- Lực cản và các thành phần lực cản tàu thủy. - Giảm lực cản và phương pháp giảm lực cản. - Lực cản tác động lên tàu. - Khảo sát đặc tính khí động học hình dáng hình hộp. - Phát triển hình dáng khí động ứng dụng giảm lực cản cho tàu. - 46 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN TÀU CHỞ CONTAINER. - Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cản gió tác động lên tàu. - Nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu container. - Từ nhu cầu đó, tác giả lựa chọn vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng hình học đến đặc tính khí động và giảm lực cản khí động tác dụng lên tàu container. - Lịch sử nghiên cứu Trong vấn đề liên quan đến tính toán lực cản nói chung, cũng như lực cản khí động của tàu thủy nói riêng đã được nhiều tác giả trong, ngoài nước quan tâm thực hiện nghiên cứu. - Úng dụng CFD trong nghiên cứu tính toán giảm lực cản gió cho tàu chở hàng là vấn đề hiện nay vẫn đang rất quan trọng cho các nhà khoa học [4-9]. - Với mỗi loại tàu khác nhau, cần có các biện pháp kỹ thuật khác nhau để làm giảm lực cản tác động lên tàu. - Nghiên cứu giảm lực cản tác động lên tàu cũng chính là nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả khai thác tàu. - Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài là phân tích, đánh giá ảnh hưởng của hình dáng hình học đến đặc tính khí động học và ứng dụng trong việc giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu chở hàng. - Thông qua các kết quả tính toán mô phỏng, đề xuất một số giải pháp làm giảm lực cản khí động tác động lên tàu nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu. - Đối tượng nghiên cứu là nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên tàu chở hàng nhằm nâng cao hiệu quả khai thác tàu. - Một số tác giả nghiên cứu về vấn đề giảm lực cản khí động cho tàu chở hàng có thể kể đến như nghiên cứu của nhóm tác giả K. - Sugata cùng cộng sự (2013), nhóm tác giả Ngô Văn Hệ cùng cộng sự (2013), Mizutani cùng cộng sự (2013), Ngô Văn Hệ cùng cộng sự Nguyễn Văn Cường cùng cộng sự (2017) những nghiên cứu này tập trung nghiên cứu vấn đề ảnh hưởng của hình dáng tàu hàng như thân tàu, thượng tầng tàu và bố trí chung trên tàu đến việc giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu. - Bằng các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm các tác giả đã đưa ra được một số kết quả về giảm lực cản gió tác động lên tàu thông qua việc bố trí thượng tầng tàu trên boong và đề xuất thượng tầng mới cho tàu có biên dạng khí động giảm lực cản [4-9]. - Lực cản ma sát chịu ảnh hưởng độ cong dọc và ngang thân tàu. - Nếu hình dáng thân tàu càng khó thoát nước thành phần lực cản này càng lớn. - Lực cản sóng càng lớn khi vận tốc tàu càng lớn. - RT = Rwater + Rair (1.2) Trong luận văn này tác giả tập trung nghiên cứu thành phần lực cản khí động tác động lên phần thân tàu phía trên mặt nước Rair nhằm làm giảm thành phần lực cản này tác động lên tàu. - Trong luận văn này, tác giả đề cập nghiên cứu lực cản gió hay lực cản khí động tác động lên phân thân tàu phía trên mặt nước. - Thành phần lực cản này được gọi là lực cản khí động hay lực cản gió hay lực cản không khí. - Khi nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động tác động lên tàu theo quan điểm động lực học, người ta tách lực khí động thành 3 thành phần chính: Thành phần có phương song song với bề mặt đường chính là lực cản gió. - Trong nghiên cứu giảm lực cản cho tàu thường các nhà nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc giảm lực cản ma sát, lực cản nhớt và lực cản sóng tác động lên tàu. - Trong tổng số các thành phần lực cản tác động lên tàu thì lực cản ma sát nhớt chiếm phần lớn trong tổng lực cản của tàu. - Đối với những vật chìm hoàn toàn, hầu như chỉ có lực cản nhớt tác động lên nó. - Do vậy, việc tìm các biện pháp giảm lực cản nhớt là vấn đề khá quan trọng đặt ra cho các nhà nghiên cứu. - Đối với các vật thể dễ thoát nước chú ý đến việc giảm lực cản ma sát vì thành phần lực cản hình dáng không lớn. - Còn đối với các vật thể khó thoát nước phải giảm lực cản hình dáng. - Một số biện pháp công nghệ giảm lực cản đang được nghiên cứu và áp dụng hiện nay trên tàu như sau. - Việc tính toán giảm lực cản sóng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như hình dáng, loại tàu, điều kiện sóng nghiên cứu. - Trong luận văn này tác giả chỉ tập chung nghiên cứu vấn đề liên quan đến ảnh hưởng hình dáng thân, thượng tầng tàu đến đặc tính khí động học và giảm lực cản khí động cho tàu. - Kết luận chương 1 Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu tính toán lực cản gió tác động lên tàu trong điều kiện khai thác tàu cụ thể. - Trong luận văn này chỉ giới hạn phương pháp cải thiện hình dáng thân tàu để giảm lực cản khí động tác động lên phần thân tàu phía trên mặt nước cho tàu trong điều kiện khai thác tàu cụ thể. - Lực cản tác động lên tàu Trong nghiên cứu tính toán lực cản tàu thủy, lực cản tác động lên thân tàu được xác định theo công thức (1.3): 17 Trong tính toán lực cản khí động tác động lên tàu, vận tốc gió có thê xác định dựa trên các dữ liệu thống kê trong tài liệu. - Bảng 2.2 thể hiện một số giá trị hệ số lực cản khí động tác động lên một số tàu thông dụng được tổng hợp trên cơ sở thực nghiệm mô hình trong các bể thử có uy tín. - Kết luận chương 2 Trong chương này đã trình bày một số cơ sở lý thuyết chung về tính toán lực cản tác động lên tàu thủy. - Đây là cơ sở để hướng tới tối ưu hình dáng khí động vật thể và ứng dụng trong nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu. - Sự chênh lệch áp suất này sẽ có thể là nguyên nhân gây ra tăng lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát. - Bảng 3.2 thể hiện kết quả so sánh hệ số lực cản khí động tác động lên hình hộp tính toán CFD và thực nghiệm tra cứu theo tài liệu [7, 8]. - Bảng 3.2: Hệ số lực cản khí động tác động lên vật thể cơ bản hình hộp Tên CFD Thực nghiệm % Sai lệch N Từ kết quả mô phòng đặc tính khí động học dòng bao quanh hình hộp cho thấy phân bố áp suất và dòng bao quanh vật thể có nhiễu loạn rõ rệt, các vùng thay đổi áp suất rộng, vùng xoáy sau vật thể rộng. - Từ những yếu tố này cho thấy lực cản khí động tác động lên vật thể có thể giảm được thông qua việc cải thiện hình dáng khí động cho vật thể như trong một số nghiên cứu đã thực hiện. - Bảng 3.4 thể hiện kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát. - Bảng 3.4: Bảng kết quả tính toán lực cản khí động tác đông lên vật thể No Lực cản khí động Rair, (N) Hệ số lực cản, Cd Sai khác so với mô hình ban đầu, N1. - N N N N N N N Hình 3.8: So sánh lực cản khí động tác động lên vật thể 36 Từ kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát thể hiện trên bảng 3.4 và đồ thị so sánh trên hình 3.8 cho thấy rõ sự ảnh hưởng của hình dáng vật thể đến đặc tính khí động và lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát. - Đây là kết quả cho thấy mức độ ảnh hưởng hình dáng đến đặc tính khí động là rất lớn, có thể ứng dụng trong cải tiến hình dáng khí động học tàu thủy để giảm lực cản khí động, nâng cao hiệu quả khai thác tàu. - Phát triển hình dáng khí động ứng dụng giảm lực cản cho tàu Từ các kết quả phân tích đặc tính khí động học đối với hình hộp theo tỷ lệ kích thước đã thay đổi trên. - Hình 3.9: Hình dáng hình hộp cải tiến vát mép trước 37 Bảng 3.5: Bảng thông số kích thước hình dáng vật khảo sát No b/l h/l x/l N N N N N N N N N Trên cơ sở tính toán mô phỏng cho toàn bộ các mô hình khảo sát trên thu được kết quả tính toán mô phỏng lực cản khí động tác động lên các vật thể khảo sát thể hiện chi tiết trong bảng 3.6 và đồ thị so sánh lực cản trên hình 3.10. - Hình 3.10: Lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát 38 Bảng 3.6: Kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên vật thể No Lực cản khí động Rair, (N) Hệ số lực cản, Cd Sai khác so với mô hình ban đầu, N1. - N N N N N N N N N Hình 3.11 thể hiện kết quả tính mô phỏng phân bố áp suất bao quanh vật thể tốt nhất về lực cản trong quá trình vát mép vào của hình hộp đã trình bày, mô hình N7-3. - Hình 3.11: Kết quả phân bố áp suất bao quanh hình dáng N7-3 39 Từ kết quả tính toán so sánh lực cản khí động thể hiện trong bảng kết quả và đồ thị so sánh lực cản cho thấy rõ sự ảnh hưởng của hình dáng cải tiến đến việc giảm lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát. - Trên cơ sở cải tiến hình dáng này, tiếp tục thay đổi hình dáng vật thể có lực cản khí động tác động lên nhỏ nhất từ kết quả khảo sát trên, mô hình N7-3. - Hình 3.12: Mô hình thay đổi kích thước vật thể khảo sát, N7-3 Bảng 3.7: Thông số kích thước thay đổi mô hình N7-3 No b/l h/l h1/h N N N Thực hiện tính toán mô phỏng số khảo sát các đặc tính khí động học cho các mô hình đã thay đổi kích thước như trong bảng 3.7 thu được kết quả lực cản khí động tác động lên vật thể như trong bảng 3.8 và đồ thị so sánh lực cản trên hình 3.13. - 40 Bảng 3.8: Kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên vật thể No Lực cản khí động Rair, (N) Hệ số lực cản, Cd Sai khác so với mô hình ban đầu, N1. - N N N Hình 3.13: Lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát Từ hình dáng vật thể N7-3.4.1 tiếp tục thay đổi hình dáng cho vật thể theo thông số kích thước như trong hình 3.14 và tỷ số kích thước chi tiết trong bảng 3.9. - Kết quả thực hiện tính toán mô phỏng số cho các mô hình mới được thực hiện trong các điều kiện tương tự với các mô hình ban đầu và thể hiện trong bảng kết quả 3.10 và hình biểu diễn so sánh lực cản khí động, Hình 3.15. - 41 Hình 3.14: Mô hình cải tiến từ hình dáng N7-3.4.1 Bảng 3.9: Thông số kích thước thay đổi mô hình N7-3 No b/l h/l y/b N N N Bảng 3.10: Kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên vật thể No Lực cản khí động Rair, (N) Hệ số lực cản, Cd Sai khác so với mô hình ban đầu, N1. - N N N Hình 3.15: Lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát Từ kết quả tính toán lực cản khí động cho thấy mô hình cải tiến không tốt hơn so với mô hình ban đầu N7-3.4.1.1. - Thực hiện quá trình tính toán mô phỏng số cho các mô hình đã thay đổi thu được các kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên mô hình vật thể khảo sát như thể hiện trong bảng kết quả tính toán lực cản khí động của vật thể khảo sát bảng 3.12 và đồ thị so sánh lực cản trên hình 3.17. - Hình 3.16: Hình dáng vật thể thay đổi kích thước khảo sát 43 Bảng 3.11: Thông số kích thước mô hình khảo sát No b/l h/l h1/h N N N N Bảng 3.12: Kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên vật thể No Lực cản khí động Rair, (N) Hệ số lực cản, Cd Sai khác so với mô hình ban đầu, N1. - N N N N Hình 3.17: Kết quả tính lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát 44 Hình 3.18: Kết quả mô phỏng phân bố áp suất bao quanh vật thể tốt nhất trong quá trình thay đổi, N Từ các kết quả tính toán khảo sát trên đây cho thấy rõ sự ảnh hhưởng của hình dáng hình học đến các đặc tính khí động học vật thể. - Tính toán trên các trường hợp thay đổi kích thước vật thể cho thấy mức độ thay đổi hình dáng ảnh hưởng đến lực cản khí động. - Mô hình N được cải tiến là tốt nhất trong số các mô hình đã khảo sát, với mức độ có thể giảm được tới 77% tổng lực cản khí động tác động lên vật thể so với mô hình hình hộp nguyên bản N1 ban đầu. - Những kết quả này chính là cơ sở cho việc ứng dụng trong nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu sẽ thực hiện trong luận văn này. - Lực cản khí động tác động lên vật thể tối ưu trong các mô hình đã khảo sát có thể giảm tới 77% tổng số lực cản so với ban đầu khảo sát. - Từ những kết quả phân tích, khảo sát cho thấy rõ sự ảnh hưởng đến đặc tính khí động học vật thể như phân bố áp suất bao quanh vật thể đã khảo sát, lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát. - 46 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN TÀU CHỞ CONTAINER 4.1. - Từ việc tính toán lực cản khí động cho thấy, lực cản gió tác động lên tàu phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản như vận tốc chạy tàu, môi trường khai thác tàu, diện tích mặt hứng gió. - Trong phần này sẽ tập trung phân tích từng yếu tố ảnh hưởng đến lực cản khí động tác động lên tàu. - Môi trường khác nhau, làm cho lực cản khí động tác động lên tàu khác nhau. - Trong công thức kinh nghiệm nhiều nhà khoa học đã đề cập đến sự ảnh hưởng của môi trường khai thác đến lực cản trong hệ số kinh nghiệm lực cản khí động. - Trong luận văn này, tác giả không đi sâu nghiên cứu sự ảnh hưởng của môi trường khai thác đến lực cản khí động thân tàu. - Vận tốc khai thác tàu: yếu tố này có quan hệ bình phương với lực cản tác động lên tàu. - Như vậy vận tốc khai thác tàu hay vận tốc dòng gió tới tác động lên tàu có ảnh hưởng rõ rệt đến lực cản. - Tuy nhiên khi vận tốc lớn thì mức độ thay đổi lực cản khí động tăng vọt. - Tác giả không nghiên cứu sự thay đổi của vận tốc ảnh hưởng đến lực cản khí động . - Hình 4.1: Phân bố dòng bao quanh vật thể trụ và hộp theo số Reynolds 48 - Hình dáng thân tàu, diện tích mặt hứng gió: Trong nhiều nghiên cứu đã cho thấy hình dáng có ảnh hưởng rõ rệt đến lực cản khí động. - Sự ảnh hưởng này, thường được đề cấp đến trong các hệ số lực cản khí động. - Trong công thức kinh nghiệm lực cản khí động được thể hiện thông qua yếu tố diện tích mặt hứng gió. - Tuy nhiên sự kể đến của diện tích mặt hứng gió là chưa đủ để bộc lộ hết sự ảnh hưởng của hình dáng khí động đến lực cản khí động (hình 4.1). - Đây cũng là vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu qua tâm để tìm ra các giải pháp làm giảm lực cản khí động cho tàu. - Trong luận văn này tác giả đi nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình dáng hình học đến đặc tính khí động tác động lên vật thể đồng thời ứng dụng nó nhằm nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu cho container. - Nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu đồng thời là nghiên cứu nhằm tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu. - Trong luận văn này, thực hiện việc khảo sát, nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng hình học vật thể đến đặc tính khí động học và nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên tàu chở container. - Trên cơ sở phân tích đặc tính khí động học tác động lên vật thể và ảnh hưởng của hình dáng đã thực hiện cho thấy rõ ràng việc có thể thay đổi cách xếp hàng container trên tàu để giảm lực cản khí động cho tàu. - Từ đó thực hiện quá trình nghiên cứu cải tiến việc sắp xếp hàng trên boong tàu nhằm giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu. - Nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu container Như đã phân tích trong việc xác định cơ sở của nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên vật thể hình hộp đã khảo sát. - Nhằm giảm lực cản gió tác động lên thân tàu chở container, trong phần này trình bày một số kết quả thực hiện nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu thông qua việc sắp xếp container trên boong tàu. - Thông qua đó giúp cải thiện đặc tính khí động học cho tàu, giảm lực cản khí động nâng cao hiệu quả khai thác tàu. - Từ các kết quả phân bố áp suất này chúng ta có thể hiểu được một cách rõ ràng nguyên nhân gây ra lực cản và phân bố lực cản khí động tác động lên tàu. - Hình 4.12 thể hiện kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên các mô hình thân tàu với các phương án xếp container đã khảo sát. - Như vậy phương án xếp hàng có mức độ ảnh hưởng lớn đến vấn đề giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu. - Trong chương này đã thực hiện nghiên cứu nhằm làm giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu chở container thông qua việc sắp xếp hàng container trên boong tàu. - Trên cơ sở mô phỏng số, các thành phần lực cản khí động tác động lên tàu đã được tính toán và so sánh, để tìm ra được những yếu tố thay đổi tích cực, giúp giảm lực cản gió tác động lên thân tàu. - Trên cơ sở tiến tới tối ưu đặc tính khí động học vật thể, luận văn đã vận dụng trong vấn đề nghiên cứu giảm lực cản tác động lên thân tàu chở container thông qua việc khảo sát, so sánh và đánh giá tác động của các phương án xếp container trên boong tàu khác nhau đến các đặc tính khí động học thân tàu phần phía trên mặt nước. - Trên cơ sở đánh giá, so sánh các phương án đưa ra, phương án tốt nhất với lực cản khí động tác động lên tàu nhỏ nhất đã được tim ra. - Như vậy thông qua việc xếp hàng có thể giúp tiết kiệm được tới 50% lực cản khí động tác động lên tàu
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt