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


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

Ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 62520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN GIA THÁI

KHÁNH HÒA - 2017


Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Nha Trang

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Trần Gia Thái
……………………………………….
Phản biện 1:
PGS. TS. Nguyễn Đức Ân
……………………………………….
Phản biện 2:
PGS. TS. Phan Anh Tuấn
……………………………………….
Phản biện 3:
PGS. TS. Đỗ Đức Lưu
……………………………………….



LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả nghiên cứu trong đề tài: “Ứng dụng lý thuyết
CFD (Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam” là
công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Trần Gia Thái
và chưa từng công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này.
Khánh Hòa, Ngày … tháng 7 năm 2017
Tác giả luận án
(Ký và ghi rõ họ tên)

Lê Văn Toàn

i


LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý Phòng,
Ban Trường Đại học Nha Trang đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận án.
Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tâm của Thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS.Trần Gia Thái.
Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy về sự giúp đỡ này.
Xin cảm ơn quý thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật tàu thủy, Khoa Kỹ thuật giao thông,
quý thầy cô Khoa Sau đại học, Trường Đại học Nha Trang, đã giúp đỡ tôi trong suốt
thời gian tôi học tập và thực hiện luận án tại Trường.
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Giao thông vận tải
Thành phố Hồ Chí Minh và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên
tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Khánh Hòa, ngày … tháng 7 năm 2017
Tác giả luận án
(Ký và ghi rõ họ tên)

Lê Văn Toàn

ii


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 KÝ HIỆU
Ký hiệu La mã
A

Hằng số

a

Hệ số ma trận

B

Hằng số lớp log-law

BWL

Chiều rộng đường nước

b

Lực khối

CR

Số Courant

CDkw

Hệ số khép kín mô hình rối SST k − ω

Cd

Hệ số cản

CT , CF , CR

Hệ số sức cản toàn bộ, sức cản ma sát, sức cản dư

d

Vector giữa P và N

Fn

Số Froude

F1 , F2

Hàm trộn 1 và 2 của mô hình rối SST k − ω

H

Hạng ma trận

h

Tham số khoảng cách lưới

i, j, k

Các vector đơn vị theo hướng trục x, y và z

k

Động năng rối

LPP

Chiều dài đo giữa hai đường vuông góc mũi-lái

LWL

Chiều dài đường nước

Lr

Chiều dài tham chiếu

le

Kích thước trung bình của năng lượng các xoáy nước

m

Khối lượng

N

Trung tâm ô lân cận

P

Trung tâm ô

Pk

Suất động năng rối

p

Áp suất

Q

Biến dòng bất kỳ

q

Số hạng nguồn

Rc

Độ cong ngang

vii


RF

Sức cản ma sát

RT

Sức cản toàn bộ

Rr

Sức cản dư

S, Ω

Diện tích mặt ướt

Sij

Tensor ứng suất

t**

Chiều dày lớp biên do tổn hao xung lực

T

Khoảng thời gian lấy tích phân

d

Mớn nước

t

Thời gian

U, Us

Vận tốc

Ur

Vận tốc giả định

U∞

Vận tốc dòng tự do

ui

Vận tốc tức thời trong ký hiệu tensor

uτ

Vận tốc tiếp tuyến

u+

Vận tốc không thứ nguyên

V

Thể tích

xi

Tọa độ không gian theo hướng thứ i

y

Khoảng cách với tường

y+

Khoảng cách với tường không thứ nguyên

Ký hiệu Hy lạp
α

Hệ số biểu thị tỉ lệ hòa trộn 2 pha trong ô tính toán

α1 , α2

Các hệ số khép kín mô hình rối SST k−ω

β1 , β2 , β∗

Các hệ số khép kín mô hình rối SST k−ω

δi,j

Kronecker delta

δ∗

Chiều dày dịch chuyển lớp biên

δ2

Chiều dày dịch chuyển lớp biên trong trường hợp có độ cong ngang

η

Tỉ lệ chiều dài Kolmogorov

κ

Hằng số von Kármán (von Kármán constant)

viii


µ

Độ nhớt động lực

µt

Độ nhớt xoáy động lực

µeff, k , µeff, w

Các hệ số hiệu ứng độ nhớt rối do k và e gây ra

ν

Độ nhớt động học

νt

Độ nhớt xoáy động học

ρ

Mật độ

σk1, σk2, σω2, σω2

Hệ số khép kín của mô hình rối SST k − ω

τw

Ứng suất cắt tường

φ

Phần nhỏ thể tích

e

Vận tốc tiêu tán động năng rối

ω

Vận tốc nhiễu loạn động năng rối

Chỉ số trên
n

Mức thời gian

T

Chuyển vị

0

Biến động xung quanh giá trị trung bình

-

Giá trị trung bình

o

Mức thời gian cũ

Chỉ số dưới
f

Giá trị trên mặt ô

m

Mô hình

N

Ô lân cận

P

Ô chủ

t

Tàu thật

Toán tử
∇

gradient

∇×

divergence

D/Dt

Đạo hàm thực

ix


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
BEM

: Boundary Element Method (Phương pháp phần tử biên)

CD

: Central Differencing Scheme (Sai phân trung tâm)

CFD

: Computational Fluid Dynamics (Tính toán động lực học lưu chất)

CV

: Control Volume (Thể tích điều khiển)

DNS

: Direct Numerical Simulation (Mô phỏng số trực tiếp)

FVM

: Finite Volume Method (Phương pháp thể tích hữu hạn)

GAMG

: Geometric Algebraic Multigrid Method (Số hoá đa giác hình học)

ITTC

: International Towing Tank Conference (Hội nghị bể thử quốc tế)

LES

: Large Eddy Simulation (Mô phỏng xoáy lớn)

LTS

: Local Time Stepping (Bước thời gian cục bộ)

OpenFOAM : Open source Field Operation And Manipulation (Mã nguồn mở)

PBiCG

: Preconditioned Biconjugate Gradient (Hiệu chỉnh trước Gradient)

PDE

: Partial Differential Equation (Phương trình vi phân từng phần)

PISO

: Pressure-Implicit with Splitting of Operator (Thuật toán tính áp suất ẩn)

RANS

: Reynold Averaged Navier-Stokes Equations (Phương trình
Navier-Stokes trung bình số Reynold)

SIMPLE

: Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (Thuật toán tính
bán ẩn áp suất)

SST

: Shear Stress Transport (Chuyển vị ứng suất cắt)

UD

: Upwind Differencing (Sai phân ngược)

VOF

: The Volume of Fluid method (Phương pháp thể tích chất lỏng)

x


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


TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
Đề tài luận án

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

Ngành/Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số

: 62520116

Nghiên cứu sinh

: Lê Văn Toàn

Khóa

: 2012

Người hướng dẫn

: PGS.TS. Trần Gia Thái

Cơ sở đào tạo

: Trường Đại học Nha Trang

Nội dung
(1) Xây dựng giải thuật và viết chương trình bằng mã nguồn mở OpenFOAM theo
phương trình RANS, mô hình rối SST k-w (là mô hình rối kết hợp hai mô hình rối
tiêu chuẩn k-e, k-w thông qua các hàm trộn F1, F2) để mô phỏng số dòng lưu chất
bao quanh thân tàu và xác định sức cản vỏ tàu bằng phương pháp CFD.
(2) Xây dựng phương pháp tính sức cản tàu thủy bằng CFD đảm bảo được độ chính xác
đặt ra theo kỹ thuật tính đúng dần thông qua việc xác định tập hợp thông số đầu vào
cho lời giải CFD gồm kích thước miền tính toán và giá trị thông số của mô hình rối
(cường độ rối I, động năng rối k, vận tốc tiêu tán động năng rối e, vận tốc độ khuếch

tán động năng rối w) dùng khi mô phỏng số dòng lưu chất và tính sức cản của các
mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ Việt Nam.
(3) Phân tích đặc điểm trường dòng lưu chất và quy luật thay đổi trong các thành phần
sức cản đối với loại tàu cỡ nhỏ, chạy tốc độ chậm, có đoạn thân ống ngắn nói chung
và các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ Việt Nam nói riêng.
Người hướng dẫn

Nghiên cứu sinh

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên

PGS. TS. Trần Gia Thái

Lê Văn Toàn

xviii


Thesis title

: Application of CFD (Computational Fluid Dynamics) in
resistance prediction for Vietnamese wooden fishing boats

Major

: Power Mechanical Power Engineering

Major code

: 62520116

PhD. Student

: Le Van Toan

Supervisor

: Assoc.Prof.Dr. Tran Gia Thai

Education Institution : Nha Trang University
Contents:
(1) Researching the algorithm and programming by OpenFOAM using RANS equation
and turbulence model SST k-w that combines the standard turbulence models k-e
and k-w through the mixing functions F1, F2 to simulate and solve fluid flow motion
surrounding the hull and resistance prediction by CFD.
(2) Building the approach of application of CFD to predict the ship resistance ensuring
the required accuracy using method. This approach is used to define the parameters
of the CFD solution, including the size of the simulation space and the value of
parameters (intensity values I, kinetic energy k, the dissipation rate of kinetic energy
e and kinetic energy diffusion rate w) of the turbulence model in numerical
simulation of fluid flow and calculate the resistance of Vietnamese wooden fishing
boats.
(3) Analyzing the character of fluid fow and distribution of the reistance component for
small, low speed and short parallel middle body boats in general and the Vietnamese
wooden fishing boats in particular.
Phd. Student

Le Van Toan

xix


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