Luận án Tiến sĩ Khoa học Hàng hải: Nghiên cứu tác động của dòng chảy đến tàu thủy tại khu neo đậu Vũng Tàu

Chia sẻ: Nhiên Hà | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:119

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án gồm 3 chương với các nội dung ứng dụng phương pháp tính toán động lực học chất lưu xác định lực căng lỉn neo tàu thủy; nghiên cứu thực nghiệm xác định lực căng lỉn neo tàu thủy; xây dựng công thức xác định lực căng lỉn neo. Mời các bạn cùng tham khảo luận án để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học Hàng hải: Nghiên cứu tác động của dòng chảy đến tàu thủy tại khu neo đậu Vũng Tàu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH PHẠM NGUYÊN ĐĂNG KHOA NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA DÒNG CHẢY ĐẾN TÀU THỦY TẠI KHU NEO ĐẬU VŨNG TÀU Ngành: Khoa học Hàng hải Mã số: 9840106 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH PHẠM NGUYÊN ĐĂNG KHOA NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA DÒNG CHẢY ĐẾN TÀU THỦY TẠI KHU NEO ĐẬU VŨNG TÀU Ngành: Khoa học Hàng hải Mã số: 9840106 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Nguyễn Xuân Phương 2. TS. Vũ Văn Duy TP. HỒ CHÍ MINH - 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Phạm Nguyên Đăng Khoa - Nghiên cứu sinh ngành Khoa học hàng hải và là tác giả luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu tác động của dòng chảy đến tàu thủy tại khu neo đậu Vũng Tàu”, dưới sự hướng dẫn của tập thể người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Xuân Phương và TS. Vũ Văn Duy. Bằng danh dự của bản thân, Nghiên cứu sinh xin cam đoan rằng: - Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng Nghiên cứu sinh, không có phần nội dung nào được sao chép một cách bất hợp pháp từ công trình nghiên cứu của tác giả hay nhóm tác giả khác; - Các kết quả nghiên cứu, số liệu được nêu trong luận án chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác trước đó; - Các thông tin, số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo trong luận án đều được chỉ rõ về xuất xứ, nguồn gốc và đảm bảo tính trung thực. TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 5 năm 2021 Tác giả luận án Phạm Nguyên Đăng Khoa
ii LỜI CẢM ƠN Với sự nỗ lực không ngừng của bản thân trong quá trình học tập, nghiên cứu, vận dụng kiến thức đã học trong Nhà trường và trải qua thực tiễn công tác, đồng thời, được sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của các thầy hướng dẫn khoa học, các nhà khoa học, thầy cô giáo, đồng nghiệp và gia đình, đến nay luận án tiến sĩ của Nghiên cứu sinh đã được hoàn thành. Có được kết quả này, trước tiên, Nghiên cứu sinh xin trân trọng bày tỏ sự tri ân đến PGS. TS. Nguyễn Xuân Phương, TS. Vũ Văn Duy đã hướng dẫn tận tình, chu đáo trong suốt quá trình NCS học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án tiến sĩ của mình tại Trường Đại học Giao thông vận tải TP.Hồ Chí Minh. Nghiên cứu sinh trân trọng cám ơn sự động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất của Ban Giám hiệu Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Hàng hải, Viện Cơ Khí, các Trung tâm và các Phòng ban; Ban Giám hiệu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Viện Đào tạo sau đại học, Khoa Hàng hải, Viện Cơ Khí, các Trung tâm và các Phòng ban; Ban Lãnh đạo Cảng vụ Hàng hải TP. Hồ Chí Minh, các Phòng ban và các Đại diện tại các Khu vực; Ban Lãnh đạo Cảng vụ Hàng hải Vũng Tàu, các Phòng ban và các Đại diện tại các Khu vực; các Công ty vận tải biển trong quá trình NCS học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu sinh trân trọng cám ơn sự động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất của Tổng Giám đốc Công ty Cổ phần Âu Lạc, Ban Lãnh đạo Công ty, Trung tâm Thuyền viên, Phòng An toàn, Phòng Kỹ thuật vật tư, Phòng Khai thác, Ban Chỉ huy và tập thể Thuyền viên các tàu Aulac Jupiter, Aulac Vision trong quá trình NCS học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu sinh trân trọng cám ơn và cầu thị tiếp thu các ý kiến đóng góp và nhận xét từ các nhà khoa học, các chuyên gia, giảng viên, cán bộ công nhân viên trong và ngoài Nhà trường.
iii Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Thầy Cô là Cán bộ, Chuyên viên của Viện Đào tạo sau đại học, Viện Hàng hải, các Phòng ban chức năng của Nhà trường đã tạo điều kiện thuận lợi, động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình NCS học tập, thực hiện và hoàn thành luận án tiến sĩ tại Nhà trường. Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn đến Gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp, đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất, trong suốt thời gian làm Nghiên cứu sinh. Nghiên cứu sinh rất mong tiếp tục nhận được sự đóng góp ý kiến cho luận án từ các nhà khoa học, các thầy cô giáo, cán bộ, giảng viên và đồng nghiệp. Xin trân trọng cảm ơn! TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 5 năm 2021 Tác giả luận án Phạm Nguyên Đăng Khoa
iv TÓM TẮT Theo kết quả thống kê của Cục Hàng hải Việt Nam, trong những năm gần đây, cả nước trung bình mỗi năm có gần 30 vụ tai nạn hàng hải nghiêm trọng liên quan đến tàu biển, trong đó số vụ tai nạn hàng hải xảy ra khá nhiều tại khu vực Vũng Tàu. Một trong những nguyên nhân gây ra tai nạn hàng hải là người điều khiển tàu biển không làm chủ được tác động của các yếu tố ngoại cảnh lên tàu. Tại khu vực neo đậu Vũng Tàu, đã có nhiều cảnh báo nguy cơ trôi neo, va chạm do tác động của yếu tố ngoại cảnh, tuy nhiên nhiều vụ tai nạn vẫn xảy ra. Từ các tai nạn hàng hải cho thấy, việc am hiểu và tính toán cụ thể tác động của yếu tố ngoại cảnh tới tàu biển tại khu neo đậu với các trường hợp khác nhau, sẽ giúp cho thuyền trưởng, hoa tiêu, doanh nghiệp quản lý khai thác bến phao neo, khu vực neo có được giải pháp neo đậu đảm bảo an toàn. Với bề dầy lịch sử của ngành hàng hải, hiện nay trong chuyên ngành có khá nhiều công thức tính lực căng lỉn neo và lực giữ neo, nhưng chủ yếu là công thức thực nghiệm. Trong thực tiễn, những người điều khiển tàu mẫn cán nhất cũng chỉ tính toán các giá trị này trước khi đưa tàu vào neo và ngay khi neo xong, khi dòng chảy thay đổi theo hướng bất lợi họ không kịp tính toán để có giải pháp kịp thời. Vì vậy, việc tập trung nghiên cứu tác động của dòng chảy tại khu vực neo đậu lên tàu thủy sẽ đóng góp vào đảm bảo an toàn trong thực tiễn hàng hải tại các khu neo đậu. Với từng con tàu cụ thể, đặc điểm khu vực neo đậu đã thiết kế, thông tin về yếu tố ngoại cảnh đã biết, ta có thể tính toán bộ dữ liệu lớn, có sẵn trên từng tàu gồm các giá trị lực căng lỉn neo và các giá trị lực giữ neo tương ứng để trước khi đến khu neo, trước khi neo hay bất cứ thời điểm nào, người điều khiển tàu đều có thể nhanh chóng tra được các giá trị và tùy thuộc vào tình trạng thực tại của khu neo như mật độ tàu thuyền khác đang neo xung quanh, tình hình thời tiết và khí tượng thủy văn để đưa ra quyết định kịp thời và phù hợp, hạn chế được nguy cơ mất an toàn hàng hải. Xuất phát từ lý do trên, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu tác động của dòng chảy đến tàu thủy tại khu neo đậu Vũng Tàu”, theo hướng nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán động lực học chất lưu (CFD_Computational Fluid Dynamics) trong khoa học hàng hải, với thế mạnh là sử dụng chương trình tính toán mô phỏng Fluent - Ansys để tính toán, phân tích, đánh giá tác động của
v dòng chảy đến tàu thủy. Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án đã giải quyết các vấn đề theo trình tự sau: - Tổng hợp và phân tích cơ sở lý luận liên quan đến luận án như: Cơ sở lý thuyết về neo đậu tàu thủy, phương pháp tính toán động lực học chất lưu, đặc điểm khu neo đậu Vũng Tàu; - Xây dựng mô hình nghiên cứu tổng quát cho phép áp dụng cho tàu thủy bất kỳ tại khu neo đậu bất kỳ trên nền tảng ứng dụng phương pháp số, với đầu vào là: biên dạng vỏ tàu, tình trạng tải trọng, độ sâu khu vực neo đậu, chất đáy khu neo đậu, miền tốc độ dòng chảy tại khu vực, vị trí lỗ nống neo và chiều dài lỉn neo; đầu ra là: các thông số động lực học dòng chảy tác động lên vỏ tàu và lỉn neo để từ đó xác định được lực căng lỉn neo; - Để minh chứng cho phương pháp luận nói trên, luận án đã triển khai cho mô hình tàu cụ thể với tàu dầu Aulac Jupiter của Công ty Cổ phần Âu Lạc neo đậu tại khu vực Vũng Tàu, với hệ số đồng dạng hình học k = 100, có số lượng điểm tính toán mô phỏng cho 3 trường hợp mớn nước khác nhau tương ứng với 3 chế độ tải trọng là đầy tải, nửa tải và không tải. Ứng với mỗi mớn nước ta tính cho 5 giá trị vận tốc dòng chảy khác nhau 0,20; 0,25; 0,30; 0,35; 0,40 (knot), chiều dài lỉn neo là 110 (cm), chiều sâu khu vực Vũng Tàu là 14 (cm). Như vậy, sẽ có 15 điểm tính toán mô phỏng. Để hiệu chỉnh mô hình toán cho hạn chế sai số tốt nhất, NCS đã tiến hành thiết kế và chế tạo trực tiếp một hệ thống thực nghiệm cho cùng mô hình tàu Aulac Jupiter với các điểm làm việc tương đồng với bài toán mô phỏng số; - Sau khi đã có 15 điểm tính toán lực căng lỉn neo theo mớn nước và tốc độ dòng chảy khác nhau, NCS ứng dụng phép nội suy Lagrange để xây dựng hàm số xác định lực căng lỉn neo theo vận tốc khi cố định mớn nước, điều này cho phép ta tính toán được lực căng lỉn neo ở các điểm tốc độ dòng chảy khác nhau. Với mỗi con tàu cụ thể, khu neo đã biết, các yếu tố khí tượng thủy văn giả định, ứng dụng nghiên cứu này ta xây dựng bộ dữ liệu lớn có sẵn trên từng tàu giúp người điều khiển có thể tham khảo nhanh trong bộ dữ liệu đó các giá trị về lực căng lỉn neo và các giá trị lực giữ của neo để kịp thời đưa ra quyết định phù hợp, đảm bảo an toàn tàu. Từ khóa- Lực căng lỉn neo, phương pháp tính toán động lực học chất lưu, khu neo Vũng Tàu.
vi ABSTRACT According to the statistics of the Vietnam Maritime Administration, in the recent years, it is nearly 30 serious marine accidents each year in our country. Most of them occurred quite a lot in the Vung Tau area. One of the primary causes for these marine accidents is that mariners can not control external factors impacting on ship. In anchored areas in Vung Tau, there are many warnings for risk of drift anchor, clash occurred by surroundings, for which some maritime accidents had been occurred in this area. From these such marine accidents, the understand and calculation on specific impact of external factors to a vessel at anchored area in different manners, shall help Captains, Pilots, Management at mooring buoys, anchorage get more safety solutions for anchoring. During the long history of maritime industry, currently, there are many formulas for calculating anchor-chain tension force and anchor holding force, but most of them are experimental research. In fact, even the most experienced mariners are only able to calculate these values before vessel arriving anchorage as well as completing anchoring, they cannot calculate in time to get the timely solution when in case of flow changes in an adverse tendency. Therefore, a research concentrating on impact of flow at anchorage area against vessels is very important to ensure safety of navigation. By each specific vessel, designed specification of anchored area and noticed surrounding factors, we can calculate a ‘big data’ set available onboard each vessel including anchor-chain tension force and anchor holding force, for which any mariner can quickly check these kinds of value before arriving at anchored position or any time, depending on actual conditions in the anchorage such as other anchored vessels, weather and hydro-meteorological conditions to make timely and appropriate decisions, reduce the risk. For foregoing reasons, I make this thesis named "Research on the impact of flow to vessel in Vung Tau anchorage area", intend to apply researching and applying Computational Fluid Dynamics (CFD) in marine study, with the support of Fluent - Ansys simulation calculation program to calculate, analyse, and evaluate the impact of flow on vessel. To achieve the set objectives, the thesis has solved the problems in the following:
vii - Synthesize and analyze theoretical basis related to the thesis such as: Theoretical basis of anchoring technique, Computational Fluid Dynamics, Vung Tau anchorage characteristics; - Develop a general research model that allows application to any vessels at any anchorage on the basis of applying numerical methods, with inputs: specific hull profile, loading condition, depth the anchoring area, characteristics of the bottom layer of the anchorage, speed of flow in the area, position of the hawse pipe and length of the anchor-chain; the outputs are: the dynamic parameters of the current acting on the hull and anchor-chain to determine the anchor-chain tension force; - To prove the above methodology, the thesis deployed a specific ship model, the M/T Aulac Jupiter of Aulac Corporation, anchored in Vung Tau anchorage: With the number of simulation points for 3 different draft cases corresponding to 3 loading conditions are full load, half load and no-load. For each draft, we calculate 5 different values of flow velocity {0.20; 0.25; 0.30; 0.35; 0.40} (knot), length of anchor-chain is 110 (cm), depth of anchored position at Vung Tau anchorage is 14 (cm). Thus, there will be 15 simulation points. To adjust the mathematical model for the best error limit, the PhD.Student has directly designed and manufactured an experimental system for the same M/T Aulac Jupiter model with similar working points with the numerical simulation problem; - After having the 15 points calculating of anchor-chain tension force according to different draft and flow speed, the researcher applied Lagrange interpolation to build the functions to determine the anchor-chain tension force according to flow rate when fixing the draft. This allows us to calculate the anchor-chain tension force at any flow rate in the anchorage. For each specific vessel and given anchorage, assumed hydro- meteorological factor and the application of this research, we can build a big- data set available onboard each vessel to help mariners quickly refer the value of the anchor-chain tension force and the anchor holding force to make the timely and appropriately decision, to ensure safety. Index Terms- Anchor chain tension force, CFD, Vung Tau anchorage.
viii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii TÓM TẮT ............................................................................................................ iv ABSTRACT ......................................................................................................... vi MỤC LỤC .......................................................................................................... viii DANH MỤC VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU............................................................... xi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ................................................................ xiv DANH MỤC BẢNG .......................................................................................... xvi MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án........................................................................ 1 2. Mục tiêu của luận án ......................................................................................... 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ....................................................... 3 5. Những đóng góp của luận án............................................................................. 4 6. Phương pháp nghiên cứu của luận án ............................................................... 5 7. Bố cục của luận án ............................................................................................ 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................. 7 1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của luận án ................................................. 7 1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến luận án ....................... 7 1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến luận án ....................... 15 1.2 Tổng quan về khu neo đậu Vũng Tàu ........................................................... 16 1.2.1 Vị trí địa lý và tầm quan trọng của khu vực cảng Vũng Tàu ................. 16 1.2.2 Chế độ khí tượng thủy văn ..................................................................... 22 1.3 Cơ sở lý thuyết liên quan .............................................................................. 24 1.3.1 Một số khái niệm về chất lỏng ............................................................... 24
ix 1.3.2 Khái niệm về tính toán động lực học chất lưu ....................................... 27 1.3.3 Cơ sở lý thuyết về neo đậu tàu thủy ....................................................... 29 1.4 Giới hạn vấn đề nghiên cứu của luận án ....................................................... 33 1.5 Kết luận chương 1 ......................................................................................... 34 CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU XÁC ĐỊNH LỰC CĂNG LỈN NEO TÀU THỦY .............. 35 2.1 Xây dựng quy trình nghiên cứu..................................................................... 35 2.1.1 Xây dựng mô hình bài toán .................................................................... 35 2.1.2 Cơ sở toán học........................................................................................ 36 2.1.3 Quy trình ứng dụng phương pháp tính toán động lực học chất lưu ....... 39 2.2 Tính toán mô phỏng tác động của dòng chảy đến tàu thủy khi neo đậu....... 42 2.2.1 Giới hạn phương án tính toán mô phỏng ............................................... 42 2.2.2 Phân tích kết quả tính toán mô phỏng .................................................... 42 2.3 Kết luận chương 2 ......................................................................................... 56 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH LỰC CĂNG LỈN NEO TÀU THỦY ........................................................................................ 57 3.1 Phương án nghiên cứu thực nghiệm.............................................................. 57 3.2 Thiết kế, chế tạo và trang bị thiết bị nghiên cứu thực nghiệm...................... 58 3.2.1 Thiết kế chế tạo mô hình vỏ tàu ............................................................. 58 3.2.2 Thiết bị đo lực ........................................................................................ 59 3.2.3 Thiết bị đo tốc độ dòng chảy .................................................................. 60 3.2.4 Thiết kế chế tạo kênh dẫn tuần hoàn ...................................................... 61 3.3 Một số công việc chính phục vụ nghiên cứu thực nghiệm ........................... 62 3.3.1 Vệ sinh hệ thống, chuẩn bị thiết bị và cấp nước cho hệ thống tuần hoàn62 3.3.2 Lắp đặt thiết bị ....................................................................................... 63 3.3.3 Vận hành hệ thống thực nghiệm ............................................................ 64
x 3.4 Kết luận chương 3 ......................................................................................... 69 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH LỰC CĂNG LỈN NEO ..................................................................................................................... 70 4.1 Cơ sở toán học về nội suy hàm số ................................................................. 70 4.2 Ứng dụng phương pháp nội suy Lagrange xây dựng công thức xác định lực căng lỉn neo ......................................................................................................... 71 4.3 Phân tích đánh giá lực căng lỉn neo và lực giữ neo cho tàu Aulac Jupiter tại khu vực neo đậu Vũng Tàu ................................................................................. 75 4.3.1 Các thông số neo, lỉn neo của tàu Aulac Jupiter .................................... 75 4.3.2 Phân tích đánh giá lực căng lỉn neo và lực giữ neo ............................... 76 4.4 Hướng ứng dụng nghiên cứu vào lao động sản xuất .................................... 79 4.5 Kết luận chương 4 ......................................................................................... 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 84 1. KẾT LUẬN ..................................................................................................... 84 2. KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 85 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH.......................................................................................... 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 89 PHẦN PHỤ LỤC .............................................................................................. 101 PHỤ LỤC 1 ................................................................................................... 102 PHỤ LỤC 2 ................................................................................................... 119
xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa AIS Hệ thống tự động nhận dạng D Lượng giãn nước của tàu (tấn) DWT Trọng tải toàn phần F0 Ngoại lực tổng hợp tác động vào tàu khi neo (kG) Fg Lực tác động của gió lên phần nổi của tàu khi neo (kG) Lực tác động của dòng chảy vào phần chìm của tàu khi neo Fd (kG) Fm Lực tác động theo bài toán mô hình Ft Lực tác động theo bài toán thực FG Lực giữ của neo (kG) g Gia tốc trọng trường, g = 9,8 m/s2 H Độ cao từ lỗ nống tới đáy biển (m) k Hệ số đồng dạng kg Hệ số lực cản của gió đối với tàu biển kd Hệ số lực cản của dòng chảy đối với tàu Kl Hệ số lực giữ của neo Chiều dài đặc trưng, có giá trị bằng chiều dài toàn bộ tàu L (m) L1 Chiều dài của lỉn neo nằm trên đáy ln Chiều dài lỉn neo (m)
xii Mm Mô men theo bài toán mô hình Mt Mô men theo bài toán thực NCS Nghiên cứu sinh NM Hải lý = 1.852 mét P Lực giữ của neo Pl Trọng lượng 1m lỉn neo trong nước Pn Trọng lượng neo tính bằng kG R Lực căng lỉn neo RANS Phương pháp trung bình hóa số Reynol Rx Lực cản tác động lên tàu thủy theo phương dọc thân tàu S Diện tích mặt tiếp xúc của vỏ tàu (m2) SOLAS Công ước Quốc tế về an toàn sinh mạng trên biển T Mớn nước (m) TT ĐLHCL Tính toán động lực học chất lưu V Vận tốc dòng chảy (knot) Vg Tốc độ gió (m/s) Vm Vận tốc dòng chảy bài toán mô hình VOF Thể tích chất lỏng Vt Vận tốc dòng chảy bài toán thực Khối lượng của neo trong nước, tính bằng 0,867 lần khối Wa lượng của neo trong không khí (kg) Wc Khối lượng một mét lỉn neo trong nước (kg)
xiii αk Tỷ lệ thể tích pha thứ k γ Trọng lượng riêng, có đơn vị là N/m3 Ns  Hệ số nhớt động lực, có đơn vị m2  Góc nghiêng giữa lỉn neo và mặt phẳng đáy λa Hệ số lực bám đáy của neo λc Hệ số ma sát của lỉn neo υ Hệ số nhớt động học, có đơn vị m2/s ρ Khối lượng riêng, có đơn vị là kg/m3 g Khối lượng riêng không khí
xiv DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hình ảnh mô phỏng phương án neo đậu trên phần mềm MOSES......... 7 Hình 1.2 Phân tích kỹ thuật neo tàu bằng phần mềm MOSES ............................. 8 Hình 1.3 Số lượng nghiên cứu có liên quan đến nội dung luận án giai đoạn 2012-2020............................................................................................................ 14 Hình 1.4 Sơ đồ khu vực cửa biển Vũng Tàu ...................................................... 18 Hình 1.5 Sơ đồ khu vực neo đậu Vũng Tàu ........................................................ 19 Hình 1.6 Sơ đồ khu vực cảng xăng dầu Cù Lao Tào .......................................... 20 Hình 1.7 Sự phân bố đường kính hạt vật liệu đáy bùn trong Vịnh Gành Rái..... 21 Hình 1.8 Hướng và tốc độ dòng chảy tại một số khu vực neo đậu Vũng Tàu.... 22 Hình 1.9 Mô tả về điều kiện biên ........................................................................ 27 Hình 1.10 Đồ thị mô tả kết quả thực nghiệm mô hình neo và neo thật .............. 33 Hình 2.1 Mô hình bài toán nghiên cứu ............................................................... 35 Hình 2.2 Quy trình ứng dụng phương pháp tính toán động lực học chất lưu ..... 39 Hình 2.3 Mô hình bài toán và hình ảnh chia lưới ............................................... 43 Hình 2.4 Phân bố áp suất và phân bố pha khi vận tốc dòng chảy là 0,2 knot..... 44 Hình 2.5 Lực tác động lên vỏ tàu khi không tải ở vận tốc 0,20 knot.................. 45 Hình 2.6 Lực tác động lên vỏ tàu khi không tải ở vận tốc 0,25 knot.................. 46 Hình 2.7 Lực tác động lên vỏ tàu khi không tải ở vận tốc 0,30 knot.................. 46 Hình 2.8 Lực tác động lên vỏ tàu khi không tải ở vận tốc 0,35 knot.................. 47 Hình 2.9 Lực tác động lên vỏ tàu khi không tải ở vận tốc 0,40 knot.................. 47 Hình 2.10 Lực tác động lên vỏ tàu khi nửa tải ở vận tốc 0,20 knot .................... 48 Hình 2.11 Lực tác động lên vỏ tàu khi nửa tải ở vận tốc 0,25 knot .................... 48 Hình 2.12 Lực tác động lên vỏ tàu khi nửa tải ở vận tốc 0,30 knot .................... 49 Hình 2.13 Lực tác động lên vỏ tàu khi nửa tải ở vận tốc 0,35 knot .................... 49 Hình 2.14 Lực tác động lên vỏ tàu khi nửa tải ở vận tốc 0,40 knot .................... 50 Hình 2.15 Lực tác động lên vỏ tàu khi đầy tải ở vận tốc 0,20 knot .................... 50
xv Hình 2.16 Lực tác động lên vỏ tàu khi đầy tải ở vận tốc 0,25 knot .................... 51 Hình 2.17 Lực tác động lên vỏ tàu khi đầy tải ở vận tốc 0,30 knot .................... 51 Hình 2.18 Lực tác động lên vỏ tàu khi đầy tải ở vận tốc 0,35 knot .................... 52 Hình 2.19 Lực tác động lên vỏ tàu khi đầy tải ở vận tốc 0,40 knot .................... 52 Hình 2.20 Giá trị lực cản theo tốc độ dòng chảy ................................................ 54 Hình 2.21 Giá trị lực cản theo chế độ tải ............................................................ 54 Hình 2.22 Phân tích trọng lực lỉn neo ................................................................. 55 Hình 2.23 Phân tích lực tác động lên lỉn neo ...................................................... 55 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý bài toán nghiên cứu thực nghiệm.............................. 57 Hình 3.2 Hình ảnh mô hình tàu Aulac Jupiter .................................................... 58 Hình 3.3 Hình ảnh tàu Aulac Jupiter đang neo đậu ............................................ 59 Hình 3.4 Hình ảnh thiết bị đo lực........................................................................ 60 Hình 3.5 Hình ảnh thiết bị đo vận tốc dòng chảy ............................................... 60 Hình 3.6 Kích thước cơ bản kênh dẫn tuần hoàn ................................................ 62 Hình 3.7 Hình ảnh cấp nước cho hệ thống.......................................................... 63 Hình 3.8 Hình ảnh kiểm tra hệ thống trước khi vận hành................................... 63 Hình 3.9 Hình ảnh chất thêm tải để thay đổi mớn nước ..................................... 64 Hình 3.10 Sơ đồ bố trí lỉn neo tàu Aulac Jupiter tại khu neo đậu Vũng Tàu ..... 65 Hình 3.11 Mô hình tính toán lỉn neo tàu Aulac Jupiter ...................................... 65 Hình 3.12 Lực căng lỉn neo trên mô hình tàu Aulac Jupiter khi không tải......... 67 Hình 3.13 Lực căng lỉn neo trên mô hình tàu Aulac Jupiter khi nửa tải ............. 67 Hình 3.14 Lực căng lỉn neo trên mô hình tàu Aulac Jupiter khi đầy tải ............. 68 Hình 4.1 Giao diện sử dụng bộ dữ liệu neo đậu.................................................. 82
xvi DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Số vụ tai nạn hàng hải xảy ra tại các cảng của Việt Nam và khu vực Vũng Tàu ............................................................................................................... 1 Bảng 1.1 Tổng hợp các công bố trên thế giới ....................................................... 8 Bảng 1.2 Tổng hợp các công bố trong nước ....................................................... 15 Bảng 1.3 Tổng hợp đặc điểm tự nhiên khu vực neo đậu Vũng Tàu ................... 23 Bảng 1.4 Giá trị hệ số K1 phụ thuộc vào chất đáy .............................................. 31 Bảng 1.5 Hệ số lực bám đáy và hệ số ma sát của xích neo ................................ 32 Bảng 1.6 Các thông số cơ bản tàu Aulac Jupiter ................................................ 34 Bảng 2.1 Tổng hợp các đặc tính lựa chọn ........................................................... 38 Bảng 2.2 Các đặc tính dòng chảy 2 pha .............................................................. 38 Bảng 2.3 Phân tích quy trình ứng dụng phương pháp tính toán động lực học chất lưu ........................................................................................................................ 40 Bảng 2.4 Số lượng lưới cho trường hợp không tải ............................................. 43 Bảng 2.5 Bảng tổng hợp giá trị tính toán lực cản trên vỏ tàu ............................. 53 Bảng 3.1 Các thông số chính của thiết bị đo lực................................................. 59 Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả tính toán lực căng lỉn neo bằng phương pháp tính toán động lực học chất lưu và thực nghiệm ........................................................ 66 Bảng 4.1 Số liệu lực căng lỉn neo khi không tải ................................................. 72 Bảng 4.2 Các hệ số xác định hàm số biểu diễn mối quan hệ giữa lực căng lỉn neo và vận tốc dòng chảy trong trường hợp không tải .............................................. 73 Bảng 4.3 Các hệ số xác định hàm số biểu diễn mối quan hệ giữa lực căng lỉn neo và vận tốc dòng chảy trong trường hợp nửa tải .................................................. 74 Bảng 4.4 Các hệ số xác định hàm số biểu diễn mối quan hệ giữa lực căng lỉn neo và vận tốc dòng chảy trong trường hợp đầy tải................................................... 74 Bảng 4.5 Các thông số chính của neo tàu Aulac Jupiter ..................................... 75 Bảng 4.6 Các thông số chính của lỉn neo tàu Aulac Jupiter ............................... 75
xvii Bảng 4.7 Kết quả lực căng lỉn neo tàu thực (tính theo kG) ................................ 76 Bảng 4.8 Kết quả lực căng lỉn neo tàu thực (tính theo % lực giữ neo) ............... 77 Bảng 4.9 Lực căng lỉn neo trong trường hợp không tải ...................................... 78 Bảng 4.10 Lực căng lỉn neo trong trường hợp nửa tải ........................................ 78 Bảng 4.11 Lực căng lỉn neo trong trường hợp đầy tải ........................................ 79
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Theo kết quả thống kê của Cục Hàng hải Việt Nam, giai đoạn 2010 – 2017 [107], trong cả nước trung bình mỗi năm có gần 30 vụ tai nạn hàng hải nghiêm trọng liên quan đến tàu biển. Số vụ tai nạn hàng hải xảy ra khá nhiều tại khu vực Vũng Tàu, cụ thể theo bảng sau: Bảng 1. Số vụ tai nạn hàng hải xảy ra tại các cảng của Việt Nam và khu vực Vũng Tàu Năm 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Số vụ tai nạn hàng hải 43 60 34 30 16 23 21 19 trong cả nước Số vụ tai nạn hàng hải 09 11 07 03 06 04 04 09 khu vực Vũng Tàu Một trong những nguyên nhân gây ra tai nạn hàng hải là người điều khiển tàu thủy không làm chủ được tác động của các yếu tố ngoại cảnh đến tàu. Tại khu vực neo đậu Vũng Tàu đã có nhiều cảnh báo nguy cơ trôi neo, va chạm do tác động của yếu tố ngoại cảnh. Một số vụ tai nạn hàng hải [111], [112] đáng báo động tại khu vực này đã xảy ra: - Ngày 07/7/2010 đã xảy ra vụ tai nạn hàng hải giữa tàu dầu Weichi, cảng đăng ký Hồng Kông, trọng tải 45.854 DWT và Bến phao neo tàu dầu trọng tải 50.000 DWT thuộc kho xăng dầu Cù Lao Tào. Hậu quả của vụ tai nạn làm cho chân vịt tàu Weichi bị biến dạng và phao số 4 của Bến phao neo bị chìm; - Ngày 19/10/2012 đã xảy ra sự cố đứt dây buộc của tàu dầu Nord Optimiser, cảng đăng ký Monrovia, trọng tải 47.371 DWT khi tàu đang làm hàng tại Bến phao neo thuộc Kho xăng dầu Cù Lao Tào. Hậu quả làm đứt 15