MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Tàu thủy là đối tượng hoạt động trên mặt nước với môi trường phức tạp chịu sự tác động của nhiễu ngẫu nhiên, như: sóng, gió, dòng chảy, thời tiết,… hơn nữa, bản thân các nhiễu này cũng có tính chất tính phi tuyến rất lớn. Tàu thủy cân bằng trong môi trường nước là nhờ lực đẩy Ác-si-mét tác động lên tàu, khi tàu thủy chuyển động ở một vận tốc nhất định nào đó, thì lực đẩy mà chân vịt tạo ra sẽ cân bằng với lực cản do dòng chất lỏng bao quanh vỏ tàu gây ra. Lực bẻ lái giúp tàu thay đổi hướng chuyển động, cũng được tạo ra nhờ sự chuyển đổi năng lượng của dòng chảy bao quanh bánh lái.
Đặc biệt khi tàu thay đổi hướng chuyển động, lúc này dòng chảy bao quanh vỏ tàu lệch với trục dọc tàu một góc nào đó, điều này dẫn tới sự chênh lệch áp suất giữa hai mạn tàu, lúc này chất lỏng (khối nước) tác động lên thân tàu một lực “gia thêm” hay lực “bù”. Như vậy, lực gia thêm tác động lên tàu thủy trong khuôn khổ của của vấn đề nghiên cứu chính là lực thủy động của chất lỏng tác động lên vỏ tàu trong quá trình tàu thay đổi hướng chuyển động (P) và được phân tích thành ba thành phần cơ bản: Lực ly tâm Flt (chiếu P lên phương vuông góc với trục tàu và nó có chiều trùng với lực ly tâm do vật thể có khối lượng quay quanh tâm quay vì vậy ta gọi là thành phần gia thêm về lực ly tâm), lực cản gia thêm Tgt (chiếu P lên phương dọc tàu và chúng có chiều ngược hướng chuyển động tàu lên gọi là lực cản gia thêm) và mô men gây lật (xuất phát từ thành phần do P chiếu lên phương thẳng đứng và chúng lệch khỏi trục tàu một cánh tay đòn nhất định do đó tạo ra mô men gây lật). Khi tàu thay đổi hướng chuyển động, tương ứng với vận tốc chuyển động của tàu, thì tàu thủy sẽ chịu lực gia thêm khác nhau. Nếu độ lớn của lực này quá giới hạn cho phép, việc thay đổi hướng chuyển động của tàu sẽ gặp 1 luan an nhiều khó khăn, nguy hiểm hơn là tàu thủy có thể rơi vào trạng thái cân bằng không ổn định, là một trong những nguyên nhân gây lật tàu.
Xuất phát từ việc phân tích nêu trên thấy rằng: Việc nghiên cứu hoàn chỉnh cơ sở khoa học về động lực học dòng chảy bao kết hợp với điều khiển hướng chuyển động tàu thủy luôn luôn cấp thiết, mang tính thời sự, có ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn trong ngành hàng hải. Nhằm giải quyết vấn đề nghiên cứu này, nghiên cứu sinh (NCS) đã lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động” để thực hiện. Hơn nữa, để thực hiện thành công mục đích nghiên cứu, NCS đã thực hiện kết hợp một số nội dung nghiên cứu trong luận án tiến sĩ với hai đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải, năm 2017 [13], [29], cụ thể: - Đề tài KHCN: “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”, mã số: DT 174003, với chủ nhiệm đề tài là PGS. Phạm Kỳ Quang làm, TS.
Nguyễn Thành Nhật Lai là các thành viên tham gia chính, cùng một số thành viên khác. - Đề tài KHCN: “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”, mã số: DT 174030, năm 2017 do tác giả Cổ Tấn Anh Vũ làm chủ nhiệm đề tài, PGS. Phạm Kỳ Quang, TS. Nguyễn Thành Nhật Lai là thành viên tham gia chính, cùng một số thành viên khác.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án Là nghiên cứu ảnh hưởng 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 và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu: 2 luan an Động lực học dòng chảy bao tàu thủy và tác động của động lực học dòng chảy bao đến lực cản, khi thay đổi hướng chuyển động. Phạm vi nghiên cứu: - Xây dựng mô hình bài toán động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy, từ đó tính toán mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng của chúng tới lực cản hay “lực gia thêm”, khi thay đổi hướng chuyển động được thể hiện bằng 3 giá trị cơ bản: Lực cản gia thêm, lực ly tâm và mô men gia thêm. Tuy nhiên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu thực nghiệm về giá trị lực cản gia thêm.
Việc thay đổi hướng chuyển động của tàu được hiểu là thay đổi giá trị góc θ0 (là góc hợp bởi phương của dòng chảy và phương của trục dọc tàu trong khoảng thời gian thay đổi nhất định, tính bằng độ), hay chính là thân tàu xoay lệch đi các góc nhất định so với hướng chất lỏng. - Lựa chọn và sử dụng mô hình tàu theo tiêu chuẩn đồng dạng với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION [9], trọng tải 7040 MT, có 01 chân vịt chiều phải, để triển khai nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu của luận án Phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể: Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu cơ sở lý luận về động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy và lực cản tàu thủy; - Nghiên cứu cơ sở toán học trên nền tảng tính toán động lực học dòng chảy CFD (Computational Fluid Dynamics), để tính toán mô phỏng các thông số động lực học dòng chảy bao. Từ đó, áp dụng tính toán mô phỏng chi tiết cho mô hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, với các giá trị vận tốc (Vi) và sự thay đổi hướng chuyển động của tàu (θ0); 3 luan an - Nghiên cứu xây dựng mô hình nghiên cứu bằng phương pháp số và quy trình tính toán mô phỏng ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động.
Áp dụng tính toán mô phỏng cho mô hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, với các giá trị vận tốc khác nhau và khi thay đổi hướng chuyển động. Nghiên cứu thực nghiệm: Kiểm chứng kết quả nghiên cứu trong luận án, đã triển khai thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, với một số nội dung cụ thể như sau: - Thiết kế công nghệ và chế tạo mô hình nghiên cứu thực nghiệm đồng dạng theo tiêu chuẩn với tàu M/V TAN CANG FOUNDATION; - Thiết kế, chế tạo bộ phận kết nối mô hình tàu với hệ thống thí nghiệm tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Triển khai vận hành bể thử theo phương án thực nghiệm; - Đo giá trị lực cản tác động lên tàu thủy với giá trị vận tốc và thay đổi hướng chuyển động của tàu. - Tổng hợp, phân tích, so sánh và đánh giá kết quả của luận án.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án Ý nghĩa khoa học của đề tài: - Hệ thống hóa cơ sở lý luận về động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy, nhằm đưa ra mô hình nghiên cứu phù hợp. Từ kết quả nghiên cứu nhận được, đã góp phần hoàn thiện một phần cơ sở lý luận liên quan đến vấn đề nghiên cứu và thực sự đóng góp nhất định cho khoa học hàng hải; - Đề xuất phương pháp luận về xây dựng quy trình ứng dụng CFD với phần mềm Fluent - Ansys, để đánh giá ảnh hưởng của động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy, khi thay đổi hướng chuyển động. Từ đó áp dụng vào đối tượng và phạm vi nghiên cứu cụ thể của luận án, vì vậy, có những giải pháp tránh những rủi ro trong thực tiễn hàng hải. 4 luan an Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: - Một mặt, kết hợp cơ sở khoa học lý thuyết mang tính đặc thù liên quan đến lĩnh vực khoa học chuyên ngành với thực tiễn hàng hải.
Mặt khác, hỗ trợ thuyền trưởng chủ động trong điều khiển hướng chuyển động tàu thủy, tránh rủi ro, nguy hại do lực gia thêm gây ra, đặc biệt trong quá trình điều động tàu, xử lý tình huống khẩn cấp liên quan nghiệp vụ dẫn tàu. - Đóng góp nhất định vào khoa học chuyên ngành: Xây dựng một phần hệ thống thí nghiệm phục vụ nghiên cứu thực nghiệm. Giúp các chuyên gia trong xây dựng chương trình điều khiển tàu tự động có tính tới yếu tố ảnh hưởng của lực gia thêm nhằm chủ động trong quá trình điều động tàu. Những điểm đóng góp mới của luận án 6.
Xây dựng giải thuật mô phỏng trên nền tảng ứng dụng CFD với phần mềm Fluent - Ansys đối với bài toán 2D và bài toán 3D cho mô hình động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy. Từ đó, tính toán mô phỏng cho đối tượng cụ thể với số liệu đầu vào đồng dạng với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION theo 16 trường hợp, khi thay đổi vận tốc khác nhau và thay đổi hướng chuyển động của tàu (θ0). Xây dựng mô hình bài toán nghiên cứu, quy trình chung tính toán mô phỏng và thực hiện tính toán mô phỏng ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực gia thêm tác động lên tàu thủy, khi thay đổi hướng chuyển động của tàu, thông qua 3 giá trị cơ bản là: Lực cản gia thêm, lực ly tâm và mô men gia thêm. Tổng hợp, phân tích và đánh giá cụ thể mối quan hệ theo 3 giá trị cho từng trường hợp khác nhau, trong đó có áp dụng cụ thể mô hình đồng dạng với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION.
Đồng thời, đã xây dựng được bốn phương trình bậc 3, thể hiện mối quan hệ giữa lực cản (R) với sự thay đổi hướng chuyển động của tàu (θ0), tại từng trường hợp vận tốc tàu mô hình khác nhau (Vm), cụ thể: Khi vận tốc tàu Vm = 0,75 m/s: 5 luan an R = 0,00003167θ 3 + 0,005525θ 2 − 0, 05672θ + 0,698 Khi vận tốc tàu Vm = 0,65 m/s. R = 0,0001472θ 3 + 0,001335θ 2 − 0, 007533θ + 0,523 Khi vận tốc tàu Vm = 0,55 m/s. R = 0,00002567θ 3 + 0,001445θ 2 − 0,007517θ + 0,376 Khi vận tốc tàu Vm = 0,45 m/s.