Nghiên cứu tác động của tổ hợp chân vịt bánh lái đến điều khiển hướng đi tàu thủ

Tính cấp thiết của đề tài luận án Hải Phòng là thành phố trọng điểm kinh tế phía Bắc, cửa ngõ quốc tế thông ra thủy của vùng kinh tế phía Bắc. Khu vực cảng biển Hải Phòng là một trong ba khu vực cảng biển lớn nhất Việt Nam, là đầu mối lƣu thông hàng hóa chính của khu vực Miền Bắc bằng đƣờng biển. Trong quy hoạch hệ thống cảng biển của Việt Nam đến năm 2020 tầm nhìn đến năm 2030, cảng biển Hải Phòng là hệ thống cảng tổng hợp quốc gia và cửa ngõ quốc tế, lƣợng hàng hóa thông qua cảng biển Hải Phòng dự kiến đạt 120 triệu tấn/năm đến năm 2020 [39, 66]. Tổng khối lƣợng hàng thông qua cảng năm 2015 đạt 73 triệu tấn, năm 2016 là 81 triệu tấn, dự báo năm 2017 lƣợng hàng hóa thông qua cảng là 91 triệu tấn, hàng năm trung bình tăng khoảng 11%.

Hiện tại trung bình mỗi ngày khoảng 50 lƣợt tàu thủy ra vào cập cầu cảng Hải Phòng, có thời điểm 70 lƣợt tàu thủy ra vào cảng [33]. Hơn nữa, việc điều khiển tàu biển ra vào tuyến luồng hàng hải Hải Phòng do hoa tiêu, thuyền trƣởng đảm nhận. Do đặc điểm của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng là tuyến luồng một chiều có ga tránh, giới hạn vận tốc chạy tàu, khả năng quay trở hẹp, nhiều đoạn hẹp, nhiều khúc quanh co, nhiều khu vực nông cạn cục bộ,… Mặt khác, tuyến luồng hàng hải Hải Phòng có nhiều khu vực gặp nhau của các nhánh sông khá phức tạp, với đặc điểm thủy triều và dòng chảy siết tại khu vực đó, tai nạn hàng hải chủ yếu do mắc cạn và đâm va thƣờng xuyên xảy ra. Trung bình khoảng 11 vụ tai nạn tàu biển trong một năm [33], có những vụ đặc biệt nghiêm trọng, gây tổn thất lớn về ngƣời và tài sản.

Hầu hết các vụ tai nạn xảy ra là do ngƣời điều khiển tàu. Một trong những nguyên nhân cơ bản trong quá trình điều khiển tàu, là do sự tƣơng tác của tổ hợp chân 1 vịt - bánh lái tại thực địa trên tuyến luồng chƣa phù hợp. Bởi vì, việc điều khiển hƣớng chuyển động bám theo quỹ đạo cho trƣớc của tàu thủy chính là điều khiển tổ hợp tƣơng tác giữa chân vịt và bánh lái, sao cho lực bẻ lái tác động trên bánh lái ở từng thời điểm là phù hợp nhất. Vì vậy, ngƣời điều khiển tàu biển hiểu rõ quỹ đạo chuyển động thực tế cho trƣớc (hay quỹ đạo tối ƣu/quỹ đạo mong muốn), độ sâu của luồng, vận tốc tàu, vấn đề an toàn hàng hải, đặc điểm khí tƣợng thủy văn,… của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng.

Với mỗi loại tàu thủy, mức độ tải trọng khác nhau, thông số tuyến luồng tại thời điểm hiện tại, sẽ ảnh hƣởng trực tiếp và rất lớn đến việc điều khiển tàu theo phƣơng án nào cho phù hợp nhất hay tối ƣu. Liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của đề tài luận án 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 đề tài luận án - Năm 2001, công trình khoa học của nhóm nghiên cứu A. Kaprantsev [43], thuộc Viện nghiên cứu tàu thủy Krylov tại St. Petersburg, Liên bang Nga, đã nghiên cứu về động lực học chân vịt, các yếu tố ảnh hƣởng tới động lực học chân vịt tàu thủy.

Công trình đã thiết lập các mô hình toán, tính toán và phân tích tác động của động lực học chân vịt, cũng nhƣ các yếu tố cơ bản ảnh hƣởng đến động lực học chân vịt, có xét đến hiện tƣợng xâm thực trong một số chế độ điều động tàu. - Năm 2003, nhóm nghiên cứu Shreenaath Natarajan, B.Tech [61], tại Trƣờng Đại học Texas của Mỹ, đã công bố kết quả nghiên cứu về mô phỏng số sự tƣơng tác giữa chân vịt và bánh lái,… Công trình nghiên cứu của nhóm tác giả sử dụng phƣơng pháp “Mullti block” để gắn kết bài toán dòng chảy qua chân vịt và bao quanh bánh lái. - Năm 2004, tác giả Da Qing Li tại Trƣờng Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển [46]: “Investigation on propeller - rudder interaction by 2 numerical methods” đã nghiên cứu về sự tƣơng tác chân vịt và bánh lái, tính toán mô phỏng theo phƣơng pháp số. - Năm 2009, nhóm nghiên cứu Han.

J, tại Hội nghị quốc tế thƣờng niên tàu thủy Taejon, Hàn Quốc [50], đã nghiên cứu, phân tích sự tƣơng tác chân vịt và bánh lái tàu thủy với sự thay đổi của góc bẻ lái khác nhau. - Năm 2010, nhóm nghiên cứu Phillips A. E, tại Viện khoa học tàu thủy [42, 59], Trƣờng Đại học Southampton, Vƣơng quốc Anh, đã nghiên cứu và công bố một số kết quả liên quan đến sự tƣơng tác chân vịt và bánh lái, tính toán mô phỏng theo phƣơng pháp RANS. - Năm 2010, nhóm nghiên cứu Karsten Hochkirch, FutureShip, Potsdam (Liên bang Đức) và Benoit Mallol, Numeca, Brussels (Vƣơng quốc Bỉ), đã đƣa công bố kết quả ứng dụng CFD để nghiên cứu sự tƣơng tác chân vịt - bánh lái tàu thủy.

- Năm 2015 nhóm nghiên cứu gồm Andrea Di Mascio, Giulio Dubbioso, Roberto Muscari, Mario Felli [44], đã ứng dụng chƣơng trình CFD để phân tích sự tƣơng tác chân vịt và bánh lái tàu thủy. Kết quả nghiên cứu đƣợc báo cáo tại Hội nghị quốc tế ở Hawaii, Mỹ. Hơn nữa, đã có tác giả hoặc nhóm tác giả khác [45, 47, 51, 54, 55, 56, 62] thuộc các Viện nghiên cứu tàu thủy, Trƣờng đại học,… đã công bố công trình nghiên cứu liên quan đến: Tính toán mô phỏng sự tƣơng tác chân vịt và bánh lái tàu thủy; tƣơng tác chân vịt, bánh lái và thân tàu thủy; tác động của động lực học dòng chảy bao chân vịt và tƣơng tác bánh lái; ứng dụng chƣơng trình CFD để giải quyết một số vấn đề nghiên cứu,… Từ kết quả đã công bố của các công trình, nhận xét rằng: Các kết quả nghiên cứu mang tính chất chuyên sâu và độc lập về chân vịt, về bánh lái, hoặc về tƣơng tác chân vịt - bánh lái tàu thủy. Nghiên cứu sinh (NCS) chƣa thấy kết quả nghiên cứu của công trình đã công bố, có sự 3 gắn kết của tổ hợp chân vịt - bánh lái với việc điều khiển hƣớng chuyển động tàu thủy, để tìm ra những tổ hợp số vòng quay chân vịt - góc bẻ bánh lái, đảm bảo quỹ đạo chuyển động thật của tàu bám quỹ đạo mong muốn cho trƣớc.

Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến đề tài luận án Ở trong nƣớc, điển hình tại Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Trƣờng Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, Trƣờng Đại học Nha Trang, Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, Viện Khoa học Công nghệ tàu thủy, Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam,… một số tác giả nghiên cứu và công bố các đề tài liên quan: - Các tác giả thuộc Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội nhƣ GS. Vũ Duy Quang, PGS. Lê Quang và nhóm nghiên cứu [17],… đã công bố hàng loạt kết quả và tính toán động lực học dòng chảy, điển hình về vấn đề xác định lực cản tàu. Nguyễn Thế Mịch, PGS.

Trƣơng Việt Anh cùng nhóm nghiên cứu [21] đã có những kết quả ứng dụng CFD cho các bài toán máy thủy lực cánh dẫn nhƣ bơm, tua bin, chân vịt tàu thủy nhƣng chuyên sâu về hiện tƣợng xâm thực. - Nhóm tác giả Trần Ngọc Phong, Tống Duy Tân, Vũ Công Hòa, Trƣờng Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh [26], đã công bố một số mô hình tính toán động lực học lƣu chất sử dụng phần mềm Fluent và Gambit, ứng dụng chủ yếu trong chuyên ngành cơ kỹ thuật. - Năm 2015 nhóm nghiên cứu Lê Quang, Phạm Thị Thanh Hƣơng, Ngô Văn Hệ của Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội [17], đã công bố kết quả liên quan đến thực nghiệm và ứng dụng CFD trong khai thác tàu thủy nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu. - Năm 2016 nhóm nghiên cứu Nguyễn Văn Thịnh, Nguyễn Văn Giáp, Triệu Hùng Trƣờng, Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội [22] đã ứng dụng CFD để tính toán mô phỏng tác động dòng chảy trong hệ thống turbine.

Vũ Văn Duy cùng nhóm nghiên cứu, thuộc Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam [28, 29, 30] đã công bố một số kết quả về động lực học dòng chảy bao, xâm thực cánh dẫn, tính toán mô phỏng dòng chảy bao quanh tàu thủy, ứng dụng chƣơng trình CFD để tính toán mô phỏng,. Từ kết quả công bố của các công trình, nhận xét rằng: Hầu hết các kết quả nghiên cứu dừng lại ở việc nghiên cứu từng phần, nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu mô phỏng số, ứng dụng CFD để tính toán mô phỏng,. Hiện tại, nghiên cứu sinh chƣa thấy kết quả nghiên cứu chuyên sâu của công trình khoa học, thể hiện sự gắn kết từ việc động lực học chân vịt - bánh lái đến đặc tính điều khiển hƣớng chuyển động của tàu thủy. Hơn nữa, lại gắn chặt chẽ với phạm vi nghiên cứu cụ thể là “Tuyến luồng hàng hải Hải Phòng”, nên đề tài luận án không trùng với bất kỳ công trình nghiên cứu có liên quan đã công bố trƣớc đó.

Mặt khác, với đặc điểm các tuyến luồng hàng hải cơ bản khác nhau, riêng tuyến luồng hàng hải Hải Phòng với các đặc điểm nêu trên, thì việc nghiên cứu để đƣa ra những tổ hợp số vòng quay chân vịt - góc quay bánh lái tối ƣu, càng trở lên quan trọng, sao cho chuyển động của tàu thủy bám gần quỹ đạo cho trƣớc. Tóm lại: Xuất phát từ những lý do đã phân tích cụ thể nêu trên, với mong muốn đảm bảo an toàn hàng hải cho tàu thủy khi điều động trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, chính là điều khiển tổ hợp tƣơng tác giữa chân vịt và bánh lái. Nghiên cứu sinh đã nghiên cứu và thực hiện đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu tác động của tổ hợp chân vịt - bánh lái đến điều khiển hướng đi tàu thủy trên tuyến luồng Hải Phòng”. Nhƣ vậy, bản chất cốt lõi của điều khiển hƣớng chuyển động tàu thủy, chính là việc đƣa ra các tổ hợp chân vịt (tƣơng ứng với số vòng quay n) - bánh lái (tƣơng ứng với góc bẻ lái α0), hay là tổ hợp (ni, αi), đảm bảo tối ƣu, sao cho quỹ đạo chuyển động thật của tàu bám sát quỹ đạo cho trƣớc.

5 Vấn đề này luôn mang tính cấp thiết, không chỉ đối với hoa tiêu, thuyền trƣởng, mà còn đối với cảng vụ hàng hải, cơ quan điều hành, quản lý cảng, các tổ chức, doanh nghiệp, chủ tàu,. trong lĩnh vực khai thác hàng hải.