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

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH

NCS. 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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH - 2020


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH

NCS. 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
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH:

KHOA HỌC HÀNG HẢI

MÃ SỐ:

9840106

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

TP. HỒ CHÍ MINH - 2020


MỤC LỤC
MỤC LỤC...................................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................................... v
LỜI CÁM ƠN............................................................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU................................................ vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ............................................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................. xvi
MỞ ĐẦU....................................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của luận án........................................................................................... .1
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án ............................................................................ 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ............................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu của luận án ................................................................ 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án........................................................ 4
6. Những điểm đóng góp mới của luận án ............................................................. 5
7. Bố cục của luận án .......................................................................................................... 6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC
DÒNG CHẢY BAO ĐẾN TÀU THỦY................................ 7
1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của luận án............................................. 7
1.1.1. Phân tích tình hình nghiên cứu trên thế giới.........................7
1.1.2. Phân tích tình hình nghiên cứu trong nước........................ 10
1.2. Tổng quan về động lực học dòng chảy bao tàu thủy và CFD...........11
1.2.1. Một số khái niệm về động lực học dòng chảy bao tàu thủy 11

1.2.2. Khái niệm về CFD.............................................................................. 17
1.3. Một số khái niệm liên quan đến chuyển động tàu thủy......................... 21
1.4. Cơ sở lý thuyết về ổn định tàu thủy.................................................................. 24
1.5. Giới hạn vấn đề nghiên cứu của luận án...................................................... 30
i


1.7. Kết luận chương 1...................................................................................................... 31
CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG CFD TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG
LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO QUANH TÀU THỦY
32
2.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu và cơ sở toán học.................................. 32
2.1.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu................................................... 32
2.1.2. Cơ sở toán học.................................................................................... 34
2.2. Tính toán mô phỏng động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy .. 37

2.2.1. Giới hạn điều kiện biên................................................................... 37
2.2.2. Một số cửa sổ chính khi tính toán cùng Fluent-Ansys. .38
2.3. Phân tích kết quả tính toán mô phỏng............................................................ 44
2.3.1. Trường hợp tàu đi thẳng................................................................ 45
2.3.2. Trường hợp tàu thay đổi hướng chuyển động..................46
2.3.2.1. Kết quả tính toán mô phỏng cho bài toán 2D................46

2.3.2.2. Kết quả tính toán mô phỏng cho bài toán 3D................52
2.4. Kết luận chương 2...................................................................................................... 60
CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG
CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN TÀU THỦY KHI
THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG............................... 61
3.1. Xây dựng mô hình bài toán và quy trình tính toán mô phỏng...........61
3.1.1. Xây dựng mô hình bài toán nghiên cứu................................ 61
3.1.2. Xây dựng quy trình tính toán mô phỏng................................ 63
3.2. Kết quả tính toán mô phỏng của từng trường hợp.................................. 65
3.2.1. Điều kiện đầu vào............................................................................... 65

ii


3.2.2. Kết quả tính toán mô phỏng cho từng trường hợp khi hướng
chuyển động thẳng, khi thay đổi hướng chuyển động và vận

tốc của tàu............................................................................................... 67
3.2.2.1. Trường hợp tàu chuyển động thẳng................................... 67
3.2.2.2. Trường hợp thay đổi hướng chuyển động của tàu θ = 010 0

70
3.2.2.3. Trường hợp thay đổi hướng chuyển động θ = 020 0 và

θ = 0300.................................................................................................................. 72
3.3. Tổng hợp, phân tích và đánh giá kết quả tính toán mô phỏng.........73
3.3.1. Đối với giá trị lực cản........................................................................ 73
3.3.2. Đối với giá trị lực ly tâm.................................................................. 77
3.3.3. Đối với giá trị mô men gia thêm................................................. 78
3.4. Kết luận chương 3...................................................................................................... 79

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM: PHÂN TÍCH,
SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ................................. 82
4.1. Một số mô hình bể thử tàu..................................................................................... 82
4.2. Thiết kế và chế tạo mô hình tàu nghiên cứu thực nghiệm..................89
4.2.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm............................................ 89
4.2.2. Thiết kế chế tạo một số thiết bị chính..................................... 89
4.3. Quy trình và phương án nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mô hình

tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam............................................... 91
4.3.1. Quy trình vận hành bể thử mô hình tàu................................. 91
4.3.2. Giới hạn phương án nghiên cứu thực nghiệm..................92
4.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu....................96
4.4.1. Dữ liệu cơ bản liên quan tại bể thử mô hình tàu..............96
4.4.2. Phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm
..................................................................................................................................... 96

iii


4.5. Tổng hợp, so sánh và đánh giá kết quả tính toán mô phỏng và kết
quả nghiên cứu thực nghiệm............................................................................ 100
4.6. Kết luận chương 4.................................................................................................... 104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................... 105
KẾT LUẬN.............................................................................................................................. 105
KIẾN NGHỊ............................................................................................................................. 107
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN..................................................................................................... 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................... 110
PHẦN PHỤ LỤC (Gồm 03 phụ lục)......................................................................... 115
PHỤ LỤC 1: HỒ SƠ LIÊN QUAN M/V TAN CANG FOUNDATION

PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG BẰNG NAPA
PHỤ LỤC 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ CHỨNG NHẬN KẾT
QUẢ TẠI BỂ THỬ MÔ HÌNH TÀU CỦA TRƯỜNG ĐẠI
HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

iv


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Nguyễn Thành Nhật Lai - Nghiên cứu sinh chuyên ngành:
Khoa học hàng hải và là tác giả luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ảnh hưởng
động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi
hướng chuyển động”, dưới sự hướng dẫn của tập thể người hướng dẫn
khoa học: Thầy PGS. TS. Phạm Kỳ Quang và thầy TS. Vũ Văn Duy.

Bằng danh dự của bản thân, nghiên cứu sinh xin cam đoan rằng:
- Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng nghiên cứu
sinh, không có phần nội dung nào được sao chép một cách bất hợp
pháp, từ công trình nghiên cứu của tác giả hay nhóm tác giả khác;
- Các số liệu, kết quả nghiên cứu được nêu trong luận án, chưa
được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác trước đó;
- Các thông tin, số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo trong luận án
đều được chỉ rõ về xuất xứ, nguồn gốc và đảm bảo tính trung thực./.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 02 năm 2020

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thành Nhật Lai

v

LỜI CẢM ƠN
Với sự nỗ lực không ngừng của bản thân trong quá trình học tập,
nghiên cứu, tìm tòi tài liệu, vận dụng kiến thức đã học trong Nhà trường
và thực tiễn công tác. Được sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của các thầy
hướng dẫn khoa học, nhà khoa học, thầy cô giáo, đồng nghiệp và gia
đình, đến nay luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh đã được hoàn thành.
Có được kết quả này, trước tiên, nghiên cứu sinh xin trân trọng và bày
tỏ sự tri ân đến thầy PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, thầy TS. Vũ Văn Duy, đã
hướng dẫn tận tình, chu đáo suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện
luận án tiến sĩ tại Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu sinh trân trọng cám ơn, sự động viên và tạo mọi điều
kiện thuận lợi nhất của Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí
Minh, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Lãnh đạo các Ban/Ngành,
Viện nghiên cứu, các đơn vị, công ty vận tải thủy, cảng vụ Hàng hải,…
trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Nhà trường.
Nghiên cứu sinh trân trọng cám ơn và cầu thị tiếp thu các ý kiến
đóng góp và nhận xét từ các nhà khoa học, các chuyên gia, giảng viên,
cán bộ công nhân viên trong và ngoài Nhà trường.
Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn cán bộ, chuyên viên của Viện
Đào tạo sau đại học, Khoa Hàng hải, các Phòng, Ban chức năng của Nhà
trường, đã tạo điều kiện thuận lợi, động viên, giúp đỡ trong quá trình học
tập, thực hiện và hoàn thành luận án tiến sĩ tại Nhà trường.

Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân, bạn
bè và đồng nghiệp, đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất,
trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh.
Rất mong tiếp tục nhận được sự đóng góp ý kiến cho luận án, từ

các nhà khoa học, các thầy cô giáo, cán bộ, giảng viên và đồng nghiệp.
Nghiên cứu sinh: Nguyễn Thành Nhật Lai

vi


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt

Giải thích ý nghĩa

CFD
E

Tính toán động lực học dòng chảy
Năng lượng

Flt

Lực ly tâm, (N)

Fr, Fn

Số Froude

g

Gia tốc trong trường, (m/s2)

ITTC-57

Tiêu chuẩn đồng dạng của Hội đồng bể thử quốc tế

Ls

Chiều dài tàu thực, (m)

Lm

Chiều dài tàu mô hình (m)

NCS

Nghiên cứu sinh

P

Lực gia thêm, (N)

r

Bán kính vòng quay tàu thủy, (m)

R

Lực cản (N)

RL

Lực bẻ lái tác động lên bánh lái, (N)

RD

Lực cản tác động lên bánh lái, (N)

RTM

Lực cản của tàu mô hình, (N)

RTS

Lực cản của tàu thực, (N)

T

Lực đẩy do chân vịt tàu thủy tạo ra, (N)

T’

Lực cản tác động lên vỏ tàu thủy, (N)

T*

Lực đổ ngang tác động lên chân vịt tàu thủy, (N)

Tgt

Lực cản gia thêm, (N)

VOF

Tên phương pháp: Thể tích chất lỏng

VS, Vp, Vt

Vận tốc của tàu thực, (knot, m/s)

V M, V m

Vận tốc mô hình tàu, (m/s)

α

Góc bẻ lái, (độ)

αk

Tỷ lệ thể tích pha thứ k

vii


β

Góc nghiêng, (độ)

γ

Trọng lượng riêng của chất lỏng

θ

Góc thay đổi hướng chuyển động, (độ)

ρ

Khối lượng riêng của chất lỏng, (kg/m 3)

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hình

Tên hình vẽ và đồ thị

Trang

1.1

Ứng dụng CFD nghiên cứu lực cản và ảnh hưởng của
sóng

7

1.2

CFD với tương tác dòng chảy qua chân vịt - bánh lái

8

1.3

Kết quả tính toán mô phỏng về mặt thoáng

8

1.4

Mô hình 3D tàu Ajax (IMD-523C)

9

Kết quả tính toán mô phỏng bằng CFD và nghiên cứu
1.5

thực nghiệm trên mô hình tàu của tác giả Brendan

9

Smoker
1.6

Hình ảnh mô tả dòng chảy rối

14

1.7

Quan hệ giữa vận tốc và thời gian của dòng chảy rối

14

1.8

Phân chia thang đo mức dịch chuyển của phần tử lỏng

15

1.9

Mô tả về điều kiện biên

17

1.10

Quy trình tính toán mô phỏng bằng CFD trong lĩnh vực

19

khoa học hàng hải
1.11

Mô tả thành phần và tham số động học của chuyển động tàu

25

1.12

Thành phần và tham số động học của chuyển động tàu xét

25

trong mặt phẳng nằm ngang
1.13

Minh họa ổn định tàu thủy

26

1.14

Ổn định của tàu tại góc nghiêng nhỏ

28

1.15

Ổn định của tàu tại góc nghiêng lớn

28

1.16

Đồ thị đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh

30

ix

2.1

Mô phỏng mô hình tàu đồng dạng theo tiêu chuẩn với
M/V TAN CANG FOUNDATION

2.2

Mô tả hình ảnh các đường mớn nước khảo sát

2.3

Mô hình bài toán nghiên cứu và các điều kiện biên

2.4

Mô tả mặt thoáng phân cách trong bài toán hai pha

2.5

Cửa sổ lựa chọn mô hình tính toán VOF

2.6

Cửa sổ lựa chọn chương trình tính toán VOF

2.7

Cửa sổ lựa chọn thông số pha 1 (pha không khí)

2.8

Cửa sổ lựa chọn thông số pha 2 (pha không nước)

2.9

Cửa sổ lựa chọn thông số đầu vào nước

2.10

Cửa sổ lựa chọn thông số đầu vào khí

2.11

Cửa sổ tổng hợp giá trị đầu vào nước và khí

2.12

Cửa sổ lựa chọn kỹ thuật giải

2.13

Cửa sổ hiện thị trạng thái tính toán và tiêu chuẩn hội tụ

2.14

Cập nhật điều kiện cho vòng tính toán đầu

2.15

Cửa sổ đưa số vòng lặp/bước thời gian và tổng bước thời

39
39
40
40
41
41
42
42
43
43

Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất hai bên mạn
45

Kết quả tính toán mô phỏng cho đường nước khảo sát:
a) Phân bố áp suất; b) hệ số áp suất.

2.19

35

44

tàu (xét phần tiếp xúc với nước)
2.18

34

Kết quả tính toán mô phỏng lưới chia của mô hình tính
toán

2.17

33

44

gian
2.16

32

Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 2 khi

x

46
47


Vt = 4,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp
suất; b) Phân bố hệ số áp suất
Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 2 khi
2.20

Vt = 7,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp

48

suất; b) Phân bố hệ số áp suất
Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 5 khi
2.21

Vt = 4,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp

48

suất; b) Phân bố hệ số áp suất
Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 5 khi
2.22

Vt = 7,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp

49

suất; b) Phân bố hệ số áp suất
Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 7 khi
2.23

Vt = 4,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp

50

suất; b) Phân bố hệ số áp suất
Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 7 khi
2.24

Vt = 7,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp

50

suất; b) Phân bố hệ số áp suất
2.25

Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất của đường

51

nước số 2, khi giá trị Vt thay đổi, với θ = 0300
2.26

Kết quả tính toán mô phỏng phân bố hệ số áp suất của

52

đường nước số 2, khi giá trị Vt thay đổi, với θ = 0300
2.27

Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất trên vỏ tàu,

53

khi thay đổi θ = 0200, Vt = 7,5 m/s
2.28

Kết quả tính toán mô phỏng phân bố pha khí trên vỏ tàu,

54

khi thay đổi θ = 0200, Vt = 7,5 m/s
2.29

Kết quả phân bố áp suất phần vỏ tàu chìm dưới nước,
khi thay đổi θ = 0200, Vt = 7,5 m/s: a) Mạn phải; b) Mạn

xi

55


2.30

trái
Kết quả xác định mô men tác động lên vỏ tàu theo các 55
phương

2.31

Kết quả xác định tâm áp suất tác động lên vỏ tàu theo các

56

phương
Kết quả mô phỏng phân bố áp suất phần vỏ tàu chìm
2.32

dưới nước, khi thay đổi hướng chuyển động với θ = 200,

56

Vt = 4,5 m/s: a) Mạn phải; b) Mạn trái
2.33

Kết quả phân bố áp suất phần vỏ tàu chìm dưới nước, khi

57

thay đổi θ = 0200, Vt = 4,5 m/s: a) Mạn phải; b) Mạn trái
Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất mạn phải
2.34

và mạn trái vỏ tàu phần chìm dưới nước, khi thay đổi

58

θ = 0150: a, b) Vt = 4,5 m/s; c, d) Vt = 7,5 m/s
2.35

Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất mạn phải
và mạn trái vỏ tàu phần chìm dưới nước, khi thay đổi

58

θ = 0100: a, b) Vt = 4,5 m/s; c, d) Vt = 7,5 m/s
2.36

Kết quả phân bố áp suất mạn phải và mạn trái vỏ tàu

phần chìm dưới nước, khi thay đổi θ = 0050:

59

a, b) Vt = 4,5 m/s; c, d) Vt = 7,5 m/s
3.1

Xây dựng mô hình bài toán nghiên cứu

61

3.2

Xây dựng sơ đồ khối quy trình tính toán mô phỏng

63

3.3

Kết quả tính toán mô phỏng lưới chia

66

3.4

Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất khi vận tốc 68
tàu mô hình Vm = 0,45 m/s và hướng đi thẳng

3.5

Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất khi hướng đi 69
thẳng và vận tốc tàu mô hình: a) Vm = 0,55 m/s; b) Vm =

xii


0,65 m/s; c) Vm = 0,75 m/s
Đồ thị mối quan hệ lực cản mô hình tàu và tốc độ tàu mô
3.6

hình thay đổi, khi tàu ổn định trên hướng chuyển động 70
thẳng

3.7

Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất khi

70

Vm = 0,45 m/s, thay đổi hướng chuyển động θ = 0100
Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa lực ly tâm và sự thay đổi
3.8

lực cản của tàu, khi chuyển động thẳng và thay đổi

71

hướng chuyển động θ = 0100
3.9

Đồ thị mô tả giá trị mô men gia thêm của tàu, khi thay

72

đổi hướng chuyển động θ = 0100
Mô tả khoảng giá trị lực cản gia thêm, với Vm = 0,75 m/s,
3.10

khi tàu chuyển động thẳng và hướng chuyển động thay

73

đổi θ = {0100, 0200, 0300}
Đồ thị mô tả khoảng giá trị lực cản gia thêm khi hướng
3.11

chuyển động thay đổi, khi vận tốc tàu tăng theo

75

Vm = {0,45, 0,55, 0,65, 0,75}
Đồ thị mô tả khoảng giá trị gia thêm lực ly tâm khi tàu
3.12

thay đổi hướng chuyển động và vận tốc tăng tương ứng 77
Vm = {0,45, 0,55, 0,65, 0,75}
Đồ thị mô tả khoảng giá trị mô men gia thêm theo vận

3.13

tốc, khi tàu thay đổi hướng chuyển động thứ tự

78

θ = {0100, 0200, 0300}
4.1

Hình ảnh mô tả về bể thử của Trường Đại học Công nghệ
Sharif (Iran)

82

4.2

Hình ảnh mô tả bể thử tại Hamburg (Liêng bang Đức)

83

4.3

Hình ảnh mô tả bể thử tại Trường Đại học Madrid (Tây

83

xiii


4.4

Ban Nha)

Hình ảnh mô tả bể thử Marin tại Hà Lan

84

4.5

Hình ảnh mô tả bể thử tại Trường Đại học Gent (Bỉ)

84

4.6

Hình ảnh mô tả bể thử tại Trường Đại học Shouthampton

85

(Anh)
4.7

Hình ảnh mô tả bể thử mô hình tàu Marintek (Na Uy)

86

4.8

Hình ảnh mô tả bể thử tại Trường Đại học Hàng hải Việt

87

Nam

4.9

Mô hình xe kéo tại bể thử mô hình tàu

88

4.10

Tàu mô hình được gắn vào xe kéo tại bể thử mô hình tàu

88

4.11

Xe kéo trên đường ray và hệ thống điều khiển tại bể thử

88

4.12

Thiết bị cân bằng đơn/lực cản R35-1 với dải lực cản đo ±

89

200 N
4.13

Hình ảnh mô hình tàu dựng trên phần mềm NAPA

90

4.14

Yêu cầu về kích thước mặt bích gắn trên mô hình tàu

91

4.15

Mặt bích bằng gỗ được bắt với tàu mô hình thực nghiệm

91

4.16

Kiểm tra tổng thể hệ thống trước khi thực nghiệm

94

4.17

Khởi động máy tính và phần mềm điều khiển

95

4.18

Thực hiện đặt lệnh triển khai thực nghiệm

95

4.19

Hệ thống quản lý dữ liệu và ghi lại dữ liệu đo theo thời

95

gian
4.20

Đồ thị mô tả mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận

97

tốc của tàu mô hình khi hướng chuyển động thẳng
4.21

Đồ thị mô tả mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận

xiv

98


4.22

tốc của tàu mô hình khi thay đổi θ = 0100
Đồ thị mô tả mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận

4.23

tốc của tàu mô hình khi thay đổi θ = 0200
Đồ thị mô tả mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận

98
99

4.24

4.25

tốc của tàu mô hình khi thay đổi θ = 0300
Đồ thị mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận tốc của
100
tàu, khi thay đổi hướng chuyển động khác nhau
Đồ thị so sánh kết quả nhận được theo CFD (mầu xanh)
và thực nghiệm (mầu đỏ), khi: a) hướng chuyển động
thẳng; b, c, d) thay đổi hướng chuyển động của tàu mô
hình

xv

102


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

2.1

Tổng hợp các đặc tính lựa chọn

36

2.2

Các đặc tính dòng chảy hai pha

36

2.3

Tổng hợp giá trị đầu vào cho các phương án tính toán

37

mô phỏng
3.1

Thông tin kết quả về lưới chia

66

3.2

Tổng hợp kết quả giá trị lực cản khi tàu ổn định trên

69

hướng chuyển động thẳng
3.3

Kết quả tính toán khi tàu thay đổi hướng chuyển động

71

θ = 0100
3.4

Tổng hợp kết quả tính toán mô phỏng của từng trường

72

hợp thay đổi
4.1

Các thông số chính của bể số 1 và bể số 2

86

4.2

Tổng hợp các phương án nghiên cứu thực nghiệm

93

4.3

Dữ liệu về mô hình tàu

96

4.4

Đặc tính nước tại bể thử

96

4.5

Kết quả đo lực cản mô hình tàu và số liệu chuyển đổi

96

4.6

Tổng hợp kết quả đo trên mô hình tàu và chuyển đổi cho

99

tàu thật
4.7

Tổng hợp kết quả lực cản tác động trên mô hình tàu theo
phương pháp CFD và thực nghiệm

xvi

102


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Tàu thủy là đối tượng hoạt động trên mặt nước với môi trường phức tạp
chịu sự tác động của nhiễu ngẫu nhiên, như: sóng, gió, dòng chảy, thời tiết,…
hơn nữa, bản thân các nhiễu này cũng có tính chất tính phi tuyến rất lớn.
Tàu thủy cân bằng trong môi trường nước là nhờ lực đẩy Ác-si-mét tác
động lên tàu, khi tàu thủy chuyển động ở một vận tốc nhất định nào đó, thì lực
đẩy mà chân 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”. Như vậy, lực gia thêm tác động lên tàu thủy trong khuôn khổ của
của vấn đề nghiên cứu chính là lực thủy động của chất lỏng tác động lên vỏ tàu
trong quá trình tàu thay đổi hướng chuyển động (P) và được phân tích thành ba
thành phần cơ bản: Lực ly tâm F lt (chiếu P lên phương vuông góc với trục tàu và
nó có chiều trùng với lực ly tâm do vật thể có khối lượng quay quanh tâm quay vì
vậy ta gọi là thành phần gia thêm về lực ly tâm), lực cản gia thêm T gt (chiếu P lên
phương dọc tàu và chúng có chiều ngược hướng chuyển động tàu lên gọi là lực
cản gia thêm) và mô men gây lật (xuất phát từ thành phần do P chiếu lên
phương thẳng đứng và chúng lệch khỏi trục tàu một cánh tay đòn nhất định do
đó tạo ra mô men gây lật).
Khi tàu thay đổi hướng chuyển động, tương ứng với vận tốc chuyển động
của tàu, thì tàu thủy 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

1


nhiều khó khăn, nguy hiểm hơn là tàu thủy có thể rơi vào trạng thái cân
bằng không ổn định, là một trong những nguyên nhân gây lật tàu.
Xuất phát từ việc phân tích nêu trên thấy rằng: Việc nghiên cứu
hoàn chỉnh cơ sở khoa học về động lực học dòng chảy bao kết hợp với
điều khiển hướng chuyển động tàu thủy luôn luôn cấp thiết, mang tính
thời sự, có ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn trong ngành hàng hải.
Nhằm giải quyết vấn đề nghiên cứu này, nghiên cứu sinh (NCS) đã lựa
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. Hơn
nữa, để thực hiện thành công mục đích nghiên cứu, NCS đã thực hiện kết hợp
một số nội dung nghiên cứu trong luận án tiến sĩ với hai đề tài Khoa học - Công
nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải, năm 2017 [13], [29], cụ thể:

- Đề tài KHCN: “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”, mã số: DT 174003, với chủ nhiệm đề tài là
PGS. TS. Phạm Kỳ Quang làm, TS. Vũ Văn Duy, NCS. Nguyễn Thành
Nhật Lai là các thành viên tham gia chính, cùng một số thành viên khác.
- Đề tài KHCN: “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 và huấn 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 là thành viên tham gia chính, cùng một số thành viên khác.

2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Là nghiên 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 và phạm vi nghiên cứu của luận
án Đối tượng nghiên cứu:
2


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 mô phỏng 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 giá trị cơ bản: Lực cản gia thêm, lực ly tâm và mô men gia thêm.
Tuy nhiên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu thực nghiệm về giá trị lực cản
gia thêm. Việc thay đổi hướng chuyển động của tàu được hiểu là thay đổi
giá trị góc θ0 (là góc 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 là thân tàu xoay lệch đi các góc nhất định so với hướng chất lỏng.
- Lựa chọn và sử dụng mô hình tàu theo tiêu chuẩn đồng dạng

với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION [9], trọng tải 7040 MT,
có 01 chân vịt chiều phải, để triển khai nghiên cứu thực nghiệm tại bể
thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.
4. Phương pháp nghiên cứu của luận án
Phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu lý thuyết kết hợp
nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể:
Nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu cơ sở lý luận về động lực học dòng chảy bao

quanh tàu thủy và lực cản tàu thủy;
- Nghiên cứu cơ sở toán học trên nền tảng tính toán động lực học
dòng chảy CFD (Computational Fluid Dynamics), để tính toán mô phỏng các
thông số động lực học dòng chảy bao. Từ đó, áp dụng tính toán mô phỏng
chi tiết cho mô hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, với các
giá trị vận tốc (Vi) và sự thay đổi hướng chuyển động của tàu (θ0);

3


- Nghiên cứu xây dựng mô hình nghiên cứu bằng phương pháp số và
quy trình tính toán mô phỏng ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến
lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động. Áp dụng tính
toán mô phỏng cho mô hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION,
với các giá trị vận tốc khác nhau và khi thay đổi hướng chuyển động.

Nghiên cứu thực nghiệm:
Kiểm chứng kết quả nghiên cứu trong luận án, 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 và chế tạo mô hình nghiên cứu thực nghiệm
đồng dạng theo tiêu chuẩn với tàu M/V TAN CANG FOUNDATION;
- Thiết kế, chế tạo bộ phận kết nối mô hình tàu với hệ thống thí
nghiệm tại bể thử mô hình 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 thủy với giá trị vận tốc và thay
đổi hướng chuyển động của tàu.
- Tổng hợp, phân tích, so sánh và đánh giá kết quả của luận án.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
Ý nghĩa khoa học của đề tài:
- Hệ thống hóa cơ sở lý luận về động lực học dòng chảy bao quanh
tàu thủy, nhằm đưa ra mô hình nghiên cứu phù hợp. Từ kết quả nghiên cứu
nhận được, đã góp phần hoàn thiện một phần cơ sở lý luận liên quan đến
vấn đề nghiên cứu và thực sự đóng góp nhất định cho khoa học hàng hải;

- Đề xuất 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 vào đối tượng và phạm vi nghiên cứu cụ thể của luận án, vì
vậy, có những giải pháp tránh những rủi ro trong thực tiễn hàng hải.

4


Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
- Một mặt, kết hợp cơ sở khoa học lý thuyết mang tính đặc thù liên
quan đến lĩnh vực 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 lý tình huống khẩn cấp liên quan 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 các chuyên gia
trong xây dựng chương trình điều khiển tàu tự động có tính 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 mô phỏng trên nền tảng ứng dụng CFD
với phần mềm Fluent - Ansys đối với bài toán 2D và bài toán 3D cho

mô hình 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 và thay đổi hướng chuyển động của tàu (θ0).
6.2. Xây dựng mô hình bài toán nghiên cứu, quy trình chung tính toán
mô phỏng và thực hiện tính toán mô phỏng ảnh hưởng động lực học dòng
chảy bao đến lực gia thêm tác động lên tàu thủy, khi thay đổi hướng chuyển
động của tàu, thông qua 3 giá trị 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 giá trị cho từng trường hợp khác nhau, trong đó có áp dụng cụ thể mô hình
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 (θ 0),
tại từng trường hợp vận tốc tàu mô hình khác nhau (V m), cụ thể:

Khi vận tốc tàu Vm = 0,75 m/s:
5


R = 0,00003167θ3 + 0,005525θ2 −0,05672θ + 0,698

Khi vận tốc tàu Vm = 0,65 m/s.
R = 0,0001472θ3 + 0,001335θ2 −0,007533θ + 0,523

Khi vận tốc tàu Vm = 0,55 m/s.
R = 0,00002567θ3 + 0,001445θ2 − 0,007517θ + 0,376

Khi vận tốc tàu Vm = 0,45 m/s.
R = −0,0000645θ3 + 0,000424θ2 − 0,03195θ + 0,314

6.3. Thực hiện thiết kế, chế tạo mô hình tàu và các chi tiết, thiết bị
phụ trợ phục vụ quá trình nghiên cứu thực nghiệm một phần kết quả
cơ bản của luận án. Tiến hành đo bộ dữ liệu giá trị lực cản mô hình tàu
cho 15 trường hợp khác nhau. Từ đó, tổng hợp, phân tích, so sánh và
đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm với kết quả tính toán mô
phỏng bằng CFD với phần mềm Fluent - Ansys, khẳng định rằng: Kết
quả nhận được khi thực hiện theo hai phương pháp đảm bảo tính hiện
đại, độ chính xác và tin cậy (sai lệch trung bình là 8,4%).
7. Bố cục của luận án
Luận án được bố cục theo các phần thứ tự sau: Mở đầu; nội dung (4
chương); kết luận và kiến nghị; danh mục các công trình khoa học đã
công bố; tài liệu tham khảo; phụ lục (3 phụ lục). Bốn chương của luận
án gồm:
- Chương 1. Tổng quan ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao
đến tàu thủy.
- Chương 2. Ứng dụng CFD tính toán mô phỏng động lực học
dòng chảy bao quanh tàu thủy.
- Chương 3. Đánh giá ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao
đến lực cản tàu thủy khi thay đổi hướng chuyển động.
- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm: Phân tích, so sánh và đánh
giá kết quả.
6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC
DÒNG CHẢY BAO ĐẾN TÀU THỦY
1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của luận án
Liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận án, NCS đã thực hiện
tìm tòi tài liệu, nghiên cứu tổng hợp có thể kể đến một số công trình

tiêu biểu sau: 1.1.1. Phân tích tình hình nghiên cứu trên thế giới
Động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy là vấn đề cơ bản,
chuyên ngành đặc thù thuộc lĩnh vực khoa học hàng hải, do đó nhiều
trường đại học, trung tâm nghiên cứu lớn trên thế giới đã tập trung nghiên
cứu cả về lý thuyết, phương pháp số hay nghiên cứu thực nghiệm.

- Năm 2009, Force Technology - MAN Diesel [31], đã thực hiện
dự án lớn về ứng dụng CFD trong nghiên cứu, trong đó có lĩnh vực
động lực học dòng chảy bao quanh tàu.
- Cùng hướng nghiên cứu này, năm 2013 tác giả Karsten
Hochkirch (Đức) và Benoit Mallol (Bỉ) [35], đã công bố kết quả nghiên
cứu điển hình liên quan đến ứng dụng CFD đối với lực cản và ảnh
hưởng của sóng tác động thể hiện trên hình 1.1. Mặt khác công bố một
số kết quả nghiên cứu liên quan đến sự tương tác dòng chảy qua chân
vịt - bánh lái tàu thủy, được thể hiện trên hình 1.2.

Hình 1.1. Ứng dụng CFD nghiên cứu lực cản và ảnh hưởng của sóng

7