Luận án tiến sĩ Ứng dụng CFD xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ - Lê Văn Toàn - ĐH Nha Trang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ______________________________________ LÊ VĂN TOÀN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) XÁC ĐỊNH SỨC CẢN TÀU CÁ VỎ GỖ VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÁNH HÒA – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ______________________________________ LÊ VĂN TOÀN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) XÁC ĐỊNH SỨC CẢN TÀU CÁ VỎ GỖ VIỆT NAM Ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TRẦN GIA THÁI KHÁNH HÒA - 2017 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Nha Trang Người hướng dẫn khoa học: PGS. Trần Gia Thái ………………………………………. Phản biện 1: PGS.

Nguyễn Đức Ân ………………………………………. Phản biện 2: PGS. Phan Anh Tuấn ………………………………………. Phản biện 3: PGS.

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả nghiên cứu trong đề tài: “Ứng dụng lý thuyết CFD (Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. Trần Gia Thái và chưa từng công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này. Khánh Hòa, Ngày … tháng 7 năm 2017 Tác giả luận án (Ký và ghi rõ họ tên) Lê Văn Toàn i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý Phòng, Ban Trường Đại học Nha Trang đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận án. Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tâm của Thầy hướng dẫn khoa học PGS.Trần Gia Thái.

Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy về sự giúp đỡ này. Xin cảm ơn quý thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật tàu thủy, Khoa Kỹ thuật giao thông, quý thầy cô Khoa Sau đại học, Trường Đại học Nha Trang, đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập và thực hiện luận án tại Trường. Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn! Khánh Hòa, ngày … tháng 7 năm 2017 Tác giả luận án (Ký và ghi rõ họ tên) Lê Văn Toàn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

ii DANH MỤC KÝ HIỆU. vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT. x DANH MỤC CÁC BẢNG. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .xiii MỞ ĐẦU.

LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI. Ý nghĩa khoa học của đề tài. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài.

MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. Mục tiêu nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.

Phương pháp nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu. 6 Chương 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI.

Mô hình tàu Wigley và phương pháp số của Michell. Phương pháp phần tử biên - BEM (Boundary Element Method). Phương pháp Panel. Phương pháp RANS (Reynold Average Navier-Stoke).

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC. NHẬN XÉT CHUNG. Về mẫu tàu tính toán. Về mô hình tính và phương pháp giải.

Về công cụ giải. Về kết quả và độ chính xác của kết quả tính. ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU. 40 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

SỨC CẢN TÀU THỦY. Các thành phần sức cản. Bản chất của các thành phần sức cản. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CFD.

Khái quát về CFD. Các phương trình chủ đạo. Phương trình RANS. Mô hình dòng chảy rối.

THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH GIẢI CÁC PHƯƠNG TRÌNH RANS. Thuật toán giải theo phương pháp thể tích hữu hạn (FVM). Thuật toán giải. Mã nguồn mở OpenFoam.

78 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU. LỰA CHỌN MẪU TÀU TÍNH TOÁN. PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG HỌC LOẠI TÀU TÍNH TOÁN. THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG DÒNG LƯU CHẤT.

Thuật toán giải bài toán mô phỏng dòng lưu chất bao xung quanh thân tàu. Lập trình giải trên OpenFOAM. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA LỜI GIẢI BÀI TOÁN TÍNH SỨC CẢN. BẰNG CFD PHÙ HỢP VỚI LOẠI TÀU ĐANG TÍNH.

Xây dựng mô hình hình học 3D vỏ tàu. Xác lập không gian miền tính toán. Rời rạc hóa không gian tính toán và mô hình hình học vỏ tàu. Thiết lập điều kiện ban đầu và điều kiện biên.

TÍNH TOÁN CHO CÁC MẪU TÀU THỰC NGHIỆM M1317A VÀ M1319. Tính toán trường dòng chất lỏng bao xung quanh tàu. Tính lực thủy động và mômen thủy động. Tính và xây dựng đường cong sức cản.

140 Chương 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ. Đánh giá kết quả tính sức cản. Đặc điểm của các thành phần sức cản.

Về file hình học bề mặt vỏ tàu. Lời giải CFD của bài toán xác định sức cản tàu cá Việt Nam. Đặc điểm của các thành phần sức cản của mẫu tàu cá vỏ gỗ Việt Nam. Đặc điểm trường dòng và giá trị vận tốc khai thác, vận tốc giới hạn hợp lý.

Độ tin cậy của kết quả nghiên cứu. 162 v DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ. 163 TÀI LIỆU THAM KHẢO .1 vi DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu La mã A Hằng số a Hệ số ma trận B Hằng số lớp log-law BWL Chiều rộng đường nước b Lực khối CR Số Courant CDkw Hệ số khép kín mô hình rối SST k − ω Cd Hệ số cản CT , CF , CR Hệ số sức cản toàn bộ, sức cản ma sát, sức cản dư d Vector giữa P và N Fn Số Froude F1 , F2 Hàm trộn 1 và 2 của mô hình rối SST k − ω H Hạng ma trận h Tham số khoảng cách lưới i, j, k Các vector đơn vị theo hướng trục x, y và z k Động năng rối LPP Chiều dài đo giữa hai đường vuông góc mũi-lái LWL Chiều dài đường nước Lr Chiều dài tham chiếu le Kích thước trung bình của năng lượng các xoáy nước m Khối lượng N Trung tâm ô lân cận P Trung tâm ô Pk Suất động năng rối p Áp suất Q Biến dòng bất kỳ q Số hạng nguồn Rc Độ cong ngang vii RF Sức cản ma sát RT Sức cản toàn bộ Rr Sức cản dư S, Ω Diện tích mặt ướt Sij Tensor ứng suất t** Chiều dày lớp biên do tổn hao xung lực T Khoảng thời gian lấy tích phân d Mớn nước t Thời gian U, Us Vận tốc Ur Vận tốc giả định U∞ Vận tốc dòng tự do ui Vận tốc tức thời trong ký hiệu tensor uτ Vận tốc tiếp tuyến u+ Vận tốc không thứ nguyên V Thể tích xi Tọa độ không gian theo hướng thứ i y Khoảng cách với tường y+ Khoảng cách với tường không thứ nguyên Ký hiệu Hy lạp α Hệ số biểu thị tỉ lệ hòa trộn 2 pha trong ô tính toán α1 , α2 Các hệ số khép kín mô hình rối SST k−ω β1 , β2 , β∗ Các hệ số khép kín mô hình rối SST k−ω δi,j Kronecker delta δ∗ Chiều dày dịch chuyển lớp biên δ2 Chiều dày dịch chuyển lớp biên trong trường hợp có độ cong ngang η Tỉ lệ chiều dài Kolmogorov κ Hằng số von Kármán (von Kármán constant) viii µ Độ nhớt động lực µt Độ nhớt xoáy động lực µeff, k , µeff, w Các hệ số hiệu ứng độ nhớt rối do k và e gây ra ν Độ nhớt động học νt Độ nhớt xoáy động học ρ Mật độ σk1, σk2, σω2, σω2 Hệ số khép kín của mô hình rối SST k − ω τw Ứng suất cắt tường φ Phần nhỏ thể tích e Vận tốc tiêu tán động năng rối ω Vận tốc nhiễu loạn động năng rối Chỉ số trên n Mức thời gian T Chuyển vị 0 Biến động xung quanh giá trị trung bình - Giá trị trung bình o Mức thời gian cũ Chỉ số dưới f Giá trị trên mặt ô m Mô hình N Ô lân cận P Ô chủ t Tàu thật Toán tử ∇ gradient ∇× divergence D/Dt Đạo hàm thực ix DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BEM : Boundary Element Method (Phương pháp phần tử biên) CD : Central Differencing Scheme (Sai phân trung tâm) CFD : Computational Fluid Dynamics (Tính toán động lực học lưu chất) CV : Control Volume (Thể tích điều khiển) DNS : Direct Numerical Simulation (Mô phỏng số trực tiếp) FVM : Finite Volume Method (Phương pháp thể tích hữu hạn) GAMG : Geometric Algebraic Multigrid Method (Số hoá đa giác hình học) ITTC : International Towing Tank Conference (Hội nghị bể thử quốc tế) LES : Large Eddy Simulation (Mô phỏng xoáy lớn) LTS : Local Time Stepping (Bước thời gian cục bộ) OpenFOAM : Open source Field Operation And Manipulation (Mã nguồn mở) PBiCG : Preconditioned Biconjugate Gradient (Hiệu chỉnh trước Gradient) PDE : Partial Differential Equation (Phương trình vi phân từng phần) PISO : Pressure-Implicit with Splitting of Operator (Thuật toán tính áp suất ẩn) RANS : Reynold Averaged Navier-Stokes Equations (Phương trình Navier-Stokes trung bình số Reynold) SIMPLE : Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (Thuật toán tính bán ẩn áp suất) SST : Shear Stress Transport (Chuyển vị ứng suất cắt) UD : Upwind Differencing (Sai phân ngược) VOF : The Volume of Fluid method (Phương pháp thể tích chất lỏng) x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Các thông số chính của tàu DTMB-5415.

Các thông số chính của tàu. Thông số kích thước tàu. Giá trị hệ số sức cản CT, CR, CF tại Fn = 0. Các thông số chính của tàu container.

Giá trị sức cản mẫu tàu tính toán. Các thông số kỹ thuật chính của tàu container KCS. Các hằng số của mô hình SST. Các thông số hình học của mẫu tàu M1317A.

Kết quả thử nghiệm kéo trên nước tĩnh và khi chuyển đổi sang tàu thật của mô hình tàu M1317A ở chế độ d = 1. Các thông số hình học của mẫu tàu M1319. Kết quả thử nghiệm kéo trên nước tĩnh và khi chuyển đổi sang tàu thật của mô hình tàu M1319 ở chế độ d = 0. Đặc điểm hình học tàu cá Việt Nam phân theo nghề khai thác.

So sánh thông số Fn, CB, Lpp của tàu chở hàng chạy biển thông thường và tàu cá vỏ gỗ Việt Nam. So sánh các thông số hình học của mẫu tàu M1317A và mô hình dựng trong phần mềm Autoship. So sánh các thông số hình học cơ bản của mẫu tàu M1319 và mô hình mẫu tàu dựng trong phần mềm Autoship.