Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thuỷ trong quá trình thay đổi hướng chuyển động

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:195

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án nhằm nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy hay “lực gia thêm”, trong quá trình thay đổi hướng chuyển động. Để hiểu rõ hơn về đề tài, mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết luận án!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thuỷ trong quá trình thay đổi hướng chuyển động

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH NCS. NGUYỄN THÀNH NHẬT LAI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN TÀU THỦY TRONG QUÁ TRÌNH THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH - 2020
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH NCS. NGUYỄN THÀNH NHẬT LAI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN TÀU THỦY TRONG QUÁ TRÌNH THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC HÀNG HẢI MÃ SỐ: 9840106 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Phạm Kỳ Quang 2. TS. Vũ Văn Duy TP. HỒ CHÍ MINH - 2020
MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................ v LỜI CÁM ƠN ............................................................................................. vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ............................... vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................ ix DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................ xvi MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của luận án....................................................................... .1 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án . ........................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án . ..................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu của luận án . ................................................... 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................. 4 6. Những điểm đóng góp mới của luận án .................................................. 5 7. Bố cục của luận án . .................................................................................. 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN TÀU THỦY ..................... 7 1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của luận án ..................................... 7 1.1.1. Phân tích tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................ 7 1.1.2. Phân tích tình hình nghiên cứu trong nước ......................... 10 1.2. Tổng quan về động lực học dòng chảy bao tàu thủy và CFD ........... 11 1.2.1. Một số khái niệm về động lực học dòng chảy bao tàu thủy 11 1.2.2. Khái niệm về CFD ............................................................. 17 1.3. Một số khái niệm liên quan đến chuyển động tàu thủy .................... 21 1.4. Cơ sở lý thuyết về ổn định tàu thủy ................................................... 24 1.5. Giới hạn vấn đề nghiên cứu của luận án ........................................... 30 i
1.7. Kết luận chương 1 .............................................................................. 31 CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG CFD TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO QUANH TÀU THỦY ..................................................................................... 32 2.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu và cơ sở toán học ............................. 32 2.1.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu ........................................... 32 2.1.2. Cơ sở toán học ................................................................... 34 2.2. Tính toán mô phỏng động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy .. 37 2.2.1. Giới hạn điều kiện biên ...................................................... 37 2.2.2. Một số cửa sổ chính khi tính toán cùng Fluent-Ansys ........ 38 2.3. Phân tích kết quả tính toán mô phỏng .............................................. 44 2.3.1. Trường hợp tàu đi thẳng ..................................................... 45 2.3.2. Trường hợp tàu thay đổi hướng chuyển động ..................... 46 2.3.2.1. Kết quả tính toán mô phỏng cho bài toán 2D .................. 46 2.3.2.2. Kết quả tính toán mô phỏng cho bài toán 3D .................. 52 2.4. Kết luận chương 2 .............................................................................. 60 CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN TÀU THỦY KHI THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG ..................... 61 3.1. Xây dựng mô hình bài toán và quy trình tính toán mô phỏng .......... 61 3.1.1. Xây dựng mô hình bài toán nghiên cứu .............................. 61 3.1.2. Xây dựng quy trình tính toán mô phỏng ............................. 63 3.2. Kết quả tính toán mô phỏng của từng trường hợp ........................... 65 3.2.1. Điều kiện đầu vào .............................................................. 65 ii
3.2.2. Kết quả tính toán mô phỏng cho từng trường hợp khi hướng chuyển động thẳng, khi thay đổi hướng chuyển động và vận tốc của tàu .......................................................................... 67 3.2.2.1. Trường hợp tàu chuyển động thẳng ................................. 67 3.2.2.2. Trường hợp thay đổi hướng chuyển động của tàu θ = 0100 ..................................................................................................... 70 3.2.2.3. Trường hợp thay đổi hướng chuyển động θ = 0200 và θ = 0300 ........................................................................................ 72 3.3. Tổng hợp, phân tích và đánh giá kết quả tính toán mô phỏng ........ 73 3.3.1. Đối với giá trị lực cản ........................................................ 73 3.3.2. Đối với giá trị lực ly tâm .................................................... 77 3.3.3. Đối với giá trị mô men gia thêm ........................................ 78 3.4. Kết luận chương 3 .............................................................................. 79 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM: PHÂN TÍCH, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ...................... 82 4.1. Một số mô hình bể thử tàu .................................................................. 82 4.2. Thiết kế và chế tạo mô hình tàu nghiên cứu thực nghiệm ................ 89 4.2.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm ...................................... 89 4.2.2. Thiết kế chế tạo một số thiết bị chính ................................. 89 4.3. Quy trình và phương án nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam ................................... 91 4.3.1. Quy trình vận hành bể thử mô hình tàu .............................. 91 4.3.2. Giới hạn phương án nghiên cứu thực nghiệm ..................... 92 4.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu ................. 96 4.4.1. Dữ liệu cơ bản liên quan tại bể thử mô hình tàu ................. 96 4.4.2. Phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm ...... 96 iii
4.5. Tổng hợp, so sánh và đánh giá kết quả tính toán mô phỏng và kết quả nghiên cứu thực nghiệm ........................................................... 100 4.6. Kết luận chương 4 ............................................................................ 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 105 KẾT LUẬN................................................................................................ 105 KIẾN NGHỊ ............................................................................................... 107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................ 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................ 110 PHẦN PHỤ LỤC (Gồm 03 phụ lục) ....................................................... 115 PHỤ LỤC 1: HỒ SƠ LIÊN QUAN M/V TAN CANG FOUNDATION PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG BẰNG NAPA PHỤ LỤC 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ CHỨNG NHẬN KẾT QUẢ TẠI BỂ THỬ MÔ HÌNH TÀU CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM iv
LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Nguyễn Thành Nhật Lai - Nghiên cứu sinh chuyên ngành: Khoa học hàng hải và là tác giả luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động”, dưới sự hướng dẫn của tập thể người hướng dẫn khoa học: Thầy PGS. TS. Phạm Kỳ Quang và thầy 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 số liệu, kết quả nghiên cứu 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 17 tháng 02 năm 2020 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thành Nhật Lai v
LỜI CẢM ƠN Với sự nỗ lực không ngừng của bản thân trong quá trình học tập, nghiên cứu, tìm tòi tài liệu, vận dụng kiến thức đã học trong Nhà trường và thực tiễn công tác. Được sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của các thầy hướng dẫn khoa học, 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 và bày tỏ sự tri ân đến thầy PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, thầy TS. Vũ Văn Duy, đã hướng dẫn tận tình, chu đáo suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án tiến sĩ 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 Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Lãnh đạo các Ban/Ngành, Viện nghiên cứu, các đơn vị, công ty vận tải thủy, cảng vụ Hàng hải,… trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Nhà trường. 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. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn cán bộ, chuyên viên của Viện Đào tạo sau đại học, Khoa Hàng hải, các Phòng, Ban chức năng của Nhà trường, đã tạo điều kiện thuận lợi, động viên, giúp đỡ trong quá trình 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. 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. Nghiên cứu sinh: Nguyễn Thành Nhật Lai vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa CFD Tính toán động lực học dòng chảy E Năng lượng Flt Lực ly tâm, (N) Fr, Fn Số Froude g Gia tốc trong trường, (m/s2) ITTC-57 Tiêu chuẩn đồng dạng của Hội đồng bể thử quốc tế Ls Chiều dài tàu thực, (m) Lm Chiều dài tàu mô hình (m) NCS Nghiên cứu sinh P Lực gia thêm, (N) r Bán kính vòng quay tàu thủy, (m) R Lực cản (N) RL Lực bẻ lái tác động lên bánh lái, (N) RD Lực cản tác động lên bánh lái, (N) RTM Lực cản của tàu mô hình, (N) RTS Lực cản của tàu thực, (N) T Lực đẩy do chân vịt tàu thủy tạo ra, (N) T’ Lực cản tác động lên vỏ tàu thủy, (N) T* Lực đổ ngang tác động lên chân vịt tàu thủy, (N) Tgt Lực cản gia thêm, (N) VOF Tên phương pháp: Thể tích chất lỏng VS, Vp, Vt Vận tốc của tàu thực, (knot, m/s) VM, Vm Vận tốc mô hình tàu, (m/s) α Góc bẻ lái, (độ) αk Tỷ lệ thể tích pha thứ k vii
β Góc nghiêng, (độ) γ Trọng lượng riêng của chất lỏng θ Góc thay đổi hướng chuyển động, (độ) ρ Khối lượng riêng của chất lỏng, (kg/m3) viii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hình Tên hình vẽ và đồ thị Trang Ứng dụng CFD nghiên cứu lực cản và ảnh hưởng của 1.1 7 sóng 1.2 CFD với tương tác dòng chảy qua chân vịt - bánh lái 8 1.3 Kết quả tính toán mô phỏng về mặt thoáng 8 1.4 Mô hình 3D tàu Ajax (IMD-523C) 9 Kết quả tính toán mô phỏng bằng CFD và nghiên cứu 1.5 thực nghiệm trên mô hình tàu của tác giả Brendan 9 Smoker 1.6 Hình ảnh mô tả dòng chảy rối 14 1.7 Quan hệ giữa vận tốc và thời gian của dòng chảy rối 14 1.8 Phân chia thang đo mức dịch chuyển của phần tử lỏng 15 1.9 Mô tả về điều kiện biên 17 Quy trình tính toán mô phỏng bằng CFD trong lĩnh vực 1.10 19 khoa học hàng hải 1.11 Mô tả thành phần và tham số động học của chuyển động tàu 25 Thành phần và tham số động học của chuyển động tàu xét 1.12 25 trong mặt phẳng nằm ngang 1.13 Minh họa ổn định tàu thủy 26 1.14 Ổn định của tàu tại góc nghiêng nhỏ 28 1.15 Ổn định của tàu tại góc nghiêng lớn 28 1.16 Đồ thị đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh 30 ix
Mô phỏng mô hình tàu đồng dạng theo tiêu chuẩn với 2.1 32 M/V TAN CANG FOUNDATION 2.2 Mô tả hình ảnh các đường mớn nước khảo sát 33 2.3 Mô hình bài toán nghiên cứu và các điều kiện biên 34 2.4 Mô tả mặt thoáng phân cách trong bài toán hai pha 35 2.5 Cửa sổ lựa chọn mô hình tính toán VOF 39 2.6 Cửa sổ lựa chọn chương trình tính toán VOF 39 2.7 Cửa sổ lựa chọn thông số pha 1 (pha không khí) 40 2.8 40 Cửa sổ lựa chọn thông số pha 2 (pha không nước) 2.9 Cửa sổ lựa chọn thông số đầu vào nước 41 2.10 Cửa sổ lựa chọn thông số đầu vào khí 41 2.11 Cửa sổ tổng hợp giá trị đầu vào nước và khí 42 2.12 Cửa sổ lựa chọn kỹ thuật giải 42 2.13 Cửa sổ hiện thị trạng thái tính toán và tiêu chuẩn hội tụ 43 2.14 Cập nhật điều kiện cho vòng tính toán đầu 43 Cửa sổ đưa số vòng lặp/bước thời gian và tổng bước thời 2.15 44 gian Kết quả tính toán mô phỏng lưới chia của mô hình tính 2.16 44 toán Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất hai bên mạn 2.17 45 tàu (xét phần tiếp xúc với nước) Kết quả tính toán mô phỏng cho đường nước khảo sát: 2.18 46 a) Phân bố áp suất; b) hệ số áp suất. 2.19 Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 2 khi 47 x
Vt = 4,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp suất; b) Phân bố hệ số áp suất Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 2 khi 2.20 Vt = 7,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp 48 suất; b) Phân bố hệ số áp suất Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 5 khi 2.21 Vt = 4,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp 48 suất; b) Phân bố hệ số áp suất Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 5 khi 2.22 Vt = 7,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp 49 suất; b) Phân bố hệ số áp suất Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 7 khi 2.23 Vt = 4,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp 50 suất; b) Phân bố hệ số áp suất Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 7 khi 2.24 Vt = 7,5 m/s, thay đổi θ là 0050 và 0200: a) Phân bố áp 50 suất; b) Phân bố hệ số áp suất Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất của đường 2.25 51 nước số 2, khi giá trị Vt thay đổi, với θ = 0300 Kết quả tính toán mô phỏng phân bố hệ số áp suất của 2.26 52 đường nước số 2, khi giá trị Vt thay đổi, với θ = 0300 Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất trên vỏ tàu, 2.27 53 khi thay đổi θ = 0200, Vt = 7,5 m/s Kết quả tính toán mô phỏng phân bố pha khí trên vỏ tàu, 2.28 54 khi thay đổi θ = 0200, Vt = 7,5 m/s Kết quả phân bố áp suất phần vỏ tàu chìm dưới nước, 2.29 55 khi thay đổi θ = 0200, Vt = 7,5 m/s: a) Mạn phải; b) Mạn xi
trái Kết quả xác định mô men tác động lên vỏ tàu theo các 2.30 55 phương Kết quả xác định tâm áp suất tác động lên vỏ tàu theo các 2.31 56 phương Kết quả mô phỏng phân bố áp suất phần vỏ tàu chìm 2.32 dưới nước, khi thay đổi hướng chuyển động với θ = 200, 56 Vt = 4,5 m/s: a) Mạn phải; b) Mạn trái Kết quả phân bố áp suất phần vỏ tàu chìm dưới nước, khi 2.33 57 thay đổi θ = 0200, Vt = 4,5 m/s: a) Mạn phải; b) Mạn trái Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất mạn phải 2.34 và mạn trái vỏ tàu phần chìm dưới nước, khi thay đổi 58 θ = 0150: a, b) Vt = 4,5 m/s; c, d) Vt = 7,5 m/s Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất mạn phải 2.35 và mạn trái vỏ tàu phần chìm dưới nước, khi thay đổi 58 θ = 0100: a, b) Vt = 4,5 m/s; c, d) Vt = 7,5 m/s Kết quả phân bố áp suất mạn phải và mạn trái vỏ tàu 2.36 phần chìm dưới nước, khi thay đổi θ = 0050: 59 a, b) Vt = 4,5 m/s; c, d) Vt = 7,5 m/s 3.1 Xây dựng mô hình bài toán nghiên cứu 61 3.2 Xây dựng sơ đồ khối quy trình tính toán mô phỏng 63 3.3 Kết quả tính toán mô phỏng lưới chia 66 Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất khi vận tốc 3.4 68 tàu mô hình Vm = 0,45 m/s và hướng đi thẳng Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất khi hướng đi 3.5 69 thẳng và vận tốc tàu mô hình: a) Vm = 0,55 m/s; b) Vm = xii
0,65 m/s; c) Vm = 0,75 m/s Đồ thị mối quan hệ lực cản mô hình tàu và tốc độ tàu mô 3.6 hình thay đổi, khi tàu ổn định trên hướng chuyển động 70 thẳng Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất khi 3.7 70 Vm = 0,45 m/s, thay đổi hướng chuyển động θ = 0100 Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa lực ly tâm và sự thay đổi 3.8 lực cản của tàu, khi chuyển động thẳng và thay đổi 71 hướng chuyển động θ = 0100 Đồ thị mô tả giá trị mô men gia thêm của tàu, khi thay 3.9 72 đổi hướng chuyển động θ = 0100 Mô tả khoảng giá trị lực cản gia thêm, với Vm = 0,75 m/s, 3.10 khi tàu chuyển động thẳng và hướng chuyển động thay 73 đổi θ = {0100, 0200, 0300} Đồ thị mô tả khoảng giá trị lực cản gia thêm khi hướng 3.11 chuyển động thay đổi, khi vận tốc tàu tăng theo 75 Vm = {0,45, 0,55, 0,65, 0,75} Đồ thị mô tả khoảng giá trị gia thêm lực ly tâm khi tàu 3.12 thay đổi hướng chuyển động và vận tốc tăng tương ứng 77 Vm = {0,45, 0,55, 0,65, 0,75} Đồ thị mô tả khoảng giá trị mô men gia thêm theo vận 3.13 tốc, khi tàu thay đổi hướng chuyển động thứ tự 78 θ = {0100, 0200, 0300} Hình ảnh mô tả về bể thử của Trường Đại học Công nghệ 4.1 82 Sharif (Iran) 4.2 Hình ảnh mô tả bể thử tại Hamburg (Liêng bang Đức) 83 4.3 Hình ảnh mô tả bể thử tại Trường Đại học Madrid (Tây 83 xiii
Ban Nha) 4.4 Hình ảnh mô tả bể thử Marin tại Hà Lan 84 4.5 Hình ảnh mô tả bể thử tại Trường Đại học Gent (Bỉ) 84 Hình ảnh mô tả bể thử tại Trường Đại học Shouthampton 4.6 85 (Anh) 4.7 Hình ảnh mô tả bể thử mô hình tàu Marintek (Na Uy) 86 Hình ảnh mô tả bể thử tại Trường Đại học Hàng hải Việt 4.8 87 Nam 4.9 Mô hình xe kéo tại bể thử mô hình tàu 88 4.10 Tàu mô hình được gắn vào xe kéo tại bể thử mô hình tàu 88 4.11 Xe kéo trên đường ray và hệ thống điều khiển tại bể thử 88 Thiết bị cân bằng đơn/lực cản R35-1 với dải lực cản đo ± 4.12 89 200 N 4.13 Hình ảnh mô hình tàu dựng trên phần mềm NAPA 90 4.14 Yêu cầu về kích thước mặt bích gắn trên mô hình tàu 91 4.15 Mặt bích bằng gỗ được bắt với tàu mô hình thực nghiệm 91 4.16 Kiểm tra tổng thể hệ thống trước khi thực nghiệm 94 4.17 Khởi động máy tính và phần mềm điều khiển 95 4.18 Thực hiện đặt lệnh triển khai thực nghiệm 95 Hệ thống quản lý dữ liệu và ghi lại dữ liệu đo theo thời 4.19 95 gian Đồ thị mô tả mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận 4.20 97 tốc của tàu mô hình khi hướng chuyển động thẳng 4.21 Đồ thị mô tả mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận 98 xiv
tốc của tàu mô hình khi thay đổi θ = 0100 Đồ thị mô tả mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận 4.22 98 tốc của tàu mô hình khi thay đổi θ = 0200 Đồ thị mô tả mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận 4.23 99 tốc của tàu mô hình khi thay đổi θ = 0300 Đồ thị mối quan hệ giá trị lực cản đo được và vận tốc của 4.24 100 tàu, khi thay đổi hướng chuyển động khác nhau Đồ thị so sánh kết quả nhận được theo CFD (mầu xanh) và thực nghiệm (mầu đỏ), khi: a) hướng chuyển động 4.25 102 thẳng; b, c, d) thay đổi hướng chuyển động của tàu mô hình xv
DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 2.1 Tổng hợp các đặc tính lựa chọn 36 2.2 Các đặc tính dòng chảy hai pha 36 Tổng hợp giá trị đầu vào cho các phương án tính toán 2.3 37 mô phỏng 3.1 Thông tin kết quả về lưới chia 66 Tổng hợp kết quả giá trị lực cản khi tàu ổn định trên 3.2 69 hướng chuyển động thẳng Kết quả tính toán khi tàu thay đổi hướng chuyển động 3.3 71 θ = 0100 Tổng hợp kết quả tính toán mô phỏng của từng trường 3.4 72 hợp thay đổi 4.1 Các thông số chính của bể số 1 và bể số 2 86 4.2 Tổng hợp các phương án nghiên cứu thực nghiệm 93 4.3 Dữ liệu về mô hình tàu 96 4.4 Đặc tính nước tại bể thử 96 4.5 Kết quả đo lực cản mô hình tàu và số liệu chuyển đổi 96 Tổng hợp kết quả đo trên mô hình tàu và chuyển đổi cho 4.6 99 tàu thật Tổng hợp kết quả lực cản tác động trên mô hình tàu theo 4.7 102 phương pháp CFD và thực nghiệm xvi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Tàu thủy là đối tượng hoạt động trên mặt nước với môi trường phức tạp chịu sự tác động của nhiễu ngẫu nhiên, như: sóng, gió, dòng chảy, thời tiết,… hơn nữa, bản thân các nhiễu này cũng có tính chất tính phi tuyến rất lớn. Tàu thủy cân bằng trong môi trường nước là nhờ lực đẩy Ác-si-mét tác động lên tàu, khi tàu thủy chuyển động ở một vận tốc nhất định nào đó, thì lực đẩy mà chân vịt tạo ra sẽ cân bằng với lực cản do dòng chất lỏng bao quanh vỏ tàu gây ra. Lực bẻ lái giúp tàu thay đổi hướng chuyển động, cũng được tạo ra nhờ sự chuyển đổi năng lượng của dòng chảy bao quanh bánh lái. Đặc biệt khi tàu thay đổi hướng chuyển động, lúc này dòng chảy bao quanh vỏ tàu lệch với trục dọc tàu một góc nào đó, điều này dẫn tới sự chênh lệch áp suất giữa hai mạn tàu, lúc này chất lỏng (khối nước) tác động lên thân tàu một lực “gia thêm” hay lực “bù”. Như vậy, lực gia thêm tác động lên tàu thủy trong khuôn khổ của của vấn đề nghiên cứu chính là lực thủy động của chất lỏng tác động lên vỏ tàu trong quá trình tàu thay đổi hướng chuyển động (P) và được phân tích thành ba thành phần cơ bản: Lực ly tâm Flt (chiếu P lên phương vuông góc với trục tàu và nó có chiều trùng với lực ly tâm do vật thể có khối lượng quay quanh tâm quay vì vậy ta gọi là thành phần gia thêm về lực ly tâm), lực cản gia thêm Tgt (chiếu P lên phương dọc tàu và chúng có chiều ngược hướng chuyển động tàu lên gọi là lực cản gia thêm) và mô men gây lật (xuất phát từ thành phần do P chiếu lên phương thẳng đứng và chúng lệch khỏi trục tàu một cánh tay đòn nhất định do đó tạo ra mô men gây lật). Khi tàu thay đổi hướng chuyển động, tương ứng với vận tốc chuyển động của tàu, thì tàu thủy sẽ chịu lực gia thêm khác nhau. Nếu độ lớn của lực này quá giới hạn cho phép, việc thay đổi hướng chuyển động của tàu sẽ gặp 1
nhiều khó khăn, nguy hiểm hơn là tàu thủy có thể rơi vào trạng thái cân bằng không ổn định, là một trong những nguyên nhân gây lật tàu. Xuất phát từ việc phân tích nêu trên thấy rằng: Việc nghiên cứu hoàn chỉnh cơ sở khoa học về động lực học dòng chảy bao kết hợp với điều khiển hướng chuyển động tàu thủy luôn luôn cấp thiết, mang tính thời sự, có ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn trong ngành hàng hải. Nhằm giải quyết vấn đề nghiên cứu này, nghiên cứu sinh (NCS) đã lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động” để thực hiện. Hơn nữa, để thực hiện thành công mục đích nghiên cứu, NCS đã thực hiện kết hợp một số nội dung nghiên cứu trong luận án tiến sĩ với hai đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải, năm 2017 [13], [29], cụ thể: - Đề tài KHCN: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh giá tác động của tổ hợp chân vịt - bánh lái đến đặc tính điều khiển hướng chuyển động tàu thủy”, mã số: DT 174003, với chủ nhiệm đề tài là PGS. TS. Phạm Kỳ Quang làm, TS. Vũ Văn Duy, NCS. Nguyễn Thành Nhật Lai là các thành viên tham gia chính, cùng một số thành viên khác. - Đề tài KHCN: “Xây dựng chương trình tính toán mô phỏng và thử nghiệm một số nguyên nhân cơ bản dẫn đến tai nạn hàng hải trên tuyến luồng Sài Gòn phục vụ công tác đào tạo và huấn luyện thuyền viên”, mã số: DT 174030, năm 2017 do tác giả Cổ Tấn Anh Vũ làm chủ nhiệm đề tài, PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, TS. Vũ Văn Duy, NCS. Nguyễn Thành Nhật Lai là thành viên tham gia chính, cùng một số thành viên khác. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Là nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy hay “lực gia thêm”, trong quá trình thay đổi hướng chuyển động. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu: 2