Ứng dụng CFD tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê - Luận án TS Huỳnh Văn Chính

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH HUỲNH VĂN CHÍNH ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC LƢU CHẤT (CFD) TRONG TỐI ƢU HÓA HÌNH DẠNG MŨI TÀU QUẢ LÊ LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH – 2022 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH HUỲNH VĂN CHÍNH ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC LƢU CHẤT (CFD) TRONG TỐI ƢU HÓA HÌNH DẠNG MŨI TÀU QUẢ LÊ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ: 9520116 Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Trần Gia Thái TS. Bùi Hồng Dƣơng TP. HỒ CHÍ MINH – 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả nghiên cứu trong đề tài luận án: “Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.

Trần Gia Thái và TS. Bùi Hồng Dƣơng và chƣa từng công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 4 năm 2022 Nghiên cứu sinh Huỳnh Văn Chính ii LỜI CÁM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện luận án, bản thân tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình của Phòng, Ban Trƣờng Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh. Đặc biệt là sự hƣớng dẫn tận tâm của PGS.

Trần Gia Thái và TS. Bùi Hồng Dƣơng. Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến các Thầy về sự giúp đỡ này. Nhân dịp này tôi cũng xin gởi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu, Thầy Cô Viện Cơ Khí, Viện Đào tạo Sau Đại học Trƣờng Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án tại Trƣờng.

Tôi xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 4 năm 2022 Tác giả Huỳnh Văn Chính iii TÓM TẮT 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 các hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cho tàu đi biển. Với tàu cá, mũi quả lê còn cho phép cải thiện đƣợc hiệu quả đánh bắt trên biển nhờ tàu có độ chúi dọc và độ ổn định khi lắc dọc tốt hơn so với khi không trang bị dạng mũi này. 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 có thể làm giảm đến (10-15)% sức cản tổng của tàu, 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. Các nghiên cứu trƣớc đây thƣờng thử mô hình một loạt hình dạng thân tàu và quả lê, và dựa trên cơ sở đó để tìm hình dạng quả lê phù hợp, tƣơng ứng sức cản tàu là nhỏ nhất, nhƣng các thử nghiệm nhƣ thế thƣờng mất nhiều thời gian, công sức, chi phí tốn kém. Một trong những nghiên cứu thực nghiệm toàn diện và nổi tiếng đã đƣợc thực hiện bởi M.Kracht (1978), trong đó ông đã phân tích dữ liệu thử nghiệm nhiều mô hình quả lê để thiết lập các đồ thị thiết kế sử dụng để thiết kế mũi quả lê cho các tàu đi biển hiện nay, tuy nhiên phƣơng pháp này cũng có những nhƣợc điểm cần đƣợc bổ sung, hoàn thiện. Các nghiên cứu gần đây thƣờng tối ƣu hóa quả lê cho các tàu đã có sẵn dạng mũi này, bằng cách thay đổi các kích thƣớc của nó và sử dụng phƣơng pháp tính hiện đại CFD (Computational Fluid Dynamics) để ƣớc tính giá trị hàm đơn mục tiêu vế sức cản tàu.

Từ những phân tích trên đây, cùng với chủ trƣơng hiện đại hóa đội tàu cá của nhà nƣớc trong thời gian gần đây, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án: Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng của mũi tàu quả lê với mục tiêu thiết kế mũi quả lê cho các tàu cá chƣa có sẵn dạng mũi này và ứng dụng CFD xác định hình dạng quả lê tối ƣu đảm bảo độ giảm sức cản tổng của tàu là lớn nhất. Trên cơ sở tổng hợp và phân tích các nghiên cứu và các cơ sở lý luận có liên quan, tác giả đã xây dựng hƣớng nghiên cứu và các dữ liệu khoa học cần thiết để giải quyết mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án, với những kết quả đạt đƣợc nhƣ sau: iv (1) Ƣớc tính sức cản của tàu tính toán với độ chính xác mong đợi bằng CFD Các nghiên cứu tính sức cản để tối ƣu hóa quả lê hiện nay thƣờng thực hiện cho mô hình tàu có sẵn và không có giải pháp đảm bảo độ chính xác của kết quả tính CFD. Nghiên cứu đã đƣợc ứng dụng để tính sức cản các tàu FAO 72 và FAO 75 bằng CFD với độ chính xác mong đợi, trên cơ sở đảm bảo độ chính xác của các thông số đầu vào, bao gồm mô hình tàu 3D, kích thƣớc miền tính toán và các hệ số của mô hình rối.  Bổ sung, hoàn thiện phƣơng pháp thiết kế mũi quả lê bằng đồ thị Kracht Phƣơng pháp thiết kế quả lê hiệu quả nhất hiện nay là sử dụng các đồ thị Kracht, tuy nhiên phƣơng pháp này chỉ áp dụng cho tàu có hệ số béo trong phạm vi (0.82), kích thƣớc quả lê chỉ gần tối ƣu, không đề cập việc nối quả lê thiết kế vào phần thân tàu.

Kết quả nghiên cứu đã bổ sung, hoàn thiện phƣơng pháp tính quả lê bằng đồ thị Kracht bằng cách xây dựng các đƣờng cong nội suy và ngoại suy để tính quả lê tàu FAO 75 có hệ số béo CB = 0.524 nằm ngoài phạm vi áp dụng (0.82) của đồ thị này, với quả lê ban đầu có chiều dài LPRo= 1.50 m, chiều rộng BBo= 1.70 m, chiều cao ZBo = 2.1 m, sau đó sử dụng AutoShip xây dựng đƣờng biên dạng và tích hợp quả lê vào thân tàu đảm bảo bề mặt tiếp giáp giữa quả lê và thân tàu trơn đều và các thông số quả lê không đổi. (3) Xây dựng mô hình toán và phƣơng pháp tối ƣu hóa mũi quả lê tàu cá Các nghiên cứu tối ƣu quả lê hiện nay thƣờng dựa trên hàm đơn mục tiêu sức cản không phù hợp với tàu cá và không đƣa ra ràng buộc hoặc cơ sở khi thay đổi kích thƣớc quả lê, dẫn đến các phƣơng án tính quả lê có thể là không đầy đủ hoặc không cần thiết. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng đƣợc mô hình và phƣơng pháp tối ƣu mũi quả lê tàu cá với hàm đa mục tiêu về độ giảm công suất có ích phù hợp các chế độ làm việc tàu cá nhằm phát huy tối đa hiệu quả của quả lê, xác định các giới hạn và ràng buộc thay đổi kích thƣớc để xây dựng ma trận phƣơng án tính quả lê phù hợp và giải bài toán tối ƣu dựa trên sự kết hợp CFD và mô hình thay thê. Kết quả đã tính đƣợc quả lê tối ƣu của tàu FAO 75 có chiều dài LPRop = 1.65 m, chiều rộng BBop = 1.91 m, chiều cao ZBop = 2.10 m dựa trên việc thay đổi đồng thời chiều dài và chiều rộng quả lê ban đầu với các gia số LPR = 0.21 m, và độ giảm sức cản tổng của tàu bằng khoảng 14%.

Từ khóa: mũi quả lê, FAO 75, tối ưu, CFD, đồ thi Kracht, tàu cá. v ABSTRACT The use of a bulbous bow is not only an effective solution to reducing resistance but can also improve most of the ship's features, thereby, reducing fuel consumption, increasing speed, stability, and some economic-technical efficiencies for seagoing ships. For fishing vessels, a bulbous bow improves fishing efficiency due to better trim and pitch motion. Until now, the optimal design and required power prediction of the vessel with a bulbous bow has still been difficult due to the complex interference between the waves generated by the bulbous bow, and the waves of the hull when the ship moves.

In case of positive interference between these waves, the ship resistance can be reduced by about (12-15)%, but a negative interference can greatly increase the resistance. Previous studies have often performed model tests for a series of hull and bulb shapes and based on that to find the optimal bulb, corresponding to the smallest ship resistance, however, such model tests are often time-consuming, and especially very expensive. One of the most comprehensive and well-known model testing studies was performed by M.Kracht (1978), in which he analyzed the test data of many bulb models to establish design graphs, called Kracht charts, used to design the bulb for current seagoing ships, however, this method also has limitations that need to be completed and improved. Recent studies have often optimized the bulb for ships that already have this bow shape, by varying its sizes and using the modern CFD method (Computational Fluid Dynamics) to predict the value of a single objective function in terms of the ship’s total resistance.

From the above analysis and the recent policy of modernizing the state's fishing fleet, the author has selected the thesis topic as “Application of computational fluid dynamics (CFD) method in the optimization of the bulbous bow shape” with the objective of designing a bulbous bow for fishing vessels, and appying the CFD method to find an optimal bulbous bow to achieve the maximum reduction in ship’s total resistance. Based on synthesizing and analyzing relevant studies and theoretical bases, the author has determined research directions and necessary scientific databases to solve the research objectives and contents of the thesis, and has achieved new research results, specifically as follows. vi (1) Predicting resistance of computation vessel with expected accuracy using CFD Current studies on resistance predicting for bulb optimizing are often performed for existing hull models without a solution to ensure the accuracy of CFD-based results. This research has been applied to predict the resistance of fishing vessels FAO72 and FAO 75, with the expected accuracy based on ensuring the accuracy of input parameters, including 3D hull models, domain computation size, and turbulence model coefficients.