Tính toán mô phỏng tác động của dòng chảy đến quỹ đạo chuyển động tàu thủy trên tuyến luồng Hải Phòng - Lương Công Nhớ

CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 14 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG TÁC ĐỘNG CỦA DÒNG CHẢY ĐẾN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG TÀU THỦY TRÊN TUYẾN LUỒNG HẢI PHÒNG CALCULATION AND SIMULATION THE IMPACT OF TIDAL STREAMS TO MOTION ORBIT OF THE SHIP ON HAI PHONG CHANNEL LƯƠNG CÔNG NHỚ1, PHẠM KỲ QUANG1, VŨ VĂN DUY1, BÙI VĂN CƯỜNG1, NGUYỄN VĂN CANG2 1 Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 2 Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh Tóm tắt Bài báo xây dựng mô hình nghiên cứu, từ đó thiết lập quy trình tính toán mô phỏng tác động của dòng chảy đến quỹ đạo chuyển động của tàu thủy trên tuyến luồng Hải Phòng, đặc biệt khi tàu hành trình qua những khu vực tiềm ẩn nguy cơ tai nạn hàng hải. Nhóm tác giả đã sử dụng thông số mô hình nghiên cứu được đồng dạng theo tàu M/V TAN CANG FOUNDATION. Từ khóa: Dòng chảy, quỹ đạo chuyển động, tàu thủy, luồng Hải Phòng. Abstract This paper give the researching model, therefore the authors calculated the impact of tidal streams to the motion orbit of the ship on Haiphong channel, especially when ship navigates through the area potential risk of maritime accidents. The authors used the model congruent of M/V TANCANG FOUNDATION. Keywords: Tidal stream, motion orbit, ship, Haiphong channel. 1. Đặt vấn đề Tuyến luồng Hải Phòng được thiết kế một chiều có ga tránh, với nhiều khu vực gặp nhau của các nhánh sông, nhiều đoạn rất hẹp, nhiều khúc quanh co, độ sâu hạn chế, bề ngang luồng chạy tàu hẹp, nông cạn cục bộ, giới hạn tốc độ hành trình 8 hải lý/giờ và mật độ tàu thủy tập trung vào thời gian giờ nước lớn trong ngày. Đặc điểm khí tượng thủy văn diễn biến phức tạp, nhiều khu vực dòng chảy siết, tốc độ dòng chảy đạt 3,5 knots. Trung bình khoảng 45 vụ tai nạn hàng hải trong một năm (chủ yếu là va chạm hàng hải và mắc cạn) [4]. Nguyên nhân cơ bản dẫn đến các tai nạn hàng hải, một mặt, do thuyền trưởng hoặc hoa tiêu điều khiển tàu, mặt khác, do hiện tượng thuỷ triều và địa hình của luồng tạo ra dòng chảy siết, tác động lên tàu, làm cho tàu không đi đúng quỹ đạo cho trước của tuyến luồng. Trên tuyến luồng Hải Phòng có 4 khu vực tiềm ẩn nhiều nguy cơ tai nạn hàng hải (ký hiệu là khu vực I, II, III, IV) và được mô tả theo hình 1 [4]. a) b) c) d) Hình 1. Các khu vực tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn hàng hải trên tuyến luồng Hải Phòng: a) Khu vực I; b) Khu vực II; c) Khu vực III; d) Khu vực IV. CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 15 Trong đó: Khu vực I là ngã ba, khu vực giao nhau của Sông Cấm và sông Ruột Lợn; khu vực II là ngã ba, khu vực giao nhau của Sông Cấm và sông Bạch Đằng; khu vực III là khu vực của Bạch Đằng, giao nhau của các tuyến luồng Sông Cấm, Nam Triệu, Cái Tráp và kênh Hà Nam của Sông Cấm; khu vực IV là khu vực giao nhau của kênh Hà Nam, kênh Cái Tráp và đường thủy nội địa đến Quảng Ninh (qua Cái Bầu). Trong 4 khu vực này, khu vực III xác suất tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn hàng hải lớn nhất, vì vậy tác giả lựa chọn và xây dựng mô hình nghiên cứu để tính toán mô phỏng ảnh hưởng của dòng chảy tới quĩ đạo chuyển động tàu thủy tại khu vực III, các khu vực còn lại quy trình tính toán mô phỏng tương tự. 2. Mô hình nghiên cứu và quy trình nghiên cứu Trong nội dung bài báo này, tác giả ứng dụng công cụ CFD với gói phần mềm chuyên dụng Fluent - Ansys để triển khai tính toán mô phỏng cho mô hình bài toán trên mặt phẳng nằm ngang với 3 bậc tự do, đồng thời các thông số lấy đồng dạng theo M/V TAN CANG FOUNDATION, đây là tàu container, trọng tải đăng ký là 420 TUE, hoạt động chuyên tuyến Hải Phòng - Sài Gòn [1, 3, 5]. Mặt khác, kết hợp với thông số hình học của tuyến luồng Hải Phòng để xây dựng mô hình nghiên cứu cho khu vực III, được mô tả theo hình 2. Hơn nữa, tiến hành thực hiện xây dựng quy trình nghiên cứu theo sơ đồ hình 4 [2]. Hình 2. Mô hình nghiên cứu Đối với mô hình nghiên cứu: Đầu vào 1 gồm vân tốc và hướng chuyển động thật của tàu thủy theo thời gian tương ứng với mỗi lệnh điều động tàu được đưa ra, với vận tốc và hướng dòng chảy V1. Đầu vào 2 gồm vận tốc và hướng dòng chảy V2, đầu ra 1 gồm vận tốc và hướng dòng chảy V3, đầu ra 2 là vận tốc và hướng dòng chảy V4. Hình 3. Quy trình nghiên cứu 3. Phân tích kết quả tính toán mô phỏng Hình 4 mô tả kết quả tính toán mô phỏng mô hình tàu và lưới chia, được phóng to hình ảnh tàu thủy chuyển động trên tuyến luồng qua khu vực III, tiềm ẩn nhiều nguy cơ tai nạn hàng hải [2]. Song song với sự chuyển động của tàu theo thời gian là hình ảnh lưới được chia tương ứng với thời gian đó. Hình 4. Kết quả tính toán mô phỏng ảnh mô hình tàu và lưới chia Hình 5 đưa ra kết quả tính toán mô phỏng chuyển động của tàu thủy, xét trường hợp tàu chuyển động thẳng, với góc bẻ lái α = 00, tốc độ tàu Vt = 7,5 knots, tốc độ của dòng chảy tác động CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 16 là V1 = V2 = V3 = 2,5 knots. Kết quả nhận được hiển thị cụ thể quỹ đạo chuyển động của tàu thủy dưới tác dụng của dòng chảy tại các thời điểm khác nhau [2]. Tương tự, hình 6 mô tả kết quả tính toán mô phỏng chuyển động của tàu thủy khi thay đổi góc bẻ lái, xét trường hợp góc bẻ lái α = -50, tốc độ tàu Vt = 7,5 knots, tốc độ của dòng chảy tác động là V1 = V2 = V3 = 2,5 knots. Kết quả nhận được hiển thị cụ thể quỹ đạo chuyển động của tàu thủy dưới tác dụng của dòng chảy tại các thời điểm khác nhau [2]. Hình 5. Kết quả tính toán mô phỏng quỹ đạo chuyển động của tàu thủy và vận tốc dòng chảy tương tác với tàu thủy tại các thời điểm khác nhau ti (i = 1 ÷ 4), Vhải lưu = 2,5 knots, khi góc bẻ lái α0 = 00: a) t1 = 0,5s; b) t2 = 2,5s; c) t3 = 6,5s; d) t4 = 9,5s Hình 6. Kết quả tính toán mô phỏng quỹ đạo chuyển động của tàu thủy và véc tơ vận tốc dòng chảy tương tác với tàu thủy tại các thời điểm khác nhau ti (i = 1 ÷ 4), khi góc bẻ lái α0 = -50: a) t1 = 0,5s; b) t2 = 2,5s; c) t3 = 5,75s; d) t4 = 8,5s CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 17 Hình 7 mô tả kết quả tính toán mô phỏng trường phân bố vận tốc dòng chảy tại thời điểm cần xét [2]. Từ kết quả tính toán được cho thấy, với quy trình nghiên cứu được xây dựng, hoàn toàn khảo sát được quĩ đạo chuyển động của tàu thủy cũng như ảnh hưởng của dòng chảy, khi thay đổi trị số và phương chiều của dòng chảy. Hình 7. Kết quả tính toán mô phỏng trường phân bố vận tốc quanh tàu thủy tại vị trí khảo sát 4. Kết luận Bài báo đã phân tích những khu vực tiềm ẩn nhiều nguy cơ tai nạn hàng hải trên tuyến luồng Hải Phòng và xây dựng mô hình và quy trình nghiên cứu tương ứng. Đồng thời ứng dụng CFD với chương trình Fluent - Ansys để tính toán mô phỏng cho mô hình bài toán đặt ra, khi xét đến ảnh hưởng của dòng chảy tới quĩ đạo chuyển động tàu thủy trên tuyến luồng. Các kết quả được tính toán mô phỏng cụ thể cho mô hình đồng dạng với tàu M/V TAN CANG FOUNDATION và thông số hình học theo tuyến luồng Hải Phòng để minh chứng. Trên cơ sở này, có thể tính toán mô phỏng về những nguy cơ mất an toàn hàng hải liên quan đến ảnh hưởng của dòng chảy đối với các tuyến luồng hàng hải khác trong nước, hơn nữa đưa ra những cảnh báo cần thiết cho hoa tiêu, thuyền trưởng điều khiển tàu hành trình trong luồng, góp phần đảm bảo an toàn hàng hải. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hồ sơ của M/V TANCANG FOUDATION và số liệu thực nghiệm thực địa trên tuyến luồng Hải Phòng, tháng 12/2015 và tháng 4/2016. [2]. NCS. Bùi Văn Cường. Báo cáo chuyên đề nghiên cứu tiến sĩ số 2. Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, tháng 10 năm 2016. [3]. PGS. TS. Lương Công Nhớ, PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, ThS. Bùi Văn Cường. Ứng dụng CFD phân tích lực tác động lên bánh lái nhằm thay đổi hướng đi tàu thủy. Tạp chí “Khoa học Công nghệ Hàng hải”, № 43, 08/2015, tr. 05-08. [4]. Prof. Dr. Luong Cong Nho, Prof. Dr. Pham Ky Quang, Dr. Vu Van Duy, PhD. student Bui Van Cuong, PhD. student Co Tan Anh Vu, PhD. student Nguyen Thanh Nhat Lai. Calculation and simulation of the current effects on maritime safety in Haiphong fairway, Vietnam. International Association of Maritime Universities, 17th Annual General Assembly, 26 - 29 October, Vietnam, pp. 170-179. [5]. Ngày nhận bài: 27/12/2016 Ngày phản biện: 10/01/2017 Ngày duyệt đăng: 12/01/2017