (Response Amplitude Operators),
phân bố của áp suất thủy động lực học (Hydrodynamic pressures) và các chuyển động
của tàu trên sóng (motions), các lực cƣỡng bức (lực Froude – Krylov), hệ số cản v..v…
Tuy nhiên trong công trình này chƣa đề cập đến độ chính xác của mô hình tính.
- Bài báo “Ứng dụng phƣơng pháp các điểm kỳ dị để tính toán sức cản sóng của
tàu thủy” của nhóm các tác giả Nguyễn Mạnh Hƣng, Ngô Văn Hệ, Lê Quang của
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội thực hiện năm 2010 với mô hình tàu Wigley [8],

tàu chuyển động đều trong môi trƣờng nƣớc không nén đƣợc, không xoáy, không nhớt.

4