Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng
i
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứu
giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí ” tác giả đã nhận
được nhiều sự giúp đỡ từ các tổ chức và cá nhân.
Tác giả xin chân thành cảm ơn:
1. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Kỹ
thuật Thủy khí & Tàu thủy đã tạo điều kiện về mặt thời gian cũng như công
tác chuyên môn để tác giả tập trung vào công việc nghiên cứu.
2. Hội Cơ học Việt Nam, Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia –
NAFOSTED, Phòng Khoa học – Công nghệ trường Đại học Bách khoa Hà
Nội đã hỗ trợ kinh phí, tạo điều kiện để tác giả báo cáo công trình nghiên cứu
tại các hội nghị trong và ngoài nước.
3. Trung tâm Nghiên cứu Thử nghiệm và Kiểm định Tàu thủy - Viện Khoa học
Công nghệ Tàu thủy Việt Nam đã hỗ trợ kinh phí và giúp đỡ tác giả hoàn
thành phần thực nghiệm.
4. Tập thể cán bộ hướng dẫn: GS.TSKH.NGND Vũ Duy Quang và TS. Lê
Thanh Tùng đã định hướng để tác giả tiếp cận tốt hơn với phương pháp
nghiên cứu.
5. Gia đình và bạn bè đã động viên, khích lệ để tác giả hoàn thành tốt luận án.
Trân trọng cảm ơn!
Tác giả
Phạm Thị Thanh Hương
Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Nghiên cứu giảm lực cản
nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí” đều do tôi tự thực hiện hoặc
đồng thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn GS.TSKH.NGND
Vũ Duy Quang và TS. Lê Thanh Tùng.
Để hoàn thành luận án này, tôi chỉ dùng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu
tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu nào khác. Không hề có sự sao chép,
gian lận kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
Tác giả
Phạm Thị Thanh Hương
Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng
iii
MỤC LỤC
NỘI DUNG
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
1.
2.
3.
4.
5.
CHƢƠNG
Lý do nghiên cứu, mục đích đề tài
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu
Bố cục luận án
1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN - LỰC CẢN
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.1.3.1
1.1.3.2
1.1.3.3
1.1.4
1.1.4.1
1.1.4.2
1.1.4.3
1.2
1.2.1
1.2.2
1.3
1.3.1
1.3.2
1.4
1.4.1
1.4.1.1
1.4.1.2
Nghiên cứu lớp biên
Khái niệm lớp biên
Cấu trúc lớp biên
Hệ phương trình lớp biên
Phương trình Navier – Stokes
Phương trình Reynolds
Hệ phương trình Prandtl
Phương pháp giải hệ phương trình lớp biên
Phương pháp giải tích
Phương pháp tích phân
Tính toán số
Lực cản của vật chuyển động trong chất lỏng
Khái niệm lực cản
Thành phần lực cản của vật ngập chuyển động trong
chất lỏng
Lực cản tàu thủy
Khái niệm lực cản tàu thủy
Thành phần lực cản tàu và nguyên nhân xuất hiện
Phương pháp giảm lực cản tàu và một số công trình
đã nghiên cứu
Giảm lực cản nhớt
Tầng hóa lớp biên
Tạo dao động bề mặt giảm ma sát rối
Trang
vii
ix
x
1
1
1
2
2
3
5
5
5
5
6
6
7
7
8
8
8
8
9
9
10
10
10
11
13
13
13
22
Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng
iv
1.4.2
1.4.3
22
22
24
CHƢƠNG
2. TÍNH TOÁN LỰC CẢN TÀU – MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH
HƢỞNG ĐẾN GIẢM LỰC CẢN TÀU
Lực cản tàu thủy tính theo lý thuyết
Lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh
Lực cản toàn phần của tàu
Lực cản nhớt của tàu
Lực cản sóng của tàu
Lực cản không khí của tàu
Lực cản của tàu chuyển động trên sóng
Lực cản tàu tính gần đúng theo thực nghiệm
Phương pháp tính lực cản toàn phần theo công suất
kéo tàu
Phương pháp tính lực cản dư hoặc lực cản sóng
Phương pháp tính chuyển đồng dạng từ tàu mẫu
Một số yếu tố ảnh hưởng đến giảm lực cản tàu
Hình dáng thân tàu
Hình dáng thân tàu biển
Hình dạng thân tàu nội địa và tàu pha sông biển
Hệ số béo tàu
Độ nhám thân tàu
Độ nhám chung
Độ nhám cục bộ
Ảnh hưởng của lớp rêu, hà bám vào vỏ thân tàu
Ảnh hưởng của lớp biên bao quanh tàu
Ảnh hưởng của lớp khí phun vào lớp biên đáy tàu
24
24
24
26
28
28
31
32
33
3. NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ
40
2.1
2.1.1
2.1.1.1
2.1.1.2
2.1.1.3
2.1.1.4
2.1.2
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.3
2.3.1
2.3.1.1
2.3.1.2
2.3.2
2.3.3
2.3.3.1
2.3.3.2
2.3.4
2.3.5
2.3.6
CHƢƠNG
Giảm lực cản hình dáng
Giảm lực cản sóng
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.2.1
3.1.2.2
3.1.2.3
3.1.2.4
3.1.3
3.1.3.1
Tổng quan phương pháp số
Khái quát chung
Hệ phương trình
Phương trình liên tục
Phương trình bảo toàn động lượng
Phương trình bảo toàn năng lượng
Dạng tổng quát của các phương trình bảo toàn
Các phương pháp số
Phương pháp điểm kỳ dị
33
34
34
34
35
35
36
36
36
37
38
38
39
40
40
41
41
41
42
42
42
42
Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng
3.1.3.2
3.1.3.3
3.1.3.4
3.1.3.5
3.1.3.6
3.1.3.7
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
3.2.5.1
3.2.5.2
3.2.5.3
3.2.5.4
3.2.5.5
3.2.5.6
CHƢƠNG
Phương pháp vi phân hữu hạn (FDM)
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM)
Phương pháp phần tử biên (BEM)
Phương pháp phổ (SEM)
Mô phỏng số (CFD)
Mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu và tính toán
lực cản tàu bằng phương pháp CFD
Cấu trúc phần mềm
Các phương trình tổng quát
Phương thức giải
Các bước giải bài toán trên FLUENT
Trình tự mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu và
đo lực cản tàu
Khởi động và xây dựng mô hình hình học của tàu
Lựa chọn phương pháp – mẫu dòng rối
Miền tính toán – Điều kiện biên
Cấu trúc lưới
Quy định về độ chính xác, vòng lặp
Kết quả mô phỏng
4. NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG THỰC NGHIỆM
PHUN KHÍ VÀO LỚP BIÊN ĐÁY TÀU
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.2.1
4.1.2.2
4.1.3
4.1.4
4.1.4.1
4.1.4.2
4.1.4.3
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
Cơ sở thực nghiệm nghiên cứu lực cản tàu
Hai nguyên tắc cơ bản lập mô hình
Cách thức lập mô hình tàu
Lập mô hình từng phần theo số Reynolds
Lập mô hình từng phần theo số Froude
Ảnh hưởng của mô hình đến kết quả thực nghiệm
Tính chuyển lực cản từ mô hình sang tàu thực
Phương pháp Froude
Phương pháp Hughes
Phương pháp Telfer
Trang thiết bị thử mô hình tàu
Bể thử mô hình tàu
Xe kéo mô hình và các thiết bị gắn trên xe kéo
Thiết bị tạo và khử sóng trong bể thử mô hình
Thiết bị đo trong thử nghiệm
v
43
45
45
49
49
49
54
54
55
56
56
57
58
60
60
61
63
63
72
72
72
72
73
73
74
74
75
76
76
77
77
78
80
82
Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng
vi
4.2.5
4.2.6
4.2.7
4.3
4.4
83
83
84
85
85
4.4.1
4.4.2
4.4.3
4.4.3.1
4.4.3.2
4.4.4
4.4.5
4.4.5.1
4.4.5.2
4.4.5.3
4.4.6
Thiết bị kết nối máy tính
Hệ thống điều khiển trung tâm
Phần mềm đo CATMAN
Trình tự thử nghiệm đo lực cản tàu
Thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu giảm lực
cản tàu
Mô hình và thiết bị thử nghiệm
Kết nối thiết bị thử nghiệm
Quá trình thử nghiệm đo lực cản tàu
Thực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động trên nước
tĩnh
Thực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động trên sóng
So sánh kết quả lực cản tàu theo tính toán số và thực
nghiệm
Đánh giá công suất kéo tàu trong thử nghiệm
Công suất kéo của tàu tính theo lý thuyết
Công suất kéo của tàu trong thử nghiệm
Đánh giá hiệu quả áp dụng phun khí vào lớp biên đáy
tàu trong thử nghiệm
Thảo luận kết quả thực nghiệm
85
88
89
89
90
92
93
93
94
96
97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
99
TÀI LIỆU THAM KHẢO
xii
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
xvi
Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng
vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
TÊN GỌI
Chiều dài tàu, chiều dài tàu thực, chiều dài tàu
mô hình
Chiều rộng tàu
Chiều cao mạn
Chiều chìm tàu
Chiều dày lớp bien
Chiều dày nén của lớp biên
Chiều dày tổn thất xung lượng của lớp biên
Chiều cao đỉnh mô nhám thân tàu
Chiều cao bình phương trung bình của mô nhám
thân tàu
Công suất kéo tàu
Diện tích mặt cắt ướt tàu
Diện tích mặt cắt ướt thân tàu trơn
Góc vào nước (góc tới) của cánh
Hệ số béo thể tích của tàu (Hệ số thể tích lượng
chiếm nước)
Hệ số béo đường nước của tàu (Hệ số diện tích
mặt đường nước)
Hệ số béo thẳng đứng của tàu (Hệ số diện tích
mặt cắt ngang giữa tàu)
Hệ số béo dọc tàu (Hệ số lăng trụ)
Hệ số lực cản toàn phần
19
20
Hệ số lực cản của tàu thực và tàu mô hình
Hệ số lực nâng
21
22
23
Hệ số lực cản áp suất
Hệ số lực cản ma sát
Hệ số cản ma sát cục bộ
24
Hệ số lực cản ma sát của bản phẳng tương ương
25
Hệ số lực cản nhớt
KÝ HIỆU
CHỮ VIẾT TẮT
ĐƠN
VỊ
L; LH; LM
m
B
H
T
*
**
k
m
m
m
m
m
m
m
k
tb
m
EPS (PS,PE)
0
(CB)
W
m2
m2
độ
(CWP)
(CM)
C, Cx
CH, CM
Cy
CP
CF
Cf
CFo
CV
Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng
viii
26
27
28
29
30
31
32
Hệ số lực cản hình dáng
Hệ số lực cản sóng
Hệ số lực cản không khí
Hệ số lực cản do độ nhám bề mặt thân tàu
Hệ số lực cản phần nhô
Hệ số lực cản dư
Hệ số lực cản bổ sung
CVP
CW
CAA
CA
CAP
CR
33
34
CE
39
40
41
Hệ số hải quân
Hệ số hình dáng (kể đến ảnh hưởng độ cong và
hình dáng thân tàu)
Hệ số ảnh hưởng độ cong bề mặt thân tàu
Hệ số ảnh hưởng hình dáng thân tàu
Hệ số nhớt động học của chất lỏng
Hệ số nhớt động học của chất lỏng quanh tàu
thực
Hệ số nhớt động học của chất lỏng trong bể thử
Hệ số nhớt động lực học của chất lỏng
Khối lượng riêng của chất lỏng
42
Khối lượng riêng của không khí
43
44
35
36
37
38
Cd
k
kF
kVP
H
m2/s
m2/s
M
kg/m
A
kg/m
Lưu lượng khí phun
Lực cản toàn phần
Q, QA
lít/phút
N
45
Lực nâng
Ry
46
47
Số xâm thực
Số Froude và các biến thể của nó
48
49
50
51
Số Reynolds và các biến thể của nó
Trọng lượng tàu
Thể tích ngâm nước của tàu
Tỉ lệ xích của tàu mô hình so với tàu thực
52
53
54
55
56
Tiết diện cản chính
Vận tốc dòng chảy và các thành phần của nó
Vận tốc tàu thực, vận tốc tàu mô hình
Vận tốc luồng khí bao quanh phần khô của tàu
Vận tốc tuyệt đối của gió
R, Rx
Fr, FrV, FrH,
FrB
Re, Re*, Re**
k
m2/s
m2/s
3
3
N
N
m3
LM
1
LH 33
S
v, vx, vy, vz
vH; vM
vA
vB
m2
m/s
m/s
m/s
m/s
Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng
ix
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1
Giá trị hệ số lực cản của các phần nhô
28
Bảng 2.2
Giá trị hệ số lực cản bề mặt CA đối với tàu biển
28
Bảng 2.3
Vận tốc gió Bopho tại độ cao h = 6,0 m so với mặt nước biển
30
Bảng 2.4
Giá trị hệ số lực cản không khí CAA
30
Bảng 2.5
Giá trị hệ số bổ sung k E trong khai thác tàu biển
30
Bảng 3.1
Thông số cơ bản tàu mô hình MHNCS 2008-015
58
Và thông số cơ bản buồng phun khí 3 ngăn riêng biệt
Bảng 4.1
Thông số cơ bản của tàu thực và tàu mô hình
Và thông số cơ bản buồng phun khí 3 ngăn riêng biệt
85
Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng
x
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 2.1
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.17
Hình 3.18
Hình 3.19
Lớp biên và dòng ngoài
Cấu trúc lớp biên theo phương dọc
Cấu trúc lớp biên theo phương ngang
Lực tác dụng lên vật ngập chuyển động trong chất lỏng
Hệ toạ độ khảo sát chuyển động của tàu
Điều khiển lớp biên giảm lực cản tàu
Kết cấu lớp phủ kiểu cột
Kết cấu lớp phủ kiểu sườn
Tàu BERGE ARZEW với lớp sơn phủ
Sơ đồ của các thiết bị giao thoa giảm lực cản sóng
Sơ đồ luồng khí bao quanh khi tàu chuyển động trong điều
kiện có gió
Lưới thể tích hữu han 2D có cấu trúc
Lưới thể tích hữu hạn 3D không cấu trúc
Cấu trúc mô phỏng số CFD
Cấu trúc bộ phần mềm ANSYS FLUENT
Mô hình 3D tàu thử nghiệm
Miền tính và điều kiện biên
Mô hình lưới hỗn hợp
Mật độ lưới cao xung quanh các lỗ phun khí và tại mũi tàu
Phân bố áp suất trên thân tàu khi tàu chuyển động trên
nước tĩnh, trường hợp không phun khí đáy tàu
Phân bố áp suất trên thân tàu chuyển động trên nước tĩnh
Phân bố áp suất và vận tốc trên mặt thoáng
Phân bố vận tốc dòng khí – lỏng dọc theo bề mặt đáy tàu
Phân bố dòng khí-lỏng xung quanh lỗ phun dọc thân tàu
Phân bố dòng khí-lỏng ở đáy tàu khi tàu chuyển động trên
nước tĩnh
Phân bố hệ số ma sát trên bề mặt đáy tàu khi tàu chuyển
động trên nước tĩnh
Phân bố hệ số ma sát của dòng khí – lỏng dọc theo thân tàu
Lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh
Hệ số lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh
Lực cản và hệ số lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh
khi lưu lượng khí phun Q = 20 lít/phút
5
5
6
9
11
14
20
20
21
23
29
46
47
50
54
59
60
62
62
63
64
65
65
66
67
68
69
69
70
70
Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình 4.14
Hình 4.15
Hình 4.16
Hình 4.17
Hình 4.18
Hình 4.19
Hình 4.20
Hình 4.21
Hình 4.22
Hình 4.23
Hình 4.24
Hình 4.25
Hình 4.26
Hình 4.27
Hình 4.28
Hình 4.29
Hình 4.30
Bể thử mô hình tàu
Xe kéo mô hình chạy trên đường ray
Tấm phanh hãm mô hình
Dẫn hướng mô hình
Hệ thống dẫn hướng và gá lắp thiết bị đo
Giá cân bằng động mô hình
Thiết bị tạo sóng trong bể thử
Thiết bị triệt tiêu sóng trong bể thử
Hệ thống điều khiển tạo sóng
Lực kế đo lực cản tàu mô hình
Bộ kết nối chuyển đổi số liệu đo lực cản
Bộ kết nối chuyển đổi số liệu đo chiều cao sóng
Bộ xử lí tín hiệu 12 kênh
Giao diện phần mềm CATMAN
Hình dạng tàu mô hình MH NCS 2008.015
Tuyến hình tàu mô hình MH NCS 2008.015
Hình dạng, kết cấu, vị trí buồng phun khí trên tàu mô hình
Thiết bị điều chỉnh áp suất và lưu lượng khí phun
Tấm kính quan sát dòng
Sơ đồ kết nối thiết bị thử nghiệm
Hình ảnh tàu mô hình chuyển động trên nước tĩnh với tốc
độ v = 1,4 m/s và lưu lượng khí phun Q = 20 lít/phút
Hình ảnh dòng bóng khí sát đáy tàu chuyển động trên nước
tĩnh với tốc độ v = 1,4 m/s và lưu lượng khí Q = 20 lít/phút
Lực cản toàn phần tàu chuyển động trên nước tĩnh
Hệ số lực cản toàn phần tàu chuyển động trên nước tĩnh
Hình ảnh tàu mô hình phun khí lưu lượng Q = 20 lít/phút
chuyển động trên sóng hình sin với biên độ h =12cm
Dòng khí đáy tàu chuyển động trên sóng hình sin với biên
độ h =12cm khi phun khí với lưu lượng Q = 20 lít/phút
Lực cản toàn phần tàu chuyển động trên sóng hình sin
Lực cản và hệ số lực cản theo tính toán số và thực nghiệm
khi phun khí với lưu lượng Q = 20 lít/phút
Công suất kéo tàu chuyển động trên nước tĩnh
Công suất kéo tàu trên sóng hình sin tính theo lý thuyết và
thực nghiệm khi không phun khí và khi phun khí với lưu
lượng Q = 20 lít/phút
xi
77
78
79
79
80
80
81
81
82
83
83
83
84
84
86
86
87
88
88
88
89
89
90
90
91
91
92
92
95
95
Mở đầu
1
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO NGHIÊN CỨU, MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
Từ ngàn năm nay, các nhà khoa học trên thế giới đã luôn tìm tòi, nghiên cứu về các
hiện tượng rất thú vị trong tự nhiên. Sự chuyển động của một vật thể trong nước
cũng là một trong những nghiên cứu miệt mài của các nhà khoa học để giải đáp cho
các thắc mắc như: vật thể sẽ chịu những tác động gì khi di chuyển trong chất lỏng?
tác động đó ảnh hưởng như thế nào đối với các vật thể khác nhau? sự tương tác giữa
vật thể và chất lỏng bao quanh? làm thế nào để vật thể di chuyển trong chất lỏng
được dễ dàng ....Sau quá trình nghiên cứu miệt mài, các nhà khoa học đã tìm ra
những định luật, những phương trình cũng như những sản ph m nghiên cứu thực tế
để chứng minh cho lí thuyết cơ bản. Với công nghệ hiện đại, máy tính và các phần
mềm chuyên dụng đã giúp con người rất nhiều trong việc nghiên cứu ảnh hưởng
của dòng chảy tới vật thể chuyển động trong chất lỏng và ngược lại sự thay đổi hình
dạng, kết cấu vật thể tác động lên dòng chảy. Điều này cũng có ý nghĩa lớn trong
việc nghiên cứu lực cản và giảm lực cản tàu thủy trong quá trình vận hành nhằm
mục đích giảm chi phí khai thác tàu, góp phần tiết kiệm năng lượng nhiên liệu, giảm
lượng khí thải.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phương nghiên cứu nhằm giảm lực cản tàu thủy.
Trong đó, phương pháp tạo bọt khí là một trong những phương pháp có hiệu quả và
tính khả thi cao. Tuy nhiên, phương pháp này chưa được áp dụng nghiên cứu tại
Việt Nam trong khi ngành đóng tàu nước ta đã có những bước phát triển đáng kể.
Chính vì vậy, đề tài: “Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương
pháp tạo bọt khí” với mục đích nghiên cứu, kiểm nghiệm phương pháp tạo bọt khí
nhằm giảm lực cản tàu thủy và khả năng ứng dụng phương pháp đó trong thực tế
khai thác tàu thủy.
2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài đã giúp tác giả nâng cao kiến thức cũng như khả năng tự nghiên cứu, ứng
dụng và phát triển khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực Cơ học chất lỏng và
Đóng tàu. Những kết luận quan trọng của đề tài đã khẳng định vai trò giảm lực cản
của phương pháp tạo bọt khí, đặc biệt áp dụng đối với tàu hàng vận tải.
Đề tài đã có đóng góp mới trong việc xây dựng mô hình tính toán, mô phỏng thủy
động lực học dòng chảy bằng phần mềm thương mại ANSYS FLUENT để khảo sát
Mở đầu
2
trực tiếp ảnh hưởng của bọt khí tới giảm lực cản tàu vận tải, mở ra khả năng ứng
dụng nghiên cứu khả năng giảm lực cản nhớt khi thay đổi cấu trúc lớp biên.
Các kết quả nghiên cứu được kiểm chứng bằng thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm
trọng điểm: Bể thử mô hình tàu thủy thuộc Viện khoa học công nghệ tàu thủy Việt
Nam đã khẳng định tính khả thi và ý nghĩa khoa học không nhỏ của việc giảm lực
cản tàu vận tải bằng phương pháp tạo bọt, đồng thời góp phần củng cố luận cứ khoa
học cho quá trình công nghệ đóng tàu, sử dụng hiệu quả và khai thác tàu trong
tương lai tại Việt Nam.
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Các thông số cơ bản của tàu, thành phần lực cản tàu, thông số động lực học dòng
chảy là đối tượng nghiên cứu quan trọng của đề tài.
Để thực hiện nội dung đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: Lý thuyết
lớp biên - lực cản; Lực cản tàu và một số công trình nghiên cứu giảm lực cản tàu;
Mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu bằng ANSYS FLUENT và tính toán lực
cản tàu khi áp dụng phương pháp tạo bọt khí nhằm giảm lực cản tàu; Nghiên cứu
bằng thực nghiệm giảm lực cản tàu khi phun khí vào lớp biên đáy mô hình tàu hàng
20.000 DWT; So sánh kết quả lực cản tàu đã nghiên cứu theo phương pháp lý
thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm; Đánh giá hiệu quả của phương pháp tạo bọt
khí giảm lực cản nhớt của tàu.
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết , mô phỏng số và
thực nghiệm. Đây là phương pháp nghiên cứu hiện đại đang được sử dụng phổ biến,
kết quả nghiên cứu có độ tin cậy cao.
Phần nghiên cứu lý thuyết bắt đầu với việc thống kế các kết quả nghiên cứu cơ sở lý
thuyết Cơ học chất lỏng, động lực học tàu thủy, phân tích các thành phần lực cản,
các phương pháp làm giảm lực cản với tập trung chuyên sâu vào phương pháp tạo
bọt khí nhằm giảm lực cản nhớt của tàu vận tải.
Đề tài sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT, xây dựng mô hình tính, mô phỏng
thủy động lực học dòng chảy để khảo sát ảnh hưởng ảnh của bọt khí tới lực cản tàu.
Đây là phương pháp đã được phát triển và ứng dụng trên thế giới, song nó được áp
dụng lần đầu cho việc mô phỏng của phương pháp giảm lực cản tàu bằng phun khí
ở Việt Nam. Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả lý thuyết, thể hiện tính đúng
đắn của việc thiết lập mô hình tính toán cũng như các điều kiện biên tương ứng.
Mở đầu
3
Nghiên cứu thực nghiệm khả năng giảm lực cản tàu bằng phương pháp tạo bọt được
tiến hành thông qua thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu của mô hình tàu
hàng đáy phẳng 20.000 DWT chạy trên mặt nước tĩnh và chạy trên sóng hình sin.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm phù hợp với kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô
phỏng số. Điều này thể hiện tính đúng đắn của việc thiết lập bài toán lý thuyết và sự
phù hợp của phương pháp nghiên cứu, hứa hẹn khả năng ứng dụng cao của phương
pháp phun khí đáy tào đối với tàu hàng cỡ lớn đóng ở Việt Nam trong tương lai.
5. BỐ CỤC LUẬN ÁN
Luận án bao gồm 4 chương chính cùng phần mở đầu, phần kết luận-kiến nghị được
trình bày trong 102 trang thuyết minh:
Chương 1.Tổng quan nghiên cứu lớp biên – lực cản. Một số công trình nghiên cứu
giảm lực cản tàu
Trình bày tổng quan về nghiên cứu lớp biên – lực cản như: cấu trúc lớp biên, hệ
phương trình lớp biên, phương pháp giải hệ phương trình lớp biên, lực cản của vật
ngập chuyển động trong chất lỏng, thành phần lực cản tàu và nguyên nhân xuất
hiện, phương pháp giảm lực cản tàu. Phân tích, đánh giá một số công trình đã
nghiên cứu về giảm lực cản tàu, từ đó nêu vấn đề cần giải quyết của luận án là tiếp
tục nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm giảm lực cản nhớt của tàu bằng phương
pháp tạo bọt, đánh giá mức độ tối ưu của phương pháp khi áp dụng trong thực tế
khai thác tàu.
Chương 2. Tính toán lực cản tàu - Một số yếu tố ảnh hưởng đến giảm lực cản tàu
Nghiên cứu, tính toán lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh và trên sóng bằng lý
thuyết, các thành phần lực cản tàu. Tính gần đúng lực cản tàu bằng thực nghiệm
thông qua phương pháp tính lực cản toàn phần theo công suất kéo, phương pháp
tính lực cản dư hoặc lực cản sóng và phương pháp tính chuyển đồng dạng từ tàu
mẫu. Phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến giảm lực cản tàu như: hình dáng thân
tàu, hệ số béo tàu, độ nhám thân tàu, ảnh hưởng của lớp rong rêu, hà bám, ảnh
hưởng của lớp biên bao quanh thân tàu và ảnh hưởng lớp khí phun vào lớp biên đáy
tàu, tạo tiền đề cho tính toán lực cản tàu bằng phương pháp số và bằng thực nghiệm
Chương 3. Nghiên cứu lực cản tàu bằng phương pháp số
Trình bày khái quát chung về phương pháp số; hệ các phương trình liên tục, phương
trình bảo toàn năng lượng, phương trình bảo toàn động lượng, dạng tổng quát của
các phương trình bảo toàn; trình bày các phương pháp số như: phương pháp điểm
kỳ dị, phương pháp vi phân hữu hạn (FDM), phương pháp Phần tử hữu hạn (FEM),
Mở đầu
4
phương pháp thể tích hữu hạn (FVM), phương pháp phần tử biên (BEM), phương
pháp phổ (SEM), mô phỏng số (CFD).
Sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT mô phỏng dòng chảy, sự phân bố áp suất bao
quanh thân tàu và xác định lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh trong các điều
kiện biên khác nhau.
Chương 4. Nghiên cứu lực cản tàu bằng thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu
Trình bày cơ sở phương pháp thực nghiệm nghiên cứu lực cản tàu: nguyên tắc cơ
bản và cách thức lập mô hình tàu, ảnh hưởng của mô hình tàu đến kết quả thực
nghiệm, phương pháp tính chuyển lực cản tàu từ mô hình sang tàu thực.
Khảo sát và chu n bị các trang thiết bị thử nghiệm mô hình tàu. Tiến hành thử
nghiệm tính lực cản tàu khi tàu chuyển động trên nước tĩnh và trên sóng trước và
sau khi phun khí vào lớp biên đáy tàu. So sánh kết quả lực cản thu được từ thử
nghiệm và từ tính toán số. Đánh giá công suất kéo tàu, hiệu quả áp dụng phun khí
đáy tàu trong thử nghiệm và thảo luận kết quả thực nghiệm.
Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản
5
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN-LỰC CẢN
1.1
NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN
1.1.1 Khái niệm lớp biên
Lớp biên là lớp chất lỏng sát thành rắn mà ở đó độ nhớt chất lỏng được thể hiện rõ
nhất khi có chuyển động tương đối giữa chất lỏng và vật rắn. Vận tốc trong lớp biên
thay đổi từ giá trị không tại thành đến giá trị xấp xỉ 99% vận tốc dòng ngoài. Phía
ngoài lớp biên này (dòng ngoài), chất lỏng được xét là lý tưởng
Hình 1.1 Lớp biên và dòng ngoài
1.1.2 Cấu trúc lớp biên
Phân chia lớp biên dọc theo thành rắn: lớp biên tầng, miền quá độ, lớp biên
rối. Tùy theo số Reynolds, một lớp biên có thể gồm: lớp biên hoàn toàn tầng,
lớp biên tầng và miền quá độ hoặc lớp biên tầng – miền quá độ - lớp biên rối.
Hình 1.2 Cấu trúc lớp biên theo phương dọc
Phân chia lớp biên theo phương ngang: lớp biên ngoài và lớp biên trong. Quy
luật rối trong hai vùng này rất khác nhau. Lớp biên trong được chia thành
vùng màng nhớt (hiệu ứng nhớt rất mạnh, hiệu ứng rối nhỏ có thể bỏ qua) và
vùng logarit (rối theo quy luật logarit )
Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản
6
Hình 1.3 Cấu trúc lớp biên theo phương ngang
1.1.3 Hệ phƣơng trình lớp biên
1.1.3.1 Phương trình Navier – Stokes
Những nghiên cứu về lớp biên đã khởi nguồn từ rất xa xưa. Năm 1827, hai nhà bác
học Navier và Stokes đã cho ra đời phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng
thực viết dưới dạng sau [1]:
1
1
d
u
F grad p v. u . grad div u
3
dt
trong đó:
F là véc tơ lực khối đơn vị;
u là véc tơ vận tốc tuyệt đối;
u v w
div u
x y z
2u 2 v 2 w
u
x2 y2 z 2
t là thời gian
là khối lượng riêng
v là độ nhớt động học
p là áp suất
p p p
grad p
i
j
k
x
y
z
1
grad p là véc tơ lực mặt đơn vị
d u
là véc tơ lực quán tính đơn vị
dt
(1.1)
Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản
7
1.1.3.2 Phương trình Reynolds
Năm 1895, Reynolds đã phân tích các thành phần vận tốc trong phương trình
Navier – Stokes thành hai thành phần: các đại lượng trung bình và các đại lượng
mạch động. Phương trình Reynolds cho thấy rõ hơn bản chất vật lý liên quan đến
rối vì xuất hiện thành phần ứng suất Reynolds ( ui u j ), tuy nhiên ứng suất này vẫn
còn là một n số đối với các nhà khoa học [1].
d ui u i
u
1 p
u j i
dt
t
x j
xi x j
2 D u ' u '
i
j
i
j
(1.2)
trong đó:
ui ui ui ; u j u j u j - vận tốc tức thời
ui ; u j là các thành phần vận tốc trung bình
ui ; u j là các thành phần vận tốc mạch động
~
~
u
j
1 ui
Di j
là ten xơ biến dạng
2 x j
xi
1.1.3.3 Hệ phương trình Prandtl
Năm 1904 là thời điểm đặt nền móng cho lý thuyết lớp biên với những tìm kiếm của
Prandtl thông qua hệ phương trình Prandtl. Đây là một dạng giản hóa của phương
trình Navier – Stokes với giả thiết xấp xỉ lớp biên (giả thiết xấp xỉ lớp biên được sử
dụng với các dòng biến ngang mảnh).
Trường hợp chuyển động phẳng dừng của chất lỏng không nén được và bỏ qua lực
khối, hệ phương trình vi phân lớp biên Prandtl được viết dạng sau [3].
dU
2u
u u v v U
d x 2
x
y
y
u v
0
x y
Với các điều kiện biên:
y 0 :
y :
u v0
u U ( x)
Trong đó:
u = u(x,y) – vận tốc trung bình dọc trong lớp biên
v = v(x,y) – vận tốc trung bình ngang trong lớp biên
U (x) – vận tốc dòng ngoài; - độ nhớt động lực học
(1.3)
(1.4)
Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản
8
1.1.4 Phƣơng pháp giải hệ phƣơng trình lớp biên
1.1.4.1 Phương pháp giải tích
Lớp biên được hình thành chỉ khi số Reynolds lớn, nên phương trình chuyển động
trong lớp biên có thể nhận được từ phương trình Navier - Stokes viết dưới dạng
tổng quát không thứ nguyên, sau đó đánh giá bậc các thành phần trong phương trình
ấy dựa trên điều kiện cơ bản: chiều dày lớp biên nhỏ hơn nhiều so với chiều dài của
vật (<
- Xem thêm -