Tính toán sức cản tàu thủy bằng phương pháp CFD, ứng dụng để đưa ra các biện pháp nhằm giảm sức cản

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..........................................................2
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................8
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................9
1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................9
2. Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .............................10
3. Phƣơng pháp nghiên cứu trong luận văn ......................................................10
4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp của tác giả ..................11
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHI N C U ...........................................................12
1.1. Giới thiệu chung về sức cản tàu thủy ........................................................12
1.2. Sự cần thiết trong việc giảm sức cản cho tàu ...........................................13
1.3. Một số phƣơng pháp giảm sức cản cho tàu ...............................................14
1.4. Các vấn đề sẽ giải quyết trong luận văn ....................................................20
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYÊT TÍNH TOÁN LỰC CẢN ................................21
2.1. Tính ực cản tác động ên tàu theo

thuyết .............................................21

2.2. Tính toán ực cản tàu b ng phƣơng pháp C

.........................................23

CHƢƠNG 3. QUÁ TRÌNH TÍNH MÔ PHỎNG SỐ TÍNH LỰC CẢN GIÓ TÁC
ĐỘNG LÊN TÀU THÔNG QUA SỬ DỤNG CFD .................................................29
3.1. Mô hình tàu sử dụng trong tính mô phỏng CFD .......................................29
3.2. Thiết kế miền không gian tính toán, chia ƣới và đặt điều kiện biên ........32
3.3. Các bƣớc thực hiện tính toán mô phỏng ...................................................35
CHƢƠNG 4. LỰC CẢN GIÓ TÁC ĐỘNG L N TÀU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
GIẢM LỰC CẢN GIÓ CHO TÀU ...........................................................................50

4.1. Mô hình tàu tính toán khảo sát lực cản gió ...............................................50
4.2. Kết quả tính mô phỏng phân bố áp suất và dòng bao quanh tàu ...............52
4.3. Kết quả mô phỏng lực cản gió tác động lên tàu ........................................63
4.4. Đề xuất một số giải pháp nh m giảm lực cản gió cho tàu ........................65


CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................66
5.1. Kết luận .....................................................................................................66
5.2. Kiến nghị ...................................................................................................66
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................69



LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây à công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn à trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Văn Cƣờng

1


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu, từ viết tắt

Tên gọi

Đơn vị



Độ nhớt rối



Khối ƣợng riêng của không khí

Kg/m3

Area

Diện tích

m-Rad

Akk

Diện tích mặt ngang của phần thân tàu nhô
lên khỏi mặt nƣớc

Coefficients

Các hệ số

Cd,kE

Hệ số ực cản bổ sung

CAA

Hệ số ực cản không khí

Cp

Hệ số ăng trụ

Cy

Hệ số lực nâng

Cx

Hệ số lực cản

Cy3

Hệ số lực nâng khi tàu nghiêng dọc 30

Cx3

Hệ số lực cản khi tàu nghiêng dọc 30

Deadweight

Trọng tải toàn phần

Deg

Độ

DWG

Trọng tải

k

Động năng rối



Tổn thất rối

tấn

tấn

tấn

H ng số thể hiện sự phụ thuộc của sự hình
Gk

thành năng ƣợng rối k vào sự biến thiên vận
tốc trung bình

Prt

H ng số Prant d



Hệ số gi n nở nhiệt môi trƣờng

Mt

Số Mach

a

Vận tốc âm thanh



Hệ số gi n nở nhiệt môi trƣờng

2

m/s


Ký hiệu, từ viết tắt

t
YM

Tên gọi

Đơn vị

Hệ số nhớt rối
Hệ số thể hiện sự biến thiên quá trình gi n nở
so với giá trị trung bình

p

Áp suất

ui, uj

Các vận tốc tức thời

Force

Lực

Coeficient force

Hệ số ực cản

Ltk

Chiều dài thiết kế

m

B

Chiều rộng

m

H

Chiều cao mạn

m

L

Khoảng sƣờn

RT

Sức cản toàn bộ

N

RV

Sức cản nhớt

N

Rf

Sức cản ma sát

N

RP

Sức cản hình dáng

N

Rw

Sức cản sóng

N

Rr

Sức cản dƣ

N

RA

Sức cản bổ sung

N

RAA

Lực khí động

N

Rx

Lực cản theo phƣơng x

N

Ry

Lực cản theo phƣơng y

N

Rx3

Lực cản theo phƣơng x khi nghiêng dọc 30

N

Ry3

Lực cản theo phƣơng y khi nghiêng dọc 30

N

T

Mớn nƣớc

m

Volume

Thể tích

m3

S

at

thuyết

iện tích mặt hứng gió

Weight

Khối lƣợng

Wind

Gió

m/s

m

m2
T

3


Ký hiệu, từ viết tắt

Tên gọi

ĐN

Đƣờng nƣớc

Re (Rn)

Số Reynolds

Fr (Fn)

Số Froude

4

Đơn vị


DANH MỤC HÌNH VẼ
Chƣơng 1
Hình 1.1

Một số biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu

Hình 1.2

Làm sạch vỏ tàu để giảm ma sát cho tàu

Hình 1.3

Cải tiến hình dáng thân tàu để giảm sự tách dòng

Hình 1.4

Cải tiến phần đỡ ống bao trục chân vịt

Hình 1.5

Cải tiến vây giảm lắc theo dạng sóng trên tàu

Hình 1.6

Cải tiến bánh lái theo dạng khí động học

Hình 1.7

Cải tiến hình dạng các tấm kẽm chống ăn mòn ắp trên tàu

Hình 1.8

Cải tiến phần gót ky

Hình 1.9

Nguyên lý hệ thống đệm khí trên tàu

Hình 1.10

Nguyên lý giảm sức cản sóng của mũi quả lê

Hình 1.11

Tàu cá mũi quả lê ở Nhật Bản

Chƣơng 2
Hình 2.1

Sơ đồ phân tích lực tác động ên tàu và hƣớng gió

Chƣơng 3
Hình 3.1.
Hình 3.2.
Hình 3.3.

Đƣờng hình dáng tàu hàng 3400T
iểu đồ trọng ƣợng tàu khi tàu n m ngang
iểu đồ trọng ƣợng tàu khi tàu nghiêng dọc 30

Hình 3.4

Mô hình tàu hàng 3400T

Hình 3.5

Miền không gian tính toán mô phỏng C

Hình 3.6

Chia ƣới miền không gian tính toán

Hình 3.7

Chia ƣới trên bề mặt thân tàu

Hình 3.8

Giao diện khởi động tính toán mô phỏng sử dụng

Hình 3.9

Giao diện đọc và kiểm tra ƣới trong Fluent

Hình 3.1

Hộp thoại thay đổi đơn vị và kích thƣớc mô hình

Hình 3.11

Thay đổi các thông số mô hình tính

Hình 3.12

Thiết ập các thông số ban đầu cho bài toán

Hình 3.13.

Thiết ập mô hình rối tính toán

5

uent


Hình 3.14.

Thiết ập môi trƣờng tính toán

Hình 3.15

Thiết lập điều kiện biên đầu vào

Hình 3.16

Thiết lập điều kiện biên đầu ra

Hình 3.17

Hộp thoại tính toán diện tích mặt hứng gió

Hình 3.18

Thiết lập các điều kiện đầu vào tính hệ số lực cản

Hình 3.19

Thiết ập các điều kiện hội tụ cho bài toán

Hình 3.20

Khởi tạo các điều kiện cho bài toán

Hình 3.21

Thiết ập bƣớc thời gian tính toán và số vòng ặp cho bài toán

Hình 3.22

Hộp thoại xuất dữ iệu tính toán đ thực hiện

Hình 3.23

Phân bố áp suất xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm

Hình 3.24

Phân bố dòng bao quanh thân tàu tại mặt cắt dọc tâm

Hình 3.25

Đồ thị ực khí động tác động ên tàu theo các góc hƣớng gió khác

nhau
Chƣơng 4
Hình 4.1.

Hình 4.2.

Tàu không tải ở trạng thái khai thác cân b ng, NB1
Tàu không tải ở trạng thái khai thác nghiêng dọc 30, NB2

Hình 4.3.

Tàu đầy tải trong trạng thái khai thác cân b ng, N 1

Hình 4.4

Tàu đầy tài trong trạng thái khai thác nghiêng dọc 30, NF2

Hình 4.5

Phân bố áp suất tại mặt cắt dọc tâm tàu, N 1

Hình 4.6

Phân bố áp suất tại một số mặt cắt b ng xung quanh tàu, N 1

Hình 4.7

Phân bố dòng bao quanh thân tàu, N 1

Hình 4.8

Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu, N 1

Hình 4.9

Phân bố áp suất tại mặt cắt dọc tâm tàu khi tàu nghiên 3 độ, NB2

Hình 4.1

Phân bố áp suất tại các mặt cắt b ng z = 0.1m và z = 0.15m, NB2

Hình 4.11

Phân bố áp suất tại các mặt cắt b ng z = 0.18m và z = 0.24m, NB2

Hình 4.12

Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu, N 2

Hình 4.13.

Phân bố dòng bao quanh thân tàu khi nghiêng dọc 3 độ, N 2

Hình 4.14.

Phân bố áp suất tại mặt cắt dọc tâm tàu đầy tải cân b ng, N 1

Hình 4.15

Phân bố áp suất tại mặt cắt b ng z = 0.13m, z = 0.15m, NF1

6

Hình 4.16

Phân bố áp suất tại các mặt cắt b ng z = 0.18m, z = 0.24m, NF1

Hình 4.17

Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu, NF1

Hình 4.18

Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu, NF1

Hình 4.19

Phân bố áp suất tại mặt cắt dọc tâm khi tàu nghiêng 3 độ, N 2

Hình 4.20

Phân bố áp suất tại các mặt cắt b ng z = 0.13, 0.15, 0.18 và 0.25(m),

NF2
Hình 4.21

Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu, N 2

Hình 4.22

Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu, NF2

Hình 4.23

Đồ thị hệ số lực cản gió tác động lên tàu

Hình 4.24

Đồ thị hệ số lực cản gió tác động lên tàu

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Chƣơng 1
Bảng 1.1

Bảng 1.1 Các thành phần sức cản [7]

Chƣơng 2
Bảng 2.1

Bảng 2.1 Vận tốc gió Bopho tại độ cao h = 6,0 m so với mặt nƣớc

biển
Bảng 2.2

Giá trị hệ số lực cản không khí CAA

Chƣơng 3
Bảng 3.1

Các thông số cơ bản của tàu

Bảng 3.2
Bảng 3.3

Bảng tính ƣợng chiếm nƣớc của tàu khi tàu cân b ng và nghiêng 30
Thiết lập một số điều kiện tính toán mô phỏng

Bảng 3.4

Bảng xuất kết quả tính lực cản từ Fluent tại một thời điểm tính toán

Chƣơng 4
Bảng 4.1

Bảng tính các hệ số lực khí động tác động lên tàu

Bảng 4.2

Bảng tính các hệ số lực khí động tác động lên tàu

8


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việc phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển động của dòng chảy hay biến
thiên các thuộc tính nhƣ nhiệt độ, áp suất, vận tốc... của các vật thể chuyển động
trong môi trƣờng chất lỏng là rất quan trọng trong việc tính toán, thiết kế tối ƣu các
sản phẩm để mang lại hiệu quả nhất. Có thể kể ra một vài ví dụ cụ thể nhƣ máy bay
chuyển động trong môi trƣờng khí động, tàu thủy chuyển động trong môi trƣờng

chất lỏng, dòng khí chuyển động trong hệ thống làm mát, dầu nhớt, hóa chất chuyển
động trong các ống dẫn hay bể chứa... Các thuộc tính của dòng chất lỏng có thể
nhận đƣợc từ kết quả thực nghiệm hay lời giải các hệ phƣơng trình toán học, tuy
nhiên hai phƣơng pháp trên chỉ áp dụng đƣợc trong các bài toán đơn giản, đối với
các bài toán phức tạp thì gặp rất nhiều khó khăn. Sử dụng phƣơng pháp tính toán
động lực học chất lỏng - CFD (Computational Fluid Dynamics) có thể giải quyết
đƣợc các bài toán phức tạp, việc phân tích, tính toán trở nên đơn giản và nhanh
chóng hơn và các kết quả nhận đƣợc có độ chính xác cao hơn.
Với công nghệ hiện đại, máy tính và các phần mềm chuyên dụng đ giúp con
ngƣời rất nhiều trong việc nghiên cứu ảnh hƣởng của dòng chảy tới vật thể chuyển
động trong chất lỏng và ngƣợc lại sự thay đổi hình dạng, kết cấu vật thể tác động
lên dòng chảy. Điều này cũng có

nghĩa ớn trong việc nghiên cứu lực cản và giảm

lực cản tàu thủy trong quá trình vận hành nh m mục đích giảm chi phí khai thác tàu,
góp phần tiết kiệm năng ƣợng nhiên liệu, giảm ƣợng khí thải. Ngày nay C

đƣợc

kết hợp cả với thực nghiệm thuần túy và kết quả lời giải số, ba phƣơng pháp này hỗ
trợ bổ xung và là tiêu chuẩn đánh giá của nhau, trong đó công cụ mô phỏng số CFD
có vai trò quan trọng trong việc quan sát và dự đoán các hiện tƣợng khí động lực
học phát sinh khi chạy tàu. Giúp chúng ta có thể đánh giá đƣợc các tác động lên
thân tàu mà thực nghiệm khó quan sát đƣợc.
ng dụng các công cụ mô phỏng số trong nghiên cứu giảm lực cản, nâng cao
hiệu quả khai thác vận tải tàu là một trong những vấn đề đ và đang đƣợc giải quyết
trƣớc những yêu cầu ngày một cao của thế giới. Từ những yêu cầu thực tiễn và thực
9

trạng hiện nay, với những yêu cầu đặt ra cho các nhà nghiên cứu để làm giảm tối đa
lực cản tác động lên tàu, góp phần nâng cao hiệu qua khai thác tàu. Tác giả thực
hiện đề tài: ‘’Tính toán sức cản tàu thủy bằng phƣơng pháp CFD, ứng dụng để
đƣa ra các biện pháp nhằm giảm sức cản cho tàu thủy’’. Nh m nâng cao hiệu
quả kinh tế sử dụng, khai thác tàu.
2. Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Trong luận văn này, tác giả thực hiện việc tính toán sức cản tàu thủy b ng
công cụ CFD, ứng dụng phân tích kết quả để đƣa ra các biện pháp nh m giảm sức
cản cho tàu. Mục đích nghiên cứu trong luận văn này nh m:
Hiểu rõ đƣợc quy trình và trình tự các bƣớc trong việc sử dụng phƣơng pháp
tính toán động lực học chất lỏng CFD thực hiện tính toán mô phỏng lực cản tác
động lên thân tàu.
ng dụng công cụ mô phỏng số CFD, thực hiện mô phỏng lực cản tác động
lên thân tàu. Trên cơ sở phân tích kết quả nghiên cứu và tính toán mô phỏng số
CFD với mẫu tàu nguyên bản. Tác giả đƣa ra một số biện pháp nh m làm giảm lực
cản tác động lên thân tàu, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu.
Với thời gian và điều kiện trang thiết bị máy tính cấu hình cao có hạn, thời
gian tính toán mô phỏng số CFD yêu cầu rất lớn. Trong luận văn này chỉ giới hạn
phạm vi nghiên cứu giảm lực cản khí động tức lực cản gió tác động lên tàu chở
hàng thông qua sử dụng công cụ tính mô phỏng số CFD.
Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn à mô hình tàu chở hàng 3400 Tấn. Tác
giả đi nghiên cứu, khảo sát các đặc tính khí động lực học của phần thân tàu trên mặt
nƣớc thông qua mô phỏng số CFD. Từ việc phân tích các kết quả mô phỏng số CFD
lực cản gió và các đặc tính khí động thân tàu, tác giả đƣa ra một số biện pháp cải
tiến nh m làm giảm lực cản gió tác động lên tàu
3. Phƣơng pháp nghiên cứu trong luận văn
Trong luận văn này, tác giả sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu tính toán lý
thuyết thuần túy kết hợp với mô phỏng số CFD. Thông qua việc so sánh đánh giá

10


kết quả từ các nghiên cứu đ có sẵn, lý thuyết tính toán theo các công thức kinh
nghiệm và kết quả mô phỏng số tác giả đƣa ra các tính toán phù hợp có độ tin cậy
nhất trong điều kiện nghiên cứu hiện nay.
4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp của tác giả
Trong luận văn này, tác giả tập trung phân tích các phƣơng pháp, giải pháp
làm giảm lực cản tàu thuy. Bên cạnh đó, tác giả đi nghiên cứu các phƣơng pháp,
công cụ thực hiện nghiên cứu giảm lực cản hiện tại đang sử dụng. Từ đó tác giả đi
nghiên cứu tính toán lực cản tàu thủy b ng phƣơng pháp sử dụng công cụ mô phỏng
số CFD. Thông qua việc sử dụng công cụ mô phỏng số, tác giả thực hiện khảo sát
các đặc tính khí động lực học tác dụng lên thân tàu hàng. Từ các phân tích kết quả,
tác giả đƣa ra một số giải pháp nh m giảm lực cản gió tác động lên tàu.
Thông qua các kết quả về sử dụng CFD thực hiện tính toán khảo sát lực cản
gió tác động lên tàu, các biện pháp nh m giảm lực cản gió tác động lên tàu. Luận
văn này có thể sử dụng làm các tài liệu phục vụ cho việc nghiên cứu tính toán lực
cản gió tác động lên tàu, sử dụng làm các tài liệu tra cứu về sự ảnh hƣởng của lực
cản gió đến quá trình khai thác tàu và cũng à tài iệu tham khảo cho các nhà khai
thác sử dụng tàu trong khai thác tàu để có hiệu quả kinh tế nhất.

11


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHI N C U
1.1. Giới thiệu chung về sức cản tàu thủy
Chuyển động của tàu trên mặt nƣớc, trong nƣớc, bề mặt vỏ tàu phải tiếp xúc
với môi trƣờng bao quanh nó: mặt ƣớt vỏ tàu tiếp xúc với môi trƣờng nƣớc, phần
trên mớn nƣớc tiếp xúc với không khí, và bề mặt này chịu tác động của các lực do
môi trƣờng gây ra. Sức cản của tàu trong thực tế không thể xác định hoặc đo ƣờng

một cách trực tiếp, kiến thức về tính toán sức cản của tàu thƣờng đƣợc thu thập và
xây dựng từ thử nghiệm trên các mô hình tàu. Việc xác định sức cản của tàu trong
môi trƣờng nƣớc tĩnh thƣờng phân tích trên các thành phần sức cản độc lập, sơ đồ
các thành phần sức cản nhƣ sau (bảng 1.1):
Bảng 1.1 Các thành phần sức cản [7]
Sức cản toàn bộ RT
Sức cản bổ

Sức cản vỏ tàu

sung RA

Sức cản nhớt RV

Sức cản sóng RW

Sức cản ma sát Rf

Sức cản hình dáng RP

Sức cản ma sát Rf

Sức cản dƣ Rr

Sức cản sóng RW

Sức cản ma sát RF: xuất hiện do ảnh hƣởng độ nhớt của chất lỏng gây ma sát
vào vỏ tàu. Sức cản ma sát chiếm phần lớn (80÷90%) sức cản nhớt và chiếm
khoảng 50÷70% tổng sức cản tàu . Nếu hình dáng tàu càng trơn, dễ thoát nƣớc ảnh
hƣởng của của hình dáng thân tàu càng nhỏ thì sức cản nhớt hầu nhƣ hoàn toàn à

sức cản ma sát. Sức cản ma sát chịu ảnh hƣởng độ cong dọc và ngang thân tàu.
Sức cản hình dáng RV: sinh ra bởi ảnh hƣởng của lớp biên đối với quy luật
phân bố áp suất trên thân tàu, nó phụ thuộc vào các dạng tách lớp biên, mà hiện
tƣợng này lại ảnh hƣởng bởi hình dáng thân tàu. Nếu hình dáng thân tàu càng khó
thoát nƣớc thành phần sức cản này càng lớn.

12


Sức cản sóng Rw: Khi tàu chuyển động trên mặt thoáng của chất lỏng trọng
lực sẽ sinh ra sóng (sóng bản thân), sóng đó sinh ra sức cản sóng. Sức cản sóng
càng lớn khi vận tốc tàu càng lớn.
Sức cản toàn bộ của tàu đƣợc xác định là tổng của sức cản ma sát RF và sức
cản dƣ Rr và các thành phần sức cản bổ sung:
RT = RF + Rr + RA

(1.1)

1.2. Sự cần thiết trong việc giảm sức cản cho tàu
Nhƣ đ biết, chi phí nhiên liệu chiếm phần lớn trong tổng chi phí khai thác
của tàu. Lƣợng tiêu thụ nhiên liệu trên một phà cỡ lớn khoảng từ 1

đến 5000

lít/giờ, ƣợng tiêu thụ dầu đốt trên tàu này có thể nói nhiều hơn ƣợng dầu dùng đển
sƣởi ấm trong cả năm cho một gia đình. Chi phí nhiên iệu cho một chiếc phà lớn
chạy liên tục 20 giờ/ngày trong một năm có thể ên đến hàng triệu đô a [9]. Ở nƣớc
ta, trung bình một chuyến biển (khoảng 30 ngày) của một tàu cá cỡ lớn (chiều dài
trên 24 mét) chi phí nhiên liệu (dầu đốt) khoảng từ vài chục đến hơn trăm triệu
đồng, con số trên là khá lớn so với khả năng kinh tế của ngƣ dân nƣớc ta hiện nay.

Do vậy, giảm một ƣợng nhỏ dù là một vài phần trăm tiêu thụ nhiên liệu trên tàu
cũng có

nghĩa rất lớn trong vấn đề tiết kiệm chi phí vận hành khai thác của tàu

trong cả năm.

ƣới đây à một số yếu tố quan trọng nhất ảnh hƣởng đến mức tiêu

thụ trên tàu:
- Một số thông số chính của tàu nhƣ: hình dạng vỏ tàu, khối ƣợng tàu, loại động cơ,
chân vịt…;
- Số ƣợng máy chính;
- Tốc độ tàu;
- Dòng chảy, sóng, gió (hƣớng và lực tác động);
- Mớn nƣớc của tàu (phụ thuộc vào ƣợng hàng hóa);
Một số biện pháp kỹ thuật đƣợc để đạt đƣợc hiệu quả trong việc giảm ƣợng
tiêu thụ nhiên liệu trên tàu (Hình 1.1):

13


Hình 1.1 Một số biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu
Nhìn chung hầu hết các biện pháp đều tập trung vào việc giảm lực kéo nói
cách khác là giảm sức cản của tàu và một số biện pháp khác cố gắng cải thiện hiệu
quả của các thiết bị đẩy tàu và vận hành tàu.
1.3. Một số phƣơng pháp giảm sức cản cho tàu
Khi tàu chạy, hầu nhƣ toàn bộ năng ƣợng sinh ra từ thiết bị đẩy tàu tiêu hao
cho sức cản tàu, mà chủ yếu là sức cản nhớt và sức cản sóng. Do vậy, việc nghiên
cứu giảm các thành phần sức cản trên có

nghĩa ớn trong việc giảm tiêu hao nhiên

liệu từ đó giảm đƣợc chi phí vận hành tăng hiệu quả khai thác của tàu, giảm ƣợng
khí thải ra môi trƣờng.
Việc nghiên cứu giảm sức cản tàu tập trung chủ yếu vào việc giảm sức cản
nhớt và sức cản sóng. Sức cản nhớt đóng vai trò chính trong tổng sức cản của tàu, ở
những vật chìm hoàn toàn hầu nhƣ chỉ có sức cản nhớt. Vậy việc tìm các biện pháp
giảm sức cản nhớt à điều quan trọng. Đối với các vật thể dễ thoát nƣớc chú

đến

việc giảm sức cản ma sát vì thành phần sức cản hình dáng không lớn. Còn đối với
các vật thể khó thoát nƣớc phải giảm sức cản hình dáng. Để giảm sức cản nhớt phải
giảm độ nhám chung và độ nhám cục bộ, đặc biệt à độ nhám do việc quét sơn,

14


phòng chống rêu hà bám và độ ăn mòn, áp dụng các dạng tàu tránh hiện tƣợng tách
lớp biên. Một số biện pháp công nghệ giảm sức cản đang đƣợc nghiên cứu và áp
dụng hiện nay trên tàu nhƣ sau:
Làm sạch vỏ tàu, bánh lái, chân vịt: biện pháp này có thể áp dụng cho tất cả
các loại tàu bất kể kiểu loại, kích thƣớc và công dụng khai thác. Ngay sau khi xuất
xƣởng, vỏ tàu, bánh lái, chân vịt và các phần khác cần đƣợc giữ sạch. Tuy nhiên
theo thời gian, các bộ phận này sẽ bị bám bẩn do tảo, hàu và các loài khác làm cho
tàu khó khăn khi chạy ở tốc độ định trƣớc do gia tăng sức cản ma sát và àm tăng
ƣợng tiêu hao nhiên liệu. Việc làm sạch định kỳ sẽ cải thiện đƣợc tình trạng này,
nếu nhƣ không thể đƣa tàu ên triền đà hoặc vào ụ thƣờng xuyên, việc làm sạch
chân vịt b ng thợ lặn cũng tỏ ra có hiệu quả nhất định (hình 1.2).

Hình 1.2 Làm sạch vỏ tàu để giảm ma sát cho tàu
Sử dụng vật liệu phủ Polyme: bề mặt vỏ tàu đƣợc phun phủ một lớp mỏng
Po yme để giảm sức cản của tàu. Trong suốt ba thập kỷ qua rất nhiều bài báo trình
bày nghiên cứu về sử dụng Polyme trong việc sức cản tàu, các nghiên cứu chỉ ra
r ng các phân tử Polime bị kéo căng trong ớp biên rối bởi dòng chảy kết quả làm
tăng độ nhớt cục bộ đ

àm giảm sức cản chung trên toàn bộ bề mặt vỏ tàu, những

nghiên cứu gần đây đ cho thấy các phân tử Po yme còn có tác động vào sự phân bố
xoáy trong dòng chảy từ đó àm giảm độ rối trong dòng chảy.
Bôi trơn bọt khí: phun bọt khí, tạo khoang khí và tạo lớp màng khí là ba cách
thức của phƣơng pháp bôi trơn bọt khí b ng cách phun khí tạo lớp phủ không thấm
15


nƣớc. Cả ba phƣơng pháp đều đ chứng mình là có khả năng giảm một ƣợng sức
cản cho tàu một cách hiệu quả. Hiệu quả giảm sức cản trong vấn đề này là công suất
đẩy tàu đ giảm nhiều hơn so với công suất của hệ thống cấp khí. Qua các thử
nghiệm phƣơng pháp này cho việc giảm sức cản đạt trên 5%, phƣơng pháp này rất
có tiềm năng trong việc giảm công suất của động cơ hoặc có thể nâng cao vận tốc
cho tàu với công suất không đổi. Sử dụng biện pháp tạo khoang khí phù hợp với các
tàu chạy với một tốc độ ít thay đổi, vì biện pháp này đạt hiệu quả cao nhất ở một
phạm vi vận tốc rất hẹp.
Cải tiến hình dáng tàu: Những tàu béo sức cản hình dáng sinh ra do hiện
tƣợng tách lớp biên ở phần đuôi tàu và thành phần sức cản này đóng vai trò chính
trong sức cản nhớt (hình 1.3). Để giảm bớt chiều dài phần tách biên ngƣời ta có thể
dùng cánh có dộ dang bé và đặt nó vuông góc với vỏ bao phía trƣớc vùng dự kiến
tách lớp biên.

Hình 1.3 Cải tiến hình dáng thân tàu để giảm sự tách dòng
ƣới đây à một số ví dụ trong việc cải tiến hình dạng tàu để giảm sự tạo
xoáy sau đuôi tàu do hiện tƣợng tách lớp biên [8]:

16


Trƣớc

Sau
Hình 1.4 Cải tiến phần đỡ ống bao trục chân vịt

Hình 1.5 Cải tiến vây giảm lắc theo dạng sóng trên tàu

Hình 1.6 Cải tiến bánh lái theo dạng khí động học

17


Hình 1.7 Cải tiến hình dạng các tấm kẽm chống ăn mòn lắp trên tàu

Hình 1.8 Cải tiến phần gót ky
Giảm sức cản sóng: Sức cản sóng RW của tàu chủ yếu phụ thuộc vào số Fr và
hình dáng thân tàu. Việc giảm số Fr không phải là giảm sức cản sóng theo hƣớng
tích cực, tuy nhiên nhiều trƣờng hợp khi giảm số Fr có thể đạt ƣu thế về sức cản
sóng và đƣa chuyển động vào vùng tốc độ có lợi.

18

Hình 1.9 Nguyên lý hệ thống đệm khí trên tàu
Việc thay đổi số Fr theo hƣớng có lợi khi giữ nguyên tốc độ chuyển động
b ng cách thay đổi chiều dài tàu. Việc giảm đột ngột hoặc triệt tiêu hoàn toàn sức
cản sóng khi đƣa chuyển động vào số Fr > 1.0, các chế độ này là chế độ nổi tĩnh
b ng chế độ ƣớt, hay nói cách khác là dùng tàu cánh ngầm hoặc tàu đệm khí.
Một cách khác để giảm sức cản sóng ta dùng thiết bị giao thoa: mũi quả lê:
Nguyên lý giảm sức cản sóng khi mũi tàu có dạng quả ê nhƣ sau (Hình 1.10):
Sóng sinh ra khi tàu chạy

Hình 1.10 Nguyên lý giảm sức cản sóng của mũi quả lê
Hiện nay chủ yếu là các tàu vận tải cỡ lớn nhƣ tàu hàng, tàu dầu… sử dụng
mũi quả ê, các tàu cá đa số à kích thƣớc nhỏ nên số ƣợng tàu cá lắp mũi quả lê là
rất ít, một số nƣớc có nghề ca phát triển nhƣ Nhật Bản, Hàn Quốc… đ sử dụng mũi
tàu quả lê trên tàu cá (hình 1.11):

19


Hình 1.11 Tàu cá mũi quả lê ở Nhật Bản
1.4. Các vấn đề sẽ giải quyết trong luận văn
Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu tính toán lực cản gió tác
động lên tàu trong các trƣờng hợp khai thác tàu cụ thể: tàu đầy hàng và trƣờng hợp
tàu không hàng. Trong mỗi trƣờng hợp đó, tác giả đi tính toán mô phỏng các đặc
tính khí động lực học thân tàu khi thay đổi các yếu tố nhƣ góc hƣớng gió thay đổi,
thay đổi các chiều chìm, cân b ng dọc tàu trong các trạng thái khai thác tàu.
Từ các tính toán đ thực hiện, tác giả thực hiện việc phân tích đánh giá, so
sánh các kết quả đ thu đƣợc. Trên cơ đó tác giả đƣa ra một số giải pháp, khuyến
cáo cho việc khai thác sử dụng tàu, cho các nhà thiết kế tôi ƣu tàu nh m làm nâng
cao hiệu quả khai thác, sử dụng tàu ở nƣớc ta.

20


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUY T TÍNH TOÁN LỰC CẢN
2.1. Tính lực cản tác động lên tàu theo l thuyết
Trong thực tế, việc tính toán lực cản theo lý thuyết đƣợc thực hiện theo công
thức sau:

1
RAA  C AA . .VA2 .S
2

(2.1)

Trong đó:
S à diện tích mặt hứng gió (m2)
 à khối ƣợng riêng không khí (Kg m3). Ở nhiệt độ t

150C, áp suất p

76

3
mmHg,   1, 226( Kg / m )

VA à vận tốc của uồng không khí bao quanh phần khô của tàu. Phụ thuộc vận tốc
tàu V và vận tốc tuyệt đối của gió VB

ình 2.1. Sơ đồ phân tích lực tác động lên tàu và hướng gió

Khi không có gió: VA  V
Khi có gió:

VA  V 2  VB2  2VVB cos  2
sin(1  1 ) 

VB
sin  2
VA
21

(2.2)


Trong đó:
 2 à góc tạo bởi V và V
B

1 à góc tạo bởi V với mặt ph ng đối xứng của tàu. Khi tàu chuyển động xuôi gió
A
0
thì: 1  180

1 à góc tạo bởi ực khí động R với mặt ph ng đối xứng của tàu
AA

Có thể xác định VA b ng máy đo gió. Cấp gió đƣợc phân thành 12 cấp gió opho
dựa theo kết quả của cục khí tƣợng thuỷ văn Liên Xô.
Bảng 2.1 Vận tốc gió Bopho tại độ cao h = 6,0 m so với mặt nước biển [10]
Cấp gió

Vận tốc gió m s

Cấp gió

Vận tốc gió m/s)

0

0÷0,5

7

12,5÷15,2

1

0,6÷1,7

8

15,3÷18,2

2

1,8÷3,3

9

18,3÷21,5

3

3,4÷5,2

10

21,6÷25,1

4

5,3÷7,4

11

25,2÷29,0

5

7,5÷9,8

12

Trên 29,0

6

9,9÷12,4

Quy luật biến thiên vận tốc gió theo chiều cao là quy luật logarit. Tính

chuyển VB ghi trong bảng sang chiều cao khác 6m theo công thức sau:

VBh  VB 6

ln(500h)
ln(3000)

Bảng 2.2. Giá trị hệ số lực cản không khí CAA [10]
Kiểu tàu

CAA

Tàu dầu, container, tàu khách

0,5÷1,0

Các tàu cao tốc

0,4÷0,6

Tàu khách chạy sông:
Với thƣợng tầng thông thƣờng

0,8÷0,9

Với thƣợng tầng thoát khí

0,4÷0,5

22

(2.3)