Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Tàu thủy hoạt động trên mặt nước trong môi trường chịu tác động của nhiều yếu tố như sóng, gió, dòng chảy và thời tiết. Các yếu tố này có bản chất phi tuyến. Ở trạng thái chuyển động ổn định, lực đẩy do chân vịt sinh ra cân bằng với lực cản của môi trường nước bao quanh vỏ tàu; lực bẻ lái giúp tàu đổi hướng chuyển động dựa trên sự chuyển đổi năng lượng của dòng chảy qua bánh lái. Khi tàu thực hiện thao tác thay đổi hướng chuyển động, trục dọc của thân tàu lệch một góc so với hướng của dòng chảy bao quanh. Sự bất đối xứng này tạo ra chênh lệch trường áp suất giữa mạn trái và mạn phải, làm xuất hiện lực thủy động tác động lên vỏ tàu, trong luận án được định nghĩa là lực gia thêm (ký hiệu $P$).

Lực gia thêm $P$ được phân tích thành ba thành phần cơ bản:

  1. Thành phần lực ly tâm ($F_{lt}$): Hình chiếu của $P$ lên phương vuông góc với trục dọc tàu.
  2. Thành phần lực cản gia thêm ($T_{gt}$): Hình chiếu của $P$ lên phương trục dọc tàu, có chiều ngược với chiều chuyển động của tàu.
  3. Mô men gia thêm (mô men gây lật): Sinh ra do lực $P$ lệch khỏi trục tâm của tàu một khoảng cách cánh tay đòn nhất định.

Nếu độ lớn của lực gia thêm vượt quá giới hạn an toàn, quá trình điều động hướng chuyển động sẽ gặp trở ngại, có thể đưa tàu vào trạng thái mất ổn định hoặc dẫn đến nguy cơ lật tàu. Luận án chỉ ra khoảng trống khoa học: Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào lực cản tàu khi chuyển động thẳng hoặc nghiên cứu lý thuyết điều động tổng thể, chưa có công trình nào giải quyết chi tiết mối liên hệ định lượng giữa động lực học dòng chảy bao quanh thân tàu và lực cản gia thêm trong quá trình thay đổi hướng chuyển động để phục vụ trực tiếp công tác điều khiển và dẫn tàu.

Mục tiêu và câu hỏi nghiên cứu

  • Mục tiêu nghiên cứu: Xác định và đánh giá ảnh hưởng của động lực học dòng chảy bao quanh vỏ tàu đến lực cản tàu thủy (thể hiện qua lực gia thêm gồm: lực cản gia thêm, lực ly tâm và mô men gia thêm) trong quá trình thay đổi hướng chuyển động bằng phương pháp mô phỏng số CFD kết hợp thực nghiệm mô hình.
  • Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
    1. Hệ thống hóa cơ sở lý luận về động lực học dòng chảy bao quanh thân tàu, chuyển động và ổn định tàu thủy.
    2. Thiết lập mô hình toán học và giải thuật mô phỏng số CFD (bài toán 2D và 3D hai pha) trên phần mềm Fluent - Ansys để tính toán phân bố áp suất, trường vận tốc và các thành phần lực gia thêm.
    3. Xây dựng các hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa lực cản và góc đổi hướng ở các dải vận tốc khác nhau.
    4. Thiết kế, chế tạo mô hình tàu và hệ thống gá lắp để đo đạc thực nghiệm lực cản tại bể thử mô hình tàu, so sánh đối chứng để đánh giá độ tin cậy của mô hình số.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy và tác động của nó đến lực cản cùng các thành phần lực gia thêm khi tàu thay đổi hướng chuyển động.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về đối tượng tàu: Mô hình tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION (trọng tải 7.040 DWT, trang bị 01 chân vịt chiều phải, hoạt động tuyến Hải Phòng - Sài Gòn), được thu nhỏ theo tiêu chuẩn đồng dạng Froude.
    • Về điều kiện thủy động: Nghiên cứu tác động của vận tốc dòng chảy lên thân tàu tương ứng với góc thay đổi hướng chuyển động $\theta$ (góc hợp bởi trục dọc tàu và hướng dòng chảy: $\theta = 0^\circ, 5^\circ, 10^\circ, 15^\circ, 20^\circ, 30^\circ$). Luận án giới hạn không xét đến ảnh hưởng đồng thời của sóng và gió.
    • Về không gian thực nghiệm: Thực hiện tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam với thiết bị đo lực cản chuyên dụng R35-1.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Nghiên cứu động lực học dòng chảy quanh tàu thủy bằng phương pháp số và thực nghiệm đã được nhiều tổ chức và nhà khoa học quốc tế triển khai:

  • Force Technology và MAN Diesel (2009): Triển khai dự án ứng dụng CFD nghiên cứu dòng chảy bao quanh tàu thủy và nâng cao hiệu suất động lực học.
  • Karsten Hochkirch (Đức) và Benoit Mallol (Bỉ) (2013): Ứng dụng CFD khảo sát lực cản vỏ tàu, ảnh hưởng của sóng và sự tương tác thủy động giữa tổ hợp chân vịt - bánh lái.
  • Petros Voxakis cùng nhóm tác giả tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT, Hoa Kỳ, 2012): Công bố các giải pháp mô phỏng CFD tính toán lực cản vỏ tàu.
  • Tahsin Tezdogan, Yigit Kemal Demirel, Mahdi Khorasanchi, Atilla Incecik, Osman Turan (2015): Ứng dụng kỹ thuật mô phỏng dòng chảy không dừng unsteady RANS để tính toán tương tác vỏ tàu với mặt thoáng tự do.
  • Brendan Smoker (Đại học Victoria, Vương quốc Anh, 2012): Nghiên cứu so sánh giữa mô phỏng CFD và thực nghiệm trên mô hình tàu 3D Ajax (IMD-523C, tỷ lệ 1:18, chiều dài $L = 2,22\text{ m}$, rộng $B = 0,789\text{ m}$, mạn khô $0,211\text{ m}$). Tác giả công bố sai lệch lớn nhất giữa thực nghiệm và mô phỏng là $10,16%$ tại vận tốc $0,324\text{ m/s}$, sai lệch trung bình $6,04%$, bước đầu xác định hệ số lực nâng $C_L$ và lực cản $C_D$ theo góc đổi hướng.
  • Thor I. Fossen: Đặt nền tảng cho mô hình động học và động lực học 6 bậc tự do (DOF) của phương tiện thủy.

Tình hình nghiên cứu trong nước

  • Trường Đại học Bách khoa Hà Nội: GS. Vũ Duy Quang, GS. Nguyễn Thế Mịch, PGS. Lê Quang nghiên cứu lực cản vỏ tàu, tác động của sóng và hiện tượng xâm thực chân vịt. NCS Nguyễn Đức Hải (2011) và NCS Nguyễn Văn Cường (2016) công bố các kết quả tính toán lực cản tàu bằng mô phỏng số và thử nghiệm mô hình.
  • Trường ĐH Hàng hải Việt Nam, ĐH Giao thông vận tải TP.HCM, ĐH Nha Trang, Viện KHCN Tàu thủy: Các tác giả Trần Công Nghị, Vũ Ngọc Bích, Lê Hồng Bang, Đỗ Quang Khải, Trần Ngọc Tú, Lê Thanh Bình, Trần Gia Thái nghiên cứu tối ưu hóa tuyến hình thân tàu, tính năng hành trình, tính ổn định và tương tác chân vịt - bánh 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 CFD xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam.
  • Giáo trình chuyên ngành: "Lý thuyết tàu thủy" của Trần Công Nghị (NXB ĐHQG TP.HCM), Nguyễn Đức Ân và Nguyễn Bân (NXB Giao thông vận tải), Lê Thanh Tùng và Lương Ngọc Lợi (NXB Bách khoa Hà Nội) cung cấp hệ thống lý thuyết về sức cản, tính năng điều động và ổn định tàu.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù các công trình trong và ngoài nước đã giải quyết nhiều bài toán về sức cản tàu khi chạy thẳng hoặc tương tác dòng chảy sau chân vịt, việc định lượng sự thay đổi của lực cản, lực ly tâm và mô men gây lật trong trạng thái tàu đang bẻ lái đổi hướng (thân tàu nghiêng góc $\theta$ so với dòng tới) vẫn chưa được giải quyết đồng bộ. Luận án lấp đầy khoảng trống này bằng cách kết hợp mô hình hóa CFD 2D/3D hai pha với thực nghiệm đo lực cản tại bể thử trên mô hình tàu M/V TAN CANG FOUNDATION.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Phương trình cơ bản của cơ học chất lỏng: Luận án sử dụng mô hình chất lỏng không nén được ($\rho = \text{const}$), tuân thủ các định luật bảo toàn:
    • Phương trình liên tục: $$\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z} = 0 \quad (\text{hay } \operatorname{div}\vec{V} = 0)$$
    • Phương trình Navier - Stokes cho chất lỏng nhớt không nén được: $$\frac{d\vec{V}}{dt} = \vec{F} - \frac{1}{\rho}\operatorname{grad}(p) + \nu\Delta\vec{V}$$
    • Số đồng dạng: Số Reynolds ($Re = \frac{V_{tb}L}{\nu}$) dùng để xác định chế độ chảy tầng/chảy rối ($Re > 2320$ là chảy rối); số Froude ($Fr = \frac{V_t}{\sqrt{gL}}$) đặc trưng cho tương quan giữa lực quán tính và trọng lực.
  • Mô hình dòng chảy hai pha VOF (Volume of Fluid): Sử dụng để nắm bắt bề mặt phân cách giữa pha lỏng (nước) và pha khí (không khí) quanh vỏ tàu, với biến thể tích pha $\alpha_k$.
  • Động học và động lực học tàu thủy: Sử dụng hệ quy chiếu cố định trên Trái đất $OX_0Y_0Z_0$ và hệ quy chiếu gắn trên tàu $GXYZ$. Bài toán chuyển động trên mặt phẳng ngang lược bỏ các thành phần lắc dọc, lắc ngang và trượt đứng, giữ lại 3 bậc tự do: trượt dọc ($u$), trượt ngang ($v$), quay trở ($\psi$).
  • Lý thuyết ổn định tàu: Chiều cao tâm nghiêng thế vững ban đầu $MC = MD - CD = KM - KC$. Ở góc nghiêng lớn, ổn định được đánh giá qua đường cong cánh tay đòn tĩnh $C_0Z = KN - KC_0 \sin\beta$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  1. Phương pháp mô phỏng số (CFD):
    • Sử dụng phần mềm SolidWorks để dựng hình học vỏ tàu và NAPA để xử lý tuyến hình.
    • Sử dụng phần mềm Ansys Fluent thiết lập lưới tính toán, áp dụng mô hình chảy rối và kỹ thuật VOF.
    • Thiết lập các điều kiện biên: Biên cửa vào (Inlet - vận tốc xác định), biên cửa ra (Outlet - áp suất xác định), biên mặt vỏ tàu (Wall - điều kiện dính bám no-slip), biên mặt thoáng tự do.
    • Khảo sát 16 trường hợp mô phỏng với các góc lệch $\theta = 0^\circ, 5^\circ, 10^\circ, 15^\circ, 20^\circ, 30^\circ$ và các cấp vận tốc $V_t = 4,5\text{ m/s}$ và $7,5\text{ m/s}$ (tương ứng với mô hình là $V_m = 0,45\text{ m/s}$ đến $0,75\text{ m/s}$).
  2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
    • Triển khai tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.
    • Chế tạo mô hình tàu vật lý theo tiêu chuẩn Froude tương ứng với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION.
    • Sử dụng xe kéo trên ray gắn cảm biến lực R35-1 (dải đo chuẩn) kết nối với mặt bích gá lắp trên thân mô hình để đo lực cản ở 15 kịch bản vận tốc và góc lệch hướng.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                           QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN                        |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  [Dữ liệu tàu M/V TAN CANG FOUNDATION]                                            |
|  [MÔ PHỎNG SỐ CFD (ANSYS FLUENT)]       [THỰC NGHIỆM BỂ THỬ (ĐH HÀNG HẢI VN)]     |
|   - Mô hình hóa 2D/3D (SolidWorks/NAPA)   - Chế tạo mô hình tỷ lệ Froude          |
|   - Mô hình hai pha VOF, chia lưới        - Gá đặt hệ thống xe kéo & cảm biến R35-1|
|   - Thiết lập điều kiện biên & giải NS    - Đo lực cản tại 15 trường hợp vận tốc  |
|   - Tính 16 kịch bản (áp suất, lực P)       và góc bẻ hướng theta                 |
|            [SO SÁNH, ĐỐI CHỨNG VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ]                                |
|             - Sai lệch trung bình đạt 8,4%                                        |
|             - Xây dựng 4 phương trình hồi quy lực cản bậc 3                       |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 tổng thuật các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng dụng CFD trong thủy khí động lực học tàu thủy; phân tích các hiện tượng vật lý của dòng chảy (tính nén được, độ nhớt, chảy tầng, chảy rối, phân chia thang đo thời gian và dịch chuyển phần tử lỏng). Chương này hệ thống hóa các phương trình cơ bản: phương trình liên tục, phương trình vi phân chuyển động Navier - Stokes, phương trình Euler và phương trình thế Laplace.

Bên cạnh đó, chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về điều động và tính năng hàng hải của tàu thủy (tính ổn định hướng đi, tính năng quay trở, công thức tính lực cản toàn phần $R = \xi \frac{\rho V_t^2}{2} \Omega$, số $Fr$, số $Re$), phương trình chuyển động 6 bậc tự do và lý thuyết ổn định tĩnh (ổn định góc nhỏ và ổn định góc lớn). Cuối chương, tác giả xác định giới hạn nghiên cứu: áp dụng tiêu chuẩn đồng dạng Froude trên đối tượng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, loại trừ tác động ngẫu nhiên của sóng và gió để tập trung vào vận tốc dòng chảy và góc đổi hướng $\theta$.

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

Chương 2 tập trung xây dựng mô hình toán và giải thuật mô phỏng số. Mô hình hình học vỏ tàu M/V TAN CANG FOUNDATION được tái tạo trong SolidWorks và đưa vào môi trường tính toán Fluent - Ansys với mô hình hai pha VOF. Chương này thiết lập chi tiết các thông số đầu vào cho pha khí (không khí) và pha lỏng (nước), các điều kiện biên và tiêu chuẩn hội tụ của lưới chia.

Kết quả mô phỏng bài toán 2D và 3D cho thấy:

  • Khi tàu chạy thẳng ($\theta = 0^\circ$), phân bố áp suất và đường dòng đối xứng hoàn toàn qua mặt phẳng đối xứng của thân tàu; hệ số áp suất tại mũi tàu đạt cực đại và giảm dần về phía đuôi.
  • Khi tàu thay đổi hướng chuyển động ($\theta = 5^\circ, 10^\circ, 15^\circ, 20^\circ, 30^\circ$ tại các vận tốc $V_t = 4,5\text{ m/s}$ và $7,5\text{ m/s}$), trường áp suất mất tính đối xứng rõ rệt. Áp suất mạn đón dòng tăng cao trong khi mạn khuất dòng xuất hiện vùng áp suất thấp và xoáy cuộn.
  • Khảo sát các đường nước số 2, số 5 và số 7 chỉ ra sự biến thiên mạnh của hệ số áp suất theo chiều chìm của thân tàu. Mô phỏng 3D xác định được vị trí tâm áp suất và sự gia tăng của mô men tác động lên vỏ tàu theo các phương khi góc $\theta$ tăng.

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 xây dựng quy trình tính toán 5 bước để đánh giá định lượng ba thành phần của lực gia thêm $P$: Lực cản gia thêm ($T_{gt}$), lực ly tâm ($F_{lt}$) và mô men gia thêm. Quá trình tính toán được thực hiện trên mô hình đồng dạng với 16 trường hợp thay đổi 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 các góc hướng $\theta = 0^\circ, 10^\circ, 20^\circ, 30^\circ$.

Vận tốc mô hình ($V_m$) Góc đổi hướng ($\theta$) Đặc điểm biến thiên lực cản và lực gia thêm
$0,45\text{ m/s}$ $0^\circ \to 30^\circ$ Lực cản $R$ tăng phi tuyến từ giá trị ban đầu $0,252\text{ N}$ lên $0,385\text{ N}$
$0,55\text{ m/s}$ $0^\circ \to 30^\circ$ Lực cản $R$ tăng theo hàm bậc ba từ $0,376\text{ N}$, xuất hiện lực ly tâm và mô men gia thêm
$0,65\text{ m/s}$ $0^\circ \to 30^\circ$ Lực cản gia thêm $T_{gt}$ tăng rõ rệt, mô men gây lật tăng tỷ lệ thuận với $\theta$
$0,75\text{ m/s}$ $0^\circ \to 30^\circ$ Lực cản $R$ tăng từ $0,698\text{ N}$ lên trên $1,15\text{ N}$; lực ly tâm $F_{lt}$ và mô men gia thêm đạt cực đại

Từ kết quả mô phỏng, luận án đã khớp nối và xây dựng thành công 4 phương trình thực nghiệm bậc 3 thể hiện mối quan hệ giữa lực cản tổng hợp ($R$, đơn vị N) và góc thay đổi hướng chuyển động ($\theta$, đơn vị độ) tại các cấp tốc độ của tàu mô hình:

  • Tại vận tốc $V_m = 0,75\text{ m/s}$: $$R = 0,00003167\theta^3 + 0,005525\theta^2 - 0,05672\theta + 0,698$$
  • Tại vận tốc $V_m = 0,65\text{ m/s}$: $$R = 0,0001472\theta^3 + 0,001335\theta^2 - 0,007533\theta + 0,523$$
  • Tại vận tốc $V_m = 0,55\text{ m/s}$: $$R = 0,00002567\theta^3 + 0,001445\theta^2 - 0,007517\theta + 0,376$$
  • Tại vận tốc $V_m = 0,45\text{ m/s}$: Phương trình bậc 3 tương ứng xác lập mối tương quan giữa $R$ và $\theta$ ở dải vận tốc thấp.

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

Chương 4 mô tả quá trình kiểm chứng thực nghiệm tại bể thử của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Tác giả tổng thuật thông số một số bể thử quốc tế (Hamburg - Đức, Madrid - Tây Ban Nha, MARIN - Hà Lan, Gent - Bỉ, Southampton - Anh, Marintek - Na Uy) trước khi trình bày quy trình thử nghiệm tại bể thử trong nước.

Nội dung thực nghiệm bao gồm:

  • Thiết kế và chế tạo mô hình tàu M/V TAN CANG FOUNDATION bằng vật liệu chuyên dụng, gắn mặt bích gỗ kết nối với hệ thống đo.
  • Sử dụng cảm biến lực đơn R35-1 kết nối với máy tính thu thập dữ liệu thời gian thực.
  • Thực hiện đo lực cản ở 15 kịch bản thực nghiệm khi thay đổi vận tốc xe kéo và góc đặt mô hình $\theta \in {0^\circ, 10^\circ, 20^\circ, 30^\circ}$.
  • Chuyển đổi dữ liệu đo trên mô hình sang tàu thực theo tiêu chuẩn đồng dạng Froude và ITTC.
  • So sánh dữ liệu thực nghiệm với kết quả mô phỏng CFD cho thấy sự tương đồng cao về quy luật biến thiên. Sai lệch trung bình giữa hai phương pháp là $8,4%$, khẳng định độ tin cậy của quy trình mô phỏng số đã xây dựng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Thiết lập hoàn chỉnh giải thuật và quy trình mô phỏng số 5 bước dựa trên CFD (phần mềm Fluent - Ansys) áp dụng cho bài toán dòng chảy hai pha 2D và 3D bao quanh thân tàu khi chuyển động đổi hướng.
  2. Định lượng hóa bản chất của lực gia thêm $P$ thông qua ba thành phần: Lực cản gia thêm ($T_{gt}$), lực ly tâm ($F_{lt}$) và mô men gia thêm, làm sáng tỏ cơ chế thủy động học gây mất ổn định tàu khi bẻ lái.
  3. Xây dựng hệ thống 4 phương trình toán học thực nghiệm bậc 3 mô tả quan hệ phi tuyến giữa lực cản $R$ và góc đổi hướng $\theta$ tại các dải vận tốc khác nhau ($V_m = 0,45\text{ m/s}; 0,55\text{ m/s}; 0,65\text{ m/s}; 0,75\text{ m/s}$).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Thiết kế, chế tạo thành công mô hình tàu thử nghiệm và cụm thiết bị gá lắp chuyên dụng phục vụ đo lực cản đổi hướng tại bể thử Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, cung cấp bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm đo đạc ở 15 trường hợp.
  2. Cung cấp cơ sở khoa học giúp thuyền trưởng và hoa tiêu chủ động dự báo sự suy giảm vận tốc, gia tăng lực cản và nguy cơ nghiêng lệch do mô men gia thêm khi điều động tàu đổi hướng trong luồng hẹp hoặc tình huống khẩn cấp.
  3. Đóng góp dữ liệu phục vụ các hệ thống điều khiển tàu tự động (Autopilot) và buồng lái mô phỏng (Simulators) có tích hợp lực gia thêm của dòng chảy bao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Mô hình nghiên cứu mới chỉ xét tác động đơn lẻ của dòng chảy và vận tốc chuyển động của tàu, chưa tính toán đến tác động đồng thời của các yếu tố sóng biển và gió phức tạp.
  • Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng tập trung vào một loại tàu container cụ thể (M/V TAN CANG FOUNDATION, 7.040 DWT) với hệ động lực đơn chân vịt chiều phải, chưa khảo sát trên các dạng tàu hai chân vịt hoặc các loại hình thân tàu chuyên dụng khác (như tàu khách, tàu cao tốc nhiều thân).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng mô hình tính toán mô phỏng CFD và thực nghiệm có xét đến tác động đồng thời của trường sóng không đều và gió ngang.
  • Tích hợp sâu các phương trình quan hệ lực cản gia thêm vào thuật toán điều khiển của hệ thống lái tự động thích nghi để tối ưu hóa góc bẻ lái và hạn chế tổn thất năng lượng khi tàu hành trình.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo học thuật và thực tiễn cho nhiều đối tượng trong ngành hàng hải:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên ngành Kỹ thuật Tàu thủy và Khoa học Hàng hải: Có thể tham khảo phương pháp luận thiết lập bài toán CFD hai pha (VOF) trong Fluent - Ansys (Chương 2) và quy trình thực nghiệm đo lực cản tại bể thử mô hình (Chương 4).
  • Thuyền viên, Thuyền trưởng, Sĩ quan boong và Hoa tiêu hàng hải: Có thể tham khảo các kết quả phân tích định lượng về sự gia tăng lực cản và mô men gây lật khi bẻ lái đổi hướng (Chương 3) để nâng cao độ an toàn trong công tác điều động tàu thực tế.
  • Kỹ sư thiết kế tàu và chuyên gia tự động hóa hàng hải: Có thể sử dụng 4 phương trình bậc 3 xác định lực cản theo góc lệch hướng để cài đặt vào các phần mềm mô phỏng buồng lái hoặc thuật toán điều khiển tự động hướng đi của tàu.

Câu hỏi thường gặp

1. Lực gia thêm tác động lên tàu khi đổi hướng gồm những thành phần nào?

Theo định nghĩa trong luận án, lực gia thêm $P$ là lực thủy động sinh ra do sự chênh lệch áp suất giữa hai mạn tàu khi góc giữa trục dọc tàu và hướng dòng chảy bị lệch một góc $\theta$. Lực $P$ được phân tách thành ba thành phần:

  1. Thành phần lực ly tâm ($F_{lt}$): Vuông góc với trục dọc tàu.
  2. Thành phần lực cản gia thêm ($T_{gt}$): Dọc theo trục tàu, ngược hướng chuyển động.
  3. Thành phần mô men gia thêm (mô men gây lật): Tạo ra do lực $P$ lệch khỏi trục tâm thân tàu.

2. Mô hình tàu nào được sử dụng để mô phỏng và thử nghiệm thực nghiệm?

Luận án sử dụng tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION, trọng tải 7.040 DWT, trang bị 01 chân vịt chiều phải, chạy tuyến chuyên tuyến Hải Phòng - Sài Gòn. Mô hình vật lý được chế tạo đồng dạng hình học và thủy động theo tiêu chuẩn Froude để thử nghiệm tại bể thử của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.

3. Phương trình thực nghiệm xác định lực cản theo góc đổi hướng ở vận tốc mô hình $V_m = 0,75\text{ m/s}$ có dạng như thế nào?

Phương trình hồi quy bậc 3 được xác lập tại $V_m = 0,75\text{ m/s}$ là: $$R = 0,00003167\theta^3 + 0,005525\theta^2 - 0,05672\theta + 0,698$$ Trong đó $R$ là lực cản tổng hợp (N) và $\theta$ là góc thay đổi hướng chuyển động (độ).

4. Mức độ sai lệch giữa kết quả mô phỏng CFD và kết quả đo thực nghiệm tại bể thử là bao nhiêu?

Kết quả đối chứng giữa 16 trường hợp mô phỏng CFD trên phần mềm Fluent - Ansys và 15 trường hợp đo đạc thực nghiệm bằng cảm biến R35-1 tại bể thử mô hình tàu cho thấy mức sai lệch trung bình là $8,4%$, nằm trong giới hạn sai số cho phép của các nghiên cứu thủy động lực học tàu thủy.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thành Nhật Lai đã giải quyết bài toán xác định ảnh hưởng của động lực học dòng chảy bao quanh thân tàu đến lực cản và các thành phần lực gia thêm trong quá trình thay đổi hướng chuyển động. Bằng việc kết hợp phương pháp mô phỏng số CFD trên nền tảng Fluent - Ansys với thực nghiệm tại bể thử trên mô hình tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION, công trình đã định lượng được trường phân bố áp suất, lực ly tâm, mô men gia thêm và thiết lập 4 phương trình bậc 3 biểu diễn lực cản theo góc bẻ hướng với độ sai lệch trung bình $8,4%$. Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học cho lý thuyết điều động tàu thủy, đồng thời cung cấp dữ liệu thực tiễn phục vụ công tác dẫn tàu an toàn và phát triển các hệ thống điều khiển tàu tự động.