Nghiên cứu tính bất ổn định của lực bẻ lái tàu thủy trong một số chế độ điều động

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 7 NGHIÊN CỨU TÍNH BẤT ỔN ĐỊNH CỦA LỰC BẺ LÁI TÀU THỦY TRONG MỘT SỐ CHẾ ĐỘ ĐIỀU ĐỘNG RESEARCHING THE INSTABILITY OF FORCE STEERING OF SHIP IN SOME MANEUVERING PGS. TS. Phạm Kỳ Quang 1; TS. Vũ Văn Duy2; NCS. Cổ Tấn Anh Vũ3 1 Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, phamkyquang@vimaru.edu.vn 2 Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, duyvv.vck@vimaru.edu.vn 3 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM, vucotananh@gmail.com Tóm tắt: Bài báo đưa ra một số kết quả tính toán và mô phỏng số về xâm thực bánh lái, đặc biệt là loại xâm thực có tính bất ổn định trong một số chế độ vận hành điều động tàu thủy. Từ đó xác định lực bẻ lái tương ứng trong mỗi giai đoạn này. Từ khóa: Abstract: The article introduces some calculation results and cavitation simulations on the rudder, especially the cavitation instability in certain operating maneuvering of ship. There fore the corresponding force steering in each period is given. Keywords: cavitation instability, force steering, cavitation simulations, maneuvering of ship. 1. Giới thiệu Trong một số chế độ điều động tàu (chế độ man-nơ tàu thủy), bánh lái tàu thủy có thể bị xâm thực (phụ thuộc vào góc bẻ lái và tốc độ dòng chảy sau chân vịt). Nội dung bài báo đăng trên Tạp chí Giao thông vận tải số tháng 11/2015, nhóm tác giả đã triển khai thuật toán và mô phỏng xâm thực cục bộ trên bánh lái [1]. Kết quả của bài báo mới dừng lại ở mức độ xác định được kích thước đám bọt xâm thực trên bánh lái. Trong bài báo này, nhóm tác giả tập trung làm rõ tính bất ổn định của loại xâm thực này, cũng như lực bẻ lái tương ứng. Đây chính là một trong các nguyên nhân ảnh hưởng tới việc điều khiển hướng chuyển động của tàu thủy (trường hợp giữ tốc độ và góc bẻ lái, nhưng lực tác động lên bánh lái bị dao động). 2. Mô hình nghiên cứu và thuật toán Để thuận lợi cho các nghiên cứu tiếp theo, nhóm tác giả sử dụng kích thước bánh lái và các số liệu khác theo hồ sơ M/V TAN CANG FOUNDATION [5]. Hình 1. Hình ảnh bánh lái tàu thủy Cơ sở thuật toán ở đây được sử dụng theo “k- model” kết hợp với “Cavitation model” của phần mềm Fluent-Ansys (đây là phần mềm mạnh trong lĩnh vực CFD và được nhiều nhà khoa học trong nước và ngoài nước thường xuyên sử dụng). Nội dung của phương pháp được thể hiện như sau [2, 3, 4, 6]. - Rời rạc không gian tính toán bằng cách chia lưới; - Giải các phương trình vi phân chủ đạo như phương trình Navier - Stokes, động lượng, liên tục và phương trình năng lượng để xác định các đại lượng cơ bản; Đưa vào phương trình chuyển pha để xác định tỷ lệ khối lượng pha hơi fvap.    . . . . j vap vap vap vap e c j j j f f f u R R t x x x                  (1) Trong đó: Re, Rc: phụ thuộc vào giá trị của áp suất tĩnh p và áp suất hơi bão hòa pvap: * Nếu p < pvap:     2 1 3 vapch e e l vap vap l p pv R C f       (2) * Nếu p > pvap:  2 3 vapch c c l l vap l p pv R C f      (3) Trong đó: vch : vận tốc đặc trưng; 8 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 Ce, Cc: các hằng số thực nghiệm (lấy Ce = 0.02; Cc = 0,01). Khi dòng chảy bao quanh bánh lái để chuyển đổi năng lượng thành lực bẻ lái thì chỉ có một số chế độ vận hành man - nơ (góc bẻ lái lớn hay tốc độ dòng chảy sau chân vịt lớn) bánh lái xuất hiện “xâm thực”. Để thấy rõ vấn đề này xem bảng sau: Vi(m/s) i0 5 10 15 20 5 10 15 20 25 30 35 Không xâm thực Có xâm thực Điều kiện xuất hiện xâm thực là tồn tại áp suất của chất lỏng nhỏ hơn bằng áp suất hơi bão hòa (đối với nước biển là khoảng 3540 N/m2), các phần tử lỏng tại đó sẽ hóa hơi (chuyển từ pha lỏng sang pha hơi). Qua bảng trên, thấy rằng: Rất nhiều vùng làm việc của bánh lái xuất hiện xâm thực, vấn đề ở đây là có nhiều loại xâm thực khác nhau, có đặc tính khác nhau. Nghĩa là cùng rơi vào trạng thái xâm thực, nhưng với các điều kiện đầu vào khác nhau thì xâm thực đó có tên gọi và đặc tính khác nhau [2, 3]. Trong phạm vi bài báo, nhóm tác giả tính toán mô phỏng vùng xâm thực trên bánh lái theo thời gian (Transient) để thấy rõ tính bất ổn định của lực bẻ lái trong giai đoạn này. Gọi I là góc bẻ lái, Vi là vận tốc dòng chảy bao quanh bánh lái, tính bằng tổng của vận tốc tiến của chân vịt (Vp) và vận tốc tiến tàu thủy (Va): Vp = h.n (4) Trong đó: h: bước tiến thực của chân vịt; n: số vòng quay chân vịt (các số liệu này được lấy từ hồ sơ M/V TAN CANG FOUNDATION [5]); Va được đo đạc thực tế trên M/V TAN CANG FOUNDATION tại các vị trí khác nhau dọc theo tuyến luồng Hải Phòng [5]. 3. Phân tích kết quả Kết quả tính toán được sử dụng cùng phần mềm Fluent-Ansys R15.0, với một số tham số đầu vào được sử dụng cụ thể là: Bước thời gian được đặt là 1e-05 s, góc bẻ lái là 00, 150 và 350, tốc độ dòng bao là 10 m/s, chiều sâu đặt chân vịt là 4 m. Trường hợp góc bẻ lái  = 00 không xuất hiện xâm thực, còn khi  = 150 vùng chất lỏng hóa hơi đã xuất hiện, có thể xem phân bố % pha hơi trong không gian dòng chảy bao quanh bánh lái trên hình 2. Hình 2. Mô tả % pha hơi  = 00,  =150, tốc độ dòng bao V = 10m/s Nhằm thể hiện tính bất ổn định của vùng xâm thực kéo theo sự dao động của lực bẻ lái, xét % pha hơi trên cùng mặt cắt và điều kiện đầu vào tại các bước thười gian khác nhau (hình 3). Hình 3. Mô tả % pha hơi  =150, tốc độ dòng bao V=10m/s; a) 78 bước thời gian; b) 230 bước thời gian Từ kết quả nhận được theo hình 2 và hình 3, nhận xét rằng: Kích thước vùng xâm thực, đặc biệt là vùng pha hơi bám trên bánh lái là thay đổi theo thời gian. Đây chính là nguyên nhân dẫn tới trị số lực bẻ lái bị dao động trong khi số vòng quay chân vịt và góc bẻ lái là giữ nguyên. Trong suốt quá trình vận hành của tàu thủy, bánh lái xuất hiện xâm thực ở nhiều dạng có các đặc điểm khác nhau [2]. Trong nội dung bài báo này, nhóm tác giả không thể đưa hết kết quả cho các đầu vào khác nhau, để TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 9 minh chứng cho tính bất ổn định của lực bẻ lái khi bánh lái làm việc khi có xâm thực, xét hệ số không thứ nguyên CL (hệ số lực nâng). Hình 4. Hệ số lực nâng trên bánh lái tại các bước thời gian khác nhau Phân tích kết quả từ hình 4, nhận xét rằng: Khi CL biến thiên liên tục theo các bước thời gian, mặc dù góc bẻ lái giữ nguyên  = 150 và tốc độ dòng chảy bao là 10 m/s. Lúc này tồn tại lực bẻ lái tác động lên bánh lái có hiện tượng dao động, dẫn đễn sự thay đổi hướng chuyển động của tàu thủy gặp nhiều khó khăn. 4. Kết luận Bài báo đưa ra cơ sở toán học và sử dụng phần mềm Fluent-Ansys để xác định kích thước vùng xâm thực trên bánh lái ở một số chế độ vận hành man nơ. Đặc biệt tập trung nghiên cứu loại xâm thực có tính bất ổn định, từ đó tính toán được chu kỳ dao động của chúng. Trên cơ sở đó phân tích được tính bất ổn định của lực bẻ lái, đã ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính hướng chuyển động tàu thủy. Điều này càng trở nên quan trọng khi điều động tàu trong các tuyến luồng hàng hải, các khúc cong, cua gấp, khu vực hàng hải đặc biệt, khu vực hàng hải khó khăn và nông cạn, Để tính toán chu kỳ dao động của lực bẻ lái trong từng giai đoạn vận hành, đòi hỏi việc nghiên cứu công phu và khối lượng công việc rất lớn, nhóm tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu và công bố kết quả trong các bài báo hay công trình 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, Nguyễn Thế Mịch, Nguyễn Thế Đức (2007). Mô phỏng vùng xâm thực trong dòng bao quanh profil cánh bằng phương pháp phần tử biên. Tr. 77 - 84. Tuyển tập hội Cơ học toàn quốc lần thứ VIII. Hà Nội, 6-7/12/2007. [3] Padamanabhan Krishnaswamy (2000). Flow modelling for partially cavitating hydrofoils. PhD thesis. Technical university of Denmark. [4] G. Palau-Salvador, P. Gouzalez-Altozano and J. Arviza-Valverde. Numerical modeling of cavitating flows for simple geometries using Fluent. Spanish journal of Agricultural research. 2007. Ngày nhận bài: 10/01/2016 Ngày chấp nhận đăng: 25/01/2016 Phản biện: PGS.TS. Vũ Đức Lập TS. Nguyễn Xuân Phương