Nghiên cứu tính bất ổn định của lực bẻ lái tàu thủy trong một số chế độ điều động

7<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016<br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU TÍNH BẤT ỔN ĐỊNH CỦA LỰC BẺ LÁI TÀU THỦY<br /> TRONG MỘT SỐ CHẾ ĐỘ ĐIỀU ĐỘNG<br /> RESEARCHING THE INSTABILITY OF FORCE STEERING OF SHIP IN SOME<br /> MANEUVERING<br /> <br /> PGS. TS. Phạm Kỳ Quang 1; TS. Vũ Văn Duy2; NCS. Cổ Tấn Anh Vũ3<br /> 1<br /> Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, phamkyquang@vimaru.edu.vn<br /> 2<br /> Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, duyvv.vck@vimaru.edu.vn<br /> 3<br /> Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM, vucotananh@gmail.com<br /> <br /> Tóm tắt: Bài báo đưa ra một số kết quả tính toán và mô phỏng số về xâm thực bánh lái, đặc biệt là<br /> loại xâm thực có tính bất ổn định trong một số chế độ vận hành điều động tàu thủy. Từ đó xác định lực<br /> bẻ lái tương ứng trong mỗi giai đoạn này.<br /> Từ khóa:<br /> Abstract: The article introduces some calculation results and cavitation simulations on the rudder,<br /> especially the cavitation instability in certain operating maneuvering of ship. There fore the<br /> corresponding force steering in each period is given.<br /> Keywords: cavitation instability, force steering, cavitation simulations, maneuvering of ship.<br /> <br /> 1. Giới thiệu Cơ sở thuật toán ở đây được sử dụng theo<br /> Trong một số chế độ điều động tàu (chế “k- model” kết hợp với “Cavitation model”<br /> độ man-nơ tàu thủy), bánh lái tàu thủy có thể của phần mềm Fluent-Ansys (đây là phần<br /> bị xâm thực (phụ thuộc vào góc bẻ lái và tốc mềm mạnh trong lĩnh vực CFD và được nhiều<br /> độ dòng chảy sau chân vịt). Nội dung bài báo nhà khoa học trong nước và ngoài nước<br /> đăng trên Tạp chí Giao thông vận tải số tháng thường xuyên sử dụng). Nội dung của phương<br /> 11/2015, nhóm tác giả đã triển khai thuật toán pháp được thể hiện như sau [2, 3, 4, 6].<br /> và mô phỏng xâm thực cục bộ trên bánh lái - Rời rạc không gian tính toán bằng cách<br /> [1]. Kết quả của bài báo mới dừng lại ở mức chia lưới;<br /> độ xác định được kích thước đám bọt xâm - Giải các phương trình vi phân chủ đạo<br /> thực trên bánh lái. như phương trình Navier - Stokes, động<br /> Trong bài báo này, nhóm tác giả tập trung lượng, liên tục và phương trình năng lượng để<br /> làm rõ tính bất ổn định của loại xâm thực này, xác định các đại lượng cơ bản;<br /> cũng như lực bẻ lái tương ứng. Đây chính là Đưa vào phương trình chuyển pha để xác<br /> một trong các nguyên nhân ảnh hưởng tới việc định tỷ lệ khối lượng pha hơi fvap.<br /> điều khiển hướng chuyển động của tàu thủy   fvap <br /> (trường hợp giữ tốc độ và góc bẻ lái, nhưng<br /> <br /> t<br />  . fvap  <br /> <br /> x j<br /> . fvap .uvap j   .   Re  Rc<br /> x j  x j <br /> lực tác động lên bánh lái bị dao động). (1)<br /> Trong đó:<br /> 2. Mô hình nghiên cứu và thuật toán<br /> Để thuận lợi cho các nghiên cứu tiếp theo, Re, Rc: phụ thuộc vào giá trị của áp suất<br /> nhóm tác giả sử dụng kích thước bánh lái và tĩnh p và áp suất hơi bão hòa pvap:<br /> các số liệu khác theo hồ sơ M/V TAN CANG * Nếu p < pvap:<br /> FOUNDATION [5]. 2  pvap  p <br /> Re  Ce<br /> vch<br /> <br /> l vap<br /> 3 l<br /> 1  f <br /> vap<br /> (2)<br /> * Nếu p > pvap:<br /> vch 2  p  pvap <br /> Rc  Cc l l f vap<br />  3l (3)<br /> Trong đó:<br /> Hình 1. Hình ảnh bánh lái tàu thủy vch : vận tốc đặc trưng;<br />  8<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016<br /> <br /> Ce, Cc: các hằng số thực nghiệm (lấy Ce = nhau dọc theo tuyến luồng Hải Phòng [5].<br /> 0.02; Cc = 0,01). 3. Phân tích kết quả<br /> Khi dòng chảy bao quanh bánh lái để Kết quả tính toán được sử dụng cùng phần<br /> chuyển đổi năng lượng thành lực bẻ lái thì chỉ mềm Fluent-Ansys R15.0, với một số tham số<br /> có một số chế độ vận hành man - nơ (góc bẻ đầu vào được sử dụng cụ thể là: Bước thời<br /> lái lớn hay tốc độ dòng chảy sau chân vịt lớn) gian được đặt là 1e-05 s, góc bẻ lái là 00, 150<br /> bánh lái xuất hiện “xâm thực”. Để thấy rõ vấn và 350, tốc độ dòng bao là 10 m/s, chiều sâu<br /> đề này xem bảng sau: đặt chân vịt là 4 m.<br /> Vi(m/s) 5 10 15 20 Trường hợp góc bẻ lái  = 00 không xuất<br /> i 0<br /> hiện xâm thực, còn khi  = 150 vùng chất lỏng<br /> 5 hóa hơi đã xuất hiện, có thể xem phân bố %<br /> 10 pha hơi trong không gian dòng chảy bao<br /> 15 quanh bánh lái trên hình 2.<br /> 20<br /> 25<br /> 30<br /> 35<br /> Không xâm thực<br /> Có xâm thực<br /> Hình 2. Mô tả % pha hơi  = 00,  =150, tốc độ dòng<br /> Điều kiện xuất hiện xâm thực là tồn tại áp bao V = 10m/s<br /> suất của chất lỏng nhỏ hơn bằng áp suất hơi<br /> bão hòa (đối với nước biển là khoảng 3540 Nhằm thể hiện tính bất ổn định của vùng<br /> N/m2), các phần tử lỏng tại đó sẽ hóa hơi xâm thực kéo theo sự dao động của lực bẻ lái,<br /> (chuyển từ pha lỏng sang pha hơi). Qua bảng xét % pha hơi trên cùng mặt cắt và điều kiện<br /> trên, thấy rằng: Rất nhiều vùng làm việc của đầu vào tại các bước thười gian khác nhau<br /> bánh lái xuất hiện xâm thực, vấn đề ở đây là (hình 3).<br /> có nhiều loại xâm thực khác nhau, có đặc tính<br /> khác nhau. Nghĩa là cùng rơi vào trạng thái<br /> xâm thực, nhưng với các điều kiện đầu vào<br /> khác nhau thì xâm thực đó có tên gọi và đặc<br /> tính khác nhau [2, 3]. Trong phạm vi bài báo,<br /> nhóm tác giả tính toán mô phỏng vùng xâm<br /> thực trên bánh lái theo thời gian (Transient) để<br /> thấy rõ tính bất ổn định của lực bẻ lái trong<br /> giai đoạn này.<br /> Gọi I là góc bẻ lái, Vi là vận tốc dòng Hình 3. Mô tả % pha hơi  =150, tốc độ dòng bao<br /> V=10m/s; a) 78 bước thời gian; b) 230 bước thời gian<br /> chảy bao quanh bánh lái, tính bằng tổng của<br /> vận tốc tiến của chân vịt (Vp) và vận tốc tiến Từ kết quả nhận được theo hình 2 và hình<br /> tàu thủy (Va): 3, nhận xét rằng: Kích thước vùng xâm thực,<br /> Vp = h.n (4) đặc biệt là vùng pha hơi bám trên bánh lái là<br /> thay đổi theo thời gian. Đây chính là nguyên<br /> Trong đó:<br /> nhân dẫn tới trị số lực bẻ lái bị dao động trong<br /> h: bước tiến thực của chân vịt; khi số vòng quay chân vịt và góc bẻ lái là giữ<br /> n: số vòng quay chân vịt (các số liệu này nguyên. Trong suốt quá trình vận hành của tàu<br /> được lấy từ hồ sơ M/V TAN CANG thủy, bánh lái xuất hiện xâm thực ở nhiều dạng<br /> FOUNDATION [5]); có các đặc điểm khác nhau [2]. Trong nội<br /> Va được đo đạc thực tế trên M/V TAN dung bài báo này, nhóm tác giả không thể đưa<br /> CANG FOUNDATION tại các vị trí khác hết kết quả cho các đầu vào khác nhau, để<br />  9<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016<br /> <br /> <br /> minh chứng cho tính bất ổn định của lực bẻ lái Tài liệu tham khảo<br /> khi bánh lái làm việc khi có xâm thực, xét hệ [1] PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, TS. Vũ Văn<br /> số không thứ nguyên CL (hệ số lực nâng). Duy, ThS. Cổ Tấn Anh Vũ, ThS. Nguyễn<br /> Thành Nhật Lai. Mô phỏng số xâm thực<br /> cục bộ trên bánh lái tàu thủy. Tạp chí giao<br /> thông vận tải. Hà Nội, 11/2015, tr. 89 -<br /> 90.<br /> [2] Vũ Văn Duy, Nguyễn Thế Mịch, Nguyễn<br /> Thế Đức (2007). Mô phỏng vùng xâm<br /> thực trong dòng bao quanh profil cánh<br /> bằng phương pháp phần tử biên. Tr. 77 -<br /> 84. Tuyển tập hội Cơ học toàn quốc lần<br /> Hình 4. Hệ số lực nâng trên bánh lái tại các bước thời thứ VIII. Hà Nội, 6-7/12/2007.<br /> gian khác nhau<br /> [3] Padamanabhan Krishnaswamy (2000).<br /> Phân tích kết quả từ hình 4, nhận xét rằng: Flow modelling for partially cavitating<br /> Khi CL biến thiên liên tục theo các bước thời hydrofoils. PhD thesis. Technical<br /> gian, mặc dù góc bẻ lái giữ nguyên  = 150 và university of Denmark.<br /> tốc độ dòng chảy bao là 10 m/s. Lúc này tồn [4] G. Palau-Salvador, P. Gouzalez-Altozano<br /> tại lực bẻ lái tác động lên bánh lái có hiện and J. Arviza-Valverde. Numerical<br /> tượng dao động, dẫn đễn sự thay đổi hướng modeling of cavitating flows for simple<br /> chuyển động của tàu thủy gặp nhiều khó khăn. geometries using Fluent. Spanish journal<br /> 4. Kết luận of Agricultural research. 2007.<br /> Bài báo đưa ra cơ sở toán học và sử dụng Ngày nhận bài: 10/01/2016<br /> phần mềm Fluent-Ansys để xác định kích Ngày chấp nhận đăng: 25/01/2016<br /> thước vùng xâm thực trên bánh lái ở một số Phản biện: PGS.TS. Vũ Đức Lập<br /> chế độ vận hành man nơ. Đặc biệt tập trung TS. Nguyễn Xuân Phương<br /> nghiên cứu loại xâm thực có tính bất ổn định,<br /> từ đó tính toán được chu kỳ dao động của<br /> chúng.<br /> Trên cơ sở đó phân tích được tính bất ổn<br /> định của lực bẻ lái, đã ảnh hưởng trực tiếp đến<br /> đặc tính hướng chuyển động tàu thủy. Điều<br /> này càng trở nên quan trọng khi điều động tàu<br /> trong các tuyến luồng hàng hải, các khúc<br /> cong, cua gấp, khu vực hàng hải đặc biệt, khu<br /> vực hàng hải khó khăn và nông cạn,…<br /> Để tính toán chu kỳ dao động của lực bẻ<br /> lái trong từng giai đoạn vận hành, đòi hỏi việc<br /> nghiên cứu công phu và khối lượng công việc<br /> rất lớn, nhóm tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu và<br /> công bố kết quả trong các bài báo hay công<br /> trình khoa học tiếp theo <br />