Phần mở đầu; - Phần nội dung (được chia thành 4 chương); - Phần kết luận và kiến nghị; - Danh mục các công trình khoa học đã công bố liên quan đến luận án; - Tài liệu tham khảo; - Phần phụ lục (gồm 6 phụ lục). Trong phần nội dung của luận án đƣợc chia thành 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1. Tổng quan ảnh hƣởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy. Tính toán mô phỏng xâm thực bánh lái tàu thủy.
Đánh giá ảnh hƣởng của xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy. Nghiên cứu thực nghiệm: Phân tích, so sánh và đánh giá kết quả. TỔNG QUAN ẢNH HƢỞNG XÂM THỰC BÁNH LÁI ĐẾN LỰC BẺ LÁI TÀU THỦY 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của luận án Nghiên cứu sinh đã nghiên cứu, tìm tòi tài liệu và phân tích cụ thể lĩnh vực nghiên cứu của luận án với các công trình đã công bố liên quan ở trong nƣớc và nƣớc ngoài, có thể kể đến một số công trình sau: Tình hình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến luận án: Trên thế giới đã công bố về xâm thực từ những năm 1980 của thế kỷ 20, các nghiên cứu chủ yếu là đo đạc thực nghiệm, nhƣng các kết quả đã minh chứng khá rõ nét lý thuyết về vấn đề xâm thực trên cánh dẫn nói chung và bánh lái tàu thủy nói riêng, có thể kể đến: - Năm 1985, các tác giả J.
Pierre Franc và J. Michel [67, 71, 74], đã công bố và phân biệt các loại xâm thực, điều kiện xuất hiện các loại xâm thực này theo số xâm thực và góc đặt cánh. Với một mẫu profil đặc thù khác, năm 1986 tại Pháp tác giả Nguyễn Thế Mịch [72] đã nghiên cứu thực nghiệm để đo đạc đƣợc kích thƣớc túi hơi xâm thực cục bộ, tốc độ dòng chảy ngƣợc và đặc biệt là chu kỳ hình thành, phát triển và mất đi của chúng theo hình 1. Bảng định dạng chiều dài vùng xâm thực với V = 10 m/s 6 Những năm gần đây, với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ thông tin với cấu hình máy tính tăng cao, đáp ứng tốt công việc tính toán bài toán khối lƣợng lớn, thì mô phỏng dòng chảy (hải lƣu) là lựa chọn tối ƣu khi nghiên cứu về xâm thực.
Nhiều tác giả đã khai thác khá sâu các thuật toán khác nhau và đƣa ra các kết quả cụ thể hơn. - Năm 2001, công trình khoa học của nhóm nghiên cứu A. Kaprantsev [43], thuộc Viện nghiên cứu tàu thủy Krylov tại St. Petersburg, Liên bang Nga, đã nghiên cứu về động lực học chân vịt, các yếu tố ảnh hƣởng tới động lực học chân vịt tàu thủy.
Công trình đã thiết lập các mô hình toán, tính toán và phân tích tác động của động lực học chân vịt, cũng nhƣ các yếu tố cơ bản ảnh hƣởng đến động lực học chân vịt, có xét đến hiện tƣợng xâm thực trong một số chế độ điều động tàu thủy. - Năm 2003 công trình nghiên cứu của nhóm tác giả O. Coutier Delgosha và J. Devillers [62] về thực nghiệm và mô phỏng số dòng xâm thực bao quanh hydrofoil.
Các tác giả đã xây dựng bài toán trên mô hình 3D của máy thuỷ lực cánh dẫn nhƣ: chân vịt tàu thuỷ, bơm cánh dẫn,… để xác định vùng xâm thực trên cánh dẫn cũng nhƣ sự thay đổi của chúng ở các chế độ vận hành khác nhau. - Năm 2003 các tác giả Yoshinori Saito, Ichiro Nakamori và Toshiaki Ikohagi (Nhật Bản) [63], đã tính toán mô phỏng dòng xâm thực cánh 2D, đƣa ra chu kỳ của túi hơi cũng nhƣ hệ số áp suất, hệ số lực nâng. Kết quả tính toán mô tả cụ thể theo hình 1. Chu kỳ của túi hơi xâm thực, hệ số lực nâng và hệ số áp suất tại các số xâm thực khác nhau - Năm 2003 các tác giả Masashi Fukaya, Tomoyoshi Okamura, Yoshiaki Tamura và Yoichiro Matsumoto tại Nhật Bản [64], đã đƣa ra một số kết quả quan trọng về xâm thực trên profil cánh, đƣợc mô tả theo hình 1.
Hình ảnh xâm thực trên cánh Hình 1. Chu kỳ của xâm thực cục bộ giữa thực nghiệm và mô phỏng 9 - Năm 2009 các tác giả Thomas Lücke, Heinrich Streckwall, thuộc Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH (HSVA), Hamburg, Liên bang Đức [70, 74], đã công bố những nghiên cứu thực nghiệm và tính toán mô phỏng số về xâm thực trên bánh lái “semi spade”, với kết quả cụ thể đƣợc mô tả theo hình 1. Hình ảnh bánh lái trong hệ thống thí nghiệm HYKAT, LB. Đức Các kết quả nghiên cứu về xâm thực đã chỉ rõ việc xuất hiện xâm thực cục bộ tại mép vào bánh lái cũng nhƣ vùng xâm thực tại mép thoát tại một số chế độ điều động tàu khác nhau.
Hình ảnh xâm thực cục bộ tại mép vào bánh lái Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến luận án: Do vấn đề nghiên cứu về xâm thực đòi hỏi sự công phu và khá tốn kém, nên trong nƣớc cũng chỉ bƣớc đầu nghiên cứu tại một vài trƣờng đại học, viện nghiên cứu trọng điểm. 10 - Các công trình khoa học, tài liệu về thuỷ lực của các tác giả nhƣ: GS. Nguyễn Thế Mịch, GS. Lê Danh Liên, PGS.
Võ Sỹ Huỳnh, PGS. Nguyễn Thế Đức, PGS. Nguyễn Thị Xuân Thu, PGS. Nguyễn Văn Bày, PGS.
Trƣơng Việt Anh, TS. Lê Xuân Hoà [18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 35, 75],. đã đƣa ra đƣợc cơ chế hình thành xâm thực, tác hại, cũng nhƣ các biện pháp khắc phục thƣờng dùng và điển hình cho các loại máy thủy lực cánh dẫn nhƣ bơm ly tâm, bơm cánh dẫn hƣớng trục, tua bin nƣớc,. - Năm 2013 tác giả Lê Thị Thái tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội [38], trong công trình nghiên cứu hiện tƣợng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy, sử dụng các phƣơng pháp tính toán số ứng dụng cho bài toán dòng qua chân vịt tàu thủy khi có xâm thực và không xâm thực.
Đồng thời sử dụng các phƣơng pháp RANS, LES để giải quyết vấn đề nghiên cứu. - Tại Trung tâm Bơm, Viện khoa học Thuỷ lợi, đã tiến hành khá nhiều thí nghiệm về bơm và xâm thực trong bơm, cũng đƣợc phát hiện và xử lý theo hƣớng tăng khả năng chống xâm thực của cánh bơm. Các kết quả này đƣợc thể hiện rõ trong các công trình của nhóm tác giả do GS. Nguyễn Thế Mịch, TS.
Phạm Văn Thu, TS. Vũ Văn Duy và các cộng tác thực hiện [28]. Vũ Văn Duy cùng nhóm nghiên cứu, thuộc Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam [36, 37, 39], đã công bố một số kết quả về động lực học dòng chảy bao, xâm thực cánh dẫn, tính toán mô phỏng dòng chảy bao quanh tàu thủy, ứng dụng chƣơng trình CFD để tính toán mô phỏng,. - Tại Viện Khoa học và Công nghệ tàu thủy, Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam, đã xây dựng bể thử mô hình và bƣớc đầu tiếp cận tới các bài toán xâm thực.
Hơn nữa, còn một số các công trình của các tác giả [55, 56, 57, 66, 74], đã thực hiện các nghiên cứu về xâm thực trên cánh dẫn tại các trung tâm nghiên cứu, cơ sở đào tạo tại nƣớc ngoài và các kết quả này đang dần triển khai ở điều kiện trong nƣớc,… 11 Từ các kết quả công bố của các công trình, nhận xét rằng: - Trong nƣớc, các kết quả nghiên cứu về xâm thực trên cánh dẫn của máy thủy lực đã đƣợc nhiều tác giả công bố. Tuy nhiên, việc nghiên cứu để làm rõ cơ sở khoa học về xâm thực trên bánh lái tàu thủy và phân tích, đánh giá ảnh hƣởng của chúng đến lực bẻ lái và đặc tính điều khiển hƣớng chuyển động của tàu thủy là vấn đề khoa học mà trong nƣớc chƣa có công trình hoặc tác giả công bố. - Trên thế giới, những năm gần đã tập trung nghiên cứu khá sâu về vấn đề xâm thực trên các profil cánh 2D và 3D cũng nhƣ trên bánh công tác của máy thuỷ lực cánh dẫn nhƣ: bơm cánh dẫn, trong tua bin, chân vịt tàu thủy,… nhƣng phần lớn các công trình nghiên cứu dựa trên sự hỗ trợ quan trọng của các trang thiết bị đo đạc, tính toán rất hiện đại và đắt tiền. Với điều kiện trong nƣớc hiện nay thì điều này khó có thể thực hiện đƣợc.
Mặt khác, kết quả nghiên cứu dừng lại ở việc nghiên cứu từng phần, nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu mô phỏng số, ứng dụng CFD để tính toán mô phỏng xâm thực cánh dẫn,. Đặc biệt các kết quả phân tích chuyên sâu về xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái và đặc tính điều khiển hƣớng chuyển động tàu thủy vẫn còn mang tính bản quyền của hãng sản xuất, trung tâm nghiên cứu về khoa học hàng hải, chƣa đƣợc tác giả hoặc nhóm tác giả công bố. Nhƣ vậy, với phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu cụ thể của luận án, vấn đề nghiên cứu của nghiên cứu sinh luôn mang tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn chuyên ngành hàng hải và không trùng lặp với các công trình đã công bố trƣớc đó. Xâm thực bánh lái tàu thủy 1.
Khái niệm xâm thực Hiện tƣợng xâm thực xuất hiện khi áp suất của chất lỏng tại nơi nào đó bao quanh cánh dẫn nhỏ hơn hoặc bằng áp suất hơi bão hoà, khi đó những phần tử chất lỏng ở sát thành và lân cận sẽ tách ra tạo thành các đám bọt gọi 12 là túi hơi xâm thực. Ứng với mỗi chế độ vận hành khác nhau các túi hơi này sẽ có đặc điểm riêng, từ đó có các tên gọi khác nhau [2, 3, 7, 10, 71].7 mô tả hiện tƣợng xâm thực trên bánh lái của tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, đƣợc nghiên cứu sinh khảo sát thực địa khi tàu lên đà sửa chữa tại nhà máy Ship Marine Sài Gòn, tháng 5/2016 [41, 42]. Hiện tƣợng xâm thực trên bánh lái Hình 1. Xâm thực trên bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION Bằng nghiên cứu thực nghiệm, các tác giả J.
Pierre Franc và J. Michel [67, 71], đã đƣa ra bảng phân loại xâm thực trên cánh dẫn theo các góc đặt cánh và số xâm thực khác nhau, cũng nhƣ phân tích đặc điểm chính của mỗi loại xâm thực theo hình 1.8, đã mô tả ranh giới các loại xâm thực. Tuy nhiên hình ảnh thực nghiệm trên mẫu cánh NACA 16012 với Re = 106 nên số liệu góc đặt cánh và số xâm thực ở đây mang tính chất tham khảo. Khi số xâm thực là nhỏ ( ≤ 0,33), nhận thấy vùng xâm thực kéo dài vƣợt khỏi dây cung của cánh và đƣợc gọi là “siêu xâm thực”.
