Tiến Sĩ Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2013

MỤC LỤC
NỘI DUNG Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ x
MỞ ĐẦU 1
1. Lý do nghiên cứu, mục đích đề tài 1
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4. Phương pháp nghiên cứu 2
5. Bố cục luận án 3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN - LỰC CẢN 5
1.1 Nghiên cứu lớp biên 5
1.1.1 Khái niệm lớp biên 5
1.1.2 Cấu trúc lớp biên 5
1.1.3 Hệ phương trình lớp biên 6
1.1.3.1 Phương trình Navier – Stokes 6
1.1.3.2 Phương trình Reynolds 7
1.1.3.3 Hệ phương trình Prandtl 7
1.1.4 Phương pháp giải hệ phương trình lớp biên 8
1.1.4.1 Phương pháp giải tích 8
1.1.4.2 Phương pháp tích phân 8
1.1.4.3 Tính toán số 8
1.2 Lực cản của vật chuyển động trong chất lỏng 9
1.2.1 Khái niệm lực cản 9
1.2.2 Thành phần lực cản của vật ngập chuyển động trong
chất lỏng 10
1.3 Lực cản tàu thủy 10
1.3.1 Khái niệm lực cản tàu thủy 10
1.3.2 Thành phần lực cản tàu và nguyên nhân xuất hiện 11
1.4 Phương pháp giảm lực cản tàu và một số công trình
đã nghiên cứu 13
1.4.1 Giảm lực cản nhớt 13
1.4.1.1 Tầng hóa lớp biên 13
1.4.1.2 Tạo dao động bề mặt giảm ma sát rối 22
1.4.2 Giảm lực cản hình dáng 22
1.4.3 Giảm lực cản sóng 22

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN LỰC CẢN TÀU – MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH
HƯỞNG ĐẾN GIẢM LỰC CẢN TÀU 24
2.1 Lực cản tàu thủy tính theo lý thuyết 24
2.1.1 Lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh 24
2.1.1.1 Lực cản toàn phần của tàu 24
2.1.1.2 Lực cản nhớt của tàu 26
2.1.1.3 Lực cản sóng của tàu 28
2.1.1.4 Lực cản không khí của tàu 28
2.1.2 Lực cản của tàu chuyển động trên sóng 31
2.2 Lực cản tàu tính gần đúng theo thực nghiệm 32
2.2.1 Phương pháp tính lực cản toàn phần theo công suất
kéo tàu 33
2.2.2 Phương pháp tính lực cản dư hoặc lực cản sóng 33
2.2.3 Phương pháp tính chuyển đồng dạng từ tàu mẫu 34
2.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến giảm lực cản tàu 34
2.3.1 Hình dáng thân tàu 34
2.3.1.1 Hình dáng thân tàu biển 35
2.3.1.2 Hình dạng thân tàu nội địa và tàu pha sông biển 35
2.3.2 Hệ số béo tàu 36
2.3.3 Độ nhám thân tàu 36
2.3.3.1 Độ nhám chung 36
2.3.3.2 Độ nhám cục bộ 37
2.3.4 Ảnh hưởng của lớp rêu, hà bám vào vỏ thân tàu 38
2.3.5 Ảnh hưởng của lớp biên bao quanh tàu 38
2.3.6 Ảnh hưởng của lớp khí phun vào lớp biên đáy tàu 39

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ 40
3.1 Tổng quan phương pháp số 40
3.1.1 Khái quát chung 40
3.1.2 Hệ phương trình 41
3.1.2.1 Phương trình liên tục 41
3.1.2.2 Phương trình bảo toàn động lượng 41
3.1.2.3 Phương trình bảo toàn năng lượng 42
3.1.2.4 Dạng tổng quát của các phương trình bảo toàn 42
3.1.3 Các phương pháp số 42
3.1.3.1 Phương pháp điểm kỳ dị 42
3.1.3.2 Phương pháp vi phân hữu hạn (FDM) 43
3.1.3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 45
3.1.3.4 Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) 45
3.1.3.5 Phương pháp phần tử biên (BEM) 49
3.1.3.6 Phương pháp phổ (SEM) 49
3.1.3.7 Mô phỏng số (CFD) 49
3.2 Mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu và tính toán
lực cản tàu bằng phương pháp CFD 54
3.2.1 Cấu trúc phần mềm 54
3.2.2 Các phương trình tổng quát 55
3.2.3 Phương thức giải 56
3.2.4 Các bước giải bài toán trên FLUENT 56
3.2.5 Trình tự mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu và
đo lực cản tàu 57
3.2.5.1 Khởi động và xây dựng mô hình hình học của tàu 58
3.2.5.2 Lựa chọn phương pháp – mẫu dòng rối 60
3.2.5.3 Miền tính toán – Điều kiện biên 60
3.2.5.4 Cấu trúc lưới 61
3.2.5.5 Quy định về độ chính xác, vòng lặp 63
3.2.5.6 Kết quả mô phỏng 63

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG THỰC NGHIỆM
PHUN KHÍ VÀO LỚP BIÊN ĐÁY TÀU 72

4.1 Cơ sở thực nghiệm nghiên cứu lực cản tàu 72
4.1.1 Hai nguyên tắc cơ bản lập mô hình 72
4.1.2 Cách thức lập mô hình tàu 72
4.1.2.1 Lập mô hình từng phần theo số Reynolds 73
4.1.2.2 Lập mô hình từng phần theo số Froude 73
4.1.3 Ảnh hưởng của mô hình đến kết quả thực nghiệm 74
4.1.4 Tính chuyển lực cản từ mô hình sang tàu thực 74
4.1.4.1 Phương pháp Froude 75
4.1.4.2 Phương pháp Hughes 76
4.1.4.3 Phương pháp Telfer 76
4.2 Trang thiết bị thử mô hình tàu 77
4.2.1 Bể thử mô hình tàu 77
4.2.2 Xe kéo mô hình và các thiết bị gắn trên xe kéo 78
4.2.3 Thiết bị tạo và khử sóng trong bể thử mô hình 80
4.2.4 Thiết bị đo trong thử nghiệm 82
4.2.5 Thiết bị kết nối máy tính 83
4.2.6 Hệ thống điều khiển trung tâm 83
4.2.7 Phần mềm đo CATMAN 84
4.3 Trình tự thử nghiệm đo lực cản tàu 85
4.4 Thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu giảm lực
cản tàu85
4.4.1 Mô hình và thiết bị thử nghiệm 85
4.4.2 Kết nối thiết bị thử nghiệm 88
4.4.3 Quá trình thử nghiệm đo lực cản tàu 89
4.4.3.1 Thực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động trên nước
tĩnh 89
4.4.3.2 Thực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động trên sóng 90
4.4.4 So sánh kết quả lực cản tàu theo tính toán số và thực
nghiệm 92
4.4.5 Đánh giá công suất kéo tàu trong thử nghiệm 93
4.4.5.1 Công suất kéo của tàu tính theo lý thuyết 93
4.4.5.2 Công suất kéo của tàu trong thử nghiệm 94
4.4.5.3 Đánh giá hiệu quả áp dụng phun khí vào lớp biên đáy
tàu trong thử nghiệm 96
4.4.6 Thảo luận kết quả thực nghiệm 97

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO xii
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN xvi



MỞ ĐẦU
1. LÝ DO NGHIÊN CỨU, MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
Từ ngàn năm nay, các nhà khoa học trên thế giới đã luôn tìm tòi, nghiên cứu về các
hiện tượng rất thú vị trong tự nhiên. Sự chuyển động của một vật thể trong nước
cũng là một trong những nghiên cứu miệt mài của các nhà khoa học để giải đáp cho
các thắc mắc như: vật thể sẽ chịu những tác động gì khi di chuyển trong chất lỏng?
tác động đó ảnh hưởng như thế nào đối với các vật thể khác nhau? sự tương tác giữa
vật thể và chất lỏng bao quanh? làm thế nào để vật thể di chuyển trong chất lỏng
được dễ dàng Sau quá trình nghiên cứu miệt mài, các nhà khoa học đã tìm ra
những định luật, những phương trình cũng như những sản ph m nghiên cứu thực tế
để chứng minh cho lí thuyết cơ bản. Với công nghệ hiện đại, máy tính và các phần
mềm chuyên dụng đã giúp con người rất nhiều trong việc nghiên cứu ảnh hưởng
của dòng chảy tới vật thể chuyển động trong chất lỏng và ngược lại sự thay đổi hình
dạng, kết cấu vật thể tác động lên dòng chảy. Điều này cũng có ý nghĩa lớn trong
việc nghiên cứu lực cản và giảm lực cản tàu thủy trong quá trình vận hành nhằm
mục đích giảm chi phí khai thác tàu, góp phần tiết kiệm năng lượng nhiên liệu, giảm
lượng khí thải.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phương nghiên cứu nhằm giảm lực cản tàu thủy.
Trong đó, phương pháp tạo bọt khí là một trong những phương pháp có hiệu quả và
tính khả thi cao. Tuy nhiên, phương pháp này chưa được áp dụng nghiên cứu tại
Việt Nam trong khi ngành đóng tàu nước ta đã có những bước phát triển đáng kể.
Chính vì vậy, đề tài: “Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương
pháp tạo bọt khí” với mục đích nghiên cứu, kiểm nghiệm phương pháp tạo bọt khí
nhằm giảm lực cản tàu thủy và khả năng ứng dụng phương pháp đó trong thực tế
khai thác tàu thủy.
2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài đã giúp tác giả nâng cao kiến thức cũng như khả năng tự nghiên cứu, ứng
dụng và phát triển khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực Cơ học chất lỏng và
Đóng tàu. Những kết luận quan trọng của đề tài đã khẳng định vai trò giảm lực cản
của phương pháp tạo bọt khí, đặc biệt áp dụng đối với tàu hàng vận tải.
Đề tài đã có đóng góp mới trong việc xây dựng mô hình tính toán, mô phỏng thủy
động lực học dòng chảy bằng phần mềm thương mại ANSYS FLUENT để khảo sát
trực tiếp ảnh hưởng của bọt khí tới giảm lực cản tàu vận tải, mở ra khả năng ứng
dụng nghiên cứu khả năng giảm lực cản nhớt khi thay đổi cấu trúc lớp biên.
Các kết quả nghiên cứu được kiểm chứng bằng thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm
trọng điểm: Bể thử mô hình tàu thủy thuộc Viện khoa học công nghệ tàu thủy Việt
Nam đã khẳng định tính khả thi và ý nghĩa khoa học không nhỏ của việc giảm lực
cản tàu vận tải bằng phương pháp tạo bọt, đồng thời góp phần củng cố luận cứ khoa
học cho quá trình công nghệ đóng tàu, sử dụng hiệu quả và khai thác tàu trong
tương lai tại Việt Nam.

3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Các thông số cơ bản của tàu, thành phần lực cản tàu, thông số động lực học dòng
chảy là đối tượng nghiên cứu quan trọng của đề tài.
Để thực hiện nội dung đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: Lý thuyết
lớp biên - lực cản; Lực cản tàu và một số công trình nghiên cứu giảm lực cản tàu;
Mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu bằng ANSYS FLUENT và tính toán lực
cản tàu khi áp dụng phương pháp tạo bọt khí nhằm giảm lực cản tàu; Nghiên cứu
bằng thực nghiệm giảm lực cản tàu khi phun khí vào lớp biên đáy mô hình tàu hàng
20.000 DWT; So sánh kết quả lực cản tàu đã nghiên cứu theo phương pháp lý
thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm; Đánh giá hiệu quả của phương pháp tạo bọt
khí giảm lực cản nhớt của tàu.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết , mô phỏng số và
thực nghiệm. Đây là phương pháp nghiên cứu hiện đại đang được sử dụng phổ biến,
kết quả nghiên cứu có độ tin cậy cao.
Phần nghiên cứu lý thuyết bắt đầu với việc thống kế các kết quả nghiên cứu cơ sở lý
thuyết Cơ học chất lỏng, động lực học tàu thủy, phân tích các thành phần lực cản,
các phương pháp làm giảm lực cản với tập trung chuyên sâu vào phương pháp tạo
bọt khí nhằm giảm lực cản nhớt của tàu vận tải.
Đề tài sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT, xây dựng mô hình tính, mô phỏng
thủy động lực học dòng chảy để khảo sát ảnh hưởng ảnh của bọt khí tới lực cản tàu.
Đây là phương pháp đã được phát triển và ứng dụng trên thế giới, song nó được áp
dụng lần đầu cho việc mô phỏng của phương pháp giảm lực cản tàu bằng phun khí
ở Việt Nam. Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả lý thuyết, thể hiện tính đúng
đắn của việc thiết lập mô hình tính toán cũng như các điều kiện biên tương ứng.
Nghiên cứu thực nghiệm khả năng giảm lực cản tàu bằng phương pháp tạo bọt được
tiến hành thông qua thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu của mô hình tàu
hàng đáy phẳng 20.000 DWT chạy trên mặt nước tĩnh và chạy trên sóng hình sin.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm phù hợp với kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô
phỏng số. Điều này thể hiện tính đúng đắn của việc thiết lập bài toán lý thuyết và sự
phù hợp của phương pháp nghiên cứu, hứa hẹn khả năng ứng dụng cao của phương
pháp phun khí đáy tào đối với tàu hàng cỡ lớn đóng ở Việt Nam trong tương lai.