Thiết kế và tối ưu hóa sức cản của tàu dịch vụ hậu cần nghề cá bằng phương pháp bôi trơn bọt khí

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN................................................................................ 2
1.1.
Tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá ................................................................... 2
1.1.1. Thực trạng đội tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá của nƣớc ta hiện nay ......... 2
1.1.2.

Sự cần thiết phải phát triển tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá ........................ 4

1.2.

Sự cần thiết trong việc giảm sức cản tàu thủy và một số phƣơng pháp
giảm sức cản cho tàu ................................................................................ 6

1.2.1.

Khái quát chung về sức cản của tàu ......................................................... 6

1.2.2.

Sự cần thiết trong việc giảm sức cản cho tàu .......................................... 7

1.2.3.
1.3.

Một số phƣơng pháp giảm sức cản cho tàu ............................................. 9
Nghiên cứu giảm sức cản cho tàu bằng phƣơng pháp bôi trơn bọt khí . 15

1.3.1.

Khái quát chung ..................................................................................... 15

1.3.2.

Tạo bọt khí ............................................................................................. 15

1.3.3.

Tạo lớp màng khí ................................................................................... 16

1.3.4.

Tạo khoang khí ...................................................................................... 17

CHƢƠNG 2- THIẾT KẾ TÀU DỊCH VỤ HẬU CẦN NGHỀ CÁ ............... 19
2.1.
Yêu cầu kỹ thuật của tàu DVHC ........................................................... 19
2.1.1.

Yêu cầu về hình dáng, kích thƣớc ......................................................... 19

2.1.2.

Yêu cầu về vật liệu, kết cấu ................................................................... 19

2.1.3.

Vùng hoạt động, cấp tàu ........................................................................ 19

2.1.4.

Bố trí, trang thiết bị trên tàu ................................................................... 19

2.1.5.
2.2.

Điều kiện môi trƣờng thiết kế ................................................................ 19
Thiết kế tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá .................................................... 19

2.2.1.

Tính toán, xây dựng hình dáng và các thông số chính .......................... 20

2.2.2.

Xây dựng tuyến hình và bố trí chung của tàu ........................................ 21

2.2.2.1. Xây dựng tuyến hình .............................................................................. 21
2.2.2.2. Bố trí chung............................................................................................ 22
2.2.3. Tính toán tính năng của tàu.................................................................... 26


2.2.3.2. Tính toán các yếu tố tĩnh thủy lực của tàu ............................................. 27
2.2.3.3. Kiểm tra ổn định của tàu ........................................................................ 30
2.2.3.4. Tính toán Dung tích tàu ......................................................................... 50
2.2.3.5. Tính toán mạn khô ................................................................................. 51
2.2.3.6. Tính toán chân vịt .................................................................................. 54
2.2.4.

Tính toán kết cấu của tàu ....................................................................... 57

2.2.4.1. Vật liệu ................................................................................................... 57
2.2.4.2. Bố trí kết cấu .......................................................................................... 57
2.2.4.3. Quy cách ................................................................................................ 57
2.2.5. Tính toán hệ thống động lực của tàu...................................................... 61
2.2.5.1. Một số thông số chính về hệ thống động lực của tàu DVHC ................ 61
2.2.5.2. Tính toán lƣợng nhiên liệu dự trữ trên tàu ............................................. 61
2.2.6.

Hệ thống bảo quản sản phẩm trên tàu .................................................... 62

CHƢƠNG 3- TÍNH TOÁN GIẢM LỰC CẢN CHO TÀU BẰNG PHƢƠNG
PHÁP BÔI TRƠN BỌT KHÍ (TẠO KHOANG KHÍ) ................................... 64
3.1.
Tính toán sức cản của tàu thiết kế theo lý thuyết .................................. 64
3.2.

Tính toán sức cản của tàu bằng mô phỏng bài toán CFD phƣơng pháp
tạo khoang khí cho tàu ........................................................................... 72

3.2.1.
3.2.2.

Cơ sở lý thuyết ....................................................................................... 72
Nội dung mô phỏng ............................................................................... 78

3.2.2.1. Xây dựng mô hình tính toán .................................................................. 79
3.2.2.3. Xây dựng không gian tính toán.............................................................. 79
3.2.3.

Mô phỏng bài toán CFD (2D) để xây dựng hình dạng, kích thƣớc
khoang khí tối ƣu trong việc giảm sức cản cho tàu ............................... 80

3.2.3.1. Chia lƣới và thiết lập điều kiện tính toán ............................................... 80
3.2.3.2. Kết quả mô phỏng mô hình 2D .............................................................. 81
3.2.3.3. Đánh giá kết quả mô phỏng 2D ............................................................. 84
3.2.4.

Mô phỏng bài toán CFD (3D) ................................................................ 85

3.2.4.1. Mô hình 3D ............................................................................................ 85


3.2.4.2. Xây dựng không gian, chia lƣới, thiết lập điều kiện mô phỏng 3D ...... 86
3.2.4.3. Kết quả mô phỏng mô hình 3D .............................................................. 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 98


MỞ ĐẦU
Với vị trí địa lý nằm sát biển Đông và có bờ biển dài hơn 3000 km, Việt Nam có
điều kiện tự nhiên thuận lợi để phát triển kinh tế biển nói chung và phát triển công
nghiệp nghề cá nói riêng. Tuy nhiên, hiện nay ở nƣớc ta, tàu cá của ngƣ dân chủ yếu là
tàu vỏ gỗ, kích thƣớc nhỏ, khả năng dự trữ và nhiên liệu trên tàu rất hạn chế do đó gặp
nhiều khó khăn trong việc phát triển đội tàu cá xa bờ. Để giải quyết vấn đề này, hiện
nay Nhà nƣớc đã có nhiều chủ trƣơng phát triển tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá hiện đại
với khả năng cung ứng dữ trữ, nhiên liệu cho các tàu khai thác trên các vùng biển và
thu mua sản phẩm cho đội tàu này, nhằm tăng cƣờng khả năng bám biển nâng cao hiệu
quả sản xuất.
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa sức cản tàu dịch vụ hậu cần nghề cá

bằng phương pháp bôi trơn bọt khí” đƣợc đặt ra nhằm giải quyết hai vấn đề: Thứ nhất,
thiết kế và chế tạo tàu dịch vụ hậu cần vỏ thép với trang thiết bị hiện đại để đáp ứng
nhu cầu phát triển khai thác thủy sản ở nƣớc ta hiện nay. Thứ hai, nghiên cứu xây dựng
khoang khí dƣới đáy tàu (một trong những cách thức của phƣơng pháp bôi trơn bọt
khí) để giảm sức cản cho tàu, nhằm giảm chi phí nhiên liệu hoạt động và lƣợng khí thải
của tàu, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và góp phần làm giảm ô nhiễm môi trƣờng.
Luận văn đã đƣa ra một mẫu thiết kế tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá (DVHC) thỏa
mãn các yêu cầu kỹ thuật và phù hợp với thực tế sản xuất của ngƣ dân hiện nay. Sau
đó, bằng phƣơng pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng bài toán động học chất lỏng
(CFD) với một số mô hình khoang khí khác nhau, luận văn đƣa ra đƣợc những đánh
giá bƣớc đầu về hiệu quả của việc giảm sức cản cho tàu bằng cách thức tạo khoang khí
dƣới đáy tàu (một trong những biện pháp giảm sức cản cho tàu bằng phƣơng pháp bôi
trơn bọt khí đang đƣợc thế giới nghiên cứu áp dụng hiện nay), đồng thời cũng đƣa ra
đề xuất về hình dạng và kích thƣớc của khoang khí phù hợp để tối ƣu hóa sức cản cho
tàu đã thiết kế.

1


CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN
1.1.

Tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá

1.1.1. Thực trạng đội tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá của nƣớc ta hiện nay
Hiện nay, theo số liệu thống kê chƣa đầy đủ trên cả nƣớc có khoảng 123.000 tàu
hoạt động khai thác thủy sản [1]. Trong đó, có 2.073 tàu thu mua, dịch vụ hậu cần nghề
cá (DVHC) chiếm tỷ lệ rất nhỏ khoảng 1,68 % trong cơ cấu đội tàu (hình 1.1);

Hình 1.1 Tỷ lệ% tàu DVHC và tàu cá

Hình 1.2 Tỷ lệ % tàu DVHC theo khu vực

Phần lớn tàu DVHC ở nƣớc ta có chiều dài nhỏ hơn 20 mét, số tàu vỏ gỗ là
2042 tàu, chiếm 98,5 % tổng số tàu còn lại, có 03 tàu vỏ thép, 22 tàu vỏ composite, 01
tàu vỏ nhôm, 03 tàu vỏ nhựa và 02 tàu vỏ xi măng; chủ yếu là các tàu thu mua hoặc
kiêm nghề khai thác thủy sản, số lƣợng tàu làm nghề dịch vụ hậu cần hạn chế chiếm
khoảng 41% trong tổng số tàu thu mua và dịch vụ hậu cần [1].
Bảng 1.1 Số lượng tàu DVHC các tỉnh , thành phố ven biển
TT

CHIỀU DÀI(m)
ĐỊA
SỐ
PHƢƠNG TÀU <12 12÷<20 ≥20

CÔNG SUẤT(CV)
<50

50÷<90 90÷<250

≥250

NGHỀ KINH
DOANH
Thu
DVHC mua

1

Q.Ninh

58

22

34

2

14

19

17

8

13

45

2

H.Phòng

157

63

91

3

46

62

38

11

157

0

3

T.Bình

19

0

17

2

0

4

11

4

2

17

4

T.Hóa

122

0

84

38

0

0

33

89

23

99

5

Ng.An

14

0

10

4

8

0

1

5

14

0

2

CHIỀU DÀI(m)
TT
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

ĐỊA
SỐ
PHƢƠNG TÀU <12
Q.Bình
7
0
Q.Trị

20
0
TT-Huế
80
0
Đà Nẵng
4
0
Q.Nam
133
6
Q.Ngãi
148
13
B.Định
9
5
K.Hòa
285 153
N.Thuận
26
1
B.Thuận
105
6
BR-VT
41
2
TP. HCM
158

85
T. Giang
175
8
Bến Tre
76
7
Sóc Trăng
19
0
Trà Vinh
2
0
Bạc Liêu
19
0
Cà Mau
136
1
K. Giang
260
15
Tổng

2073

387

12÷<20 ≥20
7

0
20
0
71
9
0
4
127
0
133
2
3
1
130
2
25
0
32
67
14
25
63
10
96
71
50
19
8
11
0

2
13
6
106
29
158
87
1292

394

CÔNG SUẤT(CV)
<50 50÷<90 90÷<250
0
4
2
5
0
12
1
9
65
0
0
85
11
33
64
28
45

7
0
2
152
68
53
0
6
16
6
1
16
4
1
1
119
14
9
10
20
33
30
12
7
0
0
3
0
0
0

0
0
0
1
8
34
19
7
50
571

274

481

≥250
1
3
5
4
4
11
12
4
82
35
16
112
27
16

2
19
93
184
747

NGHỀ KINH
DOANH
Thu
DVHC mua
0
7
0
20
0
80
4
0
0
133
84
64
7
2
0
285
0
26
105
0

0
41
16
142
59
116
4
72
17
2
0
2
0
19
129
7
223
37
857

1216

(Nguồn: Tổng cục Thủy sản)
Số tàu dịch vụ hậu cần nghề cá và thu mua thủy sản phân bố theo vùng đƣợc thể
hiện qua biểu đồ (hình 1.2). Tàu dịch vụ hậu cần ở các tỉnh phía Bắc ít phát triển hơn
(18,29%), khu vực Miền Trung phát triển nhất (34,01%), Miền Đông và Tây Nam bộ
phát triển đều hơn, chiếm tỷ lệ gần nhƣ nhau (26,77% – Đông Nam Bộ, 22,03% - Tây
Nam Bộ); điều này phản ánh thực tế là khu vực phía Bắc nhiều tàu nhỏ, hoạt động ven
bờ, ngƣ trƣờng chủ yếu là khu vực Vịnh Bắc Bộ, các khu vực khác có ngƣ trƣờng rộng
và xa hơn, có nhiều tàu lớn hơn nên có điều kiện để phát triển tàu dịch vụ hậu cần.

Tàu thu mua, dịch vụ hậu cần nghề cá trên biển phần nhiều là các tàu cá kiêm
nghề, việc trang bị các trang thiết bị phục vụ hoạt động thu mua, dịch vụ hạn chế; đặc
biệt là trang bị hệ thống lạnh bảo quản sản phẩm; chỉ một số ít tàu thu mua, dịch vụ hậu

3


cần trên biển có trang bị hệ thống lạnh với hầm cấp đông đến nhiệt độ - 450c, hầm bảo
ôn đến nhiệt độ -300c nhƣ: Thanh Hóa, Bình Thuận.
Nhìn chung, tàu thu mua, dịch vụ hậu cần nghề cá tại các địa phƣơng trên cả
nƣớc, quy mô hoạt động còn nhỏ lẻ hiện chỉ đáp ứng phần nào nhu cầu thu mua trên
biển và cung cấp dịch vụ cho tàu đánh cá; các tàu thu mua chủ yếu là kiêm nghề, một
số ít là tàu dịch vụ hậu cần; phần lớn là các tàu vỏ gỗ, kích thƣớc nhỏ, do đó thiếu
không gian cần thiết để có thể trang bị hệ thống bảo quản sản phẩm sau thu hoạch hiện
đại; không có tàu chuyên dùng thu mua và chế biến trên biển.
1.1.2. Sự cần thiết phải phát triển tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá
Từ thực tế sản xuất tại các địa phƣơng, phát triển tàu dịch vụ hậu cần trên biển
trong thời gian tới là xu hƣớng tất yếu vì nhiều lý do:
Thứ nhất: Hiện nay nguồn lợi hải sản ngày càng cạn kiệt, để đảm bảo khai thác
đủ sản lƣợng trên một chuyến biển, các tàu cá phải hoạt động xa bờ hơn, dài ngày hơn.
Thứ hai: Giá xăng dầu và các chi phí khác ngày càng biến động, đến thời điểm
hiện tại tuy có giảm nhƣng vẫn ở mức cao, trong khi giá sản phẩm không tăng hoặc có
xu hƣớng giảm; để nâng cao chất lƣợng sản phẩm từ đó nâng cao giá thành cần phải có
các biển pháp bảo quản sản phẩm sau thu hoạch hiệu quả, đáp ứng nhu cầu của tiêu thụ
trong nƣớc và xuất khẩu.
Thứ ba: việc hình thành các tổ đội, hợp tác xã, tập đoàn khai thác thủy sản trên
biển là động lực để các tổ chức, các doanh nghiệp liên kết phát triển tàu dịch vụ hậu
cần trên biển.
Hiện nay, Nhà nƣớc đã có chủ trƣơng phát triển tàu dịch vụ hậu cần nghề cá qua
một số chính sách và văn bản nhƣ: Quyết định số 63/2010/QĐ-TTg ngày 15/10/2010

về chính sách hỗ trợ nhằm giảm tổn thất sau thu hoạch đối với nông sản, thủy sản;
Quyết định số 65/2011/QĐ-TTg ngày 02/12/2011 về chính sách hỗ trợ nhằm giảm tổn
thất sau thu hoạch đối với nông sản, thủy sản trong đó có hỗ trợ: “Máy móc, thiết bị
dùng cho sản xuất giống thủy sản; vật tƣ; thiết bị xây dựng, cải tạo các ao (hồ) nuôi

4


thủy sản; thiết bị, phƣơng tiện phục vụ nuôi trồng, thu hoạch và vận chuyển thủy sản;
thiết bị làm lạnh, cấp đông, thiết bị sản xuất nước đá trên tàu cá, hầm bảo quản phục
vụ khai thác dài ngày trên biển”. Với mức tiền vay tối đa để mua máy móc, thiết bị sản
xuất trong nƣớc bằng 100% giá trị hàng hóa, ngân sách nhà nƣớc hỗ trợ 100% lãi suất
trong 2 năm đầu, từ năm thứ 3 là 50% lãi suất.
Theo Đề án tổ chức lại sản xuất trong khai thác hải sản vừa đƣợc Thủ tƣớng
Chính phủ phê duyệt ngày 01/3/2013; định hƣớng giai đoạn 2013 đến 2015: “Khoảng
25 đến 30 % tàu cá khai thác hải sản trên các vùng biển hoạt động theo các mô hình
liên kết; trong đó, 65 đến 70% tàu cá hoạt động ở vùng khơi được tổ chức lại sản xuất
theo mô hình có tàu dịch vụ nghề cá trên ngư trường”, đề án đã đề xuất nhiều giải pháp
triển khai thực hiện; trong đó có giải pháp “nghiên cứu, xây dựng cơ chế, chính sách
đóng tàu vỏ sắt thay thế tàu vỏ gỗ và thay máy mới”.
Trên cơ sở các chủ trƣơng của Nhà nƣớc về phát triển tàu dịch vụ hậu cần nghề
cá, các địa phƣơng đã hình thành các chính sách hỗ trợ ngƣ dân đóng tàu dịch vụ hậu
cần; một số doanh nghiệp, cá nhân đã đóng tàu vỏ thép để phát triển loại hình thu mua,
dịch vụ hậu cần trên biển. Qua nghiên cứu trao đổi thực tế với các cán bộ làm công tác
quản lý thủy sản tại địa phƣơng và ngƣ dân, phát triển tàu dịch vụ hậu cần phải thỏa
mãn các yêu cầu sau:
- Phải là tàu vừa thu mua vừa cung cấp các dịch vụ hậu cần nhƣ: Dầu đốt, nƣớc,
đá bảo quản, lƣơng thực, y tế, vv...
- Tàu phải đƣợc trang bị các hệ thống đông lạnh bảo quản sản phẩm hiên đại,
mới đảm bảo tính cạnh tranh với các loại hình tàu dịch vụ, thu mua, vận chuyển sản

phẩm hiện nay.
- Khu vực hoạt động phải ở những vùng biển xa vì khu vực gần bờ hơn đã có
nhiều tàu, với nhiều loại hình dịch vụ hậu cần, thu mua, vận chuyển hải sản tuy còn thô
sơ nhƣng ở một số địa phƣơng ít nhiêu đã đảm bảo hoạt động thu mua từ các tàu khai
thác.

5


- Phải có trọng tải lớn: từ 150 tấn trở lên...
Để đáp ứng các yêu cầu trên, cần thiết phải có các mẫu thiết kế tàu Dịch vụ hậu
cần vỏ thép với kích thƣớc và trang thiết bị hiện đại đặc biệt là hệ thống bảo quản sản
phẩm sau thu hoạch, hơn nữa tàu có trọng tải lớn và đủ khả năng hoạt động trên các
vùng biển xa.
Luận văn sẽ xây dựng và đề xuất 01 mẫu thiết kế tàu DVHC với chiều dài 34.80
mét, chiều rộng 7.2 mét, mớn nƣớc 2.65 mét, trọng tải trên 400 tấn...đã đáp ứng đƣợc
các yêu cầu trên. Chi tiết về mẫu thiết kế này sẽ đƣợc trình bày cụ thể trong Chƣơng 2.
1.2.

Sự cần thiết trong việc giảm sức cản tàu thủy và một số phƣơng pháp giảm
sức cản cho tàu

1.2.1. Khái quát chung về sức cản của tàu
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 lƣờng 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 1.2):
Bảng 1.2 Các thành phần sức cản [10]
Sức cản toàn bộ RT
Sức cản bổ sung
RA

Sức cản vỏ tàu
Sức cản nhớt RV
Sức cản ma sát Rf
Sức cản ma sát Rf

Sức cản sóng RW

Sức cản hình dáng RP

Sức cản sóng RW

Sức cản dƣ Rr

6


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 là 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.
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)

1.2.2. Sự cần thiết trong việc giảm sức cản cho tàu
Nhƣ đã 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 1000 đến 5000 lít/giờ,
lƣợng tiêu thụ dầu đốt trên tàu này có thể nói nhiều hơn lƣợng dầu dùng đển sƣởi ấm
trong cả năm cho một gia đình. Chi phí nhiên liệu cho một chiếc phà lớn chạy liên tục
20 giờ/ngày trong một năm có thể lên đến hàng triệu đôla [7]. 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 lƣợng nhỏ dù là một vài phần trăm tiêu thụ nhiên liệu trên tàu
cũng có ý nghĩa rất lớn trong vấn đề tiết kiệm chi phí vận hành khai thác của tàu trong

7


cả năm. Dƣới đây là 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 lƣợng tàu, loại động
cơ, chân vịt…;
- Số lƣợng máy chính;

- Tốc độ tàu;
- Dòng chảy, sóng, gió (hƣớng và lực tác động);
- Mớn nƣớc của tàu (phụ thuộc vào lƣợng hàng hóa);
Một số biện pháp kỹ thuật đƣợc để đạt đƣợc hiệu quả trong việc giảm lƣợng tiêu
thụ nhiên liệu trên tàu (hình 1.3):

Hình 1.3 Một số biện pháp giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu trên 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.

8


1.2.3. Một số phƣơng pháp giảm sức cản cho tàu
Khi tàu chạy, hầu nhƣ toàn bộ năng lƣợng 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 ý nghĩa lớn trong việc giảm tiêu hao nhiên liệu từ đó
giảm đƣợc chi phí vận hành tăng hiệu quả khai thác của tàu, giảm lƣợng 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 là điều quan trọng. Đối với các vật thể dễ thoát nƣớc chú ý 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 là độ nhám do việc quét sơn, 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 làm tăng lƣợng tiêu hao nhiên
liệu. Việc làm sạch định kỳ sẽ cải thiện đƣợc tình trạng này, nếu nhƣ không thể đƣa tàu
lên triền đà hoặc vào ụ thƣờng xuyên, việc làm sạch chân vịt bằng thợ lặn cũng tỏ ra có
hiệu quả nhất định (hình 1.4).

9


Hình 1.4 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
Polyme 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 rằng các
phân tử Polime bị kéo căng trong lớp biên rối bởi dòng chảy kết quả làm tăng độ nhớt
cục bộ đã làm giảm sức cản chung trên toàn bộ bề mặt vỏ tàu, những nghiên cứu gần
đây đã cho thấy các phân tử Polyme còn có tác động vào sự phân bố xoáy trong dòng
chảy từ đó làm 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 bằng cách phun khí tạo lớp phủ không thấm
nƣớc. Cả ba phƣơng pháp đều đã chứng mình là có khả năng giảm một lƣợng sức cản
cho tàu một cách hiệu quả. Hiệu quả giảm sức cản trong vấn đề này là công suất đẩy
tàu đã 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, biện pháp này sẽ đƣợc nói rõ hơn trong phần sau.

10


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 1.5). 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 1.5 Cải tiến hình dáng thân tàu để giảm sự tách lớp biên
Dƣới đây là 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 [9]:

Trƣớc

Sau
Hình 1.6 Cải tiến phần đỡ ống bao trục chân vịt

11


Hình 1.7 Cải tiến vây giảm lắc theo dạng sóng trên tàu

Hình 1.8 Cải tiến bánh lái theo dạng khí động học

Hình 1.9 Cải tiến hình dạng các tấm kẽm chống ăn mòn lắp trên tàu

12

Hình 1.10 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.

Hình 1.11 Nguyên lý hệ thống đệm khí trên tàu
Việc thay đổi số Fr theo hƣớng có lợi khi giữ nguyên tốc độ chuyển động bằng
cách thay đổi chiều dài tàu. Việc giảm đột ngột hoặc triệt tiêu hoàn toàn sức cản sóng

13


khi đƣa chuyển động vào số Fr > 1.0, các chế độ này là chế độ nổi tĩnh bằng chế độ
lƣớt, hay nói cách khác là dùng tàu cánh ngầm hoặc tàu đệm khí (hình 1.11).
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 lê nhƣ sau (hình 1.12):
Sóng sinh ra khi tàu chạy

Hình 1.12 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 lê, các tàu cá đa số là kích thƣớc nhỏ nên số lƣợng tàu cá lắp mũi quả lê là rất ít,
một số nƣớc có nghề ca phát triển nhƣ Nhật Bản, Hàn Quốc… đã sử dụng mũi tàu quả
lê trên tàu cá (hình 1.13):

Hình 1.13 Tàu cá mũi quả lê ở Nhật Bản

14

1.3.

Nghiên cứu giảm sức cản cho tàu bằng phƣơng pháp bôi trơn bọt khí

1.3.1. Khái quát chung
Bôi trơn bọt khí là một trong những phƣơng pháp hiệu quả trong việc làm giảm
sức cản ma sát của tàu, thành phần chiếm khoảng 70% tổng sức cản của tàu đối với các
tàu chạy chậm. Các nghiên cứu về phƣơng pháp bôi trơn bọt khí trên thế giới tập trung
theo 3 cách thức sau: phun bọt khí, tạo khoang khí và tạo lớp màng khí.
1.3.2. Tạo bọt khí
Theo cách thức này, dòng khí đƣợc phun liên tục qua bộ tạo khí vào lớp biên
đƣợc hình thành dọc theo chiều dài thân tàu. Việc nghiên cứu lý thuyết để giải thích
việc giảm sức cản ma sát theo phƣơng pháp này hiện nay vẫn hạn chế, các kết quả đạt
đƣợc chủ yếu là nghiên cứu thực nghiệm. Đến nay, đã có rất nhiều thử nghiệm của các
nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành để nghiên cứu hiệu quả giảm lực cản bằng
phƣơng pháp phun bọt khí đối với các mô hình khác nhau, các nghiên cứu đã cho thấy
lực cản ma sát giảm theo từng điều kiện phun khí tối ƣu tƣơng ứng, phụ thuộc tuyến
hình của tàu vị trí đặt lỗ phun phía trƣớc (mũi tàu) thƣờng cho hiệu quả giảm lực cản
cao hơn khi đặt phía sau. Với bọt khí có kích thƣớc nhỏ các thí nghiệm đã cho thấy có
thể giảm tới 80% lực cản ma sát trên tấm phẳng.
Việc nghiên cứu phƣơng pháp phun bọt khí không chỉ đƣợc thực hiện trong các
bể thử mô hình thí nghiệm mà đã đƣợc tiến hành trên tàu thực: thí nghiệm phun khí
cho tàu thực của các nhà khoa học Nhật Bản thực hiện trên tàu Pacific seagull với
chiều dài 126 m đã thu đƣợc kết quả với tổng sức cản của tàu giảm khoảng 11% [2].
Thử nghiệm của hãng Mitsubishi trên mô hình và xác thực lại trên tàu hàng rời có
chiều dài 162 mét, vận tốc 13.25 hải lý/giờ đã cho kết kết quả giảm 680 kW công suất
đẩy trong khi công suất thiết bị phun bọt khí chỉ 211 kW tức là hiệu quả giảm công
suất đẩy là 469 kW (khoảng 12%) khi phun lớp bọt khí chiều dày 7 mm, hiệu quả trên
giảm chỉ đạt 10% và 8% khi chiều dày lớp bọt khí giảm còn 5 mm và 3 mm [8].

15


Đặc điểm của phƣơng pháp này chi phí ít, có tính khả thi cao thích hợp với các
tàu đáy phẳng cỡ lớn. Tuy nhiên, việc tính toán, chế tạo bộ tạo bọt khí với kích thƣớc
phù hợp và duy trì lƣợng bọt khí bám trên bề mặt vỏ tàu là phức tạp, hơn nữa trong quá
trình hoạt động bọt khí nhỏ có khả năng kết hợp thành bọt khí có kích thƣớc lớn cũng
có thể làm giảm hiệu quả giảm sức cản cho tàu. Việc tính toán thiết kế để bọt khí
không ảnh hƣởng đến hiệu suất chân vịt cũng là vấn đề khó khăn.
Minh họa cho phƣơng pháp pháp phun bọt khí nhƣ trên hình 1.14.

Hình 1.14 Minh họa phương pháp tạo bọt khí
1.3.3. Tạo lớp màng khí
Có thể coi tạo lớp màng khí là sự kết hợp giữa phun bọt khí và tạo khoang khí.
Mục đích của việc tạo lớp màng khí là kết hợp các bọt khí đƣợc phun ra thành một lớp
màng khí mỏng bao quanh đáy tàu. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng lớp bọt khí với khoảng
0.5mm chiều dày có thể đem lại hiệu quả làm giảm tới 90% sức cản tác dụng lên bề
mặt [3]. Tuy nhiên, việc tạo một lớp màng khí ổn định trong thực tế là rất khó khăn vì
trong quá trình hoạt động tàu chịu nhiều tác động của dòng chảy nhƣ sóng, xoáy; khi
tàu nghiêng việc duy trì một lớp màng khí nhƣ vậy là rất khó khăn đặc biệt là trong các
dòng có số Reynolds cao. Khi lớp màng khí không ổn định có thể làm tăng sức cản ma
sát của tàu.

16


1.3.4. Tạo khoang khí
Theo cách thức này khí đƣợc điền đầy vào các khoang đặc biệt ra ở phần đáy
tàu dễ dàng tạo thành 01 lớp không khí ổn định dƣới đáy tàu làm tách một phần đáng
kể đáy tàu tiếp xúc của nƣớc dẫn đến làm giảm sức cản của tàu (hình 1.15):

Hình 1.15 Minh họa phương pháp tạo khoang khí dưới đáy tàu
Phƣơng pháp này dựa trên cơ sở việc sử dụng thành công hệ thống thổi khí dƣới
đáy tàu để giảm sức cản. Tàu 02 thân SeaCoaster [7] (hình 1.16) là một tàu hai thân lai
giữa tàu hai thân thông thƣờng với một thủy phi cơ, với sự hỗ trợ của hệ thống trên,
công suất đẩy yêu cầu chỉ bằng 60% một tàu hai thân bình thƣờng.

Hình 1.16 Khoang khí trên tàu hai thân SeaCoaster

17


Một trong những lợi thế của việc tạo khoang khí là lƣợng khí cấp vào ít hơn
nhiều so với việc thổi khí liên tục để duy trì nhƣ hệ thống trên tàu SeaCoaster (khoảng
10 lần). Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng công suất trích từ động cơ đẩy để thực hiện cấp
khí cho khoang chỉ chiếm 3% trong khi hiệu quả giảm sức cản có thể đạt đƣợc 25%.
Hiệu quả của cách làm này phụ thuộc nhiều vào tính chất dòng chảy qua khoang khí.
Rất nhiều kết quả thí nghiệm theo cách thức trên đã đƣợc thực hiện trong đó đáng chú
ý là dự án PELS-I với kết quả làm giảm khoảng 20% sức cản ma sát của mô hình thí
nghiệm [3]. Do tác động trực tiếp đến kết cấu phần đáy tàu do đó nếu sử dụng cách làm
này cần có phƣơng án kết cấu hợp lý.
Luận văn sẽ sử dụng phƣơng pháp tạo khoang khí để nghiên cứu giảm sức cản
cho tàu thiết kế ở chƣơng sau (do tàu có kích thƣớc trung bình, hệ số béo lớn, và đáy
tƣơng đối phẳng), nếu dùng phƣơng pháp phun bọt khí lƣợng khí sẽ dễ bị thất thoát
nhiều hơn. Việc tính toán thiết kế kết cấu (hình dạng, kích thƣớc) khoang khí và áp
suất và lƣợng cấp bù không khí bị thất thoát trong khoang là cần thiết để có thể đảm
bảo hiệu quả của cách thức này trong việc giảm sức cản cho tàu thiết kế.

18

CHƢƠNG 2- THIẾT KẾ TÀU DỊCH VỤ HẬU CẦN NGHỀ CÁ

2.1.

Yêu cầu kỹ thuật của tàu DVHC

2.1.1. Yêu cầu về hình dáng, kích thƣớc
Yêu cầu chung đối với một tàu DVHC là tàu phải có các khoang chứa hàng (cá,
dầu, nƣớc…) lớn, do đó hệ số béo CB của tàu DVHC thƣờng từ 0.6 đến 0.7; chiều dài
tàu ở mức trung bình từ 30÷40 m sẽ phù hợp với điều kiện kinh tế của ngƣ dân hiện
nay; vận tốc tàu từ 10 ÷ 12 hải lý/giờ để rút ngắn thời gian thu mua trên biển, và thời
gian đi, về của tàu từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế trong quá trình khai thác.
2.1.2. Yêu cầu về vật liệu, kết cấu
Tàu đóng bằng vật liệu thép, kết cấu hàn.
2.1.3. Vùng hoạt động, cấp tàu
- Vùng hoạt động: Vùng biển Việt Nam.
- Cấp tàu: Cấp hạn chế I
- Tàu thiết kế thỏa mãn các tiêu chuẩn sau: TCVN 6718:2000 [11], Quy phạm
QCVN 21/2010/BGTVT [12].
2.1.4. Bố trí, trang thiết bị trên tàu
Trên tàu bố trí trang thiết bị bảo quản sản phẩm hiện đại (hệ thống cấp đông,
bảo quản lạnh) nhằm tăng chất lƣợng sản phẩm khai thác thu mua trên biển, dự trữ trên
tàu phải đáp ứng thời gian hoạt động dài (khoảng 15-20 ngày)…
2.1.5. Điều kiện môi trƣờng thiết kế
Máy móc, trang thiết bị của tàu đƣợc thiết kế và hoạt động trong điều kiện nhiệt
đới của vùng biển Việt Nam và Quốc tế với các thông số về môi trƣờng nhƣ sau:
-

Nhiệt độ môi trƣờng + 40oC ; Nhiệt độ trung bình nƣớc biển : tới + 25oC

- Độ ẩm tƣơng đối của không khí : tới 90%
2.2.

Thiết kế tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá

19


2.2.1. Tính toán, xây dựng hình dáng và các thông số chính
Theo số liệu thống kê tàu DVHC nƣớc ta hiện nay có chiều dài từ 25 ÷ 30 mét,
kích thƣớc này so với tàu khai thác nhìn chung là lớn hơn. Tuy nhiên nhƣ đã trình bày
ở Chƣơng 1, số tàu DVHC hiện nay chủ yếu là tàu vỏ gỗ nên kích thƣớc hạn chế trong
khi xu hƣớng phát triển đòi hỏi chiều dài tàu phải lớn hơn. Do vậy, luận văn đề xuất
chiều dài tàu DVHC từ 30÷35 mét, với kích thƣớc này tàu có thể trang bị máy chính
với công suất lớn hơn, dung tích các khoang chứa hàng lớn hơn... mà vẫn phù hợp với
điều kiện kinh tế cũng nhƣ thực tế khai thác thủy sản của ngƣ dân hiện nay.
Tàu DVHC có hệ số béo lớn nên tỷ lệ chiều dài với chiều rộng tàu L/B không
lớn thƣờng từ 3.8÷4.8, do tính chất đặc thù của loại tàu này khác với các tàu khai thác
thủy sản nên yêu cầu về khả năng quay trở không cao. Với chiều dài đề xuất là từ
35÷40 mét và tỷ lệ L/B nhƣ trên, chiều rộng B của tàu đề xuất từ 7.0 ÷ 8 m.
Các tỷ lệ hình học khác của tàu DVHC nhƣ chiều rộng với chiều cao mạn B/D
thƣờng từ 2.0÷2.5, tỷ lệ chiều cao mạn với chiều chìm D/T từ 1.2÷1.5; hệ số béo CB
thƣờng từ 0.60 ÷0.67, CW thƣờng từ 0.8÷0.82...
Ta có thể tính toán sơ bộ một số kích thƣớc chính của tàu nhƣ sau:
Từ phƣơng trình xác định lƣợng chiếm nƣớc:
=

Pn

D

Trong đó: trọng tải Pn = 280 tấn, D - Hệ số lợi dụng lƣợng chiếm nƣớc theo
trọng tải. Tàu vận tải cỡ nhỏ và cỡ trung D = (0,57  0,7), chọn : D = 0.64 ta có:
=

Pn

D

=

280
= 430 tấn.
0.65

Dựa vào một số mẫu tàu DVHC hiện nay và số liệu thống kê nhƣ trên ta chọn sơ
bộ một số tỷ lệ hình học chính của tàu thiết kế nhƣ sau: CB =0,68; L/B = 4.5; B/T =
2.7; D/T= 1.32. Khi đó từ phƣơng trình sức nổi  = kCB LBT, ta biến đổi thành :

20


L L
L.B. .B.
L3
B B = kCB .
 = kCB .
2
L L B

L B
. .
  .
B B T
B T
2

L B
.  .
B T =
Do đó: L = 3
k .C B

3

430.4,52.2,7
= 32.20 (m), chọn L = 32 (m)
1,01.1,025.0,68

Trong đó: k: hệ số dự trữ lƣợng chiếm nƣớc,  trọng lƣợng riêng của nƣớc biển.
B=

L = 32 = 7.11 (m) Chọn B = 7.2 m
4 .5
L/B

T= B

=

B/T

7 .2
= 2,66 (m) Chọn T = 2.65 m
2,7

D = T . D = 2.65 .1,32 = 3.498 (m), chọn D = 3.5 m
T

2.2.2. Xây dựng tuyến hình và bố trí chung của tàu
2.2.2.1.

Xây dựng tuyến hình

Sau khi tính toán các kích thƣớc sơ bộ dựa trên tuyến hình một số tàu mẫu hiện
có, hình dáng 3D bề mặt tàu DVHC đƣợc xây dựng, chỉnh trơn bằng phần mềm
Autoship (phần mềm chuyên dụng trong thiết kế tàu) hình 2.1. Tuyến hình của tàu ở
dạng file Cad đƣợc thể hiện nhƣ bản vẽ A3 kèm theo:

Hình 2.1 Dựng bề mặt vỏ tàu trên phần mềm AutoShip

21


Bản vẽ (2D) và bảng trị số tuyến hình đƣợc xuất ra file AutoCad, để phục vụ
tính toán thiết kế các phần tiếp theo.
2.2.2.2.

Bố trí chung

Các trang thiết bị trên tàu đƣợc bố trí để đảm bảo hoạt động của tàu cho 12
ngƣời trong 20 ngày: tàu đƣợc bố trí 02 két dầu đốt có tổng dung tích 35m3, 02 két
nƣớc ngọt phía mũi và 02 két nƣớc ngọt phía lái có tổng dung tích 30 m3…Để thực
hiện chức năng của một tàu dịch vụ tàu đƣợc bố trí: 01 khoang dầu hàng có dung tích
60 m3 để cung ứng cho các tàu khai thác thủy sản khác trên biển; Các sản phẩm thu
mua trên biển sau khi chế biến làm sạch đƣợc đƣa ngay vào khoang cấp đông có dung
tích 30 m3 làm lạnh tới -40oC sau đó đƣợc bảo quản trong 02 khoang cá đá tổng dung
tích 90m3, các khoang cá này đƣợc bố trí dƣới boong chính khu vực phía giữa tàu. Để
đảm bảo giữ lạnh cho khoang chứa cá, xung quanh khoang có phun foam để cách nhiệt,
trong khoang chứa cá có bố trí đèn chiếu sáng. Mặt bên trong khoang cá có phủ nhôm
hoặc thép không gỉ, bề mặt sàn của khoang chứa cá có lót gỗ cứng chống trƣợt hoặc
tấm PVC chống trƣợt. Ngoài việc cung cấp nhiên liệu, tàu còn bố trí 01 khoang hàng
khô để cung cấp nhu yếu phẩm nhƣ lƣơng thực, thực phẩm cho tàu khác và để chứa
các sản phẩm khô (cá, mực khô…). Cụ thể nhƣ sau:
Suốt chiều dài tàu dƣới boong chính chia làm 09 vách ngang kín nƣớc tại các
sƣờn: #5, #20, #23, #30, #35, #43, #51, #56, #59.
Theo chiều cao gồm các boong: Boong chính, boong cứu sinh và nóc lầu lái.
Bố trí dƣới boong chính
Từ vách đuôi- Sƣờn 2: Bố trí buồng máy lái ở giữa, hai bên bố trí 02 két nƣớc
ngọt lái (trái, phải);
Sƣờn 2- Sƣờn 5: Bố trí két nƣớc thải ở giữa, hai bên bố trí 02 két nƣớc dằn lái
(trái, phải). Phía dƣới là hầm trục;
Sƣờn 5 - Sƣờn 16: Bố trí két dầu trực nhât; Bố trí 02 két dầu DO (trái, phải); Bố
trí két dầu DO (P); Bố trí sàn 2000;

22