Phân tích, mô phỏng hình ảnh sóng và tính toán sức cản tàu thủy sử dụng CFD

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

PHÂN TÍCH, MÔ PHỎNG HÌNH ẢNH SÓNG VÀ TÍNH TOÁN
SỨC CẢN TÀU THỦY SỬ DỤNG CFD
ANALYSIS, SIMULATION THE WAVES AROUND THE SHIP
AND SHIP HULL RESISTANCE CALCULATIONS
USING CFD METHODS
Nguyễn Đức Hải, Vũ Văn Tản, Nguyễn Ngọc Đàm
Email:
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 27/3/2018
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 20/6/2018
Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2018

Tóm tắt
Ngày nay, khí động lực học tàu thủy đóng vai trò quan trọng trong vấn đề tính toán thiết kế tối ưu hình
dáng nhằm tăng hiệu suất đẩy, tiết kiệm năng lượng cũng như giảm sức cản tác động lên tàu. Với sự
phát triển của công nghệ máy tính, các nhà sản xuất đã thấy được khả năng tính toán động lực học
dòng chảy thay vì thử nghiệm tại các bể thử đạt tiêu chuẩn để giảm thời gian thử nghiệm và tiết kiệm
chi phí nghiên cứu và phát triển. Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày một nghiên cứu về giảm sức
cản tác động lên tàu bằng cách sử dụng CFD. Chúng tôi áp dụng công cụ CFD để xác định sức cản và
hình dạng đường dòng tác động lên thân tàu tại các vị trí mũi và đuôi. Kết quả mô phỏng CFD sau đó
được so sánh với dữ liệu thử nghiệm để xác nhận tính chính xác.
Từ khóa: CFD; Ansys-Fluent; lực cản tàu thủy.
Abstract
Nowadays, aerodynamics plays important role in shipbuilding in the matter of calculating the optimal
shape design in order to increase efficiency, save energy as well as reduce impact resistance on
board. For improvement in computer technology, manufacturers are using computational fluid dynamic
softwares instead of testing in a towing tank to reduce the time for testing and save costs for development
optimization the hull. In this study, the author present a study on the reduction of impact resistance on
board using CFD method. The author used the CFD method to determine the drag and geometry of the

line acting on the hull at the bow and stern of a ship. After that, the results of the CFD simulation are
compare with the test data to confirm the accuracy.
Keyword: CFD; Ansys-Fluent; ship resistance.
1. GIỚI THIỆU CHUNG

hình tàu để xác định các hệ số thủy động lực
học cho tàu thực sử dụng các phương pháp thí
nghiệm bằng bể kéo hoặc bể thử nghiệm mô
hình [4]. Tính toán lực cản chuyển động của tàu
là một trong các vấn đề của bài toán ngoài của
cơ chất lỏng để xác định lực thủy động của chất
lỏng chảy bao vật thể.

Với sự phát triển không ngừng của ngành kinh
tế vận tải sông biển, thì việc nghiên cứu thủy
động lực học tàu thủy và cải tiến các loại thiết bị
đẩy tàu đóng một vai trò hết sức quan trọng. Bởi
lẽ chúng có liên quan trực tiếp đến các chỉ tiêu
kinh tế và khai thác của mỗi con tàu cụ thể [4, 5,
6]. Hiện nay, trong nghiên cứu lực cản chuyển
động của tàu người ta thường dùng phương
nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nguyên
cứu thực nghiệm. Đặc biệt để thu được số liệu
đáng tin cậy người ta thường sử dụng các mô
Người phản biện: 1. PGS.TS. Lê Văn Học

2. TS. Vũ Hoa Kỳ

Để xác định công suất máy phù hợp theo yêu
cầu của tốc độ tàu, chúng ta phải biết sức cản

khi tàu chạy. Nói chung sức cản của nước là
thành phần sức cản chủ yếu. Sức cản này phụ
thuộc vào trị số hình dáng và tốc độ của tàu [1].


Mặc dù đã bỏ nhiều công nghiên cứu, đã có rất
nhiều những công trình nghiên cứu trong và ngoài

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 53


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
nước nhưng đến nay vấn đề sức cản của nước
vẫn chưa được giải thích một cách rõ ràng và chặt
chẽ, vì quá trình diễn biến của hiện tượng quá
phức tạp. Đã có những công thức kinh nghiệm
dựa trên hàng loạt lần thử và khảo sát cho phép
xác định sức cản này nhưng độ chính xác chưa
cao. Vì vậy hiện nay, khi xác định sức cản thường
có sự so sánh giữa những tàu đã đóng với những
mô hình thân tàu thí nghiệm được kéo trong các bể
thử [1, 8].
Trên cơ sở phân tích những hạn chế của vấn đề
nghiên cứu sức cản tàu thủy ở Việt Nam hiện nay
và những ưu điểm trong quá trình thừa kế những
công thức kinh nghiệm trong các phương pháp
tính toán sức cản, cũng như ứng dụng các phần
mềm tiên tiến vào tính toán thiết kế của những
nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển trên
thế giới, nhóm tác giả đưa ra phương pháp nghiên

cứu tính toán đánh giá sức cản của tàu khi chuyển
động để các trung tâm thiết kế nghiên cứu ứng
dụng nhằm rút ngắn thời gian tính toán sức cản
và tính chọn công suất máy cho tàu khi thiết kế,
đồng thời đây sẽ là tài liệu nghiên cứu, giảng dạy
trong nhà trường giúp cho sinh viên có cơ sở tính
toán và nghiên cứu sức cản tàu thủy. Chúng tôi đã
đề xuất phương pháp CFD kết hợp từ nhiều phần
mềm phân tích số giúp chính xác hóa tính toán tối
ưu sức cản.

trong các nhà máy xử lý nước thải. Phần mềm
có khả năng mô hình hóa động cơ xilanh, đường
đạn, máy và thiết bị turbin, và hệ thống đa pha.
Ngày nay, hàng ngàn công ty trên thế giới được
lợi từ việc sử dụng công cụ thiết kế và phân tích
này. Được mở rộng bởi khả năng tương tác đa
môi trường khiến phần mềm trở thành công cụ
phổ thông trong cộng đồng CFD, với sự nổi tiếng
về sự thân thiện và mạnh mẽ. Fluent tương đối
dễ sử dụng đối với người mới bắt đầu. Fluent sử
dụng công nghệ lưới phi cấu trúc, nghĩa là lưới có
thể bao gồm các phần tử có hình dạng khác nhau,
như lưới tứ giác và lưới tam giác cho các mô hình
2D và lưới lục diện, tứ diện, đa diện cho các mô
hình 3D. Mô phỏng số và bộ giải mạnh mẽ đảm
bảo Fluent có kết quả chính xác [3]. Ứng dụng
để mô hình hóa dòng chảy rối phân tích trường
áp suất, trường vận tốc sử dụng các pháp mô
hình k-epsilon, k-omega, phương trình ứng suất

Reynolds…
Cấu trúc của bộ phần mềm Fluent như sau:

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Phương pháp Computational Fluid Dynamics
(CFD) tính toán động lực học chất lỏng, đây là một
nhánh của cơ học chất lỏng với sự giúp đỡ của
máy tính, sử dụng phương pháp số để giải quyết
và phân tích vấn đề liên quan đến dòng chảy chất
lỏng. Máy tính được sử dụng để thực hiện các tính
toán bằng việc thực hiện các vòng lặp, sau mỗi
vòng lặp thì độ chính xác được cải thiện. Máy tính
được sử dụng để thực hiện hàng triệu phép tính
cần thiết để mô phỏng sự tương tác của chất lỏng
và khí với bề mặt được xác định bởi các điều kiện
biên. Ngay cả với các siêu máy tính tốc độ cao chỉ
giải gần đúng có thể đạt được kết quả tốt trong
nhiều trường hợp. Khả năng mô hình hóa vật lý
của Fluent được ứng dụng rộng khắp trong mọi
lĩnh vực công nghiệp: từ dòng chảy không khí qua
cánh máy bay đến sự bốc cháy trong lò, từ các cột
bọt khí đến việc sản xuất thủy tinh, từ dòng chảy
54

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của bộ phần mềm Fluent
Tuy nhiên, với việc phát triển Fluent tích hợp
thành một module của Ansys thì các bước phân
tích và chia lưới thông qua Gambit hiện nay được
loại bỏ. Hiện nay, chúng tôi sử dụng phương pháp
tạo mô hình trực tiếp từ các phần mềm CAE hoặc

Autoship, Napa... sau đó đưa vào Fluent.
Lựa chọn mẫu dòng chảy rối
Có một thực tế là không có một mẫu dòng chảy
rối độc lập nào có thể hiểu hết các tính chất, vấn
đề của nó. Việc lựa chọn mẫu chảy rối sẽ phụ
thuộc vào đặc điểm như tính chất vật lý của dòng,
vấn đề thực tế của các lớp đặc biệt, mức độ yêu
cầu chính xác, cơ sở tính toán và lượng thời gian

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
cần cho việc mô phỏng. Để có được sự lựa chọn
phù hợp nhất cho mẫu ứng dụng, chúng ta cần
hiểu khả năng và giới hạn của rất nhiều những lựa
chọn khác nhau. Đối với phân tích này chúng tôi
lựa chọn mô hình rối
Mô hình
có ba mẫu đó là Standard, RNG và
Realizable. Cả ba mẫu này đều tương tự như
nhau với những phương trình cần bằng cho k và
. Những điểm khác nhau chính của mô hình này
như sau:
- Phương pháp tính toán độ nhớt dòng rối.

Mô hình sử dụng VOF, mô hình hóa tàu để nghiên
cứu dòng chảy khi tàu chuyển động với hai pha là
nước và không khí.
3. MÔ HÌNH PHÂN TÍCH SỨC CẢN

3.1. Mô hình hình học tàu đa năng ứng phó sự
cố tràn dầu
Đối với phân tích này chúng tôi sử dụng phần
mềm CFD tính toán sức cản của nước tác dụng
lên thân tàu, sau đó các kết quả này được so sánh
với kết quả kéo thử tàu tại bể thử tàu quốc gia và

- Sự phụ thuộc của số Prandlt vào sự khuếch tán
k và .

các phương pháp phân tích bằng thực nghiệm đã

- Các toán hạng sinh ra và biến mất trong phương
trình .

mại Napa, quá trình xây dựng mô hình liên quan

Mô hình
là mô hình đơn giản có thể áp dụng với
hầu hết các bài toán thông thường với độ chính xác
khá tốt. Tuy nhiên, trong các trường hợp đặc biệt,
khi tính chất dòng bị thay đổi mạnh như xuất hiện
sóng va thì việc áp dụng mô hình này cho kết quả
không tốt.

như hình 2. Những đường cong này nhằm tạo ra

Trong bài báo này, việc nghiên cứu các dòng
chảy xung quanh tàu khi tàu chuyển động bằng
công cụ CFD. Việc tính toán sẽ sử dụng các mô

hình của dòng chảy chất lỏng không nén được là
nguyên nhân chính sinh ra lực cản chuyển động
tác dụng lên tàu. CFD là chương trình ứng dụng
phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết
vấn đề. Mô hình mô tả dòng chảy không nén
được của chất lỏng nhớt ở số Mach thấp (M <
0,3), số Reynolds. Mật độ điểm lưới có thể nhỏ,
cho phép tính đến lực nâng. Mô hình bao gồm
các phương trình Navier-Stokes, phương trình
năng lượng.
Phương trình Navier-Stokes để tìm vận tốc dòng
chảy chuyển động có dạng:

biết. Mô hình hình học sử dụng phần mềm thương
đến việc xuất nhập các bản thiết kế tàu vào Napa
bề mặt vỏ tàu với mức chính xác được đánh giá
thông qua công cụ đánh giá tự động của Napa.
Mô hình cuối cùng chuyển thành một vật thể được
đóng khối trước khi nhập vào Fluent.
Các kích thước chính của tàu phân tích, tính toán
trong nghiên cứu này được thể hiện trong bảng 1.
Bảng 1. Các kích thước cơ bản của tàu
Trạng thái tải trọng

Design

Chiều dài hai trụ

Lpp

m

50,84

Chiều dài đường nước

Lwp

m

50,84

Chiều rộng

B

m

12

Chiều chìm: mũi

Tf

m

4

Lái

TA

m

4

Hệ số béo thể tích

Cb

-

0,72

(1)
(2)
trong đó: S là giá trị ban đầu và được xác định
bằng công thức:

(3)
Phương trình năng lượng có dạng:

(4)
Hình 2. Mô hình tàu

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 55


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
3.2. Chia lưới thân tàu và mô hình hóa điều

kiện biên
Nhằm hạn chế một số điều kiện khi tính toán để
giúp đơn giản hóa bài toán, trong mô phỏng này
chúng tôi coi như mặt nước tĩnh để khảo sát sóng
sinh ra khi tàu chuyển động. Để có thể tính toán
và chọn các thông số mô hình trong phần mềm
Fluent thì quy trình xây dựng mô hình trong phần
mềm bao gồm các bước sau:
- Tạo một mô hình ba chiều của thân tàu trong bất
kỳ các phần mềm chuyên dụng nào của hệ thống
thiết kế 3D, và sau đó chuyển mô hình này ở định
dạng đuôi trung gian tương ứng có thể chuyển
được vào Fluent. Đối với mô hình tính toán của đề
tài, tác giả sử dụng phần mềm mô hình ba chiều
của thân tàu được xây dựng bằng Napa.
- Tạo một trường tính toán, mô phỏng môi trường,
Fluent giải quyết bài toán trong chuyển động
ngược đối với thân tàu, điều này cho phép kích
thước tương đối nhỏ của miền tính toán để mô
phỏng các chuyển động của tàu trong các thời
gian tương ứng.
Các miền tính toán trong Fluent được mô hình
hóa dưới dạng miền không gian boxing (bể thử
mô hình), boxing là một đoạn của khu vực kéo ảo
mà trong đó tàu đang chuyển động. Kích thước
của hộp ảnh hưởng rất lớn đến thời gian và độ
chính xác của phép tính. Những thông số này
được chọn vì lý do giảm thiểu tác động của điều
kiện bên ngoài ranh giới đến mô hình tàu.
Dưới đây là thông số giới hạn miền không gian

tính toán đối với tàu, đồng thời quy định các điều
kiện biên trong quá trình tính toán đối với bài tính
toán mô phỏng tàu bằng phần mềm Fluent theo và
cũng có thể áp dụng cho tính toán và mô phỏng
tàu khi sử dụng các phần mềm khác như CFX,
Flowvision… [2, 7].

4. PHÂN TÍCH
Đối với công việc này như đã được trình bày ở
trên thì sức cản tàu thủy chủ yếu là sức cản của
nước tác dụng lên thân tàu. Do vậy, trong phân
tích này chúng tôi bỏ qua sức cản gió, sức cản
của phần nhô, như vậy giảm lắc, ky tàu, chong
chóng, ống bao... Chính vì thế mô hình phân tích
dưới đây, các phần nhô đó sẽ được cắt giảm trong
mô hình khi tính toán.
Trong quá trình kéo thử tàu tại bể thử, mô hình
được gia công phù hợp với bản vẽ tuyến hình tàu,
với tỉ lệ 1:15,33. Để đánh giá chính xác đường
dòng chảy qua thân tàu trong quá trình mô phỏng
bằng phần mềm Fluent, tác giả đã dựng lại mô
hình tàu với kích thức bằng kích thước của tàu
mô hình. Thử nghiệm dòng chảy quanh thân tàu
nhằm mục đích đánh giá chất lượng của tuyến
hình tàu dưới góc độ dòng chảy. Nếu dòng chảy
tại tất cả các vị trí đều, không rối thì có thể coi là
tuyến hình đạt yêu cầu. Ngoài ra, có thể dựa vào
kết quả thử nghiệm dòng chảy để bố trí vây giảm
lắc nhằm mục đích giảm tối đa sức cản do vây
giảm lắc gây ra.

Sau quá trình tính toán bằng phần mềm Fluent với
tốc độ tàu là 1,58 m/s, số vòng lặp là 150 vòng, ta
có kết quả như sau:

a)

b)
Hình 3. Miền không gian tính toán
56

Hình 4. Dòng chảy qua mũi tàu (a) phân tích
CFD; (b) thử nghiệm

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

a)
b)
Hình 7. Hình ảnh sóng khi kéo trong bể thử
(a) sóng giữa tàu; (b) sóng đuôi tàu

b)
Hình 5. Dòng chảy qua đuôi tàu (a) phân tích
CFD; (b) thử nghiệm

Qua tính toán và so sánh kết quả của mô hình
tương đương xây dựng và tính toán bằng CFD so
sánh với các công thức tính toán sức cản bằng

các công thức thực nghiệm như Holtrop, Fung...
kết hợp với kết quả tính toán tại bể thử quốc gia,
tác giả có đồ thị so sánh dưới đây (kết quả tính
toán này là đối với mô hình).

Hình 8. Đồ thị so sánh sức cản của tàu

Hình 6. Hình ảnh sóng khi mô phỏng bằng CFD

- Từ kết quả tính toán trên cho kết quả tính toán
sức cản là sát với thực tế. Ở dải tốc độ của mô
hình trên 1,5 m/s, kết quả tính toán sức cản bằng
CFD có xu hướng lớn hơn so với các phương
pháp khác.
- Đường dòng bao quanh thân tàu tương đối sát
với mô hình đã kéo trong bể thử.
- Ứng dụng vào tính mô phỏng nhằm làm giảm chi
phí chế tạo và kéo thử mô hình.
5. KẾT LUẬN

a)

Theo kết quả của nghiên cứu này, tác giả đã mô
phỏng được dòng chảy xung quanh thân tàu bằng

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 57


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
cách sử dụng CFD. Đã nhận được hình ảnh của

bề mặt sóng khi tàu chuyển động, các mô hình kết
quả của sóng là sát với thực tế mô hình đã chế tạo
và kéo thử nghiệm tại bể thử tàu quốc gia. Việc
ứng dụng CFD vào quá trình tính toán sẽ giúp
tăng năng suất, giảm chi phí do không phải đầu tư
chi phí cho bể thử và kéo thử mô hình trong bể thử.

[3]. Fluent Totorial Guide (2001). Fluent Inc.
[4]. Viện Khoa học Công nghệ tàu thủy Việt Nam.
Báo cáo kết quả thử nghiệm tàu trên nước tĩnh
MH080 - 250NM.
[5]. Nguyễn Tiến Lai (2006). Giáo trình động lực học
tàu thủy. Đại học Hàng hải Việt Nam.
[6]. Trương Sỹ Cáp (1997). Lực cản tàu thủy. NXB

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Jacek Jachowski (2008). Assessment of ship
squat in shallow water using CFD. Archives of
Civil Mechanical Engineering, Vol. 8, No 1, pp.
27-36.
[2]. L.J. Doctors and M.R. Renilson (1992). Corections
for finite-water-depth effects on ship resistance.
University of Tamania, Hobart, Australia 14-18.

58

Giao thông vận tải Hà Nội.
[7]. B.R Clayton and R.E.D. Bishop (1981). Mechanics
of marine vehicles. University College London.
University of California.

[8]. Hongxuan Peng (2001). Numerical computation
of multi-hull ship resistance and motion. Doctor
thesis Naval Architecture at Dalhousie University.

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018