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<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 189(13): 177 - 182<br /> <br /> PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TƯ THẾ KHAI<br /> THÁC ĐẾN LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG CỦA TÀU HÀNG SÔNG<br /> Ngô Văn Hệ*<br /> Trường Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Vấn đề nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu chở hàng sông hiện nay vẫn chưa được quan tâm<br /> nghiên cứu ở nước ta. Nhằm đưa ra những phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng của yếu tố thiết kế<br /> tàu, tư thế tàu trong khai thác tàu đến đặc tính khí động học và lực cản khí động tác động lên thân<br /> tàu chở hàng sông. Trong bài báo này, tác giả trình bày một số kết quả nghiên cứu về đặc tính khí<br /> động học thân tàu hàng sông và ảnh hưởng của tư thế khai thác đến đặc tính khí động của tàu<br /> thông qua sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số. Trên cơ sở tính toán và phân tích các kết quả<br /> thu được, một số giải pháp kỹ thuật sẽ được đưa ra nhằm cải thiện đặc tính khí động học và giảm<br /> lực cản khí động tác động lên thân tàu. Nghiên cứu giảm lực cản tác động lên thân tàu đồng thời là<br /> nghiên cứu giúp cải thiện và nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu thông qua việc giảm lượng<br /> tiêu hao nhiên liệu chạy tàu.<br /> Từ khóa: tàu sông, đặc tính khí động, lực cản khí động, giảm lực cản<br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ*<br /> Tàu chở hàng sông là loại tàu sử dụng trong<br /> vận chuyển hàng hóa trên các tuyến đường<br /> sông. Ở nước ta, với lợi thế mạng lưới sông<br /> ngòi dày đặc, nhiều vịnh, hồ trên khắp cả<br /> nước đã tạo điều kiện cho việc phát triển đội<br /> tàu sông khá mạnh. Trọng tải tàu hàng sông<br /> được thiết kế có thể chỉ từ khoảng 200-500<br /> tấn, loại tàu sông được sử dụng chủ yếu có<br /> trọng tải từ 1000-2000 tấn. Bên cạnh đó, một<br /> số tàu được thiết kế với đặc thù riêng có thể<br /> có tải trọng ở mức khác phù hợp. Hầu hết đội<br /> tàu hàng sông được thiết kế với đặc điểm<br /> chung là: máy tàu và thượng tầng bố trí tại<br /> phía lái, sử dụng máy diesel lai trực tiếp chân<br /> vịt. Tư thế khai thác đặc thù của loại tàu này<br /> là: ở trạng thái tàu không hàng, tư thế của tàu<br /> thường có góc ngóc mũi khoảng 2-5 độ.<br /> Trong các trạng thái khai thác khác hoặc<br /> trường hợp có điều chỉnh tư thế tàu, khi đó<br /> tàu phải được dằn hoặc được xắp xếp hàng<br /> theo phương án nhất định đã được tính toán<br /> kiểm tra ổn định để đảm bảo tư thế hoạt động<br /> đó của tàu thỏa mãn tính năng hàng hải và an<br /> toàn trong quá trình khai thác.<br /> Trong một số nghiên cứu liên quan gần đây<br /> cho thấy, tư thế khai thác của tàu, bố trí chung<br /> *<br /> <br /> và trang bị trên tàu, hình dàng thân tàu có ảnh<br /> hưởng đến đặc tính khí động học thân tàu [18], trên cơ sở thiết kế và bố trí chung phần<br /> thân và thượng tầng tàu có hình dáng khí<br /> động học, có thể cải thiện đặc tính khí động<br /> cho tàu và giảm được lực cản tác động lên<br /> tàu, hay tiết kiệm được lượng tiêu hao nhiên<br /> liệu chạy tàu một lượng đáng kể. Những<br /> nghiên cứu này cho thấy, tối ưu hình dáng khí<br /> động học cho tàu là một trong những giải<br /> pháp hữu ích để nâng cao hiệu quả kinh tế<br /> khai thác tàu.<br /> <br /> Hình 1. Tàu chở hàng sông Việt Nam và hình<br /> dáng tàu không nước dằn mới NBS [5-8]<br /> <br /> Trong nghiên cứu này, tác giả thực hiện<br /> nghiên cứu phân tích đặc tính khí động học<br /> thân tàu hàng sông và ảnh hưởng của tư thế<br /> khai thác tàu đến đặc tính khí động học và<br /> <br /> Tel: 01679 482746, Email: he.ngovan@hust.edu.vn<br /> <br /> 177<br /> <br /> Ngô Văn Hệ<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu.<br /> Trên cơ sở kết quả thu được, tác giả đưa ra<br /> một số giải pháp giảm lực cản khí động tác<br /> động lên thân tàu hàng sông.<br /> MÔ HÌNH TÀU HÀNG SÔNG SỬ DỤNG<br /> TRONG NGHIÊN CỨU<br /> Trong bài báo này, mô hình tính toán được<br /> lựa chọn là loại tàu chở hàng sông thông<br /> dụng, trọng tải 1200 tấn. Hình 2 thể hiện<br /> đường hình dáng và mô hình tàu được xây<br /> dựng sử dụng trong tính toán mô phỏng khảo<br /> sát đặc tính khí động học. Các thông số cơ<br /> bản của tàu được thể hiện trong Bảng 1.<br /> <br /> 189(13): 177 - 182<br /> <br /> thông qua sử dụng công cụ tính toán mô<br /> phỏng số thương mại Ansys-Fluent v.14.5 [912]. Hình 3 thể hiện miền không gian tính<br /> toán khảo sát và chia lưới tính toán. Thông số<br /> giới hạn miền không gian tính toán, chia lưới<br /> và các điều kiện thiết lập cho bài toán khảo<br /> sát đặc tính khí động học thân tàu được thể<br /> hiện chi tiết trong Bảng 2.<br /> <br /> Hình 3. Miền không gian tính toán và chia lưới<br /> không cấu trúc<br /> Bảng 2. Thiết lập các điều kiện tính toán<br /> Thông số<br /> <br /> Hình 2. Mô hình tàu hàng sông sử dụng trong<br /> nghiên cứu, tính toán mô phỏng CFD<br /> Bảng 1. Thông số kích thước cơ bản của tàu<br /> Thông số<br /> Chiều dài thiết kế, Ltk<br /> Chiều rộng thiết kế, B<br /> Chiều cao mạn, H<br /> Mớn nước, d<br /> Diện tích mặt hứng gió<br /> theo phương dọc, Sx<br /> Diện tích mặt hứng gió<br /> theo phương ngang, Sy<br /> <br /> Giá trị<br /> 43,25<br /> 5,70<br /> 2,25<br /> 1,90<br /> <br /> Đơn vị<br /> m<br /> m<br /> m<br /> m<br /> 2<br /> <br /> 21,64<br /> <br /> m<br /> <br /> 110,79<br /> <br /> m2<br /> <br /> KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC<br /> THÂN TÀU HÀNG SÔNG<br /> Trong phần này, đặc tính khí động học của<br /> thân tàu hàng sông sẽ được phân tích khảo sát<br /> <br /> 178<br /> <br /> Miền không gian<br /> tính toán<br /> Số lưới không<br /> cấu trúc<br /> Mô hình rối<br /> Đầu vào, vận tốc<br /> vào<br /> Đầu ra, áp suất<br /> khí trời<br /> Reynold<br /> Khối lượng riêng<br /> của không khí<br /> Độ nhớt động<br /> học của không<br /> khí<br /> <br /> Điều kiện<br /> <br /> Giá<br /> trị<br /> <br /> Đơn<br /> vị<br /> <br /> LxBxH<br /> <br /> 200x40<br /> x40<br /> <br /> m<br /> <br /> T<br /> <br /> 2.263<br /> <br /> Triệu<br /> lưới<br /> <br /> k-<br /> Hl/h<br /> <br /> V<br /> <br /> 5-18<br /> <br /> p<br /> <br /> 1.025<br /> <br /> Rn<br /> <br /> 6×106 2.2×107<br /> <br /> -<br /> <br /> ρ<br /> <br /> 1.225<br /> <br /> kg/m3<br /> <br /> <br /> <br /> 1.7894<br /> ×10-5<br /> <br /> kg/m.s<br /> <br /> at<br /> <br /> Trên cơ sở thực hiện tính toán mô phỏng thu<br /> được kết quả khảo sát. Hình 4 thể hiện kết<br /> quả phân bố áp suất và dòng bao quanh thân<br /> tàu tại các vận tốc khác nhau.<br /> <br /> Ngô Văn Hệ<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 189(13): 177 - 182<br /> <br /> Rn=6.2x106<br /> <br /> Rn=18.6x106<br /> <br /> Hình 4. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát<br /> <br /> Kết quả thể hiện trên Hình 4 cho thấy: Khi<br /> thay đổi vận tốc khảo sát, diện tích vùng phân<br /> bố áp suất cao và dòng xoáy bao quanh tàu<br /> thay đổi theo tương ứng. Sự thay đổi phân bố<br /> áp suất và dòng bao quanh tàu phụ thuộc vào<br /> vận tốc khai thác tàu hay cấp gió khác nhau.<br /> Từ đây có thể thấy, với mỗi loại tàu khác<br /> nhau, thân tàu được thiết kế phù hợp với điều<br /> kiện khai thác nhằm đạt được những điểm lợi<br /> về đặc tính khí động cũng như hạn chế ảnh<br /> hưởng của hình dáng đến đặc tính khí động<br /> của tàu. Tại các vùng đặc biệt có bề mặt diện<br /> tích hứng gió rộng như các vùng phía trước<br /> thượng tầng, phía trước các thành quây hầm<br /> hàng hay tại khu vực mũi tàu. Phân bố dòng<br /> có mật độ lớn hơn, nhiều vùng xoáy so với<br /> các khu vực khác. Phân bố áp suất tại các khu<br /> vực này tập trung vùng áp suất cao hơn so với<br /> <br /> các vùng khác. Có thể thấy đây là các vùng<br /> đặc biệt, có sự bất thường nhiều hơn so với<br /> các vùng khác trên thân tàu. Đây chính là<br /> nguyên nhân làm gia tăng lực cản khí động<br /> tác động lên thân tàu. Hình 5 thể hiện kết quả<br /> tính toán lực cản khí động tác động lên thân<br /> tàu khảo sát.<br /> <br /> Hình 5. Lực cản khí động tác động lên thân tàu<br /> khảo sát<br /> <br /> 179<br /> <br /> Ngô Văn Hệ<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> ẢNH HƯỞNG CỦA TƯ THẾ KHAI THÁC<br /> ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC<br /> Tư thế khai thác tàu thể hiện sự tương quan<br /> giữa chiều chìm mũi và chiều chìm lái của<br /> tàu. Trong phần này, thân tàu được khảo sát<br /> với hai tư thế khai thác khác nhau gồm: tàu ở<br /> tư thế cân bằng với góc ngóc mũi 0 độ và tàu<br /> ở tư thế khai thác với góc ngóc mũi 3 độ.<br /> Theo nghiên cứu cho thấy, tư thế tàu với góc<br /> ngóc mũi 3 độ là tư thế khai thác trong trạng<br /> thái tàu không hàng, rất thường gặp trong quá<br /> trình vận tải của đội tàu hàng sông miền Bắc<br /> nước ta. Đây là tư thế khai thác nguy hiểm<br /> cho tàu trong điều kiện thời tiết không tốt.<br /> Tuy nhiên với đặc điểm của loại tàu hàng<br /> sông hiện nay, với máy chính bố trí tại phía<br /> lái thì việc vận hành tàu trong tư thế này là<br /> cần thiết để đảm bảo chiều chìm cho chân vịt<br /> <br /> 189(13): 177 - 182<br /> <br /> tàu hoạt động. Hình 6 thể hiện mô hình tàu<br /> khảo sát trong tư thế có góc ngóc mũi 3 độ.<br /> <br /> Hình 6. Mô hình tàu với tư thế khảo sát với góc<br /> ngóc mũi 3 độ<br /> <br /> Hình 7-9 thể hiện kết quả khảo sát phân bố áp<br /> suất và dòng bao quanh thân tàu trong tư thế<br /> khảo sát tàu với góc ngóc mũi 3 độ.<br /> <br /> Hình 7. Phân bố áp suất bao quanh tàu khảo sát với góc ngóc mũi 3 độ, tại vận tốc khảo sát ứng với<br /> Rn=6.2x106<br /> <br /> Hình 8. Phân bố áp suất trên bề mặt diện tích thân tàu khảo sát với góc ngóc mũi 3 độ<br /> <br /> 180<br /> <br /> Ngô Văn Hệ<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 189(13): 177 - 182<br /> <br /> 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<br /> với Rn=18.6x106<br /> <br /> Kết quả phân bố áp suất và vận tốc dòng bao<br /> quanh thân tàu trong tư thế khảo sát với góc<br /> ngóc mũi 3 độ cho thấy rõ sự ảnh hưởng của<br /> tư thế tàu đến phân bố áp suất và dòng bao<br /> quanh thân tàu. Diện tích vùng áp suất cao tác<br /> động lên bề mặt mũi tàu ở tư thế ngóc mũi 3<br /> độ tăng lên so với tư thế tàu cân bằng với góc<br /> ngóc mũi 0 độ. Tuy nhiên, trong tư thế ngóc<br /> mũi 3 độ, một phần diện tích vùng áp suất cao<br /> trên thượng tầng tàu đã bị giảm đi do ảnh<br /> hưởng của góc ngóc mũi tàu. Những nguyên<br /> nhân này có thể làm thay đổi lực cản khí động<br /> tác động lên thân tàu.<br /> Hình 10 thể hiện kết quả so sánh lực cản khí<br /> động tác động lên thân tàu khảo sát trong hai<br /> trường hợp.<br /> <br /> Hình 10. Lực cản khí động tác động lên thân tàu<br /> khảo sát<br /> <br /> Kết quả cho thấy: ở vận tốc thấp Rn