Đang tải... (xem toàn văn)
Luận án tiến sĩ năm 2013 Đề tài: Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phương nghiên cứu nhằm giảm lực cản tàu thủy. Trong đó, phương pháp tạo bọt khí là một trong những phương pháp có hiệu quả và tính khả thi cao. Tuy nhiên, phương pháp này chưa được áp dụng nghiên cứu tại Việt Nam trong khi ngành đóng tàu nước ta đã có những bước phát triển đáng kể. Chính vì vậy, đề tài: “Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí” với mục đích nghiên cứu, kiểm nghiệm phương pháp tạo bọt khí nhằm giảm lực cản tàu thủy và khả năng ứng dụng phương pháp đó trong thực tế khai thác tàu thủy. 2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài đã giúp tác giả nâng cao kiến thức cũng như khả năng tự nghiên cứu, ứng dụng và phát triển khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực Cơ học chất lỏng và Đóng tàu. Những kết luận quan trọng của đề tài đã khẳng định vai trò giảm lực cản của 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 thủy động lực học dòng chảy bằng phần mềm thương mại ANSYS FLUENT để khảo sát trực tiếp ảnh hưởng của bọt khí tới giảm lực cản tàu vận tải, mở ra khả năng ứng dụng 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 nghiệm trọng điểm: Bể thử mô hình tàu thủy thuộc Viện khoa học công nghệ tàu thủy Việt Nam đã khẳng định tính khả thi và ý nghĩa khoa học không nhỏ của việc giảm lực cản tàu vận tải bằng phương pháp tạo bọt, đồng thời góp phần củng cố luận cứ khoa học cho quá trình công nghệ đóng tàu, sử dụng hiệu quả và khai thác tàu trong tương lai tại Việt Nam. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Các thông số cơ bản của tàu, thành phần lực cản tàu, thông số động lực học dòng chảy là đối tượng nghiên cứu quan trọng của đề tài. Để thực hiện nội dung đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: Lý thuyết lớp biên - lực cản; Lực cản tàu và một số công trình nghiên cứu giảm lực cản tàu; Mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu bằng ANSYS FLUENT và tính toán lực cản tàu khi áp dụng phương pháp tạo bọt khí nhằm giảm lực cản tàu; Nghiên cứu bằng thực nghiệm giảm lực cản tàu khi phun khí vào lớp biên đáy mô hình tàu hàng 20.000 DWT; So sánh kết quả lực cản tàu đã nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm; Đánh giá hiệu quả của phương pháp tạo bọt khí giảm lực cản nhớt của tàu. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết , mô phỏng số và thực 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 cơ sở lý thuyết Cơ học chất lỏng, động lực học tàu thủy, phân tích các thành phần lực cản, các phương pháp làm giảm lực cản với tập trung chuyên sâu vào phương pháp tạo 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 phỏng thủy 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 áp dụng lần đầu cho việc mô phỏng của phương pháp giảm lực cản tàu bằng phun khí ở Việt Nam. Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả lý thuyết, thể hiện tính đúng đắn của việc thiết lập mô hình tính toán cũng như các điều kiện biên tương ứng. Nghiên cứu thực nghiệm khả năng giảm lực cản tàu bằng phương pháp tạo bọt được tiến hành thông qua thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu của mô hình tàu hàng 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 mô phỏng số. Điều này thể hiện tính đúng đắn của việc thiết lập bài toán lý thuyết và sự phù hợp của phương pháp nghiên cứu, hứa hẹn khả năng ứng dụng cao của phương pháp phun khí đáy tào đối với tàu hàng cỡ lớn đóng ở Việt Nam trong tương lai. 5. BỐ CỤC LUẬN ÁN Luận án bao gồm 4 chương chính cùng phần mở đầu, phần kết luận-kiến nghị được trình bày trong 102 trang thuyết minh:
Lun án Ti c cht lng i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cu và hoàn thành lun án ti Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí tác gi n c nhiu s t các t chc và cá nhân. Tác gi xin chân thành c 1. i hc Bách Khoa Hà Ni, Vi ng lc, B môn K thut Thy khí & Tàu thu kin v mt th tác gi tp trung vào công vic nghiên cu. 2. 3. - 4. Tp th cán b ng d và TS. Lê tác gi tip cn t nghiên cu. 5. ng viên, khích l tác gi hoàn thành tt lun án. Trân trọng cảm ơn! Tác giả Phạm Thị Thanh Hương Lun án Ti c cht lng ii LỜI CAM ĐOAN “Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí” Tác giả Phạm Thị Thanh Hương Lun án Ti c cht lng iii MỤC LỤC NỘI DUNG Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU 1 1. 1 2. 1 3. 2 4. 2 5. 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN - LỰC CẢN 5 1.1 5 1.1.1 5 1.1.2 5 1.1.3 H p biên 6 1.1.3.1 Stokes 6 1.1.3.2 7 1.1.3.3 7 1.1.4 8 1.1.4.1 8 1.1.4.2 8 1.1.4.3 Tính toán s 8 1.2 Lc cn ca vt chuyng trong cht lng 9 1.2.1 9 1.2.2 Thành phn lc cn ca vt ngp chuyng trong cht lng 10 1.3 Lc cn tàu thy 10 1.3.1 10 1.3.2 Thành phn lc cn tàu và nguyên nhân xut hin 11 1.4 13 1.4.1 Gim lc cn nht 13 1.4.1.1 13 1.4.1.2 22 Lun án Ti c cht lng iv 1.4.2 Gim lc cn hình dáng 22 1.4.3 Gim lc cn sóng 22 CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN LỰC CẢN TÀU – MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN GIẢM LỰC CẢN TÀU 24 2.1 24 2.1.1 Lc cn tàu chuy 24 2.1.1.1 Lc cn toàn phn ca tàu 24 2.1.1.2 Lc cn nht ca tàu 26 2.1.1.3 Lc cn sóng ca tàu 28 2.1.1.4 Lc cn không khí ca tàu 28 2.1.2 Lc cn ca tàu chuyng trên sóng 31 2.2 32 2.2.1 Pc cn toàn phn theo công sut kéo tàu 33 2.2.2 c cc lc cn sóng 33 2.2.3 ng dng t tàu mu 34 2.3 34 2.3.1 Hình dáng thân tàu 34 2.3.1.1 Hình dáng thân tàu bin 35 2.3.1.2 Hình dng thân tàu na và tàu pha sông bin 35 2.3.2 H s béo tàu 36 2.3.3 nhám thân tàu 36 2.3.3.1 nhám chung 36 2.3.3.2 nhám cc b 37 2.3.4 ng ca lp rêu, hà bám vào v thân tàu 38 2.3.5 ng ca lp biên bao quanh tàu 38 2.3.6 ng ca lp khí phun vào l 39 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ 40 3.1 T 40 3.1.1 Khái quát chung 40 3.1.2 H 41 3.1.2.1 c 41 3.1.2.2 ng 41 3.1.2.3 ng 42 3.1.2.4 Dng tng quát co toàn 42 3.1.3 42 3.1.3.1 m k d 42 Lun án Ti c cht lng v 3.1.3.2 u hn (FDM) 43 3.1.3.3 hn t hu hn (FEM) 45 3.1.3.4 tích hu hn (FVM) 45 3.1.3.5 n t biên (BEM) 49 3.1.3.6 (SEM) 49 3.1.3.7 Mô phng s (CFD) 49 3.2 M 54 3.2.1 54 3.2.2 Các tng quát 55 3.2.3 c gii 56 3.2.4 c gii bài toán trên FLUENT 56 3.2.5 Trình t mô phng dòng chy bao quanh thân tàu và c cn tàu 57 3.2.5.1 58 3.2.5.2 La ch mu dòng ri 60 3.2.5.3 Min tính toán u kin biên 60 3.2.5.4 61 3.2.5.5 nh v chính xác, vòng lp 63 3.2.5.6 K mô phng 63 CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG THỰC NGHIỆM PHUN KHÍ VÀO LỚP BIÊN ĐÁY TÀU 72 4.1 72 4.1.1 Hai nguyên tn lp mô hình 72 4.1.2 72 4.1.2.1 Lp mô hình tng phn theo s Reynolds 73 4.1.2.2 73 4.1.3 ng cn kt qu thc nghim 74 4.1.4 Tính chuyn lc cn t mô hình sang tàu thc 74 4.1.4.1 75 4.1.4.2 Hughes 76 4.1.4.3 76 4.2 77 4.2.1 B th mô hình tàu 77 4.2.2 Xe kéo mô hình và các thit b gn trên xe kéo 78 4.2.3 Thit b to và kh sóng trong b th mô hình 80 4.2.4 Thit b nghim 82 Lun án Ti c cht lng vi 4.2.5 Thit b kt ni máy tính 83 4.2.6 H thu khin trung tâm 83 4.2.7 Phn m 84 4.3 85 4.4 Thc nghim phun khí vào lm lc cn tàu 85 4.4.1 Mô hình và thit b th nghim 85 4.4.2 Kt ni thit b th nghim 88 4.4.3 Quá trình th nghic cn tàu 89 4.4.3.1 Thc nghim tính lc cn tàu chuyc 89 4.4.3.2 90 4.4.4 So sánh kt qu lc cn tàu theo tính toán s và thc nghim 92 4.4.5 t kéo tàu trong th nghim 93 4.4.5.1 Công sut kéo ca tàu tính theo lý thuyt 93 4.4.5.2 Công sut kéo ca tàu trong th nghim 94 4.4.5.3 u qu áp dng phun khí vào lp biên tàu trong th nghim 96 4.4.6 Tho lun kt qu thc nghim 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO xii DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN xvi Lun án Ti c cht lng vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT TÊN GỌI KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT ĐƠN VỊ 1 Chiu dài tàu, chiu dài tàu thc, chiu dài tàu mô hình L; L H ; L M m 2 Chiu rng tàu B m 3 Chiu cao mn H m 4 Chiu chìm tàu T m 5 Chiu dày lp bien m 6 Chiu dày nén ca lp biên * m 7 Chiu dày tn thng ca lp biên ** m 8 Chinh mô nhám thân tàu k m 9 Chia mô nhám thân tàu tb k m 10 Công sut kéo tàu EPS (PS,P E ) W 11 Din tích mt ct t tàu m 2 12 Din tích mt c 0 m 2 13 c (góc ti) ca cánh 14 H s béo th tích ca tàu (H s th ng chic) (C B ) 15 H s c ca tàu (H s din tích mc) (C WP ) 16 H s béo thng ca tàu (H s din tích mt ct ngang gia tàu) (C M ) 17 H s béo dc tàu (H s ) 18 H s lc cn toàn phn C, C x 19 H s lc cn ca tàu thc và tàu mô hình C H , C M 20 H s lc nâng C y 21 H s lc cn áp sut C P 22 H s lc cn ma sát C F 23 H s cn ma sát cc b C f 24 H s lc cn ma sát ca bn ph C Fo 25 H s lc cn nht C V Lun án Ti c cht lng viii 26 H s lc cn hình dáng C VP 27 H s lc cn sóng C W 28 H s lc cn không khí C AA 29 H s lc c nhám b mt thân tàu C A 30 H s lc cn phn nhô C AP 31 H s lc c C R 32 H s lc cn b sung C d 33 H s hi quân C E 34 H s hình dáng (k n cong và hình dáng thân tàu) k 35 H s cong b mt thân tàu k F 36 H s ng hình dáng thân tàu k VP 37 H s nhng hc ca cht lng m 2 /s 38 H s nhng hc ca cht lng quanh tàu thc H m 2 /s 39 H s nhng hc ca cht lng trong b th M m 2 /s 40 H s nhng lc hc ca cht lng m 2 /s 41 Khng riêng ca cht lng kg/m 3 42 Khng riêng ca không khí A kg/m 3 43 ng khí phun Q, Q A lít/phút 44 Lc cn toàn phn R, R x N 45 Lc nâng R y N 46 S xâm thc 47 S Froude và các bin th ca nó Fr, Fr V , Fr H , Fr B 48 S Reynolds và các bin th ca nó Re, Re*, Re** 49 Trng tàu N 50 Th c ca tàu m 3 51 T l xích ca tàu mô hình so vi tàu thc 33 1 H M L L k 52 Tit din cn chính S m 2 53 Vn tc dòng chy và các thành phn ca nó v, v x , v y , v z m/s 54 Vn tc tàu thc, vn tc tàu mô hình v H ; v M m/s 55 Vn tc lung khí bao quanh phn khô ca tàu v A m/s 56 Vn tc tuyi ca gió v B m/s Lun án Ti c cht lng ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bng 2.1 Giá tr h s lc cn ca các phn nhô 28 Bng 2.2 Giá tr h s lc cn b mt C A i vi tàu bin 28 Bng 2.3 Vn tc gió Bopho t cao h = 6,0 m so vi mc bin 30 Bng 2.4 Giá tr h s lc cn không khí C AA 30 Bng 2.5 Giá tr h s b sung E k trong khai thác tàu bin 30 Bng 3.1 Thông s n tàu mô hình MHNCS 2008-015 Và thông s n but 58 Bng 4.1 và tàu mô hình 85 Lun án Ti c cht lng x DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 5 Hình 1.2 5 Hình 1.3 6 Hình 1.4 L 9 Hình 1.5 11 Hình 1.6 u khin lp biên gim lc cn tàu 14 Hình 1.7 Kt cu lp ph kiu ct 20 Hình 1.8 Kt cu lp ph kin 20 Hình 1.9 21 Hình 1.10 23 Hình 2.1 quanh 29 Hình 3.1 46 Hình 3.2 47 Hình 3.3 Cu trúc mô phng s CFD 50 Hình 3.4 54 Hình 3.5 Mô hình 3D 59 Hình 3.6 Miu kin biên 60 Hình 3.7 62 Hình 3.8 62 Hình 3.9 63 Hình 3.10 Phân b 64 Hình 3.11 65 Hình 3.12 dòng khí tàu 65 Hình 3.13 Phân - 66 Hình 3.14 - 67 Hình 3.15 68 Hình 3.16 69 Hình 3.17 69 Hình 3.18 70 Hình 3.19 Q = 20 lít/phút 70 [...]... thuyết lớp biên - lực cản; Lực cản tàu và một số công trình nghiên cứu giảm lực cản tàu; Mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu bằng ANSYS FLUENT và tính toán lực cản tàu khi áp dụng phương pháp tạo bọt khí nhằm giảm lực cản tàu; Nghiên cứu bằng thực nghiệm giảm lực cản tàu khi phun khí vào lớp biên đáy mô hình tàu hàng 20.000 DWT; So sánh kết quả lực cản tàu đã nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết,... dụng nghiên cứu tại Việt Nam trong khi ngành đóng tàu nước ta đã có những bước phát triển đáng kể Chính vì vậy, đề tài: Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí với mục đích nghiên cứu, kiểm nghiệm phương pháp tạo bọt khí nhằm giảm lực cản tàu thủy và khả năng ứng dụng phương pháp đó trong thực tế khai thác tàu thủy 2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài đã giúp... cứu về giảm lực cản tàu, từ đó nêu vấn đề cần giải quyết của luận án là tiếp tục nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm giảm lực cản nhớt của tàu bằng phương pháp tạo bọt, đánh giá mức độ tối ưu của phương pháp khi áp dụng trong thực tế khai thác tàu Chương 2 Tính toán lực cản tàu - Một số yếu tố ảnh hưởng đến giảm lực cản tàu Nghiên cứu, tính toán lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh và trên sóng bằng. .. quả của phương pháp tạo bọt khí giảm lực cản nhớt của tàu 4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết , mô phỏng số và thực 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 cơ sở lý thuyết Cơ học chất lỏng, động lực học tàu thủy, ... thuật tàu thủy Các phương pháp giảm lực cản của tàu dựa trên tác động có chủ động vào dòng chảy bao quanh thân tàu mà bản chất là điều khiển lớp biên (hình 1.6) 1.4.1 Giảm lực cản nhớt Lực cản nhớt đóng vai trò chính trong tổng lực cản của tàu Trong đó, lực cản ma sát chiếm khoảng (80 ÷ 90)% lực cản nhớt, lực cản hình dáng chiếm khoảng (10 ÷ 20)% lực cản nhớt [5] Những tàu chìm hoàn toàn trong nước (tàu. .. quan nghiên cứu lớp biên – lực cản Một số công trình nghiên cứu giảm lực cản tàu Trình bày tổng quan về nghiên cứu lớp biên – lực cản như: cấu trúc lớp biên, hệ phương trình lớp biên, phương pháp giải hệ phương trình lớp biên, lực cản của vật ngập chuyển động trong chất lỏng, thành phần lực cản tàu và nguyên nhân xuất hiện, phương pháp giảm lực cản tàu Phân tích, đánh giá một số công trình đã nghiên cứu. .. phần lực cản, các phương pháp làm giảm lực cản với tập trung chuyên sâu vào phương pháp tạo 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 phỏng thủy 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 áp dụng lần đầu cho việc mô phỏng của. .. việc nghiên cứu lực cản và giảm lực cản tàu thủy trong quá trình vận hành nhằm mục đích giảm chi phí khai thác tàu, góp phần tiết kiệm năng lượng nhiên liệu, giảm lượng khí thải Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phương nghiên cứu nhằm giảm lực cản tàu thủy Trong đó, phương pháp tạo bọt khí là một trong những phương pháp có hiệu quả và tính khả thi cao Tuy nhiên, phương pháp này chưa được áp dụng nghiên. .. lực cản của vật ngập chuyển động trong chất lỏng, thành phần lực cản tàu và nguyên nhân xuất hiện, phương pháp giảm lực cản tàu, phân tích một số công trình đã nghiên cứu về giảm lực cản tàu, ta nhận thấy: các công trình nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm giảm lực cản tàu đã được triển khai và ứng dụng trong vài thập niên qua, trong đó phương pháp tạo bọt khí là một trong những phương pháp. .. thực tế vì tỷ lệ giảm lực cản nhớt và lực cản ma sát lớn, thậm chí có thể lên đến 75% Năng lượng để phun khí lớn đặc biệt khi dòng khí được cung cấp cho khu vực có áp suất tĩnh cao, chẳng hạn như dưới đáy tàu Luận án tiếp tục nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu bằng phương pháp tạo bọt khí thông qua nghiên cứu mô phỏng số và nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá mức độ tối ưu của phương pháp khi áp dụng . Chính vì v Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí i mu, kim nghio bt khí nhm gim lc cn tàu thy và kh ng. LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cu và hoàn thành lun án ti Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí tác gi n c nhiu s. ĐOAN Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí