Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đề xuất hình dáng tàu chở container phù hợp tuyến luồng sông biển Việt Nam

Chia sẻ: ViSteveballmer ViSteveballmer | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:168

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu đề xuất mô hình toán cải tiến hình dáng tàu chở container trong giai đoạn thiết kế sơ bộ nhằm giảm lực cản tàu trên cơ sở có tính đến các điều kiện ràng buộc về tuyến luồng sông biển Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đề xuất hình dáng tàu chở container phù hợp tuyến luồng sông biển Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ NGỌC HOA NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HÌNH DÁNG TÀU CHỞ CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số chuyên ngành: 9520116 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 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ NGỌC HOA NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HÌNH DÁNG TÀU CHỞ CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số chuyên ngành: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Vũ Ngọc Bích 2. PGS.TS. Lê Tất Hiển TP Hồ Chí Minh, 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong suốt luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ luận án nghiên cứu nào khác. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn, tham chiếu đầy đủ. Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Ngọc Hoa
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí của trường đã cho phép và tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn khoa học: PGS. TS Vũ Ngọc Bích và PGS. TS Lê Tất Hiển đã nhiệt tình hướng dẫn, định hướng giúp tôi hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các chuyên gia tham gia góp ý và phản biện trong các hội đồng bảo vệ tổng quan, bảo vệ chuyên đề đã giúp tôi làm sáng tỏ các vấn đề từ đó có nghiên cứu trọng tâm để hoàn thiện luận án Tôi cũng xin cảm ơn đơn vị thiết kế tàu đã hỗ trợ tài liệu, các mô phỏng cần thiết giúp tôi có thể ứng dụng trong nghiên cứu, xây dựng và đánh giá mô hình toán mô phỏng chính xác Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã luôn động viên, khuyến khích, tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận án này. TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngọc Hoa
iii TÓM TẮT Vấn đề sử dụng năng lượng hiệu quả cho phương tiện thủy ngày càng mang tính cấp thiết vì liên quan đến tiết kiệm nhiên liệu trong khai thác tàu và các yêu cầu bắt buộc của Ủy ban bảo vệ môi trường biển (MEPC) thuộc Tổ chức hàng hải quốc tế (IMO) về giảm ô nhiễm môi trường và lượng phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính toàn cầu. Đối với các tàu chạy tuyến SB (pha sông biển), mặc dù nằm ngoài đối tượng áp dụng các quy định trên của IMO, cũng cần phải thỏa mãn các quy định, nghị quyết, các luật của Việt Nam về mục tiêu sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm. Chính vì vậy, bài toán nghiên cứu các giải pháp thiết kế phương tiện thủy nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng đang là chủ đề có tính thời sự không những đối với đội tàu chạy chuyến quốc tế của Việt Nam nói chung mà còn đối với cả đội tàu SB nói riêng. Trong luận án này, tác giả trình bày phương pháp luận trong thiết kế tuyến hình tàu SB và phân tích, trình bày hàm mục tiêu sức cản dựa trên phương pháp bán thực nghiệm Holtrop, có xét điều kiện ràng buộc độ sâu tuyến luồng sông biển Việt Nam. Kế đến, thuật toán tối ưu hóa di truyền được xây dựng để chọn lựa thông số hình dáng phù hợp theo hướng giảm sức cản tàu, từ đó tiết kiệm được nhiên liệu cho tàu, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường. Cuối cùng, luận án đã thiết lập và đề xuất mô hình toán NUBS cho hình dáng tàu để giải quyết tính mất liên tục giữa các phân đoạn mũi, lái và thân ống sau hiệu chỉnh Lackenby và mở rộng đề xuất tập hợp hàm cơ sở NUBS phù hợp cho tàu container tuyến luồng sông biển. Phương pháp mô phỏng số (CFD) được sử dụng để tính toán lực cản tàu nhằm đánh giá, kiểm chứng hình dáng thân tàu container và khẳng định kết quả cải tiến hình dáng thân tàu container theo mô mình toán đề xuất.
iv ABSTRACT The issue of efficient energy use for ships is urgent because of fuel-saving in ship operation and the mandatory requirements of the Marine Environment Protection Committee (MEPC) of the International Maritime Organization (IMO) to reduce environmental pollution global and greenhouse gas emissions. For ships operating on the coastal route (both at sea and in inland waters), although they are not subject to the application of the above regulations of IMO, it is also necessary to satisfy the regulations, resolutions, and laws of Vietnam on the intended use of energy-efficient and economical. Therefore, researching solutions to design vessels to improve energy efficiency is critical for Vietnam's international fleet of ships in general and the whole coaster fleet in particular. In this thesis, the author presents the methodology in designing the hull form of a sea-river ship and analyzes and presents the objective function of resistance based on the Holtrop semi-empirical method, considering the condition of constraining the shallow water of the Vietnamese waterway. Next, a genetic optimization algorithm was built to select suitable hull form parameters to reduce ship resistance, thereby saving fuel for ships, improving economic efficiency, and reducing environmental pollution. Finally, the NUBS mathematical model has been established and proposed for the ship hull form to solve the discontinuity between the bow, aft, and mid-body after Lackenby variation and extended the proposed set of basis functions of NUBS is suitable for container ships on the coastal route. The computational fluid dynamic method (CFD) is used to calculate the ship resistance to evaluate and verify the hull form and confirm the results of improving the hull form of the container ship according to the proposed NUBS mathematical model.
v MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT................................................................................. viii DANH MỤC HÌNH VẼ .........................................................................................................................x DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................................................xv MỞ ĐẦU .................................................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM ........................................................................................5 1.1. Tổng quan về tuyến vận tải thủy sông biển trong hệ thống vận tải đa phương thức ................. 5 1.1.1 Vai trò, thực trạng vận tải thủy trên thế giới và tại Việt Nam................................................ 5 1.1.2 Đặc điểm ràng buộc thủy – hải văn ảnh hưởng đến hình dáng phương tiện thủy trên tuyến luồng sông biển Việt Nam ............................................................................................................... 8 1.2. Tổng quan kích thước cơ bản và ràng buộc thiết kế cho hình dáng tàu container tuyến luồng sông biển trên thế giới và tại Việt Nam............................................................................................. 13 1.3. Hướng tiếp cận cải tiến tuyến hình tàu container nhằm giảm sức cản dựa trên giải thuật tối ưu và đồ họa máy tính............................................................................................................................ 20 1.3.1 Tiếp cận tối ưu hóa hình dáng dựa trên xây dựng tuyến hình từ tàu mẫu phù hợp với tuyến luồng sông biển Việt Nam ............................................................................................................. 20 1.3.2 Tiếp cận đồ họa máy tính để xây dựng mô hình toán tuyến hình ....................................... 23 1.4. Kết luận chương 1 ...................................................................................................................... 27 CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU SỨC CẢN TÀU CONTAINER SB ................................................................................................................................................................29 2.1. Cơ sở phương pháp luận trong thiết kế hình dáng tàu container SB ........................................ 29 2.2. Phân tích lựa chọn phương pháp xác định sức cản tàu ............................................................. 31 2.3. Nghiên cứu, xây dựng hàm mục tiêu sức cản theo phương pháp Holtrop................................ 33 2.3.1 Tổng quan về các thành phần sức cản ................................................................................. 33 2.3.2 Tích hợp phương pháp Holtrop vào hàm mục tiêu sức cản................................................. 36 2.3.3 Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tích phân gần đúng các hệ số hình dáng tàu trên cơ sở đường cong diện tích sườn (SAC).................................................................................................. 40 2.4. Tích hợp ảnh hưởng vùng nước hạn chế đến sức cản toàn tàu ................................................ 45
vi 2.4.1 Ảnh hưởng của vận tốc tới hạn trên tuyến luồng đến sức cản tàu SB................................. 46 2.4.2 Ảnh hưởng độ sâu luồng lạch và hình dáng tàu đến sức cản tàu SB ................................... 48 2.5. Kết luận ...................................................................................................................................... 50 CHƯƠNG 3 : NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU THÔNG SỐ HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER SB ........................................................................................................................52 3.1. Cơ sở giải thuật tối ưu di truyền trong kỹ thuật ........................................................................ 52 3.1.1 Tổng quan về cơ sở tối ưu và giải thuật di truyền ............................................................... 52 3.1.2 Đánh giá hiệu quả thuật toán di truyền dựa trên các hàm toán cơ sở ................................ 55 3.2. Xây dựng giải thuật tối ưu di truyền trong đề xuất hình dáng phương tiện thủy ..................... 58 3.2.1 Cơ chế mã hóa và chọn lựa .................................................................................................. 59 3.2.2 Cơ chế lai ghép ..................................................................................................................... 61 3.2.3 Cơ chế đột biến .................................................................................................................... 63 3.2.4 Các ràng buộc thông số hình dáng tàu tiếp cận dựa trên đường cong diện tích sườn SAC 64 3.3. Kết luận ...................................................................................................................................... 71 CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER SB THEO HÀM THAM SỐ NUBS.......................................................................................................................72 4.1. Cơ sở hiệu chỉnh hình dáng tàu dựa trên đường cong SAC ....................................................... 72 4.1.1 Phương pháp hiệu chỉnh hình dáng tàu 1 – Cp .................................................................... 72 4.1.2 Phương pháp hiệu chỉnh hình dáng tàu Swing .................................................................... 74 4.1.3 Phương pháp hiệu chỉnh hình dáng tàu Lackenby ............................................................... 74 4.1.4 Về tính trơn và liên tục của đường cong SAC sau hiệu chỉnh Lackenby .............................. 77 4.2. Xây dựng mô hình toán đường hình dáng tàu với sự hỗ trợ của hàm tham số NUBS .............. 79 4.2.1 Cơ sở toán hàm tham số trong xây dựng hình dáng tàu...................................................... 79 4.2.2 Tính liên tục của hàm tham số trong xây dựng hình dáng tàu ............................................. 80 4.2.3 Thiết lập phương trình toán học biểu diễn đường cong tham số NUBS (Non-Uniform B-spline) ....................................................................................................................................................... 82 4.2.4 Thiết lập vector nút (knot vector) ........................................................................................ 84
vii 4.2.5 Thuật toán nghịch đảo NUBS (reverse engineering) từ đường cong diện tích sườn lý thuyết SAC................................................................................................................................................. 85 4.3. Kết quả và thảo luận................................................................................................................... 89 CHƯƠNG 5 : ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THUẬT TOÁN XÂY DỰNG HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER SB..................................................................................................................................90 5.1. Đánh giá các hệ số hình dáng theo đường cong SAC và hàm sức cản tối ưu di truyền ............. 92 5.1.1 Kết quả tích phân số đường cong diện tích sườn từ hình dáng tàu mẫu ............................ 92 5.1.2 Đánh giá hiệu quả hình dáng tàu theo hàm mục tiêu tối ưu sức cản có xét đến ảnh hưởng độ sâu luồng lạch........................................................................................................................... 93 5.2. Đánh giá tuyến hình tàu container 128TEU xây dựng từ hàm cơ sở NUBS ............................... 98 5.2.1 Kết quả đường cong diện tích sườn lý thuyết SAC sau hiệu chỉnh Lackenby ...................... 98 5.2.2 Kết quả mô hình toán NUBS được hiệu chỉnh theo dạng ma trận không vuông ................. 99 5.3. Đánh giá hiệu quả hình dáng tàu dựa trên tính toán mô phỏng số ......................................... 107 5.3.1 Thiết lập các phương trình cơ bản (governing equations) và mô hình dòng rối (turbulence model) ......................................................................................................................................... 107 5.3.2 Thiết lập miền tính toán, chia lưới và điều kiện biên......................................................... 109 5.4. Thảo luận: ................................................................................................................................. 123 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ...............................................................................................................124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CỐNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH .........................127 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................128 PHỤ LỤC 1. TỔNG HỢP CÁC BÀI BÁO, KỶ YẾU .....................................................................135 PHỤ LỤC 2 . LẬP TRÌNH CODE MATLAB .................................................................................136
viii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AM Midship section Diện tích sườn giữa tàu B Breadth Chiều rộng thiết kế CB Block coefficient Hệ số béo thể tích CP Prismatic coefficient Hệ số béo lăng trụ CM Midship section coefficient Hệ số béo sườn giữa tàu CWP Waterplane area coefficient Hệ số béo diện tích mặt đường nước CF Frictional coefficient Hệ số sức cản ma sát CW Wave-making resistance coefficient Hệ số sức cản sóng The forebody, afterbody of prismatic Hệ số hình dáng lăng trụ ban đầu CPf ,a coefficient tính từ vị trí sườn giữa đến phía trước mũi, sau lái tàu The change in forebody, afterbody of Độ lệch hệ số hình dáng lăng trụ của δ CPf ,a prismatic coefficient phần trước mũi và sau lái ∆ Displacemnet Lượng chiếm nước ∇ Volume Thể tích chiếm nước D Depth Chiều cao tàu DNS Direct numerical simulation Phương pháp mô phỏng số trực tiếp Fn Froude number Hệ số Froude Froude number in shallow water Hệ số Froude theo độ sâu tuyến FnH luồng H Height Độ sâu luồng lạch Khoảng cách của trọng tâm δ C Pf ,a The forebody, afterbody of fractional hf ,a distance from midships of the tính từ vị trí sườn giữa tàu đến phía centroid of the added area mũi, sau lái Longitudinal centre of buoyancy Hoành độ tâm nổi của tàu xét từ LCB giữa tàu δ LCB The change in longitudinal centre of Độ lệch hoành độ tâm nổi giữa tàu buoyancy mẫu và tàu thiết kế LCG Longitudinal centre of gravity Hoành độ trọng tâm The forebody, afterbody of length of Chiều dài đoạn thân ống của phần LPf ,a parallel middle body trước mũi và sau lái
ix The change in forebody, afterbody of Độ lệch chiều dài đoạn thân ống của δ LPf ,a length of parallel middle body tàu của phần trước mũi và sau lái GA Genetic algorithm Thuật toán tiến hóa di truyền The International Towing Tank ITTC Hiệp hội bể thử thế giới Conference L Length of ship Chiều dài thiết kế tàu Lpp Length between Perpendiculars Chiều dài lăng trụ NUBS Non-uniform B-spline Hàm tham số NUBS NURBS Non-uniform Rational B-spline Hàm tham số NURBS The Reynolds-averaged Navier– RANS Phương pháp Reynold trung bình Stokes equations RAPP the resistance of the appendages Sức cản thành phần phụ Rn Reynold number Hệ số Reynold RSM Reynolds stress equation model Mô hình ứng suất Reynolds RTR The resistance of the transom Sức cản bổ sung cho phần vách lái Rv Viscous resistance Sức cản nhớt Rw Wave-making resistance Sức cản sóng SAC Sectional area curve of ship Đường cong diện tích sườn SB Coastal Sông - Biển SW Wetted surface area of ship Diện tích mặt ướt tàu T Draft Mớn nước thiết kế Velocity field Trường vector vận tốc tàu trong tình U toán mô phỏng số V Velocity of ship Vận tốc thiết kế tàu The forebody, afterbody of fractional khoảng cách ban đầu của sườn lý x f ,a distance of any transverse section thuyết tính từ vị trí sườn giữa đến from midships phía trước mũi, sau lái tàu The change in forebody, afterbody of δ x f ,a độ lệch của sườn lý thuyết đang xét fractional distance of any transverse đến phía trước mũi, sau lái tàu section from midships The forebody, afterbody of fractional khoảng cách trọng tâm ban đầu tính x f ,a distance from midships of the từ vị trí sườn giữa đến phía trước centroid of the half-body mũi, sau lái tàu
x DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Xu hướng vận tải thủy theo container trên thế giới và Đông Nam Á.......................... 5 Hình 1.2 So sánh lượng khí thải vận tải đường bộ và ven biển tại Đài Loan [7] ....................... 7 Hình 1.3 Phạm vi nội thủy và lãnh hải ven biển được quy định theo UNCLOS ....................... 9 Hình 1.4 Bản đồ lưu vực sông Mekong và mặt cắt tiêu biểu vùng ĐBSCL ............................ 10 Hình 1.5 Số liệu đo đạc dòng chảy, Tổng cục khí tượng thủy văn, 3/2020 ............................. 11 Hình 1.6 Phương tiện thủy container tiêu chuẩn ...................................................................... 13 Hình 1.7 Phân loại phương tiện thủy container theo tuyến hoạt động ..................................... 14 Hình 1.8 Quan hệ kích thước tàu container cho nhóm Panamax [23] ...................................... 16 Hình 1.9 Quan hệ tỉ số kích thước L/B và B/T của nhóm tàu SB ............................................ 16 Hình 1.10 Tối ưu toàn cục sử dụng trí tuệ nhân tạo ................................................................. 21 Hình 1.11 Phân loại mô hình toán tuyến hình tàu .................................................................... 24 Hình 1.12 Mặt cắt sườn theo hệ tọa độ Descart........................................................................ 24 Hình 1.13 Đường cong đa thức tham số theo giải thuật Ferguson & Bezier............................ 24 Hình 1.14 Hàm toán Spline biểu diễn tuyến hình tàu ............................................................... 25 Hình 2.1 Vai trò của thiết kế hình dáng tàu với sự hỗ trợ của máy tính theo quy trình xoắn ốc Evans ................................................................................................................................. 29 Hình 2.2 Quy trình nghiên cứu, thiết kế hình dáng tàu theo mẫu [66] ..................................... 30 Hình 2.3 Phân loại các cách tiếp cận tính toán sức cản tàu [67] .............................................. 33 Hình 2.4 Phân bố thành phần sức cản ma sát theo thực nghiệm, ITTC 1957 & 1978 ............. 35 Hình 2.5 So sánh hệ số hình dáng k giữa công thức hồi quy Holtrop và thực nghiệm [80] .... 37 Hình 2.6 Quan hệ giữa hệ số Reynold - hệ số lực cản ma sát thực nghiệm tấm phẳng, tàu mẫu Wigley, container KCS và Rhine 86 [81] ......................................................................... 38 Hình 2.7 Quan hệ giữa hệ số Froude - hệ số lực cản sóng tàu container KCS theo Holtrop, mô phỏng số và thực nghiệm [82] ........................................................................................... 38 Hình 2.8 Thể tích phần chìm và mặt cắt ngang sườn lý thuyết ................................................ 41 Hình 2.9 Đường cong SAC có đoạn thân ống .......................................................................... 41 Hình 2.10 Tích phân xấp xỉ Simpson cho đường cong diện tích sườn Cp ............................... 42 Hình 2.11 Tàu container KCS đối chiếu thực nghiệm và tính toán số ..................................... 43 Hình 2.12 Quan hệ giữa hệ số Froude - hệ số sức cản tàu container KCS theo thực nghiệm và phương pháp Holtrop với khoảng lệch chuẩn [-3,3] % ..................................................... 45 Hình 2.13 Sự sụt giảm vận tốc trên tuyến luồng hạn chế ......................................................... 47 Hình 2.14 Quan hệ sức cản sóng Rw / độ sâu không hạn chế Rw_deep và Fnh [89] ............... 47
xi Hình 2.15 Quan hệ giữa hệ số Fn – hệ số sức cản dư theo độ sâu [90] .................................... 48 Hình 2.16 Tổng hợp các biến số hình dáng ảnh hưởng đến độ sâu luồng lạch và vận tốc tới hạn của tàu container SB ................................................................................................... 51 Hình 2.17 Sơ đồ tích hợp ràng buộc độ sâu luồng lạch và sụt giảm vận tốc vào hàm mục tiêu sức cản trong luận án ......................................................................................................... 51 Hình 3.1 Nguyên lý tìm nghiệm của phương pháp dựa trên gradient của hàm ........................ 53 Hình 3.2 Các giá trị nghiệm cục bộ và vùng giá trị khả thi ...................................................... 54 Hình 3.3 Khái niệm thuyết tiến hóa .......................................................................................... 54 Hình 3.4 GA giải quyết vấn đề nghiệm cục bộ dựa trên thử sai và chọn lọc ........................... 55 Hình 3.5 Hàm toán Ackley trong bài toán tối ưu ..................................................................... 56 Hình 3.6 Hàm toán Rastrigin trong bài toán tối ưu .................................................................. 56 Hình 3.7 Hàm toán Rosenbrock trong bài toán tối ưu .............................................................. 57 Hình 3.8 Hàm toán Zakharov trong bài toán tối ưu.................................................................. 57 Hình 3.9 Tiếp cận tối ưu hóa trong thiết kế tàu ........................................................................ 59 Hình 3.10 Nguyên lý mã hóa trong thuật toán di truyền .......................................................... 59 Hình 3.11 Kỹ thuật mã hóa LCB trong từng cá thể trong luận án ............................................ 60 Hình 3.12 Kỹ thuật mã hóa Cp trong từng cá thể trong luận án ............................................... 60 Hình 3.13 Kỹ thuật mã hóa CM trong từng cá thể trong luận án .............................................. 60 Hình 3.14 Tập nghiệm (x1, x2, …, xn) trong luận án ................................................................ 61 Hình 3.15 Tập hợp và sắp xếp các cá thể trong quần thể trong luận án ................................... 61 Hình 3.16 Nguyên lý lai ghép của giải thuật GA ..................................................................... 62 Hình 3.17 Kỹ thuật lai ghép của giải thuật GA trong luận án .................................................. 62 Hình 3.18 Nguyên lý đột biến trong giải thuật GA .................................................................. 63 Hình 3.19 Kỹ thuật đột biến trong giải thuật GA trong luận án ............................................... 63 Hình 3.20 Hoành độ tâm nổi và đường cong diện tích sườn SAC ........................................... 64 Hình 3.21 Tối ưu hình dáng tàu thông qua hiệu chỉnh thiết kế trên đường cong diện tích sườn SAC ................................................................................................................................... 65 Hình 3.22 Phạm vi giới hạn LCB theo vận tốc cho Series 60 và Series Wageningen (Lap) theo công thức thực nghiệm Guldhammer–Harvard (1974) ..................................................... 65 Hình 3.23 Phạm vi giới hạn LCB theo vận tốc dựa trên các công thức thực nghiệm Todd, Holtrop, Jensen, Delft........................................................................................................ 66 Hình 3.24 Ràng buộc hệ số béo lăng trụ Cp theo vận tốc tàu [88] ........................................... 66 Hình 3.25 Phân bố đường cong diện tích sườn tàu DTMB Seríe 60 [107] .............................. 67 Hình 3.26 Phân bố vận tốc dòng chảy bao dưới đáy tàu .......................................................... 69
xii Hình 3.27 Quy trình vận hành của GA trong luận án ............................................................... 70 Hình 4.1 Hiệu chỉnh 1 – Cp của đường cong SAC [64] ........................................................... 72 Hình 4.2 Hiệu chỉnh LCB của đường cong SAC theo phương pháp Swing ............................ 74 Hình 4.3 Hiệu chỉnh tuyến hình tàu Lackenby ......................................................................... 75 Hình 4.4 Quy trình xác định độ dịch chuyển sườn mới ........................................................... 77 Hình 4.5 Hiệu chỉnh thủ công tính liên tục của tuyến hình tàu dựa trên độ cong đường SAC và họ đường sườn, đường nước thiết kế [62] ......................................................................... 78 Hình 4.6 Sự mất liên tục giữa các phân đoạn mũi, lái và thân ống sau hiệu chỉnh Lackenby . 78 Hình 4.7 Thuận lợi khi hiệu chỉnh cục bộ phân đoạn Spline so với Bezier ............................. 80 Hình 4.8 Đường cong tham số spline trong công tác phóng dạng hình dáng tàu ..................... 80 Hình 4.9 Đánh giá tính liên tục của các phân đoạn đường cong tham số................................. 81 Hình 4.10 Vector pháp tuyến chính và đường tròn mật tiếp đường cong trong đoạn [a,b]...... 82 Hình 4.11 Mô tả tính liên tục của đường cong theo giải thuật non-uniform B-spline ............. 83 Hình 4.12 Hàm cơ sở NUBS với n+1 = 5, k = 3 ...................................................................... 84 Hình 4.13 Thuật toán nghịch đảo NUBS từ đường cong SAC sau tối ưu ................................ 85 Hình 4.14 Quy trình thực hiện mô hình hóa hình dáng tàu ...................................................... 87 Hình 4.15 Dịch chuyển và xây dựng hàm NUBS cho đường cong sườn lý thuyết .................. 88 Hình 4.16 Giao diện chương trình xây dựng hình dáng tàu từ hiệu chỉnh khoảng sườn lý thuyết theo hàm toán NUBS trong luận án ....................................................................... 88 Hình 5.1 Mặt cắt sườn lý thuyết tàu mẫu container pha SB ..................................................... 90 Hình 5.2 Dữ liệu truy xuất từ Excel liên kết với Matlab .......................................................... 92 Hình 5.3 Giao diện chương trình tính toán và kết quả thông số hình dáng tàu mẫu và tàu đề xuất hiệu chỉnh .................................................................................................................. 93 Hình 5.4 Đồ thị hội tụ giá trị %LCB theo thế hệ di truyền ...................................................... 94 Hình 5.5 Đồ thị hội tụ giá trị CM theo thế hệ di truyền............................................................. 94 Hình 5.6 Đồ thị hội tụ giá trị CP theo thế hệ di truyền ............................................................. 95 Hình 5.7 Hàm mục tiêu sức cản tối ưu theo GA tại vận tốc thiết kế 10 hải lý / giờ................. 95 Hình 5.8 Kết quả tính toán sức cản toàn tàu RT tại các giá trị vận tốc khác nhau .................... 97 Hình 5.9 Kết quả tính toán hệ số sức cản nhớt Cv tại các giá trị vận tốc khác nhau ................ 97 Hình 5.10 Kết quả tính toán hệ số sức cản sóng Cw tại các giá trị vận tốc khác nhau ............. 97 Hình 5.11 Đường cong diện tích sườn lý thuyết trước và sau tối ưu hình dáng....................... 98 Hình 5.12 Phát sinh mất liên tục đường cong SAC tại khu vực mũi và lái của tàu hiệu chỉnh 128 TEU ............................................................................................................................ 99 Hình 5.13 Mô tả đường cong SAC hiệu chỉnh từ Lackenby và NUBS trong luận án............ 100
xiii Hình 5.14 So sánh chất lượng đường cong diện tích sườn SAC của tàu hiệu chỉnh 128 TEU trước & sau áp dụng thuật toán nghịch đảo NUBS trong luận án ................................... 100 Hình 5.15 Hình dáng mặt cắt ngang sườn lý thuyết của tàu container 128 TEU pha SB trước và sau khi tối ưu hình dáng ............................................................................................. 104 Hình 5.16 Hình dáng tàu hiệu chỉnh 128 TEU không tích hợp nghịch đảo NUBS ............... 105 Hình 5.17 Hình dáng tàu hiệu chỉnh 128 TEU tích hợp nghịch đảo NUBS trong luận án .... 105 Hình 5.18 Lưới điểm điều khiển [B] theo hàm NUBS của tàu hiệu chỉnh 128 TEU tích hợp nghịch đảo NUBS trong luận án ..................................................................................... 105 Hình 5.19 Các đường sườn và đường nước lý thuyết của tàu hiệu chỉnh 128 TEU tích hợp nghịch đảo NUBS trong luận án ..................................................................................... 106 Hình 5.20 Chất lượng tuyến hình phần mũi trước và sau áp dụng hàm toán NUBS ............. 106 Hình 5.21 Chất lượng tuyến hình phần lái trước và sau áp dụng hàm toán NUBS ................ 106 Hình 5.22 Chất lượng tuyến hình toàn tàu trước áp dụng hàm toán NUBS ........................... 106 Hình 5.23 Chất lượng tuyến hình toàn tàu hiệu chỉnh 128 TEU tích hợp nghịch đảo NUBS trong luận án .................................................................................................................... 107 Hình 5.24 Xác định miền tính toán cho tàu mẫu 128 TEU trong luận án .............................. 110 Hình 5.25 Lưới hình học bề mặt vỏ tàu từ mô hình toán NUBS cho tàu 128 TEU ............... 110 Hình 5.26 Lưới chia trong phần mềm mô phỏng số cho tàu 128 TEU .................................. 111 Hình 5.27 Thiết lập điều kiên biên cho tàu 128 TEU trong luận án ....................................... 112 Hình 5.28 Sơ đồ đánh giá hiệu quả hình dáng tuyến hình tàu dựa trên CFD ......................... 113 Hình 5.29 Hệ số sức cản nhớt tàu trước và sau giải thuật hiệu chỉnh .................................... 114 Hình 5.30 Trường áp suất tàu trước và sau khi hiệu chỉnh hình dáng tại vận tốc 10 hải lý / giờ ......................................................................................................................................... 114 Hình 5.31 Trường áp suất tàu trước và sau khi hiệu chỉnh hình dáng tại vận tốc 14 hải lý / giờ ......................................................................................................................................... 115 Hình 5.32 Trường áp suất tàu trước và sau khi hiệu chỉnh hình dáng tại vận tốc 20 hải lý / giờ ......................................................................................................................................... 116 Hình 5.33 Trường dòng trước và sau khi hiệu chỉnh hình dáng tàu tại vận tốc 10 hải lý / giờ ......................................................................................................................................... 116 Hình 5.34 Trường dòng trước, khi hiệu chỉnh hình dáng tàu tại vận tốc 14 hải lý / giờ ........ 117 Hình 5.35 Trường dòng trước, sau khi hiệu chỉnh hình dáng tàu tại vận tốc 20 hải lý / giờ .. 118 Hình 5.36 Hệ số sức cản áp suất và sức cản nhớt trước và sau giải thuật hiệu chỉnh ............ 118 Hình 5.37 Trường áp suất tàu tại độ sâu luồng lạch không hạn chế và H/T = 1.6 (vận tốc 10 hải lý / giờ) ...................................................................................................................... 119
xiv Hình 5.38 Trường dòng tại độ sâu luồng lạch không hạn chế và H/T = 1.6 (vận tốc 10 hải lý / giờ) .................................................................................................................................. 120 Hình 5.39 Trường áp suất tàu tại H/T = 1.6 (vận tốc 14 hải lý / giờ) ..................................... 120 Hình 5.40 Trường dòng tại H/T = 1.6 (vận tốc 14 hải lý / giờ) .............................................. 120 Hình 5.41 Hệ số sức cản nhớt ảnh hưởng bởi độ sâu luồng lạch ........................................... 121 Hình 5.42 Hệ số sức cản áp suất ảnh hưởng bởi độ sâu luồng lạch ....................................... 121 Hình 5.43 Hệ số sức cản toàn tàu ảnh hưởng bởi độ sâu luồng lạch ...................................... 122 Hình 5.44 Sức cản toàn tàu ảnh hưởng bởi độ sâu luồng lạch ............................................... 122
xv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tỉ lệ phân bố vận tải thủy trên thế giới theo UNCTAD, 2019 .................................... 5 Bảng 1.2 Lưu lượng hàng hóa nội địa theo các phương thức vận tải tại Việt Nam (Cục đường thủy nội địa, 2016) .............................................................................................................. 6 Bảng 1.3 So sánh hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu và lượng phát thải khí CO2 của phương thức vận tải thủy so với các phương thức vận tải đường bộ và đường sắt .................................. 7 Bảng 1.4 Quy hoạch tuyến luồng vận tải sông pha biển 6 tuyến miền Bắc ............................... 9 Bảng 1.5 Quy hoạch tuyến luồng vận tải sông pha biển 4 tuyến Miền Trung ........................... 9 Bảng 1.6 Quy hoạch tuyến luồng vận tải sông pha biển 11 tuyến Miền Nam ......................... 10 Bảng 1.7 Số liệu đo đạc chiều cao và hướng sóng tuyến ven biển, Tổng cục khí tượng thủy văn, 2020 ........................................................................................................................... 11 Bảng 1.8 Số liệu tham khảo độ sâu khu vực đường thủy nội địa và chiều cao tĩnh không dựa theo cấp kỹ thuật (TT46/2016/TT-BGTVT và TCVN 5664:2009) .................................. 12 Bảng 1.9 Mạng lưới tuyến thủy nội địa phân cấp theo kết cấu hạ tầng (TCVN 5664:2009) ... 12 Bảng 1.10 Thông số kích thước tàu mẫu container phổ biến trên thế giới ............................... 14 Bảng 1.11 Thông số cơ bản mẫu tàu container chạy tuyến biển Panamax [19] ....................... 15 Bảng 1.12 Thông số kích thước tàu mẫu container cỡ nhỏ và Panamax theo thống kê từ NK (Nhật) & Lloyd’s (Anh) [20] ............................................................................................. 15 Bảng 1.13 Thông số kích thước tàu mẫu container lớn hơn Panamax theo thống kê từ NK (Nhật) & Lloyd’s (Anh) [20] ............................................................................................. 15 Bảng 1.14 Các hệ số hình dáng cho tàu container theo Charchalis đề xuất ............................. 16 Bảng 1.15 Phân loại ảnh hưởng vùng nước nông (PIANC, 1992) ........................................... 17 Bảng 1.16 Trị số tối đa của các tỷ số kích thước chính của tàu tại Việt Nam (Bảng 2A/1.4 QCVN 72: 2013/BGTVT) ................................................................................................. 17 Bảng 1.17 Thống kê kích thước đội tàu theo cấp kỹ thuật đường thủy nội địa Việt Nam ....... 18 Bảng 1.18 Một số mẫu tàu container được khảo sát trong nghiên cứu phù hợp phạm vi phân cấp kỹ thuật và tỉ số kích thước (Đăng kiểm Việt Nam).................................................... 19 Bảng 1.19 Mối quan hệ ½ góc vào nước tối ưu theo hệ số hình dáng lăng trụ theo Pophanken (1939) ................................................................................................................................ 22 Bảng 1.20 So sánh giải thuật di truyền với các phương pháp truyền thống [45] ..................... 22 Bảng 1.21: Tóm lược các tiếp cận nghiên cứu chính liên quan đến hàm toán tham số tàu...... 26 Bảng 1.22 : Tóm lược các tiếp cận nghiên cứu chính liên quan liên quan đến giải thuật tối ưu hình dáng tàu ..................................................................................................................... 26
xvi Bảng 2.1 Thông số kích thước cơ bản tàu container KCS (www.simman2008.dk/KCS/) ...... 44 Bảng 2.2 So sánh phương pháp tính sức cản Holtrop trong luận án và dữ liệu thực nghiệm tàu container KCS ................................................................................................................... 44 Bảng 3.1 So sánh kết quả giá trị hàm mục tiêu gần đúng theo di truyền và hàm mục tiêu theo giải tích [99] ...................................................................................................................... 58 Bảng 3.2 Hệ số CM cho nhóm tàu container, với lượng chiếm nước 120.000 tấn (C. B. Barras) ........................................................................................................................................... 67 Bảng 3.3 Hệ số hình dáng kích thước cơ bản tàu đề xuất cho nhóm tàu container, với lượng chiếm nước 120.000 tấn (C. B. Barras) ............................................................................. 68 Bảng 5.1 Thông số tàu mẫu ...................................................................................................... 90 Bảng 5.2 Bảng trị số nửa chiều rộng tàu mẫu .......................................................................... 91 Bảng 5.3 Bảng trị số chiều cao cách chuẩn của tàu mẫu .......................................................... 91 Bảng 5.4 Kết quả so sánh thông số hình dáng từ tàu mẫu - phần mềm thiết kế chuyên dùng - tích phân số trong luận án ................................................................................................. 92 Bảng 5.5 Sức cản tàu trước và sau khi hiệu chỉnh theo hàm tối ưu ......................................... 95 Bảng 5.6 Kết quả hình dáng và sức cản tàu 128 TEU pha SB trước và sau áp dụng giải thuật tối ưu di truyền .................................................................................................................. 96 Bảng 5.7 Kết quả sức cản tàu 128 TEU trước và sau giải thuật tối ưu di truyền trong dãy vận tốc thấp của tàu container SB ............................................................................................ 96 Bảng 5.8 Tập hợp điểm điều khiển [B] của đường cong SAC sử dụng phương pháp nghịch đảo ma trận vuông trong các mô hình toán NUBS truyền thống ...................................... 99 Bảng 5.9 Bảng trị số điểm điều khiển [B] của đường cong diện tích sườn lý thuyết SAC sau hiệu chỉnh Lackenby & NUBS........................................................................................ 100 Bảng 5.10 Đánh giá kết quả hiệu chỉnh NUBS cho đường cong SAC .................................. 101 Bảng 5.11 Bảng trị số hàm cơ sở [N] cho hệ thống đường nước tàu từ thuật giải NUBS ..... 101 Bảng 5.12 Bảng trị số hàm cơ sở [N] cho đường sườn được xây dựng từ thuật giải NUBS . 102 Bảng 5.13 Vector trị số hình dáng tàu [D] xuất từ mô hình toán NUBS ............................... 102 Bảng 5.14 Bảng thông số điều kiện biên tàu 128 TEU theo ITTC và đề xuất của nhóm Hekkenberg cho vùng nước hạn chế [131]...................................................................... 112 Bảng 5.15 Phân loại ảnh hưởng độ sâu luồng lạch ................................................................. 119
1 MỞ ĐẦU 1. Cơ sở lựa chọn đề tài Hiện nay, theo số liệu cục đường thủy nội địa năm 2019, ngành vận tải thủy Việt Nam đạt 250 triệu tấn/năm, trong đó riêng vận tải ven biển đã chiếm hơn 60 triệu tấn/năm. Với tổng khối lượng luân chuyển hàng hóa và quãng đường vận chuyển (tấn.km) cao nhất trong các phương thức vận tải hàng hóa, trong đó đội tàu vận tải container sông biển (SB) đã và đang góp phần thúc đẩy ngành vận tải đa phương thức logistic và chuỗi cung ứng, phát triển theo hướng hội nhập kinh tế giữa các vùng miền và quốc tế, phát huy tối đa điều kiện ven biển tự nhiên của Việt Nam. Ngày nay, vấn đề sử dụng năng lượng hiệu quả cho phương tiện thủy ngày càng mang tính cấp thiết vì liên quan đến tiết kiệm nhiên liệu trong khai thác tàu và các yêu cầu bắt buộc của Ủy ban bảo vệ môi trường biển (MEPC) thuộc Tổ chức hàng hải quốc tế (IMO) về giảm ô nhiễm môi trường và lượng phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính toàn cầu. Đối với các tàu chạy tuyến sông biển, mặc dù nằm ngoài đối tượng áp dụng các quy định trên, cũng cần thỏa mãn các quy định, nghị quyết, luật Việt Nam về mục tiêu sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm. Chính vì vậy, bài toán nghiên cứu các giải pháp thiết kế phương tiện thủy nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng đang là chủ đề có tính thời sự không những đối với đội tàu chạy chuyến quốc tế của Việt Nam nói chung mà còn đối với cả đội tàu SB nói riêng. Trong giai đoạn thiết kế, bài toán nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cho tàu được giải quyết bằng việc tối ưu hóa thiết kế hình dáng thân tàu và hệ động lực của tàu, nhằm giảm sức cản thân tàu, tăng hiệu suất của chân vịt từ đó tiết kiệm được nhiên liệu cho tàu góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế cho tàu cũng như góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường. Ở Việt Nam, tháng 7-2014, sau một thời gian chuẩn bị, Bộ Giao thông vận tải (GTVT) chính thức công bố mở ba tuyến vận tải ven biển. Khi mới mở tuyến, số lượng tàu SB chỉ có vài chục chiếc, nhưng đến cuối tháng 12-2020, tổng số phương tiện đã tăng lên gần 2000 tàu nhằm đáp ứng nhu cầu vận chuyển hàng hóa ngày càng tăng cao. Dự báo, trong thời gian tới, số lượng tàu SB còn tiếp tục tăng do Cục Ðăng kiểm Việt Nam đang thẩm định rất nhiều hồ sơ đăng ký đóng mới. Như vậy, có thể thấy đội tàu
2 SB của Việt Nam đã và đang có sự phát triển rất nhanh về số lượng. Tuy nhiên, theo các đánh giá thì trong công tác thiết kế tàu SB nói chung và tàu container chạy tuyến SB còn tồn tại nhiều vấn đề như việc tối ưu hóa hình dáng thân tàu còn chưa được quan tâm đúng mức dẫn tới chưa có mẫu hình dáng thân tàu container chuẩn phù hợp với tuyến luồng SB Việt Nam. Chính vì vậy, việc nghiên cứu thuật toán đề xuất hình dáng và xây dựng mô hình toán toàn tàu nói chung và mẫu tàu container SB nói riêng, có xét đến ảnh hưởng tuyến luồng có tính khoa học và thực tiễn cao, làm phong phú các nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan trong mảng thiết kế tàu. Do đó, được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn, NCS đã lựa chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HÌNH DÁNG TÀU CHỞ CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM”. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu đề xuất mô hình toán cải tiến hình dáng tàu chở container trong giai đoạn thiết kế sơ bộ nhằm giảm lực cản tàu trên cơ sở có tính đến các điều kiện ràng buộc về tuyến luồng sông biển Việt Nam. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: Phương tiện thủy container hoạt động trong vùng chịu ảnh hưởng bởi độ sâu tuyến luồng • Phạm vi nghiên cứu: xây dựng giải thuật tối ưu hình dáng dựa trên hàm mục tiêu sức cản và xây dựng hàm toán NUBS cho nhóm tàu container dưới 5000 tấn sau tối ưu, hoạt động phổ biến tại các tuyến luồng sông biển khu vực phía Nam. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết thiết kế, kết hợp các công cụ tính toán số cụ thể như sau: • Nghiên cứu lý thuyết: Các phương pháp luận chung trong thiết kế tàu, tích phân số và biến đổi hình học hình dáng tàu • Nghiên cứu tính toán số: Xây dựng giải thuật tối ưu di truyền (GA), thuật toán dựa trên các hàm toán xấp xỉ Non-Uniform B-spline (NUBS) cho tuyến hình tàu • Nghiên cứu ứng dụng: Đánh giá chất lượng tuyến hình dựa trên đặc tính trơn, liên tục và mô phỏng số bằng phần mềm chuyên dụng