Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Khoa học hàng hải (mã số 9840106) của nghiên cứu sinh Nguyễn Thành Nhật Lai, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Phạm Kỳ Quang và TS. Vũ Văn Duy tại Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh (bảo vệ năm 2020), mang tên: “Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động”.

Về tính cấp thiết, văn bản luận án nêu rõ tàu thủy hoạt động trên mặt nước trong môi trường chịu tác động của các nhiễu ngẫu nhiên phi tuyến như sóng, gió, dòng chảy và thời tiết. Trạng thái cân bằng của tàu dựa trên lực đẩy Ác-si-mét; khi chuyển động thẳng đều, lực đẩy do chân vịt tạo ra cân bằng với lực cản thủy động từ dòng chất lỏng bao quanh vỏ. Lực bẻ lái làm đổi hướng tàu phát sinh từ sự chuyển đổi năng lượng của dòng chảy qua bánh lái. Khi tàu thay đổi hướng chuyển động, dòng chảy bao quanh vỏ tàu lệch với trục dọc tàu một góc $\theta$, tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa hai bên mạn tàu (mạn đón dòng và mạn khuất dòng). Sự chênh lệch này làm phát sinh một lực thủy động tác động lên thân tàu, được gọi là lực “gia thêm” hoặc lực “bù” ($P$). Lực này được phân tích thành ba thành phần cơ bản:

  1. Thành phần gia thêm về lực ly tâm ($F_{lt}$): hình chiếu của $P$ lên phương vuông góc với trục dọc tàu, cùng chiều với lực ly tâm khi tàu quay vòng;
  2. Lực cản gia thêm ($T_{gt}$): hình chiếu của $P$ lên phương trục dọc tàu, ngược chiều chuyển động của tàu;
  3. Mô men gây lật: hình thành từ thành phần chiếu của $P$ lên phương thẳng đứng lệch khỏi trục tàu một cánh tay đòn nhất định, có nguy cơ làm suy giảm ổn định và dẫn đến lật tàu nếu vượt quá ngưỡng an toàn.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định: các công trình trước đây tập trung nhiều vào sức cản khi tàu chạy thẳng hoặc tương tác cục bộ chân vịt - bánh lái, nhưng thiếu cơ sở khoa học hoàn chỉnh kết hợp giữa động lực học dòng chảy bao quanh vỏ tàu với bài toán điều khiển hướng chuyển động trong quá trình điều động, đặc biệt là việc lượng hóa đồng thời lực cản gia thêm, lực ly tâm và mô men gia thêm theo góc đổi hướng và vận tốc.

Luận án gắn kết nội dung với hai đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải năm 2017:

  • Đề tài mã số DT 174003: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh giá tác động của tổ hợp chân vịt - bánh lái đến đặc tính điều khiển hướng chuyển động tàu thủy” (Chủ nhiệm: PGS. Phạm Kỳ Quang);
  • Đề tài mã số DT 174030: “Xây dựng chương trình tính toán mô phỏng và thử nghiệm một số nguyên nhân cơ bản dẫn đến tai nạn hàng hải trên tuyến luồng Sài Gòn phục vụ công tác đào tạo và huấn luyện thuyền viên” (Chủ nhiệm: Cổ Tấn Anh Vũ).

Mục tiêu nghiên cứu:

  • Nghiên cứu ảnh hưởng của động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy hay “lực gia thêm” trong quá trình thay đổi hướng chuyển động.

Đối tượng nghiên cứu:

  • Động lực học dòng chảy bao quanh vỏ tàu thủy và tác động của dòng chảy bao đến lực cản khi tàu thay đổi hướng chuyển động.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian và môi trường: Mô hình bài toán giới hạn không xét đến ảnh hưởng của gió và sóng, tập trung khảo sát tác dụng của dòng chảy (vận tốc dòng chảy) lên thân tàu khi đổi hướng;
  • Góc đổi hướng chuyển động: Khảo sát góc $\theta$ (góc hợp bởi phương dòng chảy và trục dọc tàu, từ $0^\circ$ đến $30^\circ$);
  • Đối tượng tàu khảo sát: Tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION, trọng tải 7.040 DWT (7040 MT), trang bị 01 chân vịt chiều phải, hoạt động trên tuyến Hải Phòng - Sài Gòn;
  • Phạm vi thực nghiệm: Triển khai trên mô hình tàu chế tạo theo tiêu chuẩn đồng dạng Froude tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, tập trung đo đạc kiểm chứng giá trị lực cản gia thêm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng hợp và phân loại các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến thủy động lực học tàu thủy và tính toán động lực học dòng lưu chất (CFD):

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

  • Force Technology - MAN Diesel (2009): Triển khai dự án ứng dụng CFD nghiên cứu động lực học dòng chảy bao quanh thân tàu.
  • Karsten Hochkirch và Benoit Mallol (2013): Nghiên cứu ứng dụng CFD tính toán lực cản vỏ tàu, ảnh hưởng của sóng và phân tích tương tác dòng chảy trong tổ hợp chân vịt - bánh lái.
  • Petros Voxakis cùng nhóm nghiên cứu tại Đại học Massachusetts (2012): Ứng dụng CFD để xác định trường lực cản tác động lên vỏ tàu thủy.
  • Tahsin Tezdogan, Yigit Kemal Demirel, Mahdi Khorasanchi, Atilla Incecik, Osman Turan (2015): Sử dụng kỹ thuật RANS không dừng (unsteady RANS) mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu và mô hình hóa ảnh hưởng của mặt thoáng hai pha.
  • Brendan Smoker (2012, Đại học Victoria, Vương quốc Anh): Nghiên cứu so sánh giữa mô phỏng CFD và thực nghiệm trên mô hình tàu 3D Ajax (IMD-523C) với tỷ lệ đồng dạng 1:18. Tác giả công bố sai lệch lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm là 10,16% tại vận tốc 0,324 m/s, sai lệch trung bình là 6,04%, đồng thời khảo sát hệ số lực nâng ($C_L$) và hệ số lực cản ($C_D$) khi thay đổi góc hướng chuyển động.
Thông số chính của tàu Ajax (IMD-523C) Đơn vị Mô hình 3D Tàu thực
Tỷ lệ đồng dạng hình học - 1:18 1:1
Chiều dài tổng thể m 2,22 40,0
Chiều dài đường nước m 2,12 38,2
Chiều rộng đường nước m 0,789 14,2
Mạn khô m 0,211 3,8

Tình hình nghiên cứu trong nước

  • Viện Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (GS. Vũ Duy Quang, GS. Nguyễn Thế Mịch, PGS. Lê Quang): Tập trung xác định lực cản vỏ tàu, hiện tượng xâm thực chân vịt và tác động của sóng.
  • Các nhà khoa học chuyên ngành hàng hải và kỹ thuật tàu thủy (Trần Công Nghị, PGS. Vũ Ngọc Bích, PGS. Lê Hồng Bang, PGS. Đỗ Quang Khải, TS. Trần Ngọc Tú, TS. Lê Thanh Bình, PGS. Trần Gia Thái): Nghiên cứu động lực học dòng chảy, ổn định tàu, dòng chảy sau chân vịt - bánh lái và lực bẻ lái.
  • Lê Văn Toàn, Vũ Ngọc Bích (2016): Tính toán sức cản tàu container bằng phương pháp mô phỏng số.
  • Lê Văn Toàn (2017): Ứng dụng lý thuyết CFD để xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam.
  • Nguyễn Đức Hải (2011) và Nguyễn Văn Cường (2016): Tính toán sức cản tàu thủy bằng phương pháp mô phỏng số kết hợp thử nghiệm mô hình.
  • Các tài liệu giáo trình lý thuyết tàu thủy tiêu biểu: Trần Công Nghị (NXB ĐHQG TP. Hồ Chí Minh); Nguyễn Đức Ân và Nguyễn Bân (NXB Giao thông vận tải); Lê Thanh Tùng và Lương Ngọc Lợi (NXB Bách khoa Hà Nội).

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết: Phần lớn công trình hiện có tập trung vào sức cản chuyển động thẳng hoặc phân tích cục bộ bánh lái. Chưa có công trình trong nước công bố nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của dòng chảy bao đến hệ lực gia thêm ($T_{gt}$, $F_{lt}$, mô men gia thêm) trong quá trình thân tàu lệch hướng chuyển động ở các dải vận tốc và góc bẻ lái khác nhau, kết nối trực tiếp với thực tiễn dẫn tàu và điều động tránh va.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp giữa cơ sở toán học cơ học chất lưu, lý thuyết chuyển động - ổn định tàu thủy, phương pháp mô phỏng số CFD và phương pháp thực nghiệm tại bể thử.

Khung lý thuyết và các phương trình toán học sử dụng

  1. Phương trình bảo toàn và động lực học chất lỏng:

    • Phương trình liên tục cho dòng chảy không nén được ($\rho = \text{const}$): $$\text{div}(\vec{V}) = \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z} = 0$$
    • Phương trình vi phân chuyển động Navier - Stokes cho chất lỏng nhớt không nén được: $$\frac{d\vec{V}}{dt} = \vec{F} - \frac{1}{\rho}\text{grad}(p) + \nu \Delta \vec{V}$$ Trong đó $\vec{F}$ là lực khối đơn vị, $\nu = \frac{\mu}{\rho}$ là hệ số nhớt động học, $\Delta$ là toán tử Laplace. Khi bỏ qua độ nhớt ($\mu = 0$), phương trình chuyển về dạng phương trình Euler; khi dòng có thế vận tốc $\phi$, áp dụng phương trình Laplace $\Delta \phi = 0$.
    • Định luật ma sát Newton: ứng suất tiếp $\tau = \mu \frac{du}{dy}$.
    • Trạng thái dòng chảy: Xác định qua số Reynolds $Re = \frac{V_{tb} \cdot L}{\nu}$ (với ngưỡng chảy rối $Re > 2320$). Phân chia thang đo dịch chuyển phần tử chất lỏng thành 3 mức: dịch chuyển trung bình, dịch chuyển thật và dịch chuyển cỡ phần tử, với thời gian đo $t = \frac{l}{V}$.

  2. Động lực học chuyển động và lực cản tàu thủy:

    • Phương trình chuyển động tịnh tiến: $P - R = M \frac{dV}{dt}$; khi chuyển động thẳng đều ($\frac{dV}{dt} = 0$), lực phát động cân bằng với lực cản ($P = R$).
    • Thành phần lực cản tổng hợp: $R = R_{ma\ sát} + R_{sóng} + R_{hình\ dáng} + R_{dòng\ chảy} + R_{nhô\ ra}$, tính qua công thức: $$R = \xi \cdot \frac{\rho V_t^2}{2} \cdot \Omega$$ Trong đó $\xi$ là hệ số thủy động phụ thuộc vào số Froude ($Fr = \frac{V_t}{\sqrt{gL}}$) và số Reynolds ($Re = Fr \cdot \frac{\sqrt{gL^3}}{\nu}$), $\Omega$ là diện tích bề mặt ướt. Tàu được phân loại theo Froude: chạy chậm ($Fr \le 0,25$), trung tốc ($Fr = 0,25 \div 0,40$), cao tốc ($Fr > 0,40$).
    • Mô hình chuyển động: Luận án áp dụng hệ quy chiếu chuyển động 6 bậc tự do (DOF) của Fossen, sau đó giới hạn trong mặt phẳng nằm ngang với 3 bậc tự do: trượt dọc ($u$), trượt ngang ($v$) và quay trở quanh trục thẳng đứng ($\psi$).
    • Ổn định tàu thủy: Xác định chiều cao thế vững $MC = MD - CD = KM - KC$. Trạng thái cân bằng ổn định khi $MC > 0$, không ổn định khi $MC < 0$, phiếm định khi $MC = 0$. Tại góc nghiêng nhỏ ($\beta$), mô men hồi phục tính theo $M_{hp} = R_A \cdot CM \cdot \sin\beta$. Tại góc nghiêng lớn, ổn định đánh giá qua cánh tay đòn tĩnh $C_0Z = KN - KC_0 \cdot \sin\beta$ và mô men hồi phục $M_{hp} = R_A \cdot C_0Z$.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp mô phỏng số (CFD):
    • Sử dụng phần mềm Fluent - Ansys giải hệ phương trình thủy động lực học bằng phương pháp thể tích hữu hạn.
    • Sử dụng mô hình VOF (Volume of Fluid) giải bài toán dòng chảy hai pha mặt thoáng (pha khí và pha nước), theo dõi biến thiên thể tích pha $\alpha_k$.
    • Dựng hình học vỏ tàu bằng phần mềm SolidWorks và NAPA; chia lưới tính toán, thiết lập điều kiện biên (vận tốc đầu vào, áp suất đầu ra, điều kiện trượt trên biên vỏ tàu).
  • Phương pháp thực nghiệm mô hình:
    • Áp dụng nguyên lý đồng dạng Froude để thiết kế mô hình tàu vật lý từ nguyên mẫu tàu M/V TAN CANG FOUNDATION.
    • Vận hành kéo mô hình tại bể thử của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam bằng xe kéo chuyên dụng, đo lực cản thông qua thiết bị cân bằng lực đơn R35-1.
  • Dữ liệu nghiên cứu:
    • Bản vẽ thiết kế kỹ thuật, bảng đường cong thủy tĩnh, bảng đường cong hoành giao và hồ sơ tàu M/V TAN CANG FOUNDATION (DWT 7040 MT);
    • Dữ liệu nhiệt độ, khối lượng riêng và độ nhớt của môi trường nước tại bể thử.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến tàu thủy

Chương 1 hệ thống hóa các vấn đề lý thuyết và thực tiễn về động lực học dòng chảy và ổn định tàu:

  • Phân tích cơ chế thủy động học khi tàu đổi hướng: góc lệch $\theta$ giữa vỏ tàu và vectơ dòng chảy làm phân bố áp suất hai mạn không đối xứng, tạo ra lực thủy động tổng hợp lệch trục $P$. Phân tích $P$ thành 3 thành phần: lực ly tâm $F_{lt}$, lực cản gia thêm $T_{gt}$ và mô men gây lật.
  • Trình bày tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng trên thế giới (Force Technology, Karsten Hochkirch, Petros Voxakis, Tahsin Tezdogan, Brendan Smoker) và trong nước (Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Hàng hải Việt Nam, Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh).
  • Trình bày cơ sở lý thuyết chất lưu: tính chất nén được/không nén được, độ nhớt, dòng chảy tầng/chảy rối, phương trình Navier - Stokes, phương trình Euler, phương trình liên tục, điều kiện biên và quy trình tính toán 5 bước bằng CFD.
  • Phân tích các đặc trưng chuyển động tàu thủy: tính ổn định hướng đi, tính quay trở, công suất hiệu dụng ($N_{hd} = R \cdot V_t$), tiêu chuẩn Froude, tiêu chuẩn Reynolds và lý thuyết ổn định ở góc nghiêng nhỏ và lớn.
  • Xác định giới hạn nghiên cứu: Bỏ qua sóng và gió, tập trung vào tác động của vận tốc dòng chảy và góc đổi hướng chuyển động $\theta$, áp dụng tiêu chuẩn đồng dạng Froude trên tàu M/V TAN CANG FOUNDATION.

Chương 2: Ứng dụng CFD tính toán mô phỏng động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy

Chương 2 thiết lập quy trình tính toán trên phần mềm Fluent - Ansys cho bài toán dòng chảy 2D và 3D:

  • Dựng hình học vỏ tàu M/V TAN CANG FOUNDATION bằng phần mềm SolidWorks và NAPA, xác định các đường mớn nước khảo sát.
  • Thiết lập điều kiện biên cho bài toán hai pha (pha 1: không khí; pha 2: nước) sử dụng mô hình thể tích chất lỏng VOF. Cài đặt các thông số vận tốc đầu vào, áp suất mặt thoáng, tiêu chuẩn hội tụ và bước thời gian tính toán.
  • Khảo sát trường dòng chảy và phân bố áp suất, hệ số áp suất trên vỏ tàu ở trạng thái chạy thẳng và khi đổi hướng chuyển động tại các góc $\theta = 005^\circ, 010^\circ, 015^\circ, 020^\circ, 030^\circ$ tương ứng với các mức vận tốc tàu thực $V_t = 4,5$ m/s và $V_t = 7,5$ m/s.
  • Phân tích chi tiết phân bố áp suất trên các đường nước số 2, số 5 và số 7:
    • Khi $\theta$ tăng, áp suất mạn đón dòng tăng cao trong khi mạn khuất dòng xuất hiện vùng giảm áp, tạo ra chênh lệch áp suất đáng kể giữa hai mạn;
    • Vận tốc dòng chảy càng lớn ($V_t = 7,5$ m/s so với $4,5$ m/s), gradient áp suất và lực ngang tác động lên thân tàu càng tăng mạnh;
    • Tính toán phân bố pha khí trên vỏ tàu, xác định vị trí tâm áp suất và tính toán các thành phần mô men thủy động theo các trục tọa độ.

Chương 3: Đánh giá ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy khi thay đổi hướng chuyển động

Chương 3 lượng hóa mối quan hệ giữa vận tốc, góc đổi hướng và hệ lực thủy động gia thêm trên mô hình tàu:

  • Thiết lập mô hình bài toán và sơ đồ khối quy trình mô phỏng cho 16 trường hợp phối hợp giữa 4 dải vận tốc mô hình ($V_m = 0,45\text{ m/s}; 0,55\text{ m/s}; 0,65\text{ m/s}; 0,75\text{ m/s}$) và 4 góc đổi hướng ($\theta = 0^\circ; 10^\circ; 20^\circ; 30^\circ$).
  • Kết quả mô phỏng cho thấy khi giữ nguyên vận tốc, nếu góc đổi hướng $\theta$ tăng từ $0^\circ$ lên $30^\circ$, lực cản gia thêm, lực ly tâm và mô men gia thêm đều gia tăng theo quy luật phi tuyến:
    • Tại trạng thái chạy thẳng ($\theta = 0^\circ$), lực cản tăng đơn điệu theo vận tốc ($V_m$ từ 0,45 m/s đến 0,75 m/s);
    • Khi bẻ hướng $\theta = 10^\circ$, xuất hiện lực ly tâm và mô men gia thêm làm mất cân bằng đối xứng dòng chảy;
    • Tại $\theta = 20^\circ$ và $30^\circ$, mức độ gia tăng lực cản và mô men đạt giá trị lớn nhất, làm tăng sức cản tổng thể tác động lên phương chuyển động của tàu.
  • Tổng hợp dữ liệu mô phỏng, luận án đã xây dựng 4 phương trình hồi quy bậc 3 biểu diễn mối quan hệ giữa lực cản $R$ (đơn vị N) và góc thay đổi hướng chuyển động $\theta$ (đơn vị độ) ứng với từng mức vận tốc tàu mô hình:

$$\begin{aligned} \text{Khi } V_m = 0,75\text{ m/s: } & R = 0,00003167\theta^3 + 0,005525\theta^2 - 0,05672\theta + 0,698 \ \text{Khi } V_m = 0,65\text{ m/s: } & R = 0,0001472\theta^3 + 0,001335\theta^2 - 0,007533\theta + 0,523 \ \text{Khi } V_m = 0,55\text{ m/s: } & R = 0,00002567\theta^3 + 0,001445\theta^2 - 0,007517\theta + 0,376 \ \text{Khi } V_m = 0,45\text{ m/s: } & \text{Phương trình tương ứng xác lập mối quan hệ theo dữ liệu mô phỏng của cấp vận tốc 0,45 m/s.} \end{aligned}$$

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm: Phân tích, so sánh và đánh giá kết quả

Chương 4 thực hiện kiểm chứng thực nghiệm mô hình tại bể thử:

  • Khảo sát tổng quan các cơ sở bể thử mô hình tàu trên thế giới: Hamburg (CHLB Đức), Madrid (Tây Ban Nha), Marin (Hà Lan), Gent (Bỉ), Southampton (Anh), Marintek (Na Uy) và bể thử của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.
  • Thiết kế và chế tạo mô hình tàu vật lý đồng dạng Froude với tàu M/V TAN CANG FOUNDATION. Thiết kế và chế tạo chi tiết mặt bích bằng gỗ chuyên dụng để liên kết thân mô hình tàu với xe kéo và thiết bị đo lực cản đơn R35-1.
  • Xây dựng quy trình vận hành và kế hoạch thực nghiệm đo lực cản trên 15 trường hợp thử nghiệm ở các dải vận tốc $V_m$ và góc $\theta$ tương ứng.
  • Thu thập số liệu đo thực tế, quy đổi giá trị lực cản từ mô hình sang tàu thực theo tiêu chuẩn đồng dạng.
  • So sánh đối chiếu giữa kết quả đo thực nghiệm và kết quả tính toán mô phỏng CFD:
    • Đồ thị so sánh giữa đường cong CFD và đường cong thực nghiệm ở các trường hợp chạy thẳng và đổi hướng có cùng xu hướng biến thiên;
    • Sai số tương đối giữa mô phỏng CFD và thực nghiệm tại bể thử dao động quanh các điểm đo, với mức sai số trung bình là 8,4%.
    • Luận án khẳng định mô hình số thiết lập trên Fluent - Ansys có độ tin cậy khoa học và phản ánh sát thực tế chuyển động của tàu.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Xây dựng giải thuật và quy trình mô phỏng số trên nền tảng CFD (phần mềm Fluent - Ansys) cho bài toán hai pha 2D và 3D về động lực học dòng chảy bao quanh vỏ tàu thủy khi thân tàu bị lệch góc so với hướng dòng chảy.
  2. Xây dựng mô hình tính toán và đánh giá định lượng hệ lực gia thêm gồm ba thành phần đồng thời: lực cản gia thêm ($T_{gt}$), lực ly tâm gia thêm ($F_{lt}$) và mô men gia thêm theo góc đổi hướng $\theta$ và vận tốc chuyển động.
  3. Thiết lập hệ thống 4 phương trình toán học thực nghiệm bậc 3 mô tả chính xác tương quan giữa lực cản tổng hợp ($R$) và góc đổi hướng ($\theta$) ở 4 dải vận tốc khảo sát của mô hình tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Thiết kế công nghệ, chế tạo thành công mô hình vật lý tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION và hệ thống mặt bích liên kết chuyên dụng, thực hiện thành công chuỗi 15 phép đo thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm phục vụ so sánh và kiểm chứng mô phỏng số với sai số trung bình 8,4%.
  2. Cung cấp cơ sở khoa học giúp người điều động tàu (thuyền trưởng, hoa tiêu) lượng hóa được lực cản phát sinh và nguy cơ mất ổn định do mô men gia thêm khi bẻ lái ở tốc độ cao hoặc trong luồng hẹp, hỗ trợ ra quyết định thao tác lái an toàn.
  3. Cung cấp dữ liệu đầu vào và phương pháp luận cho các kỹ sư, chuyên gia tự động hóa trong việc xây dựng thuật toán điều khiển tàu tự động (autopilot), hệ thống tự hành có tính đến các thành phần lực gia thêm phi tuyến do dòng chảy bao tạo ra.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào giới hạn nghiên cứu được công bố trong văn bản luận án:

  • Hạn chế về điều kiện biên: Luận án chỉ giới hạn khảo sát tác động của dòng chảy đơn thuần (vận tốc và góc lệch dòng), chưa xét đến tác động đồng thời của các yếu tố ngoại cảnh phức tạp khác như sóng biển (chiều cao sóng, chu kỳ sóng) và gió tác động lên phần mạn khô của tàu.
  • Hạn chế về đối tượng kiểm chứng thực nghiệm: Mặc dù mô phỏng tính toán đồng thời cả 3 thành phần (lực cản gia thêm, lực ly tâm, mô men gia thêm), nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mới chỉ tập trung đo đạc và kiểm chứng trực tiếp đối với giá trị lực cản gia thêm thông qua thiết bị đo lực đơn R35-1.
  • Hạn chế về chủng loại tàu: Các tính toán chi tiết và mô hình thực nghiệm chỉ mới áp dụng trên một đối tượng cụ thể là tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION (trọng tải 7.040 DWT, 01 chân vịt chiều phải).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng bài toán mô phỏng và thực nghiệm kết hợp tương tác đồng thời giữa dòng chảy, sóng và gió;
    • Bổ sung thiết bị đo đa thành phần tại bể thử để đo trực tiếp lực ly tâm và mô men gây lật trong quá trình đổi hướng;
    • Mở rộng kiểm chứng trên các dạng hình học vỏ tàu khác nhau (tàu hàng rời, tàu dầu, tàu hai chân vịt).

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Khoa học hàng hải, Kỹ thuật tàu thủy: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình CFD hai pha (VOF) trong Fluent - Ansys (Chương 2), kỹ thuật chia lưới động lực học chất lưu, quy trình thiết lập bài toán 3 bậc tự do phẳng và phương pháp thiết kế thực nghiệm mô hình tàu theo tiêu chuẩn Froude (Chương 4).
  • Thuyền trưởng, hoa tiêu hàng hải và cán bộ huấn luyện thuyền viên: Tham khảo các phân tích thủy động lực học ở Chương 2 và Chương 3 để hiểu rõ bản chất sự gia tăng đột ngột của lực cản và mô men lật khi bẻ lái ở vận tốc cao, từ đó ứng dụng vào công tác điều động tàu an toàn, đặc biệt trong các tình huống khẩn cấp hoặc khi hành hải trên luồng hàng hải hạn chế.
  • Kỹ sư thiết kế tàu thủy và chuyên gia phát triển hệ thống điều khiển hàng hải: Sử dụng các phương trình tương quan lực cản bậc 3 và quy luật biến thiên lực thủy động gia thêm làm thông số đầu vào để tối ưu hóa hình dáng thân vỏ, thiết kế bánh lái và lập trình thuật toán điều khiển tự động bẻ lái có bù trừ lực thủy động dòng chảy bao.

Câu hỏi thường gặp

1. Khái niệm lực “gia thêm” hay lực “bù” được luận án định nghĩa như thế nào?

Theo luận án, lực gia thêm ($P$) là lực thủy động của chất lỏng tác động lên thân tàu khi tàu thay đổi hướng chuyển động. Khi thân tàu lệch với trục dòng chảy một góc $\theta$, sự phân bố áp suất giữa hai bên mạn tàu mất tính đối xứng (áp suất mạn đón dòng tăng cao, mạn khuất dòng giảm xuống). Lực $P$ được phân rã thành ba thành phần: lực ly tâm ($F_{lt}$ chiếu vuông góc trục tàu), lực cản gia thêm ($T_{gt}$ chiếu dọc trục tàu, ngược hướng chuyển động) và mô men gây lật (từ thành phần lực chiếu đứng lệch trục tạo cánh tay đòn).

2. Tàu mẫu nào được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu và tiêu chuẩn đồng dạng nào được áp dụng?

Tác giả lựa chọn nguyên mẫu tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION, trọng tải 7.040 MT, trang bị 01 chân vịt chiều phải, chuyên chạy tuyến Hải Phòng - Sài Gòn. Toàn bộ tính toán mô phỏng và chế tạo mô hình thực nghiệm đều tuân thủ phương pháp đồng dạng Froude, kiểm tra đối chiếu qua phần mềm SolidWorks, NAPA và hồ sơ kỹ thuật gốc của tàu.

3. Sai số giữa tính toán mô phỏng CFD và kết quả đo đạc thực nghiệm tại bể thử là bao nhiêu?

Kết quả so sánh giữa tính toán mô phỏng bằng phần mềm Fluent - Ansys và kết quả đo đạc thực nghiệm tại bể thử của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam trên 15 trường hợp vận tốc và góc đổi hướng cho thấy độ sai lệch trung bình là 8,4%. Sai lệch này nằm trong giới hạn cho phép của các nghiên cứu thủy động lực học tàu thủy mô hình (như nghiên cứu của Brendan Smoker năm 2012 có sai lệch trung bình 6,04% và sai lệch cực đại 10,16%).

4. Bốn phương trình bậc 3 biểu diễn mối quan hệ giữa lực cản và góc đổi hướng chuyển động được xác lập cụ thể ra sao?

Luận án đã tổng hợp từ kết quả mô phỏng số để thiết lập 4 phương trình thực nghiệm bậc 3 thể hiện mối quan hệ giữa lực cản $R$ (N) và góc đổi hướng $\theta$ (độ) ứng với 4 mức vận tốc mô hình $V_m$:

  • Ở $V_m = 0,75$ m/s: $R = 0,00003167\theta^3 + 0,005525\theta^2 - 0,05672\theta + 0,698$
  • Ở $V_m = 0,65$ m/s: $R = 0,0001472\theta^3 + 0,001335\theta^2 - 0,007533\theta + 0,523$
  • Ở $V_m = 0,55$ m/s: $R = 0,00002567\theta^3 + 0,001445\theta^2 - 0,007517\theta + 0,376$
  • Ở $V_m = 0,45$ m/s: mối quan hệ tương ứng được xác lập trên chuỗi dữ liệu mô phỏng cùng cấp vận tốc.

5. Nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử được triển khai bằng các trang thiết bị kỹ thuật nào?

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, sử dụng hệ thống xe kéo trên đường ray điều khiển tự động, thiết bị đo lực cản đơn mã hiệu R35-1, hệ thống máy tính thu thập - ghi nhận dữ liệu thời gian thực và mô hình tàu gắn kết qua cụm mặt bích bằng gỗ được thiết kế gia công chuyên biệt.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Nguyễn Thành Nhật Lai đã giải quyết bài toán xác định ảnh hưởng của động lực học dòng chảy bao quanh vỏ tàu đến hệ lực gia thêm phát sinh trong quá trình tàu thay đổi hướng chuyển động. Bằng việc kết hợp phương pháp mô phỏng số CFD sử dụng mô hình VOF trên phần mềm Fluent - Ansys với phương pháp đo đạc thực nghiệm trên mô hình tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION tại bể thử của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, công trình đã xác định định lượng ba thành phần lực (lực cản gia thêm, lực ly tâm, mô men gia thêm) với sai số trung bình giữa mô phỏng và thực nghiệm đạt 8,4%. Kết quả thiết lập 4 phương trình thực nghiệm bậc 3 về lực cản theo góc quay và vận tốc mang lại đóng góp thiết thực cho cơ sở lý luận thủy động lực học hàng hải, đồng thời phục vụ trực tiếp công tác điều động an toàn và lập trình điều khiển tàu tự động.