Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí....

Tài liệu Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí.

.PDF
120
392
57

Mô tả:

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 v0 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 -

Tài liệu liên quan