Tính toán mô phỏng lực gia thêm tác động lên tàu thủy khi thay đổi hướng chuyển động

19<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016<br /> <br /> <br /> TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG LỰC GIA THÊM TÁC ĐỘNG LÊN TÀU<br /> THỦY KHI THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG<br /> CALCULATING AND SIMULATION OF THE EXTEND FORCE IN CASE OF<br /> CHANGING THE MOTION COURSE<br /> <br /> PGS. TS. Phạm Kỳ Quang 1. TS. Vũ Văn Duy 1, NCS. Nguyễn Thành Nhật Lai 2<br /> 1<br /> Trường Đại học Hàng hải Việt Nam,<br /> 2<br /> Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh.<br /> <br /> Tóm tắt: Bài báo đưa ra qui trình tính toán mô phỏng lực gia thêm (lực bù) tác động lên tàu thủy<br /> khi thay đổi hướng chuyển động. Kết quả tính toán lực gia thêm này được thực hiện trên mô hình đồng<br /> dạng của M/V TAN CANG FOUNDATION.<br /> Từ khóa: Lực gia thêm, thay đổi hướng chuyển động tàu thủy, mô hình tàu<br /> Abstract: This article gives the calculating and simulation process of the extend force that impact<br /> on the ship in case of changing the motion course. This result has been executed on the congruent model<br /> of M/V TAN CANG FOUNDATION.<br /> Keywords: extends force, changing the motion course of ship, congruent model.<br /> <br /> 1. Giới thiệu Thuật toán sử dụng [5]: Đây là bài toán<br /> Khi tàu thủy đi thẳng, nếu bỏ qua ảnh hai pha (pha lỏng và pha khí) tồn tại mặt<br /> hưởng của sóng thì sự phân bố áp suất hai mạn thoáng phân cách giữa chúng, nên sử dụng<br /> tàu hoàn toàn đối xứng. Nhưng khi thay đổi phương pháp VOF (volume of fluid). Phương<br /> hướng chuyển động tàu thủy, sự phân bố này pháp VOF giải phương trình vi phân chủ đạo<br /> sẽ thay đổi theo (phụ thuộc chặt chẽ vào tốc cho hỗn hợp nhiều pha, bằng cách đưa thêm<br /> độ và góc quay của tàu). vào đại lượng tỷ lệ thể tích pha (volume<br /> fraction). Gọi αk là tỷ lệ thể tích pha thứ k, khi<br /> Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng<br /> đó:<br /> phần mềm chuyên dụng Fluent-Ansys kết hợp n<br /> với lập trình để định nghĩa một số tham số đầu  k 1 (1)<br /> vào, xác định lực gia thêm theo các phương. k 1<br /> <br /> Trên cơ sở đó, nghiên cứu tác động của lực gia Với k là khối lượng riêng của pha thứ k,<br /> thêm đến đặc tính điều khiển hướng chuyển khi đó khối lượng riêng của hỗn hợp là:<br /> động và tính ổn định tàu thủy. n<br />     k k (2)<br /> Để thuận tiện cho nghiên cứu, nhóm tác k 1<br /> <br /> giả sử dụng các thông số của M/V TAN Từ đó giải các phương trình vi phân chủ<br /> CANG FOUNDATION, đây là tàu hành trình đạo, để xác định các đại lượng đặc trưng:<br /> chuyên tuyến Bắc – Nam và việc thực hành,  k 1  <br /> s k    m pk  mkp  <br /> n<br /> <br /> thực nghiệm, khảo các số liệu của tàu rất thuận    k vk    (3)<br /> t k  k 1 <br /> lợi [4]. Từ sơ liệu bản vẽ tuyến hình của tàu,<br /> nhóm tác giả sử dụng phần mềm Solidwork để Tỷ lệ thể tích được xác định theo các bước<br /> xây dựng lại tuyến hình của tàu theo hình 1. thời gian:<br />  kn 1kn 1  kn kn<br />  sk k1m pk mkp V<br /> n<br /> 2. Mô hình nghiên cứu và thuật toán   kn 1U kn 1 kf<br /> n 1<br /> (4)<br /> t f<br /> * Mô hình nghiên cứu:<br /> Trong đó:<br /> (n+1): Bước thời gian hiện tại;<br /> n: Bước trước đó;<br /> αkf : Giá trị danh nghĩa của tỷ lệ thể tích<br /> pha thứ k;<br /> V: Thể tích phần tử tính toán;<br /> Hình 1. Mô hình nghiên cứu và các điều kiện biên<br />  20<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016<br /> <br /> Uk: Thể tích dòng qua bề mặt theo Trường hợp này nhận xét rằng: Phân bố<br /> phương pháp tuyến; áp suất hai mạn tàu gần như đối xứng. Để thể<br /> mpk hiện chi tiết hơn, có thể xét trên một đường<br /> : Khối lượng chuyển từ pha p tới pha<br /> nước<br /> k;<br /> mkp<br /> : Khối lượng chuyển từ pha k tới pha<br /> p; sk  0<br /> Có thể xác định trường vận tốc và năng<br /> lượng qua phương trình động lượng và<br /> phương trình năng lượng:<br /> <br /> t<br />   <br />   v    v v p    v v t<br />    g  F (5)<br /> <br />   E     v   E  p     keff T   sh (6) Hình 3. Phân bố áp suất tĩnh và hệ số áp suất dọc<br /> t theo đường nước khảo sát<br /> Trong đó: Từ kết quả mô phỏng hình 3, nhận xét<br /> E: Năng lượng; rằng: Phân bố áp suất tĩnh hai bên đường nước<br /> T: Nhiệt độ và E; là đối xứng và hệ số phân bố áp suất dọc theo<br /> Được xác định theo (7) : chiều dài đường nước giữa hai bên là gần như<br /> n n trùng nhau. Trường hợp này không tồn tại lực<br /> E    k  k Ek /   k  k (7) gia thêm tác động lên vỏ tàu thủy.<br /> k 1 k 1<br /> <br /> Ngoài ra chương trình sử dụng kỹ thuật * Kết quả mô phỏng của trường hợp 2:<br /> giải k- ; và các hệ số thực nghiệm khác [1, 2 Trường hợp này, khi tàu thay đổi hướng<br /> , 3, 5]. chuyển động HT = 150, có thể quy về bài toán<br /> 3. Phân tích kết quả dòng chảy bao quanh vỏ tàu có góc hợp bởi<br /> phương vận tốc và trục dọc tàu là 150. Kết quả<br /> Mục tiêu là xác định lực gia thêm tác mô phỏng được thể hiện trên cùng đường<br /> động lên tàu thủy, khi thay đổi hướng chuyển nước so với trường hợp 1.<br /> động tàu thủy và chưa tính tới ảnh hưởng của<br /> gió. Trong phạm vi bài báo này, tính toán cho<br /> một số đầu vào như sau:<br /> - Trường hợp 1: Tàu chuyển động thẳng<br /> hướng với vận tốc tàu là 5 m/s; vận tốc gió<br /> Vgio = 0.<br /> - Trường hợp 2: Tàu thay đổi hướng<br /> chuyển động HT = 150, vận tốc tàu là 5m/s và<br /> vận tốc gió Vgio = 0.<br /> Kết quả mô phỏng cho hai trường hợp<br /> được mô tả cụ thể theo hình 2, hình 3 và hình Hình 4. Phân bố áp suất tĩnh và hệ số áp suất dọc<br /> 4. theo đường nước khảo sát<br /> * Kết quả mô phỏng của trường hợp 1: Từ kết quả mô phỏng hình 3, nhận xét<br /> rằng: Phân bố áp suất tĩnh hai bên đường nước<br /> khảo sát tương đối khác nhau và cụ thể hệ số<br /> áp suất Cp tách thành hai đường có độ lệch khá<br /> lớn. Điều này chứng tỏ đã tồn tại lực gia thêm<br /> tác động lên vỏ tàu. Trong phạm vi bài báo<br /> Hình 2. Phân bố áp suất hai mạn tàu (xét phần tiếp này, nhóm tác giả chưa tính toán định lượng<br /> xúc với nước) cho nhiều trường hợp cụ thể khác nhau, chủ<br />  21<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016<br /> <br /> <br /> yếu giới thiệu về qui trình và khả năng mở [2]. Vũ Văn Duy, Sử dụng phầ mềm Fluent để<br /> rộng bài toán phân tích dòng chảy bao quanh hydrofoil,<br /> 4. Kết luận Tạp chí Khoa học - Công nghệ Hàng hải.<br /> Số 6, 2006.<br /> Bài báo đưa ra qui trình ứng dụng mô<br /> hình tính toán VOF cụ thể và chi tiết để khảo [3]. Vũ Văn Duy, Bùi Trọng Tùng. Một số kết<br /> sát bài toán dòng chảy bao quanh tàu với hai quả ứng dụng phần mềm Fluent trong<br /> pha (khí và nước). Tuy nhiên kết quả bài báo nghiên cứu dòng chảy qua chân vịt tàu<br /> tập trung tính toán mô phỏng lực gia thêm do thủy, Tạp chí Khoa học - Công nghệ Hàng<br /> nước tác động lên vỏ tàu khi thay đổi hướng hải. Số 10, 2007.<br /> chuyển động tàu thủy. Các kết quả nghiên cứu [4]. Hồ sơ của M/V TAN CANG<br /> liên quan đến vấn đề này, có thể được công bố FOUNDATION và số liệu nghiên cứu<br /> trong các công trình hoặc bài báo khoa học thực địa tháng 12/2015 trên tuyến luồng<br /> tiếp theo  Hải Phòng.<br /> Tài liệu tham khảo [5]. http://www.ansys.com<br /> [1]. PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, TS. Vũ Văn Ngày nhận bài: 20/01/2016<br /> Duy, ThS. Cổ Tấn Anh Vũ, ThS. Nguyễn Ngày chấp nhận đăng: 04/02/2016<br /> Thành Nhật Lai, Mô phỏng số xâm thực Phản biện: PGS.TS. Vũ Đức Lập<br /> cục bộ trên bánh lái tàu thủy. Tạp chí giao TS. Nguyễn Xuân Phương<br /> thông vận tải. Hà Nội, 11/2015, tr. 89 -<br /> 90.<br />