MỞ ĐẦU 1 1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI 1 2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3 3. PHƢƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4 4.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 5 Chƣơng 1. TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 6 1. Các công trình nghiên cứu truyền thống 7 1. Các công trình nghiên cứu hiện đại 11 1.
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN HƢỚNG NGHIÊN CỨU 26 1. Phân tích các hƣớng nghiên cứu liên quan 26 1. Phân tích và lựa chọn hƣớng nghiên cứu 30 Kết luận chƣơng 1 30 viii Chƣơng 2. TÍNH SỨC CẢN TÀU BẰNG CFD 31 2.
CFD VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÍNH SỨC CẢN TÀU 31 2. Khái quát về lý thuyết CFD 31 2. Ứng dụng CFD trong tính sức cản tàu 37 2. ỨNG DỤNG CFD TÍNH SỨC CẢN CỦA TÀU TÍNH TOÁN 41 2.
Phân tích, lựa chọn các mẫu tàu tính toán 43 2. Xây dựng mô hình 3D và tính sơ bộ sức cản của tàu tính toán 50 2. Xác định các thông số mô phỏng phù hợp với tàu tính toán 54 2. Tính sức cản của tàu tính toán 63 2.
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 64 Kết luận chƣơng 2 67 Chƣơng 3. THIẾT KẾ TỐI ƢU MŨI QUẢ LÊ TÀU CÁ 68 3. ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA MŨI QUẢ LÊ 68 3. Phân loại mũi quả lê 68 3.
Các thông số hình học của mũi quả lê 70 3. Ảnh hƣởng của các thông số hình học đến hiệu quả làm việc quả lê 72 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MŨI QUẢ LÊ BẰNG ĐỒ THỊ KRACHT 73 3. Xác định các hệ số hình học của quả lê cho tàu tính toán 75 3.
Xây dựng đƣờng hình dáng của quả lê tính toán 78 3. Tích hợp hình dạng quả lê vào đƣờng hình tàu tính toán 81 3. MÔ HÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP TỐI ƢU HÓA MŨI QUẢ LÊ TÀU CÁ 86 3. Mô hình bài toán tối ƣu hóa tổng quát 86 3.
Mô hình bài toán tối ƣu hóa mũi quả lê tàu cá 88 3. Phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu hóa mũi quả lê 95 ix 3. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO TÀU TÍNH TOÁN 99 3. Thiết lập ma trận các phƣơng án tính toán quả lê 99 3.
Xác định phƣơng án quả lê tối ƣu 101 Kết luận chƣơng 3 123 Chƣơng 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 124 4. KHUYẾN NGHỊ 126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN 128 ĐẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ABS American Bureau of Shipping Đăng kiểm Mỹ BEM Boundary Element Method Phƣơng pháp phần tử biên CFD Computational Fluid Dynamics Tính toán động động lực học lƣu chất DNS Direct Numerical Simulation Mô phỏng số trực tiếp DTMB David Taylor Model Basin Bể thử mô hình Taylor EB Elliptical Bulb Quả lê dạng Ellip FAO Food and Agriculture Oganization Tổ chức Nông Lƣơng Liên Hiệp Quốc FVM Finite Volume Method Phƣơng pháp thể tích hữu hạn GB Gooseneck Bulb Quả lê Gooseneck ITTC International Towing Tank Conference Hội nghị quốc tế các bể thử tàu JHSS Joint High Speed Sealift Tổ chức vận tải biển tốc độ cao KCS KRISO Container Ship Tàu container KRISO KRISO Korean Research Institute for Ship and Viện nghiên cứu tàu thủy và công Ocean Engineering trình biển Hàn Quốc LES Large Eddy Simulation Mô phỏng xoáy lớn NPL National Physical Laboratory Phòng thí nghiệm vật lý quốc gia NURBS Non Uniform Ration B-Splines Các đƣờng B-Spline không đồng dạng RANSE Reynolds Average Navier-Stokes Equa- Trung bình Reynolds các phƣơng trình tions Navier-Stokes RBF Radial Basis Function Hàm cơ sở xuyên tâm RSM Reponse Surface Method Phƣơng pháp bề mặt đáp ứng SSPA Swedish State Shipbuilding Tank Bể thử đóng tàu quốc gia Thụy Điển SST Shear Stress Transport Chuyển vị ứng suất cắt STL STereoLithography In Litho lập thể xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Các ký hiệu liên quan đến thông số tàu LOA chiều dài lớn nhất của tàu, m LWL chiều dài đƣờng nƣớc thiết kế, m Lpp chiều dài hai đƣờng vuông góc, m Lfz chiều dài phía mũi của tàu tại chiều cao z, m Laz chiều dài phía đuôi của tàu tại chiều cao z, m B chiều rộng tàu ở đƣờng nƣớc thiết kế, m T, d chiều chìm thiết kế của tàu, m TFP chiều chìm phía mũi tàu, m TAP chiều chìm phía đuôi tàu, m CB hệ số đầy thể tích (hệ số béo) CBf, CBa hệ số béo thể tích phía mũi và phía đuôi CP hệ số lăng trụ dọc tàu Cw hệ số đầy mặt đƣờng nƣớc Cwf, Cwa hệ số béo đƣờng nƣớc phía mũi và phía đuôi CM hệ số đầy mặt cắt ngang giữa tàu Cp hệ số đầy lăng trụ dọc LCB hoành độ tâm nổi, m αE, αR góc vào nƣớc phía mũi và phía đuôi, độ lƣợng chiếm nƣớc, tấn thể tích chiếm nƣớc, m3 AMS diện tích mặt cắt ngang giữa tàu, m2 , S diện tích mặt ƣớt của tàu, m2 xii Các ký hiệu liên quan đến sức cản tàu RT sức cản tổng (hay sức cản chung) của tàu, KG RTi sức cản tổng của tàu ở chế độ làm việc (i), KG RF sức cản ma sát, KG RP sức cản áp suất, KG RR sức cản dƣ, KG RV sức cản nhớt, KG RPV sức cản áp suất nhớt (do xoáy tạo ra), KG RW sức cản sóng, KG RWM sức cản sinh sóng, KG RWB sức cản sóng vỡ, KG CF hệ số sức cản ma sát Cp hệ số sức cản áp suất CR hệ số sức cản dƣ Rn số Reynold Fn số Froude độ nhớt động học của chất lỏng trọng lƣợng riêng của chất lỏng U vận tốc tàu (hay vận tốc dòng chảy), m/s Utp vận tốc tấm phẳng, m/s RXF sức cản tàu tính từ phần mềm Xflow, KG Rtn sức cản tàu tính từ thử nghiệm mô hình tàu trong bể thử, KG R độ sai lệch kết quả giữa sức cản tính từ XFlow và từ thử mô hình, % xiii Các ký hiệu liên quan đến lý thuyết CFD DU đạo hàm toàn phần (hay đạo hàm thực) Dt U đạo hàm riêng t ρ mật độ (hay khối lƣợng riêng) của chất lỏng d độ biến đổi mật độ chất lỏng theo thời gian dt độ biến đổi mật độ chất lỏng theo thời gian tại điểm cố định t toán tử Haminlton (hay vector nabla) u, v, w các thành phần vận tốc theo các vector đơn vị của hệ tọa độ Descartes i, j, k vector đơn vị của hệ tọa độ Descartes (x, t) hàm dòng (x, t) thành phần trung bình của hàm dòng (x, t) ’(x, t) thành phần biến động của hàm dòng (x, t) T khoảng thời gian trung bình p trƣờng áp lực trung bình. p’ độ lệch tức thời của áp lực pi biến áp lực U vector vận tốc trung bình.
U’ độ lệch tức thời của vận tốc Ui biến vận tốc tốc độ tiêu tán động năng rối I cƣờng độ rối xiv k động năng rối. ω tốc độ khuếch tán động năng rối Gk động năng rối do các gradient vận tốc trung bình sinh ra G phát sinh hệ số k, m độ khuyếch tán hiệu quả của các hệ số k và ω Yk, Y sự tiêu tán của các hệ số k và ω do rối D số hạng khuếch tán chéo Sk, S các số hạng do ngƣời dùng định nghĩa k1, ω1, ω2 các hằng số của mô hình rối SST k- i, i1 các hằng số của mô hình rối SST k- Pk suất năng lƣợng rối UF vận tốc dòng lƣu chất tại điểm đang xét lấy bằng vận tốc tàu U U vận tốc dòng xa vô cùng p áp suất trong dòng chảy P áp suất trong dòng xa vô cùng U tốc độ thay đổi vận tốc dòng chảy n p tốc độ thay đổi áp suất dòng chảy n Các ký hiệu liên quan đến quả lê LPR chiều dài quả lê, m BB chiều rộng lớn nhất của mặt cắt ngang quả lê, m BMS chiều rộng mặt cắt ngang giữa tàu, m ZB chiều cao quả lê, m ABT diện tích mặt cắt ngang quả lê tính tại đƣờng vuông góc mũi tàu FP, m2 ABL diện tích phần nhô ra của quả lê trong mặt cắt dọc, m2 xv VPR thể tích phần nhô ra của quả lê, m3 VBtot thể tích toàn phần của quả lê, m3 VF thể tích của phần trơn để lắp quả lê vào thân tàu, m3 CLPR hệ số chiều dài quả lê CBB hệ số chiều rộng quả lê CZB hệ số chiều cao quả lê CABT hệ số mặt cắt ngang của quả lê CABL hệ số cạnh bên của quả lê CPR hệ số thể tích quả lê CPR hệ số giảm công suất dƣ, % RT, RTi độ thay đổi sức cản tổng của tàu sau khi lắp quả lê ở tốc độ tàu U và Ui, % RT, RTi sức cản tổng của tàu trƣớc khi lắp quả lê ở tốc độ tàu U và Ui, KG RTb, Rbi sức cản tổng của tàu sau khi lắp quả lê ở tốc độ tàu U và Ui, KG Pei, Pebi công suất có ích của tàu trƣớc và sau khi lắp quả lê ở tốc độ Ui, PS Pei độ thay đổi công suất có ích của tàu sau khi lắp quả lê ở tốc độ tàu Ui, % wi trọng số hàm mục tiêu RT1, RT2, RT3 độ thay đổi sức cản tổng của tàu tính tại các tốc độ U1, U2, U3 ở chế độ chạy hành trình, chạy dắt lƣới và chạy kéo, thả lƣới. CB, LCB, MG độ thay đổi của hệ số béo, lƣợng chiếm nƣớc hoành độ tâm nổi và độ cao tâm ổn định của tàu. LPRo, LPri, LPRop chiều dài quả lê ban đầu, ở phƣơng án (i) và tối ƣu.
BBo, BBi, BBop chiều rộng quả lê ban đầu, ở phƣơng án (i) và tối ƣu ZBo, ZBi, ZBop chiều cao quả lê ban đầu, ở phƣơng án (i) và tối ƣu xvi DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG Bảng 1. Kết quả tính và so sánh mức độ thay đổi của công suất (%) đối với 09 12 phƣơng án thiết kế mũi quả lê mới so với mũi quả lê ban đầu Bảng 1. Kết quả tối ƣu hóa của các biến thiết kế 17 Bảng 1. Kết quả tối ƣu của hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc 17 Bảng 1.
Sức cản sinh sóng 19 Bảng 1. Các thông số chính của các vỏ tàu JHSS 22 Bảng 2. Đặc điểm hình học tàu cá Việt Nam phân theo nghề khai thác 44 Bảng 2.2 Đƣờng hình và các thông số chính của mẫu tàu FAO 72 46 Bảng 2.3 Đƣờng hình và các thông số chính của mẫu tàu FAO 75 48 Bảng 2. So sánh thông số mô hình tàu FAO 75 dựng trong Autoship và tàu thật 52 Bảng 2.
Các khuyến nghị về các kích thƣớc của không gian miền tính 55 Bảng 2. Các phƣơng án kích thƣớc không gian miền tính 56 Bảng 2.