Tính toán sức cản tàu container bằng phương pháp mô phỏng số

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 21-11/2016 39 TÍNH TOÁN SỨC CẢN TÀU CONTAINER BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ CALCULATION OF THE RESISTANCE CONTAINER SHIP BY USING NUMERICAL METHOD Lê Văn Toàn1, Vũ Ngọc Bích2 1, 2 Đại học Giao thông vận tải Tp. HCM Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung mô phỏng trường dòng chảy của nước bao xung quanh vỏ tàu container sức chở 14,000 TEU theo cách tiếp cận RANSE (Reynolds-Averaged NavierStokes equation). Trên cơ sở đó tính toán lực thủy động tác dụng lên thân tàu khi tàu chuyển động đều trong nước tĩnh; so sánh kết quả tính toán mô phỏng CFD với kết quả thử nghiệm trong bể thử đã được công bố. Dòng chảy được xem chảy rối, được mô tả bởi phương trình RANS (Reynolds- Averaged NavierStokes), mô hình rối SST k-. Từ khóa: Sức cản tàu thủy; động lực học chất lỏng (CFD); động lực học tàu container. Abstract: In this research, we focused on simulating the flow of water around 14,000-TEU container ship hull in according to RANSE approach (Reynolds-Averaged NavierStokes equation). On that basis, we calculated the hydrodynamic forces exerting on the hull when making uniform motion in still water; then compared between the CFD simulation calculation results with the experimental results in the testing reservoir have been announced. The flow is considered turbulent, and described by the equation RANS (Reynolds-Averaged NavierStokes), SST turbulence model k-. Keywords: Ship resistance; computational fluid dynamics (CFD); Container ship hydrodynamic. 1. Giới thiệu Hiện nay, vận tải đường biển đóng vai trò quan trọng trong lưu thông hàng hóa toàn cầu, trong đó loại tàu chở container chiếm phần đông vì xu thế thời đại hàng hóa được chứa trong các thùng tiêu chuẩn (container) nhằm tăng năng suất làm hàng cũng như khả năng bảo quản và kiểm soát của dịch vụ logistics. Do vậy tính tối ưu về kinh kế đóng vai trò thiết yếu trong bài toán thiết kế tàu và thường lấy công suất máy làm giá trị hàm tối ưu, sức cản làm ràng buộc chính. Điều đó nói lên rằng vấn đề sức cản tàu luôn là vấn đề thời sự, giữ vai trò cốt lõi trong hàm mục tiêu của bài toán thiết kế tàu. Giải quyết vấn đề sức cản nêu trên bằng tính toán mô phỏng số thường tiếp cận thông qua lời giải của phương trình chuyển động dòng chất lỏng không nén được bao xung quanh thân tàu, phương trình Navier - Stokes. Theo cách làm truyền thống, người ta giả định rằng chất lỏng không có tính nhớt, liên tục, không nén được và đồng chất nhằm đơn giản hóa phương trình Navier - Stokes về dạng hàm thế vận tốc viết bởi phương trình Laplace. Cách làm này chỉ hợp lý với thời điểm những năm 2000; ngày nay, với sự phát triển mạnh của công nghệ máy tính, các phương pháp tính phức tạp và tiêu tốn nhiều tài nguyên không còn là trở ngại, phần độ nhớt của nước trong phương trình Navier - Stokes không được bỏ qua trong tính toán này nhằm tăng độ chính xác của kết quả tính. Vì lý do đó, trong công trình nghiên cứu này, chúng tôi chọn cách tiếp cận theo RANS để diễn giải phương trình Navier-Stokes cho dòng chất lỏng (nước) chuyển động bao quanh thân tàu, kết hợp mô hình rối SST k-. Chọn OpenFOAM làm công cụ tính toán mô phỏng, đây là những gói mã nguồn mở đã được chấp nhận rộng rãi bởi cộng đồng CFD, cả trong giới học thuật và trong công nghiệp. Tàu mẫu dùng trong nghiên cứu này là loại tàu container sức chở 14,000 TEU được thiết kế, thử nghiệm bởi Viện Kỹ thuật tàu thủy và Giao thông hàng hải ISMT (the Institute of Ship Technology, Ocean Engineering and Transport Systems, ISMT). Thông số và vận tốc chuyển động tàu mô hình trong nghiên cứu này nhận giá trị trùng với giá trị đã thử nghiệm mô hình được công bố [5] để thuận lợi trong việc so sánh kết quả nghiên cứu. 40 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 21, Nov 2016 Bảng 1. Thông số tàu. 2. Cơ sở lý thuyết Trường dòng lưu chất chuyển động quanh thân tàu được mô tả bởi hai phương trình chủ đạo: Phương trình liên tục và phương trình Navier - Stokes viết theo cách tiếp cận RANS, ở đó các đại lượng vật lý mang ý nghĩa trung bình [1]. Bài toán được giải bằng cách kết hợp phương trình RANS với phương trình trạng thái mô hình rối theo đề xuất của Menter mang tên SST k- [1], [6]. Phương trình liên tục: i i U = 0 x   (1) Phương trình động lượng:  i ji j i ' ' i jJi j j i j U UU 1 P + = - t x ρ x u uUU + ν + - x x x x                    (2) Trong đó: iU và ' iu : Các thành phần vận tốc trung bình và dao động; P : là áp lực trung bình; ρ : là mật độ của chất lỏng ν: là mật độ và độ nhớt động học của chất lỏng. Phương trình trạng thái, mô hình rối SST k-.  i t i i k i * k u k νk k + = ν + t x x σ x + P - β kω                (3)     i t i i ω i ~ 2k 1 ω2 t i i u ω νω ω + = ν + t x x σ x P 1 k ω +α - βω +2 1 - F σ v ω x x                     (4) Trong đó: k: Động năng rối; : Độ nhớt động học; t: Độ nhớt động học dòng xoáy; Pk: Xuất năng lượng rối động học; Tốc độ tiêu tán; k, , *, , : Các hệ số; F1: Hàm trộn. Bề mặt tự do (giao của hai pha khí – nước) được xử lý bằng phương pháp thể tích chất lưu (VOF) dựa trên cơ sở hàm liên kết (x, t) giữa hai pha. (x, t)  [0, 1] biểu diễn các trạng thái của lưu chất trong mỗi ô. Khi mô phỏng thân tàu,  = 1 biểu chỉ rằng nước lấp đầy toàn bộ các ô, còn khi  = 0 có nghĩa là các ô được chứa đầy không khí [2]. (x, t) = nước + không khí (1 - ) (5) (x, t) = nước + không khí (1 - ) (6) 3. Kết quả nghiên cứu TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 21-11/2016 41 3.1. Xác lập dữ liệu đầu vào của bài toán Xây dựng hình học tàu 3D với cấu trúc theo định dạng *.stl như hình 1 bên dưới. Hình 1. Hình học 3D của tàu container. Bài toán được giải dựa trên bộ giải InterFoam với các thiết lập như sau: Không gian miền tính toán được xác lập tại các vị trí như hình 2. Hình 2. Không gian miền tính toán. Sử dụng phương pháp lưới thể tích rời rạc không gian miền tính thông qua mô đun mã snappyHexMesh và kết nối với lưới tam giác hình học vỏ tàu theo dạng *.stl để hình thành nên miền rời rạc tính toán hoàn chỉnh. Áp đặt các điều kiện ban đầu (vận tốc tính toán, các hệ số của phương trình trạng thái) và các điều kiện biên vật lý của bài toán nhằm khép kín hệ phương trình mô phỏng trường dòng cùng thực hiện giải với thuật giải PIMPLE trong bộ giải InterFoam dành cho loại môi trường hai pha lưu chất không nén được, có tính nhớt. Rời rạc không gian miền tính toán và mô hình tàu bằng phương pháp lưới chia thể tích, minh họa như hình 3. Hình 3. Lưới tính toán. Điều kiện biên vật lý tính toán cho trong bảng 2 bên dưới [1], [3], [4]. Bảng 2. Đặc tính của biên. 3.2. Kết quả tính toán và mô phỏng So sánh kết quả tính theo CFD và kết quả thử nghiệm trình bày trong bảng 3 như sau: 42 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 21, Nov 2016 Bảng 3. So sánh kết quả tính sức cản theo CFD và kết quả thử nghiệm, [1], [5]. Các trường áp suất (hình e, f), trường vận tốc (hình a ,b, c), trường rối (hình d) của tàu như hình 4. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 4. Các trường vật lý tính toán. Biểu đồ kết quả tính toán lực thủy động tác dụng lên tàu tại tốc độ U = 1.668 m/s như hình 5. Hình 5. Đồ thị kết quả tính theo thời gian. TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 21-11/2016 43 4. Kết luận và khuyến nghị 4.1. Kết luận - Mô hình toán mô phỏng theo RANS kết hợp mô hình rối SST k- cho hình ảnh trường dòng phù hợp thực tế. - Kết quả tính toán theo mô phỏng CFD cho sai số chấp nhận được trong việc tính toán sức cản tàu, với sai số so với kết quả thử nghiệm dưới 3%. 4.2. Khuyến nghị - Bằng cách làm này có thể phát triển tiếp để xây dựng bể thử số dùng thử nghiệm tàu trong nước tĩnh và trên sóng. - Có thể sử dụng hình ảnh trường dòng để phân tích các vùng bất lợi trên vỏ tàu, giúp tối ưu hình học vỏ tàu về phương diện sức cản Tài liệu tham khảo [1]. F. Moukalled, L. Mangani, M. Darwish (2015), "Fluid Mechanics and Its Applications", Springer. [2]. Hrvoje JASAK, Fakultet strojastva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu, Ivana Lučića 5, HR-10000 Zagreb, Croatia, hrvoje.jasak@fsb.hr (2014), "OpenFOAM in marine hydrodynamics", Simpozij Sorta. 21, pp. 369-376. [3]. John D. Anderson (1995), "Computational Fluid Dynamics the Basics With Applications", University of Maryland. Mc Graw-Hill. [4]. John F. Wendt (2009), "Computational Fluid Dynamics.. An Introduction". Springer. [5]. Ould el Moctar1*, Vladimir Shigunov2, Tobias Zorn2 (2012), "Duisburg Test Case: Post-Panamax Container Ship for Benchmarking", Ship Technology Research Schiffstechnik 59(3), pp. 50-64. [6]. Ozdemir, Yavuz Hakan, Dogrul, Ali, Barlas, Boris, Cosgun, Taner (2016), "A Numerical Application to Predict the Resistance and Wave Pattern of Kriso Container Ship", Brodogradnja. 67(2), pp. 47-65. Ngày nhận bài: 6/10/2016 Ngày chuyển phản biện: 10/10/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 31/10/2016 Ngày chấp nhận đăng: 7/11/2016