Phân tích đặc tính khí động và ảnh hưởng của tư thế khai thác đến lực cản khí động của tàu hàng sông

Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 177 - 182 177 PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TƯ THẾ KHAI THÁC ĐẾN LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG CỦA TÀU HÀNG SÔNG Ngô Văn Hệ* Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TÓM TẮT Vấn đề nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu chở hàng sông hiện nay vẫn chưa được quan tâm nghiên cứu ở nước ta. Nhằm đưa ra những phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng của yếu tố thiết kế tàu, tư thế tàu trong khai thác tàu đến đặc tính khí động học và lực cản khí động tác động lên thân tàu chở hàng sông. Trong bài báo này, tác giả trình bày một số kết quả nghiên cứu về đặc tính khí động học thân tàu hàng sông và ảnh hưởng của tư thế khai thác đến đặc tính khí động của tàu thông qua sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số. Trên cơ sở tính toán và phân tích các kết quả thu được, một số giải pháp kỹ thuật sẽ được đưa ra nhằm cải thiện đặc tính khí động học và giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu. Nghiên cứu giảm lực cản tác động lên thân tàu đồng thời là nghiên cứu giúp cải thiện và nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu thông qua việc giảm lượng tiêu hao nhiên liệu chạy tàu. Từ khóa: tàu sông, đặc tính khí động, lực cản khí động, giảm lực cản ĐẶT VẤN ĐỀ* Tàu chở hàng sông là loại tàu sử dụng trong vận chuyển hàng hóa trên các tuyến đường sông. Ở nước ta, với lợi thế mạng lưới sông ngòi dày đặc, nhiều vịnh, hồ trên khắp cả nước đã tạo điều kiện cho việc phát triển đội tàu sông khá mạnh. Trọng tải tàu hàng sông được thiết kế có thể chỉ từ khoảng 200-500 tấn, loại tàu sông được sử dụng chủ yếu có trọng tải từ 1000-2000 tấn. Bên cạnh đó, một số tàu được thiết kế với đặc thù riêng có thể có tải trọng ở mức khác phù hợp. Hầu hết đội tàu hàng sông được thiết kế với đặc điểm chung là: máy tàu và thượng tầng bố trí tại phía lái, sử dụng máy diesel lai trực tiếp chân vịt. Tư thế khai thác đặc thù của loại tàu này là: ở trạng thái tàu không hàng, tư thế của tàu thường có góc ngóc mũi khoảng 2-5 độ. Trong các trạng thái khai thác khác hoặc trường hợp có điều chỉnh tư thế tàu, khi đó tàu phải được dằn hoặc được xắp xếp hàng theo phương án nhất định đã được tính toán kiểm tra ổn định để đảm bảo tư thế hoạt động đó của tàu thỏa mãn tính năng hàng hải và an toàn trong quá trình khai thác. Trong một số nghiên cứu liên quan gần đây cho thấy, tư thế khai thác của tàu, bố trí chung * Tel: 01679 482746, Email: he.ngovan@hust.edu.vn và trang bị trên tàu, hình dàng thân tàu có ảnh hưởng đến đặc tính khí động học thân tàu [1- 8], trên cơ sở thiết kế và bố trí chung phần thân và thượng tầng tàu có hình dáng khí động học, có thể cải thiện đặc tính khí động cho tàu và giảm được lực cản tác động lên tàu, hay tiết kiệm được lượng tiêu hao nhiên liệu chạy tàu một lượng đáng kể. Những nghiên cứu này cho thấy, tối ưu hình dáng khí động học cho tàu là một trong những giải pháp hữu ích để nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu. Hình 1. Tàu chở hàng sông Việt Nam và hình dáng tàu không nước dằn mới NBS [5-8] Trong nghiên cứu này, tác giả thực hiện nghiên cứu phân tích đặc tính khí động học thân tàu hàng sông và ảnh hưởng của tư thế khai thác tàu đến đặc tính khí động học và Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 177 - 182 178 giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu. Trên cơ sở kết quả thu được, tác giả đưa ra một số giải pháp giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu hàng sông. MÔ HÌNH TÀU HÀNG SÔNG SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU Trong bài báo này, mô hình tính toán được lựa chọn là loại tàu chở hàng sông thông dụng, trọng tải 1200 tấn. Hình 2 thể hiện đường hình dáng và mô hình tàu được xây dựng sử dụng trong tính toán mô phỏng khảo sát đặc tính khí động học. Các thông số cơ bản của tàu được thể hiện trong Bảng 1. Hình 2. Mô hình tàu hàng sông sử dụng trong nghiên cứu, tính toán mô phỏng CFD Bảng 1. Thông số kích thước cơ bản của tàu Thông số Giá trị Đơn vị Chiều dài thiết kế, Ltk 43,25 m Chiều rộng thiết kế, B 5,70 m Chiều cao mạn, H 2,25 m Mớn nước, d 1,90 m Diện tích mặt hứng gió theo phương dọc, Sx 21,64 m 2 Diện tích mặt hứng gió theo phương ngang, Sy 110,79 m 2 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC THÂN TÀU HÀNG SÔNG Trong phần này, đặc tính khí động học của thân tàu hàng sông sẽ được phân tích khảo sát thông qua sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số thương mại Ansys-Fluent v.14.5 [9- 12]. Hình 3 thể hiện miền không gian tính toán khảo sát và chia lưới tính toán. Thông số giới hạn miền không gian tính toán, chia lưới và các điều kiện thiết lập cho bài toán khảo sát đặc tính khí động học thân tàu được thể hiện chi tiết trong Bảng 2. Hình 3. Miền không gian tính toán và chia lưới không cấu trúc Bảng 2. Thiết lập các điều kiện tính toán Thông số Điều kiện Giá trị Đơn vị Miền không gian tính toán LxBxH 200x40 x40 m Số lưới không cấu trúc T 2.263 Triệu lưới Mô hình rối k- Đầu vào, vận tốc vào V 5-18 Hl/h Đầu ra, áp suất khí trời p 1.025 at Reynold Rn 6×106 - 2.2×107 - Khối lượng riêng của không khí ρ 1.225 kg/m3 Độ nhớt động học của không khí  1.7894 ×10-5 kg/m.s Trên cơ sở thực hiện tính toán mô phỏng thu được kết quả khảo sát. Hình 4 thể hiện kết quả phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu tại các vận tốc khác nhau. Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 177 - 182 179 Rn=6.2x10 6 Rn=18.6x10 6 Hình 4. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát Kết quả thể hiện trên Hình 4 cho thấy: Khi thay đổi vận tốc khảo sát, diện tích vùng phân bố áp suất cao và dòng xoáy bao quanh tàu thay đổi theo tương ứng. Sự thay đổi phân bố áp suất và dòng bao quanh tàu phụ thuộc vào vận tốc khai thác tàu hay cấp gió khác nhau. Từ đây có thể thấy, với mỗi loại tàu khác nhau, thân tàu được thiết kế phù hợp với điều kiện khai thác nhằm đạt được những điểm lợi về đặc tính khí động cũng như hạn chế ảnh hưởng của hình dáng đến đặc tính khí động của tàu. Tại các vùng đặc biệt có bề mặt diện tích hứng gió rộng như các vùng phía trước thượng tầng, phía trước các thành quây hầm hàng hay tại khu vực mũi tàu. Phân bố dòng có mật độ lớn hơn, nhiều vùng xoáy so với các khu vực khác. Phân bố áp suất tại các khu vực này tập trung vùng áp suất cao hơn so với các vùng khác. Có thể thấy đây là các vùng đặc biệt, có sự bất thường nhiều hơn so với các vùng khác trên thân tàu. Đây chính là nguyên nhân làm gia tăng lực cản khí động tác động lên thân tàu. Hình 5 thể hiện kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát. Hình 5. Lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 177 - 182 180 ẢNH HƯỞNG CỦA TƯ THẾ KHAI THÁC ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC Tư thế khai thác tàu thể hiện sự tương quan giữa chiều chìm mũi và chiều chìm lái của tàu. Trong phần này, thân tàu được khảo sát với hai tư thế khai thác khác nhau gồm: tàu ở tư thế cân bằng với góc ngóc mũi 0 độ và tàu ở tư thế khai thác với góc ngóc mũi 3 độ. Theo nghiên cứu cho thấy, tư thế tàu với góc ngóc mũi 3 độ là tư thế khai thác trong trạng thái tàu không hàng, rất thường gặp trong quá trình vận tải của đội tàu hàng sông miền Bắc nước ta. Đây là tư thế khai thác nguy hiểm cho tàu trong điều kiện thời tiết không tốt. Tuy nhiên với đặc điểm của loại tàu hàng sông hiện nay, với máy chính bố trí tại phía lái thì việc vận hành tàu trong tư thế này là cần thiết để đảm bảo chiều chìm cho chân vịt tàu hoạt động. Hình 6 thể hiện mô hình tàu khảo sát trong tư thế có góc ngóc mũi 3 độ. Hình 6. Mô hình tàu với tư thế khảo sát với góc ngóc mũi 3 độ Hình 7-9 thể hiện kết quả khảo sát phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu trong tư thế khảo sát tàu với góc ngóc mũi 3 độ. Hình 7. Phân bố áp suất bao quanh tàu khảo sát với góc ngóc mũi 3 độ, tại vận tốc khảo sát ứng với Rn=6.2x10 6 Hình 8. Phân bố áp suất trên bề mặt diện tích thân tàu khảo sát với góc ngóc mũi 3 độ Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 177 - 182 181 Hình 9. Phân bố áp suất và dòng bao quanh tàu khảo sát với góc ngóc mũi 3 độ, tại vận tốc khảo sát ứng với Rn=18.6x10 6 Kết quả phân bố áp suất và vận tốc dòng bao quanh thân tàu trong tư thế khảo sát với góc ngóc mũi 3 độ cho thấy rõ sự ảnh hưởng của tư thế tàu đến phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu. Diện tích vùng áp suất cao tác động lên bề mặt mũi tàu ở tư thế ngóc mũi 3 độ tăng lên so với tư thế tàu cân bằng với góc ngóc mũi 0 độ. Tuy nhiên, trong tư thế ngóc mũi 3 độ, một phần diện tích vùng áp suất cao trên thượng tầng tàu đã bị giảm đi do ảnh hưởng của góc ngóc mũi tàu. Những nguyên nhân này có thể làm thay đổi lực cản khí động tác động lên thân tàu. Hình 10 thể hiện kết quả so sánh lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát trong hai trường hợp. Hình 10. Lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát Kết quả cho thấy: ở vận tốc thấp Rn<8,67x10 6 lực cản khí động tác động lên tàu gần như không thay đổi so với nhau. Khi 8,67x10 6 <Rn<18,6x10 6 lực cản khí động tác động lên tàu ở tư thế ngóc mũi 3 độ giảm đi khoảng 6%. Khi vận tốc lớn, Rn>18,6x10 6 lực cản khí động trong tư thế tàu ngóc mũi 3 độ cao hơn so với tư thế tàu cân bằng khoảng 5%. Thực tế cho thấy, tư thế khai thác còn ảnh hưởng đến tính cân bằng ổn định của tàu. Chính vì vậy, để đảm bảo an toàn cho tàu, bên cạnh việc khai thác tàu với tư thế có lợi về lực cản khí động, cần phải đảm bảo tính ổn định của tàu, đảm bảo an toàn cho người và hàng hóa trên tàu trong vận chuyển. KẾT LUẬN Trong bài báo này, vấn đề khảo sát đặc tính khí động phần thân tàu phía trên mặt nước trong một số điều kiện nhất định đã được thực hiện. Kết quả khảo sát đặc tính khí động theo vận tốc khảo sát và thay đổi tư thế tàu với góc nghiêng 3 độ cho thấy: đặc tính khí động tác động lên tàu thay đổi rõ rệt theo dải vận tốc khai thác khác nhau. Tư thế khai thác của tàu có ảnh hưởng đến đặc tính khí động và làm thay đổi lực cản khí động tác động lên thân tàu. Những kết quả thu được trong nghiên cứu này, có thể làm cơ sở để tiếp tục thực hiện những nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của tư thế tàu đến đặc tính khí động học và tối ưu hình dáng khí động học thân tàu hàng sông. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. N.V. He and Y. Ikeda (2013), “A Study on Interaction Effects between Hull and Acc on Air Resistance of a Ship”, Proc. 16th JASNAOE, Hiroshima, Japan, pp.281-284. 2. K. Mizutani et al. (2013), “Effects of cargo handling equipment on wind resistance acting on a WCC”, Proc. 16th JASNAOE, Hiroshima, Japan, pp.421-425. 3. N.V. He, Y. Nihei and Y. Ikeda (2012). A Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 177 - 182 182 Study on Application of a Commercial CFD Code to Reduce Resistance Acting on a Non Ballast Tanker – Part 2. The 6th Asia-Pacific Workshop on Marine Hydrodynamic, Johor, 264-269. 4. T. Tatsumi et al. (2011), “Development of a new energy saving tanker with non ballast water - Part 1”, The JSNAOE, Fukuoka, (2011) 216-218. (in Japanese) 5. N.V. He, Y. Ikeda (2014), “Added resistance acting on hull of a non ballast water ship”, Journal of Marine Science and Application, Vol. 13 No1, pp. 11-12. 6. Ngo. V. H, Mizutani. K, Ikeda. Y, (2016). Reducing air resistance acting on a ship by using interaction effects between the hull and accommodation. Ocean Engineering Journal, Vol. 111, pp. 414-423. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2015.11.023. 7. N.V. He, (2017), “A study on development of a new concept cargo river ship with reduced resistance in calm water”, Journal of Science and Technology, Vol. 121, pp.89-94. 8. N.V. Hệ, (2018), “Ứng dụng tính toán mô phỏng số nghiên cứu cải thiện đặc tính thủy động lực và hiệu suất đẩy chân vịt”, Tạp chí KHCN Đại học Thái Nguyên, tập 181, số 5, 2018. 9. H.K. Versteeg et al. (2015), “An Introduction to Computational Fluid Dynamics, the Finite Volume Method”, 2nd Edition, Pearson Education. 10. B. Mohammadi, O. Pironneau (1994), “Analysis of the K-epsilon turbulence model”, Wiley & Sons. 11. ITTC (2011), “The resistance committee”, Final report and recommendations to 26 th ITTC, Vol.1. ANSYS Inc (2015), User's Guide v.15.0. SUMMARY ANALYSIS AERO-DYNAMIC PERFORMANCE AND EFFECT OF POSTURE ON AIR RESISTANCE ACTING ON A CARGO RIVER Ngo Van He * Hanoi University of Science and Technology The problem of improving economic efficiency for the cargo river ship is still not studied in Vietnam. In order to analyze and evaluate the effects of the ship design, posture of ship on aero- dynamics performances and air resistances acting on the ship. In this paper, the authors presents some results of a study on aero-dynamic performance and effect of ship posture on aero-dynamics performance and air resistance acting on above water hull surface of the cargo river ship by used a commercial computational fluid dynamics code. From the computed results, some technical solutions will be proposed to improve aero-dynamic performance and reduce air resistance acting on the ship. Study on reduced resistance acting on a ship is as well as a study on improving economic efficiency of the ship by reduced fuel consumption. Keywords: river ship, aero-dynamic performance, air resistance, reduced air resistance Ngày nhận bài: 04/9/2018; Ngày hoàn thiện: 13/10/2018; Ngày duyệt đăng: 30/11/2018 * Tel: 01679 482746, Email: he.ngovan@hust.edu.vn