Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng hình học đến đặc tính khí động học và giảm lực cản khí động tác dụng lên tàu chở containner

/m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

NGUYỄN NGỌC NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Ngọc Nguyên

HV. Nguyễn
Văn Nhu
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CỦA
HÌNH DÁNG HÌNH HỌC

CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ GIẢM LỰC CẢN KHÍ
ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN TÀU CHỞ CONTAINER

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
KHĨA – 2016A-CLC

Hà Nội - 2017

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Ngọc Nguyên

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG HÌNH HỌC
ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ GIẢM LỰC CẢN KHÍ
ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN TÀU CHỞ CONTAINER

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. TS. NGÔ VĂN HỆ

2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các cơng
trình nào khác.
Hà Nội, tháng 6 năm 2017

Học viên

Nguyễn Ngọc Nguyên

i


LỜI CẢM ƠN
Với tư cách là tác giả của luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân
thành và sâu sắc nhất đến thầy giáo TS. Ngô Văn Hệ người đã trực tiếp hướng
dẫn tơi tận tình và chu đáo để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cơ
giáo của viện cơ khí động lực, viện đào tạo Sau đại học, trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức, giúp tôi suốt thời gian
học tập và làm luận văn.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp
đã giúp đỡ, ủng hộ tơi hết lịng, động viên và chia sẻ trong suốt thời gian tôi
học tập và làm luận văn.
Hà Nội, tháng 6 năm 2017
Học viên
Nguyễn Ngọc Nguyên

ii


LÊN TÀU CHỞ CONTAINER..............................................................................47
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG
3.4. Kết luận chương 3 .............................................................................................46
3.3. Phát triển hình dáng khí động ứng dụng giảm lực cản cho tàu .........................37
3.2. Ảnh hưởng của hình dáng hình học đến đặc tính khí động học ........................33

3.1. Khảo sát đặc tính khí động học hình dáng hình hộp .........................................30
KHÍ ĐỘNG HỌC VẬT THỂ .................................................................................30
CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG HÌNH HỌC ĐẾN ĐẶC TÍNH
2.4. Kết luận chương 2 ..............................................................................................28
2.3. Cơng cụ sử dụng trong tính tốn mơ phỏng CFD ..............................................25
........................................................19

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
2. Lịch sử nghiên cứu ..................................................................................................1
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ......................2
4. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả .....................2
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ........................................................4
1.1.

Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước .....................................................4

1.2 . Lực cản và các thành phần lực cản tàu thủy .......................................................6
1.3. Giảm lực cản và phương pháp giảm lực cản .......................................................9
1.4. Kết luận chương 1 ..............................................................................................16
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ .............17
2.1. Lực cản tác động lên tàu ....................................................................................17

iii

4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cản gió tác động lên tàu....................................47
4.2. Mơ hình tàu sử dụng trong tính mơ phỏng số CFD ...........................................50
4.3. Miền khơng gian tính toán, chia lưới và đặt điều kiện biên ...............................52
4.4. Kết quả phân bố áp suất và dòng bao quanh tàu nguyên mẫu ...........................53
4.5. Nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu container ..................55
4.6. Kết luận chương 4 ..............................................................................................60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................61
1. Kết Luận ................................................................................................................61
2. Kiến nghị ...............................................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................64

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Một số biện pháp giảm lực cản, giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu

10

Hình 1.2: Phương pháp làm sạch vỏ tàu giảm lực cản

12

Hình 1.3: Bọc composite cho vỏ tàu gỗ giúp giảm lực cản nhớt

13

Hình 1.4: Phương pháp phun bọt khí giảm lực cản cho tàu

14

Hình 1.5: Tối ưu hình dáng mũi tàu giảm lực cản sóng

15

Hình 1.6: Tàu cá mũi quả lê ở Nhật Bản

16
17

Hình 3.1: Mơ hình vật thể cơ bản sử dụng trong nghiên cứu, l/h=1, N1

31

Hình 3.2: Phân bố áp suất bao quanh vật thể khảo sát tại mặt cắt dọc tâm, N1

33

Hình 3.3: Đường dịng bao quanh vật thể khảo sát tại mặt cắt dọc tâm, N1

33

Hình 3.4: Đường dịng bao quanh vật thể khảo sát N1, N2

35

Hình 3.5: Đường dịng bao quanh vật thể khảo sát N3, N4

36

Hình 3.6: Đường dòng bao quanh vật thể khảo sát N5, N6

36

Hình 3.7: Đường dịng bao quanh vật thể khảo sát N7

36

Hình 3.8: So sánh lực cản khí động tác động lên vật thể

37

Hình 3.9: Hình dáng hình hộp cải tiến vát mép trước

38

Hình 3.10: Lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát

39

Hình 3.11: Kết quả phân bố áp suất bao quanh hình dáng N7-3

40

Hình 3.12: Mơ hình thay đổi kích thước vật thể khảo sát, N7-3

41

Hình 3.13: Lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát

42

Hình 3.14: Mơ hình cải tiến từ hình dáng N7-3.4.1

43

Hình 3.15: Lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát

44

Hình 3.16: Hình dáng vật thể thay đổi kích thước khảo sát

44

Hình 3.17: Kết quả tính lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát

45

Hình 3.18: Kết quả mô phỏng phân bố áp suất bao quanh vật thể tốt nhất trong
quá trình thay đổi, N7-3.4.1.1.1

v

46


Hình 4.1: Phân bố dịng bao quanh vật thể trụ và hộp theo số Reynolds

49

Hình 4.2: Sơ đồ tính mơ phỏng số CFD các đặc tính khí động lực học thân tàu

51

Hình 4.3: Đường hình dáng tàu chở container sử dụng trong tính tốn

51

Hình 4.4: Mơ hình tàu container ngun bản sử dụng trong tính mơ phỏng

52

Hình 4.5: Miền khơng gian tính tốn và điều kiện biên

54

Hình 4.6: Phân bố áp suất động tại mặt cắt dọc tâm miền không gian tính tốn

54

Hình 4.7: Phân bố vận tốc dịng xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm

55

Hình 4.8: Kết quả mô phỏng số phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu ngun
bản

55

Hình 4.9: Mơ hình các phương án xếp container trên tàu khảo sát

57

Hình 4.10: Phân bố áp suất bao quanh thân tàu khảo sát

58

Hình 4.11: Phân bố dịng bao quanh thân tàu khảo sát

59

Hình 4.12: Hệ số lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát

60

Hình 4.13: Cơng suất tiêu hao cho phần lực cản khí động tác động lên tàu khảo
sát

vi

60


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các thành phần lực cản tàu thủy

7

Bảng 2.1: Vận tốc gió Bopho tại độ cao h = 6,0m so với mặt nước biển

18

Bảng 2.2: Giá trị hệ số lực cản khơng khí Cair

19

Bảng 3.1: Các thơng số đầu vào tính tốn

32

Bảng 3.2: Hệ số lực cản khí động tác động lên vật thể cơ bản hình hộp

34

Bảng 3.3: Tỷ số kích thước hình học hình hộp khảo sát

35

Bảng 3.4: Bảng kết quả tính tốn lực cản khí động tác đơng lên vật thể

37

Bảng 3.5: Bảng thơng số kích thước hình dáng vật khảo sát

39

Bảng 3.6: Kết quả tính tốn lực cản khí động tác động lên vật thể

40

Bảng 3.7: Thơng số kích thước thay đổi mơ hình N7-3

41

Bảng 3.8: Kết quả tính tốn lực cản khí động tác động lên vật thể

42

Bảng 3.9: Thơng số kích thước thay đổi mơ hình N7-3

43

Bảng 3.10: Kết quả tính tốn lực cản khí động tác động lên vật thể

43

Bảng 3.11: Thơng số kích thước mơ hình khảo sát

45

Bảng 3.12: Kết quả tính tốn lực cản khí động tác động lên vật thể

45

Bảng 4.1: Thơng số kích thước cơ bản của tàu

52

Bảng 4.2: Một số điều kiện tính mơ phỏng

53

vii


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong q trình vận tải đường thủy, để nâng cao hiệu quả khai thác tàu
có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phần lớn được thực hiện theo
phương pháp làm giảm tiêu hao nhiên liệu cần thiết cho tàu. Để giảm tiêu hao
nhiên liệu cho việc khai thác tàu thì giảm lực cản là một trong những biện
pháp hữu ích và mang lại nhiều lợi ích thiết thực nhất hiện nay. Vấn đề
nghiên cứu giảm lực cản, tiết kiệm nhiên liệu hiện đang được nhiều nhà
nghiên cứu, thiết kế và khai thác kinh doanh vận tải quan tâm. Từ nhu cầu đó,
tác giả lựa chọn vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng hình học đến đặc
tính khí động và giảm lực cản khí động tác dụng lên tàu container. Nghiên
cứu này nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu.

2. Lịch sử nghiên cứu
Trong vấn đề liên quan đến tính tốn lực cản nói chung, cũng như lực
cản khí động của tàu thủy nói riêng đã được nhiều tác giả trong, ngoài nước
quan tâm thực hiện nghiên cứu. Từ những năm về trước khi cơng cụ hỗ trợ
tính tốn chưa phát triển, thì việc tính tốn xác định lực cản tàu chủ yếu dựa
trên kết quả thực nghiệm mơ hình tàu. Trên cơ sở kết quả tổng hợp của rất
nhiều kết quả thử nghiệm khác nhau sẽ hình thành nên bộ tài liệu chun
dùng trong tính tốn và tra cứu lực cản tàu. Đến nay, với sự phát triển mạnh

của các cơng cụ, phương tiên hỗ trợ tính tốn số ra đời, tính tốn động lực học
chất lỏng CFD (Computation Fluid Dynamic) đã trở thành công cụ hữu dụng
trong việc ước lượng, dự đoán lực cản tác động lên tàu. CFD đã trở thành

1


công cụ phổ biến được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng làm cơng cụ hỗ trợ
nghiên cứu cho mình [1-25].
Úng dụng CFD trong nghiên cứu tính tốn giảm lực cản gió cho tàu chở
hàng là vấn đề hiện nay vẫn đang rất quan trọng cho các nhà khoa học [4-9].
Với mỗi loại tàu khác nhau, cần có các biện pháp kỹ thuật khác nhau để làm
giảm lực cản tác động lên tàu. Nghiên cứu giảm lực cản tác động lên tàu cũng
chính là nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả khai thác tàu. Đây chính là vấn
đề đặt ra cần giải quyết trong luận văn này.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề tài là phân tích, đánh giá ảnh hưởng của hình
dáng hình học đến đặc tính khí động học và ứng dụng trong việc giảm lực cản
khí động tác động lên thân tàu chở hàng. Thông qua các kết quả tính tốn mơ
phỏng, đề xuất một số giải pháp làm giảm lực cản khí động tác động lên tàu
nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu.
Đối tượng nghiên cứu là nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên
tàu chở hàng nhằm nâng cao hiệu quả khai thác tàu.
Do giới hạn về thời gian trong việc thực hiện tính tốn mơ phỏng số như
việc vẽ thiết kế hình dáng 3D thân tàu, cũng giới hạn về cấu hình máy tính cá
nhân, thời gian chờ kết quả chạy mô phỏng, trong luận văn này chỉ giới hạn
phạm vi nghiên cứu trên một thân tàu chở container nhất định và hạn chế một
số trường hợp cụ thể.
4. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Trong luận văn này được thực hiện bao gồm phần nghiên cứu tổng quan

về khí động học phần trên mặt nước của tàu thủy, thiết lập mơ hình tính tốn
đối với một số hình dáng vật thể 3D và của tàu chở container đã chọn, sau đó

2


sử dụng các bước giải một bài tốn mơ phỏng số CFD để giải quyết vấn đề
đặt ra. Cụ thể là, khi thiết lập xong mơ hình 3D tác giả đã sử dụng công cụ
chuyên dụng để chia lưới và cuối cùng là đưa vào phần mềm ANSYS
FLUENT để thiết lập các thông số, điều kiện biên để thực hiện chạy mô
phỏng số xác định phân bố vận tốc, áp suất và lực cản khí động tác động lên
tàu.
Trên cơ sở phân tích kết quả thu được từ việc tính mơ phỏng đặc tính khí
động học đối với một số hình dáng vật thể thơng dụng, tác giả thực hiện áp
dụng trong việc đề xuất một số thay đổi hình dáng cho thượng tầng tàu chở
container, sau đó sử dụng phần mềm chun dụng ANSYS FLUENT để mơ
phỏng q trình chuyển động của tàu tại tốc độ khai thác để xác định lực cản
cùng các đặc tính khí động của tàu sau khi đã thay đổi hình dáng theo đề xuất
và so sánh đánh giá kết quả đạt được.
Kết quả mô phỏng số đưa ra phân bố vận tốc, phân bố áp suất trên tàu
với hình dáng thượng tầng tàu khác nhau. Trên cơ sở phân tích kết quả thu
được, tác giả thực hiện việc so sánh, đánh giá kết quả thu được, từ đó đưa ra
những kết luận quan trọng, những lưu ý cho thiết kế khí động học của tàu.
5. Phương pháp nghiên cứu
Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý
thuyết truyền thống và mô phỏng số CFD. Đây là phương pháp nghiên cứu
phổ biến và hiện đại trên thế giới được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Từ lý
thuyết tác giả mơ hình hóa các mơ hình tính tốn, sau đó thực hiện việc chia
lưới, đặt điều kiện biên và chạy mô phỏng. Kết quả thu được từ mô phỏng số
được so sánh, phân tích cụ thể để đưa ra các kết luận cho vấn đề thực hiện.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1.

Tổng quan nghiên cứu trong và ngồi nước
Khí động lực học là lĩnh vực khoa học nghiên cứu về dịng chảy của chất

khí, được nghiên cứu đầu tiên bởi George Cayley vào thập niên 1800. "Khí
động học" là một nhánh của động lực học chất lỏng nghiên cứu chuyển động
của khơng khí, đặc biệt là khi nó tương tác với một đối tượng di chuyển. Khí
động học đã thường được sử dụng đồng nghĩa với khí động lực, với sự khác
biệt là khí động lực áp dụng đối với dịng chảy nén được. Tìm hiểu về sự
chuyển động của khơng khí xung quanh một đối tượng cho phép tính tốn các
lực, mơ men lực tác động lên đối tượng. Giải pháp cho các vấn đề khí động
lực học dẫn đến các tính tốn về tính chất khác nhau của dòng chảy, như vận
tốc, áp suất, mật độ và nhiệt độ, như là các hàm của khơng gian và thời gian.
Khi hiểu được các tính chất này của chất khí, người ta có thể tính tốn chính
xác hay xấp xỉ các lực và các mơmen lực lên hệ thống dịng chảy. Việc sử
dụng khí động học thơng qua phân tích tốn học, xấp xỉ thực nghiệm và gió
đường hầm thử nghiệm là cơ sở khoa học [1, 2, 3].
Khí động học có thể được chia thành hai loại như khí động học bên ngoại
biên và khí động học nội biên. Khí động học ngoại biên về cơ bản là nghiên
cứu về dòng chảy xung quanh các vật thể rắn hình dạng khác nhau. Đánh giá
thang máy, máy bay, dịng chảy của khơng khí qua một lưỡi tuabin gió hay
sóng xung kích hình thành ở phía trước mũi của một tên lửa là ví dụ về khí
động học ngoại biên. Khí động học nội biên bao gồm việc nghiên cứu các

luồng khơng khí thơng qua một động cơ phản lực hoặc thơng qua một đường
ống điều hịa khơng khí [1, 2, 3].
4


Khí động lực học cũng có thể được phân loại theo tỉ số vận tốc của dòng
chảy so với vận tốc âm thanh. Môn học được xem là dưới vận tốc âm thanh
nếu các vận tốc đều nhỏ hơn vận tốc âm. Khi vận tốc vượt trên vận tốc âm thì
được xếp vào vấn đề nghiên cứu siêu âm hay siêu thanh và cực siêu thanh nếu
vận tốc nhanh hơn vận tốc âm thanh nhiều lần [1].
Trong một số nghiên cứu gần đây đã cho thấy, hình dáng hình học có ảnh
hưởng lớn đến các đặc tính khí động học tác động lên vật thể chuyển động,
đặc biệt là các nghiên cứu đối với các phương tiện giao thông vận tải như tàu
thủy, ôtô, máy bay. Hầu hết các nghiên cứu này được thực hiện nhằm tối ưu
hình dáng khí động học cho các đối tượng nghiên cứu để đạt được mục đích
tối ưu đặt ra, tối ưu lực khí động, tối ưu xâm thực cánh hay siêu xâm thực
cánh. Một số tác giả nghiên cứu về vấn đề giảm lực cản khí động cho tàu chở
hàng có thể kể đến như nghiên cứu của nhóm tác giả K. Sugata cùng cộng sự
(2013), nhóm tác giả Ngơ Văn Hệ cùng cộng sự (2013), Mizutani cùng cộng
sự (2013), Ngô Văn Hệ cùng cộng sự (2014, 2015), Nguyễn Văn Cường cùng
cộng sự (2017) những nghiên cứu này tập trung nghiên cứu vấn đề ảnh hưởng
của hình dáng tàu hàng như thân tàu, thượng tầng tàu và bố trí chung trên tàu
đến việc giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu. Bằng các nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm các tác giả đã đưa ra được một số kết quả về giảm lực
cản gió tác động lên tàu thơng qua việc bố trí thượng tầng tàu trên boong và
đề xuất thượng tầng mới cho tàu có biên dạng khí động giảm lực cản [4-9].
Một số nghiên cứu khác thực hiện nghiên cứu liên quan đến vấn đề ảnh hưởng
của hình dáng thân vỏ đến các đặc tính khí động lực học như ô tô như nghiên
cứu của các tác giả Chainari cùng cộng sự (2008), Darko cùng cộng sự
(2010), các nghiên cứu này cho thấy rõ sự ảnh hưởng của hình dáng xe đến

lực khí động học bằng các biện pháp thay đổi hình dáng hình học của thân vỏ
xe có thể giúp cải thiện đặc tính khí động học cho xe [10, 11]. Một số nghiên
5


cứu khác của nhóm các tác giả như Lê Thị Thái (2013), Kishinami (2005),
Peter (2012) cùng cộng sự, tập trung nghiên cứu các vấn đề về ảnh hưởng của
biên dạng hình học cánh và tối ưu biên dạng cánh nhằm tối ưu lực đẩy cho
cánh quạt hay khảo sát các hiện tượng xâm thực cánh trong một số điều kiện
khảo sát của cánh nghiên cứu [12-14].
Trong nghiên cứu này, tác giả thực hiện việc khảo sát các đặc tính khí động
học của một số hình dạng hình học vật thể cơ bản nhằm đưa ra những cơ sở
hướng tới tối ưu hình dáng khí động học cho vật thể chuyển động. Từ những
kết quả đưa ra về cơ sở tối ưu hình dáng khí động học vật thể, tác giả thực
hiện việc ứng dụng để thực hiện cải thiện đặc tính khí động học thân tàu thủy
thơng qua q trình thay đổi hình dáng thân tàu hướng tới tối ưu hình dáng
khí động học thân tàu.
1.2 . Lực cản và các thành phần lực cản tàu thủy
Trong quá trình hoạt động, chuyển động của tàu phần trên mặt nước,
phần trong nước đều có các bề mặt vỏ tàu tiếp xúc với mơi trường bao quanh
nó. Mặt ướt vỏ tàu tiếp xúc với môi trường nước, phần trên mặt nước tiếp xúc
với khơng khí và bề mặt này chịu tác động của các lực do môi trường gây ra.
Lực cản của tàu trong thực tế không thể xác định hoặc đo lường một cách trực
tiếp mà thường việc tính tốn lực cản của tàu được thực hiện, thu thập số liệu
từ thử nghiệm trên các mơ hình tàu trong bể thử. Việc xác định lực cản của
tàu trong môi trường nước thường phân tích trên các thành phần lực cản độc
lập, sơ đồ các thành phần lực cản tàu được thể hiện trong bảng 1.1.

6

Bảng 1.1: Các thành phần lực cản tàu thủy
Lực cản toàn bộ RT
Lực cản bổ
sung RA

Lực cản vỏ tàu
Lực cản nhớt RV

Lực cản sóng RW

Lực cản ma sát Rf Lực cản hình dáng RP Lực cản sóng RW
Lực cản ma sát Rf Lực cản dư Rr
Lực cản ma sát RF xuất hiện do ảnh hưởng độ nhớt của chất lỏng gây
ma sát với vỏ tàu. Lực cản ma sát chiếm phần lớn tổng lực cản thân tàu,
khoảng 80÷90% lực cản nhớt và chiếm khoảng 50÷70% tổng lực cản tàu .
Nếu hình dáng tàu càng trơn, dễ thốt nước ảnh hưởng của của hình dáng thân
tàu càng nhỏ thì lực cản nhớt hầu như hoàn toàn là lực cản ma sát. Lực cản
ma sát chịu ảnh hưởng độ cong dọc và ngang thân tàu.
Lực cản hình dáng RV sinh ra bởi ảnh hưởng của lớp biên đối với quy
luật phân bố áp suất trên thân tàu, nó phụ thuộc vào các dạng tách lớp biên,
mà hiện tượng này lại ảnh hưởng bởi hình dáng thân tàu. Nếu hình dáng thân
tàu càng khó thốt nước thành phần lực cản này càng lớn.
Lực cản sóng Rw, khi tàu chuyển động trên mặt thống của chất lỏng
trọng lực sẽ sinh ra sóng, sóng đó sinh ra lực cản sóng. Lực cản sóng càng lớn
khi vận tốc tàu càng lớn.
Lực cản toàn bộ của tàu được xác định là tổng của lực cản ma sát RF và
lực cản dư Rr và các thành phần lực cản bổ sung:
RT = RF + Rr + RA

7

(1.1)


Trong nghiên cứu tính tốn lực cản tàu thủy, lực cản thân tàu còn được
phân chia thành 2 thành phần chủ yếu bao gồm: lực cản khí động tác động lên
phần thân tàu phía trên mặt nước Rair và thành phần lực cản ướt tác động lên
phân thân tàu tiếp xúc với nước bao gồm cả lực cản sóng Rwater.
RT = Rwater + Rair

(1.2)

Trong luận văn này tác giả tập trung nghiên cứu thành phần lực cản khí
động tác động lên phần thân tàu phía trên mặt nước Rair nhằm làm giảm thành
phần lực cản này tác động lên tàu.
Quá trình vận tải đường thủy, lực cản tác động lên tàu như trên đã đề cập
đến có thể phân chia thành 2 thành phần chính, một là xuất phát từ phần thân
tàu tiếp xúc với môi trường nước gây ra, hai là lực cản do phần thân tàu tiếp
xúc với khơng khí gây ra. Trong luận văn này, tác giả đề cập nghiên cứu lực
cản gió hay lực cản khí động tác động lên phân thân tàu phía trên mặt nước.
Thành phần lực cản này được gọi là lực cản khí động hay lực cản gió hay lực
cản khơng khí.
Lực này tác động vào tàu có phương bất kỳ phụ thuộc vào hướng gió và
có độ lớn phụ thuộc vào diện tích mặt hứng gió của tàu, hệ số cản khí động và
bình phương của vận tốc tuyệt đối giữa dịng khí và tàu.
Hệ số cản khí động phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng khí động, độ bóng
của bề mặt vỏ và các góc cạnh của thân tàu. Lực khí động ảnh hưởng lớn đến
chất lượng động lực học, an tồn trong q trình vận tải của tàu.
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động tác động lên tàu theo quan

điểm động lực học, người ta tách lực khí động thành 3 thành phần chính:
Thành phần có phương song song với bề mặt đường chính là lực cản gió. Đây
được coi là thành phần chính của lực khí động vì tàu chuyển động theo

8


phương này nên vận tốc tuyệt đối giữa dịng khí và tàu là lớn nhất. Đối với
thượng tầng tàu có sự hạ thấp đột ngột phía sau sẽ tạo xốy lốc cho dịng khí
và làm tăng hệ số cản khơng khí và sẽ có hệ số cản khơng khí lớn hơn so với
các hình dáng thượng tầng khác. Về nguyên tắc này, các nhà thiết kế sẽ tiến
tới việc thiết kế để biên dạng tàu có hình dáng khí động nhất có thể.
Thành phần lực có phương vng góc với mặt thoáng sẽ tạo lực nâng
nếu hướng của lực lên phía trên. Điều này làm giảm chiều chìm cho tàu gây ra
lắc dọc tàu nếu lực không ổn định. Lực theo phương này phụ thuộc khá nhiều
vào bề mặt của phần than tàu tiếp xúc với nước.
Thành phần lực có phương ngang sẽ gây mất ổn định hướng cho tàu.
Thành phần lực này thường là nhỏ nhất do tính đối xứng của tàu, trừ khi
chúng ta đi vào vùng giông bão hay góc hướng gió thay đổi.
Trong nghiên cứu tính tốn lực cản và các thành phần lực khí động khác
tác động lên tàu, người ta thường dùng công thức tính tốn như sau:

9


vận tải là rất lớn chính vì vậy giảm được một phần trong tổng số rất lớn lượng
nhiên liệu tiêu hao thường xuyên này sẽ giúp các nhà kinh doanh vận tải khai
thác tàu thu được một nguồn lợi nhuận khổng lồ. Hình 1.1 thể hiện sơ đồ một
số biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu đã được sử dụng trong việc
giảm lực cản, giảm tiêu hao nhiên liệu, nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác

vận tải tàu.

Hình 1.1: Một số biện pháp giảm lực cản, giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu

Trong quá trình khai thác tàu, lượng tiêu hao nhiên liệu cho tàu hầu hết
sử dụng cho thiết bị đẩy tàu sinh công thắng lực cản thân tàu. Các thành phần
lực cản tác động lên tàu như trên đã phân tích bao gồm lực cản khơng khí, lực
cản nhớt và lực cản sóng tác động lên tàu. Do vậy, việc nghiên cứu giảm các
thành phần lực cản trên có ý nghĩa lớn trong việc giảm tiêu hao nhiên liệu từ
10


đó giảm được chi phí vận tải hàng hóa, nâng cao hiệu quả khai thác của tàu,
đồng thời giúp giảm lượng khí thải ra mơi trường. Trong nghiên cứu giảm
lực cản cho tàu thường các nhà nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc giảm
lực cản ma sát, lực cản nhớt và lực cản sóng tác động lên tàu. Trong tổng số
các thành phần lực cản tác động lên tàu thì lực cản ma sát nhớt chiếm phần
lớn trong tổng lực cản của tàu. Đối với những vật chìm hồn tồn, hầu như
chỉ có lực cản nhớt tác động lên nó. Do vậy, việc tìm các biện pháp giảm lực
cản nhớt là vấn đề khá quan trọng đặt ra cho các nhà nghiên cứu. Đối với các
vật thể dễ thoát nước chú ý đến việc giảm lực cản ma sát vì thành phần lực
cản hình dáng khơng lớn. Cịn đối với các vật thể khó thốt nước phải giảm
lực cản hình dáng. Để giảm lực cản nhớt phải giảm độ nhám chung và độ
nhám cục bộ, đặc biệt là độ nhám do việc quét sơn, phòng chống rêu hà bám
và độ ăn mòn, áp dụng các dạng tàu tránh hiện tượng tách lớp biên. Một số
biện pháp công nghệ giảm lực cản đang được nghiên cứu và áp dụng hiện nay
trên tàu như sau:
- Làm sạch vỏ tàu: biện pháp này có thể áp dụng cho tất cả các loại tàu bất kể
kiểu loại, kích thước và cơng dụng khai thác. Ngay sau khi xuất xưởng, vỏ tàu
và các phần khác cần được giữ sạch. Tuy nhiên theo thời gian, các bộ phận

này sẽ bị bám bẩn do tảo, hàu và các lồi khác làm cho tàu khó khăn khi chạy
ở tốc độ định trước do gia tăng lực cản ma sát và làm tăng lượng tiêu hao
nhiên liệu. Việc làm sạch định kỳ sẽ cải thiện được tình trạng này, nếu như
không thể đưa tàu lên triền đà hoặc vào ụ thường xuyên, việc làm sạch chân
vịt bằng thợ lặn cũng tỏ ra có hiệu quả nhất định.

11


Hình 1.2: Phương pháp làm sạch vỏ tàu giảm lực cản
- Sử dụng vật liệu phủ Polyme: bề mặt vỏ tàu được phun phủ một lớp mỏng
Polyme để giảm lực cản của tàu. Trong suốt ba thập kỷ qua rất nhiều bài báo
trình bày nghiên cứu về sử dụng Polyme trong việc lực cản tàu, các nghiên
cứu chỉ ra rằng các phân tử Polime bị kéo căng trong lớp biên rối bởi dòng
chảy kết quả làm tăng độ nhớt cục bộ đã làm giảm lực cản chung trên toàn bộ
bề mặt vỏ tàu, những nghiên cứu gần đây đã cho thấy các phân tử Polyme cịn
có tác động vào sự phân bố xốy trong dịng chảy từ đó làm giảm độ rối trong
dòng chảy.

12


Hình 1.3: Bọc composite cho vỏ tàu gỗ giúp giảm lực cản nhớt
- Bơi trơn bọt khí: phun bọt khí, tạo khoang khí và tạo lớp màng khí là ba
cách thức của phương pháp bơi trơn bọt khí bằng cách phun khí tạo lớp phủ
khơng thấm nước. Cả ba phương pháp đều đã chứng mình là có khả năng
giảm một lượng lực cản cho tàu một cách hiệu quả. Hiệu quả giảm lực cản
trong vấn đề này là công suất đẩy tàu đã giảm nhiều hơn so với công suất của
hệ thống cấp khí. Qua các thử nghiệm phương pháp này cho việc giảm lực
cản đạt trên 5%, phương pháp này rất có tiềm năng trong việc giảm cơng suất

của động cơ hoặc có thể nâng cao vận tốc cho tàu với công suất không đổi. Sử
dụng biện pháp tạo khoang khí phù hợp với các tàu chạy với một tốc độ ít
thay đổi, vì biện pháp này đạt hiệu quả cao nhất ở một phạm vi vận tốc rất
hẹp. Phương pháp này đã được áp dụng nhiều tại một số tập đồn cơng nghiệp
đóng tàu lớn tại Nhật bản. Hình ảnh dưới đây thể hiện một số hình ảnh ứng
dụng của phương pháp này trên tàu.

13


Hình 1.4: Phương pháp phun bọt khí giảm lực cản cho tàu

- Cải tiến hình dáng tàu: Những tàu béo lực cản hình dáng sinh ra do hiện
tượng tách lớp biên ở phần đuôi tàu và thành phần lực cản này đóng vai trị
chính trong lực cản nhớt. Để giảm bớt chiều dài phần tách biên người ta có
thể dùng cánh có dộ dang bé và đặt nó vng góc với vỏ bao phía trước vùng
dự kiến tách lớp biên. Phương pháp này có nhiều cách thực hiện khác nhau,
tuy nhiên cần thiết phải có tính tốn nghiên cứu thử nghiệm cụ thể.
14


Hình 1.5: Tối ưu hình dáng mũi tàu giảm lực cản sóng
- Giảm lực cản sóng: Lực cản sóng RW của tàu chủ yếu phụ thuộc vào số
Froude và hình dáng thân tàu. Việc giảm số Froude không phải là giảm lực
cản sóng theo hướng tích cực, tuy nhiên nhiều trường hợp khi giảm số Froude
có thể đạt ưu thế về lực cản sóng và đưa chuyển động vào vùng tốc độ có lợi.
Việc tính tốn giảm lực cản sóng cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau
như hình dáng, loại tàu, điều kiện sóng nghiên cứu. Việc thay đổi số Fr theo
hướng có lợi khi giữ nguyên tốc độ chuyển động bằng cách thay đổi chiều dài
tàu. Việc giảm đột ngột hoặc triệt tiêu hoàn toàn lực cản sóng khi đưa chuyển

động vào số Fr > 1.0, các chế độ này là chế độ nổi tĩnh bằng chế độ lướt, hay
nói cách khác là dùng tàu cánh ngầm hoặc tàu đệm khí. Một cách khác để
giảm lực cản sóng ta dùng thiết bị giao thoa: mũi quả lê. Hiện nay chủ yếu là
các tàu vận tải cỡ lớn như tàu hàng, tàu dầu… sử dụng mũi quả lê, các tàu cá
đa số là kích thước nhỏ nên số lượng tàu cá lắp mũi quả lê là rất ít, một số
15


nước có nghề ca phát triển như Nhật Bản, Hàn Quốc… đã sử dụng mũi tàu
quả lê trên tàu cá nhằm cải thiện đặc tính thủy động lực học cho tàu.

Hình 1.6: Tàu cá mũi quả lê ở Nhật Bản
Ngồi ra còn một số phương pháp khác giúp giảm cản cho tàu, giảm
tiêu hao nhiên liệu cho tàu như cải thiện hệ thống thiết bị đảy tàu, cải thiện hệ
thống động lực cho tàu cũng như một số biện pháp liên quan đến nhiên liệu,
khí thải và khai thác tàu tối ưu khác. Trong luận văn này tác giả chỉ tập chung
nghiên cứu vấn đề liên quan đến ảnh hưởng hình dáng thân, thượng tầng tàu
đến đặc tính khí động học và giảm lực cản khí động cho tàu.
1.4. Kết luận chương 1
Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu tính tốn lực cản gió
tác động lên tàu trong điều kiện khai thác tàu cụ thể. Trong chương này, tác
giả đã tổng quan được một số nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến
đề tài của luận văn, đồng thời đã chỉ ra có rất nhiều biện pháp giúp giảm lực
cản cho thân tàu nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và nâng cao hiệu quả khai
thác tàu. Đây là những cơ sở cần thiết cho quá trình nghiên cứu thiết kế và tối
ưu tàu nói chung. Mỗi phương pháp áp dụng cụ thể có thể mang lại lợi ích
khác nhau, tuy nhiên cần thiết phải có sự tính tốn nghiên cứu cụ thể để áp
dụng cho tàu phù hợp hơn. Trong luận văn này chỉ giới hạn phương pháp cải
thiện hình dáng thân tàu để giảm lực cản khí động tác động lên phần thân tàu
phía trên mặt nước cho tàu trong điều kiện khai thác tàu cụ thể.

16