Luận án tiến sĩ: Đề xuất hình dáng tàu container phù hợp tuyến luồng sông biển Việt Nam - TS. Nguyễn Thị Ngọc Hoa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ NGỌC HOA NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HÌNH DÁNG TÀU CHỞ CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số chuyên ngành: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP Hồ Chí Minh, 2021 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ NGỌC HOA NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HÌNH DÁNG TÀU CHỞ CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số chuyên ngành: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Lê Tất Hiển TP Hồ Chí Minh, 2021 luan an i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong suốt luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ luận án nghiên cứu nào khác. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn, tham chiếu đầy đủ.

Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Ngọc Hoa luan an ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí của trường đã cho phép và tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn khoa học: PGS. TS Vũ Ngọc Bích và PGS. TS Lê Tất Hiển đã nhiệt tình hướng dẫn, định hướng giúp tôi hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các chuyên gia tham gia góp ý và phản biện trong các hội đồng bảo vệ tổng quan, bảo vệ chuyên đề đã giúp tôi làm sáng tỏ các vấn đề từ đó có nghiên cứu trọng tâm để hoàn thiện luận án Tôi cũng xin cảm ơn đơn vị thiết kế tàu đã hỗ trợ tài liệu, các mô phỏng cần thiết giúp tôi có thể ứng dụng trong nghiên cứu, xây dựng và đánh giá mô hình toán mô phỏng chính xác Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã luôn động viên, khuyến khích, tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận án này.

Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngọc Hoa luan an iii TÓM TẮT Vấn đề sử dụng năng lượng hiệu quả cho phương tiện thủy ngày càng mang tính cấp thiết vì liên quan đến tiết kiệm nhiên liệu trong khai thác tàu và các yêu cầu bắt buộc của Ủy ban bảo vệ môi trường biển (MEPC) thuộc Tổ chức hàng hải quốc tế (IMO) về giảm ô nhiễm môi trường và lượng phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính toàn cầu. Đối với các tàu chạy tuyến SB (pha sông biển), mặc dù nằm ngoài đối tượng áp dụng các quy định trên của IMO, cũng cần phải thỏa mãn các quy định, nghị quyết, các luật của Việt Nam về mục tiêu sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm. Chính vì vậy, bài toán nghiên cứu các giải pháp thiết kế phương tiện thủy nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng đang là chủ đề có tính thời sự không những đối với đội tàu chạy chuyến quốc tế của Việt Nam nói chung mà còn đối với cả đội tàu SB nói riêng. Trong luận án này, tác giả trình bày phương pháp luận trong thiết kế tuyến hình tàu SB và phân tích, trình bày hàm mục tiêu sức cản dựa trên phương pháp bán thực nghiệm Holtrop, có xét điều kiện ràng buộc độ sâu tuyến luồng sông biển Việt Nam.

Kế đến, thuật toán tối ưu hóa di truyền được xây dựng để chọn lựa thông số hình dáng phù hợp theo hướng giảm sức cản tàu, từ đó tiết kiệm được nhiên liệu cho tàu, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường. Cuối cùng, luận án đã thiết lập và đề xuất mô hình toán NUBS cho hình dáng tàu để giải quyết tính mất liên tục giữa các phân đoạn mũi, lái và thân ống sau hiệu chỉnh Lackenby và mở rộng đề xuất tập hợp hàm cơ sở NUBS phù hợp cho tàu container tuyến luồng sông biển. Phương pháp mô phỏng số (CFD) được sử dụng để tính toán lực cản tàu nhằm đánh giá, kiểm chứng hình dáng thân tàu container và khẳng định kết quả cải tiến hình dáng thân tàu container theo mô mình toán đề xuất. luan an iv ABSTRACT The issue of efficient energy use for ships is urgent because of fuel-saving in ship operation and the mandatory requirements of the Marine Environment Protection Committee (MEPC) of the International Maritime Organization (IMO) to reduce environmental pollution global and greenhouse gas emissions.

For ships operating on the coastal route (both at sea and in inland waters), although they are not subject to the application of the above regulations of IMO, it is also necessary to satisfy the regulations, resolutions, and laws of Vietnam on the intended use of energy-efficient and economical. Therefore, researching solutions to design vessels to improve energy efficiency is critical for Vietnam's international fleet of ships in general and the whole coaster fleet in particular. In this thesis, the author presents the methodology in designing the hull form of a sea-river ship and analyzes and presents the objective function of resistance based on the Holtrop semi-empirical method, considering the condition of constraining the shallow water of the Vietnamese waterway. Next, a genetic optimization algorithm was built to select suitable hull form parameters to reduce ship resistance, thereby saving fuel for ships, improving economic efficiency, and reducing environmental pollution.

Finally, the NUBS mathematical model has been established and proposed for the ship hull form to solve the discontinuity between the bow, aft, and mid-body after Lackenby variation and extended the proposed set of basis functions of NUBS is suitable for container ships on the coastal route. The computational fluid dynamic method (CFD) is used to calculate the ship resistance to evaluate and verify the hull form and confirm the results of improving the hull form of the container ship according to the proposed NUBS mathematical model. luan an v MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT. viii DANH MỤC HÌNH VẼ .x DANH MỤC BẢNG BIỂU .xv MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM.

Tổng quan về tuyến vận tải thủy sông biển trong hệ thống vận tải đa phương thức .1 Vai trò, thực trạng vận tải thủy trên thế giới và tại Việt Nam.2 Đặc điểm ràng buộc thủy – hải văn ảnh hưởng đến hình dáng phương tiện thủy trên tuyến luồng sông biển Việt Nam. Tổng quan kích thước cơ bản và ràng buộc thiết kế cho hình dáng tàu container tuyến luồng sông biển trên thế giới và tại Việt Nam. Hướng tiếp cận cải tiến tuyến hình tàu container nhằm giảm sức cản dựa trên giải thuật tối ưu và đồ họa máy tính.1 Tiếp cận tối ưu hóa hình dáng dựa trên xây dựng tuyến hình từ tàu mẫu phù hợp với tuyến luồng sông biển Việt Nam .2 Tiếp cận đồ họa máy tính để xây dựng mô hình toán tuyến hình. Kết luận chương 1.

27 CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU SỨC CẢN TÀU CONTAINER SB. Cơ sở phương pháp luận trong thiết kế hình dáng tàu container SB. Phân tích lựa chọn phương pháp xác định sức cản tàu. Nghiên cứu, xây dựng hàm mục tiêu sức cản theo phương pháp Holtrop.1 Tổng quan về các thành phần sức cản .2 Tích hợp phương pháp Holtrop vào hàm mục tiêu sức cản.3 Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tích phân gần đúng các hệ số hình dáng tàu trên cơ sở đường cong diện tích sườn (SAC).

Tích hợp ảnh hưởng vùng nước hạn chế đến sức cản toàn tàu. 45 luan an vi 2.1 Ảnh hưởng của vận tốc tới hạn trên tuyến luồng đến sức cản tàu SB.2 Ảnh hưởng độ sâu luồng lạch và hình dáng tàu đến sức cản tàu SB. 50 CHƯƠNG 3 : NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU THÔNG SỐ HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER SB. Cơ sở giải thuật tối ưu di truyền trong kỹ thuật .1 Tổng quan về cơ sở tối ưu và giải thuật di truyền .2 Đánh giá hiệu quả thuật toán di truyền dựa trên các hàm toán cơ sở.

Xây dựng giải thuật tối ưu di truyền trong đề xuất hình dáng phương tiện thủy .1 Cơ chế mã hóa và chọn lựa .2 Cơ chế lai ghép .3 Cơ chế đột biến .4 Các ràng buộc thông số hình dáng tàu tiếp cận dựa trên đường cong diện tích sườn SAC 64 3. 71 CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER SB THEO HÀM THAM SỐ NUBS. Cơ sở hiệu chỉnh hình dáng tàu dựa trên đường cong SAC .1 Phương pháp hiệu chỉnh hình dáng tàu 1 – Cp .2 Phương pháp hiệu chỉnh hình dáng tàu Swing .3 Phương pháp hiệu chỉnh hình dáng tàu Lackenby .4 Về tính trơn và liên tục của đường cong SAC sau hiệu chỉnh Lackenby. Xây dựng mô hình toán đường hình dáng tàu với sự hỗ trợ của hàm tham số NUBS .1 Cơ sở toán hàm tham số trong xây dựng hình dáng tàu.2 Tính liên tục của hàm tham số trong xây dựng hình dáng tàu .3 Thiết lập phương trình toán học biểu diễn đường cong tham số NUBS (Non-Uniform B-spline) .4 Thiết lập vector nút (knot vector).

84 luan an vii 4.5 Thuật toán nghịch đảo NUBS (reverse engineering) từ đường cong diện tích sườn lý thuyết SAC. Kết quả và thảo luận. 89 CHƯƠNG 5 : ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THUẬT TOÁN XÂY DỰNG HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER SB. Đánh giá các hệ số hình dáng theo đường cong SAC và hàm sức cản tối ưu di truyền .1 Kết quả tích phân số đường cong diện tích sườn từ hình dáng tàu mẫu .2 Đánh giá hiệu quả hình dáng tàu theo hàm mục tiêu tối ưu sức cản có xét đến ảnh hưởng độ sâu luồng lạch.

Đánh giá tuyến hình tàu container 128TEU xây dựng từ hàm cơ sở NUBS .1 Kết quả đường cong diện tích sườn lý thuyết SAC sau hiệu chỉnh Lackenby .2 Kết quả mô hình toán NUBS được hiệu chỉnh theo dạng ma trận không vuông. Đánh giá hiệu quả hình dáng tàu dựa trên tính toán mô phỏng số .1 Thiết lập các phương trình cơ bản (governing equations) và mô hình dòng rối (turbulence model) .2 Thiết lập miền tính toán, chia lưới và điều kiện biên. 123 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CỐNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH .127 TÀI LIỆU THAM KHẢO. TỔNG HỢP CÁC BÀI BÁO, KỶ YẾU.

LẬP TRÌNH CODE MATLAB .