Tổng quan nghiên cứu

Với diện tích biển khoảng 361 triệu km² chiếm gần 71% bề mặt Trái Đất, đại dương là nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú và là lĩnh vực nghiên cứu thu hút sự quan tâm lớn trên thế giới. Việc khảo sát, khai thác và bảo vệ tài nguyên biển đòi hỏi các thiết bị lặn tự hành có khả năng hoạt động an toàn và hiệu quả trong môi trường nước sâu. Trong đó, tàu lặn tự hành không người lái (Autonomous Underwater Vehicle - AUV) là công nghệ tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong khảo sát biển, nghiên cứu khoa học, quân sự và cứu hộ cứu nạn.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo tàu lặn tự hành loại nhỏ, kết hợp giữa AUV truyền thống và Underwater Glider nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai loại. Mục tiêu chính là thiết kế thân tàu, lựa chọn biên dạng phù hợp, tính toán chiều dày vỏ tàu đảm bảo an toàn ở độ sâu 50m, đồng thời mô phỏng thủy lực bằng phương pháp CFD để đánh giá lực nâng, lực cản và mô men tác động trong các trạng thái vận hành khác nhau. Nghiên cứu cũng tiến hành kiểm tra tính ổn định và biến dạng thân tàu qua các thí nghiệm chuyên dụng.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 9/2020 đến tháng 6/2021. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển nền tảng thiết kế AUV trong nước, giảm chi phí nhập khẩu thiết bị, đồng thời nâng cao hiệu quả khai thác tài nguyên biển và phục vụ các nhiệm vụ an ninh quốc phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Nguyên lý thủy lực tàu lặn: Bao gồm lực trọng lực, lực đẩy Archimedes, nguyên lý cân bằng tàu và các trạng thái chuyển động tự do trong không gian 6 bậc tự do (định vị theo trục Ox, Oy, Oz và quay quanh các trục roll, pitch, yaw).

  • Mô hình biên dạng Myring: Biên dạng thân tàu được thiết kế dựa trên mô hình Myring với các tham số chiều dài, chiều rộng, độ cong biên dạng được lựa chọn tối ưu nhằm giảm lực cản và tăng tính ổn định.

  • Mô hình thủy lực CFD (Computational Fluid Dynamics): Sử dụng phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS) với mô hình turbulence realizable k-ε kết hợp hàm tường tiêu chuẩn để mô phỏng dòng chảy quanh thân tàu, tính toán lực nâng, lực cản và mô men thủy lực.

  • Tiêu chuẩn ITTC 1957: Áp dụng để kiểm tra biên dạng và tính ổn định của tàu khi di chuyển thẳng, đảm bảo các thông số thủy lực phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các mô hình AUV hiện có trên thế giới như Remus 6000, Autosub 6000 và Slocum Glider G3, kết hợp với số liệu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm thiết kế và gia công tàu lặn TP. Hồ Chí Minh.

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm NX12, mô phỏng thủy lực bằng phần mềm Ansys Fluent 2020R1 với mô hình turbulence realizable k-ε. Các mô hình được chia lưới đa lớp với chi tiết cao vùng lân cận thân tàu để đảm bảo độ chính xác.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình tàu lặn có kích thước chiều dài tổng 2560 mm, đường kính thân 250 mm, được mô phỏng trong các trạng thái vận hành khác nhau gồm di chuyển thẳng, di chuyển với góc pitch 6 độ, góc yaw 6 độ và di chuyển theo đường cong bán kính 3-5 m.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 9/2020 đến tháng 6/2021, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, kiểm tra tiêu chuẩn và thí nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế biên dạng và chiều dày vỏ tàu:

    • Biên dạng Myring với tham số n=2 và α=200 được lựa chọn tối ưu, giúp giảm lực cản thủy lực xuống khoảng 15% so với các biên dạng khác.
    • Chiều dày vỏ tàu được tính toán là 0.89 mm, đảm bảo chịu được áp suất nước ở độ sâu 50 m với áp suất làm việc 5 bar.

  2. Mô phỏng thủy lực CFD:

    • Lực nâng và lực cản được mô phỏng trong các trạng thái vận hành khác nhau, với vận tốc tối đa 3 knot (1.54 m/s).
    • Khi tàu di chuyển thẳng với góc pitch 6 độ, lực cản tăng khoảng 12% so với trạng thái di chuyển thẳng không góc.
    • Khi di chuyển theo đường cong bán kính 3 m, mô men thủy lực tăng lên 20%, ảnh hưởng đến tính ổn định và khả năng điều khiển.

  3. Kiểm tra tính ổn định theo tiêu chuẩn ITTC 1957:

    • Tàu đạt trạng thái cân bằng ổn định khi trọng tâm G nằm trên trục thẳng với tâm nổi B, khoảng cách giữa hai tâm càng lớn thì tính ổn định càng cao.
    • Mô phỏng CFD cho thấy đường cong lực cản và lực nâng phù hợp với đường cong chuẩn ITTC, sai số dưới 5%, đảm bảo tính chính xác của mô hình.

  4. Thí nghiệm kiểm tra biến dạng và chức năng:

    • Thí nghiệm áp suất tại độ sâu 50 m cho thấy thân tàu chịu được áp lực mà không có biến dạng vượt mức cho phép.
    • Các bộ phận như bánh lái, hệ thống làm kín piston hoạt động ổn định, đảm bảo khả năng vận hành lâu dài.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy thiết kế kết hợp giữa AUV truyền thống và Underwater Glider mang lại hiệu quả cao trong việc giảm lực cản và tăng tính ổn định khi vận hành. Việc lựa chọn biên dạng Myring với các tham số tối ưu giúp giảm thiểu tổn thất thủy lực, đồng thời chiều dày vỏ tàu đảm bảo an toàn khi hoạt động ở độ sâu 50 m.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả lực cản và mô men thủy lực tương đương hoặc tốt hơn các mẫu AUV cùng kích thước, chứng tỏ tính khả thi của thiết kế. Việc áp dụng mô hình turbulence realizable k-ε trong CFD giúp mô phỏng chính xác dòng chảy phức tạp quanh thân tàu, hỗ trợ hiệu quả cho quá trình thiết kế và tối ưu.

Các thí nghiệm thực tế khẳng định độ bền và tính ổn định của tàu, đồng thời kiểm tra hiệu quả của hệ thống làm kín và điều khiển bánh lái. Dữ liệu thu thập có thể được trình bày qua biểu đồ lực nâng, lực cản theo vận tốc và góc nghiêng, bảng so sánh các thông số kỹ thuật với tiêu chuẩn ITTC 1957 để minh họa rõ ràng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế biên dạng thân tàu

    • Áp dụng các thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu để giảm lực cản thêm 10% trong vòng 12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu thiết kế tàu và phòng thí nghiệm CFD.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển và làm kín

    • Cải tiến hệ thống piston và bánh lái nhằm tăng độ bền và giảm tiêu hao năng lượng trong 6 tháng tới.
    • Chủ thể thực hiện: Bộ phận kỹ thuật chế tạo và bảo trì.

  3. Mở rộng phạm vi thử nghiệm thực tế

    • Thực hiện các chuyến thử nghiệm ngoài biển với độ sâu lên đến 100 m để đánh giá hiệu suất vận hành trong môi trường thực tế trong 18 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Trung tâm nghiên cứu và đối tác hải quân.

  4. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp

    • Xây dựng phần mềm mô phỏng tích hợp các yếu tố thủy lực, cơ khí và điều khiển để hỗ trợ thiết kế và vận hành AUV trong 24 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Nhóm phát triển phần mềm và kỹ sư thủy lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hàng hải, cơ khí thủy lực

    • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm AUV, áp dụng vào nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

  2. Các công ty chế tạo thiết bị hàng hải và robot dưới nước

    • Lợi ích: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, giảm chi phí và nâng cao hiệu suất thiết bị.

  3. Cơ quan quản lý và phát triển công nghệ quốc phòng, an ninh biển

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ AUV nội địa, phục vụ cho các nhiệm vụ giám sát, bảo vệ chủ quyền biển đảo.

  4. Các tổ chức nghiên cứu và ứng dụng công nghệ môi trường biển

    • Lợi ích: Sử dụng AUV để khảo sát môi trường, thu thập dữ liệu phục vụ bảo tồn và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. AUV là gì và có những loại nào phổ biến?
    AUV (Autonomous Underwater Vehicle) là tàu lặn tự hành không người lái, có thể hoạt động độc lập dưới nước. Hai loại phổ biến là AUV truyền thống sử dụng chân vịt và Underwater Glider sử dụng thay đổi trọng lượng để di chuyển lâu dài trên phạm vi rộng.

  2. Tại sao phải kết hợp AUV truyền thống và Glider trong thiết kế?
    Kết hợp giúp tận dụng ưu điểm của cả hai: AUV truyền thống linh hoạt di chuyển nhanh, Glider tiết kiệm năng lượng và hoạt động lâu dài, phù hợp với nhiều nhiệm vụ khảo sát khác nhau.

  3. Phương pháp CFD được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    CFD mô phỏng dòng chảy quanh thân tàu bằng phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds với mô hình turbulence realizable k-ε, giúp tính toán lực nâng, lực cản và mô men thủy lực chính xác.

  4. Tiêu chuẩn ITTC 1957 có vai trò gì trong nghiên cứu?
    Tiêu chuẩn này dùng để kiểm tra biên dạng và tính ổn định của tàu khi di chuyển thẳng, đảm bảo thiết kế đáp ứng yêu cầu kỹ thuật quốc tế về thủy lực và an toàn.

  5. Các thí nghiệm kiểm tra biến dạng thân tàu được thực hiện ra sao?
    Thí nghiệm sử dụng thiết bị kiểm tra áp suất chuyên dụng mô phỏng điều kiện nước sâu 50 m, đo biến dạng và kiểm tra chức năng các bộ phận như bánh lái, hệ thống làm kín piston để đảm bảo độ bền và hiệu quả vận hành.

Kết luận

  • Thiết kế tàu lặn tự hành kết hợp AUV truyền thống và Underwater Glider đáp ứng được yêu cầu vận hành linh hoạt và tiết kiệm năng lượng.
  • Mô hình biên dạng Myring với tham số tối ưu giúp giảm lực cản thủy lực và tăng tính ổn định.
  • Mô phỏng CFD chính xác đánh giá được lực nâng, lực cản và mô men trong các trạng thái vận hành khác nhau.
  • Kiểm tra theo tiêu chuẩn ITTC 1957 và thí nghiệm thực tế khẳng định tính ổn định và độ bền của tàu ở độ sâu 50 m.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa thiết kế, nâng cấp hệ thống điều khiển và mở rộng thử nghiệm thực tế nhằm phát triển AUV nội địa hiệu quả hơn trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm AUV phù hợp với nhu cầu trong nước và quốc tế.