Tổng quan nghiên cứu

Tàu Swath (Small Waterplane Area Twin Hull) là loại tàu có diện tích đường nước rất nhỏ so với tàu một thân và hai thân thông thường, với phần thân chính chìm hoàn toàn dưới nước và chỉ có hai trụ nối tiếp xúc mặt nước. Theo ước tính, tàu Swath có khả năng giảm sức cản sóng đến khoảng 40% so với tàu catamaran cùng kích thước, giúp tăng tính ổn định và hiệu quả vận hành trong điều kiện sóng gió khắc nghiệt. Tuy nhiên, công nghệ đóng tàu Swath đòi hỏi vật liệu nhẹ, bền và kỹ thuật cao, dẫn đến chi phí đầu tư lớn hơn.

Nghiên cứu này nhằm mục tiêu xác định ảnh hưởng của hình dáng thân tàu Swath đến sức cản tổng thể, từ đó đề xuất mô hình thân tàu tối ưu có sức cản nhỏ nhất, góp phần giảm chi phí nhiên liệu và khí thải, nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào 4 mô hình tàu Swath phổ biến với các hình dạng thân chìm khác nhau, được xây dựng dựa trên kích thước thực tế của tàu dài 33,3 m, rộng 13,3 m, mớn nước 2,88 m, vận tốc khai thác 20 hải lý/giờ, tại môi trường nước biển Việt Nam. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh phát triển kinh tế biển và bảo vệ chủ quyền quốc gia, khi tàu Swath còn ít được ứng dụng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về sức cản tàu thủy, trong đó sức cản toàn bộ $R$ được phân thành các thành phần chính: sức cản nhớt $R_v$, sức cản sóng $R_w$, sức cản không khí $R_{kk}$ và sức cản bổ sung $R_a$. Công thức tổng quát được sử dụng là:

$$ R = R_v + R_w + R_{kk} + R_a $$

Trong đó, sức cản nhớt bao gồm sức cản ma sát và sức cản hình dáng, phụ thuộc vào diện tích mặt ướt và độ nhám bề mặt vỏ tàu. Sức cản sóng sinh ra do trọng lực và sức căng bề mặt chất lỏng khi tàu di chuyển trên mặt nước. Sức cản không khí tính đến lực cản do gió tác động lên phần thân tàu trên mặt nước. Sức cản bổ sung liên quan đến các yếu tố môi trường như sóng biển và luồng lạch.

Ngoài ra, mô hình nghiên cứu áp dụng các khái niệm về số Reynolds, số Froude để đồng dạng vận tốc mô hình với tàu thực, cùng các hệ số sức cản được xác định qua công thức tham số dựa trên các hằng số và kích thước tàu. Các khái niệm chính bao gồm: diện tích mặt ướt, lượng chiếm nước, chiều dài phần thân chìm, chiều rộng phần thân chìm, chiều cao phần thân chìm, và các thông số trọng tâm, mô men quán tính.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp lý thuyết và mô phỏng số nhằm đánh giá sức cản của 4 mô hình tàu Swath với các hình dạng thân chìm: chân voi, tròn thay đổi, tròn đều và tròn đều có bậc. Kích thước mô hình được lấy theo tỷ lệ 1:10 so với tàu thực, vận tốc mô hình tương ứng 3,2 m/s theo đồng dạng Froude.

Nguồn dữ liệu bao gồm các thông số kỹ thuật của tàu thực, các bản vẽ tuyến hình và bố trí chung, cùng các tham số thủy lực được tính toán. Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm mô phỏng Star CCM+ với mô hình toán K-Epsilon để mô phỏng dòng chảy và tính toán sức cản. Quá trình nghiên cứu diễn ra trong khoảng thời gian từ đầu năm 2020 đến cuối năm 2020, với các bước: xây dựng mô hình, tính toán lý thuyết, mô phỏng số, so sánh và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu gồm 4 mô hình tàu với các thông số đồng nhất về chiều dài, chiều rộng, mớn nước và lượng chiếm nước, nhằm đảm bảo tính so sánh chính xác. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các hình dạng phổ biến và có tính đại diện cao trong thiết kế tàu Swath hiện nay.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Sức cản tổng thể của các mô hình: Mô hình thân tròn đều có sức cản nhỏ nhất, với tổng sức cản khoảng 85 N ở vận tốc mô hình 3,2 m/s, thấp hơn khoảng 10% so với mô hình chân voi có sức cản khoảng 94 N. Mô hình tròn thay đổi và tròn đều có bậc có sức cản lần lượt là 88 N và 90 N.

  2. Phân tích thành phần sức cản: Sức cản nhớt chiếm khoảng 60-65% tổng sức cản, trong khi sức cản sóng chiếm khoảng 30-35%. Mô hình thân tròn đều có hệ số sức cản sóng thấp nhất, cho thấy hình dạng thân tròn đều giúp giảm thiểu hiệu quả sóng tạo ra.

  3. So sánh kết quả mô phỏng và lý thuyết: Kết quả mô phỏng số và tính toán lý thuyết có sự tương đồng cao, sai số dưới 5%, chứng tỏ phương pháp mô phỏng và công thức tính toán được áp dụng có độ tin cậy cao.

  4. Ảnh hưởng của hình dạng thân tàu: Hình dạng thân tròn đều giúp giảm diện tích mặt ướt xuống còn khoảng 474 m² so với 510 m² của mô hình chân voi, góp phần giảm sức cản ma sát. Đồng thời, hình dạng này cũng làm giảm lượng chiếm nước, giúp giảm sức cản sóng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến mô hình thân tròn đều có sức cản thấp hơn là do hình dạng thân tàu tối ưu hóa dòng chảy, giảm thiểu hiện tượng tách lớp biên và xoáy nước, từ đó giảm sức cản nhớt và sóng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về tàu Swath, trong đó hình dạng thân tròn được đánh giá cao về hiệu suất thủy lực.

Việc mô hình tròn đều có sức cản thấp hơn khoảng 10% so với mô hình chân voi cho thấy tiềm năng tiết kiệm nhiên liệu đáng kể khi áp dụng thiết kế này trong đóng mới tàu Swath. Kết quả cũng cho thấy sức cản không khí đóng góp nhỏ nhưng không thể bỏ qua, đặc biệt trong điều kiện gió mạnh.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tổng sức cản và các thành phần sức cản của 4 mô hình, cùng bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật và kết quả tính toán. Điều này giúp trực quan hóa sự khác biệt và hỗ trợ việc lựa chọn mô hình tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng thiết kế thân tròn đều cho tàu Swath mới nhằm giảm sức cản tổng thể, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải, với mục tiêu giảm sức cản ít nhất 10% trong vòng 3 năm tới. Chủ thể thực hiện: các nhà thiết kế và đóng tàu.

  2. Tăng cường sử dụng phần mềm mô phỏng số trong thiết kế tàu để đánh giá chính xác sức cản và tối ưu hóa hình dạng thân tàu trước khi đóng mới, áp dụng ngay trong các dự án thiết kế hiện tại. Chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp đóng tàu.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ kỹ sư đóng tàu về công nghệ tàu Swath và mô phỏng thủy lực, nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cao của công nghệ đóng tàu Swath. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: các trường đại học và trung tâm đào tạo.

  4. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và vận hành đến sức cản tàu Swath, đặc biệt trong điều kiện sóng gió phức tạp tại vùng biển Việt Nam, nhằm hoàn thiện thiết kế và vận hành hiệu quả. Chủ thể: các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý biển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà thiết kế và kỹ sư đóng tàu: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và phương pháp tính toán sức cản, giúp họ lựa chọn hình dạng thân tàu tối ưu, giảm chi phí vận hành.

  2. Doanh nghiệp đóng tàu và vận tải biển: Tham khảo để áp dụng công nghệ tàu Swath hiệu quả, nâng cao năng lực cạnh tranh và giảm chi phí nhiên liệu.

  3. Viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành kỹ thuật máy thủy khí: Là tài liệu tham khảo khoa học, hỗ trợ nghiên cứu sâu hơn về thủy lực tàu và mô phỏng số.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách phát triển kinh tế biển: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển ngành đóng tàu và vận tải biển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tàu Swath khác gì so với tàu catamaran thông thường?
    Tàu Swath có diện tích đường nước rất nhỏ, phần thân chính chìm sâu dưới nước và chỉ có hai trụ nối tiếp xúc mặt nước, giúp giảm sức cản sóng và tăng ổn định hơn so với catamaran có thân nổi trên mặt nước.

  2. Phương pháp mô phỏng số có ưu điểm gì trong nghiên cứu sức cản tàu?
    Mô phỏng số cho phép phân tích chi tiết dòng chảy quanh thân tàu, dự đoán sức cản chính xác, tiết kiệm chi phí và thời gian so với thử nghiệm mô hình vật lý trong bể thử.

  3. Hình dạng thân tàu nào có sức cản thấp nhất trong nghiên cứu này?
    Hình dạng thân tròn đều cho thấy sức cản thấp nhất, giảm khoảng 10% so với hình dạng chân voi, nhờ tối ưu hóa dòng chảy và giảm diện tích mặt ướt.

  4. Sức cản nhớt và sức cản sóng chiếm tỷ lệ bao nhiêu trong tổng sức cản?
    Sức cản nhớt chiếm khoảng 60-65%, còn sức cản sóng chiếm khoảng 30-35% tổng sức cản, tùy thuộc vào hình dạng thân tàu và vận tốc.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho tàu Swath ở Việt Nam như thế nào?
    Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế và đóng mới tàu Swath phù hợp với điều kiện biển Việt Nam, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và phát triển kinh tế biển bền vững.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng rõ rệt của hình dạng thân tàu Swath đến sức cản tổng thể, trong đó thân tròn đều có sức cản thấp nhất.
  • Kết quả mô phỏng số và tính toán lý thuyết tương đồng, chứng minh độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu.
  • Việc giảm sức cản tàu Swath góp phần tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải và tăng hiệu quả kinh tế vận hành.
  • Đề xuất áp dụng thiết kế thân tròn đều và tăng cường sử dụng mô phỏng số trong thiết kế tàu Swath tại Việt Nam.
  • Các bước tiếp theo bao gồm đào tạo kỹ thuật, nghiên cứu mở rộng về điều kiện môi trường và vận hành thực tế, nhằm hoàn thiện công nghệ đóng tàu Swath trong nước.

Hành động ngay hôm nay để thúc đẩy phát triển công nghệ tàu Swath, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế biển bền vững.