Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của đặc điểm hình dạng đến tính năng tàu cao tốc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐẶC ĐIỂM HÌNH
DẠNG ĐẾN TÍNH NĂNG TÀU CAO TỐC

Giảng viên hướng dẫn:

PGS.TS Trần Gia Thái

Sinh viên thực hiện :

Lê Anh Việt

Mã số sinh viên:

57130762

Khánh Hòa, tháng 7 năm 2019
1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐẶC ĐIỂM HÌNH
DẠNG ĐẾN TÍNH NĂNG TÀU CAO TỐC

Giảng viên hướng dẫn:

PGS.TS Trần Gia Thái

Sinh viên thực hiện :

Lê Anh Việt

Mã số sinh viên:

57130762

Khánh Hòa, tháng 7 năm 2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Khoa/Viện: KỸ THUẬT GIAO THÔNG
PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN / KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
(Dùng cho CBHD và nộp cùng báo cáo ĐA/KLTN của sinh viên)
Tên đề tài: Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của đặc điểm hình dạng đến tính năng tàu
cao tốc
Chuyên ngành: Kỹ thuật tàu thủy
Họ và tên sinh viên: Lê Anh Việt

Mã sinh viên: 57130762

Người hướng dẫn (học hàm, học vị, họ và tên): PGS.TS Trần Gia Thái
Cơ quan công tác: Trường Đại học Nha Trang
Phần đánh giá và cho điểm của người hướng dẫn (tính theo thang điểm 10)

Tiêu chí
đánh giá

Trọng
số
(%)

Xây dựng đề cương
nghiên cứu

10

Tinh thần và thái độ
làm việc

10

Kiến thức và kỹ
năng làm việc

10

Nội dung và kết quả
đạt được

40

Kỹ năng viết và trình
bày báo cáo

30

Mô tả mức chất lượng
Giỏi

Khá

Đạt yêu cầu

Không đạt

9 - 10

7-8

5-6

<5

Điểm

ĐIỂM TỔNG
Ghi chú: Điểm tổng làm tròn đến 1 số lẻ.
Nhận xét chung (sau khi sinh viên hoàn thành ĐA/KLTN):
…………………………………………………………………………………………….……

……………………………………………………………………………………….…………
………………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………………….
Đồng ý cho sinh viên:
Được bảo vệ: 
Không được bảo vệ: 
Khánh Hòa, ngày…….tháng…….năm………
Cán bộ hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Khoa/Viện: KỸ THUẬT GIAO THÔNG

PHIẾU CHẤM ĐIỂM ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
(Dành cho cán bộ chấm phản biện)
Tên đề tài: Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của đặc điểm hình dạng đến tính năng tàu
cao tốc
Chuyên ngành: Kỹ thuật tàu thủy
Họ và tên sinh viên: Lê Anh Việt

Mã sinh viên: 57130762

Người phản biện (học hàm, học vị, họ và tên): ……………………………………………..
Cơ quan công tác: ……………………………………………………………………………
I. Phần đánh giá và cho điểm của người phản biện (tính theo thang điểm 10)

Tiêu chí
đánh giá

Trọng
số
(%)

Hình thức
bản thuyết minh

30

Nội dung bản
thuyết minh

30

Kết quả
nghiên cứu

20

Mức độ trích dẫn
và sao chép

20

Mô tả mức chất lượng
Giỏi

Khá

Đạt yêu cầu

Không đạt

9 - 10

7-8

5-6

<5

Điểm

ĐIỂM TỔNG
Ghi chú: Điểm tổng làm tròn đến 1 số lẻ.
Kết luận:
Đồng ý cho sinh viên:

Được bảo vệ: 

Không được bảo vệ: 

Khánh Hòa, ngày…….tháng………năm………..
Cán bộ chấm phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Khoa/Viện: KỸ THUẬT GIAO THÔNG

PHIẾU CHẤM CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ ĐA/KLTN
(Dùng cho thành viên Hội đồng bảo vệ ĐA/KLTN)
Tên đề tài: Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của đặc điểm hình dạng đến tính năng tàu
cao tốc
Chuyên ngành: Kỹ thuật tàu thủy
Họ và tên sinh viên: Lê Anh Việt

Mã sinh viên: 57130762

Họ tên thành viên HĐ:………………………………………………………………….
Chủ tịch: 

Thư ký: 

Ủy viên: 

Cơ quan công tác: ………………………………………………………………………
Phần đánh giá và cho điểm của thành viên hội đồng (tính theo thang điểm 10)

Tiêu chí
đánh giá

Trọng
số
(%)

Hình thức bản
thuyết minh

10

Nội dung và
kết quả đạt được

40

Kỹ năng viết và
trình bày báo cáo
tóm tắt

20

Mức độ thể hiện
kiến thức và kỹ
năng

30

Mô tả mức chất lượng
Giỏi

Khá

Đạt yêu cầu

Không đạt

9 - 10

7-8

5-6

<5

Điểm

ĐIỂM TỔNG
Ghi chú: Điểm tổng làm tròn đến 1 số lẻ.
Khánh Hòa, ngày…….tháng…….năm………
Cán bộ chấm điểm
(Ký và ghi rõ họ tên)


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 đồ án tốt
nghiệp. Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của Thầy PGS.TS Trần Gia Thái. Qua đó, 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,
Trường Đại học Nha Trang, đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập và thực hiện
đồ án tại Trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn!


MỤC LỤC
Chương 1:

PHẦN TỔNG QUAN .............................................................................1

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ...........................................................................................1
1.2. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN ......................................2
1.2.1.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước...................................................................2

1.2.2.

Tình hình nghiên cứu trong nước...................................................................3

1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU...................................................................................4
1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ......................................................4
1.5. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................4
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...............................................................................6
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÀU CAO TỐC ...........................................................6
2.1.1. Đặc điểm chuyển động của tàu cao tốc ..............................................................6
2.1.2. Đặc điểm hình dạng .............................................................................................8
2.1.3. Đặc điểm gẫy dọc trên tàu cao tốc ...................................................................10
2.1.4. Đặc điểm góc nghiêng hông tàu cao tốc ...........................................................15
2.2 GIỚI THIỆU CFD VÀ PHẦN MỀM XFLOW ..................................................16
2.2.1. Khái quát về CFD ..............................................................................................16
2.2.2. Phần mềm Xflow................................................................................................17
Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ....................................................................19
3.1 LỰA CHỌN TÀU NGHIÊN CỨU .......................................................................20
3.1.1. Giới thiệu tàu nghiên cứu .................................................................................20
3.1.2 Các thông số của tàu SESCO K88 và của mô hình .........................................21
3.1.3. Số liệu thử nghiệm thực tế của mô hình tàu SESCO K88 .............................22
3.2 TÍNH SỨC CẢN THEO XFLOW .......................................................................24
3.2.1 Xây dựng mô hình tàu khảo sát trong Xflow ...................................................24

3.2.2. Xác định các thông số đầu vào của Xflow .......................................................26
3.2.3.

Tính và xuất kết quả tính sức cản ................................................................30

3.2.4 So sánh kết quả tính tàu SESCO K88 có chúi mũi và không có chúi mũi theo
Xflow .............................................................................................................................36
3.3 ẢNH HƯỞNG BẬC GẪY DỌC ĐẾN CÁC TÍNH NĂNG TÀU ......................37
3.3.1. Các phương án thay đổi vị trí bậc gẫy dọc của tàu khảo sát .........................37
3.3.2. Ảnh hưởng của vị trí bậc gẫy dọc đến sức cản tàu .........................................43
3.3.3. Ảnh hưởng của vị trí bậc gẫy dọc đến độ chúi mũi tàu .................................45
3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC NGHIÊNG HÔNG ĐẾN TÍNH NĂNG TÀU .......46
3.4.1. Các phương án thay đổi góc nghiêng hông của tàu khảo sát ........................46
3.4.2. Ảnh hưởng của góc nghiêng hông đến sức cản và tính năng tàu ..................51
3.4.3 Ảnh hưởng của góc nghiêng hông đến độ chúi mũi của tàu ...........................53
Chương 4:

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................54

4.1 KẾT LUẬN ............................................................................................................54
4.2 ĐỀ XUẤT ...............................................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................56


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Mẫu tàu cao tốc làm bằng vật liệu Composite ...........................................3
Hình 2.1. Các đường cong lực cản đặc trưng cho chế độ chuyển động của
tàu……………………………………………………………………………………...7
Hình 2.2. Các bộ phận đặc trưng của tàu cao tốc.......................................................8

Hình 2.3. Các hình dạng đường hình tàu cao tốc .......................................................9
Hình 2.4. Chiều chìm của các mép dưới bậc gẫy ......................................................11
Hình 2.5. Ảnh hưởng hình dáng mặt cắt tàu và gẫy dọc đến tay đòn ổn định
động…………………………………………………………………………………...13
Hình 2.6. Sơ đồ bố trí các gẫy dọc ..............................................................................13
Hình 2.7. Hình dáng mặt cắt ngang gẫy dọc .............................................................14
Hình 2.8. Sơ đồ vị trí tàu lướt trên (a) 2 cặp gãy dọc và (b) một cặp gẫy dọc ......15
Hình 2.9. Hình dáng đáy tàu với các góc nghiêng hông khác nhau ........................16
Hình 2.10. Hình ảnh mô phỏng chuyển động của tàu bằng XFlow ........................18
Hình 3.1. Bản vẽ đường hình tàu SESCO K88 .........................................................20
Hình 3.2. Tàu mô hình thử nghiệm thực tế SESCO K88.........................................20
Hình 3.3. Đồ thị sức cản tàu SESCO K88 với lượng chiếm nước 200
tấn……………………………………………………………………………………..22
Hình 3.4. Đồ thị hệ số tổng sức cản mô hình, Heave và Trim .................................23
Hình 3.5. Đồ thị tổng hệ số sức cản dự đoán và công suất của tàu SESCO K88 ...24
Hình 3.6. Mô hình tàu SESCO K88 trong phần mềm Rhino ..................................25
Hình 3.7. Mô hình tàu sau khi Import vào phần mềm Xflow .................................25
Hình 3.8. Kích thước miền tính toán cho phần mềm. ..............................................26
Hình 3.9. Thiết lập môi trường mô phỏng.................................................................27
Hình 3.10. Thiết lập các điều kiện cho mô hình........................................................28
Hình 3.11. Thiết lập điều kiện mô phỏng theo mặc định của phần mềm ...............29


Hình 3.12. Thiết lập các điều kiện mô phỏng cho tàu mô hình ...............................30
Hình 3.13 Thực hiện tính toán bằng phần mềm .......................................................31
Hình 3.14. Kết quả tính sức cản ở các giá trị vận tốc tàu khác nhau .....................33
Hình 3.15. Đồ thị sức cản tàu SESCO K88 tính từ phần mềm Xflow ....................34
Hình 3.16 So sánh đồ thị sức cản tàu SESCO K88 tính từ Xflow và từ thử nghiệm
mô hình……………………………………………………………………………….35
Hình 3.17 Kết quả sức cản sau khi thay đổi độ chúi mũi ........................................36

Hình 3.18 Mô hình tàu SESCO K88 trong Rhino ....................................................37
Hình 3.19. Vị trí các sườn của tàu SESCO K88 .......................................................37
Hình 3.20. Xác định độ cao vị trí mũi bậc gẫy dọc ...................................................38
Hình 3.21. đường cong thể hiện biên dạng của bậc gẫy dọc ....................................38
Hình 3.22 Biên dạng bậc gẫy dọc trên hình chiếu cạnh ...........................................39
Hình 3.23 biên dạng bậc gẫy dọc trên hình chiếu đứng ...........................................39
Hình 3.24 Tiến hành di chuyển vị trí các bậc gẫy dọc .............................................40
Hình 3.25. Kết quả sau khi di chuyển bậc gẫy dọc ...................................................40
Hình 3.26. Bề mặt bậc gẫy dọc sau khi thay đổi vị trí ..............................................41
Hình 3.27. Bề mặt vỏ tàu sau khi thay đổi vị trí bậc gẫy dọc ..................................41
Hình 3.28. Các phương án thay đổi vị trí bậc gẫy dọc ở mũi ..................................42
Hình 3.29. Đồ thị sức cản cho từng phương án bậc gẫy dọc của tàu khảo sát.......44
Hình 3.30. Đồ thị sức cản cho các phương án gẫy dọc không thay đổi độ chúi
mũi……………………………………………………………………………………46
Hình 3.31 Vị trí các sườn và góc nghiêng hông của tàu mẫu ..................................47
Hình 3.32 Dựng đường thẳng từ vị trí bậc gẫy dọc ..................................................47
Hình 3.33. Biên dạng bậc gẫy dọc tàu khi thay đổi góc nghiêng hông ...................48
Hình 3.34. Giao điểm giữa 2 đường thẳng ................................................................48
Hình 3.35 biên dạng vị trí bậc gẫy dọc khi thay đổi góc nghiêng hông ..................49


Hình 3.36 Vị trí bậc gẫy dọc đã được thay đổi theo góc nghiêng hông ..................50
Hình 3.37 Bề mặt vỏ tàu sau khi thay đổi góc nghiêng hông...................................50
Hình 3.38 Các phương án thay đổi góc nghiêng hông……………………………..51
Hình 3.39 Đồ thị sức cản của các phương án thay đổi góc nghiêng hông ..............52
Hình 3.40 Đồ thị sức cản của các phương án thay đổi góc nghiêng hông không
thay đổi độ chúi mũi ....................................................................................................53


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Xác định chiều cao gẫy dọc .........................................................................12
Bảng 3.1 Kết quả thử nghiệm thực tế của tàu mô hình ...........................................22
Bảng 3.2 Kết quả dự đoán của tàu SESCO K88 khi chạy thực tế ..........................23
Bảng 3.3 Kết quả tính sức cản từ phần mềm Xflow theo các thông số thiết lập
mặc định……………………………………………………………………………...33
Bảng 3.4 Kết quả tính sức cản từ phần mềm Xflow sau khi thay đổi các thông số
thiết lập……………………………………………………………………………….34
Bảng 3.5 So sánh kết quả tính sức cản giữa thử nghiệm và dùng phần mềm
Xflow………………………………………………………………………………….35
Bảng 3.6 Kết quả sức cản sau khi thay đổi độ chúi mũi tàu ....................................36
Bảng 3.7 Thử nghiệm các cấu hình tàu có bậc gẫy khác nhau................................43
Bảng 3.8 Giá trị sức cản sau khi thay đổi bậc gẫy dọc .............................................43
Bảng 3.9 Tăng diện tích của các mẫu thử có bậc gẫy dọc khác nhau .....................44
Bảng 3.10 Giá trị sức cản của các mẫu tàu thử nghiệm có bậc gẫy dọc khác nhau
đã thay đổi diện tích bậc gẫy dọc ...............................................................................45
Bảng 3.11 Sức cản của các phương án bậc gẫy dọc không thay đổi độ chúi mũi ..45
Bảng 3.12 Các mẫu tàu thử nghiệm có góc nghiêng hông khác nhau ....................51
Bảng 3.13 Giá trị sức cản sau khi thay đổi góc nghiêng hông .................................52
Bảng 3.14 Các phương án góc nghiêng hông khi không thay đổi độ chúi mũi ......53


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Rtm – sức cản tàu mô hình
Ctm – tổng hệ số sức cản tàu mô hình
Rem – số Reynold tàu mô hình
Cfm – hệ số sức cản ma sát tàu mô hình
Cr – hệ số sức cản dư
Cfs – hệ số sức cản ma sát tàu thật
Cts – tổng hệ số sức cản tàu thật
Rts – tổng sức cản tàu thật

EHP - công suất tàu


Chương 1:

PHẦN TỔNG QUAN

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Việt Nam là quốc gia ven biển với nhiều vịnh, đảo và bãi biển đẹp có tiềm năng
nên nhiều năm qua ngành du lịch đã và đang phát triển và có mức tăng trưởng rõ rệt,
góp phần quan trọng vào phát triển kinh tế biển nói riêng và kinh tế đất nước nói chung.
Trong gần 20 năm qua, ngành du lịch của Việt Nam đã có bước phát triển đáng ghi nhận,
với tăng trưởng mạnh trong doanh thu và thu hút nhiều khách du lịch trong ngoài nước,
trong đó du lịch biển đã đóng góp và chiếm vị trí quan trọng trong ngành du lịch cả nước
Để đáp ứng lượng lớn khách có nhu cầu du lịch biển đảo ngày càng tăng, không phải
chờ đợi lâu, nhiều tuyến đường thủy đã được đưa vào hoạt động, đòi hỏi số lượng tàu
phục vụ tăng, trong đó tàu cao tốc là lựa chọn ưu tiên cho việc đưa vào sử dụng phục vụ
khách du lịch. Khác với nhóm tàu làm việc dựa trên cơ sở nguyên lí lực nổi Archimedes
thông thường, tàu cao tốc thuộc về nhóm những tàu làm việc dựa theo nguyên lí thủy
động lực học. Do đó về mặt phương pháp, các công trình nghiên cứu ở lĩnh vực này chủ
yếu dựa trên các cơ sở lý thuyết chung về thiết kế tàu, kết hợp với lý thuyết về thủy động
lực học và kết quả thử nghiệm mô hình tàu trong bể thử để tính toán, thiết kế các mẫu
tàu chuẩn. Tuy nhiên thiết kế tàu du lịch nói chung, tàu cao tốc nói riêng là vấn đề không
đơn giản, vì liên quan đến nhiều yếu tố phức tạp về tính năng như ổn định, tốc độ, quay
trở, lắc... Do đó ở nước ta hiện nay, các mẫu tàu cao tốc thường chỉ được lựa chọn từ
các mẫu tàu đã được thử nghiệm của các nước nên hầu như không quan tâm đến vấn đề
đang đặt ra. Bên cạnh đó, do không có điều kiện thử nghiệm mô hình nên trong nhiều
trường hợp, một số mẫu tàu cao tốc thiết kế đã không đáp ứng được các tính năng đi
biển cần thiết. Một trong những nguyên nhân đó là đặc điểm hình dạng của tàu cao tốc,
bao gồm đặc điểm của các kết cấu gân dọc và góc nghiêng hông tàu, có ảnh hưởng lớn

đến các tính năng tàu nhưng hầu như có rất ít các công trình nghiên cứu có liên quan
nhiều đến vấn đề này. Vì thế việc xác định ảnh hưởng của kết cấu gân dọc và góc nghiêng
hông đến tính năng tàu cao tốc và dựa trên cơ sở đó xác định đặc điểm phù hợp có ý
nghĩa rất quan trọng. Đó chính là lý do khi đăng ký đề tài tốt nghiệp của mình, bản thân

1


tôi đã lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của đặc điểm hình dạng đến tính
năng tàu cao tốc” với mong muốn góp phần nhỏ bé trong nghiên cứu về lĩnh vực này.
1.2. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Thực tế cho thấy đã có nhiều công trình nghiên cứu nước ngoài có liên quan đến
nghiên cứu tính toán các tính năng đi biển nói chung và sức cản tàu cao tốc nói riêng.
Trong phạm vi đề tài chúng tôi tìm hiểu nghiên cứu của các tác giả cụ thể như sau.
Một trong những nghiên cứu nổi tiếng nhất thế giới về tàu lướt là của giáo sư
Savitsky thực hiện năm 1964, trong đó đã giới thiệu các công thức thực nghiệm để tính
sức cản ma sát, sức cản áp suất, góc nghiêng dọc và một số yếu tố thủy động học khác
dựa trên một loạt các thử nghiệm mô hình của thân tàu lướt có dạng hình lăng trụ [50].
Kết hợp các công thức thực nghiệm này lại với nhau có thể xây dựng được bảng tính
các yếu tố thủy động lực học, tổng mômen các lực tác dụng lên tàu, công suất yêu cầu,
độ chúi dọc khi chạy và khi cân bằng, độ ổn định nhấp nhô của tàu lướt dạng lăng trụ.
Kết quả nghiên cứu đã được tác giả công bố trong bài báo “Thiết kế thủy động lực học
tàu lướt (Hydrodynamic Design of Planning Hull)” vào đầu năm 1964, trong đó tác giả
đã trình bày phương pháp thiết kế và công thức dùng tính toán sức cản của các tàu lướt.
Đến năm 1976, Savitsky cùng với nhà khoa học Brown tiếp tục công bố công trình
nghiên cứu tính thủy động học tàu lướt trong nước tĩnh và trong sóng động (Procedures
for Hydrodynamic Evaluation of Planning Hulls in Smooth and Rough Water), trong đó
tác giả trình bày quy trình tính toán tính năng thủy động học cho tàu lướt trong thực tế.
Năm 2016, nhà nghiên cứu P.G Alourdas đã công bố phương pháp mới tên CAHI để

tính sức cản tàu lướt (Planning Hull Resistance calculation the CAHI method, 2016).
Trong bài báo này, tác giả đã sử dụng phương pháp CAHI để tính sức cản của tàu cụ thể
và so sánh với số liệu thử mô hình để kết luận về độ tin cậy của phương pháp tính này.
Trong thời gian gần đây, các tác giả Wu Pan, Chen Chaohe và Zheng Xiao ở Viện Kỹ
thuật Giao thông, Trường Đại học Công nghệ Nam Trung Quốc đã công bố bài báo
”Comparative analysis on the methods of preliminarily estimating resistance of yachts”
trong đó các tác giả đã sử dụng phần mềm CFD Xflow, kết hợp phần mềm thiết kế tàu
Maxsurf để tính toán và so sánh các phương pháp tính sơ bộ sức cản của thuyền buồm.

2


Nhìn chung, nghiên cứu về tàu lướt của các nước thường tập trung vào nghiên cứu
phương pháp thiết kế và tính tốn sức cản tàu lướt bằng cơng thức thực nghiệm hoặc
bằng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất, hay còn gọi là phương pháp CFD.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở nước ta hiện nay chủ yếu chỉ là thiết kế chế tạo theo các mẫu tàu cao tốc có sẵn.
Ví dụ hình 1.1 là mẫu tàu cao tốc chở khách bằng Composite do PGS TS Trần Gia Thái
thiết kế cho Vinpearland vào đầu những năm 2000 cho đến nay vẫn hoạt động hiệu quả.
BẢNG TRỊ SỐ TUYẾN HÌNH
THÔNG SỐ CƠ BẢN

GD 3

GD 4

M.B.C

D.T

GD 1

GD 2

GD 4

M.B.C

V.L

1230

1320

1408

1480

1600

0

425

425

580

740

1115

1

1230

1320

1408

1482

1625

0

425

425

580

740

1115

2

1230

1320

1408

1484

1651

0

425

425

580

740

1115

3

1230

1320

1408

1486

1676

0

425

425

580

740

1115

4

1230

1320

1408

1488

1676

0

425

425

580

740

1115

5

1230

1320

1408

1490

1676

0

425

425

580

740

1115

6

1180

1270

1368

1450

1700

0

465

465

610

750

1144

7

1085

1180

1300

1394

1700

0

530

530

645

790

8

960

1045

1187

1300

1630

0

590

590

770

830

1203

9

770

860

1015

1145

1515

40

645

645

750

880

1232

10

475

560

686

888

1305

255

685

685

794

933

1262

11

-

-

-

-

819

645

-

-

-

1291

600

600
B/2=1700

645
474

187

637

B/2=1700

963

500

700

-

1173

807

GD 3

645

CHIỀU CAO

GD 2

200

1/2 CHIỀU RỘNG
GD 1

Hình 1.1. Mẫu tàu cao tốc làm bằng vật liệu Composite
Ngồi ra, liên quan đến nghiên cứu về tàu cao tốc có thể kể đến bài báo “Nghiên
cứu xây dựng các tiêu chuẩn kĩ thuật để lựa chọn mẫu tàu du lịch cao tốc có tính năng
tốt” của PGS TS Trần Gia Thái (2016), trong đó tác giả đã trình bày về kết quả nghiên
cứu xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật làm cơ sở so sánh và lựa chọn các mẫu tàu du lịch cao
tốc phục vụ việc thiết kế các mẫu tàu du lịch mang nét văn hóa truyền thống Khánh Hòa.
Bên cạnh đó là một số đề tài tốt nghiệp đại học có liên quan đến như đề tài “ Thiết kế
tàu du lịch cao tốc vỏ composite chở 40 khách” của tác giả Bùi Quang Kiếm, năm 2006,
trong đó tác giả trình bày phương pháp thiết kế tàu cao tốc và giải pháp đảm bảo tốc độ
hiệu quả nhất khi thiết kế các tàu cao tốc là xác định hợp lí đặc điểm hình học của tàu.
Hoặc đề tài “ Ứng dụng phần mềm Xflow trong giải các bài tốn thủy động lực học tàu
thủy” của tác giả Phan Thanh Bình, năm 2017, trong đó tác giả sử dụng phần mềm CFD
3


là Xflow để xác định các yếu tố thủy động học nói chung và sức cản tàu thủy nói riêng.
Gần đây nhất là đề tài “Tính sức cản tàu cao tốc Long Phú 22” của Nguyễn Phú Phúc,
năm 2018, trong đó tác giả sử dụng phương pháp Savitsky và phần mềm Xflow để tính
sức cản tàu cao tốc Long Phú 22.
1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là đánh giá ảnh hưởng của đặc điểm hình dạng,
bao gồm góc nghiêng hông và đặc điểm hình học các gân dọc đến tính năng tàu cao tốc
nhằm mục đích cải thiện hoặc nâng cao chất lượng của tàu thiết kế.
1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là tàu cao tốc chở khách ký hiệu SESCO K88
do Trung tâm tư vấn thiết kế công nghiệp tàu thủy của Việt Nam (SESCO) thiết kế và
đã được thử nghiệm tính năng tại bể thử nghiệm mô hình NTU của Đài Loan năm 2013.
Với đối tượng nghiên cứu này, giới hạn nội dung nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu
ảnh hưởng của vị trí các bậc gẫy dọc và độ lớn của góc nghiêng hông đến sức cản tàu.

1.5. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài là phương pháp nghiên cứu lý thuyết
trên cơ sở sử dụng phần mềm CFD để xác định sức cản của mẫu tàu cao tốc tính toán và
sử dụng các số liệu thử nghiệm đã có để hiệu chỉnh các thông số của phần mềm CFD
sao cho sai lệch kết quả từ phần mềm CFD và thực nghiệm nằm trong giới hạn cho phép.
Dựa trên cơ sở đó, tiến hành thay đổi vị trí bậc gẫy dọc hoặc độ lớn góc nghiêng hông
và sử dụng phần mềm CFD để tính sức cản trong các trường hợp thay đổi nêu trên để
khảo sát ảnh hưởng của việc thay đổi này đến sự thay đổi giá trị sức cản chung của tàu.
Với phương pháp nghiên cứu trên, đề tài được kết cấu thành 4 chương cụ thể như sau.
Chương 1: Phần tổng quan
Trình bày các nội dung như Lý do lựa chọn đề tài, Tổng quan các nghiên cứu liên
quan; Mục tiêu, khách thể, đối tượng, phạm vi, phương pháp và nội dung nghiên cứu.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Nội dung chương trình bày các cơ sở lý thuyết có liên quan, gồm phương pháp tính
sức cản tàu cao tốc và phần mềm CFD
4


Chương 3: Kết quả nghiên cứu
Trình bày kết quả ứng dụng phần mềm CFD tính sức cản và nghiên cứu ảnh hưởng
của sự thay đổi vị trí gân dọc và góc nghiêng hông đến sức cản.
Chương 4: Kết luận và khuyến nghị

5


Chương 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các cơ sở lý thuyết về tàu cao tốc đã được trình bày trong nhiều tài liệu kỹ thuật.
Do đó ở đây chúng tôi chỉ trình bày tóm tắt một số nội dung liên quan, trích từ tài liệu
“Thiết kế tàu cao tốc” của PGS TS Trần Gia Thái.
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÀU CAO TỐC
2.1.1. Đặc điểm chuyển động của tàu cao tốc
Khi tàu cao tốc chuyển động ở trạng thái nước tĩnh, khối lượng của nó sẽ hoàn toàn
cân bằng với lực thuỷ tĩnh và ở chế độ này cũng bắt đầu xuất hiện lực nâng thuỷ động.
Tốc độ càng lớn, lực nâng thuỷ động càng lớn làm thay đổi chiều chìm và độ chúi tàu.
Phụ thuộc lực nâng thủy động có thể phân biệt ba chế độ chuyển động của tàu cao tốc
(a) Chế độ bơi
Ở chế độ này, lực nâng thủy động có ảnh hưởng không lớn đến chiều chìm tàu khi
chạy và tàu nổi cân bằng theo định luật Acsimec đã biết

trong đó:



W

=

(1.1)

W

- trọng lượng tàu, tấn



- thể tích chiếm nước (m3)



- khối lượng riêng của nước (tấn/m3)

(b) Chế độ quá độ
Chế độ này được đặc trưng bởi sự xuất hiện nhanh thành phần lực nâng thuỷ động.
Tàu tiếp tục chuyển động nhưng thể tích dưới nước giảm dần theo sự tăng tốc độ tàu,
tàu bắt đầu bị chúi mũi, sau đó sẽ chúi đuôi, đồng thời sóng tàu bắt đầu được tạo ra.
(c) Chế độ lướt
Ở tốc độ cao, kết hợp hình dạng thân tàu được thiết kế hợp lý, lực nâng thuỷ động
là thành phần lực nâng chủ yếu để duy trì sự chuyển động ổn định của tàu ở chế độ lướt.
Tàu hơi bị chúi đuôi, phần mũi cất lên và tàu bắt đầu chuyển động lướt trên mặt nước.

6


Lúc này trọng lượng toàn bộ của tàu sẽ được cân bằng nhờ lực nâng thuỷ động giữ cho
tàu lướt trên mặt nước.
Đặc trưng chế độ tốc độ có thể xác định bởi tốc độ tương đối tính bằng số Froud
vì khi tàu chuyển động ở tốc độ cao, chiều dài đường nước tính toán luôn bị thay đổi
nên số Froud trong trường hợp này sẽ được biểu diễn theo lượng chiếm nước như sau:
Fr =

V

(1.2)

g 
3

V - vận tốc tàu (m/s),  - thể tích chiếm nước tàu (m3), g - gia tốc trọng trường (m/s2)
Dưới đây là các chế độ chuyển động khác nhau theo giá trị của số Froude như sau:
- Chế độ bơi, tàu hoạt động theo nguyên lý Archimedes
- Chế độ quá độ, tàu chạy ở trạng thái chuyển tiếp về vận tốc
- Chế độ lướt, tàu lướt

Fr ≤ 1
1

≤ Fr ≤ 3

Fr ≥ 3

Hình 2.1. Các đường cong lực cản đặc trưng cho chế độ chuyển động của tàu
(1, 2, 3 - Đường cong lực cản của tàu nổi, tàu lướt có và không có bậc gẫy dọc)
7


2.1.2. Đặc điểm hình dạng
Hình 2.2 mô tả một số bộ phận đặc trưng của tàu lướt với mũi (bow) nằm ở trước,
đuôi tàu (stern) nằm ở sau, vách đuôi transom là mặt phẳng thẳng đứng đặt tại đuôi tàu
và một số đặc điểm hình học phổ biến gồm góc nghiêng hông, đường bẻ góc, gân dọc.

Hình 2.2. Các bộ phận đặc trưng của tàu cao tốc
Góc nghiêng hông được định nghĩa là góc giữa đáy tàu với đường thẳng ngang.
Tàu lướt đáy phẳng sẽ có góc nghiêng hông bằng 0, di chuyển thuận lợi trong nước tĩnh
nhưng ở vùng nước động, thân tàu sẽ bị va đập mạnh với sóng ngược chiều (slamming),
gây khó chịu cho hành khách và có thể gây thiệt hại cho thân tàu và thiết bị trên tàu.
Thân tàu có góc nghiêng hông khác không sẽ phá vỡ sóng nước và di chuyển êm hơn ở

cả hai vùng nước và được nâng lên trên mặt nước trong khi di chuyển về phía trước.
Chọn góc nghiêng hông đúng có thể giúp tàu ổn định và di chuyến êm hơn, đồng thời
làm giảm diện tích thân tàu tiếp nước và lực cản ở chế độ lướt và hiện tượng slamming.
Để giảm tối đa hiện tượng tàu va đập với sóng thường làm sườn tàu dạng hình chữ V.
Các thân tàu dạng đáy phẳng có lực cản cao hơn nhiều so với các thân tàu dạng chữ V.
Đường bẻ góc (chine) chính là đường giao tuyến của bề mặt đáy với mặt mạn tàu
và trở nên cứng hơn (hard chine) khi góc giữa mặt mạn và mặt đáy tàu giảm xuống.
Đường bẻ góc có thể làm cho tàu chuyển động êm hơn ở các tốc độ cao trong vùng rối
và cũng là yếu tố quan trọng trong việc giữ cho thân tàu ổn định hơn khi chuyển động.
Ngoài ra, đường bẻ góc cắt với mặt nước sẽ làm giảm bớt diện tích tiếp nước của vỏ tàu
và do đó sẽ làm giảm bớt lực cản tác dụng lên thân tàu, nhờ vậy sẽ làm tăng tốc độ tàu.
8


Tàu cao tốc có nhiều dạng đáy, dạng sườn, góc nghiêng hông khác nhau tùy thuộc
vào chất lượng thuỷ động, tính năng hàng hải và công nghệ chế tạo vật liệu (hình 2.3).
Ban đầu các sườn thường có dạng chữ V thẳng để thuận tiện trong chế tạo (hình 2.3 a),
tuy nhiên để tăng chất lượng thuỷ động và tính năng thường thiết kế sườn tàu có dạng
chữ V lõm (hình 2.3 b), chữ V lồi (hình 2.3 c, d, e), hoặc kết hợp hai dạng (hình 2.3 f),
còn gọi là dạng V nhọn (deep V) chiếm tỷ lệ khá lớn trong nhóm tàu cao tốc ngày nay.
So với dạng đáy nghiêng phẳng, dạng chữ V lõm được áp dụng vào cuối những năm 90
có chất lượng thuỷ động tăng lên khá nhiều nhưng tính năng hàng hải của tàu lại xấu đi.
Sườn tàu dạng lồi sử dụng phổ biến hơn trong thực tế so với hai hình dạng sườn còn lại.
Các tàu cao tốc dạng lồi rất bền và so với các mặt cắt ngang khác yêu cầu ít vật liệu hơn
nên tàu nhẹ hơn và còn ưu điểm khác của dạng sườn này là giảm các tải slamming[2].
Hiện nay sử dụng sườn nghiêng có góc lượn ở hông để cải thiện chất lượng thuỷ động,
giảm hiện tượng toé nước khi tàu chạy và vận hành tàu trên sóng cũng trở nên êm hơn.
Đáy tàu lượn cong ở vùng sống chính như các mẫu c, d, e tỏ ra có chất lượng tốt hơn.
Dạng đường hình tàu đơn giản ở hình c cũng cho kết quả khá tốt về chất lượng vận hành.
Ở đa số tàu, góc giữa chữ V lớn ứng với góc nghiêng hông nhỏ β ≤ 8° (hình 2.3 a, b, e),

những góc giữa chữ V có thể nhỏ, còn góc nghiêng hông lớn β = (20 ÷ 30)° (hình 2.3 f).

(a) Dạng đáy phẳng

(d) Dạng đơn giản

(b) Dạng đáy lõm

(c) Dạng đáy lồi

(e) Đáy lượn tròn ở vùng hông (f) Dạng đáy chữ V nhọn

Hình 2.3. Các hình dạng đường hình tàu cao tốc
9


2.1.3. Đặc điểm gẫy dọc trên tàu cao tốc
2.1.3.1. Vị trí gẫy dọc
(a) Vị trí gẫy dọc ở phía mũi
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu thống kê và thực nghiệm, cần chú ý các điểm sau
để lựa chọn hợp lý khoảng cách giữa các điểm nhảy bậc ở phần đáy tàu cao tốc thiết kế.
- Bậc mũi có kết cấu như nêm trong nước nên khi tàu chạy sẽ gây nhiễu dòng.
Dòng chảy rối này tiếp tục đi qua bậc đuôi làm đặc tính thủy lực của nó xấu đi,
do đó điểm đặt gẫy dọc phía mũi ảnh hưởng xấu đến điểm đặt gẫy dọc phía đuôi
nên khi thiết kế cố gắng hạn chế ảnh hưởng xấu này bằng cách tăng khoảng cách
giữa các điểm đặt gẫy dọc theo chiều dài để nâng cao chất lượng thuỷ động tàu.
- Thực tế, đặc tính thủy động của gẫy dọc mũi luôn cao hơn gẫy dọc đuôi nên
người thiết kế cần tìm cách phân bố phần lớn tải trọng tàu phải chịu lên bậc mũi.
Về kết cấu có thể giải quyết vấn đề này bằng cách tăng thêm chiều rộng bậc mũi
nhưng sự tăng tải trọng lên vùng mũi sẽ bắt buộc không phải chỉ tăng chiều rộng

mà còn tăng cả chiều dài vùng đáy nhảy bậc nên ở chiều dài tàu đã cho buộc
người thiết kế phải giảm khoảng cách giữa các điểm nhảy bậc ở vùng đáy tàu.
Bài toán thực tế này chỉ có thể giải bằng cách dung hòa các yêu cầu với nhau.
Khoảng cách bố trí điểm đặt gẫy dọc mũi từ vách đuôi tàu cao tốc hiện nay nằm
trong khoảng (0.35 ÷ 0.60)L (L – chiều dài của tàu cao tốc) và khi đó vị trí trọng tâm và
tâm nổi cần nằm trong giới hạn (0.30 – 0.4)L tính từ vách đuôi tàu.
2.1.3.2. Vị trí đường hông trên hình chiếu đứng
Vị trí đường hông trên hình chiếu đứng đối với kiểu tàu cao tốc có kết cấu đáy
nhảy bậc không có gì khác biệt so với kiểu không có kết cấu gẫy dọc, với vị trí điểm
giao nhau của đường hông phía mũi với đường nước ở chế độ bơi, tính từ vách đuôi tàu
của các loại tàu cao tốc thường nằm trong phạn vi ≤0.750L (L – chiều dài tàu cao tốc).
Phụ thuộc vào các đặc trưng của đường sống đáy bậc mũi tàu mà đường hông phía đuôi
sẽ được chọn đúng với dạng đường cong lồi hoặc lõm đều, rất hiếm khi có dạng thẳng.
Với các tàu cao tốc dùng chạy biển, để tránh hiện tượng nước hắt lên boong người ta
thường thiết kế điểm tiếp xúc của đường hông phía đuôi với bậc mũi ở mạn cao hơn
đường nước chế độ bơi.
10


(b) Chiều chìm các mép dưới gẫy dọc
Chiều chìm gẫy dọc đuôi Td xác định theo góc nghiêng mép bậc gẫy αcr (hình 2.4)
Với tàu một gẫy dọc, gẫy dọc đuôi chịu tải chính thì góc này chỉ vào khoảng (0 ÷ -1)°,
còn với tàu cao tốc kiểu Tandem là (0 ÷ 1)°, còn đối với các tàu cao tốc một bậc gẫy,
góc trên dao động trong khoảng (2  8)o phụ thuộc chiều rộng của bậc gẫy dọc phía đuôi.
Chiều chìm mép dưới của gẫy dọc mũi Tm được tính theo % chiều rộng gẫy dọc mũi Bm.
Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ có thể lấy Tm = (0.08  0.10)Bm cho tất cả kiểu tàu cao tốc.
Giới hạn dưới của đại lượng Tm thường sử dụng cho các tàu cao tốc thuộc loại rất nhẹ,
còn giới hạn trên thường áp dụng cho các tàu cao tốc chạy biển, có kích cỡ lớn hơn.
Chiều chìm bậc gẫy mũi quá lớn sẽ không có lợi cho tàu khi chuyển sang chế độ lướt,
giống hoàn cảnh của người có trọng lượng lớn quá, rất khó thoát cảnh tù túng để “bay”.

Tuy vậy trong thực tế cũng đã có tàu cao tốc đưa vào hoạt động có giá trị Tm = 0.13Bm.

Hình 2.4. Chiều chìm của các mép dưới bậc gẫy
(c) Chiều cao gẫy dọc
Chiều cao bậc gẫy cẩn đảm bảo sao cho dòng chất lỏng phải chảy “bứt” ra khỏi
phần lớn tấm đáy sau tàu mà không phải “tràn” ra khắp vùng như vừa nêu ở phần trên.
Chiều cao bậc gẫy Hp tùy thuộc chiều rộng Bp của nó lấy bằng 0.05Bp và hơn 50 mm.
Ngoài ra, chiều cao bậc gẫy cũng có thể tính theo chiều dài tàu với phạm vi sau đây:

11


Bảng 2.1 Xác định chiều cao gẫy dọc
Tàu cỡ lớn

(0.008 ÷ 0.010)L

Tàu cỡ nhỏ
Tính tại mặt dọc giữa tàu

Tính tại đường gẫy khúc

(0.011 ÷ 0.017)L

(0.01 ÷ 0.20)L

(d) Hình dáng gẫy dọc
Hình dáng gẫy dọc trong thực tế rất đa dạng như dạng phẳng, lồi, lõm, nghiêng …
Với tàu cao tốc chạy biển cỡ nhỏ thường dùng làm phương tiện đua thì hình dáng của
mặt cắt ngang các gẫy dọc được đặc trưng bởi góc nghiêng hông vào khoảng (4 ÷ 6)°.

Với tàu lớn hơn có bậc gẫy dạng lồi - lõm, góc nghiêng hông trung bình có thể đến 15°.
Lưu ý là cần tạo mọi điều kiện để không khí dễ xâm nhập vào vùng đáy dưới bậc nhảy,
do đó hình dáng mặt cắt ngang của đáy sau gẫy dọc mũi thường thiết kế dạng như trên
nhưng có góc nghiêng lớn hơn nhằm đảm bảo dòng không khí dưới đáy tàu sau bậc gẫy.
Để đạt mục đích này, mặt cắt sau gẫy dọc có thể thiết kế kiểu hông tròn (hình 2.5b).
Hình 2.5 trình bày hình dạng của các mặt cắt ngang gẫy dọc (redan) trên tàu cao tốc.
Dạng hay gặp của gẫy dọc mũi thường có cấu hình thẳng, nêm hoặc nêm đảo (hình 2.5),
trong đó gẫy dọc dạng thẳng rất dễ chế tạo nên được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế,
gẫy dọc hình nêm tăng khả năng chống lắc, tính êm nhưng làm giảm tính ổn định động,
gẫy dọc hình nêm ngược cải thiện tính ổn định ngang động nhưng không tạo điều kiện
thuận lợi cho việc tách dòng nên làm xấu đi điều kiện dòng chảy bao quanh bậc gẫy.
Do đó người thiết kế cần giải quyết bài toán hợp lý từ những điều kiện thiết kế cụ thể.
Hình trái hình 2.5 trình bày tay đòn ổn định động cho trường hợp tiêu biểu vừa nêu.
Người thiết kế tàu cần phải cân nhắc rất kỹ những lợi và hại của các kiểu dáng gẫy dọc
đan xen nhau trong một tàu, trước khi chọn hình dáng và kích thước các gẫy dọc này.
Trên hình này cũng có thể nhận thấy ảnh hưởng của hình dáng mặt cắt ngang thân tàu
và hình dáng redan mũi đến cánh tay đòn ổn định ngang động.

12