NGHIÊN cứu THỦY ĐỘNG lực học CHÂN vịt tàu CAO tốc BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD với PHẦN mềm FINEMARINE

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CHÂN VỊT TÀU CAO TỐC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD VỚI PHẦN MỀM FINE/MARINE
STUDY ON HYDRODYNAMICS OF THE PROPELLER ON HIGH SPEED SHIPS
USING CFD FINE/MARINE SOFTWARE
Nguyễn Duy Bách1a, Nguyễn Hà Hiệp2b, Lương Đình Thi2c
1
Viện Thiết kế tàu quân sự/TCCNQP, Hà Nội, Việt Nam
2
Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam
a
b
; ;

TÓM TẮT
Bài báo giới thiệu kết quả xây dựng mô hình 3D của chân vịt tàu cao tốc trên phần mềm
mô hình hóa PropCad và Rhinoceros, trình bày trình tự tính toán thủy động lực học của chân
vịt tàu cao tốc bằng phương pháp tính toán động lực học chất lưu (Computational Fluid
Dynamics - CFD) với phần mềm FINE/Marine. Kết quả tính toán là lực đẩy, mômen, phân bố
áp suất trên các cánh và các thông số thủy động lực học khác của chân vit.
Từ khóa: phương pháp CFD, phần mềm, chân vịt, Fine, Marine, Fine/Marine, tàu cao
tốc, lực đẩy, mômen, chất lưu.

ABSTRACT
This paper presents the results of constructing 3D models of the propeller on high speed
ship by using PropCad and Rhinoceros softwares. A sequence hydrodynamic calculations of
the propeller on high speed ship with Computational Fluid Dynamics (CFD) - FINE/Marine
software is performed. The obtained results are thrust, torque, pressure distribution on the
blade and the other hydrodynamic parameters of propeller.
Keywords: CFD methods, software, propeller, Fine, Marine, Fine/Marine, high speed

ship, thrust, torque, fluid.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Việc phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển động của dòng chảy hay biến thiên các thuộc
tính như nhiệt độ, áp suất, vận tốc,... của các vật thể chuyển động trong môi trường chất lưu là
rất quan trọng trong tính toán, thiết kế tối ưu các sản phẩm. Có thể liệt kê một số ví dụ cụ thể
như: máy bay chuyển động trong môi trường khí động, tàu thủy chuyển động trong môi
trường chất lỏng động, dòng khí chuyển động trong hệ thống làm mát, dầu bôi trơn, hóa chất
chuyển động trong các ống dẫn hay bể chứa,... Các thuộc tính của dòng chất lưu có thể thu
được từ kết quả thực nghiệm hoặc giải các hệ phương trình toán học. Tuy nhiên, trong thực tế
việc áp dụng các phương pháp này gặp nhiều khó khăn. Sử dụng phương pháp tính toán động
lực học chất lưu - CFD (Computational Fluid Dynamics) [1] có thể giải quyết được các bài
toán phức tạp; việc phân tích, tính toán trở nên đơn giản, nhanh chóng hơn.
Ngày nay, phương pháp CFD được kết hợp cả với phương pháp thực nghiệm. Các
phương pháp này hỗ trợ, bổ sung và là tiêu chuẩn đánh giá của nhau, trong đó CFD có một vị
trí quan trọng trong lĩnh vực động lực học chất lưu từ nghiên cứu lý thuyết đến tính toán và
thiết kế công nghệ [1]. Để ứng dụng CFD vào một bài toán cụ thể, thì cần phải hiểu biết cơ
bản về lý thuyết CFD, các phương trình mô tả chuyển động của chất lưu, các phương trình lớp
686


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
biên, từ đó chọn lựa phương pháp tính, mô hình tính cũng như chọn phần mềm mô phỏng
CFD phù hợp với kết quả kỳ vọng.
Thiết kế chân vịt tàu thủy nói chung và chân vịt tàu cao tốc nói riêng là một vấn đề quan
trọng và rất phức tạp trong thiết kế tàu. Do chân vịt có ảnh hưởng rất lớn đến mức độ an toàn
và hiệu quả khai thác của tàu, việc tính toán và chế tạo chính xác chân vịt theo các tham số đã
tính toán trong thiết kế có ý nghĩa rất quan trọng, nên vấn đề này đã và đang được nhiều nước
trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Ở các nước có ngành đóng tàu phát triển, thiết kế chân vịt
được thử nghiệm trước nên thường tính toán và chế tạo chân vịt theo công nghệ

CAD/CAM/CAE hoặc sử dụng bể thử mô phỏng [1,5]. Một số trung tâm nghiên cứu đã đạt
đến trình độ cao, có nhiều kinh nghiệm và có nhiều sản phẩm có chất lượng cao cung cấp cho
thị trường, mang lại hiệu quả cao trong khai thác sử dụng các loại tàu thủy. Các trung tâm
nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này là Trung tâm nghiên cứu thủy động lực học của Công
ty MARIN (Hà Lan), Trung tâm nghiên cứu Harmbourg (Đức), Công ty Hungseng (Đài
Loan), Trung tâm nghiên cứu biển Ba Lan, Viện nghiên cứu Krưlốp (LB Nga),...
Hiện nay, ở trong nước có một số đơn vị đã thiết kế, chế tạo được chân vịt cho tàu chở
hàng và một số loại tàu thông thường khác. Đây là các loại chân vịt có thiết kế không quá
phức tạp, yêu cầu chế tạo không quá cao do tốc độ quay chân vịt không lớn, lực đẩy không
quá cao và các chế độ hoạt động khá đều. Hầu hết các tàu cao tốc của nước ta hiện nay đang
sử dụng chân vịt do các công ty nước ngoài thiết kế và chế tạo.
Tàu cao tốc là tàu có tốc độ cao do đó công suất máy chính thường rất lớn, tốc độ quay
chân vịt cao và cơ chế hoạt động phức tạp hơn nhiều so với tàu hàng thông thường. Hệ thống
đẩy tàu nói chung và chân vịt của tàu cao tốc nói riêng có các yêu cầu cao về các thông số, chỉ
tiêu kỹ thuật, chất lượng. Vì thế, với điều kiện con người và trang thiết bị, phòng thí nghiệm
của nước ta hiện nay, việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo chân vịt tàu cao tốc gặp rất nhiều khó
khăn. Đến nay, trong nước ta chưa có đơn vị nào tự chủ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo được
chân vịt tàu cao tốc.
Hiện nay, phần mềm FINE/Marine là một trong những phần mềm CFD trên thế giới có
khả năng tính toán đưa ra kết quả với độ chính xác cao, được áp dụng trong ngành đóng tàu
thủy. Phần mềm FINE/Marine được tích hợp các module HEXPRESS (dùng để chia
lưới), FINE/Marine (dùng để tính toán) và CFVIEW (dùng để phân tích đánh giá kết quả)
(Hình 1) [2,3,4].

Hình 1. Các module trong phần mềm FINE/Marine
FINE/Marine là môi trường mô phỏng dòng chảy có độ trung thực cao và đặc biệt sử
dụng cho mô phỏng tự động thủy động lực học cho các tàu hải quân và công trình nổi trên
biển. FINE/Marine kết hợp mạnh mẽ khả năng tự động chia lưới phi cấu trúc với module
HexPress, giải pháp đối với môi chất không nén được RANS FINE/Marine và khả năng phân
tích, quan sát dòng chảy trực quan với module CFView.

2. CÁC BƯỚC CHÍNH KHI SỬ DỤNG PHẦN MỀM FINE/MARINE
Để giải quyết bài toán tính toán thủy động lực học chân vịt với phần mềm FINE/Marine,
trình tự tiến hành theo các bước như sau:
+ Bước 1: Chuẩn bị các dữ liệu đầu vào cho quá trình tính toán;
687


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
+ Bước 2: Mô hình hóa 3D đối tượng;
+ Bước 3: Chia lưới và phần tử hóa đối tượng trên phần mềm chuyên dụng;
+ Bước 4: Gán các đặc tính làm việc của đối tượng, đặt các điều kiện biên;
+ Bước 5: Tính lực đẩy, mô men, áp suất, vận tốc,… (tùy thuộc vào đối tượng và mục
đích của bài toán nghiên cứu) trên phần mềm;
+ Bước 6: In kết quả, phân tích, đánh giá kết quả.
Với bài toán thiết kế chân vịt, kết quả tính toán bằng phần mềm thể hiện ở dạng đồ thị
(lực đẩy, mô men, áp suất, vận tốc, …), mô tả tác dụng của chúng trên bề mặt của chân vịt,
đồng thời phần mềm cũng đưa ra các kết quả dưới dạng số liệu.
3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ BÀN LUẬN
Tính toán các đặc tính thủy động lực học của chân vịt trên FINE/Marine theo trình tự
các bước được trình bày ở trên.
Đối tượng nghiên cứu là tàu cao tốc quân sự với các thông số cơ bản của hệ thống động
lực như sau: Tốc độ quay của chân vịt 725,5 vg/ph (12,09 v/s); Đường kính chân vịt 1542 mm;
Số cánh chân vịt 3.
Sau khi tính toán sơ bộ, ta thu được các thông số hình học của chân vịt và tiến hành xây
dựng mô hình 3D của chân vịt trên phần mềm mô hình hóa chuyên dụng PropCad và
Rhinoceros. Do điều kiện giới hạn cấu hình của các thiết bị máy tính phục vụ cho tính toán,
nên mô hình 3D của chân vịt phục vụ cho tính toán các đặc tính thủy động lực học của chân
vịt bằng phương pháp phần tử hữu hạn có các thông số như sau: Đường kính chân vịt mô hình
250 mm; Số cánh chân vịt 3.
Mô hình chân vịt thu nhỏ này phù hợp với mô hình chân vịt thực tế của tàu đã được tính

toán với tỷ lệ tương ứng (Hình 2). Hai mô hình tương đương về các yếu tố thủy động lực học.
Sau khi mô hình hóa chân vịt trên phần mềm. Mô hình của chân vịt được xuất ra định
dạng IGES hoặc X_T,… sau đó, nhúng mô hình 3D của chân vịt vào phần mềm CFD, tiến
hành tạo Domain (Hình 3). Sau khi tạo Domain, thực hiện quá trình thiết lập và chia lưới mô hình
3D chân vịt trên module HEXPRESS theo trình tự trong sơ đồ hình 4. Kết quả chia lưới được thể
hiện trên hình 5.

Hình 2. Mô hình 3D chân vịt trên phần mềm chuyên dụng Rhinoceros

688


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 3. Khởi tạo Domain mô hình 3D của
chân vịt

Hình 4. Trình tự các bước chia lưới trên
module HEXPRESS

Hình 5. Kết quả chia lưới trên module HEXPRESS
Đặt các điều kiện biên theo từng đặc tính làm việc cụ thể của chân vịt (điều kiện môi
trường chất lưu: nhiệt độ, áp suất, tỷ trọng, độ nhớt, độ mặn; tốc độ quay của chân vịt; thể tích
ống xâm thực). Căn cứ vào mối liên kết với các điều kiện làm việc của chân vịt trên thực tế để
tiến hành đặt điều kiện biên phù hợp với chân vịt cần tính toán (Hình 6). Các điều kiện làm
việc của chân vịt trên thực tế được lấy theo dữ liệu khai thác trên tàu cao tốc quân sự, là đối
tượng nghiên cứu.

Hình 6. Mô hình vật lý khi tính toán chân vịt trên phần mềm CFD
Sau khi đã gán đầy đủ các điều kiện đầu vào, tiến hành tính toán lực đẩy và mômen của

chân vịt, kết quả tính toán được thể hiện trên hình 7. Kết quả tính toán phân bố áp suất thủy
động lực của chân vịt trên hình 8. Xác định các đặc tính thuỷ động lực của chân vịt bằng thử
mô hình trên phần mềm CFD, các đặc tính thuỷ động (các đường cong làm việc) [6] của chân
vịt được thể hiện trên hình 9, trong đó các đặc tính thuỷ động lực của chân vịt được trình bày
dưới dạng mối quan hệ giữa hệ số lực đẩy K 1 , hệ số mômen K 2 với hiệu suất η.
689


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 7. Kết quả tính lực đẩy và mômen xoắn của chân vịt

690


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 8. Kết quả tính toán phân bố áp suất thủy động lực của chân vịt
691


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

(K 1 - hệ số lực đẩy, K 2 - hệ số mô men, η - hiệu suất, λ - hệ số tiến)
Hình 9. Đặc tính thuỷ động lực của chân vịt
4. KẾT LUẬN
Kết quả trên cho phép chúng ta rút ra những kết luận sau đây:
- Kết quả thử nghiệm mô hình chân vịt trên phần mềm FINE/Marine đã nhận được các
đường cong làm việc của chân vịt.
- Thực nghiệm trên phần mềm FINE/Marine đã xác nhận hiệu quả của những giải pháp

về hình dáng chân vịt bảo đảm cho chân vịt có những đặc tính tốt hơn về xâm thực trong khi
vẫn giữ được hiệu suất đẩy cao (điều kiện biên về thể tích ống xâm thực tối ưu).
- Bằng tính toán đã nhận được kết quả phân bố áp lực lên bề mặt cánh chân vịt làm cơ
sở cần thiết để tính toán độ bền chân vịt.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. NUMECA FIME (2012), Theoretical Manual ISIS-CFD v3.0.
[2]. User Manual FINE™/Marine v3 (including ISIS-CFD). Flow Integrated Environment for
Marine Hydrodynamics - July 2012.
[3]. User Manual HEXPRESS™v2.12 Unstructured Grid Generator - July 2012.
[4]. User Manual CFView™ v8 Flow Visualization and Post-Processing - July 2012.
[5]. Корнелюк О. Н. Особенности моделирования работы гребного винта в свободной
воде в среде flow vision // Кораблебудування.№1 - 2015. стр. 21-26 (ISSN 2311-3405).
[6]. Жинкин В. Б. Теория и устройство корабля. С-Петербург "Судостроение" - 2002. 332 стр.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1. TS. Nguyễn Duy Bách, Viện Thiết kế tàu quân sự/TCCNQP/BQP
Email: , 0972276381.
2. TS. Nguyễn Hà Hiệp, Bộ môn Động cơ/Khoa Động lực/Học viện Kỹ thuật quân sự
Email: , 0985045262.
3. TS. Lương Đình Thi, Bộ môn Động cơ/Khoa Động lực/Học viện Kỹ thuật quân sự
Email: , 0974922757
692