Nghiên cứu lực cản và quạt đẩy tàu đệm khí

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

NGHIÊN CỨU LỰC CẢN VÀ QUẠT ĐẨY TÀU ĐỆM KHÍ
STUDY ON RESISTANCE AND PROPULSIVE FAN
OF A HOVERCRAFT
Phan Anh Tuấn1, Vũ Văn Tản2
Email:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2
Trường Đại học Sao Đỏ

1

Ngày nhận bài: 25/4/2018
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 20/6/2018
Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2018

Tóm tắt
Báo báo này trình bày nghiên cứu tính toán lực cản thân tàu và lực đẩy tạo ra từ quạt của tàu đệm khí.
Tàu đệm khí là phương tiện di chuyển được trên đa địa hình. Nó có thể lướt trên mặt nước, đi trên bùn
lầy, trên đường, trên các bề mặt gồ ghề. Để tính toán lực cản và lực đẩy của tàu đệm khí, tác giả đã
sử dụng phương pháp mô phỏng số (CFD) với phần mềm chuyên dụng. Phương pháp CFD là phương
pháp nghiên cứu hiện đại và phổ biến trên thế giới. Với việc sử dụng phương pháp CDF, thời gian tính
toán đã giảm được đáng kể. Trên cơ sở tính toán lực đẩy do thân tàu đệm khí tạo ra, tác giả đã thiết kế
một mẫu quạt đẩy để tạo lực đẩy giúp tàu di chuyển tốt trên mặt nước.
Từ khóa: Lực cản; lực đẩy; tàu đệm khí; quạt đẩy; CFD.
Abstract
This paper presents a study on calculation of hull resistance and propulsive fan of a hovercraft. A
hovercraft is a vehicle that can move on multi-terrains. It could run on water surface, mud, roads and
non-flat surfaces. To calculate the resistance and propulsion of the hovercraft, the authors have used
Computational Fluid Dynamics (CFD) method. CFD method is a modern and popular studied method in

the world. Base on the calculation of the hull resistance, the authors have designed a propulsive fan for
creating the propulsion to make the hovercraft move well on water surface.
Keywords: Resistance; propulsion; hovercraft; propulsive fan; CFD.
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp
tàu thủy nước ta đang từng bước phát triển và
dần chiếm được vị trí trong nước cũng như khu
vực. Trước đây, con tàu đóng ra với mục đích là
phương tiện vận chuyển hàng hóa là chủ yếu thì
bây giờ mục đích sử dụng của con tàu được đa
dạng lên rất nhiều.
Tàu chạy bằng đệm khí, sử dụng chận vịt hay quạt
đẩy đã được nghiên cứu và ứng dụng nhiều ở
nước ngoài, đặc biệt là ở Hoa Kỳ, Nga, châu Âu.
Tàu đệm khí có thể sử dụng trong các đội tàu vận
tải, du lịch, quân sự, tìm kiếm cứu nạn. Đối với
loại tàu này ta hay thường gọi là tàu đệm khí, đặc
điểm hình học bao giờ cũng là yếu tố quan trọng
ảnh hưởng đến tính năng hàng hải của tàu đệm
Người phản biện: 1. TS. Ngô Văn Hệ

2. GS.TSKH. Vũ Duy Quang



khí nói chung và tốc độ của nó nói riêng, đặc điểm
hình học bao gồm các kích thước chính và bản vẽ
đường hình.
Trong bài báo này, tác giả tiến hành nghiên cứu
tổng quan về lực cản và lực đẩy của một mẫu tàu

đệm khí thông qua phương pháp CFD, từ thiết lập
mô hình 3D của tàu đệm khí đến việc sử dụng các
bước giải cho bài toán CFD để tính toán lực cản
tàu đệm khí. Sau khi có kết quả tính toán lực cản,
tác giả xác định lực đẩy cần thiết cho tàu rồi dựa
vào đó để thiết kế một mẫu quạt đẩy. Cuối cùng,
tác giả giải bài toán CFD cho quạt đẩy để đánh
giá khả năng làm việc của quạt đẩy khi lắp lên tàu
đệm khí.
2. LỰC CẢN TÀU ĐỆM KHÍ
2.1. Các thành phần lực cản tàu đệm khí
Đa số các tàu đệm khí hiện nay hoạt động dựa
trên nguyên lý thủy động học vì hoạt động trên

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 35


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
nguyên lý này có hình dáng, kết cấu đơn giản hơn
hoạt động trên nguyên lý khí động học. Lực cản
tổng hợp của tàu đệm khí được tính theo công
thức sau [1]:



(1)

trong đó:

trị đặt tàu đệm khí nằm trên đường trục đáy ống

tunnel, cách đầu ống nơi dòng khí, nước đi vào
là 28 m (tương đương với 4 lần chiều dài tàu) và
cách cuối ống nơi dòng khí, nước đi ra là 35 m
(tương đương với 5 lần chiều dài tàu đệm khí.
Hình 2 miêu tả miền giới hạn tính toán trong bài
toán mô phỏng số với tàu đệm khí.

Rw: lực cản sóng;
Ra: lực cản khí động hình dáng toàn tàu;
Rm: lực cản khí động đệm khí;
Rsk: lực cản váy tàu;
Ra”: lực cản khí động do ảnh hưởng mũi và đuôi tàu.
2.2. Tính toán lực cản bằng mô phỏng số

Hình 2. Miền tính toán mô phỏng tàu đệm khí

2.2.1. Thông số tàu đệm khí

2.2.3. Mô hình rối

Tàu đệm khí được sử dụng trong tính toán này có
chiều dài là 7 m. Các kích thước cơ bản như trong
bảng 1. Mô hình 3D của tàu đệm khí được dựng
như hình 1.

Để tính toán dòng khí bao quanh tàu đệm khí
trong quá trình chuyển động, ta sử dụng phương
trình liên tục, phương trình Navier-Stokes, cùng
với mô hình rối k-ε. Phương trình Navier-Stokes
được viết như sau [2]:

Bảng 1 Thông số kỹ thuật tàu đệm khí
Chiều dài

7,0 m

Chiều rộng

3,0 m

Chiều cao

2,6 m

Mớn nước

0,2 m

Số người có thể chở

6 người



(2)

trong đó:
u; v; w: các vectơ vận tốc thành phần tương ứng
với các trục tọa độ x; y; z;
ρ: khối lượng riêng của không khí;

p: áp suất thủy động;
τ: ứng xuất tiếp

Hình 1. Mô hình 3D tàu đệm khí
2.2.2. Không gian tính toán và điều kiện biên
Miền giới hạn tính toán chạy mô phỏng được giới
hạn trong không gian ống thổi tunnel giả định tạo
thành bởi hình hộp chữ nhật, chiều dài là 70 m
(gấp 10 lần chiều dài tàu đệm khí), chiều rộng là
30 m (gấp 10 lần chiều rộng tàu đệm khí) và chiều
cao là 13 m (gấp 5 lần chiều cao tàu đệm khí). Vị
36

Fx, Fy, Fz: lực thành phần theo các trục tọa độ
tương ứng.
2.2.4. Điều kiện biên bài toán
Mô phỏng số được tiến hành với mô hình rối k-ε. Mô
hình rối k-ε được các tác giả trên thế giới sử dụng
rất phổ biến làm mô hình rối trong các bài toán mô
phỏng số. Điều kiện biên cho bài toán mô phỏng
số mà tác giả đã sử dụng là: vận tốc dòng khí thổi

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


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
vào nằm trong dải từ 1,39 tới 25 m/s tương đương

2.2.5. Kết quả mô phỏng số về lực cản

với vận tốc khai thác của tàu đệm khí từ 5 đến 90

tưởng tượng là đứng yên và được đặt là tường; khối

Do giới hạn về thời gian và tốc độ máy tính, ở
nghiên cứu này tác giả đã tách bài toán mô phỏng
hai pha nước và khí thành hai bài toán độc lập cho
nước và khí để tính lực cản do gió tạo ra và lực
cản do nước tạo ra.

lượng riêng của không khí lấy ρ=1,225 kg/m3, hệ số

2.2.5.1. Lực cản gió

nhớt không khí là 1,7894 ∙ 10 kg/(ms), khối lượng

Hình 3 thể hiện phân bố vận tốc và áp suất xung
quanh tàu đệm khí do gió tạo nên ở các vận tốc
khai thác giả định khác nhau.

km/h; nhiệt độ được lấy là 27oC tương đương với
300 K; áp suất tại đầu ra của ống tunnel được đặt
bằng áp suất khí quyển; tàu đệm khí và ống tunnel

-5

riêng của nước là 998,2 kg/m3, độ nhớt của nước là
1,003 ∙ 10-5 kg/(ms) [3].

v = 1,39 m/s

v = 5,56 m/s

v = 2,88 m/s

v = 6,94 m/s

v = 8,33 m/s

v = 12,5 m/s

v= 16,67 m/s

v = 25 m/s

Hình 3. Phân bố vận tốc của dòng khí xung quanh tàu
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 37


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Hình 4 thể hiện phân bố vận tốc của dòng khí
xung quanh phía trên thượng tầng của tàu đệm
khí. Phân bố vận tốc trên thượng tầng cho thấy
dòng khí di chuyển xung quanh thân tàu tương đối
êm ái và ít có tạo xoáy cục bộ.
Hình 6. Phân bố vận tốc xung quanh thân tàu

Hình 7. Phân bố áp suất xung quanh thân tàu
Hình 4. Phân bố vận tốc của dòng khí trên
thượng tầng tàu đệm khí

Hình 5 là đồ thị lực cản gió tác động lên tàu đệm
khí trong dải vận tốc từ 5 đến 90 km/h. Trong hình
vẽ này, trục hoành thể hiện tốc độ khai thác tàu
khi không có gió (hoặc tốc độ gió thổi tới thân tàu),
hướng gió tác động trực tiếp tới mũi tàu, trục tung
là giá trị lực cản do gió tạo nên. Ta thấy ở tốc độ
cao, lực cản gió của tàu đệm khí tăng rất nhanh.

Hình 8. Phân bố áp suất tĩnh xung quanh thân
tàu đệm khí

2.2.5.2. Lực cản nước
Kết quả mô phỏng số của lực cản do nước tác
động lên tàu đệm khí được thể hiện trong các hình
vẽ dưới đây. Hình ảnh kết quả mô phỏng cho các
trường hợp vận tốc khai thác khác nhau của tàu
đệm khí tương đối tương tự nhau. Tác giả xin đưa
ra các hình ảnh của kết quả mô phỏng tại vận tốc
khai thác của tàu đệm là 16,67 m/s, tương đương
với 60 km/h. Hình 6÷11 thể hiện phân bố vận tốc,
áp suất xung quanh tàu đệm khí do nước tạo nên
ở các vận tốc khai thác giả định khác nhau, góc
nhìn khác nhau.

Hình 9. Phân bố áp suất động quanh thân tàu

Hình 10. Hình ảnh dòng nước xung quanh thân
tàu theo hình chiếu đứng

Hình 11. Hình ảnh dòng nước xung quanh thân

Hình 5. Đồ thị lực cản gió tác động lên tàu
38

tàu tại mặt nước

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


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Kết quả mô phỏng số thể hiện phân bố vận tốc và
áp suất xung quanh tàu đệm khí phía trên chỉ rõ
vùng áp suất cao nhất xuất hiện trên vỏ tàu là hai
bên mạn phía mũi tàu. Đây chính là khu vực vừa
chịu lực tác động của gió, của nước và của sóng.
Sóng có thể do mặt nước tạo nên từ đầu, cũng
có thể do chính mạn và mũi tàu tạo nên trong quá
trình tàu rẽ nước để tiến về phía trước.
Hình 12 là đồ thị lực cản nước tác động lên tàu
đệm khí trong dải vận tốc từ 5 đến 90 km/h. Trong
hình 12, trục hoành thể hiện tốc độ khai thác tàu,
trục tung là giá tri lực cản do nước tạo nên. Ta
thấy ở tốc độ cao, lực cản nước của tàu đệm khí
tăng rất nhanh.

nào lợi hơn. Phương pháp thứ nhất là tăng công
suất máy tàu giống như tàu thủy thông thường
và phương pháp thứ hai là tăng lực nâng từ hệ
thống nâng tàu làm giảm mớn nước khi tàu chạy
để giảm lực cản do nước tạo ra cho tàu. Trong
trường hợp này, chúng ta cần chạy lại mô phỏng

số với mớn nước mới để tính lại các thành phần
lực cản và lực cản tổng hợp của tàu đệm khí. Ứng
với mỗi vận tốc khai thác thì sẽ có phương án lựa
chọn thích hợp khác nhau.
3. QUẠT ĐẨY TÀU ĐỆM KHÍ
3.1. Hình dáng khí động cánh quạt đẩy
Sau khi tính toán mô phỏng số sẽ tìm ra lực cản
tổng hợp của tàu đệm khí. Trên cơ sở phân tích
khí động học các mẫu biên dạng cánh, tác giả đã
lựa chọn một profil-biên dạng cánh thích hợp cho
quạt đẩy tàu đệm khí.
Một vật có profile cánh, chuyển động trong dòng
khí hoặc chất lỏng, sẽ sinh ra lực nâng cánh, vuông
góc với hướng của dòng khí (định lý Giucopski),
đó cũng chính là lực đẩy tàu trong trường hợp
quạt đẩy của tàu đệm khí.

Hình 12. Đồ thị lực cản nước tác động lên tàu
Hình 13 là đồ thị lực cản tổng hợp tác động lên
thân tàu đệm khí.

Trên cơ sở phân tích khí động học cánh quạt, tác
giả lựa chọn kiểu profil cánh biến thể của mẫu
cánh NACA 6412 nhưng sẽ uốn cong hơn ở gần
chân cánh để nâng cao hiệu suất đẩy [3].
Sau khi có profile của cánh quạt, tác giả đã cho
dựng mô hình 3D và chạy mô phỏng số. Cụ thể,
mô hình 3D của quạt đẩy được thể hiện như trong
hình 14. Từ kết quả mô phỏng số, tác giả tìm ra
được đường kính quạt đẩy phù hợp với tàu đệm

khí là 1250 mm, chiều dài cánh là 500 mm.

Hình 13. Lực cản tổng hợp của tàu đệm khí
Phân tích lực cản tàu trên hình 13 giúp chúng ta
đưa ra được những nhận định cho việc thiết kế hệ
thống nâng và đẩy, cũng như chọn máy chính hợp
lý. Ví dụ trong thiết kế tàu đệm khí này, khi ta chọn
vận tốc khai thác tàu chủ yếu (gọi là vận tốc thiết
kế) là bao nhiêu thì cần cân nhắc giữa hai phương
pháp lựa chọn thiết kế sau xem phương pháp

Hình 14. Quạt đẩy tàu đệm khí

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 39


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
3.2. Miền tính toán và điều kiện biên cho bài
toán mô phỏng quạt đẩy
Với bài toán mô phỏng số quạt đẩy, toàn bộ miền
chia đã được chọn lưới Tetra. Lưới này có ưu điểm
tăng tính linh động, phù hợp với mô hình cánh có
dạng hình học phức tạp, nhưng có hạn chế là làm
tăng số phần tử tính toán. Lưới và không gian tính
toán của bài toán mô phỏng quạt đẩy tàu đệm khí
được thể hiện trong hình 15 và hình 16. Tổng số
lưới chia là 1,8 triệu lưới tứ diện.

Miền giới hạn tính toán chạy mô phỏng được giới
hạn trong không gian ống thổi tunnel giả định hình

ống đường kính 6,5 m (gấp 5 lần đường kính quạt
đẩy), chiều dài là 10 m (gấp 50 lần chiều dài quạt).
Vị trị quạt đẩy đặt trên trục ống tunnel, cách đầu
ống nơi dòng khí đi vào là 6 m (tương đương với
30 lần chiều dài quạt đẩy) và cách cuối ống nơi
dòng khí đi ra là 4 m (tương đương với 20 lần
chiều dài quạt đẩy).
Điều kiện biên cho bài toán mô phỏng số quạt đẩy
tương tự với bài toán mô phỏng số tính lực cản
tàu phía trên. Vận tốc quay của quạt nằm trong dải
từ 50 tới 500 rad/s (tương đương với tốc độ trục
quạt quay từ 450 đến 4500 vg/ph).
3.3. Kết quả mô phỏng số quạt đẩy
Kết quả mô phỏng số quạt đẩy được thể hiện như
trong các hình 17 đến 21. Hình 17 là phân bố vận
tốc xung quanh quạt đẩy, hình 18 là phân bố áp
suất xung quanh quạt đẩy, hình 19 là phân bố áp
suất trên mặt trước cánh quạt đẩy và hình 20 là
phân bố áp suất trên mặt sau của cánh quạt đẩy.

Hình 15. Lưới của quạt đẩy

Hình 16. Miền tính toán mô phỏng số quạt đẩy

Quan sát hình 17 ta thấy có hai vùng tạo xoáy
lớn của dòng khí phía sau quạt đẩy. Hai vùng đó
nằm tương đối đối xứng qua trục quay của quạt ở
phía sau đỉnh cánh. Đây là hình ảnh trích suất 2D,
thực tế thì nó là cả một vùng hình vành khăn xung
quanh phía sau đỉnh cánh.

Kết quả mô phỏng về phân bố áp suất từ hình 18
đến 20 cho ta thấy, tương tự như phân bố vận tốc,
phía sau quạt đẩy cũng có hai vùng áp suất lớn,
chính là hai vùng xung quanh khu vực có tạo xoáy
trên hình ảnh phân bố vận tốc. Áp suất xuất hiện
trên cánh lớn nhất chính là khu vực đường uốn
của cánh. Hai bên mép cánh thì áp suất ở mép
dẫn cao, còn ở mép thoát thấp. Phân bố áp suất
phía trước cánh thì nhìn chung áp suất thấp và
khoảng chênh lệch ít hơn do vận tốc dòng khí đi
vào tương đối đồng đều và ổn định.

Hình 17. Phân bố vận tốc xung quanh quạt đẩy

40

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


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

Hình 17 (Tiếp theo). Phân bố vận tốc xung quanh quạt đẩy

ω = 100 rad/s

ω = 200 rad/s

ω = 300 rad/s

ω = 400 rad/s

Hình 18. Phân bố áp suất xung quanh quạt đẩy

ω = 100 rad/s

ω = 200 rad/s

Hình 19. Phân bố áp suất mặt sau quạt đẩy
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 41


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

ω = 400 rad/s

ω = 300 rad/s

Hình 19 (Tiếp theo). Phân bố áp suất mặt sau quạt đẩy

ω = 200 rad/s

ω = 100 rad/s

ω = 400 rad/s

ω = 300 rad/s

Hình 20. Phân bố áp suất mặt trước quạt đẩy
Từ kết quả mô phỏng, ta dựng được đồ thị lực đẩy
do quạt đẩy của tàu đệm khí tạo nên như trong

hình 21. Trong hình vẽ này, trục hoành là vận tốc
quay của quạt, còn trục tung là lực đẩy do quạt
tạo ra.

Sau khi thực hiện mô phỏng tính toán lực cản của
tàu đệm khí và lực đẩy do quạt đẩy tạo nên, ta
nhận thấy để tàu khai thác với vận tốc 90 km/h
ta cần chế độ làm việc của quạt tại vòng quay
khoảng 3200 vg/ph.
4. KẾT LUẬN

Hình 21. Lực đẩy do quạt tạo ra
42

Trong phương pháp nghiên cứu mô phỏng số, ta
thu được các hình ảnh phân bố vận tốc, áp suất,
cường độ xoáy... của dòng nước bao quanh tàu
đệm khí cũng như dòng khí bao quanh quạt đẩy
đã cho ta cái nhìn trực quan sinh động về hiện
tượng vật lý của dòng chảy bao quanh thân tàu
đệm khí và quạt đẩy. Từ đó giúp ta đánh giá được
một cách tổng thể về đặc tính thủy động của hình

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


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
dáng thân tàu đệm khí, đặc tính khí động của quạt
đẩy, đặc biệt là các khu vực tạo dòng xoáy, để từ
đó có những thiết kế phù hợp hơn cho các mẫu

tàu đệm khí riêng biệt.
Trong nghiên cứu này, tác giả đã tiến hành thiết kế
quạt đẩy cho tàu đệm khí thông qua phương pháp
kết hợp lý thuyết và mô phỏng số với việc giải
quyết hai bài toán mô phỏng: mô phỏng số tính
toán lực cản tàu đệm khí và mô phỏng số tính toán
lực đẩy quạt đẩy thiết kế cho tàu đệm khí. Từ kết
quả thu được về tính toán lực đẩy cần thiết cho
tàu đệm khí, tác giả đã phân tích lựa chọn mẫu
cánh phù hợp để làm quạt đẩy tàu.
Tác giả đã thiết kế quạt đẩy cho một tàu đệm khí
có kích thước dài 7 m, rộng 3 m, cao 2,6 m. Quạt
đẩy được thiết kế theo mẫu cánh NACA 6412 có
thay đổi một ít ở độ cong profil, có đường kính

quạt là 1250 mm, trong đó chiều dài cánh là 500
mm. Để tàu đệm khí chạy được tốc độ 90 km/h thì
quạt đẩy đã thiết kế phải vận hành ở tốc độ vòng
quay 3200 vg/ph.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phan Anh Tuan (2016). A Study on Hovercraft
Resistance Using Numerical Modeling. Applied
Mechanics and Materials, online ISSN: 16627482, print ISSN: 1660-9336, Vol. 842, pp.
186-190.
[2]. Nakayama Y. (2000). Introduction to Fluid
Mechanics.

Butterworth-Heinemann,

MA

01801-2041.
[3]. Bleier Frank (1998). Fan Handbook: selection,
application, and design. McGraw Hill.

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 43