Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy khi thay đổi hướng chuyển động

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH NCS. NGUYỄN THÀNH NHẬT LAI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN TÀU THỦY TRONG QUÁ TRÌNH THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH - 2020 luan an BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.

HỒ CHÍ MINH NCS. NGUYỄN THÀNH NHẬT LAI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN TÀU THỦY TRONG QUÁ TRÌNH THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC HÀNG HẢI MÃ SỐ: 9840106 Người hướng dẫn khoa học: 1. Phạm Kỳ Quang 2. HỒ CHÍ MINH - 2020 luan an MỤC LỤC MỤC LỤC.

i LỜI CAM ĐOAN. vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU. vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ. ix DANH MỤC CÁC BẢNG.

xvi MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của luận án. Mục tiêu nghiên cứu của luận án. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án.

Phương pháp nghiên cứu của luận án. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Những điểm đóng góp mới của luận án. Bố cục của luận án.

TỔNG QUAN ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN TÀU THỦY. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của luận án. Phân tích tình hình nghiên cứu trên thế giới. Phân tích tình hình nghiên cứu trong nước.

Tổng quan về động lực học dòng chảy bao tàu thủy và CFD. Một số khái niệm về động lực học dòng chảy bao tàu thủy 11 1. Khái niệm về CFD. Một số khái niệm liên quan đến chuyển động tàu thủy.

Cơ sở lý thuyết về ổn định tàu thủy. Giới hạn vấn đề nghiên cứu của luận án. Kết luận chương 1. ỨNG DỤNG CFD TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO QUANH TÀU THỦY.

Xây dựng mô hình nghiên cứu và cơ sở toán học. Xây dựng mô hình nghiên cứu. Cơ sở toán học. Tính toán mô phỏng động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy.

Giới hạn điều kiện biên. Một số cửa sổ chính khi tính toán cùng Fluent-Ansys. Phân tích kết quả tính toán mô phỏng. Trường hợp tàu đi thẳng.

Trường hợp tàu thay đổi hướng chuyển động. Kết quả tính toán mô phỏng cho bài toán 2D. Kết quả tính toán mô phỏng cho bài toán 3D. Kết luận chương 2.

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN TÀU THỦY KHI THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG. Xây dựng mô hình bài toán và quy trình tính toán mô phỏng. Xây dựng mô hình bài toán nghiên cứu. Xây dựng quy trình tính toán mô phỏng.

Kết quả tính toán mô phỏng của từng trường hợp. Điều kiện đầu vào. 65 ii luan an 3. Kết quả tính toán mô phỏng cho từng trường hợp khi hướng chuyển động thẳng, khi thay đổi hướng chuyển động và vận tốc của tàu.

Trường hợp tàu chuyển động thẳng. Trường hợp thay đổi hướng chuyển động của tàu θ = 0100. Trường hợp thay đổi hướng chuyển động θ = 0200 và θ = 0300. Tổng hợp, phân tích và đánh giá kết quả tính toán mô phỏng.

Đối với giá trị lực cản. Đối với giá trị lực ly tâm. Đối với giá trị mô men gia thêm. Kết luận chương 3.

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM: PHÂN TÍCH, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. Một số mô hình bể thử tàu. Thiết kế và chế tạo mô hình tàu nghiên cứu thực nghiệm. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm.

Thiết kế chế tạo một số thiết bị chính. Quy trình và phương án nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Quy trình vận hành bể thử mô hình tàu. Giới hạn phương án nghiên cứu thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu. Dữ liệu cơ bản liên quan tại bể thử mô hình tàu. Phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm. 96 iii luan an 4.

Tổng hợp, so sánh và đánh giá kết quả tính toán mô phỏng và kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Kết luận chương 4. 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.

109 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 110 PHẦN PHỤ LỤC (Gồm 03 phụ lục). 115 PHỤ LỤC 1: HỒ SƠ LIÊN QUAN M/V TAN CANG FOUNDATION PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG BẰNG NAPA PHỤ LỤC 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ CHỨNG NHẬN KẾT QUẢ TẠI BỂ THỬ MÔ HÌNH TÀU CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM iv luan an LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Nguyễn Thành Nhật Lai - Nghiên cứu sinh chuyên ngành: Khoa học hàng hải và là tác giả luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động”, dưới sự hướng dẫn của tập thể người hướng dẫn khoa học: Thầy PGS. Phạm Kỳ Quang và thầy TS.

Bằng danh dự của bản thân, nghiên cứu sinh xin cam đoan rằng: - Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng nghiên cứu sinh, không có phần nội dung nào được sao chép một cách bất hợp pháp, từ công trình nghiên cứu của tác giả hay nhóm tác giả khác; - Các số liệu, kết quả nghiên cứu được nêu trong luận án, chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác trước đó; - Các thông tin, số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo trong luận án đều được chỉ rõ về xuất xứ, nguồn gốc và đảm bảo tính trung thực. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 02 năm 2020 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thành Nhật Lai v luan an LỜI CẢM ƠN Với sự nỗ lực không ngừng của bản thân trong quá trình học tập, nghiên cứu, tìm tòi tài liệu, vận dụng kiến thức đã học trong Nhà trường và thực tiễn công tác. Được sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của các thầy hướng dẫn khoa học, nhà khoa học, thầy cô giáo, đồng nghiệp và gia đình, đến nay luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh đã được hoàn thành. Có được kết quả này, trước tiên, nghiên cứu sinh xin trân trọng và bày tỏ sự tri ân đến thầy PGS.

Phạm Kỳ Quang, thầy TS. Vũ Văn Duy, đã hướng dẫn tận tình, chu đáo suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án tiến sĩ tại Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu sinh trân trọng cám ơn, sự động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất của Trường Đại học Giao thông vận tải TP.

Hồ Chí Minh, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Lãnh đạo các Ban/Ngành, Viện nghiên cứu, các đơn vị, công ty vận tải thủy, cảng vụ Hàng hải,… trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Nhà trường. Nghiên cứu sinh trân trọng cám ơn và cầu thị tiếp thu các ý kiến đóng góp và nhận xét từ các nhà khoa học, các chuyên gia, giảng viên, cán bộ công nhân viên trong và ngoài Nhà trường. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn cán bộ, chuyên viên của Viện Đào tạo sau đại học, Khoa Hàng hải, các Phòng, Ban chức năng của Nhà trường, đã tạo điều kiện thuận lợi, động viên, giúp đỡ trong quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành luận án tiến sĩ tại Nhà trường. Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp, đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất, trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh.

Rất mong tiếp tục nhận được sự đóng góp ý kiến cho luận án, từ các nhà khoa học, các thầy cô giáo, cán bộ, giảng viên và đồng nghiệp. Nghiên cứu sinh: Nguyễn Thành Nhật Lai vi luan an DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa CFD Tính toán động lực học dòng chảy E Năng lượng Flt Lực ly tâm, (N) Fr, Fn Số Froude g Gia tốc trong trường, (m/s2) ITTC-57 Tiêu chuẩn đồng dạng của Hội đồng bể thử quốc tế Ls Chiều dài tàu thực, (m) Lm Chiều dài tàu mô hình (m) NCS Nghiên cứu sinh P Lực gia thêm, (N) r Bán kính vòng quay tàu thủy, (m) R Lực cản (N) RL Lực bẻ lái tác động lên bánh lái, (N) RD Lực cản tác động lên bánh lái, (N) RTM Lực cản của tàu mô hình, (N) RTS Lực cản của tàu thực, (N) T Lực đẩy do chân vịt tàu thủy tạo ra, (N) T’ Lực cản tác động lên vỏ tàu thủy, (N) T* Lực đổ ngang tác động lên chân vịt tàu thủy, (N) Tgt Lực cản gia thêm, (N) VOF Tên phương pháp: Thể tích chất lỏng VS, Vp, Vt Vận tốc của tàu thực, (knot, m/s) VM, Vm Vận tốc mô hình tàu, (m/s) α Góc bẻ lái, (độ) αk Tỷ lệ thể tích pha thứ k vii luan an β Góc nghiêng, (độ) γ Trọng lượng riêng của chất lỏng θ Góc thay đổi hướng chuyển động, (độ) ρ Khối lượng riêng của chất lỏng, (kg/m3) viii luan an DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hình Tên hình vẽ và đồ thị Trang Ứng dụng CFD nghiên cứu lực cản và ảnh hưởng của 1.2 CFD với tương tác dòng chảy qua chân vịt - bánh lái 8 1.3 Kết quả tính toán mô phỏng về mặt thoáng 8 1.4 Mô hình 3D tàu Ajax (IMD-523C) 9 Kết quả tính toán mô phỏng bằng CFD và nghiên cứu 1.5 thực nghiệm trên mô hình tàu của tác giả Brendan 9 Smoker 1.6 Hình ảnh mô tả dòng chảy rối 14 1.7 Quan hệ giữa vận tốc và thời gian của dòng chảy rối 14 1.8 Phân chia thang đo mức dịch chuyển của phần tử lỏng 15 1.9 Mô tả về điều kiện biên 17 Quy trình tính toán mô phỏng bằng CFD trong lĩnh vực 1.10 19 khoa học hàng hải 1.11 Mô tả thành phần và tham số động học của chuyển động tàu 25 Thành phần và tham số động học của chuyển động tàu xét 1.12 25 trong mặt phẳng nằm ngang 1.13 Minh họa ổn định tàu thủy 26 1.14 Ổn định của tàu tại góc nghiêng nhỏ 28 1.15 Ổn định của tàu tại góc nghiêng lớn 28 1.16 Đồ thị đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh 30 ix luan an Mô phỏng mô hình tàu đồng dạng theo tiêu chuẩn với 2.1 32 M/V TAN CANG FOUNDATION 2.2 Mô tả hình ảnh các đường mớn nước khảo sát 33 2.3 Mô hình bài toán nghiên cứu và các điều kiện biên 34 2.