Đang tải... (xem toàn văn)
Trên cơ sở phân tích kết quả tính toán mô phỏng số đạt được như phân bố áp suất, dòng bao quanh tàu và lực khí động tác động lên tàu những ảnh hưởng của hình dáng thân tàu đối với các đặc tính này của tàu sẽ được làm rõ. Từ các kết quả khảo sát và so sánh với các loại hình dáng đưa ra, bài báo sẽ cung cấp những thông tin quan trọng đối với thiết kế tối ưu hình dáng khí động học tàu thủy và những vấn đề cần chú ý trong khai thác tàu khách cỡ nhỏ.
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng thân tàu chở khách cỡ nhỏ đến đặc tính khí động học tàu Study on effects of hull form on hydrodynamic performances of a boat Ngơ Văn Hệ, Hồng Văn Hiếu, Lê Thị Thái Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, he.ngovan@hust.edu.vn Tóm tắt Đặc tính khí động lực học đặc trưng quan trọng tàu thủy nói riêng phương tiện giao thơng vận tải nói chung Đặc tính khí động lực học tàu, khơng ảnh hưởng đến tốc độ khai thác tàu, lực cản tác động lên tàu, cơng suất chạy tàu, tính rung lắc, cân ổn định tàu mà ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe hành khách tàu, nhiều trường hợp nguy hiểm xẩy lật tàu đặc tính khí động lực học tàu không tốt Trong báo này, nhóm nghiên cứu thực nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động lực học thân tàu chở khách cỡ nhỏ ảnh hưởng hình dáng tàu đến đặc tính khí động lực học Bằng phương pháp sử dụng chương trình tính tốn mơ số CFD (Computation Fluid Dynamic), nhóm nghiên cứu thực tính tốn mơ đặc tính khí động lực học với loại hình dáng thân tàu nhóm thực tính tốn thiết kế phần mềm ứng dụng Auto - Ship, đồng thời so sánh đặc tính khí động lực học tàu với số trạng thái hoạt động thực tế Trên sở phân tích kết tính tốn mơ số đạt phân bố áp suất, dòng bao quanh tàu lực khí động tác động lên tàu ảnh hưởng hình dáng thân tàu đặc tính tàu làm rõ Từ kết khảo sát so sánh với loại hình dáng đưa ra, báo cung cấp thông tin quan trọng thiết kế tối ưu hình dáng khí động học tàu thủy vấn đề cần ý khai thác tàu khách cỡ nhỏ Từ khóa: Đặc tính khí động học, ảnh hưởng hình dáng tàu đến đặc tính khí động học, tàu khách cỡ nhỏ, CFD, tối ưu hình dáng khí động Abstract Aero dynamic performance of a ship is important for ships and other vehicles in transportation Aero dynamic performances of ship has affected on service speed of the ship, air resistance acting on the ship, power energy as well as roll, pitch, yaw and stability of the ship More ever, it also directly affects on health of the passengers, and crew who work on the ship and safety of the ship If aero dynamic performance of ship is not good, it may be making accident In this paper, the authors present a study on aero dynamic performances of a small passenger and the effects of hull shape on aero dynamic performance of the ship By using a commercial Computation Fluid Dynamic (CFD) code, several hulls form of the boats which are designed with Auto-Ship tool (licence provided at Hanoi University of Science and Technology) are computed to show out their aero dynamic performances By compared at other results of the ships run at several service speeds, service conditions the effects of hull form on aero dynamic performances of the ships to be shown clearly From the results of comparison on aero dynamic performances among different hull form and services condition, the best aero dynamic performances hull form for a small passenger is found The results of the paper may be useful for optimum ship design or user guide for safety of a ship in transportation Keywords: Aero dynamic ship, effects of hull form on aero dynamic performances, small passenger, CFD, optimum aero dynamic performances of ship HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 188 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Giới thiệu chung Trong số nghiên cứu đặc tính khí động lực học tàu thủy kể đến nghiên cứu liên quan đến loại tàu hàng thông dụng số nghiên cứu nhóm tác giả Ngo.V.H cộng (2013, 2014, 2015) Trong nghiên cứu nhóm tác giả thực nghiên cứu giảm lực cản gió tác động lên loạt tàu chở hàng thơng qua tính tốn mơ số thực nghiệm mơ hình Các kết nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng thân tàu đến đặc tính khí động học tàu thủy hình dáng thượng tầng, vị trí thượng tầng boong tàu có ảnh hưởng rõ rệt đến lực cản khí động đặc tính khí động học tàu [1, 4, 5] Tác giả K Mizutani cộng (2013, 2014) nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng thân tàu, bố trí trang thiết bị boong tàu đến đặc tính khí động học tàu chuyên dụng chở bột thông qua mô số thực nghiệm mơ hình tàu Kết nhóm nghiên cứu việc xếp trang thiết bị làm hàng có ảnh hưởng đến lực cản khí động tác động lên tàu đưa giải pháp làm giảm thành phần lực cản [2, 3] Trong số nghiên cứu đặc tính thủy khí động lực tàu cỡ nhỏ giới năm gần [6 - 9] kể đến số kết nghiên cứu tiêu biểu tác giả E Begovic cộng sự, (2012) nghiên cứu thực nghiệm lực cản tác động lên tàu cao tốc loại nhỏ điều kiện có sóng Trong nghiên cứu tác giả thực xác định lực cản tác động lên tàu dải tốc độ tương đối (số Froude) từ 0,56 đến 3,92 thơng qua thực nghiệm mơ hình tàu, đồng thời tác giả đưa hình ảnh thực nghiệm xác định dòng rối sóng tạo tàu chuyển động Trên sở so sánh số mẫu tàu khác tác giả đưa nhận định tối ưu lực cản cho tàu Tác giả K I Matveev cộng (2015) nghiên cứu giảm lực cản thân tàu với phương pháp sử dụng két xâm thực tàu đáy tàu I M Viola cộng sự, (2014) nghiên cứu thử nghiệm xác định lực cản tác động lên tàu buồm với số hình dáng tàu có kể đến ảnh hưởng chiều chìm tàu Trong nghiên cứu tác giả thực việc xác định lực cản tàu dải tốc độ với Froude từ 0,3 đến 1,03 Nghiên cứu ảnh hưởng vị trí thuyền viên tàu đến lực cản khí động đồng thời đưa giải pháp nâng cao độ tin cậy yêu cầu quan trọng việc thực nghiệm mơ hình dải vận tốc cao E Becgovic cộng sự, (2016) nghiên cứu đặc tính thủy động lực tàu thơng qua thử nghiệm mơ hình điều kiện có sóng, ảnh hưởng biên độ dao động lắc tàu tàu sóng điều hòa Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước cho thấy đa số nghiên cứu tập trung vấn đề tối ưu đặc tính khí động lực học cho tàu hàng, tàu khách cỡ lớn số nghiên cứu khác tập trung nghiên cứu vào loại tàu cao tốc, tàu lướt loại nhỏ nhằm tìm giải pháp tối ưu lực cản thủy động lực học cho tàu Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả thực nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng thân tàu trạng thái khai thác tàu đến đặc tính khí động học tàu thơng qua sử dụng cơng cụ tính tốn mô số CFD trang bị sử dụng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trên sở phân tích kết tính tốn so sánh với nhau, ảnh hưởng đến đặc tính khí động học tàu cụ thể tàu khách cỡ nhỏ làm rõ Đồng thời, thông qua kết nghiên cứu hữu ích việc nghiên cứu đưa khuyến cáo an toàn khai thác tàu chở khách cỡ nhỏ, ca nô khách mui trần hoạt động Việt Nam Mơ hình tàu khách cỡ nhỏ sử dụng nghiên cứu Trong nghiên cứu này, mơ hình tàu chở khách cỡ nhỏ sử dụng tính tốn khảo sát tính tốn thiết kế theo số loạt tàu chở khách du lịch, tàu cứu hộ, tàu tuần tra công tác cỡ nhỏ hoạt động phổ biến Việt Nam Hình thể mơ hình tàu chở khách cỡ nhỏ tính toán thiết kế sử dụng nghiên cứu Các thơng số kích thước chủ yếu tàu thể chi tiết bảng HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 189 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Bảng Thông số kích thước tàu Thơng số N1 N2 N3 N4 Đơn vị Chiều dài tàu, L 6,0 6,0 6,0 6,0 m Chiều rộng tàu, B 1,85 1,85 1,85 1,85 m Chiều cao mạn, D 0,80 0,80 0,80 0,80 m Chiều chìm, d 0,20 0,20 0,20 0,20 m Lượng chiếm nước, ∆ 0,19 0,75 0,39 1,11 Diện tích hứng gió cân bằng, Sx 1,15 2,44 2,38 1,57 m2 Hình Hình dáng tàu chở khách cỡ nhỏ sử dụng nghiên cứu Phương pháp tính tốn mơ số CFD 3.1 Phương pháp tính số phương trình Trong nghiên cứu này, đặc tính khí động học tàu thực khảo sát thơng qua sử dụng cơng cụ tính toán CFD, Ansys V.14.5 trang bị quyền Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Phương pháp sử dụng phần lớn chương trình tính tốn số nói chung chương trình Ansys nói riêng thường thực dựa lý thuyết tính tốn động lực học chất lỏng, sử dụng phương pháp phần tử thể tích hữu hạn Trong phương trình sử dụng giải theo phương pháp định khác Trong phần giới thiệu số phương trình tính tốn động lực học chất lỏng CFD [10, 11] - Phương trình liên tục: 𝑑𝜌 𝜌 𝑑𝑡 Trong đó: + 𝑑𝑖𝑣𝑢 ⃗⃗ = (1) khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3; u vận tốc tức thời dò ng chảy, m/s HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 190 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 - Phương trình Navier-Stockes: du x p X v.u x v divu dt x x du y Y dt p v.u y v divu y y du z p Z v.u z v divu dt z z (2) Trong đó: p áp suất điểm xét, N/m2; ux, uy, uz tương ứng thành phần vận tốc theo phương ox, oy, oz; X, Y, Z tương ứng thành phần gia tốc lực khối theo phương ox, oy, oz - Phương trình đối lưu cho mơ hình rối tiêu chuẩn K-epsilon: Động chảy rối k: 𝜕 (𝜌𝑘 ) + 𝜕𝑡 𝜕 (𝜌𝑘𝑢𝑖 ) = 𝜕𝑥𝑖 𝜕 𝜕𝑥𝑖 [(𝜇 + 𝜇𝑡 𝜎𝑘 )] + 𝑃𝑘 + 𝑃𝑏 − 𝜌𝜀 − 𝑌𝑀 + 𝑆𝑘 (3) Tiêu tán rối ϵ: 𝜕 𝜕𝑡 (𝜌𝜖) + 𝜕 𝜕𝑥𝑖 (𝜌𝜖𝑢𝑖 ) = 𝜕 𝜕𝑥𝑖 [(𝜇 + 𝜇𝑡 𝜕𝜖 𝜎𝜖 𝜕𝑥𝑖 𝜖 𝜖2 𝑘 𝑘 )] + 𝐶1𝜖 (𝑃𝑘 + 𝐶3𝜖 𝑃𝑏 ) − 𝐶2𝜖 𝜌 + 𝑆𝜖 (4) Độ nhớt chảy rối mơ hình hóa sau: 𝜇𝑡 = 𝜌𝐶𝜇 𝑘2 (5) 𝜖 Trong đó: Pk u i' u 'j u j Pk t S u i (6) S modul tỉ số ứng suất tensor trung bình: S 2S ij S ij Ảnh hưởng lực đẩy: Pb g i Số Prandtl: Hệ số giãn nở nhiệt : t T Prt xi (7) Prt = 0.85 T p Các số mơ hình rối k-epsilon: C1 1.44 C 2 1.92 C 0.09 k 1.0 1.3 - Lực cản khí động: Trong tính tốn lực cản tác động lên tàu, lực cản thường phân chia thành hai thành phần, lực cản tác động lên tàu phần thân nước tàu phần lực cản tác động lên phần thân phía khơng khí Thành phần lực cản tác động lên tàu phần thân phía khơng khí thường gọi thành phần lực cản khí động hay lực cản gió Lực cản đặc trưng theo hệ số lực cản, xác định theo mối quan hệ phương trình sau: 𝑅 𝐶𝑥 = 0.5𝑥𝑆𝑉 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 (8) 191 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Trong đó: Cx hệ số lực cản tương ứng; Rx lực cản tác động lên thân tàu tương ứng, N; S diện tích ướt hay diện tích mặt hứng gió, m2; V vận tốc dòng tới, m/s 3.2 Q trình tính mơ số đặc tính khí động lực học Trong tính tốn mơ số CFD nói chung, q trình thực tốn thường bao gồm bước như: thiết kế mơ hình tốn cần thực hiện, thiết kế miền khơng gian tình tốn chia lưới, đặt điều kiện điều kiện biên cho tốn, thực tính xử lý kết Trong bước thực ảnh hưởng đến kết tính tốn, mức độ ảnh hưởng tùy thuộc vào u cầu tính tốn khả người sử dụng Trong tính tốn số CFD, kết tính tốn thường so sánh với kết thử nghiệm mơ hình để nhằm đánh giá mức độ tin cậy chương trình tính tốn sử dụng Trong nghiên cứu này, bước tính tốn thực theo tài liệu hướng dẫn tổ chức quốc tế ban hành đồng thời thực theo kết thực có so sánh đánh giá với thực nghiệm tin cậy công bố giới [1 - 5], [12, 13] Trong nghiên cứu này, mơ hình tốn thiết kế với mục đích khảo sát đặc tính khí động học thân tàu khách cỡ nhỏ giới thiệu hình với tỷ lệ mơ hình tính tốn 1/10 Miền khơng gian tính tốn thiết kế với chiều dài 3,6 m; chiều rộng 1,2 m chiều cao 0,6 m chiều dài mơ hình tàu Chia lưới miền khơng gian tính tốn với kiểu lưới khơng cấu trúc 1,326 triệu lưới T Hình thể miền khơng gian tính tốn chia lưới cho tốn Hình Miền khơng gian tính tốn chia lưới Bảng Thơng số đầu vào tính tốn mô số Giá trị Đơn vị K-epsilon - Đầu vào: Velocity inlet, V∞ 0-7 m/s Đầu ra: Pressure outlet, pout 1,.025 105N/m2 Khối lượng khơng khí, 1,225 kg/m3 Độ nhớt động học, 1,789 10-5kg/ms Tên Mơ hình rối Số Reynolds, Rn 0,2 - 5.106 Trong nghiên cứu này, mơ hình rối K-epsilon cho dòng khơng dừng lựa chọn sử dụng, đầu vào đặt điều kiện với vận tốc vào, đầu đặt điều kiện với áp suất ra, thành bao áp dụng điều kiện tường cứng Bảng thể thông số đầu vào phục vụ cho tính tốn mơ số HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 192 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Ảnh hưởng hình dáng thân tàu đến đặc tính khí động học 4.1 Ảnh hưởng hình dáng đến phân bố áp suất dòng bao quanh tàu Hình dáng thân có ảnh hưởng lớn đến đặc tính khí động lực học tàu, phần ảnh hưởng hình dáng thân tàu tư tàu đến phân bố áp suất dòng bao quanh tàu khảo sát Hình đến hình thể so sánh phân bố áp suất dòng bao quanh thân tàu với hình dáng khác với tư tàu thay đổi khác Hình Phân bố áp suất xung quanh tàu trạng thái tàu cân bằng, Rn = 0,2.106 Hình Phân bố dòng xung quanh tàu trạng thái tàu cân bằng, Rn = 0,2.106 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 193 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình Phân bố áp suất xung quanh tàu trạng thái khai thác tàu nghiêng dọc độ, Rn = 5.106 Hình Phân bố dòng xung quanh tàu trạng thái khai thác tàu nghiêng dọc độ, Rn = 5.106 4.2 Ảnh hưởng hình dáng thân tàu đến lực khí động Trong phần này, lực cản khí động tác động lên tàu với hình dáng tàu khác tư tàu khác tính tốn so sánh Hình 7, thể kết so sánh lực cản khí động tác động lên tàu tương ứng với trạng thái tàu cân tàu số tư khác HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 194 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Từ kết phân bố áp suất, phân bố dòng lực cản khí động tác động lên tàu cho thấy hình dáng tàu tư khai thác tàu ảnh hưởng rõ ràng đến đặc tính khí động học tàu Từ kết làm sở để tối ưu hình dáng khí động học cho tàu có phương án khai thác tàu tốt mặt khí động học Hình Kết tính lực cản khí động tác động lên tàu trạng thái tàu cân trạng thái tàu nghiêng dọc độ Kết luận Trong báo thực khảo sát đặc tính khí động học mơ hình tàu chở khách cỡ nhỏ thơng qua sử dụng cơng cụ tính tốn CFD Từ kết khảo sát so sánh đặc tính khí động lực học tác động lên thân tàu với loại hình dáng thân khác số trạng thái khai thác tàu khác nhau, tàu cân nghiêng dọc độ dải vận tốc tương ứng số Reynolds từ 0,2.106 đến 5.106 cho thấy rõ ràng ảnh hưởng Kết thu thơng qua tính tốn mơ số CFD sở để thực việc tối ưu hình dáng khí động học cho tàu sở cho nghiên cứu tối ưu trạng thái tư hoạt động an toàn hiệu cho loại tàu Tài liệu tham khảo [1] Ngo V.H, Y Ikeda (2013) A Study on Interaction Effects between Hull and Accommodation on Air Resistance of a Ship Proceeding of the JASNAOE, Hiroshima, Japan, Vol.16, ISSN: 2185-1840, pp 278-281 [2] K Mizutani, D Arai, Ngo V.H, Y Ikeda (2013) A Study on Reduction of the Wind Resistance Acting on a Wood Chip Carrier Proceeding of the JASNAOE, Hiroshima, Japan, Vol.16, ISSN: 2185-1840, pp.282-285 [3] K Mizutani, Y Akiyama, Ngo V.H, Y Ikeda (2014) Effects of cargo handling equipment on wind resistance acting on a wood chip carrier Proceeding of the JASNAOE, Hiroshima, Japan, Vol.18, ISSN: 2185-1840, pp.421-424 [4] Ngo V.H, K Mizutani, Y Ikeda (2014) Reducing air resistance acting on a ship by using interaction effects between the hull and accommodation Proceeding of the 7th AUN/SEED-Net RCMME 2014, Hanoi, Vienam, pp.497-501 [5] Ngo V.H, Phan A.T, Luong N.L, Y Ikeda (2015) A Study on interaction Effects on air resistance acting on a ship by shape and location of the accommodation Journal of Science and Technology, Vietnam, Vol 27, pp 109-112 [6] E Begovic, C Bertorello (2012) Resistance assessment of warped hull form Journal of Ocean Engineering, Vol.56, pp 28-42 [7] K I Matveev (2015) Hydrodynamic modeling of semi-planing hulls with air cavities International Journal of Naval Architure and Ocean Engineering, Koen, p-ISSN: 2092-6782, pp.500-508 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 195 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 [8] I M Viola, J Enlander, H Adamson (2014) Trim effect on the resistance of sailing planning hulls Ocean Engineering, Vol.88, pp.187-193 [9] E Becgovic, C Bertorello, S Pennino, V Piscopo, A Scamardella (2016) Statistical analysis of planning hull motions and accelerations in irregular head sea Ocean Engineering, Vol 112, pp 253-264 [10] Versteeg H K., Malalasekera W (2007) An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method, 2nd Edition Pearson Education [11] Mohammadi B., Pironneau O (1994) Analysis of the K-epsilon turbulence model Wiley & Sons [12] ITTC (2008) The proc of the 25th International Towing Tank Conference, Fukuoka, Japan Website: http://ittc.sname.org/proc25/assets/documents/VolumeI/ProceedingsVol-01.pdf [13] ANSYS Inc (2010), ANSYS FLUENT User's Guide, Theory Guide and Software Tool, Release 13.0 Website: http://www.ansys.com/ HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 196 ... động học 4.1 Ảnh hưởng hình dáng đến phân bố áp suất dòng bao quanh tàu Hình dáng thân có ảnh hưởng lớn đến đặc tính khí động lực học tàu, phần ảnh hưởng hình dáng thân tàu tư tàu đến phân bố... cứu đưa khuyến cáo an toàn khai thác tàu chở khách cỡ nhỏ, ca nô khách mui trần hoạt động Việt Nam Mơ hình tàu khách cỡ nhỏ sử dụng nghiên cứu Trong nghiên cứu này, mơ hình tàu chở khách cỡ nhỏ. .. thực nghiên cứu giảm lực cản gió tác động lên loạt tàu chở hàng thơng qua tính tốn mơ số thực nghiệm mơ hình Các kết nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng thân tàu đến đặc tính khí động học tàu thủy hình