Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Tàu thủy hoạt động trên môi trường mặt nước phức tạp, chịu tác động của nhiều yếu tố phi tuyến ngẫu nhiên như sóng, gió và dòng chảy. Ở trạng thái chuyển động thẳng đều, lực đẩy do chân vịt sinh ra cân bằng với lực cản thủy động từ dòng chất lỏng bao quanh thân tàu. Khi tàu thay đổi hướng chuyển động (bẻ lái), trục dọc của thân tàu tạo với hướng dòng chảy tới một góc lệch $\theta$, làm xuất hiện sự chênh lệch trường áp suất giữa hai bên mạn tàu. Sự bất đối xứng này sinh ra một lực thủy động tổng hợp tác động lên vỏ tàu, được gọi là "lực gia thêm" hay "lực bù" ($P$).

Lực gia thêm $P$ được phân tích thành 3 thành phần cơ bản:

  1. Lực ly tâm ($F_{lt}$): Thành phần hình chiếu của $P$ lên phương vuông góc với trục dọc tàu, có chiều trùng với lực ly tâm khi tàu quay vòng.
  2. Lực cản gia thêm ($T_{gt}$): Thành phần hình chiếu của $P$ lên phương trục dọc tàu, có chiều ngược với hướng chuyển động của tàu.
  3. Mô men gây lật (mô men gia thêm): Sinh ra từ thành phần lực chiếu lên phương thẳng đứng kết hợp với độ lệch tâm so với trục dọc tàu, có xu hướng làm nghiêng và đe dọa trực tiếp đến tính ổn định tĩnh và động của tàu.

Khi lực gia thêm vượt quá giới hạn an toàn, tàu có thể rơi vào trạng thái mất ổn định hoặc lật úp. Do đó, việc nghiên cứu cơ sở khoa học về động lực học dòng chảy bao kết hợp với đánh giá lực cản trong quá trình điều động đổi hướng là yêu cầu kỹ thuật cấp thiết trong khoa học hàng hải.

Đề tài luận án tiến sĩ: "Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động" do NCS. Nguyễn Thành Nhật Lai 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. Luận án kế thừa và phát triển từ hai đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải nghiệm thu năm 2017:

  • Đề tài KHCN 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 KHCN 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 quanh vỏ tàu đến lực cản tàu thủy (xác định định lượng thành phần lực gia thêm) trong quá trình thay đổi hướng chuyển động, từ đó lượng hóa mối quan hệ giữa lực cản, vận tốc và góc chuyển hướng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy và tác động thủy động của dòng bao đến lực cản khi tàu thay đổi hướng chuyển động.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Giới hạn điều kiện biên: Luận án tập trung khảo sát ảnh hưởng thuần túy của vận tốc dòng chảy và góc đổi hướng; không xét đến tác động kết hợp của trường sóng và gió ngẫu nhiên.
    • Thông số góc đổi hướng: Khảo sát góc lệch $\theta$ (góc hợp bởi trục dọc tàu và phương dòng chảy) tại các giá trị $\theta \in {0^\circ, 5^\circ, 10^\circ, 15^\circ, 20^\circ, 30^\circ}$.
    • Tàu mẫu khảo sát: Tàu container chuyên dụng M/V TAN CANG FOUNDATION (trọng tải toàn phần 7040 MT, trang bị 01 chân vịt chiều phải, hoạt động tuyến Hải Phòng – Sài Gòn).
    • Mô hình hình học và thực nghiệm: Áp dụng tiêu chuẩn đồng dạng Froude với hệ số tỷ lệ hình học $k = L_s / L_m = 100$. Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng được triển khai tại Bể thử mô hình tàu thuộc Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Nghiên cứu động lực học dòng chảy bao và sức cản tàu thủy trên thế giới đã phát triển qua nhiều giai đoạn với các công trình tiêu biểu:

  • Force Technology - MAN Diesel (2009): Triển khai dự án ứng dụng công nghệ mô phỏng động lực học chất lưu số (CFD) để khảo sát dòng chảy bao quanh thân vỏ và hệ thống động lực tàu thủy.
  • Karsten Hochkirch (Đức) và Benoit Mallol (Bỉ) (2013): Công bố nghiên cứu ứng dụng CFD tính toán lực cản vỏ tàu, phân tích ảnh hưởng của sóng và khảo sát sự tương tác thủy động trong tổ hợp chân vịt – bánh lái.
  • Voxakis Petros và cộng sự (Đại học Massachusetts, Hoa Kỳ, 2012): Ứng dụng CFD giải quyết bài toán dự đoán lực cản vỏ tàu chuyển động trên mặt thoáng.
  • Tahsin Tezdogan, Yigit Kemal Demirel, Mahdi Khorasanchi, Atilla Incecik, Osman Turan (2015): Sử dụng kỹ thuật phương trình RANS không dừng (unsteady RANS) để mô phỏng dòng chảy bao quanh vỏ tàu có xét đến biến dạng mặt thoáng tự do.
  • Brendan Smoker (Đại học Victoria, Vương quốc Anh, 2012): Mô phỏng CFD kết hợp đo thực nghiệm trên mô hình 3D tàu Ajax (ký hiệu IMD-523C) để xác định hệ số lực nâng ($C_L$), hệ số lực cản ($C_D$) khi đổi hướng:
Thông số chính Đơn vị Mô hình 3D (Ajax IMD-523C) Tàu thực
Tỷ lệ đồng dạng hình học - 1:18 1:1
Chiều dài tổng thể ($L$) m 2,22 40,0
Chiều dài đường nước ($L_{wl}$) m 2,12 38,2
Chiều rộng đường nước ($B_{wl}$) m 0,789 14,2
Mạn khô / Chiều cao mớn nước ($T$) m 0,211 3,8

Ghi chú số liệu: Kết quả của Brendan Smoker chỉ ra sai lệch lớn nhất giữa CFD và thực nghiệm là 10,16% tại dải tốc độ 0,324 m/s, và sai lệch trung bình toàn dải đo đạt 6,04%.

Các hướng nghiên cứu trong nước

  • Trường Đại học Bách khoa Hà Nội: Nhóm tác giả Viện Cơ khí động lực gồm GS. Vũ Duy Quang, GS. Nguyễn Thế Mịch, PGS. Lê Quang công bố các công trình về lực cản vỏ tàu, tác động của sóng và hiện tượng xâm thực chân vịt. Tác giả Nguyễn Đức Hải (2011) và Nguyễn Văn Cường (2016) nghiên cứu tính toán lực cản bằng phương pháp số và thử nghiệm kéo mô hình.
  • Trường ĐH Giao thông vận tải TP.HCM, ĐH Hàng hải Việt Nam, 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 công bố các nghiên cứu về tính toán thủy động lực học vỏ tàu, tối ưu hóa tuyến hình thân tàu và ổn định điều động. Lê Văn Toàn và Vũ Ngọc Bích (2016) mô phỏng số sức cản tàu container; Lê Văn Toàn (2017) ứng dụng CFD xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam.
  • Hệ thống giáo trình chuyên ngành: Giáo trình "Lý thuyết tàu thủy" của Trần Công Nghị (2010), Nguyễn Đức Ân và Nguyễn Bân, Lê Thanh Tùng và Lương Ngọc Lợi hệ thống hóa lý thuyết sức cản, tính năng hành trình và tính ổn định tàu.

Khoảng trống nghiên cứu của luận án

Các công trình trong và ngoài nước phần lớn tập trung vào bài toán lực cản khi tàu chạy thẳng hoặc khảo sát tính năng quay trở ở chế độ ổn định tĩnh. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: Lượng hóa sự biến thiên của lực cản và các thành phần lực gia thêm ($T_{gt}, F_{lt}, M_{gt}$) dưới tác động của dòng chảy bao trong quá trình tàu thay đổi hướng chuyển động, kết nối kết quả mô phỏng số với dữ liệu thực nghiệm bể thử để phục vụ công tác điều động an toàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

  • Đặc tính chất lưu: Khảo sát môi trường nước và không khí là chất lưu nhớt thực, không nén được ($\rho = \text{const}$), có khối lượng riêng $\rho$ ($\text{kg/m}^3$) và trọng lượng riêng $\gamma$ ($\text{N/m}^3$). Ứng suất tiếp nhớt theo định luật Newton: $$\tau = \mu \frac{du}{dy}$$ Trong đó: $\mu$ là hệ số nhớt động lực ($\text{N}\cdot\text{s/m}^2$), $\nu = \mu / \rho$ là hệ số nhớt động học ($\text{m}^2/\text{s}$). Dòng chảy bao quanh tàu có số Reynolds $Re = \frac{V_{tb} L}{\nu} > 2320$, thuộc chế độ dòng chảy rối.

  • Hệ phương trình thủy động chủ đạo:

    • Phương trình liên tục: $$\text{div}(\vec{V}) = \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z} = 0$$
    • Phương trình vi phân 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, $p$ là áp suất thủy tĩnh/thủy động, $\Delta$ là toán tử Laplace ($\Delta = \frac{\partial^2}{\partial x^2} + \frac{\partial^2}{\partial y^2} + \frac{\partial^2}{\partial z^2}$).

  • Mô hình thể tích chất lỏng (VOF - Volume of Fluid): Áp dụng để giải bài toán dòng chảy hai pha (pha 1: không khí; pha 2: nước) có mặt thoáng tự do thông qua hàm tỷ lệ thể tích phân chia pha $\alpha_k$.

  • Lý thuyết ổn định và chuyển động tàu thủy:

    • Chuyển động 6 bậc tự do (6-DOF) theo Fossen được giản lược trên mặt phẳng nằm ngang với 3 bậc tự do chính: trượt dọc ($u$), trượt ngang ($v$), quay trở ($\psi$).
    • Phương trình chuyển động tịnh tiến dọc trục: $$P - R = M \frac{dV}{dt}$$
    • Đánh giá ổn định góc nghiêng nhỏ thông qua chiều cao thế vững: $MC = KM - KC > 0$.
    • Đánh giá ổn định góc nghiêng lớn thông qua đường cong cánh tay đòn ổn định 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

Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô phỏng số (CFD) và thực nghiệm kiểm chứng:

  1. Phương pháp mô phỏng số (CFD):
    • Xây dựng hình học bề mặt tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION bằng phần mềm Solidworks và NAPA.
    • Thiết lập mô hình bài toán 2D và 3D trên phần mềm Fluent - Ansys.
    • Điều kiện biên: Cửa vào vận tốc (Velocity Inlet) cho pha nước và pha khí; Cửa ra áp suất (Pressure Outlet) có xét trọng trường; Vỏ thân tàu đặt điều kiện thành rắn không trượt (Wall); Bề mặt tiếp xúc giữa hai pha đặt điều kiện mặt thoáng (Free Surface).
  2. Tiêu chuẩn đồng dạng thực nghiệm:
    • Sử dụng tiêu chuẩn đồng dạng Froude: $$Fr = \frac{V_s}{\sqrt{g L_s}} = \frac{V_m}{\sqrt{g L_m}}$$
    • Hệ số tỷ lệ hình học: $k = L_s / L_m = 100$.
  3. Phương pháp thực nghiệm:
    • Thực hiện tại Bể thử mô hình tàu - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.
    • Sử dụng hệ thống xe kéo trên ray dẫn hướng, cơ cấu đồ gá mặt bích bằng gỗ chuyên dụng và thiết bị cảm biến đo lực cản đơn trục ký hiệu R35-1.

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 cơ sở lý luận về động lực học dòng chảy bao quanh thân tàu, tổng quan tình hình nghiên cứu CFD trong và ngoài nước, đồng thời trình bày các khái niệm về tính năng hành trình, tính điều khiển và lý thuyết ổn định tàu thủy trong mặt phẳng ngang.

Các nội dung cốt lõi của chương bao gồm:

  • Phân tích cơ chế biến thiên áp suất và sự hình thành lực gia thêm $P$ khi tàu đổi hướng.
  • Tổng kết các công trình ứng dụng CFD tiêu biểu trên thế giới (Force Technology, Hochkirch & Mallol, Voxakis, Tezdogan, Brendan Smoker).
  • Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Khảo sát dòng chảy hai pha nước – khí, bỏ qua nhiễu sóng và gió, tập trung vào đối tượng tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION tỷ lệ $k = 100$.

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

Chương 2 thiết lập mô hình toán học và giải thuật mô phỏng CFD trên phần mềm Fluent - Ansys cho bài toán 2D và 3D:

  • Xây dựng mô hình hình học đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION qua các đường mớn nước khảo sát.
  • Khai báo các thông số dòng hai pha trong mô hình VOF: thiết lập pha khí, pha nước, chọn kỹ thuật giải, thiết lập tiêu chuẩn hội tụ và bước thời gian.
  • Khảo sát trường phân bố áp suất và hệ số áp suất tại các đường nước số 2, số 5, số 7 ở các mức vận tốc tàu thực $V_t = 4,5\text{ m/s}$ và $V_t = 7,5\text{ m/s}$ tương ứng với các góc chuyển hướng $\theta \in {5^\circ, 10^\circ, 15^\circ, 20^\circ, 30^\circ}$.
  • Tính toán phân bố áp suất phần chìm mạn trái và mạn phải, xác định sự trượt của tâm áp suất và mô men thủy động tác động lên thân vỏ theo các phương không gian.

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 triển khai quy trình tính toán mô phỏng chi tiết 16 trường hợp thủy động lực học khi kết hợp 4 mức vận tốc mô hình $V_m \in {0,45; 0,55; 0,65; 0,75}\text{ m/s}$ và 4 góc đổi hướng $\theta \in {0^\circ, 10^\circ, 20^\circ, 30^\circ}$.

Kết quả lượng hóa các thành phần lực:

  • Lực cản mô hình ($R_{TM}$): Tăng phi tuyến theo cả vận tốc chuyển động và góc đổi hướng $\theta$.
  • Lực ly tâm ($F_{lt}$) và mô men gia thêm: Tăng tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc và tăng mạnh khi góc $\theta$ mở rộng từ $10^\circ$ lên $30^\circ$.
  • Hệ phương trình hồi quy: Luận án đã làm khớp dữ liệu mô phỏng thành 4 phương trình đa thức bậc 3 biểu diễn mối quan hệ giữa lực cản $R$ (N) và góc đổi hướng $\theta$ (độ) tương ứng với từng vận tốc mô hình:
    • Tại $V_m = 0,75\text{ m/s}$: $$R = 0,00003167\theta^3 + 0,005525\theta^2 - 0,05672\theta + 0,698$$
    • Tại $V_m = 0,65\text{ m/s}$: $$R = 0,0001472\theta^3 + 0,001335\theta^2 - 0,007533\theta + 0,523$$
    • Tại $V_m = 0,55\text{ m/s}$: $$R = 0,00002567\theta^3 + 0,001445\theta^2 - 0,007517\theta + 0,376$$
    • Tại $V_m = 0,45\text{ m/s}$: Đã thiết lập phương trình bậc 3 tương ứng thể hiện mối liên hệ đồng dạng.

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

Chương 4 thực hiện kéo mô hình tại Bể thử mô hình tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam để kiểm chứng các kết quả mô phỏng số:

  • Tổng quan hệ thống các bể thử trên thế giới (Hamburg - Đức, Madrid - Tây Ban Nha, MARIN - Hà Lan, Gent - Bỉ, Southampton - Anh, MARINTEK - Na Uy) và năng lực trang thiết bị tại Bể thử ĐHHHVN.
  • Thiết kế, gia công chế tạo mô hình tàu M/V TAN CANG FOUNDATION theo tỷ lệ $k=100$, lắp đặt hệ thống đồ gá mặt bích bằng gỗ liên kết với đầu đo lực R35-1 trên xe kéo.
  • Triển khai đo đạc thực nghiệm 15 trường hợp ở các trạng thái chạy thẳng và bẻ lái với các góc $\theta \in {0^\circ, 10^\circ, 20^\circ, 30^\circ}$.
  • Chuyển đổi số liệu lực cản từ mô hình sang tàu thực theo tiêu chuẩn Froude.
  • Đánh giá so sánh: Mức độ sai lệch giữa kết quả mô phỏng CFD và kết quả đo thực nghiệm đạt giá trị trung bình là 8,4%, khẳng định độ tin cậy của quy trình mô phỏng số đã xây dựng.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Xây dựng quy trình tính toán mô phỏng 2D và 3D trên nền tảng CFD (Fluent - Ansys): Ứng dụng thành công mô hình hai pha VOF để khảo sát trường áp suất, phân bố pha khí – nước và dòng bao quanh vỏ tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION trong điều kiện đổi hướng chuyển động qua 16 trường hợp khảo sát.
  2. Lượng hóa tường minh 3 thành phần của lực gia thêm thủy động: Phân tách và đánh giá chi tiết định lượng lực cản gia thêm ($T_{gt}$), lực ly tâm ($F_{lt}$) và mô men gia thêm tác động lên thân tàu khi đổi hướng ở các dải vận tốc khác nhau.
  3. Thiết lập 4 phương trình giải tích bậc 3: Xây dựng các hàm toán học bậc 3 mô tả quan hệ giữa lực cản $R$ và góc lệch dòng chảy $\theta$ tại 4 cấp vận tốc mô hình ($V_m = 0,45; 0,55; 0,65; 0,75\text{ m/s}$), cung cấp công cụ tính toán nhanh lực cản trong quá trình điều động.

Đóng góp thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Chế tạo mô hình và cơ sở dữ liệu thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình tàu tỷ lệ 1:100 cùng hệ thống gá lắp mặt bích; thu thập bộ dữ liệu thực nghiệm 15 trường hợp kéo mô hình tại Bể thử ĐHHHVN với sai số trung bình 8,4% so với CFD.
  • Ứng dụng trong khai thác và điều khiển tàu: Cung cấp cơ sở định lượng giúp thuyền trưởng và sĩ quan boong đánh giá mức độ suy giảm vận tốc, sự gia tăng lực cản và nguy cơ mất ổn định do mô men lật khi bẻ lái ở tốc độ cao; hỗ trợ tính toán thuật toán điều khiển tự động (autopilot) có tính đến thành phần bù lực gia thêm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Điều kiện môi trường khảo sát: Luận án mới chỉ khảo sát tác động thuần túy của dòng chảy bao trong môi trường nước tĩnh, chưa tích hợp tương tác đồng thời của phổ sóng ngẫu nhiên và trường gió tác động lên phần thượng tầng mạn khô.
  • Đối tượng vỏ tàu: Nghiên cứu thực hiện trên mô hình đơn tàu container (M/V TAN CANG FOUNDATION, 01 chân vịt chiều phải) tại một trạng thái tải trọng cố định, chưa mở rộng sang các dạng hình học thân tàu khác (tàu hàng rời, tàu dầu vỏ kép, tàu hai chân vịt).
  • Quy mô tỷ lệ hình học: Hệ số tỷ lệ $k = 100$ được lựa chọn căn cứ trên giới hạn kích thước bể thử và cấu hình phần cứng tính toán trong nước tại thời điểm nghiên cứu.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng mô hình CFD và thực nghiệm có xét đến tương tác đồng thời giữa dòng chảy bao, sóng biển và gió lệch hướng.
  • Khảo sát ảnh hưởng của lực gia thêm thủy động ở các trạng thái mớn nước khác nhau (chạy không tải dằn, đầy tải) và mở rộng cho các dạng tàu thủy có cấu hình động lực học phức tạp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng cụ thể cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên ngành Khoa học Hàng hải và Kỹ thuật Tàu thủy: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình bài toán hai pha VOF trên Fluent - Ansys (Chương 2), phương pháp xử lý điều kiện biên thủy động và quy trình chuyển đổi số liệu Froude giữa mô hình và tàu thực (Chương 3, Chương 4).
  • Thuyền trưởng, hoa tiêu hàng hải và cán bộ quản lý an toàn hàng hải: Tham khảo các đồ thị biến thiên của lực cản gia thêm, lực ly tâm và mô men lật khi tàu thay đổi hướng chuyển động $\theta$ để tối ưu hóa thao tác bẻ lái trong luồng hẹp và xử lý tình huống khẩn cấp.
  • Kỹ sư thiết kế tàu và lập trình hệ thống điều khiển hàng hải: Ứng dụng 4 phương trình hồi quy bậc 3 về lực cản $R(\theta)$ vào việc xây dựng thuật toán điều khiển hướng đi tự động và hệ thống tự hành có cơ chế bù trừ lực thủy động gia thêm.

Câu hỏi thường gặp

1. "Lực gia thêm" tác động lên thân tàu khi thay đổi hướng chuyển động được định nghĩa và phân tách như thế nào?

Khi tàu chuyển hướng, góc lệch $\theta$ giữa trục dọc tàu và dòng chảy tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa hai mạn tàu, sinh ra lực thủy động tổng hợp $P$ (lực gia thêm). Lực $P$ được phân tách thành 3 thành phần: Lực ly tâm ($F_{lt}$) vuông góc với trục dọc tàu, Lực cản gia thêm ($T_{gt}$) ngược chiều chuyển động dọc trục tàu, và Mô men gia thêm (mô men gây lật) do thành phần lực thẳng đứng lệch tâm sinh ra.

2. Tàu mẫu nào được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu và tỷ lệ mô hình là bao nhiêu?

Đối tượng nghiên cứu là tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION có trọng tải 7040 MT, trang bị 01 chân vịt chiều phải, chuyên tuyến Hải Phòng – Sài Gòn. Tỷ lệ đồng dạng hình học được chọn là $k = L_s / L_m = 100$ theo tiêu chuẩn Froude.

3. Phương pháp số và phần mềm chuyên dụng nào được tác giả sử dụng để mô phỏng?

Tác giả sử dụng phương pháp tính toán động lực học dòng chảy (CFD) dựa trên việc giải hệ phương trình vi phân Navier-Stokes và phương trình liên tục cho dòng chảy rối không nén được. Phần mềm Solidworks và NAPA được dùng để dựng hình học vỏ tàu; phần mềm Fluent - Ansys cùng mô hình Volume of Fluid (VOF) được sử dụng để giải bài toán hai pha nước – không khí có mặt thoáng.

4. Bốn phương trình bậc 3 biểu diễn mối quan hệ giữa lực cản và góc đổi hướng có dạng cụ thể như thế nào?

Tại các mức vận tốc mô hình $V_m$, lực cản $R$ (N) phụ thuộc vào góc chuyển hướng $\theta$ (độ) theo các hàm bậc 3:

  • $V_m = 0,75\text{ m/s}$: $R = 0,00003167\theta^3 + 0,005525\theta^2 - 0,05672\theta + 0,698$
  • $V_m = 0,65\text{ m/s}$: $R = 0,0001472\theta^3 + 0,001335\theta^2 - 0,007533\theta + 0,523$
  • $V_m = 0,55\text{ m/s}$: $R = 0,00002567\theta^3 + 0,001445\theta^2 - 0,007517\theta + 0,376$
  • $V_m = 0,45\text{ m/s}$: Thiết lập phương trình bậc 3 tương ứng trong hệ dữ liệu của luận án.

5. Kết quả kiểm chứng thực nghiệm tại Bể thử mô hình tàu đạt độ sai lệch bao nhiêu so với mô phỏng CFD?

Kết quả đo đạc thực nghiệm kéo 15 trường hợp mô hình tàu tại Bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam bằng đầu đo R35-1 cho thấy độ sai lệch trung bình so với mô phỏng số bằng Fluent - Ansys là 8,4%.

Kết luận

Luận án của NCS. Nguyễn Thành Nhật Lai đã giải quyết bài toán xác định ảnh hưởng của động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy đến lực cản trong quá trình thay đổi hướng chuyển động. Bằng việc kết hợp mô phỏng số CFD (Fluent - Ansys, mô hình VOF) với thực nghiệm kéo mô hình tại Bể thử Trường Đại học Hàng hải Việt Nam trên đối tượng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION ($k=100$), công trình đã định lượng tường minh 3 thành phần của lực gia thêm ($T_{gt}, F_{lt}, M_{gt}$) và thiết lập 4 phương trình giải tích bậc 3 thể hiện mối quan hệ giữa lực cản và góc bẻ lái. Kết quả nghiên cứu đạt độ sai lệch trung bình 8,4% giữa mô phỏng và thực nghiệm, cung cấp luận cứ khoa học tin cậy phục vụ công tác điều động tàu an toàn và thiết kế thuật toán điều khiển tàu tự động.