MỞ ĐẦU Sử dụng cánh ngầm trong thiết kế tàu là đề tài đã được nhiều nhà nghiên cứu thiết kế trên thế giới quan tâm thực hiện. Với những mục đích riêng, cánh được bố trí trên tàu có thể được thiết kế theo những hình dáng, sử dụng biên dạng khí động học khác nhau. Tuy nhiên việc thiết kế, bố trí cánh trên tàu chủ yếu nhằm các mục đích chính như: tạo lực nâng cho tàu, giảm chiều chìm của tàu, giúp giảm diện tích ướt thân tàu, giảm lực cản và tăng tính cân bằng ổn định cho tàu. Đối với những loại tàu lướt như tàu cao tốc, tàu cánh ngầm, việc thiết kế cánh ngầm nhằm tạo ra lực nâng đủ lớn để tàu có thể nổi hoàn toàn trên mặt nước trong chế độ khai thác lướt của tàu.
Đối với một số loại tàu cao tốc hay tàu khách thông thường khác, việc bố trí cánh ngầm trên tàu ngoài mục đích giúp tạo lực nâng để giảm chiều chìm và giảm diện tích ướt cho tàu, còn có mục đích giảm lắc, nâng cao tính cân bằng ổn định động trong quá trình hành hải của tàu. [1] Tổng hợp những nghiên cứu tiêu biểu gần đây liên quan đến đặc tính thủy động lực học cánh ngầm và thiết kế cánh ngầm trên tàu thủy cho thấy việc thiết kế cánh ngầm có thể mang lại hiệu quả về đặc tính thủy động lực học cho tàu, biên dạng cánh phải được thực hiện tính thiết kế tương ứng với dải tốc độ hoạt động thích hợp của loại tàu cần thiết kế. Dải tốc độ khảo sát thường được chọn thích hợp với loại tàu như: với tàu thông thường dải tốc độ tương ứng với Fn<1.5; với tàu cao tốc dải tốc độ tương ứng 1.5; ở chế độ bán lướt thường 2.0 và ở chế độ lướt thì Fn>4. Trên cơ sở đó biên dạng cánh và trạng thái sử dụng của cánh được thiết kế tương ứng với tàu.
[2] Trong nghiên cứu này, thông qua sử dụng công cụ mô phỏng số STAR- CCM+, các đặc tính thủy động lực học của một dạng cánh ngầm đề xuất ứng dụng trên tàu khách hai thân được khảo sát cụ thể trong các trường hợp khác nhau. Kết quả thu được sẽ là cơ sở cần thiết cho việc tính toán thiết kế và ứng dụng dạng cánh này cho các tàu chở khách hai thân liên quan. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Ở các vùng biển Việt Nam hiện nay, các loại tàu cao tốc được đưa vào khai thác khá rộng rãi, trong đó có loại tàu hai thân cao tốc. Loại tàu này có ưu điểm nổi bật với sức cản thân tàu nhỏ, độ ổn định cao, giảm lắc, không gian trên boong chính rộng giúp tăng hiệu suất sử dụng và giảm chi phí khai thác.
Bên cạnh đó, tàu được chế tạo bằng vật liệu hợp kim nhôm, sợi tổng hợp giúp thân tàu nhẹ hơn, từ đó tăng tính cơ động của tàu.1 Tàu 2 thân ở vùng biển Việt Nam hiện nay Trong các loại tàu cao tốc, tàu cánh ngầm là loại có tỷ số lực nâng trên lực cản cao. Sau thế kỷ XX, tàu cánh ngầm được thiết kế, chế tạo và đưa vào khai thác phục vụ du lịch một cách rộng rãi. Ngày nay, các loại tàu cao tốc cánh ngầm dần bị thay thế bởi các tàu hai thân với nhiều ưu điểm vượt trội, thu hút khách du lịch trải nghiệm, giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng, đặc biệt là đối với tàu cỡ lớn.2 Tàu cánh ngầm 1 Trong quá trình phát triển của loại tàu hai thân, việc trang bị thêm cánh ngầm cho các tàu đang khai thác và đóng mới là vấn đề mà các nhà thiết kế và chủ tàu đặc biệt quan tâm. Bởi cánh ngầm giúp tăng đáng kể vận tốc, làm êm chuyển động của tàu từ đó tăng hiệu suất trong quá trình khai thác.
Trên thế giới đã có một vài nghiên cứu mô phỏng số cho cánh ngầm được lắp hỗ trợ cho tàu hai thân nhằm đánh giá các đặc tính thủy động lực học của cánh [1]. Riêng đối với trong nước, chưa có bài báo khoa học nào nghiên cứu về vấn đề này. Tàu hai thân được sử dụng trong nghiên cứu cánh ngầm là tàu khách hai thân Catamaran PHU QUOC EXPRESS 18 đã được đưa vào khai thác tại Việt Nam. Tàu được chế tạo bằng hợp kim nhôm, lắp 02 máy diesel lai 02 hệ trục chân vịt.3 Tàu PHU QUOC EXPRESS 18 1.2 Đặt vấn đề bài toán và tính thực tiễn Mỗi con tàu hai thân đang khai thác hoặc đóng mới đều có một vận tốc khai thác lớn nhất trong trường hợp tàu toàn tải và cũng là yếu tố có mối quan hệ với lực cản và chiều chìm.
Đó là những vấn đề mà các nhà thiết kế đặc biệt quan tâm trong quá trình cách tân, phát triển dòng tàu hai thân cao tốc. Đối với các chủ tàu, yêu cầu đưa ra chủ yếu là làm thế nào để tăng vận tốc khai thác, giảm thời gian hành trình, tiết kiệm chi phí vận hành. Từ những yêu cầu đó, bài toán đặt ra cho các nhà thiết kế là tìm ra giải pháp tối ưu vừa giải quyết được vấn đề chủ tàu đưa ra, vừa tiết kiệm phí cải tiến và chế tạo. Một trong những giải pháp hiệu quả là lắp thêm cánh ngầm để tăng lực nâng giúp giảm chiều chìm từ đó giảm sức cản cho tàu.
Tàu hai thân PHU QUOC EXPRESS 18 là tàu khách hai thân được kỹ sư Việt Nam thiết kế, được đóng tại nhà máy Z189 và đưa vào vận hành khai thác tại các vùng biển du lịch nổi tiếng trong nước ta. Để đáp ứng yêu cầu của chủ tàu là tăng vận tốc khai thác, tàu được lên phương án lắp thêm 02 cánh ngầm phía mũi và phía đuôi tại cầu dẫn nối hai thân. Đặc điểm của cánh ngầm thiết kế có biên 2 dạng Naca 4412, kết cấu bao gồm cánh và càng cánh được hàn cố định với xà ngang khỏe của cầu dẫn trên thân tàu.4 Tàu 2 thân Catamaran lắp thêm cánh ngầm 1.3 Phương pháp nghiên cứu, mục đích nghiên cứu và nội dung luận văn Nghiên cứu lý thuyết kết hợp sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số là phương pháp được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng. Phương pháp này giúp cho các nhà thiết kế tối ưu hóa những thiết kế của mình.
Đối với ngành công nghiệp hàng hải, mô phỏng số còn được coi như một phương pháp để nhận biết những điều kiện làm việc xấu có thể xảy trong quá trình khai thác và vận hành những con tàu. Nhờ đó có thể dự đoán và đưa ra được những giải pháp khắc phục để tránh gây tổn thất về người và tài sản. Trong luận văn này, phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng số được sử dụng để phân tính đặc tính thủy động lực học của cánh ngầm thiết kế cho tàu hai thân, xem xét ảnh hưởng điều kiện làm việc của cánh ngầm tới đặc tính thủy động lực học thân tàu. Áp dụng thiết kế cánh ngầm cho một con tàu đang được khai thác là tàu khách hai thân cao tốc PHU QUOC EXPRESS 18 với vận tốc khai thác 30 hl/h.
Yêu cầu của bài toán cần giải quyết là xác định các thành phần lực thủy động gồm lực nâng, 3 lực cản tác động lên cánh ngầm và phân tích ảnh hưởng của cánh ngầm đến sự thay đổi chiều chìm và lực cản tác động lên thân tàu nhằm phục vụ cho quá trình tính toán ổn định bổ sung cho tàu cánh ngầm, tính toán kết cấu cánh và kiểm bền cánh. Từ yêu cầu trên, thực hiện quá trình mô phỏng để khảo sát tương tác, độ ổn định của cánh ngầm và thân tàu tại các vận tốc khác nhau trong dải vận tốc khai thác của tàu. Nội dung chính của luận văn gồm các chương cụ thể như sau: − Chương 1: Tổng quan nghiên cứu − Chương 2: Mô phỏng số đặc tính thủy động lực học cánh ngầm − Chương 3: Mô phỏng đặc tính thủy động lực học thân tàu không lắp cánh ngầm − Chương 4: Mô phỏng đặc tính thủy động lực học cánh ngầm lắp với thân tàu − Chương 5: Tổng hợp và đánh giá kết quả − Chương 6: Kết luận 4 CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG SỐ ĐẶC TÍNH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CÁNH NGẦM 2.1 Mô hình nghiên cứu Trong phần này, mô hình cánh độc lập được thực hiện tính toán mô phỏng số để đưa ra các đặc tính thủy động lực học của cánh 3D trong trường hợp không gắn với thân tàu.
Cánh ngầm thiết kế có biên dạng cánh Naca 4412 [3] với các thông số từ nghiên cứu thực nghiệm thể hiện trong bảng: Bng 2.1 Dữ liệu của mẫu cánh Naca 4412 NACA 4412 - Re = 50000 STT α CL CD 1 3 0.054 Lựa chọn kích thước vùng không gian bao quanh cánh cần đảm bảo điều kiện đủ lớn dể không ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả tính toán. Từ yêu cầu trên, lựa chọn kích thước miền không gian tính toán mô phỏng như hình: Hình 2.1 Kích thước miền không gian bao quanh cánh Trong đó: Lm = 1 (m) là chiều dài dây cung của profin cánh 5 Hình 2.2 Miền không gian 3D bao quanh cánh Thông số kích thước miền không gian đã chọn: − Chiều dài: L S = 16 m − Chiều rộng: BS = 11 m − Chiều cao: HS = 7 m 2.2 Cơ sở lý thuyết và điều kiện tính toán 2.1 Cơ sở lý thuyết Tính toán lực nâng và lực cản của cánh độc lập theo các hệ số thực nghiệm.3 Cơ sở lý thuyết cánh ngầm 6 Khi cánh ngầm nghiêng một góc α so với phương của dòng chảy, trên cánh sẽ xuất hiện hợp lực thủy động F đặt tại một điểm gọi là tâm áp lực của cánh ngầm [4]. Lực F bao gồm các thành phần lực như: lực nâng F L vuông góc mới phương dòng chảy, lực cản F D song song với phương dòng chảy Lực nâng, lực cản do cánh tạo nên xác định theo công thức: PT 2.2 Trong đó: FL là lực nâng (kN); FD là lực cản (kN); CL là hệ số lực nâng; CD là hệ số lực cản; ρ là mật độ nước (kg/m3 ); v là vận tốc của dòng chảy hay vận tốc tàu (m/s); S là diện tích mặt dưới của cánh (m2). Cánh ngầm thiết kế có góc đặt cánh 4 độ và S = 1.74 (m2), tra hệ số lực nâng trong bảng trên và áp dụng công thức để tính toán lực nâng của cánh theo bảng: Bng 2.2 Tính lực nâng, lực cn cánh theo công thức lý thuyết v v STT Re CL CD F L (kN) F D (kN) (Knot) (m/s) 1 25.34 Trong đó: Re là số Reynolds 2.