Ứng dụng lý thuyết CFD (Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
______________________________________

LÊ VĂN TOÀN

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT CFD
(COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS)
XÁC ĐỊNH SỨC CẢN TÀU CÁ VỎ GỖ VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KHÁNH HÒA – 2017


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
DANH MỤC KÝ HIỆU................................................................................................ vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................... x
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .....................................................................................xiii
MỞ ĐẦU

.................................................................................................................... 1

1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI ..................................................................................... 1
2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI........................ 3
2.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài ..................................................................................... 3
2.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ..................................................................................... 3

3. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...................................... 4
3.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 4
3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................................ 4
4. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................... 5
4.1. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 5
4.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................ 6
Chương 1:

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ............................................ 7

1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI ..................................................... 7
1.1.1. Mô hình tàu Wigley và phương pháp số của Michell ........................................... 9
1.1.2. Phương pháp phần tử biên - BEM (Boundary Element Method) ....................... 13
1.1.3. Phương pháp Panel ............................................................................................. 16

iii


1.1.4. Phương pháp RANS (Reynold Average Navier-Stoke) ..................................... 20
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC ...................................................... 33
1.3. NHẬN XÉT CHUNG ............................................................................................ 37
1.3.1. Về mẫu tàu tính toán ........................................................................................... 37
1.3.2. Về mô hình tính và phương pháp giải................................................................. 37
1.3.3. Về công cụ giải ................................................................................................... 38
1.3.4. Về kết quả và độ chính xác của kết quả tính....................................................... 39
1.4. ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU ............................................................................ 40
Chương 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 41

2.1. SỨC CẢN TÀU THỦY ......................................................................................... 41
2.1.1. Các thành phần sức cản....................................................................................... 41
2.1.2. Bản chất của các thành phần sức cản .................................................................. 43
2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CFD .................................................................................... 53
2.2.1. Khái quát về CFD ............................................................................................... 53
2.2.2. Các phương trình chủ đạo ................................................................................... 54
2.2.3. Phương trình RANS ............................................................................................ 59
2.2.4. Mô hình dòng chảy rối ........................................................................................ 61
2.3. THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH GIẢI CÁC PHƯƠNG TRÌNH RANS ............ 66
2.3.1. Thuật toán giải theo phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) ............................... 66
2.3.2. Thuật toán giải .................................................................................................... 73
2.3.3. Mã nguồn mở OpenFoam ................................................................................... 78
Chương 3:

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................... 80

3.1. LỰA CHỌN MẪU TÀU TÍNH TOÁN................................................................. 82
3.1.1. Mẫu tàu M1317A ................................................................................................ 82
3.1.2. Mẫu tàu M1319 ................................................................................................... 84
iv


3.2. PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG HỌC LOẠI TÀU TÍNH TOÁN ......... 86
3.3. THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG DÒNG LƯU CHẤT ................. 91
3.3.1. Thuật toán giải bài toán mô phỏng dòng lưu chất bao xung quanh thân tàu ...... 91
3.3.2. Lập trình giải trên OpenFOAM .......................................................................... 95
3.4. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA LỜI GIẢI BÀI TOÁN TÍNH SỨC CẢN .....
BẰNG CFD PHÙ HỢP VỚI LOẠI TÀU ĐANG TÍNH ............................................. 97
3.4.1. Xây dựng mô hình hình học 3D vỏ tàu ............................................................... 98
3.4.2. Xác lập không gian miền tính toán ................................................................... 111

3.4.3. Rời rạc hóa không gian tính toán và mô hình hình học vỏ tàu ......................... 118
3.4.4. Thiết lập điều kiện ban đầu và điều kiện biên .................................................. 125
3.5. TÍNH TOÁN CHO CÁC MẪU TÀU THỰC NGHIỆM M1317A VÀ M1319 .. 131
3.5.1. Tính toán trường dòng chất lỏng bao xung quanh tàu ...................................... 131
3.5.2. Tính lực thủy động và mômen thủy động ......................................................... 136
3.5.3. Tính và xây dựng đường cong sức cản ............................................................. 140
Chương 4:

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN ......................................... 148

4.1. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ...................................................................................... 148
4.1.1. Đánh giá kết quả tính sức cản ........................................................................... 148
4.1.2. Đặc điểm của các thành phần sức cản .............................................................. 150
4.2. KẾT LUẬN .......................................................................................................... 154
4.2.1. Về file hình học bề mặt vỏ tàu .......................................................................... 154
4.2.2. Lời giải CFD của bài toán xác định sức cản tàu cá Việt Nam .......................... 154
4.2.3. Đặc điểm của các thành phần sức cản của mẫu tàu cá vỏ gỗ Việt Nam ........... 155
4.2.4. Đặc điểm trường dòng và giá trị vận tốc khai thác, vận tốc giới hạn hợp lý .... 155
4.2.5. Độ tin cậy của kết quả nghiên cứu .................................................................... 156
4.3. KHUYẾN NGHỊ.................................................................................................. 162
v


DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ ................................. 163
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 164
PHỤ LỤC

..................................................................................................................I.1

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các thông số chính của tàu DTMB-5415 ..................................................... 21
Bảng 1.2. Các thông số chính của tàu ........................................................................... 22
Bảng 1.3. Thông số kích thước tàu ............................................................................... 23
Bảng 1.4. Giá trị hệ số sức cản CT, CR, CF tại Fn = 0.26 .............................................. 25
Bảng 1.5. Các thông số chính của tàu container ........................................................... 28
Bảng 1.6. Giá trị sức cản mẫu tàu tính toán .................................................................. 30
Bảng 1.7. Các thông số kỹ thuật chính của tàu container KCS .................................... 31
Bảng 2.1. Các hằng số của mô hình SST ...................................................................... 65
Bảng 3.1. Các thông số hình học của mẫu tàu M1317A............................................... 82
Bảng 3.2. Kết quả thử nghiệm kéo trên nước tĩnh và khi chuyển đổi sang tàu thật của
mô hình tàu M1317A ở chế độ d = 1.23 m. .................................................................. 83
Bảng 3.3. Các thông số hình học của mẫu tàu M1319 ................................................. 84
Bảng 3.4. Kết quả thử nghiệm kéo trên nước tĩnh và khi chuyển đổi sang tàu thật của
mô hình tàu M1319 ở chế độ d = 0.74 m ...................................................................... 85
Bảng 3.5a. Đặc điểm hình học tàu cá Việt Nam phân theo nghề khai thác .................. 86
Bảng 3.5b. So sánh thông số Fn, CB, Lpp của tàu chở hàng chạy biển thông thường và
tàu cá vỏ gỗ Việt Nam .................................................................................................. 88
Bảng 3.6. So sánh các thông số hình học của mẫu tàu M1317A và mô hình dựng trong
phần mềm Autoship. ................................................................................................... 105
Bảng 3.7. So sánh các thông số hình học cơ bản của mẫu tàu M1319 và mô hình mẫu
tàu dựng trong phần mềm Autoship............................................................................ 108
Bảng 3.8. Đặc điểm lớp lăng trụ nằm gần lớp biên tường trong bài toán mô phỏng mô
hình tàu M1317A đang xét. ........................................................................................ 122
Bảng 3.9. Giá trị các hệ số rối của tàu M1317A ......................................................... 128
xi

Bảng 3.10. Giá trị các hệ số rối của tàu M1319 .......................................................... 128
Bảng 3.11. Đặc tính của biên ...................................................................................... 130
Bảng 3.12. Tính chất vật lý chất lỏng tại biên ............................................................ 130
Bảng 3.13. Lực và mômen thủy động mẫu tàu M1317A tại Fn = 0.329 .................... 136
Bảng 3.14. Lực và mômen thủy động của mẫu tàu M1319 tại Fn = 0.396 ................ 137
Bảng 3.15. Kết quả tính chuyển sức cản tàu M1317A và so sánh thực nghiệm ......... 143
Bảng 3.16. Kết quả tính chuyển sức cản tàu M1319 và so sánh thực nghiệm............ 147
Bảng 4.1. So sánh kết quả tính sức cản mẫu tàu M1317A theo CFD với thực nghiệm
..................................................................................................................................... 148
Bảng 4.2. So sánh kết quả tính sức cản mẫu tàu M1319 theo CFD với thực nghiệm 149
Bảng 4.3. Các thông số chung của mẫu tàu MH076 ................................................... 157
Bảng 4.4. So sánh kết quả tính từ CFD và thực nghiệm của mẫu tàu MH076 ........... 161

xii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Quá trình sinh sóng khi tàu di chuyển ............................................................ 8
Hình 1.2. Tàu mảnh theo giả thuyết của Michell ........................................................... 9
Hình 1.3. Các dạng hình học của tàu Wigley .............................................................. 10
Hình 1.4. Hệ số sức cản sinh sóng mẫu tàu Wigley .................................................... 11
Hình 1.5. Các hệ số sức cản ở các giá trị số Froude (Fn) khác nhau ........................... 12
Hình 1.6. Sơ đồ phương pháp nghiên cứu theo phương pháp phần tử biên ................ 13
Hình 1.7. Mô hình tính theo BEM ............................................................................... 14
Hình 1.8. Rời rạc mô hình hình học theo BEM ........................................................... 14
Hình 1.9. Hệ số sức cản sinh sóng ............................................................................... 15
Hình 1.10. Sơ đồ tính của phương pháp Panel ............................................................. 17
Hình 1.11. Các điểm Panel trên bề mặt vỏ tàu ............................................................. 18
Hình 1.12. Bố trí các điểm hình học trên bề mặt vỏ tàu theo phương pháp Panel ....... 19

Hình 1.13. Mô hình tàu DTMB-5415 ........................................................................... 21
Hình 1.14. Đồ thị sức cản tính theo CFD và thực nghiệm ............................................ 22
Hình 1.15. Mô hình hình học của tàu KCS ................................................................... 23
Hình 1.16. Hình ảnh so sánh các profile của sóng tính toán và thực nghiệm ............... 24
Hình 1.17. Đồ thị lực cản tại giá trị số Fn = 0.26 ......................................................... 24
Hình 1.18. Giá trị hệ số sức cản C tai Fn = 0.26 tàu KCS ........................................... 25
Hình 1.19. Trường vận tốc trên bề mặt phân cách giữa nước và không khí ................ 26
Hình 1.20. So sánh sức cản tàu ở các giá trị số Fn khác nhau ...................................... 27
Hình 1.21. Tuyến hình tàu ............................................................................................ 28
Hình 1.22. Kích thước kênh ......................................................................................... 28

xiii


Hình 1.23. Hình học thân tàu 3D .................................................................................. 29
Hình 1.24. Miền tính toán ............................................................................................ 29
Hình 1.25. Trường áp suất thủy động .......................................................................... 30
Hình 1.26. Hình học tàu KCS ...................................................................................... 31
Hình 1.27. Giá trị sức cản tại Fn = 0.26 ....................................................................... 32
Hình 1.28. Hình ảnh mặt thoáng tại giá trị số Fn = 0.26 ............................................. 32
Hình 1.29. Mô hình tàu tính toán trong hệ trục tọa độ khảo sát .................................. 33
Hình 1.30. Sơ đồ phương pháp giải ............................................................................. 34
Hình 2.1. Mô hình lực của môi trường nước tác dụng lên tàu đang chuyển động ...... 41
Hình 2.2. Sơ đồ các thành phần sức cản của nước tác dụng lên tàu ............................ 42
Hình 2.3. Các khu vực bao xung quanh thân tàu ......................................................... 44
Hình 2.4. Mô hình dòng lưu chất bao xung quanh thân tàu ......................................... 44
Hình 2.5. Biểu đồ phân bố vận tốc trong lớp biên của tấm phẳng ............................. 46
Hình 2.6. Mô hình dòng lưu chất bao xung quanh vỏ tàu ............................................ 47
Hình 2.7. Mô hình lực tác dụng theo hướng x trên một phần tử chất lỏng ................... 55
Hình 2.8. Biến trung bình và biến động của dòng lưu chất theo RANS ....................... 59

Hình 2.9. Các ký hiệu dùng để rời rạc các thể tích hữu hạn ......................................... 66
Hình 2.10. Sơ đồ thuật toán SIMPLE ........................................................................... 75
Hình 2.11. Sơ đồ của thuật toán PISO .......................................................................... 77
Hình 3.1. Sơ đồ khối nghiên cứu .................................................................................. 81
Hình 3.2. Đường hình dáng mẫu tàu M1317A ............................................................. 82
Hình 3.3. Đồ thị đường cong sức cản của mẫu tàu thử nghiệm M1317A .................... 83
Hình 3.4. Bản vẽ đường hình mẫu tàu M1319.............................................................. 84
Hình 3.5. Đồ thị đường cong sức cản của mẫu tàu thử nghiệm M1319 ....................... 85
Hình 3.6(a). Đường cong diện tích sườn của các tàu chở hàng thông thường ............. 89
xiv


Hình 3.6(b). Đường cong diện tích sườn của các tàu cá vỏ gỗ Việt Nam .................... 89
Hình 3.7. Phạm vi sử dụng mũi quả lê .......................................................................... 90
Hình 3.8. Sơ đồ thuật toán nghiên cứu ......................................................................... 94
Hình 3.9. Sơ đồ tính đúng dẫn để điều chỉnh thông số lời giải CFD ............................ 97
Hình 3.10. Sơ đồ quá trình xây dựng mô hình hình học 3D của mẫu tàu tính toán ..... 98
Hình 3.11. Bản vẽ đường hình tàu M1317A dựng trên AutoCad ................................. 99
Hình 3.12. Vẽ các đường sườn tàu dưới dạng 3D ...................................................... 100
Hình 3.13. Hộp import DXF ....................................................................................... 101
Hình 3.14. Hình dạng khung sườn 3D sau khi nhập vào Autoship ............................ 101
Hình 3.15. Hộp thoại đổi tên lại các đường trong AutoShip ...................................... 102
Hình 3.16. Hộp thoại chọn lại gốc tọa độ và di chuyển gốc tọa độ về 0 .................... 102
Hình 3.17. Di chuyển các điểm control ...................................................................... 103
Hình 3.18. Hộp thoại Creat Surface ............................................................................ 103
Hình 3.19. Hộp thoại (a) nhập khoảng sườn và (b) mặt cắt dọc ................................. 104
Hình 3.20. Dịch chuyển các hàng và cột của mặt vỏ tàu ............................................ 104
Hình 3.21. Kiểm tra các yếu tố hình dáng vỏ tàu ....................................................... 105
Hình 3.22. Mô hình tàu trước và sau tô bóng với hộp thoại xuất file *.iges .............. 106
Hình 3.23. Bản vẽ đường hình tàu M1319 ................................................................. 107

Hình 3.24. Hộp thoại kiểm tra các thông số hình dáng của vỏ tàu M1319................. 107
Hình 3.25. Mô hình tàu M1319 xây dựng trong AutoShip ......................................... 108
Hình 3.26. Định dạng hình học dạng file.stl ............................................................... 109
Hình 3.27. Mô hình vỏ tàu M1317A được chia lưới theo định dạng file STL ........... 110
Hình 3.28. Không gian giả lập tính toán ..................................................................... 111
Hình 3.29. Vị trí của các biên tính toán ...................................................................... 114
Hình 3.30. Kích thước miền không gian tính toán theo đề nghị của ITTC 2011 ....... 116
xv


Hình 3.31. Kích thước miền tính toán thực tế............................................................. 117
Hình 3.32. Mô hình tàu M1317A sau khi rời rạc hóa ................................................. 121
Hình 3.33. Một phần của miền tính toán sau khi rời rạc............................................. 121
Hình 3.34. Trường áp suất thủy động bất ổn của tàu M1319 và M1317A tại giá trị động
năng rối k = 0.00015 ................................................................................................... 126
Hình 3.35. Lực thủy động tính với giá trị hệ số k = 0.00015...................................... 126
Hình 3.36. Trường áp suất thủy động ổn định của tàu M1319 với k = 0.0118........... 129
Hình 3.37. Lực thủy động tính với giá trị hệ số k = 0.0118........................................ 129
Hình 3.38. Giao diện pha của tàu M1317A tại Fn = 0.329 ......................................... 131
Hình 3.39. Giao diện pha của tàu M1319 tại Fn = 0.396 ............................................ 131
Hình 3.40. Phân bố trường áp suât xung quanh tàu M1317A tại Fn = 0.329 ............. 132
Hình 3.41. Trường áp suât nước quanh tàu M1319 tại Fn = 0.396 ............................ 133
Hình 3.42. Trường vận tốc Ux xung quanh mẫu tàu M1317A tại Fn = 0.329 ........... 134
Hình 3.43. Trường lưu tốc Ux xung quanh mẫu tàu M1319 tại Fn = 0.396 ............... 134
Hình 3.44. Động năng rối k xung quanh mẫu tàu M1317A tại Fn = 0.329 ................ 135
Hình 3.45. Động năng rối k xung quanh mẫu tàu M1319 tại Fn = 0.396 ................... 135
Hình 3.46. Lực thủy động tác dụng lên mẫu tàu M1317A tại Fn = 0.329 .................. 136
Hình 3.47. Lực thủy động tác dụng lên mẫu tàu M1319 tại Fn = 0.396 ..................... 137
Hình 3.48. Góc quạt sóng của mẫu tàu M1319 tại Fn = 0.396 ................................... 139
Hình 3.49. Góc quạt sóng của mẫu tàu M1317A tại Fn = 0.329 ................................ 139

Hình 3.50. Lực thủy động tác dụng lên tàu M1317A ở giá trị vận tốc khác nhau...... 143
Hình 3.51. Đường cong sức cản của tàu M1317A theo tính toán CFD ...................... 144
Hình 3.52. Lực thủy động tác dụng lên tàu M1319 ở các giá trị vận tốc khác nhau .. 146
Hình 3.53. Đường cong sức cản của tàu M1319 theo tính toán CFD ......................... 147
Hình 4.1. So sánh sức cản mẫu tàu M1317A giữa thử nghiệm và tính CFD.............. 148
xvi


Hình 4.2. So sánh sức cản mẫu tàu M1319 giữa thử nghiệm và tính CFD ................ 149
Hình 4.3. Xác định vận tốc giới hạn Ugh ..................................................................... 153
Hình 4.4. Đường sườn tàu MH076 ............................................................................. 158
Hình 4.5. Mô hình hình học 3D của vỏ tàu MH076 ................................................... 158
Hình 4.6. Lực thuỷ động học tác dụng lên tàu MH076 theo thời gian ....................... 159
Hình 4.7. Đặc điểm trường lực thuỷ động học tác dụng lên mô hình tàu MH076 ..... 160
Hình 4.8. Đường cong các thành phần sức cản của mẫu tàu MH076 ......................... 161

xvii


MỞ ĐẦU



1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI
Với 3,000 km bờ biển, thủy sản đã trở thành một trong các ngành kinh tế mũi nhọn,
đóng góp quan trọng vào sự phát triển ổn định và bền vững kinh tế - xã hội của đất nước.
Trong những năm qua, nghề cá nước ta nói chung và đội tàu khai thác hải sản nói riêng
đã có sự phát triển vượt bậc và đóng góp đáng kể cho ngành thủy sản của Việt Nam.
Tính đến giữa năm 2016, đội tàu khai thác hải sản nước ta đã đạt đến gần 120,000 tàu
nhưng hầu hết là tàu vỏ gỗ cỡ nhỏ, đóng theo kinh nghiệm dựa vào mẫu tàu truyền thống,

không được tính toán cụ thể nên trong nhiều trường hợp, các mẫu tàu đã không đảm bảo
được các tính năng hàng hải cần thiết, nhất là trong điều kiện thời tiết không thuận lợi.
Do đó trong thời gian gần đây, nhà nước ta đã xây dựng nhiều chủ trương, chính sách
nhằm phát triển bền vững và hiện đại hóa đội tàu đánh cá ngang tầm với nhiệm vụ mới.
Trong bối cảnh đó, vấn đề đặt ra cho các nhà khoa học là cần nghiên cứu thiết kế các
mẫu tàu cá phù hợp nghề khai thác và có hình dạng tối ưu nhằm làm giảm sức cản để
tăng mức độ an toàn và giảm bớt chi phí chuyến biển do giá nhiên liệu ngày càng cao.
Vì lý do đó, bài toán nghiên cứu xác định chính xác sức cản các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ
ở nước ta hiện nay có vai trò và ý nghĩa quan trọng, đồng thời mang tính chất cấp thiết,
nhất là trong bối cảnh vùng biển đông Việt Nam đang có nhiều biến động như hiện nay.
Theo cách truyền thống, thường có hai cách tiếp cận chính trong nghiên cứu giải quyết
bài toán xác định sức cản tàu thủy là nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm.
Phương pháp lý thuyết được tiến hành chủ yếu dựa trên cơ sở lý thuyết về cơ lưu chất,
có thể cho độ chính xác cao nhưng rất khó áp dụng vì giới hạn về khả năng tính toán.
Phương pháp thực nghiệm hay dùng là phương pháp kéo thử mô hình tàu trong bể thử,
tuy nhiên ngoài các hạn chế thường gặp khi thực nghiệm như mất rất nhiều thời gian,
công sức, chi phí tốn kém, trong nhiều trường hợp không thể tổ chức thực nghiệm được,
vì qua thử nghiệm mô hình tàu cũng chỉ nhận được thông tin hạn chế về trường dòng
với kết quả chủ yếu là xác định lực cản dư nói riêng và lực cản toàn bộ tàu nói chung.

1



Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh của phương pháp tính và
kỹ thuật máy tính, tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics CFD) đã trở thành phương pháp nghiên cứu hiệu quả trong nhiều lĩnh vực nói chung,
đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy nói riêng để giải nhiều bài toán phức tạp như
tính toán, thiết kế tối ưu, kiểm nghiệm, dự báo kết quả nghiên cứu, mô phỏng [10], [11].
CFD đóng vai trò như là một công cụ hỗ trợ rất đắc lực cho việc tính toán, thiết kế và
ảnh hưởng lớn đến cuộc cách mạng về tính toán động lực học các chất lỏng và chất khí.

Với vai trò quan trọng như thế nên CFD đã được nhìn nhận là “phương pháp thứ ba”,
cùng hai phương pháp truyền thống là nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm thuần túy,
trong các nghiên cứu về lý thuyết và phát triển những ứng dụng trong khoa học kỹ thuật.
Về bản chất, tính toán động lực học lưu chất là phương pháp tính xây dựng trên cơ sở
kết hợp phương pháp số và công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải những bài toán
liên quan chuyển động của dòng chất lỏng hoặc dòng chất khí bao xung quanh vật thể.
Vì thế phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong giải bài toán dòng lưu chất chuyển động
xung quanh vật thể phức tạp nói chung và các bài toán động lực học tàu thủy nói riêng.
Trong số đó như đã biết, bài toán xác định sức cản tàu có vai trò, ý nghĩa rất quan trọng
vì là cơ sở cho việc tính toán thiết bị năng lượng và tối ưu hóa đường hình dáng tàu –
những bài toán mà trước đây thường chỉ được thực hiện bằng con đường thực nghiệm.
Ngày nay, CFD đã thực sự đóng vai trò rất quan trọng trong thiết kế hình dáng thân tàu,
được sử dụng để phân tích các tính năng hàng hải tàu nói chung và sức cản tàu nói riêng,
đồng thời khảo sát sự thay đổi của chúng khi thay đổi các thông số hoặc hình dáng tàu,
vốn là một nhiệm vụ rất quan trọng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ và thiết kế kỹ thuật.
Phân tích sức cản dựa trên mô phỏng CFD cũng đã trở thành một yếu tố quyết định trong
việc phát triển hình dạng các mẫu tàu mới, hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường.
Với lý do đó, chúng tôi đã lựa chọn hướng nghiên cứu về mô phỏng số dựa trên cơ sở
phương pháp tính toán động lực học lưu chất để giải bài toán xác định sức cản tàu thủy,
đặc biệt là ứng dụng cho các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ truyền thống ở nước ta hiện nay.
Từ phân tích trên đây, khi thực hiện luận án Tiến sĩ ngành Kỹ thuật cơ khí động lực,
chúng tôi đã đặt vấn đề thực hiện đề tài:
“Ứng dụng lý thuyết CFD (Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản
tàu cá vỏ gỗ Việt Nam”.
2



2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Kết quả nghiên cứu của đề tài bước đầu có những đóng góp quan trọng nhất định,

cả về mặt khoa học và thực tiễn, cụ thể như sau.
2.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Về mặt khoa học, đề tài đã đóng góp được những kết quả mới cụ thể như sau:
- Xây dựng cơ sở khoa học, cùng với giá trị những thông số cần thiết cho việc
ứng dụng lý thuyết tính toán động lực học lưu chất CFD trong xác định sức cản
của loại tàu có kích thước nhỏ, chạy chậm, có đoạn thân ống ngắn nói chung và
các mẫu tàu cá vỏ gỗ theo mẫu dân gian truyền thống của Việt Nam nói riêng.
- Mô phỏng chính xác hình ảnh trường dòng lưu chất chảy xung quanh thân tàu
và hiện tượng thủy động lực học xảy ra khi tàu cá chuyển động trên nước tĩnh.
Trên cơ sở đó, giải thích tường minh về sức cản áp suất, qui luật và tỉ trọng của
hai thành phần sức cản chính có trong sức cản toàn bộ của tàu thông dụng là sức
cản do tính nhớt chi phối Rv và sức cản do áp suất chi phối Rp.
- Cơ sở để xây dựng công thức tính sức cản phù hợp cho đội tàu cá Việt Nam.
- Cơ sở lý thuyết và khoa học để giải quyết nhiều bài toán vẫn còn đang tồn tại
trong lĩnh vực tàu thuyền nghề cá ở nước ta hiện nay, đặc biệt là các bài toán về
thủy động lực học và tối ưu hóa đường hình tàu.
2.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Về mặt ý nghĩa thực tiễn, đề tài đã đóng góp được những kết quả cụ thể như sau:
- Việc xác định được chính xác giá trị sức cản sẽ cho phép phân tích, đánh giá và
xây dựng công thức tính sức cản phù hợp với tàu cá vỏ gỗ ở nước ta hiện nay.
Trên cơ sở đó, có thể tính toán, lựa chọn được máy chính phù hợp khi thiết kế,
góp phần quan trọng trong việc nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả kinh tế kỹ thuật của đội tàu cá vỏ gỗ ở nước ta hiện nay.
- Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực tàu thuyền nghề cá.
- Khuyến cáo vận tốc khai thác hợp lý và vận tốc giới hạn trong tính toán thiết kế
và sử dụng tàu cá.
3



3. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chung của đề tài là nghiên cứu ứng dụng lý thuyết động lực học lưu chất
để xác định sức cản của các mẫu tàu cá vỏ gỗ theo mẫu truyền thống của Việt Nam,
nhằm giải quyết các mục tiêu cụ thể như sau:
- Xây dựng mô hình tính và thuật toán phù hợp khi giải bài toán xác định sức cản
của các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ Việt Nam bằng phương pháp CFD.
- Mô phỏng hình ảnh phân bố trường dòng lưu chất xung quanh mẫu tàu đánh cá
vỏ gỗ khi chuyển động.
- Phân tích tỷ lệ và ảnh hưởng của từng thành phần sức cản trong sức cản chung
của môi trường nước đối với chuyển động của tàu.
3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ của Việt Nam.
Để thuận lợi trong quá trình nghiên cứu, trong đề tài sẽ lựa chọn các mẫu tàu cá vỏ gỗ
theo mẫu dân gian truyền thống của Việt Nam mang các ký hiệu là M1317A và M1319.
Đây là các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ theo mẫu dân gian ở khu vực miền Trung Việt Nam
đã được Tiến sĩ Nguyễn Quang Vinh và kỹ sư Nguyễn Đức Thọ thực hiện thử mô hình
tại bể thử trường Đại học Kỹ thuật và Công nghiệp nghề cá Kaliningrat (Liên xô cũ).
Với đối tượng nghiên cứu cụ thể như trên, nội dung nghiên cứu của đề tài được giới hạn
trong phạm vi như sau:
- Mô phỏng và tính sức cản của môi trường nước khi tàu làm việc ở chế độ bơi
theo định luật Archimede và xem như tàu đang chuyển động thẳng đều trong
môi trường nước tĩnh không chịu tác động bởi hệ thống sóng biển, sức cản
không khí và có độ sâu không hạn chế.
- Lưu chất sử dụng trong mô phỏng là đồng chất, có tính nhớt và không nén được.
- Số liệu thử nghiệm đo sức cản trong bể thử của hai mô hình tàu dùng tính toán
được xem là đảm bảo độ chính xác và cũng là cơ sở để đánh giá và điều chỉnh
các thông số của mô hình.

4

4. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
4.1. Phương pháp nghiên cứu
Về mặt phương pháp, trong đề tài sẽ sử dụng chủ yếu là phương pháp lý thuyết,
kết hợp so sánh với kết quả tính toán từ mô hình lý thuyết với các số liệu thực nghiệm
để hiệu chỉnh mô hình tính lý thuyết cho phù hợp đối tượng tàu thực tế, cụ thể như sau.
4.1.1. Nghiên cứu lý thuyết
Nghiên cứu bắt đầu từ việc phân tích vật liệu, đặc điểm hình dạng và các thông số
hình học có ảnh hưởng đến bài toán mô phỏng dòng lưu chất chảy xung quanh thân tàu
nói chung và tính sức cản nói riêng của loại tàu được chọn làm đối tượng nghiên cứu,
trong trường hợp này là loại tàu đánh cá vỏ gỗ theo mẫu truyền thống của Việt Nam.
Từ các dữ liệu này, tiến hành phân tích bản chất vật lý các mô hình tính và phương pháp
giải hiện có để lựa chọn sơ bộ mô hình tính và phương pháp mô phỏng dòng lưu chất
phù hợp với đặc điểm cụ thể về vật liệu và hình dạng hình học của loại tàu đang tính.
Đồng thời xây dựng các giả thiết và điều kiện ràng buộc vật lý đối với loại tàu mới này
nhằm mục đích đưa mô hình tính và các điều kiện tính toán về sát với thực tế và khả thi.
Dựa trên cơ sở đó, xây dựng giải thuật và lập trình giải bài toán mô phỏng số đối với
dòng lưu chất để xác định sức cản bằng phương pháp CFD cho loại tàu đang tính toán.
4.1.2. Sử dụng phương pháp tính đúng dần
Sử dụng phương pháp tính đúng dần để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của
lời giải CFD cho bài toán tính sức cản loại tàu đang tính bằng cách như sau:
- Chọn các mẫu tàu tính toán có kết quả tính sức cản từ thử mô hình trong bể thử
- Sử dụng chương trình mô phỏng số tính sức cản đã xây dựng để tính sức cản
cho mẫu tàu lựa chọn thứ nhất.
- Phân tích và điều chỉnh dần các thông số tính toán của mô hình tính và điều kiện
ban đầu của lời giải CFD như các thông số của mô hình rối, kích thước của miền
không gian tính toán, các điều kiện biên của bài toán… cho đến khi lời giải của
bài toán CFD hội tụ, đồng thời sai số giữa kết quả tính sức cản từ chương trình
mô phỏng và số liệu thực nghiệm trong bể thử đối với mẫu tàu đang tính nằm

trong giới hạn cho phép, thường là dưới 3%.
5



- Sử dụng chương trình tính sức cản bằng CFD với tập hợp các thông số đầu vào
của mô hình và lời giải CFD đã xác định để tính sức cản cho các tàu tương tự.
So sánh kết quả tính sức cản từ chương trình mô phỏng số và thực nghiệm để
đánh giá độ tin cậy của phương pháp đối với loại tàu đang tính.
4.2. Nội dung nghiên cứu
Với mục tiêu và phương pháp nghiên cứu như trên, luận án gồm các nội dung sau:
- Phân tích mô hình tính và phương pháp giải bài toán mô phỏng dòng lưu chất
bao xung quanh thân tàu chuyển động trong nước tĩnh.
- Nghiên cứu xây dựng mô hình tính và lựa chọn phương pháp giải phù hợp với
đối tượng tàu đang tính.
- Xây dựng giải thuật và viết chương trình tính sức cản tàu bằng mã nguồn mở
OpenFOAM theo mô hình tính lựa chọn.
- Ứng dụng mô phỏng dòng lưu chất và tính sức cản cho các mẫu tàu lựa chọn đã
có các số liệu thử nghiệm mô hình.
- Phân tích và so sánh kết quả nghiên cứu với kết quả thực nghiệm để xác định
các thông số của mô hình tính và lời giải CFD phù hợp với loại tàu tính toán.
Trên cơ sở đó, nội dung luận án được kết cấu thành 4 chương cụ thể như sau:
Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Nội dung trình bày phần tổng quan về tình hình nghiên cứu có liên quan và
dựa trên cơ sở đó phân tích và xây dựng định hướng nghiên cứu cho luận án.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết
Nội dung trình bày các cơ sở về lý thuyết có liên quan đến nội dung đề tài,
chủ yếu là lý thuyết về sức cản và lý thuyết về CFD.
Chương 3. Kết quả nghiên cứu
Trình bày các kết quả nghiên cứu của luận án nói chung và phương pháp tính

sức cản bằng CFD cho loại tàu đánh cá vỏ gỗ của Việt Nam nói riêng
Chương 4. Phân tích kết quả và kết luận
6



Chương 1:

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI
Trên thế giới, CFD đã được đẩy mạnh nghiên cứu từ rất lâu ở những nước tiên tiến,
nhất là ở Mỹ và các nước châu Âu, và đã được ứng dụng vào hầu hết lĩnh vực kỹ thuật,
đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ đã thực hiện từ những năm 50 của thế kỷ 20.
Lý thuyết CFD hình thành từ năm 70, bắt đầu bằng sự kết hợp với các ngành khoa học
như toán, vật lý, phương pháp số… để tính toán, mô phỏng chuyển động dòng chất lỏng
và đã tạo nên bước phát triển mới trong khoa học tính toán ở những lĩnh vực kỹ thuật.
Ứng dụng đầu tiên của CFD là mô phòng dòng cận âm dựa trên phương trình phi tuyến.
Tuy nhiên do phương pháp tính cùng bộ nhớ và tốc độ máy tính lúc bây giờ còn hạn chế
nên chỉ cho phép thực hiện tính toán đối với các dòng lưu chất dưới dạng hai chiều (2D).
Đến năm 1980, những thành tựu trong nghiên cứu phương trình Euler đã hình thành
phương pháp quan trọng cho phép phát triển và mô phỏng được dòng lưu chất dạng 3D.
Nhờ sự phát triển của tốc độ máy tính và sự phát triển kỹ thuật số trong giai đoạn này
nên nhiều ứng dụng thực tế đã được CFD tính toán và mô phỏng để đưa ra các dự báo
cụ thể như mô phỏng dòng khí thổi qua máy bay, dòng chảy bên trong các turbine…
Vào giữa năm 1980, các nhà khoa học đã nghiên cứu phát triển và ứng dụng CFD trong
mô phỏng dòng lưu chất có độ nhớt được kiểm soát bởi phương trình Navier - Stokes.
Từ đó mô hình dòng chảy rối đã được phát triển với mức độ phức tạp và chính xác hơn.
Đến năm 1990, nhờ sự phát triển mạnh phương pháp tính và các máy tính tốc độ cao,
vấn đề đã được thay đổi căn bản và cho phép CFD giải nhiều bài toán liên quan đến

trường dòng chảy 3 chiều phức tạp như dòng chảy quanh thân một máy bay hoàn chỉnh.
Từ đó đến nay, CFD ngày càng được phát triển rất mạnh trong nhiều lĩnh vực khác nhau
và đã được nghiên cứu ứng dụng vào các ngành khoa học tiên tiến và công nghệ cao.
Mặc dù các ứng dụng của CFD được công bố trong nhiều tài liệu nhưng khó thực hiện
vì đây chính là vũ khí công nghệ và lợi thế cạnh tranh của các quốc gia và công ty lớn.
Hiện nay, thuật ngữ CFD là viết tắt cụm từ tiếng Anh “Computational Fluid Dynamics”
đã được dùng phổ biến nhằm thay cụm từ tiếng Việt “Tính toán động lực học lưu chất”
và chúng tôi sẽ sử dụng thuật ngữ viết tắt này trong suốt các nội dung của đề tài này.
7



Riêng trong ngành Kỹ thuật tàu thủy, các quốc gia hoặc công ty lớn trên thế giới
đều đưa CFD vào chương trình nghiên cứu của mình để mô phỏng và tính trường dòng
lưu chất bao xung quanh thân tàu nhằm phục vụ bài toán tính thủy động lực học tàu.
Những nghiên cứu ứng dụng CFD ở lĩnh vực này thường thực hiện theo hai hướng chính:
• Các công trình nghiên cứu tính toán thủy động lực học tàu
Các công trình này thường tập trung vào việc nghiên cứu xây dựng mô hình tính
của dòng lưu chất bao xung quanh bề mặt thân tàu và sử dụng mô hình này để giải các
bài toán thủy động lực học tàu nói chung và tính sức cản vỏ tàu nói riêng.
• Các công trình nghiên cứu tối ưu hóa đường hình tàu thủy
Từ các công trình nghiên cứu tính sức cản nói trên, các nhà khoa học trên thế giới
đã tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu tối ưu hóa đường hình tàu trên cơ sở điều chỉnh
các thông số ảnh hưởng sức cản như hệ số đầy thể tích CB, hoành độ tâm nổi LCB… để
đạt tối ưu về mặt sức cản, trong khi vẫn giữ tính năng hàng hải khác của tàu.
Tuy nhiên như đã nêu, những tài liệu công bố chính thức về vấn đề này cũng rất ít,
nếu có cũng chỉ ở dạng hình ảnh cuối cùng, vì đây chính là vũ khí về mặt công nghệ và
lợi thế cạnh tranh giữa các quốc gia và tập đoàn đóng tàu lớn trong nghiên cứu thiết kế
tối ưu và phát triển các sản phẩm phức tạp nói chung và các con tàu hiện đại nói riêng.
Ví dụ hình 1.1 mô phỏng quá trình sinh ra những hệ thống sóng tàu khi tàu di chuyển

trên mặt nước theo (a) thử nghiệm trong bể thử và theo (b) phương pháp CFD.

(a)

(b)

Hình 1.1. Quá trình sinh sóng khi tàu di chuyển
8



Các nghiên cứu CFD gắn liền với sự phát triển của máy tính và phương pháp giải,
không ngoại lệ, các nghiên cứu liên quan đến việc ứng dụng CFD trong tính sức cản tàu
cũng phát triển theo từng giai đoạn, có thể trình bày tổng quan theo lịch sử nghiên cứu
và phát triển, cụ thể như sau.
1.1.1. Mô hình tàu Wigley và phương pháp số của Michell
Ban đầu, do những hạn chế về phương pháp tính và năng lực của máy tính nên các
nghiên cứu ứng dụng CFD tính sức cản tàu thủy đầu tiên thường được thực hiện trên mô
hình tàu Wigley là mô hình tàu được hàm hóa theo công thức toán học sau [27], [24].

æ 4x 2 ö
B
S(z )çç1 - 2 ÷÷
y(x,z) =
2
L ø
è

(1.1)

trong đó: y(x,z) - tung độ điểm trên bề mặt vỏ tàu có hoành độ x và cao độ z, m;
L, B

- chiều dài và chiều rộng tàu, m;

S(z)

- hàm diện tích mặt đường nước tàu.

Trên cơ sở đó, nhà toán học Michell đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp số để
tính sức cản sinh sóng cho mẫu tàu Wigley, tức mô hình tàu được giả thiết là “tàu mảnh”,
khái niệm thường rất hay được giả thuyết trong lý thuyết các lát cắt phẳng (strip theory).
Theo Michell, người có nhiều đóng góp trong nghiên cứu sức cản tàu, khái niệm về tàu
mảnh đã nêu là tàu có tỷ lệ chiều dài và chiều rộng L/B ≥ 9, hệ số đầy thể tích CB < 0.55,
góc giữa phương vận tốc và tiếp tuyến với tàu phải rất nhỏ, xấp xỉ bằng 0 (Hình 1.2).

Hình 1.2. Tàu mảnh theo giả thuyết của Michell [24]
9



Bằng phương pháp số, tác giả đã xây dựng các dạng mặt cắt ngang tàu khác nhau
gồm các mặt cắt ngang có dạng parabol, hình chữ nhật và hình tam giác (Hình 1.3) [24].

Hình 1.3. Các dạng hình học của tàu Wigley [24]

10

Michell có thể được xem là người đầu tiên đưa ra lời giải gần đúng cho bài toán
xác định sức cản sinh sóng của những mẫu tàu có hình dáng hình học dạng thon, mảnh,
di chuyển trên bề mặt của một chất lỏng không có độ nhớt và có chiều sâu vô hạn.
Phương pháp số của ông dùng xác định sức cản sinh sóng của tàu là phương pháp tính
hiện đại, thông qua mô hình mô phỏng quá trình tương tác giữa thân tàu – mặt nước,
dựa trên cơ sở không cô lập các thành phần sức cản để tính toán và đưa vào đầy đủ các
ràng buộc về mặt thủy động lực học khi giải phương trình Laplace để tìm hàm thế F.
Kết quả tính giá trị hệ số sức cản sinh sóng CW thay đổi theo số Froude (Fn) đối với các
mẫu tàu Wigley có các hình dạng parabol, chữ nhật và tam giác cho ở hình 1.4 [24].

CWx103

Chữnhật

Tamgiác

Parabol

Fn

Hình 1.4. Hệ số sức cản sinh sóng mẫu tàu Wigley [24]
Nghiên cứu ứng dụng CFD trong xác định sức cản theo mô hình tàu dạng Wigley
gần đây nhất của các tác giả Salina Aktar, Goutam Kumar Saha và Md.Abdul Alim ở
Trường Đại học Công nghệ và Kỹ thuật của Bangladesh thực hiện tháng 9/2013 [33].
Trong công trình này, nhóm các tác giả đã sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (FVM)
ba chiều dựa trên cơ sở các phương trình trung bình Reynolds Navier - Stokes (RANS)
để mô phỏng dòng chảy không nén quanh tàu Wigely dạng parabol ở trạng thái ổn định.
Lời giải số của các phương trình chủ đạo được thực hiện bằng phần mềm FLUENT 6.3.
Kết quả tính cũng đã được so sánh với số liệu thử nghiệm kéo mô hình trong bể thử và
kết quả tính toán bằng phương pháp phần tử biên BEM (Boundary Element Method).

Sự phù hợp giữa các kết quả tính toán và thử nghiệm cho thấy độ tin cậy của nghiên cứu
mô phỏng dòng lưu chất và chiều cao của mặt thoáng chất lỏng xung quanh tàu Wigely
dạng parabol khi mô hình tàu này chuyển động ở các số Froude (Fn) khác nhau.

11



Hình 1.5 là đồ thị biểu diễn kết quả nghiên cứu xác định giá trị các hệ số sức cản
của mô hình tàu Wigley dùng tính toán và thử nghiệm ở các giá trị số Froude khác nhau.
Đây là cơ sở để hình dung các sóng sinh ra trên bề mặt tự do khi thân tàu chuyển động,
kết hợp với hình ảnh sóng sinh ra trên bề mặt sóng khi sử dụng gói phần mềm FLUENT.
CD:Hệsốcảntoànphần
CV:Hệsốcảnnhớt
CW:Hệsốsứccảnsóng

Hình 1.5. Các hệ số sức cản ở các giá trị số Froude (Fn) khác nhau [33]
Khi phân tích mô hình và phương pháp giải theo mô hình này chúng tôi nhận thấy
mô hình tính dạng này có các nhược điểm cơ bản như sau:
- Mô hình không tính đến độ nhớt của dòng chất lỏng bao xung quanh thân tàu.
- Chủ yếu áp dụng cho các tàu có dạng mảnh ít gặp trong thực tế và cũng không
phù hợp với các tàu ngày nay nói chung và các tàu đánh cá nói riêng thường có
tỉ số L/B nhỏ (L/B = 5 ÷ 7) và giá trị hệ số đầy thể tích lớn (CB ≥ 0,60).
- Để áp dụng phương pháp này cần hàm hóa vỏ tàu theo công thức toán học nên
không thể hiện được chính xác sự phức tạp và đa dạng của các đường hình tàu.
- Về phương pháp giải, Michell xem trường dòng bao quanh tàu không nhớt,
không xoáy, chảy tầng nên rất không phù hợp khi tính sức cản sinh sóng tàu cá.
Từ phân tích trên, nghiên cứu sinh không chọn mô hình tính số theo Michell để
phát triển nghiên cứu tính toán trường dòng bao quanh đối tượng nghiên cứu của mình.

12



1.1.2. Phương pháp phần tử biên - BEM (Boundary Element Method)
Phương pháp phần tử biên áp dụng cho mô hình tính dòng thế (potential flows),
trong đó đối với các dòng thế, việc các tích phân tính trên toàn bộ miền dòng lưu chất
có thể được chuyển đến tính các tích phân trên các lớp biên của miền dòng lưu chất đó.
Theo mô hình và phương pháp tính này, bước chuyển từ không gian 3D sang mặt phẳng
2D sẽ được thực hiện bằng cách tạo ra lưới chia và nhờ vậy sẽ làm tăng tốc độ tính toán.
Những ứng dụng thực tế của dòng thế cho tàu thủy, tức là các bài toán về sức cản sóng,
dùng riêng cho phương pháp phần tử biên được gọi phương pháp thanh (Panel method),
và sự phát triển của phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết hơn ở các phần tiếp theo.
Sơ đồ tính của phương pháp được mô tả trên hình 1.6, trong đó chuyển động của tàu
khảo sát được thay bằng phương trình tàu chuyển động dưới tác dụng của các ngoại lực
đặt lên tàu gồm lực cản tàu Fr, lực cản sóng Fd và lực cản dao động tự do Fwf, tương ứng
mômen các ngoại lực tác dụng do sóng Mr, sóng phản hồi Md và tàu tự dao động Mwf.
Thực hiện tuyến tính hóa để rời rạc phương trình chuyển động của mô hình tàu khảo sát
và sử dụng phương pháp tính tích phân Green để giải phương trình chuyển động của tàu,
nhằm xác định sức cản của môi trường nước tác dụng lên tàu khi chuyển động [2].
THÂN TÀU
KHẢO SÁT

Sóng
đến

Sóng phản
hồi

Tự dao

động

F = Fr + Fd + Fwf
Phương trình dao
động của tàu

M = Mr + Md + Mwf

Green

Rời rạc
phương trình

Giải bài toán

Hình 1.6. Sơ đồ phương pháp nghiên cứu theo phương pháp phần tử biên [2]

13