MỞ ĐẦU 1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Sử dụng mũi quả lê không chỉ là giải pháp hiệu quả để làm giảm sức cản, mà còn cho phép cải thiện hầu hết các tính năng tàu, nhờ vậy có thể giảm chi phí nhiên liệu, tăng tốc độ, nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả kinh tế-kỹ thuật cho tàu đi biển [1]. Tuy nhiên cho đến hiện nay, việc thiết kế và dự đoán công suất của tàu có mũi quả lê vẫn còn rất khó khăn do tƣơng tác phức tạp giữa hệ thống sóng của thân tàu và quả lê. Trong trƣờng hợp thuận lợi, dạng mũi quả lê tối ƣu có thể tạo ra hệ thống sóng giao thoa tích cực với hệ thống sóng tàu và làm giảm đến (12-15)% sức cản tổng của tàu [2], [3], nhƣng nếu có hình dạng hoặc vị trí không thuận lợi, quả lê có thể gây ra sự giao thoa tiêu cực, làm tăng hệ thống sóng tổng hợp và dẫn đến làm tăng lớn sức cản tổng của tàu.
Trƣớc đây, hình dạng và vị trí mũi quả lê thƣờng đƣợc xác định thông qua thử nghiệm mô hình trong bể thử với nhiều phƣơng án đặc điểm hình học khác nhau nhằm xác định phƣơng án hình dạng quả lê phù hợp, tƣơng ứng giá trị sức cản tổng của tàu là nhỏ nhất. Rõ ràng các thử nghiệm nhƣ thế thƣờng mất nhiều thời gian, công sức, chi phí tốn kém. Gần đây, cùng với sự phát triển máy tính là sự xuất hiện phƣơng pháp tính động lực học lƣu chất, còn đƣợc gọi tắt bằng thuật ngữ CFD (Computational Fluid Dynamics) đã giúp giải quyết hiệu quả nhiều bài toán thực tế nhƣ thiết kế tối ƣu, kiểm nghiệm và dự báo kết quả nghiên cứu, mô phỏng dòng lƣu chất và nhiều bài toán phức tạp khác [4], [5]. Với vai trò quan trọng nhƣ thế nên CFD đã đƣợc nhìn nhận là “phƣơng pháp thứ ba”, cùng hai phƣơng pháp truyền thống là nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm thuần túy, trong nghiên cứu và phát triển những ứng dụng trong khoa học kỹ thuật [6], [7], [8].
Với lý do đó, nghiên cứu sinh (NCS) đã lựa chọn hƣớng nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp CFD trong xác định hình dạng tối ƣu của mũi tàu quả lê, bắt đầu từ việc giải bài toán xác định sức cản trong trƣờng hợp tàu có và không có trang bị dạng mũi này và dựa trên cơ sở đó xây dựng và tính sức cản cho các phƣơng án hình dạng khác nhau của quả lê để xác định phƣơng án vị trí, kích thƣớc và hình dạng phù hợp của mũi quả lê khi gắn nó lên tàu nhằm đạt đƣợc một sự tối ƣu về phƣơng diện sức cản tổng cho những mẫu tàu tính toán. 2 Ngoài ra trong thời gian gần đây, cùng với sự phát triển mạnh của ngành thủy sản và sự hỗ trợ của nhà nƣớc thông qua Nghị định 67/2014/NĐ-CP, ở nƣớc ta đã đóng mới hàng loạt tàu cá vỏ thép có chiều dài dƣới 30 m để phục vụ hoạt động khai thác xa bờ. Các tàu này chủ yếu đóng theo các mẫu thiết kế của các cơ quan, đơn vị trong nƣớc, hầu hết không qua thử mô hình nên thực tế vẫn còn có một số mẫu khi hoạt động chƣa thật sự phù hợp nghề khai thác, dẫn đến tính năng và hiệu quả làm việc chƣa cao [49]. Bên cạnh đó, do không có điều kiện và số liệu thử nghiệm hoạt động của mũi quả lê nên hầu hết mẫu tàu đánh cá ở nƣớc ta đều thiết kế dạng mũi thẳng, không trang bị quả lê.
Điều này cũng góp phần làm ảnh hƣởng đến tính năng hàng hải tàu khi đi trong sóng, nhất là đối với sức cản và tính lắc, những tính năng hàng hải rất cần cho tàu cá [9], [50]. Với chủ trƣơng hiện đại hóa đội tàu cá trong thời gian sắp tới nên hiện nhà nƣớc ta rất mong muốn phát triển thiết kế các mẫu tàu cá vỏ thép hiện đại có chiều dài trên 40 m nhằm mục tiêu đánh bắt các ngƣ trƣờng xa bờ và bảo vệ an ninh quốc phòng trên biển. Từ thực tiễn đội tàu cá ở nƣớc ta đã nêu, PGS. TS Trần Gia Thái đã đặt vấn đề nghiên cứu và phát triển mẫu tàu cá vỏ thép cỡ vừa và nhỏ đã đƣợc các nhà khoa học của Tổ chức Nông Lƣơng Liên Hiệp Quốc FAO (Food and Agriculture Organization) thử nghiệm ở các bể thử nổi tiếng thế giới NPL (Anh), SSPA (Thụy Điển).
Điểm đặc biệt là khi đó, các nhà khoa học của FAO đã tiến hành thử nghiệm hai nhóm tàu đánh cá vỏ thép có đặc điểm hình dạng và thông số hình học gần giống với nhau, với một nhóm có dạng quả lê và một nhóm không thiết kế dạng mũi đặc biệt này [12]. Tuy nhiên theo phân tích, đánh giá sơ bộ của NCS dựa trên các kết quả thử nghiệm mô hình của cả hai nhóm tàu này, kết cấu và hình dạng mũi quả lê trong trƣờng hợp này đã không phát huy đƣợc hết tính năng ƣu việt của chúng, đặc biệt là về vấn đề sức cản. Từ những phân tích về tính chất cấp thiết về mặt lý thuyết và thực tiễn nêu trên, NCS lựa chọn thực hiện đề tài luận án tiến sĩ với tên gọi “Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê “ nhằm mục đích xây dựng các cơ sở dữ liệu cần thiết để phục vụ công tác thiết kế các mẫu tàu cá vỏ thép ở nƣớc ta hiện nay. MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2.
Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung của đề tài luận án là nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp CFD trong tối ƣu hình dạng mũi quả lê trên cơ sở đảm bảo độ giảm sức cản tổng của tàu là lớn nhất, và thỏa mãn đƣợc các ràng buộc đặt ra về hình học và các tính năng hàng hải của tàu. Với mục tiêu chung này, cần thiết đặt và giải quyết đƣợc các mục tiêu cụ thể nhƣ sau: - Phân tích các tài liệu và công trình nghiên cứu có liên quan phƣơng pháp CFD và ứng dụng nó trong tính sức cản tàu và tối ƣu hóa hình dạng mũi tàu quả lê nhằm xây dựng hƣớng nghiên cứu và các cơ sở phƣơng pháp luận cần thiết nhằm giải quyết mục tiêu và nội dung nghiên cứu đặt ra trong luận án. - 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 ƣu hóa quả lê theo hàm mục tiêu sức cản. - Xây dựng phƣơng pháp tối ƣu hình dạng mũi quả lê phù hợp với tàu nghiên cứu.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Từ thực tiễn nƣớc ta hiện nay, luận án sẽ lựa chọn các mẫu tàu đánh cá vỏ thép của Tổ chức Nông lƣơng Liên Hiệp Quốc FAO (Food and Agriculture Ỏrganization). Đây là các mẫu tàu cá vỏ thép có và không có trang bị kết cấu quả lê cỡ vừa và nhỏ đã đƣợc các nhà khoa học của FAO tổ chức thử nghiệm mô hình để xác định sức cản trong các bể thử mô hình tàu nổi tiếng thế giới nhƣ NPL (Anh), SSPA (Thụy Điển) [10], [11]. Với đối tƣợng nghiên cứu cụ thể nhƣ trên, nội dung nghiên cứu của đề tài đƣợc giới hạn trong phạm vi nhƣ sau: - Mô phỏng và tính sức cản tàu làm việc ở chế độ bơi theo định luật Archimede và xem nhƣ tàu chuyển động thẳng đều trong môi trƣờng nƣớc tĩnh không chịu tác động bởi hệ thống sóng biển, sức cản không khí và có độ sâu không hạn chế. - Lƣu chất sử dụng trong mô phỏng là đồng chất, có tính nhớt và không nén đƣợc.
- Số liệu thử sức cản trong bể thử dùng so sánh trong luận án đƣợc xem nhƣ là đảm bảo đƣợc độ chính xác và là cơ sở để đánh giá và hiệu chỉnh các thông số mô phỏng khi tính sức cản của các tàu tính toán bằng phƣơng pháp CFD. PHƢƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Phƣơng pháp sử dụng trong luận án chủ yếu là phƣơng pháp nghiên cứu lý thu- yết, kết hợp sử dụng các số liệu sức cản thực nghiệm sẵn có của tàu tính toán để kiểm tra và hiệu chỉnh kết quả nghiên cứu lý thuyết phù hợp với loại tàu tính toán, cụ thể nhƣ sau. Phân tích, lựa chọn các mẫu tàu tính toán đáp ứng yêu cầu và có đầy đủ số liệu thử mô hình xác định sức cản làm cơ sở đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết. Nghiên cứu lý thuyết CFD và các giải pháp đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cho kết quả tính sức cản khi ứng dụng CFD xác định sức cản cho loại tàu cụ thể.
Trên cơ sở đó áp dụng tính sức cản của tàu tính toán và so sánh với số liệu thử mô hình tƣơng ứng để kiểm tra và hiệu chỉnh kết quả nghiên cứu lý thuyết. Nghiên cứu lý thuyết mô hình và phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu hóa hình học mũi tàu quả lê và ứng dụng cho tàu đang tính. Trên cơ sở đó, luận án đƣợc kết cấu thành 04 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1. Đặt vấn đề Trình bày tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài của luận án và dựa trên cơ sở đó NCS sẽ phân tích và lựa chọn hƣớng nghiên cứu để giải quyết mục tiêu và các nội dung đã đặt ra trong luận án.
Tính sức cản tàu bằng CFD Trình bày khái quát lý thuyết CFD và kết quả nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp CFD trong ƣớc tính chính xác sức cản của các mẫu tàu tính toán. Thiết kế tối ƣu mũi quả lê tàu cá Trình bày các đặc điểm hình học và phƣơng pháp thiết kế mũi quả lê và kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình và phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu hóa hình dạng quả lê cho loại tàu thông dụng nói chung và loại tàu đánh cá nói riêng. Kết luận và khuyến nghị Trình bày những phát hiện mới và những kết luận, khuyến nghị rút ra từ kết quả nghiên cứu đã đạt đƣợc và những hƣớng nghiên cứu tiếp theo. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN Từ những trình bày trên đây, cùng với những nội dung đã đạt đƣợc trong luận án, có thể nhận thấy kết quả nghiên cứu của luận án bƣớc đầu đã có các đóng góp nhất định, cả về mặt khoa học và thực tiễn cụ thể nhƣ sau.