Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Huỳnh Văn Chính, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Gia Thái và TS. Bùi Hồng Dương, bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh năm 2022 thuộc ngành Kỹ thuật cơ khí động lực (mã số 9520116).
Về tính cấp thiết, việc trang bị mũi quả lê cho tàu thủy là giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện tương tác sóng, giảm sức cản tổng và nâng cao hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu. Đối với tàu cá, mũi quả lê còn hỗ trợ cải thiện độ chúi dọc và tính ổn định lắc dọc khi hoạt động trên biển. Tuy nhiên, nếu hình dạng và vị trí của mũi quả lê không phù hợp, sự giao thoa sóng giữa thân tàu và quả lê có thể tạo ra tác động tiêu cực, làm tăng đáng kể sức cản tổng của tàu. Trong thực tiễn tại Việt Nam, triển khai Nghị định 67/2014/NĐ-CP đã thúc đẩy việc đóng mới nhiều tàu cá vỏ thép dưới 30 m, song đa số được thiết kế dạng mũi thẳng truyền thống do thiếu điều kiện thử nghiệm mô hình trong bể thử và thiếu dữ liệu tính toán cho mũi quả lê. Cùng với định hướng phát triển đội tàu cá vỏ thép hiện đại có chiều dài trên 40 m phục vụ khai thác xa bờ, việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp động lực học lưu chất tính toán (CFD) để thiết kế và tối ưu hóa mũi quả lê là yêu cầu cần thiết.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra bao gồm:
- Các công trình tối ưu hóa mũi quả lê bằng CFD trên thế giới chủ yếu tập trung vào tàu hàng có tỷ số chiều dài trên chiều rộng (L/B) lớn hơn 6,0, thân ống dài và hoạt động ở một mớn nước thiết kế cố định, rất ít nghiên cứu dành cho tàu cá có thân béo, thân ống ngắn và chế độ khai thác thay đổi liên tục.
- Phương pháp thiết kế mũi quả lê truyền thống bằng đồ thị Kracht (1978) bị giới hạn trong phạm vi hệ số béo thể tích $C_B \in [0{,}56; 0{,}82]$, không áp dụng trực tiếp được cho các mẫu tàu có $C_B$ nhỏ hơn $0{,}56$ (như tàu cá FAO 75 có $C_B = 0{,}524$), đồng thời đồ thị Kracht không đưa ra giải pháp hình học để nối ghép trơn phần quả lê vào thân tàu.
- Các nghiên cứu tối ưu hóa mũi quả lê hiện hành chủ yếu sử dụng hàm đơn mục tiêu về sức cản ở một tốc độ duy nhất, không phản ánh chính xác các chế độ hoạt động đặc thù của tàu đánh cá (chạy hành trình, chạy dắt lưới, kéo và thả lưới).
Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm mục tiêu chung là ứng dụng phương pháp CFD trong việc tối ưu hóa hình dạng mũi quả lê nhằm đạt độ giảm sức cản tổng lớn nhất, đồng thời thỏa mãn các điều kiện ràng buộc về hình học và tính năng hàng hải. Mục tiêu cụ thể được đánh số theo văn bản:
- Phân tích các tài liệu và công trình nghiên cứu có liên quan đến phương pháp CFD và ứng dụng trong tính sức cản tàu cùng tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê nhằm xây dựng hướng nghiên cứu và cơ sở phương pháp luận.
- Ứng dụng CFD tính sức cản của tàu nghiên cứu với độ chính xác mong đợi để làm cơ sở giải quyết bài toán tối ưu hóa quả lê theo hàm mục tiêu sức cản.
- Xây dựng phương pháp tối ưu hình dạng mũi quả lê phù hợp với tàu nghiên cứu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Các mẫu tàu đánh cá vỏ thép cỡ vừa và nhỏ FAO 72 và FAO 75 thuộc Tổ chức Nông Lương Liên Hiệp Quốc (FAO) đã có sẵn đầy đủ dữ liệu đo đạc sức cản thực nghiệm tại các bể thử NPL (Vương quốc Anh) và SSPA (Thụy Điển).
- Phạm vi nghiên cứu: Mô phỏng tàu làm việc ở chế độ bơi theo định luật Archimede, chuyển động thẳng đều trong môi trường nước tĩnh, không chịu tác động của sóng biển và sức cản không khí, độ sâu nước vô hạn; môi trường lưu chất là đồng chất, có tính nhớt và không nén được; sử dụng số liệu thử nghiệm mô hình trong bể thử làm chuẩn đối sánh để hiệu chỉnh tham số mô phỏng CFD với mức sai số cho phép dưới 5%.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan lịch sử cho thấy mũi quả lê xuất hiện từ đầu thế kỷ XX (D. Taylor đưa vào thiết kế tàu USS Delaware năm 1910; các tàu khách Bremen, Europa năm 1920; tàu Normandie năm 1935; tàu Yamashiro Maru năm 1963). Tác giả phân chia các công trình nghiên cứu liên quan thành hai nhóm chính:
- Nhóm công trình nghiên cứu truyền thống (thực nghiệm bể thử):
- Các nghiên cứu dạng mũi hình trụ tròn (kiểu C của Đại học Michigan) và kiểu bóng đèn tròn (3A, 3B, 3C).
- Công trình của T. Inui (1962) về "dạng tàu không sóng" (waveless form), ứng dụng phân bố các điểm kỳ dị toán học (singularities) gồm các nguồn âm - dương để triệt tiêu sóng mũi và sóng lái, thử nghiệm trên các tàu Murasaki và Kurenai Maru (Nhật Bản) giúp giảm 13,1% công suất máy chính ở tốc độ 18,5 hải lý/giờ.
- Công trình của M. Kracht (1978): Phân tích thống kê kết quả thử nghiệm mô hình hàng loạt tàu có mũi quả lê để thiết lập hệ thống đồ thị thiết kế quả lê chuẩn cho tàu có hệ số béo $C_B \in [0{,}56; 0{,}82]$.
- Nhóm công trình nghiên cứu hiện đại (ứng dụng CFD và tối ưu hóa):
- Phương pháp tối ưu theo phương án: Công trình của Grzegorz Filip và cộng sự (Đại học Michigan và Đăng kiểm ABS, 2014) thực hiện tối ưu hóa quả lê cho tàu container KCS của Viện KRISO (Hàn Quốc). Nhóm tác giả khảo sát 9 phương án thay đổi chiều cao $H$ và chiều rộng $C$, sử dụng OpenFOAM với mô hình rối $SST\ k-\omega$ và mô hình thay thế Kriging để lập bề mặt đáp ứng (Response Surface Method - RSM).
- Phương pháp tối ưu tham số: Công trình của Weilin Luo và Linqiang Lan (Đại học Phúc Châu, Trung Quốc) sử dụng phần mềm CAESES và ShipFlow tối ưu hóa quả lê cho tàu Ro-Ro ($L = 165{,}7\text{ m}$, $C_B = 0{,}65$, $Fn = 0{,}28$) thông qua các đường cong tham số B-Spline và mặt NURBS với 8 biến thiết kế ($D_{cf}, H_f, F_{tl}, C_{ftl}, F_{ll}, C_{fll}, F_{hb}, B_h$), giúp giảm hệ số sức cản sóng $C_W$ từ 0,00142 xuống 0,00122 (giảm 14,08%).
- Nghiên cứu tối ưu hóa mũi quả lê cho tàu Series 60 ($L_{pp} = 7{,}37\text{ m}, \nabla = 1{,}462\text{ m}^3, C_B = 0{,}60, Fn = 0{,}316$) công bố trên Journal of Marine Science and Application (2012) kết hợp giải thuật di truyền GA (Genetic Algorithm) trong MATLAB và mô phỏng CFD.
- Nghiên cứu tối ưu hóa trên 4 mẫu thân tàu thuộc tổ chức JHSS (Joint High Speed Sealift: ST, EB, GB, BB có $L_{pp} = 289{,}79\text{ m}$, lượng chiếm nước 37.074 tấn) ứng dụng hàm cơ sở xuyên tâm RBF (Radial Basis Function).
- Các nghiên cứu trong nước: Nhóm tác giả Viện Cơ khí động lực (Đại học Bách Khoa Hà Nội) tính sức cản sóng bằng phương pháp điểm kỳ dị 6 bậc tự do cho tàu Wigley; các nghiên cứu tại Đại học Hàng hải Việt Nam và Đại học Giao thông vận tải TP.HCM về tương tác dòng chảy chân vịt - bánh lái; nghiên cứu của Lê Văn Toàn (Đại học Nha Trang) dùng OpenFOAM tính sức cản tàu cá vỏ gỗ và phương pháp Lackenby biến đổi LCB; công trình của PGS.TS Đỗ Quang Khải (Đại học Hàng hải Việt Nam / Đại học Liège) thiết lập các hàm đa thức phân đoạn biểu diễn đường nước và hình dáng mũi quả lê ($H_B, L_B, L_{DWLF}$).
Vị trí của luận án: Luận án chọn giải quyết khoảng trống về việc hoàn thiện phương pháp đồ thị Kracht mở rộng ra ngoài dải biên chuẩn ($C_B = 0{,}524 < 0{,}56$), kết hợp kỹ thuật ghép nối trơn bề mặt quả lê vào thân tàu bằng phần mềm AutoShip, đồng thời xây dựng mô hình toán tối ưu hóa đa mục tiêu phù hợp với đặc thù vận hành của tàu cá dựa trên sự kết hợp giữa phần mềm mô phỏng CFD (XFlow) và mô hình thay thế toán học.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án xây dựng trên các nền tảng lý thuyết và công cụ phương pháp luận sau:
- Cơ sở lý thuyết động lực học lưu chất (CFD):
- Sử dụng hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANSE) cho dòng lưu chất nhớt, không nén được, biểu diễn phân tách biến thành phần trung bình và biến động:
$$\bar{\phi}(x,t) = \frac{1}{T}\int_t^{t+T} \phi(x,t)dt, \quad \phi'(x,t) = \phi(x,t) - \bar{\phi}(x,t)$$
- Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) rời rạc hóa miền tính toán.
- Mô hình rối chuyển vị ứng suất cắt $SST\ k-\omega$ (Shear Stress Transport) kết hợp ưu điểm của mô hình $k-\omega$ ở vùng sát biên vỏ tàu và mô hình $k-\epsilon$ ở vùng dòng chảy xa biên.
- Lý thuyết sức cản tàu thủy:
- Sức cản tổng $R_T$ được phân tích theo quan điểm thủy động lực học:
$$R_T = R_F + R_{PV} + R_{WM} + R_{WB} = R_V + R_W$$
trong đó $R_F$ là sức cản ma sát, $R_{PV}$ là sức cản áp suất nhớt, $R_{WM}$ là sức cản sinh sóng, $R_{WB}$ là sức cản bẻ gãy sóng, $R_V$ là sức cản nhớt, và $R_W$ là sức cản sóng.
- Phương pháp thiết kế hình học và tích hợp bề mặt:
- Hệ thống tham số hình học mũi quả lê của Kracht: hệ số chiều dài $C_{LPR} = L_{PR} / L_{pp}$, hệ số chiều rộng $C_{BB} = B_B / B$, hệ số chiều cao $C_{ZB} = Z_B / T$, hệ số diện tích mặt cắt ngang $C_{ABT} = A_{BT} / A_{MS}$, hệ số diện tích cạnh bên $C_{ABL} = A_{BL} / (L_{pp} \cdot T)$, hệ số thể tích $C_{PR} = V_{PR} / \nabla$.
- Sử dụng phần mềm AutoShip để xây dựng mô hình 3D vỏ tàu dạng mặt NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines), xử lý ghép nối tiếp tuyến trơn liên tục giữa quả lê và phần thân tàu mẫu.
- Phương pháp tối ưu hóa và mô hình thay thế (Surrogate Model):
- Xây dựng bài toán tối ưu đa mục tiêu dựa trên hàm giảm công suất có ích $P_e$ tại các chế độ khai thác khác nhau với các trọng số $w_i$.
- Ứng dụng kỹ thuật bề mặt đáp ứng (RSM) và mô hình Kriging/đa thức để xấp xỉ hàm mục tiêu từ lưới phương án tính toán hữu hạn, giảm thiểu số lần chạy mô phỏng CFD trực tiếp.
- Dữ liệu thực nghiệm đối chứng:
- Số liệu thử nghiệm kéo mô hình của hai mẫu tàu cá vỏ thép FAO 72 và FAO 75 thu thập từ các báo cáo thử nghiệm của FAO tại bể thử NPL và SSPA.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan
Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển của mũi tàu quả lê và tổng thuật toàn diện các hướng tiếp cận nghiên cứu từ thực nghiệm truyền thống đến mô phỏng số hiện đại. Tác giả phân tích cơ chế vật lý của hiện tượng giao thoa sóng: mũi quả lê tạo ra hệ thống sóng phụ lệch pha với hệ thống sóng mũi của thân tàu, tạo giao thoa ngược pha giúp triệt tiêu sóng mũi và làm giảm thành phần sức cản sinh sóng $R_{WM}$ và sức cản bẻ gãy sóng $R_{WB}$. Tuy nhiên, mũi quả lê làm tăng diện tích mặt ướt $S$, dẫn đến tăng sức cản ma sát $R_F$. Do đó, hiệu quả giảm sức cản tổng $R_T$ chỉ đạt được khi phần suy giảm sức cản sóng lớn hơn phần gia tăng sức cản ma sát.
Chương này phân tích chi tiết các công trình tiêu biểu trên thế giới: công trình của Kracht (1978) với tập hợp đồ thị thiết kế thực nghiệm; công trình tối ưu hóa tàu container KCS của Grzegorz Filip (2014); công trình tối ưu tham số tàu Ro-Ro của Weilin Luo và Linqiang Lan; các nghiên cứu tối ưu hóa giải thuật di truyền GA trên tàu Series 60; và nghiên cứu hình học quả lê trên nhóm tàu JHSS bằng phương pháp RBF. Tác giả cũng tổng hợp các nghiên cứu trong nước của Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Hàng hải Việt Nam và Đại học Nha Trang. Từ đó, chương 1 xác lập luận điểm khoa học: cần thiết phải phát triển phương pháp thiết kế quả lê mở rộng cho tàu có hệ số béo thấp ($C_B = 0{,}524$) kết hợp kỹ thuật mô phỏng CFD độ chính xác cao và tối ưu đa mục tiêu cho tàu cá.
Chương 2. Tính sức cản tàu bằng CFD
Chương 2 trình bày chi tiết quy trình ứng dụng CFD để tính toán sức cản cho hai mẫu tàu cá FAO 72 và FAO 75, đồng thời xác lập các điều kiện kỹ thuật nhằm kiểm soát sai số mô phỏng dưới 5% so với thử nghiệm bể thử.
Quy trình mô phỏng bao gồm:
- Xây dựng mô hình hình học 3D trong AutoShip và xuất sang định dạng STL vào phần mềm XFlow. Tác giả tiến hành đối soát các thông số hình học giữa mô hình số và số liệu tàu thực (chiều dài $L_{pp}$, chiều rộng $B$, chiều chìm $T$, lượng chiếm nước $\nabla$, hoành độ tâm nổi $LCB$) để đảm bảo sai lệch hình học không đáng kể.
- Xác định kích thước không gian miền tính toán (Domain): khảo sát các phương án kích thước miền tính từ phía trước mũi ($1{,}0 L_{pp}$ đến $2{,}0 L_{pp}$), phía sau đuôi ($2{,}0 L_{pp}$ đến $4{,}0 L_{pp}$), hai bên mạn ($1{,}0 B$ đến $2{,}5 B$), phía đáy ($1{,}0 T$ đến $3{,}0 T$) và phía trên mặt thoáng để đảm bảo không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng phản xạ biên sóng.
- Thiết lập các điều kiện biên và hiệu chỉnh tham số mô hình rối $SST\ k-\omega$.
Kết quả đối chứng giữa sức cản tính toán từ phần mềm XFlow ($R_{XF}$) và sức cản đo thực nghiệm trong bể thử ($R_{tn}$) cho thấy mức sai số tương đối $\Delta R (%)$ đều nằm trong giới hạn cho phép:
| Mẫu tàu |
Trường hợp thử nghiệm |
Vận tốc $U$ (m/s) |
Số Froude ($Fn$) |
Sức cản bể thử $R_{tn}$ (KG) |
Sức cản CFD $R_{XF}$ (KG) |
Sai số $\Delta R$ (%) |
| FAO 75 |
Trường hợp I ($T = 4{,}57\text{ m}$) |
3,087 |
0,277 |
4,210 |
4,080 |
-3,09 |
| FAO 75 |
Trường hợp I ($T = 4{,}57\text{ m}$) |
3,601 |
0,323 |
6,850 |
6,670 |
-2,63 |
| FAO 75 |
Trường hợp I ($T = 4{,}57\text{ m}$) |
4,115 |
0,369 |
12,310 |
12,140 |
-1,38 |
| FAO 75 |
Trường hợp I ($T = 4{,}57\text{ m}$) |
4,373 |
0,392 |
16,920 |
16,510 |
-2,42 |
| FAO 72 |
Trường hợp II ($T = 2{,}44\text{ m}$) |
2,572 |
0,285 |
3,150 |
3,020 |
-4,13 |
| FAO 72 |
Trường hợp II ($T = 2{,}44\text{ m}$) |
3,087 |
0,342 |
5,780 |
5,590 |
-3,29 |
| FAO 72 |
Trường hợp II ($T = 2{,}44\text{ m}$) |
3,601 |
0,399 |
10,950 |
10,610 |
-3,11 |
Kết quả kiểm chứng khẳng định mô hình CFD và các tham số cài đặt trong XFlow đạt độ tin cậy để sử dụng cho bài toán tối ưu hóa ở chương tiếp theo.
Chương 3. Thiết kế tối ưu mũi quả lê tàu cá
Chương 3 là nội dung trọng tâm của luận án, giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế và tối ưu hóa hình dạng mũi quả lê cho tàu cá FAO 75:
-
Hoàn thiện phương pháp đồ thị Kracht: Tàu FAO 75 có hệ số béo $C_B = 0{,}524$, nằm ngoài dải tra cứu của đồ thị Kracht chuẩn ($0{,}56 \le C_B \le 0{,}82$). Tác giả đã thiết lập các đường cong nội suy và ngoại suy toán học tại số Froude thiết kế $Fn = 0{,}377$ để xác định bộ hệ số hình học ban đầu:
- Hệ số chiều dài quả lê: $C_{LPR} = 0{,}069 \rightarrow L_{PRo} = 1{,}50\text{ m}$
- Hệ số chiều rộng quả lê: $C_{BB} = 0{,}188 \rightarrow B_{Bo} = 1{,}70\text{ m}$
- Hệ số chiều cao quả lê: $C_{ZB} = 0{,}460 \rightarrow Z_{Bo} = 2{,}10\text{ m}$
- Sử dụng AutoShip hiệu chỉnh các đường sườn và đường nước, tạo bề mặt tiếp giáp trơn tru giữa quả lê ban đầu và thân tàu FAO 75 mà không làm thay đổi các kích thước hình học chính.
-
Xây dựng mô hình toán tối ưu đa mục tiêu cho tàu cá:
- Hàm mục tiêu tổng quát: Tối đa hóa độ giảm công suất có ích trung bình $\Delta P_e$ qua các chế độ vận hành:
$$\max \Delta P_e = \sum_{i=1}^{n} w_i \cdot \Delta P_{ei} = \sum_{i=1}^{n} w_i \cdot \left( \frac{P_{ei} - P_{ebi}}{P_{ei}} \right) \cdot 100%$$
trong đó $P_{ei}, P_{ebi}$ lần lượt là công suất có ích trước và sau khi gắn quả lê ở chế độ $i$; $w_i$ là trọng số tương ứng với thời gian làm việc của các chế độ: chế độ hành trình tự do ($U_1$, mớn nước $T_1$), chế độ dắt lưới ($U_2$, mớn nước $T_2$) và chế độ kéo/thả lưới ($U_3$, mớn nước $T_3$).
- Các biến thiết kế: Chiều dài $L_{PR}$, chiều rộng $B_B$ và chiều cao $Z_B$ của quả lê.
- Các điều kiện ràng buộc: Ràng buộc hình học không vượt quá đường bao boong; ràng buộc lượng chiếm nước thay đổi $|\Delta \nabla| \le 1%$; hoành độ tâm nổi $|\Delta LCB| \le 0{,}5% L_{pp}$; và chiều cao tâm ổn định ban đầu $MG \ge MG_{min}$.
-
Thiết lập ma trận phương án và giải bài toán bằng mô hình thay thế:
- Khảo sát các tổ hợp biến thiên kích thước quả lê quanh giá trị ban đầu với các bước nhảy gia số: thay đổi đồng thời $(L_{PR}, B_B)$, $(L_{PR}, Z_B)$ và $(B_B, Z_B)$.
- Tính toán giá trị sức cản và công suất cho từng phương án trong XFlow.
- Xây dựng mô hình thay thế dạng bề mặt đáp ứng bậc hai để tìm điểm cực trị tối ưu qua hai bước tính lặp.
Kết quả tối ưu hóa hình học quả lê tàu FAO 75 được xác định cụ thể:
| Thông số hình học |
Quả lê ban đầu (Kracht mở rộng) |
Quả lê tối ưu (CFD + Mô hình thay thế) |
Mức thay đổi kích thước |
| Chiều dài quả lê $L_{PR}$ |
$1{,}50\text{ m}$ |
$1{,}65\text{ m}$ |
$+0{,}15\text{ m}$ (Gia số bước tính $0{,}11\text{ m}$) |
| Chiều rộng quả lê $B_B$ |
$1{,}70\text{ m}$ |
$1{,}91\text{ m}$ |
$+0{,}21\text{ m}$ |
| Chiều cao quả lê $Z_B$ |
$2{,}10\text{ m}$ |
$2{,}10\text{ m}$ |
Giữ nguyên theo chiều chìm |
| Độ giảm sức cản tổng $\Delta R_T$ |
- |
Giảm xấp xỉ 14% |
Cải thiện áp suất và giảm chiều cao sóng mũi |
Phân tích trường dòng chảy, trường áp suất và vận tốc xung quanh vỏ tàu cho thấy phương án quả lê tối ưu giúp làm phẳng bề mặt sóng cục bộ tại vùng mũi, hạn chế hình thành xoáy và giảm đáng kể sức cản áp suất.
Chương 4. Kết luận và khuyến nghị
Chương 4 đúc kết toàn bộ các kết quả nghiên cứu đã đạt được về mặt phương pháp luận và dữ liệu số, đồng thời nêu các kiến nghị kỹ thuật phục vụ triển khai thực tế.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án tự đúc kết các đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn như sau:
Đóng góp về mặt khoa học (lý luận)
- Xây dựng hoàn chỉnh cơ sở phương pháp luận và quy trình tính toán sức cản bằng CFD cho loại tàu cá vỏ thép thân béo, chạy tốc độ chậm, thân ống ngắn có và không có mũi quả lê; xác lập bộ thông số đầu vào chuẩn xác (mô hình hình học 3D NURBS, kích thước miền tính toán và tham số mô hình rối $SST\ k-\omega$) đảm bảo sai số tính toán dưới 5% so với thử nghiệm bể thử.
- Bổ sung và hoàn thiện phương pháp thiết kế hình học mũi quả lê bằng đồ thị Kracht thông qua việc thiết lập các đường cong nội suy và ngoại suy cho tàu có hệ số béo thấp ($C_B = 0{,}524$) nằm ngoài phạm vi áp dụng truyền thống ($0{,}56 \le C_B \le 0{,}82$), kết hợp giải pháp ghép nối trơn bề mặt quả lê vào thân tàu trên phần mềm AutoShip.
- Xây dựng mô hình toán và phương pháp giải bài toán tối ưu hóa hình dạng mũi quả lê tàu cá với hàm đa mục tiêu về độ giảm công suất có ích $P_e$ tích hợp các chế độ khai thác thực tế, kết hợp công cụ mô phỏng CFD và mô hình thay thế (surrogate model) để xác định kích thước quả lê tối ưu.
Đóng góp về mặt thực tiễn và kiến nghị
- Xác định kích thước và tọa độ đường hình quả lê tối ưu cho mẫu tàu cá vỏ thép FAO 75 ($L_{PRop} = 1{,}65\text{ m}, B_{Bop} = 1{,}91\text{ m}, Z_{Bop} = 2{,}10\text{ m}$), giúp giảm khoảng 14% sức cản tổng của tàu.
- Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu và công cụ tính toán tin cậy hỗ trợ các đơn vị tư vấn thiết kế đóng tàu trong nước thiết kế mũi quả lê cho các mẫu tàu cá vỏ thép cỡ lớn (chiều dài trên 40 m) hoạt động xa bờ.
- Kết quả nghiên cứu được sử dụng làm tài liệu tham khảo và giảng dạy chuyên ngành Kỹ thuật tàu thủy và Cơ khí động lực.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Văn bản luận án nêu rõ các giới hạn nghiên cứu xuất phát từ phạm vi giả thiết:
- Mô hình tính toán chỉ khảo sát ở trạng thái tàu chuyển động thẳng đều trong môi trường nước tĩnh, chưa xét đến tương tác của sóng biển ngẫu nhiên và ảnh hưởng của sức cản khí động học phần thượng tầng.
- Nghiên cứu chưa xét đến ảnh hưởng tương tác đồng thời giữa hoạt động của chân vịt đẩy (mô phỏng tự đẩy - self-propulsion) và bánh lái với dòng chảy bao quanh mũi quả lê.
Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:
- Mở rộng mô phỏng CFD và tối ưu hóa hình dạng quả lê trong điều kiện tàu hoạt động trên sóng thực tế (seakeeping) để đánh giá toàn diện tính lắc dọc và hiện tượng va đập sóng vùng mũi (slamming).
- Nghiên cứu bài toán tương tác thân tàu - chân vịt - bánh lái có gắn mũi quả lê tối ưu nhằm đánh giá sự thay đổi của hệ số dòng theo ($w$), hệ số hút ($t$) và hiệu suất đẩy tổng cộng.
Giá trị tham khảo
Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật tàu thủy, Kỹ thuật cơ khí động lực: Tham khảo quy trình thiết lập bài toán CFD bằng mô hình RANSE kết hợp $SST\ k-\omega$, kỹ thuật xây dựng mô hình thay thế bề mặt đáp ứng để giải bài toán tối ưu thủy động lực học, và phương pháp mở rộng đồ thị Kracht.
- Kỹ sư thiết kế vỏ tàu tại các viện nghiên cứu và nhà máy đóng tàu: Ứng dụng trực tiếp quy trình dựng hình và ghép nối trơn mũi quả lê trong AutoShip, các thông số tối ưu của tàu FAO 75 để phát triển các mẫu tàu cá vỏ thép xa bờ đạt hiệu quả năng lượng.
- Các nhà quản lý kỹ thuật ngành khai thác thủy sản: Cung cấp luận cứ khoa học về hiệu quả giảm tiêu hao nhiên liệu khi trang bị mũi quả lê cho đội tàu cá vỏ thép theo định hướng hiện đại hóa.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ thị thiết kế Kracht nguyên bản không thể áp dụng trực tiếp cho mẫu tàu cá FAO 75?
Đồ thị Kracht (1978) được xây dựng dựa trên dữ liệu thực nghiệm thống kê của các tàu có hệ số béo thể tích nằm trong phạm vi $C_B \in [0{,}56; 0{,}82]$. Tàu cá FAO 75 có hệ số béo $C_B = 0{,}524$, nằm ngoài biên dưới của đồ thị. Luận án đã giải quyết hạn chế này bằng cách thiết lập các đường cong nội suy và ngoại suy toán học tại số Froude $Fn = 0{,}377$ để xác định các hệ số hình học quả lê ban đầu.
2. Kích thước hình học của mũi quả lê tàu FAO 75 thay đổi như thế nào sau quá trình tối ưu hóa?
Từ kích thước ban đầu xác định theo Kracht mở rộng ($L_{PRo} = 1{,}50\text{ m}, B_{Bo} = 1{,}70\text{ m}, Z_{Bo} = 2{,}10\text{ m}$), quá trình tối ưu hóa bằng CFD và mô hình thay thế đã xác định kích thước tối ưu là $L_{PRop} = 1{,}65\text{ m}$ (tăng $0{,}15\text{ m}$), $B_{Bop} = 1{,}91\text{ m}$ (tăng $0{,}21\text{ m}$), và chiều cao $Z_{Bop} = 2{,}10\text{ m}$ (giữ nguyên). Kết cấu này giúp giảm sức cản tổng của tàu khoảng 14%.
3. Mức sai số giữa kết quả mô phỏng CFD trong XFlow và dữ liệu thử nghiệm bể thử là bao nhiêu?
Kết quả tính toán sức cản bằng XFlow cho hai mẫu tàu FAO 75 và FAO 72 tại các số Froude từ 0,277 đến 0,399 đều cho sai số tương đối so với dữ liệu thử nghiệm bể thử (NPL và SSPA) nằm trong khoảng từ -1,38% đến -4,13%, thỏa mãn tiêu chí kiểm soát sai số dưới 5%.
4. Hàm mục tiêu tối ưu hóa mũi quả lê trong luận án có điểm gì khác biệt so với các nghiên cứu trước đây?
Các nghiên cứu trước đây thường dùng hàm đơn mục tiêu tối thiểu hóa sức cản $R_T$ ở một tốc độ thiết kế duy nhất của tàu hàng. Luận án xây dựng hàm đa mục tiêu tối đa hóa độ giảm công suất có ích trung bình $\Delta P_e$ có xét đến trọng số thời gian hoạt động $w_i$ của tàu cá ở 3 chế độ khai thác khác nhau: chạy hành trình tự do, chạy dắt lưới và chạy kéo/thả lưới ở các mớn nước tương ứng.
5. Luận án sử dụng những công cụ phần mềm nào trong toàn bộ quy trình nghiên cứu?
Tác giả sử dụng phối hợp các phần mềm: AutoShip (dựng mô hình hình học 3D, mặt NURBS và ghép nối trơn tiếp tuyến bề mặt vỏ tàu), XFlow (mô phỏng động lực học lưu chất CFD theo thể tích hữu hạn và mô hình rối $SST\ k-\omega$), và các thuật toán mô hình thay thế/bề mặt đáp ứng để xử lý bài toán tối ưu.
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Huỳnh Văn Chính đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán ứng dụng phương pháp CFD kết hợp mô hình thay thế để thiết kế và tối ưu hóa hình dạng mũi quả lê cho tàu cá vỏ thép. Công trình đã mở rộng phạm vi ứng dụng của đồ thị Kracht cho dải hệ số béo thấp ($C_B = 0{,}524$), xây dựng hàm đa mục tiêu giảm công suất gắn liền với đặc thù nghề cá và xác lập cấu hình quả lê tối ưu cho tàu FAO 75 giúp giảm xấp xỉ 14% sức cản tổng. Các kết quả đạt được cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật có độ tin cậy cao phục vụ công tác thiết kế, đóng mới đội tàu cá vỏ thép hoạt động xa bờ tại Việt Nam.
