Tính toán mô phỏng lực gia thêm tác động lên tàu thủy khi thay đổi hướng chuyển động

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 19 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG LỰC GIA THÊM TÁC ĐỘNG LÊN TÀU THỦY KHI THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CALCULATING AND SIMULATION OF THE EXTEND FORCE IN CASE OF CHANGING THE MOTION COURSE PGS. TS. Phạm Kỳ Quang 1. TS. Vũ Văn Duy 1, NCS. Nguyễn Thành Nhật Lai 2 1Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 2Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh. Tóm tắt: Bài báo đưa ra qui trình tính toán mô phỏng lực gia thêm (lực bù) tác động lên tàu thủy khi thay đổi hướng chuyển động. Kết quả tính toán lực gia thêm này được thực hiện trên mô hình đồng dạng của M/V TAN CANG FOUNDATION. Từ khóa: Lực gia thêm, thay đổi hướng chuyển động tàu thủy, mô hình tàu Abstract: This article gives the calculating and simulation process of the extend force that impact on the ship in case of changing the motion course. This result has been executed on the congruent model of M/V TAN CANG FOUNDATION. Keywords: extends force, changing the motion course of ship, congruent model. 1. Giới thiệu Khi tàu thủy đi thẳng, nếu bỏ qua ảnh hưởng của sóng thì sự phân bố áp suất hai mạn tàu hoàn toàn đối xứng. Nhưng khi thay đổi hướng chuyển động tàu thủy, sự phân bố này sẽ thay đổi theo (phụ thuộc chặt chẽ vào tốc độ và góc quay của tàu). Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm chuyên dụng Fluent-Ansys kết hợp với lập trình để định nghĩa một số tham số đầu vào, xác định lực gia thêm theo các phương. Trên cơ sở đó, nghiên cứu tác động của lực gia thêm đến đặc tính điều khiển hướng chuyển động và tính ổn định tàu thủy. Để thuận tiện cho nghiên cứu, nhóm tác giả sử dụng các thông số của M/V TAN CANG FOUNDATION, đây là tàu hành trình chuyên tuyến Bắc – Nam và việc thực hành, thực nghiệm, khảo các số liệu của tàu rất thuận lợi [4]. Từ sơ liệu bản vẽ tuyến hình của tàu, nhóm tác giả sử dụng phần mềm Solidwork để xây dựng lại tuyến hình của tàu theo hình 1. 2. Mô hình nghiên cứu và thuật toán * Mô hình nghiên cứu: Hình 1. Mô hình nghiên cứu và các điều kiện biên Thuật toán sử dụng [5]: Đây là bài toán hai pha (pha lỏng và pha khí) tồn tại mặt thoáng phân cách giữa chúng, nên sử dụng phương pháp VOF (volume of fluid). Phương pháp VOF giải phương trình vi phân chủ đạo cho hỗn hợp nhiều pha, bằng cách đưa thêm vào đại lượng tỷ lệ thể tích pha (volume fraction). Gọi αk là tỷ lệ thể tích pha thứ k, khi đó: 1 1 n k k    (1) Với k là khối lượng riêng của pha thứ k, khi đó khối lượng riêng của hỗn hợp là: 1 n k k k      (2) Từ đó giải các phương trình vi phân chủ đạo, để xác định các đại lượng đặc trưng:     1 1 k n k k k pk kp kk v s m m t                 (3) Tỷ lệ thể tích được xác định theo các bước thời gian:     1 1 1 1 1 1 n n n n n n n nk k k k U s m m V k k kf pk kpt kf k                        (4) Trong đó: (n+1): Bước thời gian hiện tại; n: Bước trước đó; αkf : Giá trị danh nghĩa của tỷ lệ thể tích pha thứ k; V: Thể tích phần tử tính toán; 20 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 Uk: Thể tích dòng qua bề mặt theo phương pháp tuyến; pkm : Khối lượng chuyển từ pha p tới pha k; kpm : Khối lượng chuyển từ pha k tới pha p; 0 k s  Có thể xác định trường vận tốc và năng lượng qua phương trình động lượng và phương trình năng lượng:      tv v v p v v g F t                  (5)       eff hE v E p k T s t          (6) Trong đó: E: Năng lượng; T: Nhiệt độ và E; Được xác định theo (7) : 1 1 / n n k k k k k k k E E        (7) Ngoài ra chương trình sử dụng kỹ thuật giải k- ; và các hệ số thực nghiệm khác [1, 2 , 3, 5]. 3. Phân tích kết quả Mục tiêu là xác định lực gia thêm tác động lên tàu thủy, khi thay đổi hướng chuyển động tàu thủy và chưa tính tới ảnh hưởng của gió. Trong phạm vi bài báo này, tính toán cho một số đầu vào như sau: - Trường hợp 1: Tàu chuyển động thẳng hướng với vận tốc tàu là 5 m/s; vận tốc gió Vgio = 0. - Trường hợp 2: Tàu thay đổi hướng chuyển động HT = 150, vận tốc tàu là 5m/s và vận tốc gió Vgio = 0. Kết quả mô phỏng cho hai trường hợp được mô tả cụ thể theo hình 2, hình 3 và hình 4. * Kết quả mô phỏng của trường hợp 1: Hình 2. Phân bố áp suất hai mạn tàu (xét phần tiếp xúc với nước) Trường hợp này nhận xét rằng: Phân bố áp suất hai mạn tàu gần như đối xứng. Để thể hiện chi tiết hơn, có thể xét trên một đường nước Hình 3. Phân bố áp suất tĩnh và hệ số áp suất dọc theo đường nước khảo sát Từ kết quả mô phỏng hình 3, nhận xét rằng: Phân bố áp suất tĩnh hai bên đường nước là đối xứng và hệ số phân bố áp suất dọc theo chiều dài đường nước giữa hai bên là gần như trùng nhau. Trường hợp này không tồn tại lực gia thêm tác động lên vỏ tàu thủy. * Kết quả mô phỏng của trường hợp 2: Trường hợp này, khi tàu thay đổi hướng chuyển động HT = 150, có thể quy về bài toán dòng chảy bao quanh vỏ tàu có góc hợp bởi phương vận tốc và trục dọc tàu là 150. Kết quả mô phỏng được thể hiện trên cùng đường nước so với trường hợp 1. Hình 4. Phân bố áp suất tĩnh và hệ số áp suất dọc theo đường nước khảo sát Từ kết quả mô phỏng hình 3, nhận xét rằng: Phân bố áp suất tĩnh hai bên đường nước khảo sát tương đối khác nhau và cụ thể hệ số áp suất Cp tách thành hai đường có độ lệch khá lớn. Điều này chứng tỏ đã tồn tại lực gia thêm tác động lên vỏ tàu. Trong phạm vi bài báo này, nhóm tác giả chưa tính toán định lượng cho nhiều trường hợp cụ thể khác nhau, chủ TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 21 yếu giới thiệu về qui trình và khả năng mở rộng bài toán 4. Kết luận Bài báo đưa ra qui trình ứng dụng mô hình tính toán VOF cụ thể và chi tiết để khảo sát bài toán dòng chảy bao quanh tàu với hai pha (khí và nước). Tuy nhiên kết quả bài báo tập trung tính toán mô phỏng lực gia thêm do nước tác động lên vỏ tàu khi thay đổi hướng chuyển động tàu thủy. Các kết quả nghiên cứu liên quan đến vấn đề này, có thể được công bố trong các công trình hoặc bài báo khoa học tiếp theo  Tài liệu tham khảo [1]. PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, TS. Vũ Văn Duy, ThS. Cổ Tấn Anh Vũ, ThS. Nguyễn Thành Nhật Lai, Mô phỏng số xâm thực cục bộ trên bánh lái tàu thủy. Tạp chí giao thông vận tải. Hà Nội, 11/2015, tr. 89 - 90. [2]. Vũ Văn Duy, Sử dụng phầ mềm Fluent để phân tích dòng chảy bao quanh hydrofoil, Tạp chí Khoa học - Công nghệ Hàng hải. Số 6, 2006. [3]. Vũ Văn Duy, Bùi Trọng Tùng. Một số kết quả ứng dụng phần mềm Fluent trong nghiên cứu dòng chảy qua chân vịt tàu thủy, Tạp chí Khoa học - Công nghệ Hàng hải. Số 10, 2007. [4]. Hồ sơ của M/V TAN CANG FOUNDATION và số liệu nghiên cứu thực địa tháng 12/2015 trên tuyến luồng Hải Phòng. [5]. Ngày nhận bài: 20/01/2016 Ngày chấp nhận đăng: 04/02/2016 Phản biện: PGS.TS. Vũ Đức Lập TS. Nguyễn Xuân Phương