Phân tích, mô phỏng hình ảnh sóng và tính toán sức cản tàu thủy sử dụng CFD

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> <br /> PHÂN TÍCH, MÔ PHỎNG HÌNH ẢNH SÓNG VÀ TÍNH TOÁN<br /> SỨC CẢN TÀU THỦY SỬ DỤNG CFD<br /> ANALYSIS, SIMULATION THE WAVES AROUND THE SHIP<br /> AND SHIP HULL RESISTANCE CALCULATIONS<br /> USING CFD METHODS<br /> Nguyễn Đức Hải, Vũ Văn Tản, Nguyễn Ngọc Đàm<br /> Email: shipbuilding_dta10@yahoo.com<br /> Trường Đại học Sao Đỏ<br /> Ngày nhận bài: 27/3/2018<br /> Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 20/6/2018<br /> Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2018<br /> Tóm tắt<br /> <br /> Ngày nay, khí động lực học tàu thủy đóng vai trò quan trọng trong vấn đề tính toán thiết kế tối ưu hình<br /> dáng nhằm tăng hiệu suất đẩy, tiết kiệm năng lượng cũng như giảm sức cản tác động lên tàu. Với sự<br /> phát triển của công nghệ máy tính, các nhà sản xuất đã thấy được khả năng tính toán động lực học<br /> dòng chảy thay vì thử nghiệm tại các bể thử đạt tiêu chuẩn để giảm thời gian thử nghiệm và tiết kiệm<br /> chi phí nghiên cứu và phát triển. Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày một nghiên cứu về giảm sức<br /> cản tác động lên tàu bằng cách sử dụng CFD. Chúng tôi áp dụng công cụ CFD để xác định sức cản và<br /> hình dạng đường dòng tác động lên thân tàu tại các vị trí mũi và đuôi. Kết quả mô phỏng CFD sau đó<br /> được so sánh với dữ liệu thử nghiệm để xác nhận tính chính xác.<br /> Từ khóa: CFD; Ansys-Fluent; lực cản tàu thủy.<br /> Abstract<br /> <br /> Nowadays, aerodynamics plays important role in shipbuilding in the matter of calculating the optimal<br /> shape design in order to increase efficiency, save energy as well as reduce impact resistance on<br /> board. For improvement in computer technology, manufacturers are using computational fluid dynamic<br /> softwares instead of testing in a towing tank to reduce the time for testing and save costs for development<br /> optimization the hull. In this study, the author present a study on the reduction of impact resistance on<br /> board using CFD method. The author used the CFD method to determine the drag and geometry of the<br /> line acting on the hull at the bow and stern of a ship. After that, the results of the CFD simulation are<br /> compare with the test data to confirm the accuracy.<br /> Keyword: CFD; Ansys-Fluent; ship resistance.<br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU CHUNG hình tàu để xác định các hệ số thủy động lực<br /> học cho tàu thực sử dụng các phương pháp thí<br /> Với sự phát triển không ngừng của ngành kinh<br /> nghiệm bằng bể kéo hoặc bể thử nghiệm mô<br /> tế vận tải sông biển, thì việc nghiên cứu thủy<br /> hình [4]. Tính toán lực cản chuyển động của tàu<br /> động lực học tàu thủy và cải tiến các loại thiết bị<br /> là một trong các vấn đề của bài toán ngoài của<br /> đẩy tàu đóng một vai trò hết sức quan trọng. Bởi<br /> cơ chất lỏng để xác định lực thủy động của chất<br /> lẽ chúng có liên quan trực tiếp đến các chỉ tiêu<br /> lỏng chảy bao vật thể.<br /> kinh tế và khai thác của mỗi con tàu cụ thể [4, 5,<br /> 6]. Hiện nay, trong nghiên cứu lực cản chuyển Để xác định công suất máy phù hợp theo yêu<br /> động của tàu người ta thường dùng phương cầu của tốc độ tàu, chúng ta phải biết sức cản<br /> nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nguyên khi tàu chạy. Nói chung sức cản của nước là<br /> cứu thực nghiệm. Đặc biệt để thu được số liệu thành phần sức cản chủ yếu. Sức cản này phụ<br /> đáng tin cậy người ta thường sử dụng các mô thuộc vào trị số hình dáng và tốc độ của tàu [1].<br /> <br /> Người phản biện: 1. PGS.TS. Lê Văn Học Mặc dù đã bỏ nhiều công nghiên cứu, đã có rất<br /> 2. TS. Vũ Hoa Kỳ nhiều những công trình nghiên cứu trong và ngoài<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 53<br />  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> nước nhưng đến nay vấn đề sức cản của nước trong các nhà máy xử lý nước thải. Phần mềm<br /> vẫn chưa được giải thích một cách rõ ràng và chặt có khả năng mô hình hóa động cơ xilanh, đường<br /> chẽ, vì quá trình diễn biến của hiện tượng quá đạn, máy và thiết bị turbin, và hệ thống đa pha.<br /> phức tạp. Đã có những công thức kinh nghiệm<br /> Ngày nay, hàng ngàn công ty trên thế giới được<br /> dựa trên hàng loạt lần thử và khảo sát cho phép<br /> lợi từ việc sử dụng công cụ thiết kế và phân tích<br /> xác định sức cản này nhưng độ chính xác chưa<br /> này. Được mở rộng bởi khả năng tương tác đa<br /> cao. Vì vậy hiện nay, khi xác định sức cản thường<br /> môi trường khiến phần mềm trở thành công cụ<br /> có sự so sánh giữa những tàu đã đóng với những<br /> phổ thông trong cộng đồng CFD, với sự nổi tiếng<br /> mô hình thân tàu thí nghiệm được kéo trong các bể<br /> về sự thân thiện và mạnh mẽ. Fluent tương đối<br /> thử [1, 8].<br /> dễ sử dụng đối với người mới bắt đầu. Fluent sử<br /> Trên cơ sở phân tích những hạn chế của vấn đề dụng công nghệ lưới phi cấu trúc, nghĩa là lưới có<br /> nghiên cứu sức cản tàu thủy ở Việt Nam hiện nay thể bao gồm các phần tử có hình dạng khác nhau,<br /> và những ưu điểm trong quá trình thừa kế những như lưới tứ giác và lưới tam giác cho các mô hình<br /> công thức kinh nghiệm trong các phương pháp 2D và lưới lục diện, tứ diện, đa diện cho các mô<br /> tính toán sức cản, cũng như ứng dụng các phần hình 3D. Mô phỏng số và bộ giải mạnh mẽ đảm<br /> mềm tiên tiến vào tính toán thiết kế của những bảo Fluent có kết quả chính xác [3]. Ứng dụng<br /> nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển trên để mô hình hóa dòng chảy rối phân tích trường<br /> thế giới, nhóm tác giả đưa ra phương pháp nghiên áp suất, trường vận tốc sử dụng các pháp mô<br /> cứu tính toán đánh giá sức cản của tàu khi chuyển hình k-epsilon, k-omega, phương trình ứng suất<br /> động để các trung tâm thiết kế nghiên cứu ứng Reynolds…<br /> dụng nhằm rút ngắn thời gian tính toán sức cản<br /> Cấu trúc của bộ phần mềm Fluent như sau:<br /> và tính chọn công suất máy cho tàu khi thiết kế,<br /> đồng thời đây sẽ là tài liệu nghiên cứu, giảng dạy<br /> trong nhà trường giúp cho sinh viên có cơ sở tính<br /> toán và nghiên cứu sức cản tàu thủy. Chúng tôi đã<br /> đề xuất phương pháp CFD kết hợp từ nhiều phần<br /> mềm phân tích số giúp chính xác hóa tính toán tối<br /> ưu sức cản.<br /> <br /> 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT<br /> <br /> Phương pháp Computational Fluid Dynamics<br /> (CFD) tính toán động lực học chất lỏng, đây là một<br /> nhánh của cơ học chất lỏng với sự giúp đỡ của<br /> máy tính, sử dụng phương pháp số để giải quyết Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của bộ phần mềm Fluent<br /> và phân tích vấn đề liên quan đến dòng chảy chất Tuy nhiên, với việc phát triển Fluent tích hợp<br /> lỏng. Máy tính được sử dụng để thực hiện các tính thành một module của Ansys thì các bước phân<br /> toán bằng việc thực hiện các vòng lặp, sau mỗi tích và chia lưới thông qua Gambit hiện nay được<br /> vòng lặp thì độ chính xác được cải thiện. Máy tính loại bỏ. Hiện nay, chúng tôi sử dụng phương pháp<br /> được sử dụng để thực hiện hàng triệu phép tính tạo mô hình trực tiếp từ các phần mềm CAE hoặc<br /> cần thiết để mô phỏng sự tương tác của chất lỏng Autoship, Napa... sau đó đưa vào Fluent.<br /> và khí với bề mặt được xác định bởi các điều kiện<br /> Lựa chọn mẫu dòng chảy rối<br /> biên. Ngay cả với các siêu máy tính tốc độ cao chỉ<br /> giải gần đúng có thể đạt được kết quả tốt trong Có một thực tế là không có một mẫu dòng chảy<br /> nhiều trường hợp. Khả năng mô hình hóa vật lý rối độc lập nào có thể hiểu hết các tính chất, vấn<br /> của Fluent được ứng dụng rộng khắp trong mọi đề của nó. Việc lựa chọn mẫu chảy rối sẽ phụ<br /> lĩnh vực công nghiệp: từ dòng chảy không khí qua thuộc vào đặc điểm như tính chất vật lý của dòng,<br /> cánh máy bay đến sự bốc cháy trong lò, từ các cột vấn đề thực tế của các lớp đặc biệt, mức độ yêu<br /> bọt khí đến việc sản xuất thủy tinh, từ dòng chảy cầu chính xác, cơ sở tính toán và lượng thời gian<br /> <br /> <br /> 54 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018<br />  LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> cần cho việc mô phỏng. Để có được sự lựa chọn Mô hình sử dụng VOF, mô hình hóa tàu để nghiên<br /> phù hợp nhất cho mẫu ứng dụng, chúng ta cần cứu dòng chảy khi tàu chuyển động với hai pha là<br /> hiểu khả năng và giới hạn của rất nhiều những lựa nước và không khí.<br /> chọn khác nhau. Đối với phân tích này chúng tôi<br /> 3. MÔ HÌNH PHÂN TÍCH SỨC CẢN<br /> lựa chọn mô hình rối<br /> Mô hình có ba mẫu đó là Standard, RNG và 3.1. Mô hình hình học tàu đa năng ứng phó sự<br /> Realizable. Cả ba mẫu này đều tương tự như cố tràn dầu<br /> nhau với những phương trình cần bằng cho k và<br /> Đối với phân tích này chúng tôi sử dụng phần<br /> . Những điểm khác nhau chính của mô hình này<br /> mềm CFD tính toán sức cản của nước tác dụng<br /> như sau:<br /> lên thân tàu, sau đó các kết quả này được so sánh<br /> - Phương pháp tính toán độ nhớt dòng rối.<br /> với kết quả kéo thử tàu tại bể thử tàu quốc gia và<br /> - Sự phụ thuộc của số Prandlt vào sự khuếch tán các phương pháp phân tích bằng thực nghiệm đã<br /> k và . biết. Mô hình hình học sử dụng phần mềm thương<br /> - Các toán hạng sinh ra và biến mất trong phương mại Napa, quá trình xây dựng mô hình liên quan<br /> trình . đến việc xuất nhập các bản thiết kế tàu vào Napa<br /> Mô hình là mô hình đơn giản có thể áp dụng với như hình 2. Những đường cong này nhằm tạo ra<br /> hầu hết các bài toán thông thường với độ chính xác bề mặt vỏ tàu với mức chính xác được đánh giá<br /> khá tốt. Tuy nhiên, trong các trường hợp đặc biệt, thông qua công cụ đánh giá tự động của Napa.<br /> khi tính chất dòng bị thay đổi mạnh như xuất hiện Mô hình cuối cùng chuyển thành một vật thể được<br /> sóng va thì việc áp dụng mô hình này cho kết quả<br /> đóng khối trước khi nhập vào Fluent.<br /> không tốt.<br /> Các kích thước chính của tàu phân tích, tính toán<br /> Trong bài báo này, việc nghiên cứu các dòng<br /> chảy xung quanh tàu khi tàu chuyển động bằng trong nghiên cứu này được thể hiện trong bảng 1.<br /> công cụ CFD. Việc tính toán sẽ sử dụng các mô Bảng 1. Các kích thước cơ bản của tàu<br /> hình của dòng chảy chất lỏng không nén được là<br /> nguyên nhân chính sinh ra lực cản chuyển động<br /> Trạng thái tải trọng Design<br /> tác dụng lên tàu. CFD là chương trình ứng dụng<br /> phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết Chiều dài hai trụ Lpp m 50,84<br /> vấn đề. Mô hình mô tả dòng chảy không nén<br /> được của chất lỏng nhớt ở số Mach thấp (M < Chiều dài đường nước Lwp m 50,84<br /> 0,3), số Reynolds. Mật độ điểm lưới có thể nhỏ,<br /> cho phép tính đến lực nâng. Mô hình bao gồm Chiều rộng B m 12<br /> <br /> các phương trình Navier-Stokes, phương trình Chiều chìm: mũi Tf m 4<br /> năng lượng.<br /> Lái TA m 4<br /> Phương trình Navier-Stokes để tìm vận tốc dòng<br /> chảy chuyển động có dạng: Hệ số béo thể tích Cb - 0,72<br /> (1)<br /> <br /> (2)<br /> <br /> trong đó: S là giá trị ban đầu và được xác định<br /> bằng công thức:<br /> (3)<br /> <br /> <br /> Phương trình năng lượng có dạng:<br /> (4)<br /> <br /> <br /> Hình 2. Mô hình tàu<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 55<br />  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> 3.2. Chia lưới thân tàu và mô hình hóa điều 4. PHÂN TÍCH<br /> kiện biên<br /> Đối với công việc này như đã được trình bày ở<br /> Nhằm hạn chế một số điều kiện khi tính toán để trên thì sức cản tàu thủy chủ yếu là sức cản của<br /> giúp đơn giản hóa bài toán, trong mô phỏng này nước tác dụng lên thân tàu. Do vậy, trong phân<br /> chúng tôi coi như mặt nước tĩnh để khảo sát sóng tích này chúng tôi bỏ qua sức cản gió, sức cản<br /> sinh ra khi tàu chuyển động. Để có thể tính toán của phần nhô, như vậy giảm lắc, ky tàu, chong<br /> và chọn các thông số mô hình trong phần mềm chóng, ống bao... Chính vì thế mô hình phân tích<br /> Fluent thì quy trình xây dựng mô hình trong phần dưới đây, các phần nhô đó sẽ được cắt giảm trong<br /> mềm bao gồm các bước sau: mô hình khi tính toán.<br /> <br /> - Tạo một mô hình ba chiều của thân tàu trong bất Trong quá trình kéo thử tàu tại bể thử, mô hình<br /> kỳ các phần mềm chuyên dụng nào của hệ thống được gia công phù hợp với bản vẽ tuyến hình tàu,<br /> thiết kế 3D, và sau đó chuyển mô hình này ở định với tỉ lệ 1:15,33. Để đánh giá chính xác đường<br /> dạng đuôi trung gian tương ứng có thể chuyển dòng chảy qua thân tàu trong quá trình mô phỏng<br /> được vào Fluent. Đối với mô hình tính toán của đề bằng phần mềm Fluent, tác giả đã dựng lại mô<br /> tài, tác giả sử dụng phần mềm mô hình ba chiều hình tàu với kích thức bằng kích thước của tàu<br /> của thân tàu được xây dựng bằng Napa. mô hình. Thử nghiệm dòng chảy quanh thân tàu<br /> nhằm mục đích đánh giá chất lượng của tuyến<br /> - Tạo một trường tính toán, mô phỏng môi trường,<br /> hình tàu dưới góc độ dòng chảy. Nếu dòng chảy<br /> Fluent giải quyết bài toán trong chuyển động<br /> tại tất cả các vị trí đều, không rối thì có thể coi là<br /> ngược đối với thân tàu, điều này cho phép kích<br /> tuyến hình đạt yêu cầu. Ngoài ra, có thể dựa vào<br /> thước tương đối nhỏ của miền tính toán để mô<br /> kết quả thử nghiệm dòng chảy để bố trí vây giảm<br /> phỏng các chuyển động của tàu trong các thời<br /> lắc nhằm mục đích giảm tối đa sức cản do vây<br /> gian tương ứng.<br /> giảm lắc gây ra.<br /> Các miền tính toán trong Fluent được mô hình<br /> Sau quá trình tính toán bằng phần mềm Fluent với<br /> hóa dưới dạng miền không gian boxing (bể thử<br /> tốc độ tàu là 1,58 m/s, số vòng lặp là 150 vòng, ta<br /> mô hình), boxing là một đoạn của khu vực kéo ảo<br /> có kết quả như sau:<br /> mà trong đó tàu đang chuyển động. Kích thước<br /> của hộp ảnh hưởng rất lớn đến thời gian và độ<br /> chính xác của phép tính. Những thông số này<br /> được chọn vì lý do giảm thiểu tác động của điều<br /> kiện bên ngoài ranh giới đến mô hình tàu.<br /> <br /> Dưới đây là thông số giới hạn miền không gian<br /> tính toán đối với tàu, đồng thời quy định các điều<br /> kiện biên trong quá trình tính toán đối với bài tính<br /> toán mô phỏng tàu bằng phần mềm Fluent theo và<br /> a)<br /> cũng có thể áp dụng cho tính toán và mô phỏng<br /> tàu khi sử dụng các phần mềm khác như CFX,<br /> Flowvision… [2, 7].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> b)<br /> Hình 4. Dòng chảy qua mũi tàu (a) phân tích<br /> Hình 3. Miền không gian tính toán CFD; (b) thử nghiệm<br /> <br /> <br /> 56 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018<br />  LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a)<br /> <br /> b)<br /> Hình 7. Hình ảnh sóng khi kéo trong bể thử<br /> (a) sóng giữa tàu; (b) sóng đuôi tàu<br /> <br /> Qua tính toán và so sánh kết quả của mô hình<br /> tương đương xây dựng và tính toán bằng CFD so<br /> sánh với các công thức tính toán sức cản bằng<br /> b) các công thức thực nghiệm như Holtrop, Fung...<br /> kết hợp với kết quả tính toán tại bể thử quốc gia,<br /> Hình 5. Dòng chảy qua đuôi tàu (a) phân tích<br /> tác giả có đồ thị so sánh dưới đây (kết quả tính<br /> CFD; (b) thử nghiệm<br /> toán này là đối với mô hình).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Đồ thị so sánh sức cản của tàu<br /> <br /> - Từ kết quả tính toán trên cho kết quả tính toán<br /> sức cản là sát với thực tế. Ở dải tốc độ của mô<br /> Hình 6. Hình ảnh sóng khi mô phỏng bằng CFD hình trên 1,5 m/s, kết quả tính toán sức cản bằng<br /> CFD có xu hướng lớn hơn so với các phương<br /> pháp khác.<br /> <br /> - Đường dòng bao quanh thân tàu tương đối sát<br /> với mô hình đã kéo trong bể thử.<br /> <br /> - Ứng dụng vào tính mô phỏng nhằm làm giảm chi<br /> phí chế tạo và kéo thử mô hình.<br /> <br /> 5. KẾT LUẬN<br /> <br /> Theo kết quả của nghiên cứu này, tác giả đã mô<br /> a) phỏng được dòng chảy xung quanh thân tàu bằng<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 57<br />  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> cách sử dụng CFD. Đã nhận được hình ảnh của [3]. Fluent Totorial Guide (2001). Fluent Inc.<br /> bề mặt sóng khi tàu chuyển động, các mô hình kết [4]. Viện Khoa học Công nghệ tàu thủy Việt Nam.<br /> quả của sóng là sát với thực tế mô hình đã chế tạo Báo cáo kết quả thử nghiệm tàu trên nước tĩnh<br /> và kéo thử nghiệm tại bể thử tàu quốc gia. Việc<br /> MH080 - 250NM.<br /> ứng dụng CFD vào quá trình tính toán sẽ giúp<br /> tăng năng suất, giảm chi phí do không phải đầu tư [5]. Nguyễn Tiến Lai (2006). Giáo trình động lực học<br /> <br /> chi phí cho bể thử và kéo thử mô hình trong bể thử. tàu thủy. Đại học Hàng hải Việt Nam.<br /> <br /> [6]. Trương Sỹ Cáp (1997). Lực cản tàu thủy. NXB<br /> Giao thông vận tải Hà Nội.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Jacek Jachowski (2008). Assessment of ship [7]. B.R Clayton and R.E.D. Bishop (1981). Mechanics<br /> squat in shallow water using CFD. Archives of of marine vehicles. University College London.<br /> Civil Mechanical Engineering, Vol. 8, No 1, pp. University of California.<br /> 27-36.<br /> [8]. Hongxuan Peng (2001). Numerical computation<br /> [2]. L.J. Doctors and M.R. Renilson (1992). Corections<br /> for finite-water-depth effects on ship resistance. of multi-hull ship resistance and motion. Doctor<br /> University of Tamania, Hobart, Australia 14-18. thesis Naval Architecture at Dalhousie University.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 58 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018<br />