Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tính sức cản cho mẫu tàu cá việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH SỨC CẢN CHO
MẪU TÀU CÁ VIỆT NAM

Giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Mã số sinh viên:

TS. Huỳnh Lê Hồng Thái
Đặng Văn Tâm
57132318

Khánh Hòa - 2019
1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
________________________

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH SỨC CẢN CHO
MẪU TÀU CÁ VIỆT NAM

GVHD:
SVTH:
MSSV:

TS. Huỳnh Lê Hồng Thái
Đặng Văn Tâm
57132318

Khánh Hòa – Tháng 6/2019
2


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Khoa/Viện: Kỹ thuật Giao thông.
PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài: Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tính sức cản cho tàu cá Việt Nam.
Chuyên ngành: Kỹ thuật tàu thủy.
Họ và tên sinh viên: Đặng Văn Tâm

Mã sinh viên: 57132318.

Người hướng dẫn : TS. Huỳnh Lê Hồng Thái.
Cơ quan công tác: Khoa Kỹ thuật Giao thông.
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

Mơ tả mức chất lượng
Giỏi

Khá

9 - 10

7-8

Đạt yêu cầu Không đạt Điểm
5-6

<5

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: 
Khơng được bảo vệ: 
Khánh Hịa, ngày…….tháng…….năm………
Cán bộ hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)
i


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Khoa: Kỹ thuật Giao thông.
PHIẾU CHẤM ĐIỂM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài: Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tính sức cản cho tàu cá Việt Nam.
Chuyên ngành: Kỹ thuật tàu thủy.
Họ và tên sinh viên: Đặng Văn Tâm

Mã sinh viên: 57132318.

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

Mơ tả mức chất lượng
Giỏi

Khá

9 - 10

7-8

Đạt yêu cầu Không đạt Điểm
5-6

<5

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)

ii


II. Phần nhận xét cụ thể (dựa theo phiếu chấm điểm và khung tiêu chí đánh giá theo
Rubric)
II.1. Hình thức thuyết minh (tỉ trọng 30%)
* Trình bày (Rõ ràng, mạch lạc? Biểu bảng, hình vẽ trình bày rõ ràng, đúng quy cách?…)
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
* Bố cục và lập luận (Bố cục hợp lý? Tỉ trọng giữa các phần? Cơ sở lập luận?...)
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
* Văn phong (Gọn gàng, súc tích hay rườm rà, khó hiểu? Lỗi văn phạm và chính tả?…)
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
II.2. Nội dung thuyết minh (tỉ trọng 30%)
* Mục tiêu nghiên cứu (Trình bày rõ ràng? Ý nghĩa khoa học và thực tiễn? Tính khả thi?...)
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
* Tổng quan tài liệu (Phân tích và đánh giá? Độ tin cậy và chất lượng nguồn tài liệu?…)
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
* Phương pháp nghiên cứu (Hiện đại? Phù hợp với mục tiêu và nội dung nghiên cứu? Mô tả?
Đánh giá và so sánh với các phương pháp khác?…)
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
II.3. Kết quả nghiên cứu (tỉ trọng 20%)

* Kết quả đạt được (Độ tin cậy? Tính sáng tạo? Giá trị khoa học và thực tiễn?...)
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
* Kết luận (Đáp ứng mục tiêu nghiên cứu? Quan điểm của cá nhân? ...)
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
4. MỨC ĐỘ TRÍCH DẪN VÀ SAO CHÉP (tỉ trọng 20%)
* Mức độ trích dẫn (Đúng quy định? Trung thực, đầy đủ, rõ ràng?Sắp xếp tài liệu tham
khảo?...)
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
* Mức độ sao chép (Tỉ lệ sao chép? Hình thức sao chép?...)
…………………………………………………………………………………………………
iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là phần nghiên cứu và thể hiện đồ án tốt nghiệp của riêng
tôi, không sao chép các đồ án khác. Các số liệu và kết quả tính tốn được nêu trong đồ
án là trung thực. Nếu không đúng như trên tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về đề tài
của bản thân.
Người cam đoan

i


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tơi đã nhận được sự giúp đỡ của q Phịng,
Ban Trường Đại học Nha Trang đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành đồ án
tốt nghiệp. Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tâm của Thầy TS. Huỳnh Lê Hồng Thái. Qua

đây, 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.
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ
trong suốt q trình học tập, nghiên cứu thực hiện đồ án.
Tơi xin chân thành cảm ơn!

ii


MỤC LỤC
Đề mục

Trang

Lời cam đoan .................................................................................................................... i
Lời cảm ơn .......................................................................................................................ii
Mục lục .......................................................................................................................... iii
Danh mục hình................................................................................................................ vi
Danh mục bảng ............................................................................................................ xiii
Danh mục chữ viết tắt ..................................................................................................... ix

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .............................................................. 1
1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .................................................................................... 1
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC ............................ 1
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước ............................................................. 1
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .............................................................. 2
1.3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU .................................. 2
1.3.1 Mục tiêu của đề tài .................................................................................... 2

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 2
1.3.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ................................................................. 2
1.3.4 Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 3

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 4
2.1 Sức cản vỏ tàu thủy ........................................................................................... 4
2.1.1 Khái nhiệm chung về sức cản.................................................................... 4
2.1.2 Các thành phần sức cản ............................................................................. 5
2.1.2.1 Sức cản ma sát .................................................................................... 5
2.1.2.2 Sức cản áp suất ................................................................................... 9
2.1.2.3 Các thành phần sức cản phụ khác .................................................... 11
2.2 Các phương pháp tính sức cản ........................................................................ 12
2.2.1 Phương pháp giải tích .............................................................................. 12
2.2.2 Phương pháp thử nghiệm mơ hình .......................................................... 13
2.2.3 Phương pháp thử kéo mơ hình thật ......................................................... 13
2.2.4 Phương pháp thử tốc độ........................................................................... 14
2.2.5 Phương pháp gần đúng ............................................................................ 14
2.3 Các phương pháp tính gần đúng sức cản tàu cá.............................................. 14
iii


2.3.1 Công thức Võ Văn Trác .......................................................................... 14
2.3.2 Công thức Oortsmesena .......................................................................... 16
2.3.3 Công thức Holtrop ................................................................................... 19
2.3.4 Công thức viện thiết kế Leningrad .......................................................... 22
2.3.5 Công thức Papmeil .................................................................................. 23
2.4 Cơ sở lý thuyết CFD ....................................................................................... 24
2.5 Phần mềm XFLOW ........................................................................................ 26
2.5.1 Giới thiệu chung ...................................................................................... 26
2.5.2 Các phương trình chủ đạo trong Xflow ................................................... 26

2.5.3 Lý thuyết điều kiện biên (Boundary Conditions) .................................... 29
Chương 3. TÍNH SỨC CẢN CHO TÀU CÁ Ở VIỆT NAM ................................... 33
3.1 Giới thiệu về tàu được tính tốn ..................................................................... 33
3.1.1 Giới thiệu các thơng số chính của tàu ..................................................... 33
3.1.2 Số liệu sức cản chạy thử tại Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy............... 34
3.2 Kết quả tính tốn ............................................................................................. 35
3.2.1 Kết quả tính theo cơng thức tính sức của Võ Văn Trác .......................... 35
3.2.2 Kết quả tính theo cơng thức Oortsmesana............................................... 37
3.2.3 Kết quả tính theo cơng thức Holtrop ....................................................... 40
3.2.4 Kết quả tính theo cơng thức Viện thiết kế Leningrad ............................. 43
3.2.5 Kết quả tính theo cơng thức Papmeil ...................................................... 44
3.2.6 Kết quả tính bằng phần mềm Maxsurf .................................................... 45
3.2.6.1 Xây dựng mơ hình tàu khảo sát trong phần mềm Maxsurf.............. 45
3.2.6.2 Nhập mơ hình và thiết lập điều kiện tính tốn ................................. 45
3.2.6.3 Tính sức cản bằng Maxsurf Resistance............................................ 46
3.2.6.4 Kết quả từ phần mềm ....................................................................... 47
3.2.7 Tính sức cản bằng phần mềm Xflow....................................................... 48
3.2.6.1 Lựa chọn tỷ lệ xây dựng mơ hình .................................................... 48
3.2.6.2 Xây dựng mơ hình tàu khảo sát trong Xflow ................................... 49
3.2.6.3 Xác định miền tính toán ................................................................... 49
3.2.6.4 Thiết lập điều kiện biên, hệ số dịng rối ........................................... 50
3.2.6.5 Xuất kết quả tính tốn bằng phần mềm Xflow ................................ 53
3.3 So sánh các phương pháp tính sức cản cho tàu cá ở Việt Nam ...................... 54
iv


Chương 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN ...................................................... 59
4.1 Kết luận ........................................................................................................... 59
4.2 Đề xuất ý kiên ................................................................................................. 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 61

PHỤ LỤC

................................................................................................................. 62

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Mơ hình lực của mơi trường nước tác dụng lên tàu đang chuyển động ........... 4
Hình 2.2 Sự phân bố khu vực xung quanh bề mặt tàu .................................................... 6
Hình 2.3 Thử nghiệm kéo tấm phẳng trong dịng chất lỏng lý tưởng ............................. 6
Hình 2.4 Thử nghiệm kéo tấm phẳng trong dịng chất lỏng thực ................................... 7
Hình 2.5 Hiện tượng lưu tuyến của dòng chất lỏng xung quanh bề mặt vỏ tàu .............. 9
Hình 2.6 Sức cản hình dạng ............................................................................................ 9
Hình 2.7 Các hệ thống sóng xung quanh tàu khi chuyển động ..................................... 10
Hình 2.8 Đồ thị Papmeil tính cơng suất kéo của tàu ..................................................... 23
Hình 2.9 Hình mơ phỏng chuyển động của tàu bằng Xflow ......................................... 26
Hình 2.10 Nút mạng điển hình của mơ hình D2Q9....................................................... 27
Hình 2.11 Minh họa hướng chuyển động của nút lưới.................................................. 28
Hình 2.12 Điều kiện biên kiểu Inlet cho Vận tốc .......................................................... 30
Hình 2.13 Điều kiện biên kiểu Inlet cho Lưu lượng dịng lưu chất .............................. 31
Hình 2.14 Điều kiện biên kiểu Outlet cho Vận tốc và Lưu lượng dòng lưu chất ......... 31
Hình 3.1 Mơ hình 3D vỏ tàu .......................................................................................... 33
Hình 3.2 Đồ thị mối quan hệ số vịng quay (vịng/phút) và cơng suất của máy chính . 35
Hình 3.3 Đồ thị sức cản tính theo Cơng thức Võ Văn Trác .......................................... 37
Hình 3.4 Đồ thị sức cản tính theo cơng thức Oortsmesena ........................................... 38
Hình 3.5 Đồ thị sức cản tính theo cơng thức Holtrop ................................................... 43
Hình 3.6 Đồ thị sức cản tính theo cơng thức Viện thiết kế Leningrad .......................... 44
Hình 3.7 Giao diện phần mềm sau khi Import mơ hình ................................................ 45
Hình 3.8 Thiết lập đơn vị trong phần mềm Maxsurf ..................................................... 45

Hình 3.9 Thiết lập mớn nước, trụ mũi, trụ lái cho mơ hình tàu .................................... 46
Hình 3.10 Giao diện mơ hình 3D trong Maxsurf Resistace .......................................... 46
Hình 3.11 Đồ thị sức cản bằng phần mềm Maxsurf ...................................................... 47
Hình 3.12 Mơ hình tàu 3D trong phần mềm XFlow ..................................................... 49
Hình 3.13 Xác định miền tính tốn ............................................................................... 50
Hình 3.14 Thiết lập mơi trường mơ phỏng .................................................................... 50
Hình 3.15 Thiết lập điều kiện biên ................................................................................ 51
vi


Hình 3.16 Thiết lập điều kiện biên Inlet của bài tốn ................................................... 52
Hình 3.17 Thiết lập mơ hình tính tốn .......................................................................... 53
Hình 3.18 Đồ thị so sánh sức cản tính theo các công thức ............................................ 56

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Ảnh hưởng của độ cong bề mặt vỏ tàu theo tỷ số L/B..................................... 8
Bảng 2.2 Các giá trị hệ số ∆Cbm ................................................................................... 8
Bảng 2.3 Phạm vi sử dụng công thức Võ Văn Trác ...................................................... 14
Bảng 2.4 Hệ số sức cản phụ .......................................................................................... 17
Bảng 2.5 Các giá trị hệ số di,j......................................................................................... 18
Bảng 2.6 Giá trị xấp xỉ của 1+k2 ................................................................................... 20
Bảng 2.7 x là hệ số ảnh hưởng phần nhô ra của tàu ...................................................... 23
Bảng 3.1 Giá trị chạy thử tàu......................................................................................... 34
Bảng 3.2 Số liệu sức cản chạy thử tại Viện Nghiên cứu chết tạo tàu thủy ................... 35
Bảng 3.3 Tính sức cản bằng cơng thức Võ Văn Trác ................................................... 36
Bảng 3.4 Kết quả tính tốn sức cản theo công thức Oortsmesena ................................ 39
Bảng 3.5 Giá trị hệ số 1+k2 và diện tích ........................................................................ 41

Bảng 3.6 Kết quả tính sức cản theo cơng thức Holtrop................................................. 42
Bảng 3.7 Kết quả tính sức cản theo cơng thức Viện thiết kế Leningrad ....................... 43
Bảng 3.8 Kết quả sức cản bằng phần mềm Maxsurf ..................................................... 47
Bảng 3.9 Vận tốc quy đổi và lưu lượng được sử dụng trong phần mềm Xflow ........... 48
Bảng 3.10 Kết quả tính sức cản theo phần mềm Xflow ................................................ 54
Bảng 3.11 Sức cản của tàu R tính theo nhiều phương pháp .......................................... 55
Bảng 3.12 Sai số giữa các công thức và số liệu chạy thử (%) ...................................... 57

viii


DANH MỤC CHŨ VIẾT TẮT
CM – hệ số mặt cắt ngang
Cb – hệ số béo thể tích
Cwp – hệ số đường nước
Cp – hệ số lăng trụ dọc
L – chiều dài đường nước thiết kế
T – chiều chìm trung bình
B – chiều rộng thiết kế
ABT – diện tích mặt cắt ngang mũi quả lê
LCB – hoành độ tâm nổi
V – thể tích của tàu
D – Lượng chiếm nước của tàu
Fn – Số Froude
Re – Số Reynold
R – là lực cản toàn phần của tàu
RF, Rms – là sức cản ma sát của tàu
Rn – sức cản của môi trường nước
Rt – sức cản vỏ tàu.
Rkk – Sức cản của môi trường khơng khí

Rph – Sức cản của các thành phần phụ.
Rp – Sức cản áp suất.
Rhd – Sức cản hình dạng
Rss – Sức cản sinh sóng
RW – Sức cản sóng
RAPP – Sức cản bổ sung.
RTR – Sức cản bổ sung do vách đuôi ngập nước
RA – Sức cản do sự sai khác giữa tàu và mơ hình.
CF, ζ – Hệ số ma sát của tàu.
 - hệ số độ nhớt động học của chất lỏng.
S – diện tích mặt ướt.
ix


CFD - Computational Fluid Dynamics (Tính tốn động lực học lưu chất).

x


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hiện nay có nhiều phương pháp tính sức cản như phương pháp giải tích, phương
pháp thử nghiệm mơ hình, phương pháp thử kéo tàu thật, phương pháp phân tích kết quả
thử tốc độ và phương pháp tính theo cơng thức gần đúng. Trong điều kiện kinh tế hiện
nay, việc xây dựng bể thử mơ hình hay thử nghiệm tàu thực là rất khó khăn, các cơng
thức tính sức cản theo phương pháp giải tích vẫn cần đang được thiết lập. Trong khi đó
các cơng thức gần đúng hầu hết được xây dựng từ kết quả thử mơ hình hoặc từ số liệu
thống kê từ các tàu nước ngoài, mặt khác tàu đánh cá lại có sự thay đổi rất lớn về mặt
hình dáng nên khi áp dụng rất khó đánh giá mức độ chính xác của từng cơng thức. Vì
vậy, việc xây dựng lựa chọn cơng thức tính gần đúng sức cản tàu đánh cá của Việt Nam

để từ đó lựa chọn được cơng thức tối ưu, phù hợp với tàu đánh cá là cần thiết. Việc xác
định sức cản lại gặp phải nhiều khó khăn, đối với tàu cá thì có các cơng thức tính cụ thể
như Võ Văn Trác, Oortsmesena, Holtrop, Viện thiết kế Leningrad, Papmiel. Các cơng
thức khác nhau sẽ cho ra kết quả tính tốn khác nhau, vì vậy cần phải tìm ra cơng thức
nào có kết quả gần với thực tế nhất.
Và việc áp dụng các phần mềm chuyên dụng để tính sức cản để giảm thời gian
nghiên cứu và tăng độ chính xác cao, và việc áp dụng cho tàu cá ở Việt Nam là khơng
ngoại lệ. Có thể kể đến các phần mềm tính sức cản như Maxsurf, Xflow...
Tóm lại, từ những yêu cầu và vấn đề phân tích ở phần tổng quan trên tôi đã thực
hiện đề tài “Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tính sức cản phù hợp cho mẫu tàu cá
Việt Nam”.
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Trên thế giới có rất nhiều những tài liệu, đề tài nghiên cứu nói về vấn đề sức cản
BarhamH., Lee, R., Application of Waterjet Propulsion to High-Performance Boats,
Hovercraft and Hydrofoil 1976..., đồng thời cũng có nhiều những phần mềm tính như
Autoship, Navcad... Tuy nhiên bài tồn tính sức cản là một bài tốn khó, phức tạp, do
phụ thuộc vào các yếu tố như: vận tốc tàu, mơi trường hoạt động, đặc điểm hình học vỏ
tàu... Chính vì đặc điểm này nên các nhà khoa học ln đi tìm cách nghiên cứu và xác
định nó.
1


1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Tại trường Đại học Nha Trang, Khoa Kỹ thuật Giao thông, ngành Kỹ thuật tàu
thủy đã có nhiều cơng trình nghiên cứu, đề tài tính tốn sức cản cho tàu cá như: Đặng
Văn Duyệt (2006) đồ án tốt nghiệp “Xây dựng cơng thức tính sức cản tàu cá Việt Nam
bằng phương pháp phân tích hồi quy theo số liệu thực nghiệm của FAO”, Lưu Đình Hải
(2006) đồ án tốt nghiệp “Lập trình tính tốn sức cản tàu đánh cá theo một số công thức
gần đúng thơng dụng”, Lê Văn Tồn (2017) luận án tiến sĩ “Ứng dụng CFD

(Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản một số mẫu tàu cá vỏ gỗ Việt Nam”
Đối với nghiên cứu tính sức cản tàu cá ở Việt Nam thì có nhiều đề tài, cơng trình
nghiên cứu như đã nêu trên. Mỗi đề tài đều có ưu điểm cao như lập trình tính tốn giúp
giảm thời gian tính tốn nhưng người sử dụng phải biết những thuật toán, am hiểu về
máy tính để sử dụng.
1.3 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP, GIỚI HẠN VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1.3.1 Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là lựa chọn được phương pháp tính sức cản hợp lý áp dụng với
tàu cá ở Việt Nam.
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết được trang bị tại Trường Đại học
Nha Trang, kết hợp với kết quả sức cản chạy thử tàu mẫu tại Viện nghiên cứu chế tạo
tàu thủy Đại học Nha Trang:
+ Phương pháp đọc và tìm hiểu tài liệu.
+ Phương pháp tính tốn và so sánh, đánh giá kết quả so với kết quả chạy thử
nghiệm.
1.3.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
1.3.3.1 Đối tượng nghiên cứu
Các phương pháp tính sức cản cho mẫu tàu cá vỏ Composite.
1.3.3.2 Phạm vi nghiên cứu
Trong thời gian cho phép tôi sẽ nghiên cứu một số phương pháp tính tốn sức
cản tàu cá vỏ Composite cụ thể như sau:
-

Tính tốn theo Cơng thức tính sức cản tàu cá Việt Nam của Võ Văn Trác.

-

Tính tốn theo Cơng thức viện thiết kế Leningrad.

-

Cơng thức tính sức cản Holtrop.
2


-

Cơng thức tính sức cản Oortmerseen.

-

Cơng thức tính sức cản Papmeil.

-

Ứng dụng phần mềm Maxsurf để tính sức cản.

-

Ứng dụng CFD để tính sức cản.

1.3.4 Nội dung nghiên cứu.
Với đề tài nghiên cứu và hướng giải quyết đã được nêu trong mục tổng quan, đề
tài bao gồm những nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan về đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 3: Tính sức cản cho tàu cá Việt Nam.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị.

3


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 SỨC CẢN VỎ TÀU THỦY
2.1.1 Khái niệm chung về sức cản
Khi tàu chuyển động trên mặt nước, thân tàu phải tiếp xúc với môi trường bao
quanh nó nghĩa là thân tàu chịu tác dụng của phản lực khơng khí và nước. Mặt ướt của
vỏ tàu tiếp xúc với phần nước, phần trên mớn nước tiếp xúc với khơng khí và bề mặt
này chịu tác dụng của các lực ở môi trường gây ra, và một số sức cản phụ do các thiết
bị như chân vịt, bánh lái... sinh ra các lực dòng trái chiều với chuyển động của thân tàu.
Tổng của các sức cản nói trên theo hướng chuyển động tàu được gọi chung là sức cản
tàu thủy R xác định theo biểu thức tổng quát:
R= Rn +Rkk + Rph

(2.1)

Trong đó:
Rn: sức cản của mơi trường nước
Rkk: sức cản của mơi trường khơng khí
Rph: thành phần sức cản phụ do các thiết bị như chân vịt, bánh lái,... gây
ra
Sức cản mơi trường nước có vai trò, ý nghĩa quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến
tốc độ cũng như các tính năng khác của tàu khi chuyển động
Để tìm hiểu bản chất của sức cản mơi trường nước, tách trên diện tích bề mặt vỏ
tàu dưới nước S cịn gọi là diện tích mặt ướt tàu, một phân tố diện tích dS, có thể nhận
thấy trên bề mặt phân tố diện tích này sẽ chịu tác dụng của một sức cản nước.(Hình 2.1)
-

Thành phần lực pháp tuyến tác dụng theo hướng vng góc với phân tố diện tích
dS, hình thành nên lực áp suất p.

-

Thành phần lực tiếp tuyến tác dụng theo hướng tiếp tuyến với phân tố diện tích
dS, hình thành nên lực ma sát τ.

Hình 2.1. Mơ hình lực của mơi trường nước tác dụng lên tàu đang chuyển
động[1].
4


Chiếu tất cả phân tố lực ma sát τ nói trên lên trục Ox trùng với hường chuyển
động tàu và lấy tích phân tồn bộ diện tích bề mặt vỏ tàu dưới nước, cịn gọi là diện tích
mặt ước tàu S, nhận được biểu thức tính sức cản ma sát RF dưới dạng tổng quát như sau:
𝑅𝐹 = ∫𝑆 𝜏 cos(𝜏, 𝑥) 𝑑𝑆

(2.2)

Bằng cách tương tự ta cũng nhận được biểu thức tính sức cản áp suất của tàu Rp dưới
dạng:
𝑅𝑝 = ∫𝑆 𝑝𝑐𝑜𝑠(𝑝, 𝑠)𝑑𝑆

(2.3)

Từ đó có biểu thức xác định sức cản môi trường nước đối với chuyển động của tàu:
𝑅𝑛 = 𝑅𝐹 + 𝑅𝑝 = ∫𝑆[𝜏 cos(𝜏, 𝑥) + 𝑝𝑐𝑜𝑠(𝑝, 𝑥)]𝑑𝑆

(2.4)

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, tùy theo nguyên nhân xuất hiện và bản chất
vật lý sức cản áp suất chia thành hai thành phần là sức cản hình dạng Rhd và sức cản sinh
sóng Rss. Tóm lại, sức cản của môi trường nước đối với chuyển động của tàu gồm các
thành phần:
Rn = Rms + Rhd + Rss

(2.5)

2.1.2 Các thành phần sức cản
Sức cản toàn phần của tàu được tổng quát hình dung qua các thành phần sức cản
như sau:
R=Rms + Rp + Rph = Rms + (Rhd + Rss) + (Rpl + Rkk + Rph/s)
Trong đó:
R là sức cản tồn phần
Rms là sức cản ma sát
Rp là sức cản áp suất
Rph là sức cản phụ
Rhd là sức cản hình dáng
Rss là sức cản sinh sóng
Rpl là sức cản phần lồi
Rkk là sức cản khơng khí
Rph/s là sức cản phụ khi chuyển động trên sóng
2.1.2.1 Sức cản ma sát
 Bản chất của sức cản ma sát

5

(2.6)

Sức cản ma sát xuất hiện do độ nhớt chất lỏng gây ra giữa lớp chất lỏng bề mặt vỏ tàu
và qua các lớp chất lỏng với nhau.
Theo lý thuyết về cơ chất lỏng, xung quanh bề mặt được chia làm ba vùng chính
Vùng I- vùng lớp biên: vùng này chịu ảnh hưởng chủ yếu của độ nhớt và độ rối
dòng. Các đặc điểm về sự thay đổi sức cản nhớt chủ yếu phụ thuộc vào các hiện tượng
cơ lý xảy ra trong lớp biên
Vùng II- vùng sau lớp biên nằm về phía sau đi tàu
Vùng III- vùng ngồi lớp biên: tại vùng này bỏ ảnh hưởng của độ nhớt và có thể
xem như là vùng chất lỏng thế

Hình 2.2. Sự phân bố khu vực xung quanh bề mặt vỏ tàu [1].
 Sức cản ma sát của tấm
Từ năm 1870 Froude đã thực nghiệm kéo các tấm phẳng dài 0,3 – 15 m, rộng 0,5
m và dày 5mm nằm sâu trong bể thử đã thu được kết quả:
Khi kéo tấm phẳng dịng chất lỏng lý tưởng (tức chất lỏng khơng có độ nhớt), các phần
tử chất lỏng lướt qua mà khơng dính lại bề mặt tấm phẳng nên các lớp nước xung quanh
bề mặt tấm phẳng có tốc độ khơng đổi, bằng tốc độ kéo tấm phẳng.

Hình 2.3. Thử nghiệm kéo tấm phẳng trong dòng chất lỏng lý tuởng.[1]
Khi kéo tấm phẳng trong chất lỏng thực (có độ nhớt) nhận thấy, do ảnh hưởng
của độ nhớt nên các phần tử trong chất lỏng chảy sát tấm phẳng, làm cho tốc độ lớp
6


chất lỏng sát bề mặt tấm phẳng bằng khơng, cịn tốc độ lớp chất lỏng bề mặt kế tiếp
nằm theo phương vng góc với tấm phẳng tăng dần tới giá trị bằng giá trị tốc độ V0.

Hình 2.4. Thử nghiệm kéo tấm phẳng trong dòng chất lỏng thực. [1]
Dòng chất lỏng trong lớp biên có thể ở chế độ chảy tầng hay chảy rối, phụ thuộc:

+ Kích thước tầm phẳng.
+ Tốc độ tấm phẳng.
+ Độ nhớt chất lượng.
Điều này có nghĩa là chế độ chảy sẽ phụ thuộc vào Số Reynold tính theo cơng
thức:
𝑅𝑒 =

𝑉𝐿

(2.7)

μ

Cơng thức tổng qt tính sức cản ma sát của tấm phẳng:
𝑅𝐹 = 𝐶𝐹
Trong đó:

𝜌𝑉 2
2

𝑆

(2.8)

𝜌 là khối lượng riêng của chất lỏng.
V là vận tốc chuyển của tấm phẳng (m/s).
S là diện tích bề mặt tấm phẳng (m2).
CF là hệ số sức cản ma sát.
μ là độ nhớt chất lỏng (m2/s)

Cơng thức tính hệ số sức cản ma sát của tấm phẳng phụ thuộc giá trị số reynolde.
- Khi Re  2x105 dòng chất lỏng trong khu vực lớp biên ở chế độ chảy tầng.
𝐶𝐹 =

1.328
√𝑅𝑒

7

(2.9)


- Khi Re > 2x105 dòng chất lỏng trong khu vực lớp biên ở chế độ chảy rối.
𝐶𝐹 =

0.455
𝑙𝑔(𝑅𝑒)2.58

(2.10)
Hoặc theo công thức của hội nghị quốc tế các bể thử lần thứ VIII (1957)
𝐶𝐹 =

0.075

(2.11)

(𝑙𝑔𝑅𝑒−2)2

Các giá trị số Re lớn hơn hai công thức trên cho kết quả giống nhau.
 Sức cản ma sát của tàu RF

Sức cản ma sát của tàu tính theo cơng thức
𝑅𝐹 = 𝐶𝐹

𝜌𝑉𝑠2
2

𝑆

(2.12)

Trong đó:
Vs là vận tốc tàu (m/s)
ρ là khối lượng riêng của nước, lấy bằng 104.5 (KG.s2/m4) đối với nước mặn.
CFs là hệ số sức cản của tàu, tính theo hệ số sức cản ma sát của tấm phẳng dưới
dạng công thức tổng quát sau:
𝐶𝐹 = 𝑘𝐶𝐹𝑡𝑝𝑡𝑑 + ∆𝐶𝑏𝑚

(2.13)

k là hệ số ảnh hưởng đến độ cong bề mặt vỏ tàu so với tấm phẳng có giá trị trong
khoảng 1.02-1.08, xác định phụ thuộc tỷ số L/B. (Bảng 2.1)
Bảng 2.1. Ảnh hưởng của độ cong của bề mặt vỏ tàu theo tỷ số L/B.
L/B

6,0

8,0

10,0

12,0

k

1,04

1,03

1,02

1,01

CFtptd là hệ số ma sát của một tấm phẳng tương đương với con tàu đang tính được
tính theo cơng thức đã biết hệ số phụ thuộc Reynolde.
∆Cbm là hệ số tính đến ảnh hưởng của độ nhám bề mặt vỏ tàu, có giá trị nằm trong
phạm vi (0.3-0.6)10-3 phụ thuộc vào vật liệu vỏ tàu, điều kiện làm việc,...
Bảng 2.2. Các giá trị hệ số ∆Cbm
Giá trị hệ số 10-3∆Cbm

Loại tàu
Tàu vỏ thép có vỏ hàn hoặc đinh chìm
Tàu chạy nhanh

0.3-0.5

Tàu chạy trung bình

0.4-0.7

8

Tàu tán đinh hoặc hàn điện có độ lồi lõm
theo làn sóng vả lồi lõm cục bộ

0.7-1.0

Tàu vỏ gỗ

1.8-2.3

Tàu xi măng lưới thép

0.8-1.2

Tàu xuồng nhỏ

0.3-0.6

Tàu kéo chạy chậm

0.7-1.2

2.1.2.2 Sức cản áp suất
Hiện tượng lưu tuyến: Là hiện tượng phân bố lại áp lực và tốc độ dòng chảy quanh
bề mặt vỏ tàu.

Hình 2.5. Hiện tượng lưu tuyến của dịng chất lỏng xung quanh bề mặt vỏ
tàu.[1]
-

Ở phần mũi và đuôi tàu, tại khu tiết diện dịng chảy tăng lên thì tốc độ dòng chảy
giảm xuống nhưng áp suất trong dòng chảy tăng lên

-

Ở phần giữa tàu, chỗ giảm tiết diện, tốc độ dòng chảy tăng nhưng áp suất giảm
xuống.
Kết quả của sự phân bố áp lực và tốc độ trong dòng chất lỏng xung quanh bề mặt

tàu là nguyên nhân gây ra các thành phần sức cản áp suất gồm sức cản hình dạng và sức
cản sinh sóng.
 Sức cản hình dạng Rhd
Sức cản hình dạng xuất hiện là do sự phân bố lại áp lực và tốc độ trong dòng chảy
dọc theo bề mặt vỏ tàu và gây ra khu vực xốy nằm phía sau đi tàu (Hình 2.6).

Khu vực xốy

Hình 2.6. Sức cản hình dạng.[1]
9


Trong khu vực mũi về sườn giữa tàu, do các phần tử chất lỏng chuyển động theo
chiều tăng của áp lực nên tốc độ của áp lực tăng dần và đạt giá trị lớn nhất tại sườn giữa
tàu. Còn khu vực tại sườn giữa tàu về phía đi tàu, các phần tử chất lỏng lại chuyển
động theo chiều giảm của áp lực nên tốc độ của các phần tử giảm dần. Riêng lớp chất
lỏng chảy sát vỏ tàu, do ma sát với bề mặt vỏ tàu, nên năng lượng của nó, ngồi việc
khắc phục sự tăng của áp lực cịn phải thắng được sự ma sát nên bị giảm nhanh và đến
một lúc nào đó, dưới tác dụng của sự tăng áp lực trong dòng chất lỏng sẽ làm xuất hiện
một dòng chất lỏng chảy ngược sát bề mặt vỏ tàu, tạo ra vùng xốy sau đi tàu, làm

giảm áp lực sau đuôi tàu giảm tạo ra một sức cản, được gọi là sức cản hình dạng của tàu.
Đối với những tàu có độ dãn dài lớn (L/B ≥ 6), lớp biên sẽ tách khỏi bề mặt tàu rất êm
nên thường ít gây ra sự tạo xốy, do đó sức cản hình dạng đối với tàu như thế là rất nhỏ.
Vì vậy có thể giảm sức cản hình dạng bằng tăng tỷ số L/B, chọn hình dạng tốt, lựa chọn
chiều dài và độ nhọn vịm đi tàu một cách hợp lý.
Việc xác định sức cản hình dạng rất phức tạp, thường cũng được xác định theo
công thức chung:
𝑅ℎ𝑑 = 𝐶ℎ𝑑

𝜌𝑉𝑠2
2

𝑆

(2.14)

Trong đó hệ số sức cản hình dạng Chd thường chỉ liên quan đến kích thước tàu,
nhất là diện tích sườn giữa tàu w0 và đặc điểm về hình dạng và chiều dài của đoạn đuôi
tàu Lf (m)
𝐶ℎ𝑑 = 0.09

𝜔0
𝑆

√

√ 𝜔0
2𝐿𝑓

(2.15)

 Sức cản sinh sóng
Sức cản sinh sóng xuất hiện cũng do sự phân bố lại áp lực và áp lực chất lỏng chảy
dọc bề mặt vỏ tàu, gây ra các hệ thống sóng xung quanh tàu khi chuyển động.

Hình 2.7. Các hệ thống sóng xung quanh tàu khi chuyển động. [1]
10