Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thuỷ trong quá trình thay đổi hướng chuyển động tt

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍMINH

NGUYỄN THÀNH NHẬT LAI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC
HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN TÀU
THỦY TRONG QUÁ TRÌNH THAY ĐỔI
HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG
Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành: Khoa học hàng hải
Mãsố:

9840106

TP. Hồ ChíMinh - 2020


Công trì
nh được hoàn thành tại Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ ChíMinh.

Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Phạm Kỳ Quang
2. TS. Vũ Văn Duy

Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Phùng Hưng
Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ ChíMinh
Phản biện 2: PGS.TS. LêTất Hiển

Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ ChíMinh
Phản biện 3: TS. Mai Bá Lĩnh
Bộ Giao thông vận tải

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường, họp tại
Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ ChíMinh vào hồi ….. giờ ….. phút,
ngày …… tháng ….. năm 2020.

Cóthể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam;
- Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ ChíMinh.


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN
1. PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, TS. Vũ Văn Duy, ThS. Cổ Tấn Anh Vũ, ThS. Nguyễn
Thành Nhật Lai. Môphỏng số xâm thực cục bộ trên bánh lái tàu thủy. Tạp chíGiao
thông vận tải, ISSN: 2354-0818, № 11, 11/2015, tr. 89 - 91.
2. PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, TS. Vũ Văn Duy, NCS. Nguyễn Thành Nhật Lai. Tí
nh
toán môphỏng lực gia thêm tác động lên tàu thủy khi thay đổi hướng chuyển động.
Tạp chíKhoa học Công nghệ Giao thông vận tải, ISSN: 1859-4263, № 22, 02/2016,
tr. 19 - 21.
3. Prof. Dr. Luong Cong Nho, Prof. Dr. Pham Ky Quang, Dr. Vu Van Duy, PhD.
Student Bui Van Cuong, PhD. Student Co Tan Anh Vu, PhD. Student Nguyen
Thanh Nhat Lai. Calculation and simulation of the current effects on maritime
safety in Haiphong fairway, Vietnam. International Association of Maritime
Universities (IAMU), 17th Annual General Assembly (AGA), ISBN: 978-604-937120-2, 26 - 29 October, 2016, Vietnam, pp. 170 - 179.
4. PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, TS. Vũ Văn Duy, ThS. Nguyễn Thành Nhật Lai, ThS.
Phạm Nguyễn Đăng Khoa. Tính toán môphỏng tác động của lực gia thêm đến đặc

tí
nh ổn định tàu thủy. Tạp chíKhoa học - Công nghệ hàng hải, ISSN: 1859-316X,
№ 49, 01/2017, tr. 60 - 64.
5. PGS. TS. TTr. Phạm Kỳ Quang (Chủ biên), TS. Vũ Văn Duy, ThS. Bùi Văn
Cường, ThS. Cổ Tấn Anh Vũ, ThS. Nguyễn Thành Nhật Lai. Sách chuyên khảo
“Ứng dụng CFD trong khoa học hàng hải”. Nhàxuất bản Khoa học vàKỹ thuật,
ISBN: 978-604-67-0897-1, HàNội, năm 2017.
6. PGS. TS. Phạm Kỳ Quang (Chủ nhiệm đề tài), TS. Vũ Văn Duy, NCS. Nguyễn
Thành Nhật Lai, cùng các thành viên khác. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử
nghiệm hệ thống đánh giá tác động của tổ hợp chân vịt - bánh lái đến đặc tính điều
khiển hướng chuyển động tàu thủy. Đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao
thông vận tải; mãsố: DT174003, năm 2017.
7. Cổ Tấn Anh Vũ (Chủ nhiệm đề tài), PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, TS. Vũ Văn Duy,
NCS. Nguyễn Thành Nhật Lai, cùng các thành viên khác. Xây dựng chương trình
tí
nh toán mô phỏng và thử nghiệm một số nguyên nhân cơ bản dẫn đến tai nạn
hàng hải trên tuyến luồng Sài Gòn phục vụ công tác đào tạo vàhuấn luyện thuyền
viên. Đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải; mãsố: DT174030,
năm 2017.
8. Vu Van Duy, Pham Ky Quang, Nguyen Thanh Nhat Lai, Nguyen Chi Cong.
Studying effects of extending forces on the ship hull in maneuvering. The First International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems 2018 - ICFMAS 2018, ISBN: 978-604-95-0609-3, October 27 - 28, 2018, Hanoi, Vietnam.
9.

ThS. NCS. Nguyễn Thành Nhật Lai, TS. Cổ Tấn Anh Vũ, TS. Vũ Văn Duy, PGS. TS.
Phạm Kỳ Quang, ThS. Nguyễn Mạnh Nên, ThS. Nguyễn ChíCông. Nghiên cứu thực
nghiệm tác động dòng chảy đến tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động.
Tạp chíGiao thông vận tải, ISSN: 2354-0818, № 9/2019, tr. 113 - 116.


MỞ ĐẦU

1. Tí
nh cấp thiết của luận án
Tàu thủy cân bằng trong môi trường nước nhờ lực đẩy Ác-si-mét tác động lên tàu, khi
tàu chuyển động ở một vận tốc nào đó, thì lực đẩy màchân vịt tạo ra sẽ cân bằng với lực
cản do dòng chất lỏng bao quanh vỏ tàu gây ra. Lực bẻ lái giúp tàu thay đổi hướng chuyển
động, cũng được tạo ra nhờ sự chuyển đổi năng lượng của dòng chảy bao quanh bánh lái.
Đặc biệt, khi tàu thay đổi hướng chuyển động, lúc này dòng chảy bao quanh vỏ tàu lệch
với trục dọc tàu một góc nào đó, điều này dẫn tới sự chênh lệch áp suất giữa hai mạn tàu.
Lúc này chất lỏng (khối nước) tác động lên thân tàu một lực “gia thêm” hay lực “bù”, làm
thay đổi lực cản tác động lên tàu thủy, lực ly tâm vàmômen gia thêm.
Thực tiễn hàng hải khi điều động tàu, liên tục thay đổi hướng chuyển động để phùhợp
với tí
nh chất công việc theo kế hoạch. Khi tàu thay đổi hướng chuyển động, tương ứng với
vận tốc chuyển động của tàu, thìtàu sẽ chịu lực gia thêm khác nhau. Nếu độ lớn của lực
này quá giới hạn cho phép, việc thay đổi hướng chuyển động của tàu sẽ gặp khó khăn,
nguy hiểm hơn là tàu cóthể rơi vào trạng thái cân bằng không ổn định, làmột trong những
nguyên nhân gây lật tàu.
Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu sinh (NCS) đã thực hiện xây dựng môhình toán,
mô hình nghiên cứu, thực hiện tí
nh toán môphỏng vànghiên cứu thực nghiệm. Hơn nữa,
đã kết hợp chặt chẽ vấn đề nghiên cứu trong đề tài luận án với nghiên cứu thực hiện trong
hai đề tài KHCN cấp Bộ Giao thông vận tải, cụ thể: NCS đã nghiên cứu vàsử dụng một
phần kết quả nghiên cứu của hai đề tài KHCN cấp Bộ Giao thông vận tải, năm 2017:
- Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế vàchế tạo thử nghiệm hệ thống đánh giá tác động của tổ
hợp chân vịt - bánh lái đến đặc tính điều khiển hướng chuyển động tàu thủy”, mã số: DT
174003 do PGS. TS. Phạm Kỳ Quang làm chủ nhiệm đề tài, TS. Vũ Văn Duy, NCS.
Nguyễn Thành Nhật Lai làthành viên tham gia chính, cùng một số thành viên khác.
- Đề tài: “Xây dựng chương trình tính toán mô phỏng và thử nghiệm một số nguyên
nhân cơ bản dẫn đến tai nạn hàng hải trên tuyến luồng Sài Gòn phục vụ công tác đào tạo
vàhuấn luyện thuyền viên”, mã số: DT 174030, năm 2017 do tác giả Cổ Tấn Anh Vũ làm

chủ nhiệm đề tài, PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, TS. Vũ Văn Duy, NCS. Nguyễn Thành Nhật
Lai làthành viên tham gia chính, cùng một số thành viên khác.
Xuất phát từ việc phân tí
ch nêu trên, NCS đãlựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh
hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng
chuyển động” để thực hiện vàluôn cấp thiết, mang tí
nh thời sự, có ý nghĩa khoa học, ý
nghĩa thực tiễn trong ngành hàng hải.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Lànghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy hay “lực
gia thêm”, trong quá trình thay đổi hướng chuyển động.
3. Đối tượng vàphạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu: Động lực học dòng chảy bao tàu thủy và tác động của động lực
học dòng chảy bao đến lực cản, khi thay đổi hướng chuyển động.
Phạm vi nghiên cứu:
- Xây dựng mô hình bài toán động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy, từ đó tính
toán môphỏng để đánh giá ảnh hưởng của chúng tới lực cản hay “lực gia thêm”, khi thay
đổi hướng chuyển động được thể hiện bằng 3 giátrị cơ bản: Lực cản gia thêm, lực ly tâm
vàmômen gia thêm. Tuy nhiên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu thực nghiệm về giátrị lực
cản gia thêm. Việc thay đổi hướng chuyển động của tàu được hiểu là thay đổi giátrị góc θ0
1


(làgóc hợp bởi phương của dòng chảy và phương của trục dọc tàu trong khoảng thời gian
thay đổi nhất định, tính bằng độ), hay chính làthân tàu xoay lệch đi các góc nhất định so
với hướng chất lỏng.
- Lựa chọn vàsử dụng môhình tàu theo tiêu chuẩn đồng dạng với tàu container M/V
TAN CANG FOUNDATION, trọng tải 7040 MT, có01 chân vịt chiều phải, để triển khai
nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử môhì
nh tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.

4. Phương pháp nghiên cứu của luận án
Phương pháp nghiên cứu lýthuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể:
Nghiên cứu lýthuyết:
- Cơ sở lýluận động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy vàlực cản tàu thủy; cơ sở
toán học trên nền tảng tính toán động lực học dòng chảy CFD (Computational Fluid
Dynamics), để tí
nh toán môphỏng các thông số động lực học dòng chảy bao. Áp dụng tính
toán môphỏng chi tiết cho mô hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, với
các giátrị vận tốc (Vi) vàthay đổi hướng chuyển động của tàu (θ0);
- Xây dựng môhì
nh nghiên cứu bằng phương pháp số vàquy trình tính toán môphỏng
ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy. Áp dụng tí
nh toán môphỏng
cho mô hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, với các giá trị vận tốc
khác nhau vàkhi thay đổi hướng chuyển động.
Nghiên cứu thực nghiệm:
NCS đã triển khai thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải
Việt Nam, với một số nội dung cụ thể như sau:
- Thiết kế công nghệ vàchế tạo môhình nghiên cứu thực nghiệm đồng dạng theo tiêu
chuẩn với tàu M/V TAN CANG FOUNDATION;
- Thiết kế, chế tạo bộ phận kết nối môhình tàu với hệ thống thínghiệm tại bể thử mô
hì
nh tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Triển khai vận hành bể thử theo phương
án thực nghiệm;
- Đo giá trị lực cản tác động lên tàu với giátrị vận tốc, thay đổi hướng chuyển động;
- Tổng hợp, phân tích, so sánh và đánh giá kết quả nghiên cứu.
5. Ý nghĩa khoa học vàthực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học của đề tài:
- Hệ thống hóa cơ sở lýluận về động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy, nhằm đưa
ra môhì

nh nghiên cứu phùhợp. Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện một phần cơ sở
lýluận liên quan đến vấn đề nghiên cứu và có đóng góp nhất định cho khoa học chuyên
ngành hàng hải;
- Đưa ra phương pháp luận về xây dựng quy trình ứng dụng CFD với phần mềm Fluent
- Ansys, để đánh giá ảnh hưởng của động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy, khi
thay đổi hướng chuyển động. Từ đó áp dụng cho đối tượng vàphạm vi nghiên cứu cụ thể
của luận án, cónhững giải pháp tránh những rủi ro trong thực tiễn hàng hải.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
- Một mặt, kết hợp cơ sở khoa học lý thuyết đặc thù liên quan đến khoa học chuyên
ngành với thực tiễn hàng hải. Mặt khác, hỗ trợ thuyền trưởng chủ động trong điều khiển
hướng chuyển động tàu thủy, tránh rủi ro, nguy hại do lực gia thêm gây ra, đặc biệt trong
quá trình điều động tàu, xử lýcác tì
nh huống khẩn cấp trong nghiệp vụ dẫn tàu;
- Đóng góp nhất định vào khoa học chuyên ngành: Xây dựng một phần hệ thống thí
nghiệm phục vụ nghiên cứu thực nghiệm. Giúp chuyên gia trong xây dựng chương trình
2


điều khiển tàu tự động có tí
nh tới yếu tố ảnh hưởng của lực gia thêm, nhằm chủ động
trong quá trình điều động tàu.
6. Những điểm đóng góp mới của luận án
6.1. Xây dựng giải thuật môphỏng trên nền tảng ứng dụng CFD với phần mềm Fluent
- Ansys đối với bài toán 2D và bài toán 3D cho mô hì
nh động lực học dòng chảy bao
quanh tàu thủy. Từ đó, tính toán mô phỏng cho đối tượng cụ thể với số liệu đầu vào đồng
dạng với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION theo 16 trường hợp, khi thay
đổi vận tốc khác nhau vàthay đổi hướng chuyển động của tàu.
6.2. Xây dựng mô hình bài toán nghiên cứu, quy trì
nh chung tính toán mô phỏng và

thực hiện tí
nh toán môphỏng ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực gia thêm tác
động lên tàu thủy, khi thay đổi hướng chuyển động, thông qua 3 giátrị cơ bản là: Lực cản
gia thêm, lực ly tâm và mô men gia thêm. Tổng hợp, phân tích và đánh giá cụ thể mối
quan hệ theo 3 giátrị cho từng trường hợp khác nhau, trong đó có áp dụng cụ thể môhình
đồng dạng với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION.
Đồng thời, đã xây dựng được bốn phương trình bậc 3, thể hiện mối quan hệ giữa lực
cản (R) với sự thay đổi hướng chuyển động của tàu, tại từng trường hợp vận tốc tàu mô
hì
nh khác nhau (Vmh), cụ thể:
Khi Vmh = 0,45 m/s: R  0,0000645 3  0,000424 2  0,03195  0,314
Khi Vmh = 0,55 m/s: R  0,00002567 3  0,001445 2  0,007517  0,376
Khi Vmh = 0,65 m/s: R  0,0001472 3  0,001335 2  0,007533  0,523
Khi Vmh = 0,75 m/s: R  0,00003167 3  0,005525 2  0,05672  0,698
6.3. Thực hiện thiết kế, chế tạo môhì
nh tàu vàcác chi tiết, thiết bị phụ trợ phục vụ quá
trì
nh nghiên cứu thực nghiệm một phần kết quả cơ bản của luận án. Đo bộ dữ liệu giátrị
lực cản môhình tàu cho 15 trường hợp khác nhau. Từ đó, tổng hợp, phân tí
ch, so sánh và
đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm với kết quả tính toán môphỏng bằng ứng dụng
CFD với Fluent - Ansys, khẳng định: Kết quả nhận được khi thực hiện theo hai phương
pháp đảm bảo tí
nh hiện đại, độ chí
nh xác vàtin cậy (với sai lệch trung bì
nh là8,4%).
7. Bố cục của luận án
Luận án gồm 115 trang (không kể phụ lục), gồm các phần thứ tự sau: Mở đầu; nội
dung (04 chương); kết luận vàkiến nghị; danh mục các công trình khoa học đã công bố
liên quan đến luận án (09 công trì

nh khoa học); tài liệu tham khảo vàphụ lục (03 phụ lục).
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC
DÒNG CHẢY BAO ĐẾN TÀU THỦY
Chương 1 tập trung nghiên cứu tổng quan về ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao
đến tàu thủy, đã tóm tắt vấn đề cơ bản sau:
Tì
nh hì
nh nghiên cứu trên thế giới và trong nước liên quan đến luận án:
Trên thế giới: Có thể kể đến một số công trì
nh tiêu biểu, như: Năm 2009, Force
Technology - MAN Diesel, đã thực hiện dự án về ứng dụng CFD trong nghiên cứu bài
toán động lực học dòng chảy bao quanh tàu tàu. Năm 2013 nhóm tác giả Karsten
Hochkirch, FutureShip, Potsdam (Đức) vàBenoit Mallol, Numeca, Brussels (Bỉ), công bố
kết quả liên quan đến ứng dụng CFD đối với lực cản vàảnh hưởng của sóng tác động, đối
3


với sự tương tác dòng chảy qua chân vịt bánh lái tàu. Năm 2012 nhóm tác giả
Voxakis, Petros trường Massachusetts
(Mỹ), công bố kết quả về ứng dụng CFD
để tí
nh toán lực cản vỏ tàu. Năm 2015,
nhóm tác giả Tahsin Tezdogan, Yigit
Kemal Demirel, Paula Kellett, Mahdi
Khorasanchi, Atilla Incecik, Osman Turan,
công bố kết quả bài toán động lực học bao
quanh vỏ tàu và sử dụng kỹ thuật
“unsteady RANS” cũng như ảnh hưởng
Hình 1.1. So sánh kết quả theo CFD
mặt thoáng,…

vàthực nghiệm của Brendan Smoker
Năm 2012, tác giả Brendan Smoker,
Trường Đại học Victoria (Anh), công bố kết quả nghiên cứu bằng CFD và triển khai
nghiên cứu thực nghiệm, để so sánh trên cùng môhì
nh tàu 3D Ajax (IMD-523C). Kết quả
so sánh cụ thể mô tả theo hì
nh 1.1. Sai lệch lớn nhất được công bố là10,16% tại tốc độ
0,324 m/s vàsai lệch trung bình là6,04%. Tác giả cũng bước đầu đưa ra hệ số lực nâng CL,
hệ số lực cản CD với các tốc độ tàu vàthay đổi hướng chuyển động khác nhau.
Tại Việt Nam: Đã có nhiều tác giả nghiên cứu về lĩnh vực này, tiêu biểu cóthể kể đến:
- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, như: GS. TSKH. Vũ Duy Quang, GS. TS.
Nguyễn Thế Mịch, PGS. TS. Trương Việt Anh, PGS. TS. LêQuang, TS. LêThanh Tùng,
PGS. TS. Lương Ngọc Lợi, Nguyễn Đức Hải, Nguyễn Văn Cường,… đã công bố các kết
quả liên quan: Xác định lực cản vỏ tàu, ảnh của sóng, xâm thực chân vịt, bánh lái tàu thủy,
động lực học dòng chảy, tính toán lực cản tàu bằng phương pháp mô phỏng số, phương
pháp xác định sức cản nhờ thử nghiệm môhì
nh tàu,...
- Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí
Minh, Trường Đại học Nha Trang, Viện Khoa học Công nghệ tàu thủy,... như: Trần Công
Nghị, PGS. Nguyễn Đức Ân, KS. Nguyễn Bân, PGS. Vũ Ngọc Bí
ch, PGS. LêHồng Bang,
PGS. Đỗ Quang Khải, TS. Vũ Văn Duy, TS. Trần Ngọc Tú, TS. LêThanh Bì
nh, PGS. TS.
Trần Gia Thái,... đã công bố kết quả nghiên cứu xung quanh vấn đề này, như: Lý thuyết
tàu thủy, tính động lực học dòng chảy bao quanh tàu, ứng dụng lýthuyết CFD, tối ưu thiết
kế thân tàu thủy, ổn định tàu thủy, sự tương tác dòng chảy sau chân vịt - bánh lái, xác định
lực bẻ lái hay tính bất ổn định, ứng dụng CFD xác định sức cản tàu cávỏ gỗ Việt Nam,...
Từ các kết quả nghiên cứu nêu trên nhận xét rằng: Mặc dùcómột số công trì
nh nghiên
cứu về động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy. Tuy nhiên, việc nghiên cứu vàgắn kết

những kết quả này vào bài toán để điều khiển hướng chuyển động của tàu trong quátrì
nh
điều động là chưa có nhiều. Với phạm vi và đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án cụ thể,
vấn đề nghiên cứu luôn mang tí
nh thời sự, có ý nghĩa khoa học vàthực tiễn chuyên ngành
hàng hải, đồng thời không trùng lặp với các công trình đã công bố trước đó.
Tổng quan về động lực học dòng chảy bao tàu thủy vàứng dụng CFD: Trong luận
án đã nghiên cứu chi tiết về cơ sở lý luận động lực học dòng chảy bao tàu vàứng dụng
CFD; Các khái niệm vàphương trình cơ bản liên quan đến chất lỏng; Điều kiện đầu và
điều kiện biên; Chỉ rõnhững ưu, khuyết điểm ứng dụng CFD trong nghiên cứu.
Một số khái niệm cơ bản về chuyển động tàu thủy: Liên quan đến chuyển động của
tàu thủy, điều động tàu, tính chuyển động, tính điều khiển; Tốc độ tàu; Lực cản chuyển
4


động tổng hợp tác động lên tàu.
Cơ sở lý thuyết về ổn định tàu thủy: Thành phần chuyển động, tham số động học của
chuyển động tàu thủy trong hệ tọa độ; Trạng thái cân bằng của tàu thủy; Ổn định tàu thủy tại
góc nghiêng nhỏ vàgóc nghiêng lớn.
Giới hạn phạm vi nghiên cứu trong đề tài luận án: Xây dựng môhì
nh nghiên cứu;
Mô hình bài toán động lực học dòng chảy bao quanh tàu, giới hạn không xét đến ảnh
hưởng của sóng, gióvàtập trung nghiên cứu tác dụng của dòng chảy (cụ thể vận tốc dòng
chảy) lên tàu, khi thay đổi hướng chuyển động; Ứng dụng CFD với phần mềm FluentAnsys, nhằm tính toán môphỏng. Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của chúng tới lực cản
tàu thủy hay “lực gia thêm”, khi thay đổi hướng chuyển động, thông qua ba giá trị đặc
trưng là: Lực cản gia thêm, lực ly tâm vàmômen gia thêm. Lựa chọn vàsử dụng phương
pháp theo tiêu chuẩn đồng dạng Froude. Lựa chọn và sử dụng thông số tàu M/V TAN
CANG FOUNDATION, trọng tải 7040 MT, để làm mô hình đồng dạng, khi thực hiện
nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử môhì
nh tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.

Kết luận chương 1: Chương 1 đạt được kết quả cơ bản sau:
- Phân tích và đánh giá tổng quan về tình hì
nh nghiên cứu trong nước và ngoài nước
của các công trình liên quan đến luận án. Từ đó, rút ra kết luận vấn đề nghiên cứu của luận
án mang tí
nh cấp thiết, đảm bảo ý nghĩa khoa học và đóng góp thực tiễn chuyên ngành
hàng hải vàkhông trùng lặp với các công trì
nh nghiên cứu đã công bố;
- Hệ thống hóa cơ sở lýluận về bài toán động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy và
ứng dụng CFD, nhằm đánh giá ảnh hưởng của chúng tới tàu thủy trong quá trình thay đổi
hướng chuyển động; Hệ thống hóa cơ sở lýluận về điều động tàu thủy, ổn định tàu thủy và
chuyển động của tàu thủy;
- Đã giới hạn cụ thể phạm vi nghiên cứu của luận án.
CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG CFD TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG
ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO QUANH TÀU THỦY
Chương 2 tập trung tí
nh toán mô phỏng động lực học dòng chảy bao quanh tàu bằng
CFD, với các vấn đề cơ bản sau: Xây dựng mô hình nghiên cứu và cơ sở toán học; Xây
dựng quy trình tính toán mô phỏng vàthực hiện tính toán mô phỏng cho bài toán 2D và
bài toán 3D; Phân tí
ch kết quả tính toán mô phỏng trong trường hợp tàu chuyển động
thẳng và thay đổi hướng chuyển động khác nhau.
Xây dựng môhì
nh nghiên cứu vàcơ sở toán học:
- Môhì
nh nghiên cứu: Lựa chọn vàsử dụng số liệu đồng dạng theo tiêu chuẩn Froude
với M/V TAN CANG FOUNDATION (hì
nh 2.1), hệ số đồng dạng hình học làk = 100.
Các điều kiện biên (hình 2.2): “Đầu vào nước” và “đầu vào khí” được đặt làvận tốc đầu
vào, với độ lớn và phương chiều theo tính toán đồng dạng với bài toán thực tế; “Đầu ra

nước” và “đầu ra khí” được đặt làáp suất đầu ra, có tí
nh tới ảnh hưởng của gia tốc trọng
trường; Phần giao nhau giữa hai pha làmặt thoáng phân cách; Bài toán không xét đến ảnh
hưởng của gióvàsóng, nghĩa là dòng chảy bao quanh môhình tàu cócùng vận tốc.
- Cơ sở toán học: Sử dụng phương pháp VOF (volume of fluid), nghĩa là giải phương
trì
nh vi phân chủ đạo cho hỗn hợp nhiều pha, bằng cách đưa thêm vào đại lượng tỷ lệ thể
tí
ch pha. Chương trình sử dụng kỹ thuật giải (Transistion SST) vàcác hệ số thực nghiệm
khác.
5


Hì
nh 2.1. Mô hình đồng dạng với M/V TAN
Hì
nh 2.2. Môhì
nh bài toán nghiên
CANG FOUNDATION vàhình ảnh các
cứu và các điều kiện biên
đường mớn nước khảo sát
Tí
nh toán mô phỏng động lực học dòng chảy bao quanh tàu cho bài toán 2D và
bài toán 3D bằng ứng dụng CFD với phần mềm Fluent - Ansys
Điều kiện biên:
- Vận tốc được đồng dạng theo hồ sơ của tàu thực M/V TAN CANG FOUNDATION:
Vt = {4,5; 5,0; 5,5; 6,0; 6,5; 7,0; 7,5}, (m/s).
- Thay đổi hướng chuyển động của tàu trong các trường hợp như sau:
θ0 = {0050, 0100, 0150, 0200, 0250, 0300}, (độ).
Kết quả nhận được: Kết quả tí

nh toán môphỏng cho một số đường nước cụ thể; phân
bố áp suất, phân bố pha, vận tốc,…; áp lực tác động lên vỏ tàu theo các phương.
Như vậy, giới hạn vùng phương án tính toán mô phỏng với 7 giátrị vận tốc của tàu và
6 giátrị hướng chuyển động thay đổi. Do đó, sẽ tương ứng việc tí
nh toán môphỏng với 42
trường hợp khác nhau, cho bài toán 2D là các đường nước khác nhau (xét 3 đường nước là
đường số 2, số 5 vàsố 7 theo hì
nh 2.1đặc trưng cho trạng thái khi tàu không tải, nửa tải và
đầy tải) vàbài toán 3D làcả biên dạng vỏ tàu.
Hì
nh 2.3 môtả kết quả tính toán môphỏng chia lưới cho không gian tính toán vàcác
điều kiện biên. Ô lưới códạng tam giác, khoảng 1,1 triệu ô lưới thu được. Mỗi trường hợp
tí
nh toán, phải xây dựng lại mô hình bằng cách, quay vỏ tàu trong không gian tính toán
ứng một giátrị bất kỳ, nghĩa làthay đổi hướng chuyển động, dẫn tới việc chia lại lưới.
Phân tí
ch kết quả tí
nh toán môphỏng
Trường hợp tàu chuyển động thẳng
Để thuận lợi phân tí
ch kết quả tí
nh
toán mô phỏng, xét trường hợp tàu
chuyển động thẳng và vận tốc tàu
Vt = 7,5 m/s, không xét tới ảnh hưởng
của sóng vàgió. Phân bố áp suất hai mạn
tàu gần như đối xứng, hay áp lực chất
lỏng tác động lên vỏ tàu theo phương
thẳng đứng bằng lực đẩy Ác-si-mét và
cân bằng với trọng tải tàu, theo phương

dọc trục chí
nh làlực cản và theo phương
ngang làbằng không.
6


Hì
nh 2.4. Kết quả tí
nh toán môphỏng phân bố áp suất hai bên mạn tàu (phần dưới nước)
Trường hợp tàu thay đổi hướng chuyển động
Kết quả tí
nh toán môphỏng cho bài toán 2D
Với mỗi đường nước sẽ tính toán môphỏng giátrị phân bố áp suất vàhệ số áp suất hai
bên mạn tàu. Giátrị cụ thể này được biểu diễn tương ứng cột mầu bên trái mỗi hình tương
ứng. Từ kết quả này, xác định được lực gia thêm theo các phương. Sau đó tổng hợp trên
nhiều đường nước khác nhau, để đưa ra được giátrị cho toàn vỏ tàu.
Tí
nh toán môphỏng 3đường nước khảo sát đặc trưng làsố 2, số 5 vàsố 7 (các đường
nước khác thực hiện tương tự), với cùng điều kiện đầu, cụ thể:
- Thay đổi hướng chuyển động của tàu: θ0 = 0050, θ0 = 0200 vàθ0 = 0300
- Thay đổi lần lượt vận tốc tàu là:
Vt = 4,5 m/s vàVt = 7,5 m/s.
Kết quả tí
nh toán môphỏng cho ba đường nước, được môtả từ hình 2.5 đến hình 2.9.

Hì
nh 2.5. Kết quả tí
nh toán môphỏng đường nước số 2 khi Vt = 4,5 m/s,
thay đổi θ0 = 0050 vàθ0 = 0200: a) Phân bố áp suất; b) Phân bố hệ số áp suất
7

Hì
nh 2.6. Kết quả tí
nh toán môphỏng đường nước số 2 khi Vt = 7,5 m/s,
thay đổi θ0 = 0050 vàθ0 = 0200: a) Phân bố áp suất; b) Phân bố hệ số áp suất

Hì
nh 2.7. Kết quả tí
nh toán môphỏng đường nước số 5 khi Vt = 7,5 m/s,
thay đổi θ0 = 0050 vàθ0 = 0200: a) Phân bố áp suất; b) Phân bố hệ số áp suất
8


Hì
nh 2.8. Kết quả tí
nh toán môphỏng đường nước số 7 khi Vt = 4,5 m/s,
thay đổi θ0 = 0050 vàθ0 = 0200: a) Phân bố áp suất; b) Phân bố hệ số áp suất

9


Hì
nh 2.9. Kết quả tí
nh toán môphỏng đường nước số 2 khi Vt thay đổi,
θ0 = 0300: a) Phân bố áp suất; b) Phân bố hệ số áp suất
Kết quả tí
nh toán môphỏng cho bài toán 3D
Điều kiện đầu vào tương tự bài toán 2D, nhưng kết quả tính toán sẽ tường minh hơn so
với 2D, cho kết quả phân bố áp suất trên toàn biên dạng vỏ tàu thủy, đưa ra lực gia thêm

theo phương khác nhau, phân bố pha nước vàkhísẽ cho hình dạng mặt thoáng tương ứng.
Kết quả tí
nh toán môphỏng thể hiện trên hình 2.10.

Hình 2.10. Kết quả tí
nh toán môphỏng, với Vt = 7,5 m/s, thay đổi hướng chuyển động
θ0 = 0200: a) Phân bố áp suất trên vỏ tàu; b) Phân bố pha khítrên vỏ tàu.
10


Khi tàu chuyển động thẳng, thìphân bố áp suất giữa hai mạn làgần như đối xứng,
nhưng khi thay đổi hướng hướng chuyển động θ0 = 0200, thìgiátrị này chênh lệch khálớn,
đặc biệt làphần mũi tàu, kết quả tí
nh toán môphỏng theo hình 2.11.

a)
b)
Hì
nh 2.11. Kết quả môphỏng phân bố áp suất phần vỏ tàu chìm dưới nước,
khi thay đổi hướng θ0 = 0200, Vt = 7,5 m/s: a) Mạn phải; b) Mạn trái
Từ kết quả theo hình 2.11, ứng dụng CFD với phần mềm Fluent-Ansys xác định giátrị:
Lực tác động gia thêm, mô men tác động, theo phương khác nhau, môtả theo hình 2.12.

a)
b)
Hình 2.12. Kết quả tí
nh toán theo các phương: a) Lực tác động; b) Mômen gia thêm
Hì
nh 2.13 vàhình 2.14 đưa ra kết quả tí
nh toán môphỏng phân bố áp suất trên hai mạn

vỏ tàu, phần chìm dưới nước, với tốc độ tàu thay đổi Vt = 4,5 m/s vàVt = 7,5 m/s. Các
trường hợp còn lại, hoàn toàn tính toán tương tự.
Phân tí
ch kết quả nhận được theo hình 2.14 đến hình 2.15, nhận xét rằng:
- Giátrị phân bố áp suất mạn phải vàmạn trái vỏ tàu phần chìm dưới nước với mỗi
trường hợp đều thể hiện chi tiết tương ứng ôcột màu nằm bên trái mỗi hình tương ứng.
- Khi thay đổi hướng chuyển động càng lớn, thìphân bố áp suất bên hai mạn của vỏ
tàu phần chìm dưới nước cũng thay đổi mạnh và tăng theo.
11


Hình 2.13. Kết quả tí
nh toán môphỏng phân bố áp suất mạn phải vàmạn trái vỏ tàu
phần chìm dưới nước, khi thay đổi θ0 = 0100: a, b) Vt = 4,5 m/s; c, d) Vt = 7,5 m/s

Hình 2.14. Kết quả tí
nh toán môphỏng phân bố áp suất mạn phải vàmạn trái vỏ tàu
phần chìm dưới nước, khi thay đổi θ0 = 0150: a, b) Vt = 4,5 m/s; c, d) Vt = 7,5 m/s
12


Kết luận chương 2: Chương 2 đã đạt được kết quả cơ bản sau:
- Xây dựng mô hình nghiên cứu, cơ sở toán học, quy trình chung tính toán, thực hiện
tí
nh toán môphỏng bài toán động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy. Từ kết quả nhận
được cho từng trường hợp của bài toán 2D và bài toán 3D, hoàn toàn cho phép xác định
được lực gia thêm, mô men theo các phương cũng như tâm áp suất.
- Kết quả tí
nh toán cụ thể, chi tiết và tường minh đối với từng trường hợp của mỗi bài
toán, khi tàu thay đổi hướng chuyển động. Từ đó thực hiện phân tích, đánh giá và so sánh

kết quả đối với từng bài toán 2D vàbài toán 3D. Tuy nhiên, từ kết quả của bài toán mô
hình đồng dạng, cần chuyển đổi về môhình bài toán thực cho các đại lượng khác nhau.
CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO
ĐẾN LỰC CẢN TÀU THỦY KHI THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG
Từ kết quả đạt tính toán môphỏng đạt được của chương 2, chương 3, tiếp tục phân tí
ch
và đánh giá ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực gia thêm, khi tàu thay đổi
hướng chuyển động, cụ thể: Xây dựng mô hì
nh nghiên cứu và quy trì
nh tính toán mô
phỏng; Tí
nh toán mô phỏng của từng trường hợp khi hướng chuyển động thẳng và khi
thay đổi hướng chuyển động; Tổng hợp, phân tích và đánh giá kết quả tính toán môphỏng
đối với lực cản, lực ly tâm vàmômen gia thêm.
Xây dựng môhì
nh nghiên cứu vàquy trình tí
nh toán môphỏng
NCS thực hiện xây dựng mô hì
nh nghiên cứu theo hình 3.1 vàquy trì
nh tính toán mô
phỏng được thực hiện thông qua 8 bước cụ thể theo hình 3.2.

Hì
nh 3.1. Môhì
nh nghiên cứu bài toán
Hì
nh 3.2. Quy trì
nh tính toán môphỏng
Phân tí
ch quy trình tí

nh toán môphỏng bằng CFD với Fluent - Ansys theo hì
nh 3.2:
13


Các bước từ (1) đến (4) được triển khai thực hiện tương tự trong chương 2. Đối với các
bước tiếp theo được phân tí
ch theo sau: Bước 5: Xác định các thành phần lực gia thêm;
Bước 6: Phân tích và đánh giá kết quả làm nổi bật mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của động
lực học dòng chảy bao đến các thành phần lực gia thêm; Bước 7: Thay đổi vận tốc tàu,
nghĩa là thực hiện tí
nh toán lặp lại từ bước 4, bằng cách đặt lại điều kiện biên cho bài toán
(ở đây là thay đổi trị số vận tốc tàu); Bước 8: Thay đổi hướng chuyển động của tàu, nghĩa
làyêu cầu vẽ lại môhình tí
nh toán, bằng cách thay đổi thân tàu so với lúc ban đầu giátrị
nhất định, sau đó tiến hành chia lưới cho môhì
nh tính toán (lặp lại từ bước 3).
Kết quả tí
nh toán môphỏng của từng trường hợp
Điều kiện đầu vào
- Bốn giátrị vận tốc tàu thật: Vt ={4,5, 5,5, 6,5, 7,5}, (m/s).
- Hướng chuyển động thẳng vàba giátrị thay đổi hướng chuyển động:
θ0 = {0100, 0200, 0300}, (độ).
Tổng số 16 trường hợp, đồng thời thực hiện tính toán môphỏng trên môhình tàu thỏa
mãn theo tiêu chuẩn Froude với hệ số đồng dạng hình học k = 100, vìvậy vận tốc vào cho
bài toán mô hình tàu tương ứng quy đổi theo
công thức: Vmh 

Vs
1

k2
Khi đó: Vmh = {0,45; 0,55; 0,65; 0,75}, (m/s).
Hình 3.3 mô tả kết quả tính toán mô
phỏng hình ảnh lưới chia cho không gian tí
nh
toán, với bài toán hai pha (pha nước và pha
khí
) tổng số nút lưới là hơn 1,5 triệu, hay hơn
2,65 triệu phần tử lưới.
Kết quả tí
nh toán mô phỏng cho từng
trường hợp
Trường hợp khi tàu chuyển động thẳng
Kết quả tính toán mô phỏng khi thay đổi
vận tốc tàu mô hình: Vmh = {0,45, 0,55, 0,65, 0,75}, hiển thị bên ô cột mầu phí
a bên trái
của hình 3.4, nhận xét rằng:
Phân bố áp suất giữa hai mạn tàu gần như đối xứng, đồng thời tổng hợp kết quả môtả
chi tiết trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Tổng hợp kết quả giá trị lực cản khi tàu ổn định trên hướng chuyển động thẳng
Vận tốc mô hình tàu, (m/s)
0,45
0,55
0,65
0,75
Lực cản trên mô hình tàu, (N)
0,314
0,376
0,523

0,698
Từ kết quả trong bảng 3.1, xây dựng đồ thị giữa lực cản vàvận tốc môhình tàu, khi tàu
chuyển động thẳng, theo hình 3.5.
Hơn nữa, kết quả tính toán môphỏng cho thấy lực ly tâm vàmômen gia thêm gây lật
cógiátrị xấp xỉ bằng không.

14


Hì
nh 3.4. Kết quả tí
nh toán môphỏng phân bố áp suất,
khi tàu chuyển động thẳng vàthay đổi vận tốc tàu môhình

Trường hợp thay đổi hướng chuyển động của tàu θ = 0100
Kết quả tí
nh toán mô phỏng phân bố áp suất hai mạn tàu mô tả hình 3.6 vànhận xét
rằng: Phân bố áp suất hai mạn tàu bất đối xứng, đây là nguyên nhân gây nên lực gia thêm,
không chỉ làlực cản màcòn lực ly tâm vàmômen gây lật, với kết quả tính toán bảng 3.2.
15


Từ kết quả tổng hợp theo
bảng 3.1 vàbảng 3.2, thực hiện
xây dựng đồ thị mô tả mối
quan hệ giữa lực ly tâm vàlực
cản tàu thủy trong trường hợp
tàu chuyển động thẳng và khi
thay đổi hướng chuyển động
HT = 0100, môtả theo hình 3.7.

a)
b)
Hình 3.7. Đồ thị mối quan hệ: a) Lực ly tâm vàthay đổi lực cản; b) Mômen gia thêm,
khi chuyển động thẳng và thay đổi hướng chuyển động θ0 = 0100
Mô men gia thêm tăng nhanh khi vận tốc tăng từ 0,55 m/s đến 0,65 m/s và0,75 m/s.
Đây lànguyên nhân tiềm tàng khiến tàu thủy rơi vào trạng thái cân bằng không ổn định.
Trường hợp thay đổi hướng chuyển động θ0 = 0200 vàθ0 = 0300
Tương tự, tính toán trường hợp thay đổi hướng chuyển động với θ0 = 0200, θ0 = 0300.
Tổng hợp kết quả tính toán cho từng trường hợp thay đổi này môtả theo bảng 3.3.
Tổng hợp, phân tí
ch và
đánh giá kết quả tí
nh toán
môphỏng
Đối với giátrị lực cản
Từ kết quả bảng 3.3, xây
dựng trên cùng đồ thị mô tả
khoảng giá trị lực cản, lực ly
tâm vàmômen gia thêm, theo
vận tốc, khi thay đổi chuyển
động, theo hình 3.8, nhận xét:
Lực cản gia thêm của mô
hình tàu tăng nhanh, khi thứ tự
tăng giá trị hướng chuyển
động thay đổi, với cùng giátrị
Vmh, cụ thể:
- Khi Vmh = 0,45 m/s, lực
16

cản tàu mô hình tăng: RTM = 1,430 N
- 0,314 N = 1,116 N
- Khi Vmh = 0,55 m/s, lực cản tàu
mô hình tăng: RTM = 2,144 N - 0,376
N = 1,768 N
- Khi Vmh = 0,65 m/s, lực cản tàu
mô hình tăng: RTM = 3,521N - 0,523
N = 2,998 N
- Khi Vmh = 0,75 m/s, lực cản tàu
mô hình tăng: RTM = 4,824 N - 0,698
N = 4,126 N
Lực cản gia thêm của mô hì
nh
tàu tăng nhanh, khi thứ tự tăng giá trị
vận tốc mô hình tàu Vmh = {0,45,
0,55, 0,65, 0,75}, (m/s), với cùng giá
trị hướng chuyển động, cụ thể:
- Khi hướng chuyển động thẳng,
lực cản tàu mô hình tăng:
RTM = 0,698 N - 0,314 N = 0,384 N
- Khi thay đổi hướng chuyển động θ = 0100, lực cản tàu mô hình tăng:
RTM = 0,715 N - 0,354 N = 0,361 N
- Khi thay đổi hướng chuyển động θ = 0200, lực cản tàu mô hình tăng:
RTM = 2,027 N - 0,855 N = 1,172 N
- Khi thay đổi hướng chuyển động θ = 0300, lực cản tàu mô hình tăng:
RTM = 4,824 N - 1,430 N = 3,394 N
Lực cản gia thêm trên tàu thực trong trường hợp khi thay đổi hướng chuyển động lớn
nhất θ = 0300, được quy đổi tính bằng: RTS = 3,394 x k3 = 3,394 x 106 N.
Xét trường hợp khi vận tốc môhì

nh tàu lớn nhất, Vmh = 0,75 m/s, hướng chuyển động
thay đổi lớn nhất θ = 0300, khi đó lực cản gia thêm của mô hì
nh tàu rất nhanh, cụ thể:
RTM = 4,824 N - 0,698 N = 4,126 N.
Lực cản gia thêm trên tàu thực
được quy đổi tí
nh bằng:
RTS = 4,126 x k3 = 4,126 x 106 N
Như vậy, với giá trị lực cản tăng
nhanh, dẫn đến vận tốc tàu giảm nhanh,
do lực đẩy chân vịt không thắng được
lực cản, vìvậy quá trình điều động tàu
cần được thay đổi hướng chuyển động
một cách phùhợp.
- Đồ thị lực cản tương ứng với vận
tốc khác nhau khi tàu thay đổi hướng
chuyển động (hình 3.9), có dạng một
phần đường cong bậc ba tổng quát:

17


(3.1)
R  a 3  b 2  c  d
Từ kết quả bảng 3.3, thực hiện thay các điểm làm việc khác, chẳng hạn: (0100; 0,715),
(0200; 2,027) và(0300; 4,824) vào phương trình (3.1), nhận được hệ 3 phương trình bậc
nhất 3 ẩn làa, b, c vàxác định được các biến a, b, c như sau:
a = 0,00003167; b = 0,005525; c = - 0,05672.
Như vậy, phương trình đường cong thể hiện mối quan hệ giữa lực cản và hướng
chuyển động của tàu, khi vận tốc thay đổi:

Khi Vmh = 0,45 m/s: R  0,0000645 3  0,000424 2  0,03195  0,314
Khi Vmh = 0,55 m/s: R  0,00002567 3  0,001445 2  0,007517  0,376
Khi Vmh = 0,65 m/s: R  0,0001472 3  0,001335 2  0,007533  0,523
Khi Vmh = 0,75 m/s: R  0,00003167 3  0,005525 2  0,05672  0,698
Đối với giátrị lực ly tâm
Phân tí
ch kết quả theo bảng 3.3 vàhì
nh 3.10, nhận xét rằng:
Lực ly tâm của mô hình tàu sẽ tăng,
khi thứ tự tăng giá trị θ = {0100, 0200,
0300}, với cùng giátrị Vmh, cụ thể:
- Vmh = 0,45 m/s, lực ly tâm tàu mô
hì
nh tăng: Fly tâm mô hình = 0,047 N 0,0015 N = 0,0455 N;
- Vmh = 0,55 m/s, lực ly tâm tàu mô
hì
nh tăng: Fly tâm mô hình = 0,065 N 0,0085 N = 0,0565 N;
- Vmh = 0,65 m/s, lực ly tâm tàu mô
hì
nh tăng: Fly tâm mô hình = 0,083 N 0,0120 N = 0,0710 N;
- Khi Vmh = 0,75 m/s, lực ly tâm tàu
mô hình tăng: - Fly tâm môhình = 0,148 N 0,0180 N = 0,1300 N
Lực ly tâm của mô hình tàu tăng
nhanh, khi thứ tự tăng giá trị vận tốc môhình tàu Vmh = {0,45, 0,55, 0,65, 0,75}, (m/s), với
cùng giátrị hướng chuyển động của tàu, cụ thể:
- Khi thay đổi hướng chuyển động làθ = 0100, lực ly tâm tàu mô hình tăng:
Fly tâm môhình = 0,148 N - 0,047 N = 0,101 N
- Khi thay đổi hướng chuyển động làθ = 0200, lực ly tâm tàu mô hình tăng:
Fly tâm môhình = 0,0240 N - 0,0065 N = 0,0175 N
- Khi thay đổi hướng chuyển động làθ = 0300, lực ly tâm tàu mô hình tăng:

Fly tâm môhình = 0,0180 N - 0,0015 N = 0,0165 N
Lực ly tâm trên tàu thực trong trường hợp khi thay đổi hướng chuyển động lớn nhất
θ = 0300 vàVmh = 0,75 m/s, được quy đổi tính bằng:
Fly tâm tàu thực = 0,0180 x k3 = 0,0180 x 106 N.
Đối với giátrị mômen gia thêm
Từ bảng 3.3 vàhì
nh 3.11, nhận xét:
Mômen gia thêm của môhì
nh tàu sẽ tăng, khi thứ tự tăng giá trị hướng chuyển động θ
= {0100, 0200, 0300}, với cùng giátrị Vmh, cụ thể:
18


- Khi Vmh = 0,45 m/s, mô men gia
thêm của tàu mô hình tăng:
Mgia thêm mô hình = 0,27 N.m - 0,08
N.m = 0,19 N.m;
- Khi Vmh = 0,55 m/s, mô men gia
thêm của tàu mô hình tăng:
Mgia thêm mô hình = 7,02 N.m - 1,00
N.m = 6,02 N.m;
- Khi Vmh = 0,65 m/s, mô men gia
thêm của tàu mô hình tăng:
Mgia thêm mô hình = 22,14 N.m - 7,88
N.m = 14,26 N.m;
- Khi Vmh = 0,75 m/s, mô men gia
thêm của tàu mô hình tăng:
Mgia thêm mô hình = 32,15 N.m - 10,89
N.m = 21,26 N.m
Mô men gia thêm của mô hình tàu cũng tăng nhanh, khi thứ tự tăng giá trị vận tốc mô

hì
nh tàu Vmh = {0,45, 0,55, 0,65, 0,75}, (m/s), với cùng giátrị hướng chuyển động của tàu:
- Khi thay đổi hướng chuyển động làθ = 0100, mô men gia thêm tăng là:
Mgia thêm môhình = 10,89 N.m - 0,09 N.m = 10,78 N.m
- Khi thay đổi hướng chuyển động làθ = 0200, mô men gia thêm tăng là:
Mgia thêm môhình = 21,62 N.m - 0,15 N.m = 21,47 N.m
- Khi thay đổi hướng chuyển động làθ = 0300, mô men gia thêm tăng là:
Mgia thêm môhình = 32,15 N.m - 0,27 N.m = 31,88 N.m
Mô men gia thêm trên tàu thực, khi thay đổi hướng chuyển động lớn nhất θ = 0300 và
Vmh = 0,75 m/s, được quy đổi tí
nh bằng:
Mgia thêm môhình = 32,15 N.m - 0 N.m = 32,15 N.m
Mgia thêm tàu thực = 32,15 x k4 = 32,15 x 108 N.m.
Kết luận chương 3: Chương 3 đã đạt được các kết quả cơ bản sau:
- Đã xây dựng môhình bài toán đánh giátác động của động lực học dòng chảy bao đến
tàu thủy, khi thay đổi hướng chuyển động, đảm bảo bám sát vàphùhợp thực tiễn hàng hải,
đặc biệt trong công tác nghiệp vụ dẫn tàu;
- Đã xây dựng quy trình ứng dụng CFD với phần mềm Fluent - Ansys một cách phù
hợp, đề giải quyết vấn đề nghiên cứu đặt ra. Từ đó, kết quả tí
nh toán môphỏng chi tiết cho
từng trường hợp cụ thể, tường minh và đảm bảo độ chí
nh xác;
- Tí
nh toán mô phỏng cụ thể cho mô hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION với 16 điểm làm việc tương ứng. Từ kết quả tí
nh toán môphỏng, thực hiện tổng
hợp, phân tích và đánh giá cụ thể mối quan hệ giữa lực cản gia thêm, lực ly tâm, mômen
gia thêm, theo vận tốc với sự thay đổi hướng chuyển động của tàu. Đồng thời, tính toán
quy đổi các giátrị nêu trên về giátrị tàu thực theo tiêu chuẩn đồng dạng Frounde.
- Đã xây dựng được bốn phương trình bậc 3, thể hiện mối quan hệ giữa lực cản R với
hướng chuyển động thay đổi vàvận tốc tàu khác nhau.

19


CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM:
PHÂN TÍCH, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Chương 4 tập trung nghiên cứu thực nghiệm và đã giải quyết cụ thể các vấn đề sau:
Giới thiệu tổng quan một số bể thử nghiệm môhì
nh tàu trên thế giới vàtrong nước; Thiết
kế, chế tạo môhình tàu nghiên cứu thực nghiệm vàthiết bị liên quan; Quy trình và phương
án nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam; Tổng hợp,
so sánh và đánh giá kết quả tính toán môphỏng vàkết quả nghiên cứu thực nghiệm.
Giới thiệu tổng quan một số bể thử nghiệm môhì
nh tàu trên thế giới và trong nước:
Trên thế giới, luận án đã mô tả chi tiết các bể thử môhình tàu, cóthể kể đến: Trường
Đại học Công nghệ Sharif; Trường Đại học Madrid (Tây Ban Nha); Trường Đại học Gent
(Bỉ);
Trường
Đại
học
Shouthampton (Anh); bể thử mô
hì
nh tàu Marintek (Na Uy),...
Tại Việt Nam, có một số bể
thử tại Trường Đại học Bách khoa
TP. Hồ ChíMinh, Viện Khoa học
- Công nghệ tàu thủy,... nhưng
cũng chỉ thực hiện được một số
bài toán nhất định. Một trong
những bể thử điển hì

nh và hiện
đại là bể thử mô hì
nh tàu của
Trường Đại học Hàng hải Việt
Nam (VMU), có thể nghiên cứu
thực nghiệm được một phần kết
quả cơ bản của luận án. NCS đã
lựa chọn bể thử này để thực hiện
Hì
nh 4.1. Hình ảnh bể thử mô hình tàu
nghiên cứu thực nghiệm. Một số
của
Trường Đại học Hàng hải Việt Nam
thông số chí
nh của bể thử môhì
nh
tàu: Chiều dài: 50 (m); Chiều rộng:
2,0 (m); Chiều sâu: 1,5 (m); Chiều
dày thành bể: 0,5 (m); Vận tốc tối
đa: 3,2 (m/s); Sai số phép đo:
1,5%.
Thiết kế, chế tạo mô hì
nh
tàu nghiên cứu thực nghiệm và
thiết bị liên quan:
NCS kết hợp với nhóm nghiên
cứu đã xây dựng cụ thể mục tiêu
nghiên cứu thực nghiệm, đảm bảo:
Làm chủ quy trình chế tạo tàu mô
hì

nh và các phụ kiện liên quan;
Quy trình vận hành bể thử mô
hì
nh tàu; Kiểm chứng một số kết
quả đạt được trong luận án.
20


Đồng thời, đã thiết kế vàchế tạo môhì
nh vỏ tàu; chế tạo các thiết bị phụ trợ liên quan;
chế tạo mặt bí
ch kết nối môhình tàu với hệ thống dẫn động bể thử,...
Xây dựng quy trình và phương án triển khai nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử
môhình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam:
Thông qua khởi động thiết bị (4 bước); tắt thiết bị (2 bước); các bước triển khai (7
bước); những chúýliên quan.
Tổng số 16 trường hợp nghiên cứu thực nghiệm, trong đó: Hướng chuyển động thẳng
vàba lần thay đổi hướng chuyển động: θ = {0100, 0200, 0300} vàbốn giátrị vận tốc tàu.
Tổng hợp phương án nghiên cứu thực nghiệm theo bảng 4.1.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử môhì
nh tàu:
Thực hiện phân tích, đánh giá kết quả thực nghiệm của từng trường hợp khi hướng
chuyển động thẳng và khi thay đổi hướng chuyển động, thứ tự: θ = {0100, 0200, 0300}.
Xây dựng đồ thị mối quan hệ giữa giátrị lực cản đo được với tốc độ tương ứng, khi tàu
chuyển động thẳng và thay đổi hướng chuyển động:

Hì
nh 4.2. Đồ thị mối quan hệ giátrị lực cản đo được và
vận tốc tàu môhì
nh khi chuyên động thẳng và thay đổi hướng chuyển động

21


Bảng 4.2. Tổng hợp kết quả đo trên
môhình tàu vàchuyển đổi cho tàu thật

Hình 4.3. Đồ thị quan hệ giá trị lực cản và
vận tốc, khi tàu thay đổi hướng chuyển động
Chi tiết kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học
Hàng hải Việt Nam cho trong Phụ lục 3 của luận án, kèm theo giấy chứng nhận.
Tổng hợp, so sánh và đánh giá kết quả tí
nh toán môphỏng vàkết quả nghiên cứu
thực nghiệm
Từ kết quả tính toán môphỏng bằng CFD với phần mềm Fluent - Ansys trong chương
3, kết hợp với kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong chương 4. Kết quả cụ thể của từng
trường hợp khi hướng chuyển động thẳng và khi thay đổi hướng chuyển động của tàu mô
hì
nh với ba giátrị θ = {0100, 0200, 0300}, được môtả chi tiết theo hình 4.4.

Hình 4.4. Đồ thị so sánh kết quả tí
nh toán mô phỏng theo CFD (mầu xanh) và thực
nghiệm (mầu đỏ): a) Khi chuyển động thẳng; b, c, d) Khi thay đổi hướng chuyển động
22