Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

Tính cấp thiết của luận án Bánh lái là đối tƣợng điều khiển, nhằm thay đổi hƣớng chuyển động của tàu thủy. Bánh lái đƣợc đặt ngay sau chân vịt tàu thủy, để chuyển đổi năng lƣợng của dòng chảy thành lực bẻ lái. Vì vậy có thể nói các hiện tƣợng vật lý xung quanh vấn đề trao đổi năng lƣợng giữa dòng chảy và bánh lái ảnh hƣởng rất lớn đến lực bẻ lái tàu thủy. Một trong những hiện tƣợng phổ biến và quan trọng đó là xâm thực bánh lái, có diễn biến khá phức tạp và ảnh hƣởng rõ nét đến lực bẻ lái, đặc biệt khi tàu thủy liên tục thay đổi chế độ làm việc, khi điều động tàu, hoặc tàu chạy với tốc độ cao,.

Vậy cơ sở khoa học nào làm rõ vấn đề xâm thực trên bánh lái, cũng nhƣ phân tích ảnh hƣởng của chúng đến lực bẻ lái của tàu thủy; từ đó đƣa ra đƣợc giải pháp nhằm giảm thiểu tác hại mà xâm thực bánh lái gây ra. Hơn nữa, khi giải quyết đƣợc vấn đề này sẽ giúp cho các chuyên gia về lĩnh vực hàng hải có đƣợc thuật giải về điều khiển tàu thủy đủ thông minh để hạn chế ảnh hƣởng của xâm thực bánh lái, góp phần nâng cao an toàn hàng hải. Xuất phát từ cơ sở lý luận trên, nghiên cứu sinh (NCS) đã lựa chọn và nghiên cứu đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy”. Việc tính toán mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm đƣợc triển khai tại Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam, riêng nghiên cứu thực địa thực hiện trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng và khi tàu lên đà sửa chữa định kỳ tại nhà máy Ship Marine Sài Gòn.

Hơn nữa, nghiên cứu sinh đã kết hợp chặt chẽ vấn đề nghiên cứu trong đề tài luận án tiến sĩ với vấn đề nghiên cứu thực hiện trong hai đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải, mà nghiên cứu sinh là chủ nghiệm đề tài và thành viên tham gia. Cụ thể, nghiên cứu sinh 1 đã nghiên cứu và sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của hai đề tài Khoa học Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải năm 2017 là 23, 30: - “Xây dựng chương trình tính toán mô phỏng và thử nghiệm một số nguyên nhân cơ bản dẫn đến tai nạn hàng hải trên tuyến luồng Sài Gòn phục vụ công tác đào tạo và huấn luyện thuyền viên”, mã số: DT 174030 do nghiên cứu sinh làm chủ nhiệm đề tài, PGS. Phạm Kỳ Quang, TS. Vũ Văn Duy là các thành viên tham gia chính cùng một số thành viên khác; - “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh giá tác động của tổ hợp chân vịt - bánh lái đến đặc tính điều khiển hướng chuyển động tàu thủy”, mã số: DT 174003 do PGS.

Phạm Kỳ Quang làm chủ nhiệm đề tài, nghiên cứu sinh là thành viên tham gia chính, cùng một số thành viên khác. Mục đích nghiên cứu của luận án Nghiên cứu ảnh hƣởng của xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu: Hiện tƣợng xâm thực bánh lái tàu thủy và tác động của xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy. Phạm vi nghiên cứu của đề tài: - Làm rõ cơ sở khoa học về hiện tƣợng vật lý xâm thực bánh lái, nghiên cứu tính toán và mô phỏng số hiện tƣợng này, cũng nhƣ kiểm chứng một số kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm.

Từ đó phân tích những ảnh hƣởng mà hiện tƣợng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái. - Lựa chọn và sử dụng tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION, trọng tải 7040 MT, có chân vịt chiều phải để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm, để làm nổi bật tính khoa học và tính thực tiễn của vấn đề cần giải quyết, cụ thể: 2 Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu cơ sở lý luận về xâm thực nói chung và xâm thực bánh lái tàu thủy nói riêng; - Nghiên cứu cơ sở toán học trên nền tảng tính toán động lực học dòng chảy CFD (Computational Fluid Dynamics) để tính toán mô phỏng vùng xâm thực. Từ đó áp dụng tính toán mô phỏng chi tiết cho bánh lái của tàu M/V TAN CANG FOUNDATION khi bị xâm thực; - Nghiên cứu xây dựng mô hình nghiên cứu bằng phƣơng pháp số và quy trình tính toán mô phỏng ảnh hƣởng xâm thực cục bộ tại mép vào bánh lái và xâm thực mép thoát tới lực bẻ lái tàu thủy, tƣơng ứng với mỗi tổ hợp đầu vào (ni, i) khi xuất hiện xâm thực cục bộ.

Từ đó áp dụng tính toán mô phỏng chi tiết cho đối tƣợng cụ thể là bánh lái của tàu M/V TAN CANG FOUNDATION khi bị xâm thực. Trên cơ sở các kết quả đạt đƣợc thực hiện đánh giá ảnh hƣởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy. Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống thí nghiệm (áp dụng bánh lái theo tiêu chuẩn đồng dạng Froude với bánh lái của tàu M/V TAN CANG FOUNDATION) và khảo sát thực địa đối với tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, nhằm minh chứng cho một số kết quả tính toán mô phỏng về xâm thực trên bánh lái cũng nhƣ ảnh hƣởng xâm thực tới lực bẻ lái tàu thủy. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học của luận án: - Hệ thống hóa cơ sở lý luận về hiện tƣợng xâm thực bánh lái tàu thủy nhằm đƣa ra mô hình nghiên cứu.

Với kết quả nghiên cứu đạt đƣợc đã góp phần hoàn thiện một phần cơ sở lý luận liên quan đến vấn đề nghiên cứu và có những đóng góp nhất định cho khoa học chuyên ngành hàng hải; 3 - Đƣa ra phƣơng pháp luận về xây dựng quy trình tính toán mô phỏng ảnh hƣởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy nói chung. Trên cơ sở đó áp dụng cho đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu cụ thể của luận án. Từ đó đánh giá sự tác động của xâm thực tới lực bẻ lái tàu thủy cũng nhƣ những giải pháp giảm thiểu tác hại tƣơng ứng cũng nhƣ đƣa ra trạng thái xâm thực bánh lái tàu thủy theo tham số vận hành. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: - Kết hợp chặt chẽ cơ sở khoa học lý thuyết đặc thù liên quan đến khoa học chuyên ngành hàng hải với thực tiễn hàng hải.

Hơn nữa, xây dựng cơ sở khoa học cho các chuyên gia trong lĩnh vực hàng hải khi triển khai các thuật toán điều khiển tàu thủy có tính đến ảnh hƣởng xâm thực bánh lái. - Đóng góp nhất định vào khoa học chuyên ngành: Xây dựng một phần hệ thống thí nghiệm phục vụ nghiên cứu thực nghiệm về xâm thực bánh lái tàu thủy. Chủ động đánh giá và có giải pháp phù hợp về ảnh hƣởng của xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy đặc biệt trong chế độ điều động tàu. Những điểm đóng góp mới của luận án 6.

Xây dựng giải thuật mô phỏng số đối với bài toán 2D và bài toán 3D cho mô hình dòng chảy xâm thực bao quanh bánh lái tàu thủy. Từ đó tính toán mô phỏng chi tiết cho bánh lái của tàu M/V TAN CANG FOUNDATION bằng phƣơng pháp BEM, xâu chuỗi 2D và ứng dụng CFD cùng phần mềm Fluent-Ansys; 6. Đƣa ra đặc tính xâm thực bánh lái, ảnh hƣởng tới lực bẻ lái ở các trạng thái vận hành với các tổ hợp đầu vào (ni, i). Đồng thời xây dựng mô hình nghiên cứu bằng phƣơng pháp số và quy trình tính toán mô phỏng ảnh hƣởng xâm thực cục bộ tại mép vào bánh lái tới lực bẻ lái, tƣơng ứng tổ hợp (ni, i) khi xuất hiện xâm thực cục bộ, cụ thể nhƣ sau: - Chu kỳ (T) và tần số dao động (f) của lực bẻ lái đối với tàu M/V TAN CANG FOUNDATION là: T = 0,091s và f = 11Hz; 4 - Biên độ dao động (A) của lực bẻ lái trong giai đoạn bánh lái xuất hiện xâm thực cục bộ phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy và góc bẻ lái.

Đã xây dựng đƣợc công thức xác định biên độ dao động lực bẻ lái của tàu M/V TAN k CANG FOUNDATION là: A  2 Rtb ; L - Dự báo quy luật về lực tác động trên bánh lái tàu thủy và đề xuất khuyến cáo hạn chế ảnh hƣởng của xâm thực. Đƣa ra quy luật biến thiên lực bẻ lái theo thời gian R(t) khi bị ảnh hƣởng xâm thực cục bộ tại mép vào bánh lái. Kết quả tính toán mô phỏng áp dụng cụ thể cho bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, khi góc bẻ lái  = 350 và vận tốc tàu V = 7,5 m/s. Phân tích, đánh giá và so sánh kết quả nghiên cứu thực nghiệm với các phƣơng án khác liên quan.

Hơn nữa, nghiên cứu khảo sát thực địa đối với tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, nhằm minh chứng cho một số kết quả tính toán mô phỏng về xâm thực trên bánh lái cũng nhƣ ảnh hƣởng của xâm thực tới lực bẻ lái tàu thủy. Kết cấu của luận án Kết cấu của đề tài luận án gồm các phần thứ tự sau: - Phần mở đầu; - Phần nội dung (được chia thành 4 chương); - Phần kết luận và kiến nghị; - Danh mục các công trình khoa học đã công bố liên quan đến luận án; - Tài liệu tham khảo; - Phần phụ lục (gồm 6 phụ lục). Trong phần nội dung của luận án đƣợc chia thành 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1. Tổng quan ảnh hƣởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy.

Tính toán mô phỏng xâm thực bánh lái tàu thủy. Đánh giá ảnh hƣởng của xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy. Nghiên cứu thực nghiệm: Phân tích, so sánh và đánh giá kết quả. TỔNG QUAN ẢNH HƢỞNG XÂM THỰC BÁNH LÁI ĐẾN LỰC BẺ LÁI TÀU THỦY 1.

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của luận án Nghiên cứu sinh đã nghiên cứu, tìm tòi tài liệu và phân tích cụ thể lĩnh vực nghiên cứu của luận án với các công trình đã công bố liên quan ở trong nƣớc và nƣớc ngoài, có thể kể đến một số công trình sau: Tình hình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến luận án: Trên thế giới đã công bố về xâm thực từ những năm 1980 của thế kỷ 20, các nghiên cứu chủ yếu là đo đạc thực nghiệm, nhƣng các kết quả đã minh chứng khá rõ nét lý thuyết về vấn đề xâm thực trên cánh dẫn nói chung và bánh lái tàu thủy nói riêng, có thể kể đến: - Năm 1985, các tác giả J. Pierre Franc và J.