Nghiên cứu đặc tính khí động học và giảm lực cản khí động học tác động nên cano chở khách

/m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

NINH CƠNG TỐN

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

Ninh Cơng Tốn

CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH
KHÍVăn
ĐỘNG
HV. Nguyễn
Nhu HỌC VÀ GIẢM LỰC
CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CANO CHỞ KHÁCH

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

KHĨA 2017B-MTK.KH
Hà Nội - 2018

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

Ninh Cơng Tốn

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ GIẢM LỰC
CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CANO CHỞ KHÁCH

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

Hà Nội – 2018


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 9 năm 2018
Học viên

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 9 năm 2018
Học viên

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .........................................................4
1.1. Tình hình khai thác và sử dụng cano chở khách hiện nay ...................................4
1.2 . Một số mẫu cano sử dụng trong nghiên cứu .....................................................11
1.3. Lý thuyết về thủy khí động lực và lực cản khí động .........................................14
CHƯƠNG II: MƠ HÌNH BÀI TỐN VÀ CƠNG CỤ MƠ PHỎNG SỐ CFD 18
2.1. Mơ hình bài tốn khảo sát đặc tính khí động học cano ......................................18

2.2. Cơng cụ tính tốn mơ phỏng số CFD .................................................................20
2.3. Các bước thực hiện trong q trình giải quyết bài tốn CFD ............................26
2.4. Mơ hình hóa miền khơng gian tính tốn và chia lưới .......................................27
2.5. Một số mơ hình rối trong ANSYS FLUENT ....................................................34
2.5.1 Mơ hình rối một phương trình (one equation turbulence models) ..................34
2.5.2 Mơ hình hai phương trình (two equations model) ..........................................36
2.5.3 Mơ hình k-epsilon ............................................................................................37
CHƯƠNG III: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC THÂN CANO
THƠNG QUA SỬ DỤNG CFD.............................................................................41
3.1. Quy trình chung thực hiện bài tốn mơ phỏng số CFD ....................................41
3.2. Mơ hình cano sử dụng trong tính mô phỏng số CFD .........................................42
3.3. Thiết kế miền không gian tính tốn, chia lưới và đặt điều kiện biên .................45
3.4. Kết quả mô phỏng số phân bố áp suất và dòng bao quanh cano .......................48
3.5. Kết quả CFD về lực cản khí động tác động lên cano .........................................52
CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG
LÊN CANO ..............................................................................................................56
4.1. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu giảm lực cản khí động cho cano khách.................56

iii


4.2. Ảnh hưởng của hình dáng thân đến đặc tính khí động của cano ......................58
4.2.1 Mơ hình tính tốn và các điều kiện khảo sát ....................................................58
4.2.2 Kết quả tính tốn khảo sát ảnh hưởng của hình dáng thân cano đến đặc tính khí
động học ....................................................................................................................63
4.3. Nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên cano ......................................69
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................76
BẢNG GIẢI THÍCH KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ...........................................78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................79

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cano composite chở khách du lịch đi Cù lao Chàm ................................... 5
Hình 1.2. Cano composite chở khách du lịch Hịn Rơm, Phan Thiết ......................... 6
Hình 1.3. Cano composite chở khách du lịch đảo Tuần Châu, Quảng Ninh .............. 7
Hình 1.4. Cano composite chở khách du lịch tuyến sơng Sài Gịn ............................. 8
Hình 1.5. Cano composite cứu hộ của lực lượng công an, quân đội Việt Nam........ 10
Hình 1.6. Cano chở khách tại cầu cảng đảo Hịn Mun ............................................. 12
Hình 1.7. Hình ảnh phân bố áp suất và đường dịng bao quanh tàu ......................... 17
Hình 2.1. Đường hình dáng thân tàu sử dụng trong nghiên cứu ............................... 19
Hình 2.2. Xây dựng mơ hình bài tốn khảo sát đặc tính khí động học cho cano ..... 20
Hình 2.3. Phân bố dòng, áp suất tác động lên tàu trên mặt thống, hình ảnh mơ
phỏng số với dịng 2 pha sử dụng ANSYS-Fluent .................................................... 21
Hình 2.4. Ví dụ hình ảnh chia lưới trong ANSYS .................................................... 28
Hình 2.5. Lưới lục diện bao quanh trụ trong mặt phẳng 2 chiều .............................. 30
Hình 2.6. Chia lưới lục diện tự động, sử dụng phương pháp chia lưới .................... 30
Hình 2.7. Chia lưới tự động bao gồm các lớp biên căng cho mơ hình phức tạp ...... 33
Hình 3. 1. Đường hình dáng tàu hàng ....................................................................... 42
Hình 3. 2. Thiết kế cano trên phần mềm chun dụng Auto-Ship, sử dụng mơ hình
thân cano trong nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động học với CFD ...................... 43
Hình 3. 3. Mơ hình cano hồn thiện sử dụng trong nghiên cứu ................................ 44
Hình 3.4. Miền khơng gian tính tốn và chia lưới .................................................... 46
Hình 3.5. Thiết lập các điều kiện tính tốn cho bài tốn mơ phỏng số CFD ............ 47
Hình 3.6. Phân bố áp suất bao quanh thân cano khảo sát tại góc ngóc mũi 0 độ ..... 48
Hình 3.7. Phân bố vận tốc dịng xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm ....................... 49
Hình 3.8. Phân bố áp suất trên bề mặt thân cano tại góc ngóc mũi 0 độ .................. 49
Hình 3.9. Phân bố áp suất bao quanh thân cano tại góc ngóc mũi 7 độ, vận tốc 5m/s
................................................................................................................................... 50

Hình 3.10. Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm ..................... 51
Hình 3.11. Phân bố áp suất trên bề mặt diện tích thân cano tại góc ngóc mũi 7 độ,
vận tốc 5m/s .............................................................................................................. 51
Hình 3.12. Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, tại góc ngóc mũi 0 độ
................................................................................................................................... 53
Hình 3.13. Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, tại góc ngóc mũi 5 độ
................................................................................................................................... 53
Hình 3.14. Đồ thị hệ số lực cản khí động tác động lên tàu CT, tại góc ngóc mũi 7 độ
................................................................................................................................... 54

v


Hình 4. 1. Sự phân bố dịng bao quanh vật thể trụ và hộp theo số Reynolds ........... 57
Hình 4.2. Đường hình dáng cano dạng tuyến hình tam giác, N1 .............................. 58
Hình 4.3. Đường hình dáng cano dạng tuyến hình cong trơn, N2 ............................ 58
Hình 4.4. Đường hình dáng cano dạng tuyến hình vat góc, N3 ................................ 59
Hình 4.5. Đường hình dáng cano dạng tuyến hình vng dạng U, N4 ..................... 59
Hình 4.6. Mơ hình cano với các dạng tuyến hình khác nhau N1-N4 sử dụng trong
tính tốn mơ phỏng số CFD ...................................................................................... 60
Hình 4.7. Miền khơng gian tính tốn và chia lưới thực hiện tính mơ phỏng số đặc
tính khí động của các mẫu cano khảo sát .................................................................. 62
Hình 4.8. Phân bố áp suất xung quanh các mẫu cano khảo sát ở trạng thái cân bằng,
Rn=0,2.106 ................................................................................................................. 63
Hình 4.9. Phân bố dòng xung quanh cano ở trạng thái cân bằng, Rn=0,2.106 .......... 64
Hình 4.10. Phân bố áp suất xung quanh cano ở trạng thái khai thác có góc ngóc mũi
7 độ, Rn=5.106 ........................................................................................................... 65
Hình 4.11. Phân bố dịng xung quanh cano ở trạng thái khai thác với góc ngóc mũi 7
độ, Rn=5.106 .............................................................................................................. 66
Hình 4.12. Lực cản khí động tác động lên các mẫu cano khảo sát trong trạng thái

cân bằng với góc ngóc mũi 0 độ ............................................................................... 67
Hình 4.13. Lực cản khí động tác động lên các mẫu cano khảo sát trong trạng thái
khai thác ngóc mũi 7 độ ............................................................................................ 68
Hình 4.14. Hình dáng mẫu cano mới thay đổi thiết kế thượng tầng mũi .................. 70
Hình 4.15. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân cano mới N5 tại Rn=0.2x106 .. 71
Hình 4.16. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân cano mới N5 tại Rn=0.2x106 .. 72
Hình 4.17. Phân bố áp suất và dịng bao quanh thân cano mới N5 tại Rn=1.7x106 .. 73
Hình 4.18. Lực cản khí động tác động lên thân cano ................................................ 74
Hình 4.19. Lực cản khí động tác động lên thân cano ................................................ 75

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1. Thơng số kích thước cơ bản của cano mẫu tham khảo trong nghiên cứu 13
Bảng 3. 1. Thơng số kích thước cơ bản của tàu ........................................................ 42
Bảng 3. 2. Thơng số kích thước cơ bản của cano ..................................................... 45
Bảng 3.2. Một số điều kiện tính mơ phỏng ............................................................... 47
Bảng 3.3. Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano tại góc ngóc mũi 0 độ ...... 52
Bảng 3.4. Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano tại góc ngóc mũi 5 độ ...... 52
Bảng 3.5. Bảng tính lực cản khí động tác động lên cano tại góc ngóc mũi 7 độ ...... 54
Bảng 4.1. Thơng số kích thước chủ yếu của cano sử dụng trong nghiên cứu .......... 61
Bảng 4.2. Thông số đầu vào và điều kiện tính tốn sử dụng trong nghiên cứu ........ 62
Bảng 4.3. Bảng tính các giá trị lực khí động và hệ số lực khí động tác động lên tàu
................................................................................................................................... 74
Bảng 4.4. Bảng tính các giá trị lực khí động và hệ số lực khí động tác động lên tàu
................................................................................................................................... 75

vii

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong q trình khai thác, vận tải đường thủy, nâng cao hiệu quả khai thác tàu
là vấn đề quan trọng. Để thực hiện được vấn đề này, cần thiết phải giảm tiêu hao
nhiên liệu chạy tàu. Giảm lực cản cho tàu 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 sử dụng
tàu quan tâm. Trước những nhu cầu đó, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu đặc tính
khí động và giảm lực cản khí động tác động lên cano chở khách nhằm nâng cao
hiệu quả kinh tế khai thác cho tàu.
2. Lịch sử nghiên cứu
Lĩnh vực tính tốn lực cản tàu thủy nói chung, cũng như lực cản khí động của
tàu nói riêng đã có nhiều tác giả trong và ngồi nước quan tâm nghiên cứu. Từ
nhiều 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 nghiên cứu những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của các
công cụ, phương tiên hỗ trợ tính tốn số ra đời, tính tốn động lực học chất lỏng
CFD (Computational Fluid Dynamic) đã trở thành cơng cụ hữu dụng trong việc ước
lượng, dự đốn lực cản tác động lên tàu [15, 16, 17, 18]. Ngày nay CFD đã trở
thành công cụ phổ biến được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng làm phương tiện hỗ trợ
cho mình trong quá trình thực hiện nghiên cứu [5, 6, 7, 10, 11, 12].
Nghiên cứu đặc tính khí động học và giảm lực cản khí động tác động lên cano
chở khách nói riêng và phương tiện giao thơng vận tải nói chung vẫn là đề tài đặt ra
cho nhiều nhà nghiên cứu chuyên môn giải đáp [7, 10, 11]. Với mỗn loại tàu khác
nhau, cần có các biện pháp kỹ thuật khác nhau để làm giảm lực cản tác động lên
tàu. Giảm được lực cản tác động lên tàu sẽ giúp tiết kiệm được nhiên liệu tiêu hao

1

chạy tàu, khi đó sẽ góp phần nâng cao hiệu quả khai thác tàu. Đây cũng 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 đặc tính khí động lực học
tác động lên cano chở khách. Thơng qua các kết quả tính tốn mô phỏng, đề xuất
một số giải pháp làm giảm lực cản khí động tác động lên cano nhằm nâng cao hiệu
quả kinh tế khai thác cano.
Đối tượng nghiên cứu là nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên cano
chở khách nhằm nâng cao hiệu quả khai thác cho cano.
Do giới hạn về thời gian trong việc vẽ thiết kế cano, cũng như giới hạn về tốc
độ máy tính cá nhân, thời gian chờ kết quả chạy mô phỏng, đề tài chỉ giới hạn phạm
vi nghiên cứu trên một mẫu cano có thân đơn giản nhất định và hạn chế một số
trường hợp tính tốn nghiên cứu cụ thể.
4. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Tác giả tiến hành nghiên cứu tổng quan về khí động học phần trên mặt nước
của cano, thiết lập mơ hình 3D của cano chở khách đã chọn, sau đó 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 mô hình 3D tác giả đã sử dụng phần mềm để chia lưới và cuối cùng là
đưa vào phần mềm ANSYS FLUENT để thiết lập các thông số, điều kiện biên và
thực hiện tính tốn mơ phỏng nhằm đưa ra các 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 lực cản khí động
tác động lên cano, tác giả đã đề xuất một số thay đổi hình dáng thân cano, khảo sát
một số trạng thái khai thác khác nhau của cano sau đó sử dụng phần mềm chuyên
dụng ANSYS FLUENT để mô phỏng đặc tính khí động học của cano tại dải tốc độ
khai thác để xác định lực cản cùng các đặc tính khí động khác.
Kết quả mơ phỏng số đưa ra phân bố vận tốc, phân bố áp suất trên và bao
quanh thân trên mặt nước của cano với hình dáng thân khác nhau và ở các trạng thái

2


khai thác khác nhau. Trên cơ sở phân tích kết quả mô phỏng số đạt được, tác giả so
sánh kết quả thu được với nhau trong các mơ hình đã tính tốn. Từ đó tác giả đưa ra
những kết luận quan trọng, những lưu ý cho thiết kế khí động học của tàu và cano
chở khách nói riêng.
5. Phương pháp nghiên cứu
Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp 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 mà nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Từ lý thuyết tác giả mơ hình hóa
các mơ hình cano, sau đó chạy mơ phỏng số CFD. Kết quả thu được từ mô phỏng số
được so sánh và phân tích với kết quả nghiên cứu lý thuyết.

3


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1.

Tình hình khai thác và sử dụng cano chở khách hiện nay
Ngày nay nền kinh tế Việt Nam đang bước vào một giai đoạn mới, giai đoạn

hội nhập mạnh mẽ vào nền kinh tế khu vực cũng như trên thế giới. Song song với
việc hội nhập của nền kinh tế thì ngành hàng hải Việt Nam đã và đang giữ một vai
trò hết sức quan trọng trong việc lưu thơng hàng hóa, giao lưu chính trị, khoa học
kỹ thuật, bảo vệ chủ quyền biển đảo thiêng liêng của tổ quốc cùng với tiến trình hịa
nhập chung của các thành phần kinh tế khác. Trong các chức năng đó khơng thể
khơng kể tới vai trị to lớn của ngành đóng tàu Việt Nam – một ngành công nghiệp

mũi nhọn được Đảng và Nhà nước chọn là một trong những ngành công nghiệp
hàng đầu làm động lực cho sự phát triển chung của nền kinh tế Việt Nam trong thế
kỷ mới.
Việt Nam là một quốc gia biển, có một nửa biên giới giáp với biển từ phía
Đơng Nam và Tây Nam bao gồm trên 3.260 km bờ biển, trên 3000 nghìn đảo lớn
nhỏ khác nhau trải dài từ Bắc vào Nam với nhiều vị trí phù hợp cho sự hình thành
và phát triển một hệ thống du lịch biển hiện đại. Đây là những tiềm năng to lớn
mang tính chất chiến lược để chúng ta đẩy mạnh phát triển kinh tế biển. Bên cạnh
đó, với thế mạnh của một nước với nhiều danh nam thắng cảnh nổi tiếng như Vịnh
Hạ Long, Du lịch các đảo, sông hồ gần bờ khác từ các tỉnh miền bắc đến các tỉnh
miền nam của đất nước. Vấn đề đặt ra cần phát triển dịch vụ chuyên chở khách du
lịch luôn là vấn đề được nhiều cấp ngành quan tâm. Phát triển đội tàu chở khách cỡ
nhỏ, cano chở khách đã được chú trọng quan tâm từ nhiều năm về trước.
Du lịch biển đảo ngày càng trở thành một xu hướng và động lực mới, với
nhiều tiềm năng ở Việt Nam. Thực tế cũng cho thấy, với lượng khách đến tăng
nhiều trong những năm qua và luôn chiếm khoảng 70% tổng khách du lịch cả nước,

4


du lịch biển đảo hiện đang là loại hình du lịch chủ đạo, góp phần quan trọng đưa du
lịch trở thành ngành kinh tế mũi nhọn của Việt Nam. Việt Nam đứng thứ 27 trong
số 156 quốc gia có biển trên thế giới và là nước có diện tích ven biển lớn ở khu vực
Đơng Nam Á. Và có tới 125 bãi biển mà hầu hết là các bãi tắm đẹp, trong đó bãi
biển Đà Nẵng đã được tạp chí Forbes bầu chọn là 1 trong 6 bãi tắm quyến rũ nhất
hành tinh. Việt Nam cũng là 1 trong 12 quốc gia có các vịnh đẹp nhất thế giới là
Vịnh Hạ Long, Vịnh Nha Trang.
Về mặt hành chính, 28 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương là các địa
phương có biển, với diện tích tự nhiên là 126.747 km2, dân số (năm 2010) là 37,2
triệu người, bằng 38,2% diện tích tự nhiên và 41,1% dân số cả nước. Bên cạnh đó,

lãnh thổ vùng đất ven biển, vùng biển và hệ thống các đảo, nơi diễn ra du lịch biển
đảo và vùng ven biển tập trung tới 7/13 di sản thế giới ở Việt Nam; 6/8 các khu dự
trữ sinh quyển; nhiều vườn quốc gia, các khu bảo tồn thiên nhiên…

Hình 1.1. Cano composite chở khách du lịch đi Cù lao Chàm

5


Ngồi ra, từ bao đời nay, biển đảo khơng chỉ là nơi cung cấp nguồn sống, mà
cịn là khơng gian để cộng đồng người Việt tạo lập nên một nền văn hóa biển đảo,
với những di sản văn hóa đặc sắc. Đó là hệ thống di tích lịch sử-văn hóa liên quan
đến môi trường biển, hệ thống thần linh biển, những bậc tiền bối có cơng trong cơng
cuộc chinh phục biển, xác lập và thực thi chủ quyền quốc gia trên biển...; các lễ hội
dân gian của cư dân miền biển; tín ngưỡng, phong tục tập quán liên quan đến biển;
văn hóa sinh kế, văn hóa cư trú, văn hóa ẩm thực, diễn xướng dân gian, tri thức bản
địa... Ðây chính là nguồn tài ngun giàu có để phát triển du lịch biển đảo bền
vững.

Hình 1.2. Cano composite chở khách du lịch Hòn Rơm, Phan Thiết

Nắm bắt thế mạnh trên, thời gian qua, nhiều khu du lịch biển tiềm năng đã
được quy hoạch và đầu tư phát triển như: bãi biển Sầm Sơn (Thanh Hóa); bãi biển
Non Nước, Mỹ Khê (Đà Nẵng); vịnh Nha Trang, vịnh Cam Ranh (Khánh Hòa); bãi
biển Mũi Né (Bình Thuận); bãi biển Vũng Tàu (Bà Rịa-Vũng Tàu)... Việt Nam đã
hình thành 3 trung tâm du lịch biển có sức hút với khách quốc tế, gồm vịnh Hạ
Long (Quảng Ninh), Đà Nẵng, Nha Trang (Khánh Hòa) với những cơ sở lưu trú

6

hiện đại 4-5 sao, có thể đón những đồn khách đến nghỉ dưỡng và phát triển du lịch
MICE (du lịch hội nghị, hội thảo). Cùng với việc đầu tư xây dựng hạ tầng du lịch,
nhiều dịch vụ giải trí, thể thao biển đã được đưa vào hoạt động như: chèo thuyền du
lịch, kéo dù bằng ca nô, lướt ván, đua thuyền, bóng đá, bóng chuyền bãi biển… Đặc
biệt, loại hình ngắm biển bằng dù lượn, khinh khí cầu, máy bay mơ hình (ở biển
Nha Trang, Đà Nẵng) hay bằng máy bay trực thăng (ở vịnh Hạ Long) đang được rất
nhiều khách du lịch u thích.

Hình 1.3. Cano composite chở khách du lịch đảo Tuần Châu, Quảng Ninh

Với sự đầu tư mạnh mẽ về cơ sở hạ tầng cùng các dịch vụ giải trí, du lịch
biển đã thu hút hàng triệu lượt khách đến thăm quan và nghỉ dưỡng mỗi năm. Hoạt
động du lịch biển đảo hiện chiếm khoảng 70% hoạt động của ngành du lịch Việt
Nam. Các sản vật địa phương liên quan đến biển cũng theo đó mà phát triển thành
thương hiệu, đậm dấu ấn địa phương, góp phần đáng kể vào việc phát triển sản
phẩm gắn với các tour du lịch. Có thể kể đến một số sản phẩm nổi tiếng như: nước

7


mắm Phú Quốc, chả mực Hạ Long, tỏi Lý Sơn, yến sào Nha Trang, mật ong rừng
Cát Bà... Việc du lịch biển, đảo Việt Nam có lượng du khách lớn, đã khiến các nhà
đầu tư nước ngoài tăng cường đầu tư vào lĩnh vực này. Đến năm 2015, đầu tư nước
ngồi trong lĩnh vực du lịch biển, đảo đã có ở 23 tỉnh/thành phố của cả nước, chiếm
trên 70% số các dự án đầu tư trong lĩnh vực du lịch. Trong đó có một số dự án lớn
như: Dự án của tập đoàn Platinum Dragon Empire (Mỹ) phát triển khu du lịch vui
chơi giải trí tại Bà Rịa-Vũng Tàu với số vốn lên đến 550 triệu USD; dự án đầu tư
của Tập đoàn Rockingham (Anh) xây dựng khu du lịch nghỉ dưỡng biển cao cấp và
các khu vui chơi giải trí, trường đua ơ tơ 1.000 ha tại Phú Quốc, quy mô dự án lên

đến 1 tỷ USD… Du lịch biển phát triển cũng góp phần thúc đẩy sự phát triển của
nhiều ngành kinh tế khác; tạo thêm nhiều việc làm cho xã hội dải ven biển, nơi hiện
có khoảng 21,2 triệu người trong độ tuổi lao động và góp phần bảo đảm an ninh quốc phịng, bảo vệ mơi trường biển.

Hình 1.4. Cano composite chở khách du lịch tuyến sơng Sài Gịn

8


Việc phát triển mạnh mẽ của du lịch biển đảo trong những năm qua, đã mang
lại cơ hội xóa đói giảm nghèo, cải thiện đời sống của người dân ở vùng ven biển
nhiều địa phương trong cả nước. Song theo đánh giá của các chuyên gia, kết quả
này vẫn chưa tương xứng với tiềm năng lớn của du lịch biển, đảo Việt Nam. Thực
tế cho thấy, du lịch biển, đảo ở Việt Nam vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế như: Dịch
vụ du lịch còn thiếu, nghèo nàn; sản phẩm du lịch biển chưa đa dạng; an ninh trật tự
và việc quản lý giá tại một số khu, điểm du lịch chưa đảm bảo; quy hoạch của nhiều
bãi biển đẹp đã bị phá vỡ, phát triển manh mún và khó điều chỉnh… Nhằm khắc
phục những hạn chế cũng như tạo sức bật cho du lịch biển, đảo, Bộ Văn hóa, Thể
thao và Du lịch đã phê duyệt đề án “Phát triển du lịch biển, đảo và vùng ven biển
Việt Nam đến năm 2020”. Mục tiêu của đề án là đến năm 2020, du lịch biển sẽ trở
thành động lực của kinh tế biển Việt Nam, góp phần đưa nước ta trở thành quốc gia
mạnh về biển, làm giàu từ biển và bảo đảm vững chắc chủ quyền quốc gia trên biển,
đảo, góp phần quan trọng trong sự nghiệp cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa, làm cho
đất nước giàu mạnh. Đề án cũng đề ra mục tiêu vào năm 2020, du lịch biển thu hút
22 triệu lượt khách quốc tế, 58 triệu lượt khách nội địa, tổng thu từ du lịch biển đạt
200.000 tỷ đồng. Các chuyên gia cũng nhận định, việc chú trọng đẩy mạnh phát
triển du lịch biển đảo là một định hướng đúng đắn, phù hợp với thế mạnh của ngành
du lịch Việt Nam và mang ý nghĩa đặc biệt trong việc khẳng định và bảo vệ chủ
quyền lãnh thổ đất nước. Tuy nhiên, để du lịch biển đảo phát triển bền vững, tương
xứng với tiềm năng và tạo được thương hiệu riêng thì ngồi việc phải khắc phục

những hạn chế đã tồn tại nhiều năm qua, cần có sự đầu tư và quản lý một cách chiến
lược cả về cơ sở vật chất, dịch vụ và con người cho các trung tâm du lịch biển đảo
đã được xác định. Đặc biệt, cần phát huy yếu tố văn hoá của từng địa phương trong
phát triển du lịch biển để tạo dấu ấn riêng và thu hút khách du lịch quay trở lại
nhiều lần.
Có thể thấy rõ rằng, với tiềm năng lớn mạnh như trên đã phân tích cho thấy
sự cần thiết của một đội tàu, cano dịch vụ chở khách du lịch cũng như vận tải trên
các vùng lãnh thổ của nước ta hiện nay. Có thể thấy cano chở khách đã được khai

9


thác nhiều nơi, trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong khai thác dịch vụ du lịch, chơ
khách, vận tải hàng hóa giữa các cảng biển, đảo ven bờ, sơng hồ, cano cứu hộ, tuần
tra …tùy theo mỗi lĩnh vực khác nhau mà cano chở khách được sử dụng tương ứng.

Hình 1.5. Cano composite cứu hộ của lực lượng công an, quân đội Việt Nam

10


1.2 . Một số mẫu cano sử dụng trong nghiên cứu
Trong nghiên cứu, thiết kế và phát triển tàu thủy nói chung, cần thiết phải
hướng đến một đối tượng nghiên cứu cụ thể, gắn với điều kiện khai thác cụ thể.
Trong nghiên cứu này, nhằm hướng đến việc nâng cao hiệu quả khai thác cho cano
chở khách trên tuyến đường ra đảo Hòn Mun, tác giả tập trung nghiên cứu liên quan
đến cano chở khách trên tuyến này.
Đảo Hòn Mun, nằm về phía Đơng Nam của Thành phố Nha Trang, cách bờ
khoảng 12 km. Hịn Mun có tổng diện tích là 160 km2, trong đó 122 km2 là diện
tích mặt biển, 38 km2 là tổng diện tích của các hịn đảo. Theo thống kê, trên thế giới

có khoảng 2.000 lồi san hơ và sinh vật biển thì ở Hịn Mun đã có tới 1.500 lồi,
trong đó đã tìm thấy 340 trong tổng số hơn 800 lồi san hơ cứng trên thế giới. Với
độ sâu dưới 18m, thì khơng cịn cảnh đẹp của san hơ, nhưng có rất nhiều hang động.
Có những hang sâu 10 – 15m, phải dùng đèn để quan sát những sinh vật biển
chuyên sống trong bóng tối như tôm, mực, tôm hùm, cá đuối…Quỹ động vật hoang
dã thế giới đánh giá đây là khu vực có đa dạng sinh học bậc nhất tại Việt Nam. Hòn
Mun là một trong những hòn đảo thơ mộng nhất trong hệ thống đảo của Nha Trang,
nằm về phía Đơng Nam của đảo Bồng Ngun (nơi có Hồ cá Trí Ngun), cách
cảng Cầu Đá 10 km (khoảng 45 phút đi tàu). Được gọi là Hịn Mun vì phía
Đơng Nam của đảo có những mỏm đá nhô cao, vách dựng hiểm trở tạo thành hang
động, đặc biệt đá ở đây đen tuyền như gỗ mun, rất hiếm thấy ở những nơi khác. Nơi
đây còn nổi tiếng là một trong những “thủy cung” giàu và đẹp nhất của biển Đông
Nam Á.
Với đặc điểm chủ yếu về dòng hải lưu và thời tiết như sau: Do địa thế của
đảo rất gần với dòng hải lưu nóng từ phía xích đạo đưa tới nên thích hợp với điều
kiện phát triển của san hô và nhiều loại sinh vật biển nhiệt đới cũng về đây quần tụ.
Do đó, Hịn Mun có rạn san hơ và hệ sinh vật biển đa dạng, đây là khu bảo tồn biển
đầu tiên và duy nhất của Việt Nam hiện nay, đã được Quỹ Động vật hoang dã Thế
giới (WWF) đánh giá là khu vực đa dạng sinh học biển bậc nhất ở Việt Nam.

11


Đảo Hịn Mun chịu tác động của gió mùa nhưng cường độ không mạnh lắm.
Từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau hướng gió chủ đạo là Bắc, Đơng Bắc. Từ tháng 4
đến tháng 9 hướng gió là Đơng, Đơng Nam. Nhiệt độ trung bình là 26oC , dao động
trong khoảng 24-29oC, nhiệt độ ít thay đổi và ấm áp quanh năm. Tháng có nhiệt độ
cao là tháng 6,7 và 8. Tháng có nhiệt độ thấp là tháng 12 và 1. Lượng mưa trung
bình khoảng 1450mm. Mùa mưa bắt đầu từ tháng 9 và kết thúc vào tháng 12, với
lượng mưa cao nhất vào tháng 11. Mùa khô bắt đầu từ tháng 1 và kết thúc vào tháng

7, 8 với lượng mưa thấp nhất vào tháng 2.
Với một số cầu cảng phục vụ chở khách ra đảo Hòn Mun như sau:
-

Cảng cầu đá: Cách đảo Hòn Mun khoảng hơn 10 km.

-

Bến đỗ Hòn Một: Cách đảo Hòn Mun khoảng 4,3km.

-

Bến đỗ Hòn Tắm: Cách đảo Hòn Mun khoảng 5,6 km.

-

Bến đỗ Hịn Miễu: Cách đảo Hịn Mun khoảng 7 km.

Hình 1.6. Cano chở khách tại cầu cảng đảo Hòn Mun

12


Bảng 1. 1. Thơng số kích thước cơ bản của cano mẫu tham khảo trong nghiên cứu

Các thông số
Chiều dài lớn
nhất (Lmax)
Chiều dài thiết
kế (Ltk)

Chiều rộng
(B)
Chiều cao mạn
(H)
Mớn nước (T)
Lượng chiếm
nước (D)
Tốc độ tàu (v)
Hệ số béo thể
tích (CB)
Hệ số béo
đường nước
(Cw)
Tốc độ tương
đối (Fr)
Công suất máy
(N)
Tỷ số
Tỷ số
Tỷ số
Tỷ số

𝐿
𝐵
𝐵
𝑇
𝐻
𝑇
𝐿
𝐻

Đơn
vị

Canơ
du lịch
Biển Ngọc
01

Canơ
du lịch
Pompano

Tàu
tuần tra
H790

Tàu du lịch
Hồng Lâm
Hạ Long 01

m

6,3

7,0

8,50

12,0

m

5,5

5,88

8,10

11,0

m

2,08

2,20

3,05

2,90

m

1,10

1,27

1,35

1,20

m

0,42

0,40

0,70

0,65

T

2,50

2,35

1,85

4,5

hl/h

25

25

31

30

0,43

0,43

0,45

0,65

0,75

0,75

0,80

0,82

3.18

3.02

3,39

2,77

200

200

200

1200

2,64

2,67

2,66

3,79

4,95

5,5

4,36

4,46

2,62

3,68

1,93

1,85

5,0

4,63

6,0

9,17

HP

13


1.3. Lý thuyết về thủy khí động lực và lực cản khí động
Khí động lực học là lĩnh vực 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 lưu 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. Tìm hiểu về sự chuyển động của khơng khí (thường được gọi là một
trường dịng chảy) xung quanh một đối tượng cho phép tính tốn các lực, mô 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 dịng chảy, như vận tốc, áp suất, mật
độ và nhiệt độ, như là các hàm của không 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 dịng
chảy xung quanh các vật thể rắn hình dạng khác nhau. Đánh giá thang máy, máy
bay, dòng 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].
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 thanh là siêu thanh, và cực siêu thanh nếu vận tốc
nhanh hơn vận tốc âm thanh nhiều lần.
Trong tính tốn động lực học chất lỏng CFD, các phương trình cơ bản được
sử dụng và giải theo các phương pháp cụ thể khác nhau. Trong công cụ mô phỏng

14


số thương mại như ANSYS-FLUENT phương pháp phần tử thể tích được sử dụng
để giải bài tốn. Trong phần này, một số phương trình cơ bản lý thuyết về thủy khí
động lực học và lực cản khí động được giới thiệu [4, 8, 9, 12, 15, 18].
-

Phương trình liên tục dạng tổng quát:
1 𝑑𝜌
𝜌 𝑑𝑡

-

+ 𝑑𝑖𝑣𝑢
⃗=0

(1-1)

Phương trình chuyển động của chất lỏng thực, phương trình Navier-Stockes:
𝑑𝑢𝑥

𝑑𝑡
𝑑𝑢𝑦
𝑑𝑡
𝑑𝑢𝑧
𝑑𝑡

=𝑋−
=𝑌−
=𝑍−

1 𝜕𝑝
𝜌 𝜕𝑥
1 𝜕𝑝
𝜌 𝜕𝑦
1 𝜕𝑝
𝜌 𝜕𝑧

+v(
+v(
+v(

𝜕 2 𝑢𝑥
𝜕𝑥 2
𝜕 2 𝑢𝑦
𝜕𝑥 2

𝜕 2 𝑢𝑧
𝜕𝑥 2

+

+
+

𝜕 2 𝑢𝑥
𝜕𝑦 2
𝜕 2 𝑢𝑦
𝜕𝑦 2
𝜕 2 𝑢𝑧
𝜕𝑦 2

𝜕 2 𝑢𝑥

+

𝜕𝑧 2

+

+

)+

𝜕 2 𝑢𝑦
𝜕𝑧 2

𝜕 2 𝑢𝑧
𝜕𝑧 2

)+

)+

𝑣 𝜕
3 𝜕𝑥
𝑣 𝜕
3 𝜕𝑦

𝑣 𝜕
3 𝜕𝑧

(

𝜕𝑢𝑥

(

(

𝜕𝑥
𝜕𝑢𝑥
𝜕𝑥

𝜕𝑢𝑥
𝜕𝑥

+
+

+

𝜕𝑢𝑦
𝜕𝑦
𝜕𝑢𝑦

𝜕𝑦
𝜕𝑢𝑦
𝜕𝑦

+
+

+

𝜕𝑢𝑧
𝜕𝑧

)

𝜕𝑢𝑧
𝜕𝑧

𝜕𝑢𝑧
𝜕𝑧

)

(1-2)

)

Hay viết dưới dạng:





  2u  2u  2u 
u
u
u
u
pˆ
 u
 v
 w
    2  2  2 
t
x
y
z
x
y
z 
 x



  2v  2v  2v 
v
v

v
v
pˆ
 u  v  w      2  2  2 
t
x
y
z
y
z 
 x y

(1-3)

 2w  2w  2w
w
w
w
w
pˆ
 u
 v
 w
    2  2  2 
t
x
y
z
z
y

z 
 x

Hệ phương trình chủ đạo có thể được viết dưới dạng véctơ như sau:
𝜕
∫ 𝑊𝑑𝑉 + ∮[𝐹 − 𝐺 ]𝑑𝐴 = ∫ 𝐻𝑑𝑉
𝜕𝑡 𝑉
𝑉
Với các véc tơ W,F,G lần lượt được định nghĩa như sau:
𝜌𝑣
𝜌
0
𝜌𝑣𝑢 + 𝑝ỵ
𝜌𝑢
𝜏
𝑊 = { 𝜌𝑣 }
𝐹 = { 𝜌𝑣𝑣 + 𝑝ĵ }
𝐺 = { 𝑥𝑖 }
𝜏𝑦𝑖
̂
𝜌𝑤
𝜏𝑧𝑖
𝜌𝑣𝑤 + 𝑝𝑘
Và H là véctơ các thành phần lực khối
Để khép kín hệ phương trình, chúng ta đưa vào một số các điều kiện biên như sau:

15


-

Điều kiện biên tại đầu vào: V(x=0,y)=V∞

-

Điều kiện biên tại đầu ra: pout =p∞ =pa

-

Áp suất tại các biên của vùng tính tốn: p= p∞

-

Điều kiện biên khơng trượt trên tồn bộ bề mặt mơ hình tính tốn:
𝜕𝑣
=0
𝜕𝑛
Trong q trình chuyển động, lực cản tác động lên tàu được phân thành 2 loại

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 không khí gây ra. Trong luận văn này, tác giả
đề cập nghiên cứu 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 tổng hợp theo phương chuyển động của
tàu, 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 trơn 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 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.

16