Nghiên Cứu Giảm Lực Cản Nhớt Của Tàu Thủy Bằng Phương Pháp Tạo ...

Tải bản đầy đủ (.pdf) (119 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Kỹ Thuật - Công Nghệ
>>
3. Cơ khí - Chế tạo máy

Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.03 MB, 119 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI---------------PHẠM THỊ THANH HƢƠNGNGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN NHỚT CỦA TÀU THỦYBẰNG PHƢƠNG PHÁP TẠO BỌT KHÍCHUYÊN NGÀNH: CƠ HỌC CHẤT LỎNGMà SỐ: 62.44.22.01LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC CHẤT LỎNGHƢỚNG DẪN KHOA HỌC:1.GS.TSKH. NGND VŨ DUY QUANG2.TS LÊ THANH TÙNGHÀ NỘI 2013Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏngiLỜI CẢM ƠNTrong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứugiảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí ” tác giả đã nhậnđược nhiều sự giúp đỡ từ các tổ chức và cá nhân.Tác giả xin chân thành cảm ơn:1. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Kỹthuật Thủy khí & Tàu thủy đã tạo điều kiện về mặt thời gian cũng như côngtác chuyên môn để tác giả tập trung nghiên cứu.2. Hội Cơ học Việt Nam, Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia –NAFOSTED, Phòng Khoa học – Công nghệ trường Đại học Bách khoa HàNội đã hỗ trợ kinh phí, tạo điều kiện để tác giả báo cáo những kết quảnghiên cứu tại các hội nghị trong và ngoài nước.3. Trung tâm Nghiên cứu Thử nghiệm và Kiểm định Tàu thủy - Viện Khoa họcCông nghệ Tàu thủy Việt Nam, Trung tâm Cơ khí chính xác Trường Đại họcBách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ kinh phí và giúp đỡ tác giả hoàn thành nghiêncứu thực nghiệm.4. Tập thể cán bộ hướng dẫn: GS.TSKH.NGND Vũ Duy Quang và TS. LêThanh Tùng đã định hướng để tác giả tiếp cận tốt hơn với phương phápnghiên cứu.5. Gia đình và bạn bè đã động viên, khích lệ để tác giả hoàn thành tốt luận án.Trân trọng cảm ơn!Tác giảPhạm Thị Thanh HươngLuận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏngiiLỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Nghiên cứu giảm lực cảnnhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí” đều do tôi tự thực hiện hoặcđồng thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn GS.TSKH.NGNDVũ Duy Quang và TS. Lê Thanh Tùng.Để hoàn thành luận án này, tôi chỉ dùng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệutham khảo, không sao chép kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.Tác giảPhạm Thị Thanh HươngLuận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏngiiiMỤC LỤCTRANGDANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮTviiDANH MỤC CÁC BẢNGixDANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊxMỞ ĐẦU11.Lý do nghiên cứu, mục đích đề tài12.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài13.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu24.Phương pháp nghiên cứu25.Bố cục luận án3CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN - LỰC CẢN51.1Nghiên cứu lớp biên51.1.1Khái niệm lớp biên51.1.2Cấu trúc lớp biên51.1.3Hệ phương trình lớp biên61.1.3.1 Phương trình Navier – Stokes61.1.3.2 Phương trình Reynolds71.1.3.3 Hệ phương trình Prandtl71.1.4Phương pháp giải hệ phương trình lớp biên81.1.4.1 Phương pháp giải tích81.1.4.2 Phương pháp tích phân81.1.4.3 Tính toán số81.2Lực cản của vật chuyển động trong chất lỏng91.2.1Khái niệm lực cản91.2.2Thành phần lực cản của vật ngập chuyển động trong10chất lỏng1.3Lực cản tàu thủy101.3.1Khái niệm lực cản tàu thủy101.3.2Thành phần lực cản tàu và nguyên nhân xuất hiện111.4Phương pháp giảm lực cản tàu và một số công trình13đã nghiên cứu1.4.1Giảm lực cản nhớt131.4.1.1 Tầng hóa lớp biên131.4.1.2 Tạo dao động bề mặt giảm ma sát rối22Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏngiv1.4.21.4.3222224CHƢƠNG2. TÍNH TOÁN LỰC CẢN TÀU – MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNHHƢỞNG ĐẾN GIẢM LỰC CẢN TÀULực cản tàu thủy tính theo lý thuyếtLực cản tàu chuyển động trên nước tĩnhLực cản toàn phần của tàuLực cản nhớt của tàuLực cản sóng của tàuLực cản không khí của tàuLực cản của tàu chuyển động trên sóngLực cản tàu tính gần đúng theo thực nghiệmPhương pháp tính lực cản toàn phần theo công suấtkéo tàuPhương pháp tính lực cản dư hoặc lực cản sóngPhương pháp tính chuyển đồng dạng từ tàu mẫuMột số yếu tố ảnh hưởng đến giảm lực cản tàuHình dáng thân tàuHình dáng thân tàu biểnHình dạng thân tàu nội địa và tàu pha sông biểnHệ số béo tàuĐộ nhám thân tàuĐộ nhám chungĐộ nhám cục bộẢnh hưởng của lớp rêu, hà bám vào vỏ thân tàuẢnh hưởng của lớp biên bao quanh tàuẢnh hưởng của lớp khí phun vào lớp biên đáy tàu2424242628283132333. NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ402.12.1.12.1.1.12.1.1.22.1.1.32.1.1.42.1.22.22.2.12.2.22.2.32.32.3.12.3.1.12.3.1.22.3.22.3.32.3.3.12.3.3.22.3.42.3.52.3.6CHƢƠNGGiảm lực cản hình dángGiảm lực cản sóng3.13.1.13.1.23.1.2.13.1.2.23.1.2.33.1.2.43.1.33.1.3.1Tổng quan phương pháp sốKhái quát chungHệ phương trìnhPhương trình liên tụcPhương trình bảo toàn động lượngPhương trình bảo toàn năng lượngDạng tổng quát của các phương trình bảo toànCác phương pháp sốPhương pháp điểm kỳ dị33343434353536363637383839404041414142424242Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng3.1.3.23.1.3.33.1.3.43.1.3.53.1.3.63.1.3.73.23.2.13.2.23.2.33.2.43.2.53.2.5.13.2.5.23.2.5.33.2.5.43.2.5.53.2.5.6CHƢƠNGPhương pháp vi phân hữu hạn (FDM)Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM)Phương pháp phần tử biên (BEM)Phương pháp phổ (SEM)Mô phỏng số (CFD)Mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu và tính toánlực cản tàu bằng phương pháp CFDCấu trúc phần mềmCác phương trình tổng quátPhương thức giảiCác bước giải bài toán trên FLUENTTrình tự mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu vàđo lực cản tàuKhởi động và xây dựng mô hình hình học của tàuLựa chọn phương pháp – mẫu dòng rốiMiền tính toán – Điều kiện biênCấu trúc lướiQuy định về độ chính xác, vòng lặpKết quả mô phỏng4. NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG THỰC NGHIỆMPHUN KHÍ VÀO LỚP BIÊN ĐÁY TÀU4.14.1.14.1.24.1.2.14.1.2.24.1.34.1.44.1.4.14.1.4.24.1.4.34.24.2.14.2.24.2.34.2.4Cơ sở thực nghiệm nghiên cứu lực cản tàuHai nguyên tắc cơ bản lập mô hìnhCách thức lập mô hình tàuLập mô hình từng phần theo số ReynoldsLập mô hình từng phần theo số FroudeẢnh hưởng của mô hình đến kết quả thực nghiệmTính chuyển lực cản từ mô hình sang tàu thựcPhương pháp FroudePhương pháp HughesPhương pháp TelferTrang thiết bị thử mô hình tàuBể thử mô hình tàuXe kéo mô hình và các thiết bị gắn trên xe kéoThiết bị tạo và khử sóng trong bể thử mô hìnhThiết bị đo trong thử nghiệmv43454549494954545556565758606061636372727272737374747576767777788082Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏngvi4.2.54.2.64.2.74.34.483838485854.4.14.4.24.4.34.4.3.14.4.3.24.4.44.4.54.4.5.14.4.5.24.4.5.34.4.6Thiết bị kết nối máy tínhHệ thống điều khiển trung tâmPhần mềm CATMAN đo lực cản tàuTrình tự thử nghiệm đo lực cản tàuThực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu giảm lựccản tàuMô hình và thiết bị thử nghiệmKết nối thiết bị thử nghiệmQuá trình thử nghiệm đo lực cản tàuThực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động trên nướctĩnhThực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động trên sóngSo sánh kết quả lực cản tàu theo tính toán số và thựcnghiệmĐánh giá công suất kéo tàu trong thử nghiệmCông suất kéo của tàu tính theo lý thuyếtCông suất kéo của tàu trong thử nghiệmĐánh giá hiệu quả áp dụng phun khí vào lớp biên đáytàu trong thử nghiệmThảo luận kết quả thực nghiệmKẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊTÀI LIỆU THAM KHẢODANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH Đà CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN858889899092939394969799xiixviLuận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏngviiDANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮTTT1TÊN GỌIKÝ HIỆUCHỮ VIẾT TẮTĐƠNVỊL; LH; LMmBHTmmmm2345Chiều dài tàu, chiều dài tàu thực, chiều dài tàumô hìnhChiều rộng tàuChiều cao mạnChiều chìm tàuChiều dày lớp biên6Chiều dày nén của lớp biên*m7Chiều dày tổn thất xung lượng của lớp biênm8Chiều cao đỉnh mô nhám thân tàu**k9k tbm1011Chiều cao bình phương trung bình của mô nhámthân tàuCông suất kéo tàuDiện tích mặt cắt ướt tàuEPS (PS,PE)Wm212Diện tích mặt cắt ướt thân tàu trơn13Góc vào nước (góc tới) của cánh1417Hệ số béo thể tích của tàu (Hệ số thể tích lượngchiếm nước)Hệ số béo đường nước của tàu (Hệ số diện tíchmặt đường nước)Hệ số béo thẳng đứng của tàu (Hệ số diện tíchmặt cắt ngang giữa tàu)Hệ số béo dọc tàu (Hệ số lăng trụ)18Hệ số lực cản toàn phần1920Hệ số lực cản của tàu thực và tàu mô hìnhHệ số lực nâng212223Hệ số lực cản áp suấtHệ số lực cản ma sátHệ số cản ma sát cục bộCPCF24Hệ số lực cản ma sát của bản phẳng tương ươngCFo25Hệ số lực cản nhớtCV15160 (CB) (CWP) (CM)C, CxCH, CMCyCfmm2độLuận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏngviii26272829303132Hệ số lực cản hình dángHệ số lực cản sóngHệ số lực cản không khíHệ số lực cản do độ nhám bề mặt thân tàuHệ số lực cản phần nhôHệ số lực cản dưHệ số lực cản bổ sungCVPCWCAACACAPCR3334Hệ số hải quânHệ số hình dáng (kể đến ảnh hưởng độ cong vàhình dáng thân tàu)Hệ số ảnh hưởng độ cong bề mặt thân tàuHệ số ảnh hưởng hình dáng thân tàuHệ số nhớt động học của chất lỏngCE353637CdkkFkVPm2/s39Hệ số nhớt động học của chất lỏng quanh tàuthựcHệ số nhớt động học của chất lỏng trong bể thửHMm2/s40Hệ số nhớt động lực học của chất lỏngm2/s41Khối lượng riêng của chất lỏngkg/m42Khối lượng riêng của không khíAkg/m4344Lưu lượng khí phunLực cản toàn phầnQ, QAlít/phútN45Lực nângRy46Số xâm thực47Số Froude và các biến thể của nó4849Số Reynolds và các biến thể của nóTrọng lượng tàu50Thể tích ngâm nước của tàu51Tỉ lệ xích của tàu mô hình so với tàu thựck5253545556Tiết diện cản chínhVận tốc dòng chảy và các thành phần của nóVận tốc tàu thực, vận tốc tàu mô hìnhVận tốc luồng khí bao quanh phần khô của tàuVận tốc tuyệt đối của gióSv, vx, vy, vzvH; vMvAvB38R, Rxm2/s33NFr, FrV, FrH,FrBRe, Re*, Re**Nm3LM1LH 33m2m/sm/sm/sm/sLuận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏngixDANH MỤC CÁC BẢNGBảng 2.1Giá trị hệ số lực cản của các phần nhô28Bảng 2.2Giá trị hệ số lực cản bề mặt CA đối với tàu biển28Bảng 2.3Vận tốc gió Bopho tại độ cao h = 6,0 m so với mặt nước biển30Bảng 2.4Giá trị hệ số lực cản không khí CAA30Bảng 2.5Giá trị hệ số bổ sung k E trong khai thác tàu biển30Bảng 3.1Thông số cơ bản tàu mô hình MHNCS 2008-01558Và thông số cơ bản buồng phun khí 3 ngăn riêng biệtBảng 4.1Thông số cơ bản của tàu thực và tàu mô hìnhVà thông số cơ bản buồng phun khí 3 ngăn riêng biệt85Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏngxDANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊHình 1.1Hình 1.2Hình 1.3Hình 1.4Hình 1.5Hình 1.6Hình 1.7Hình 1.8Hình 1.9Hình 1.10Hình 2.1Hình 3.1Hình 3.2Hình 3.3Hình 3.4Hình 3.5Hình 3.6Hình 3.7Hình 3.8Hình 3.9Hình 3.10Hình 3.11Hình 3.12Hình 3.13Hình 3.14Hình 3.15Hình 3.16Hình 3.17Hình 3.18Hình 3.19Lớp biên và dòng ngoàiCấu trúc lớp biên theo phương dọcCấu trúc lớp biên theo phương ngangLực tác dụng lên vật ngập chuyển động trong chất lỏngHệ toạ độ khảo sát chuyển động của tàuĐiều khiển lớp biên giảm lực cản tàuKết cấu lớp phủ kiểu cộtKết cấu lớp phủ kiểu sườnTàu BERGE ARZEW với lớp sơn phủSơ đồ của các thiết bị giao thoa giảm lực cản sóngSơ đồ luồng khí bao quanh khi tàu chuyển động trong điềukiện có gióLưới thể tích hữu han 2D có cấu trúcLưới thể tích hữu hạn 3D không cấu trúcCấu trúc mô phỏng số CFDCấu trúc bộ phần mềm ANSYS FLUENTMô hình 3D tàu thử nghiệmMiền tính và điều kiện biênMô hình lưới hỗn hợpMật độ lưới cao xung quanh các lỗ phun khí và tại mũi tàuPhân bố áp suất trên thân tàu khi tàu chuyển động trênnước tĩnh, trường hợp không phun khí đáy tàuPhân bố áp suất trên thân tàu chuyển động trên nước tĩnhPhân bố áp suất và vận tốc trên mặt thoángPhân bố vận tốc dòng khí – lỏng dọc theo bề mặt đáy tàuPhân bố dòng khí-lỏng xung quanh lỗ phun dọc thân tàuPhân bố dòng khí-lỏng ở đáy tàu khi tàu chuyển động trênnước tĩnhPhân bố hệ số ma sát trên bề mặt đáy tàu khi tàu chuyểnđộng trên nước tĩnhPhân bố hệ số ma sát của dòng khí – lỏng dọc theo thân tàuLực cản tàu chuyển động trên nước tĩnhHệ số lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnhLực cản và hệ số lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnhkhi lưu lượng khí phun Q = 20 lít/phút55691114202021232946475054596062626364656566676869697070Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏngHình 4.1Hình 4.2Hình 4.3Hình 4.4Hình 4.5Hình 4.6Hình 4.7Hình 4.8Hình 4.9Hình 4.10Hình 4.11Hình 4.12Hình 4.13Hình 4.14Hình 4.15Hình 4.16Hình 4.17Hình 4.18Hình 4.19Hình 4.20Hình 4.21Hình 4.22Hình 4.23Hình 4.24Hình 4.25Hình 4.26Hình 4.27Hình 4.28Hình 4.29Hình 4.30Bể thử mô hình tàuXe kéo mô hình chạy trên đường rayTấm phanh hãm mô hìnhDẫn hướng mô hìnhHệ thống dẫn hướng và gá lắp thiết bị đoGiá cân bằng động mô hìnhThiết bị tạo sóng trong bể thửThiết bị triệt tiêu sóng trong bể thửHệ thống điều khiển tạo sóngLực kế đo lực cản tàu mô hìnhBộ kết nối chuyển đổi số liệu đo lực cảnBộ kết nối chuyển đổi số liệu đo chiều cao sóngBộ xử lí tín hiệu 12 kênhGiao diện phần mềm CATMANHình dạng tàu mô hình MH NCS 2008.015Tuyến hình tàu mô hình MH NCS 2008.015Hình dạng, kết cấu, vị trí buồng phun khí trên tàu mô hìnhThiết bị điều chỉnh áp suất và lưu lượng khí phunTấm kính quan sát dòngSơ đồ kết nối thiết bị thử nghiệmHình ảnh tàu mô hình chuyển động trên nước tĩnh với tốcđộ v = 1,4 m/s và lưu lượng khí phun Q = 20 lít/phútHình ảnh dòng bóng khí sát đáy tàu chuyển động trên nướctĩnh với tốc độ v = 1,4 m/s và lưu lượng khí Q = 20 lít/phútLực cản toàn phần tàu chuyển động trên nước tĩnhHệ số lực cản toàn phần tàu chuyển động trên nước tĩnhHình ảnh tàu mô hình phun khí lưu lượng Q = 20 lít/phútchuyển động trên sóng hình sin với biên độ h =12cmDòng khí đáy tàu chuyển động trên sóng hình sin với biênđộ h =12cm khi phun khí với lưu lượng Q = 20 lít/phútLực cản toàn phần tàu chuyển động trên sóng hình sinLực cản và hệ số lực cản theo tính toán số và thực nghiệmkhi phun khí với lưu lượng Q = 20 lít/phútCông suất kéo tàu chuyển động trên nước tĩnhCông suất kéo tàu trên sóng hình sin tính theo lý thuyết vàthực nghiệm khi không phun khí và khi phun khí với lưulượng Q = 20 lít/phútxi777879798080818182838383848486868788888889899090919192929595Mở đầu1MỞ ĐẦU1. LÝ DO NGHIÊN CỨU, MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀITừ ngàn năm nay, các nhà khoa học trên th ế giới đã luôn tìm tòi , nghiên cứu về cáchiê ̣n tươ ̣ng rấ t thú vi ̣trong tự nhiên . Sự chuyển động của một vật thể trong nướccũng là một trong những nghiên cứu mi ệt mài của các nhà khoa học để giải đáp chocác thắc mắc như: vâ ̣t thể sẽ chịu những tác động gì khi di chuyển trong ch ất lỏng?tác động đó ảnh hưởng như thế nào đối với các vật thể khác nhau? sự tương tác giữavật thể và chất lỏng bao quanh? làm thế nào để vật thể di chuyển trong chất lỏngđược dễ dàng?....Sau quá trình nghiên cứu miê ̣t mài , các nhà khoa học đã tìm ranhững đinḥ luâ ̣t, những phương triǹ h cũng như những sản phẩ m nghiên c ứu thực tếđể chứng minh cho lí thuyết cơ bản . Với công nghê ̣ hiê ̣n đa ̣i , máy tính và các phầnmề m chuyên du ̣ng đã giúp con người rấ t nhiề u trong viê ̣c nghiên cứu ảnh hưởngcủa dòng chảy tới vâ ̣t thể chuyển động trong chất lỏng và ngươ ̣c la ̣i sự thay đổ i hìnhdạng, kết cấu vâ ̣t th ể tác đô ̣ng lên dòng ch ảy. Điều này cũng có ý nghĩa lớn trongviệc nghiên cứu lực cản và giảm lực cản tàu thủy trong quá trình vận hành nhằmmục đích giảm chi phí khai thác tàu, góp phần tiết kiệm năng lượng nhiên liệu, giảmlượng khí thải.Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp nghiên cứu nhằm giảm lực cản tàuthủy. Trong đó, phương pháp tạo bọt khí là một trong những phương pháp có hiệuquả và tính khả thi cao. Song, phương pháp này chưa được áp dụng nghiên cứu tạiViệt Nam trong khi ngành đóng tàu nước ta đã có những bước phát triển đáng kể.Đề tài: “Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọtkhí” với mục đích nghiên cứu, kiểm nghiệm phương pháp tạo bọt khí nhằm giảmlực cản nhớt của tàu và khả năng ứng dụng phương pháp đó trong thực tế khai tháctàu thủy.2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀIĐề tài đã giúp tác giả nâng cao kiến thức cũng như khả năng tự nghiên cứu, ứngdụng và phát triển khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực Cơ học chất lỏng vàĐóng tàu. Những kết luận quan trọng của đề tài đã khẳng định vai trò giảm lực cảncủa phương pháp tạo bọt khí, đặc biệt áp dụng đối với tàu hàng vận tải.Đề tài đã có đóng góp mới trong việc xây dựng mô hình tính toán, mô phỏng thủyđộng lực học dòng chảy bằng phần mềm thương mại ANSYS FLUENT để khảo sátMở đầu2trực tiếp ảnh hưởng của bọt khí tới giảm lực cản tàu vận tải, mở ra khả năng ứngdụng nghiên cứu khả năng giảm lực cản nhớt khi thay đổi cấu trúc lớp biên.Các kết quả nghiên cứu được kiểm chứng bằng thực nghiệm tại Phòng thí nghiệmtrọng điểm: Bể thử mô hình tàu thủy thuộc Viện khoa học công nghệ tàu thủy ViệtNam đã khẳng định tính khả thi và ý nghĩa khoa học không nhỏ của việc giảm lựccản tàu vận tải bằng phương pháp tạo bọt, đồng thời góp phần củng cố luận cứ khoahọc cho quá trình công nghệ đóng tàu, sử dụng hiệu quả và khai thác tàu trongtương lai tại Việt Nam.3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨUCác thông số cơ bản của tàu; thành phần lực cản tàu; thông số động lực học dòngchảy; cách thức phun khí: hướng phun, kiểu phun, vị trí và kích thước buồng phun –lỗ phun; áp suất và lưu lượng khí phun … là những đối tượng nghiên cứu quantrọng của đề tài.Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: Lý thuyết lớp biên - lực cản; Lực cảntàu và một số công trình nghiên cứu giảm lực cản tàu; Mô phỏng dòng chảy baoquanh thân tàu bằng ANSYS FLUENT và tính toán lực cản tàu khi áp dụng phươngpháp phun khí tạo bọt; Nghiên cứu bằng thực nghiệm giảm lực cản tàu khi phun khívào lớp biên đáy mô hình tàu hàng 20.000 DWT; So sánh kết quả lực cản tàu đãnghiên cứu theo tính toán lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm; Đánh giá hiệuquả của phương pháp tạo bọt khí giảm lực cản nhớt của tàu.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUĐề tài áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng số vàthực nghiệm. Đây là phương pháp nghiên cứu hiện đại đang được sử dụng phổ biến,kết quả nghiên cứu có độ tin cậy cao.Phần nghiên cứu lý thuyết bắt đầu với việc thống kế các kết quả nghiên cứu về cơsở lý thuyết Cơ học chất lỏng, động lực học tàu thủy, phân tích các thành phần lựccản, các phương pháp giảm lực cản tàu với tập trung chuyên sâu vào phương pháptạo bọt khí nhằm giảm lực cản nhớt của tàu vận tải.Đề tài sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT, xây dựng mô hình tính, mô phỏngthủy động lực học dòng chảy để khảo sát ảnh hưởng ảnh của bọt khí tới lực cản tàu.Đây là phương pháp đã được phát triển và ứng dụng trên thế giới, song nó được ápdụng mô phỏng lần đầu cho nghiên cứu lực cản nhớt của tàu bằng phun khí ở ViệtNam. Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả lý thuyết, thể hiện tính đúng đắn củaviệc thiết lập mô hình tính toán cũng như thiết lập các điều kiện biên tương ứng.Mở đầu3Nghiên cứu thực nghiệm khả năng giảm lực cản tàu bằng phương pháp tạo bọt đượctiến hành thông qua thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu của mô hình tàuhàng đáy phẳng 20.000 DWT chạy trên mặt nước tĩnh và chạy trên sóng hình sin.Kết quả nghiên cứu thực nghiệm phù hợp với kết quả nghiên cứu lý thuyết và môphỏng số. Điều này thể hiện tính đúng đắn của việc thiết lập bài toán lý thuyết và sựphù hợp của phương pháp nghiên cứu, hứa hẹn khả năng ứng dụng cao của phươngpháp phun khí đáy tàu đối với tàu hàng cỡ lớn đóng ở Việt Nam trong tương lai.5. BỐ CỤC LUẬN ÁNLuận án bao gồm 4 chương chính cùng phần mở đầu, phần kết luận-kiến nghị đượctrình bày trong 102 trang thuyết minh:Chương 1.Tổng quan nghiên cứu lớp biên – lực cản.Trình bày tổng quan về nghiên cứu lớp biên – lực cản như: cấu trúc lớp biên, hệphương trình lớp biên, phương pháp giải hệ phương trình lớp biên, lực cản của vậtngập chuyển động trong chất lỏng, thành phần lực cản tàu và nguyên nhân xuấthiện, phương pháp giảm lực cản tàu. Phân tích, đánh giá một số công trình đãnghiên cứu về giảm lực cản tàu, từ đó nêu vấn đề cần giải quyết của luận án là tiếptục nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm giảm lực cản nhớt của tàu bằng phươngpháp tạo bọt, đánh giá mức độ tối ưu của phương pháp khi áp dụng trong thực tếkhai thác tàu.Chương 2. Tính toán lực cản tàu - Một số yếu tố ảnh hưởng đến giảm lực cản tàuNghiên cứu, tính toán lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh và trên sóng bằng lýthuyết, các thành phần lực cản tàu. Tính gần đúng lực cản tàu bằng thực nghiệmthông qua phương pháp tính lực cản toàn phần theo công suất kéo, phương pháptính lực cản dư hoặc lực cản sóng và phương pháp tính chuyển đồng dạng từ tàumẫu. Phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến giảm lực cản tàu như: hình dáng thântàu; hệ số béo tàu; độ nhám thân tàu; ảnh hưởng của lớp rong rêu, hà bám; ảnhhưởng của lớp biên bao quanh thân tàu và ảnh hưởng lớp khí phun vào lớp biên đáytàu, tạo tiền đề cho tính toán lực cản tàu bằng phương pháp số và bằng thực nghiệmChương 3. Nghiên cứu lực cản tàu bằng phương pháp sốTrình bày khái quát chung về phương pháp số; hệ các phương trình liên tục, phươngtrình bảo toàn năng lượng, phương trình bảo toàn động lượng, dạng tổng quát củacác phương trình bảo toàn; trình bày các phương pháp số như: phương pháp điểmkỳ dị, phương pháp vi phân hữu hạn (FDM), phương pháp Phần tử hữu hạn (FEM),Mở đầu4phương pháp thể tích hữu hạn (FVM), phương pháp phần tử biên (BEM), phươngpháp phổ (SEM), mô phỏng số (CFD).Sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT mô phỏng dòng chảy, sự phân bố áp suất baoquanh thân tàu và xác định lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh trong những điềukiện biên khác nhau.Chương 4. Nghiên cứu lực cản tàu bằng thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàuTrình bày cơ sở phương pháp thực nghiệm nghiên cứu lực cản tàu: nguyên tắc cơbản và cách thức lập mô hình tàu, ảnh hưởng của mô hình tàu đến kết quả thựcnghiệm, phương pháp tính chuyển lực cản tàu từ mô hình sang tàu thực.Khảo sát và chuẩn bị các trang thiết bị thử nghiệm mô hình tàu. Tiến hành thửnghiệm tính lực cản tàu khi tàu chuyển động trên nước tĩnh và trên sóng trước vàsau khi phun khí vào lớp biên đáy tàu. So sánh kết quả lực cản thu được từ thửnghiệm và từ tính toán số. Đánh giá công suất kéo tàu, hiệu quả áp dụng phun khíđáy tàu trong thử nghiệm và thảo luận kết quả thực nghiệm.Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản5CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN-LỰC CẢN1.1NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN1.1.1 Khái niệm lớp biênLớp biên là lớp chất lỏng sát thành rắn mà ở đó độ nhớt chất lỏng được thể hiện rõnhất khi có chuyển động tương đối giữa chất lỏng và vật rắn. Vận tốc trong lớp biênthay đổi từ giá trị không tại thành đến giá trị xấp xỉ 99% vận tốc dòng ngoài. Phíangoài lớp biên này (dòng ngoài), chất lỏng được xét là lý tưởng.Hình 1.1 Lớp biên và dòng ngoài1.1.2 Cấu trúc lớp biên Phân chia lớp biên dọc theo thành rắn: lớp biên tầng, miền quá độ, lớp biênrối. Tùy theo số Reynolds, một lớp biên có thể gồm: lớp biên hoàn toàn tầng,lớp biên tầng và miền quá độ hoặc lớp biên tầng – miền quá độ - lớp biên rối.Hình 1.2 Cấu trúc lớp biên theo phương dọc Phân chia lớp biên theo phương ngang: lớp biên ngoài và lớp biên trong. Quyluật rối trong hai vùng này rất khác nhau. Lớp biên trong được chia thànhvùng màng nhớt (hiệu ứng nhớt rất mạnh, hiệu ứng rối nhỏ có thể bỏ qua) vàvùng logarit (rối theo quy luật logarit )Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản6Hình 1.3 Cấu trúc lớp biên theo phương ngang1.1.3 Hệ phƣơng trình lớp biên1.1.3.1 Phương trình Navier – StokesNhững nghiên cứu về lớp biên đã khởi nguồn từ rất xa xưa. Năm 1827, hai nhà báchọc Navier và Stokes đã cho ra đời phương trình vi phân chuyển động của chất lỏngthực viết dưới dạng sau [1]: 1 1 duF  grad p  v. u   . grad div u 3dttrong đó:F là véc tơ lực khối đơn vị;u là véc tơ vận tốc tuyệt đối; u  v  wdiv u  x  y z  2u  2 v  2 wu 22xyz2t là thời gian là khối lượng riêngv là độ nhớt động họcp là áp suấtp  p  p grad p ijkxyz1grad p là véc tơ lực mặt đơn vịdulà véc tơ lực quán tính đơn vịdt(1.1)Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản71.1.3.2 Phương trình ReynoldsNăm 1895, Reynolds đã phân tích các thành phần vận tốc trong phương trìnhNavier – Stokes thành hai thành phần: các đại lượng trung bình và các đại lượngmạch động. Phương trình Reynolds cho thấy rõ hơn bản chất vật lý liên quan đếnrối vì xuất hiện thành phần ứng suất Reynolds ( ui u j ), tuy nhiên ứng suất này vẫncòn là một ẩn số đối với các nhà khoa học [1].d u i  uiu1 pu j i dttx j  xi  x j 2 D  u ' u ' ijij(1.2)trong đó:ui  ui  ui ; u j  u j  u j - vận tốc tức thờiui ; u j là các thành phần vận tốc trung bìnhui ; u j là các thành phần vận tốc mạch động~ ~uj1   uiDi j  2  x j xi là ten xơ biến dạng1.1.3.3 Hệ phương trình PrandtlNăm 1904 là thời điểm đặt nền móng cho lý thuyết lớp biên với những tìm kiếm củaPrandtl thông qua hệ phương trình Prandtl. Đây là một dạng giản hóa của phươngtrình Navier – Stokes với giả thiết xấp xỉ lớp biên (giả thiết xấp xỉ lớp biên được sửdụng với các dòng biến ngang mảnh).Trường hợp chuyển động phẳng dừng của chất lỏng không nén được và bỏ qua lựckhối, hệ phương trình vi phân lớp biên Prandtl được viết dạng sau [3].dU 2uu u  v  v  U dx xy y2 u  v0 x yVới các điều kiện biên:y  0:y  :u v0u  U  ( x)Trong đó:u = u(x,y) – vận tốc trung bình dọc trong lớp biênv = v(x,y) – vận tốc trung bình ngang trong lớp biênU  (x) – vận tốc dòng ngoài;  - độ nhớt động lực học(1.3)(1.4)Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản81.1.4 Phƣơng pháp giải hệ phƣơng trình lớp biên1.1.4.1 Phương pháp giải tíchLớp biên được hình thành chỉ khi số Reynolds lớn, nên phương trình chuyển độngtrong lớp biên có thể nhận được từ phương trình Navier - Stokes viết dưới dạngtổng quát không thứ nguyên, sau đó đánh giá bậc các thành phần trong phương trìnhấy dựa trên điều kiện cơ bản: chiều dày lớp biên nhỏ hơn nhiều so với chiều dài củavật (