Tính toán mô phỏng sự tương tác chân vịt - bánh lái tàu thủy

ª PGS. TS. Lương Công Nhớ ª PGS. TS. Phạm Kỳ Quang ª TS. Vũ Văn Duy ª ThS. Bùi Văn Cường Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Người phản biện: TS. Nguyễn Thanh Sơn PGS. TS. Nguyễn Kim Phương

Tóm tắt: Bài báo đưa ra kết quả tính toán mô phỏng sự tương tác chân vịt - bánh lái tàu thủy. Trên cơ sở tính toán mô phỏng động lực học dòng chảy qua chân vịt tàu thủy, xác định trường phân bố vận tốc tại mặt phẳng phía sau chân vịt (gọi là đầu ra) và đây chính là đầu vào của bài toán dòng chảy bao quanh bánh lái tàu thủy, từ đó xác định lực bẻ lái phù hợp với thực tiễn quá trình điều động tàu.

Từ khóa: Tương tác chân vịt - bánh lái tàu thủy.

Abstract: This article gives the results of the calculating and interactive propeller - rudder simulation of ship. On the basis of the calculating and flow dynamic simulation through the ship’s propeller can determine the velocity distribution behind propeller plane (called output) and that is the input for the calculating of flow around the rudder to determine the ship’s steering force.

Keywords: Interactive propeller - rudder ship.

1. Đặt vấn đề  

Bài toán động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy rất phức tạp, khối lượng tính toán lớn. Thông thường chia thành nhiều bài toán nhỏ, như: Dòng chảy bao quanh vỏ tàu, dòng chảy qua chân vịt, dòng chảy bao quanh bánh lái, ảnh hưởng của sóng… dẫn tới việc đặt đầu vào của bài toán thường bị sai lệch so với thực tiễn. Trong nội dung bài báo, nhóm tác giả làm rõ sự tương tác dòng chảy sau chân vịt và bánh lái tàu thủy. Để thuận lợi cho quá trình nghiên cứu về các vấn đề liên quan, nhóm tác giả sử dụng các thông số và số liệu đầu vào theo số liệu đồng dạng của M/V TAN CANG FOUNDATION [4].

Hình 1.1: M/V TAN CANG FOUNDATION được vẽ lại bằng phần mềm Solidwork

Hiện nay, phần lớn các tác giả khi giải quyết bài toán mô phỏng dòng chảy bao quanh bánh lái tàu thủy để xác định lực bẻ lái, giả định phân bố vận tốc của dòng đầu vào là đồng đều, để giảm bớt tính phức tạp và khối lượng tính toán, nhưng thực tế không như vậy. Ứng với mỗi chế độ điều động tàu khác nhau (tương ứng có tổ hợp số vòng quay chân vịt và góc bẻ lái), sẽ có trường phân bố vận tốc của dòng chảy sau chân vịt tàu thủy và đây là giá trị đầu vào (vùng chuyển tiếp) của bài toán dòng chảy bao quanh bánh lái tàu thủy (Hình 2.1).

2. Cơ sở toán học

Hình 2.1: Mô hình nghiên cứu “vùng chuyển tiếp”

Thực chất đây là bài toán động lực học dòng chảy qua chân vịt tàu thủy, nhưng chú trọng việc xác định trường phân bố vận tốc, áp suất, cường độ rối… ở đầu ra, vì đây chính là đầu vào bài toán dòng chảy bao quanh bánh lái và ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả biến đổi năng lượng của dòng chảy thành lực bẻ lái tàu thủy (Hình 2.2).

Hình 2.2: Lực và mô-men tác động lên chân vịt tàu thủy

 

 Phương trình xác định lực đẩy chân vịt tàu thủy có dạng [2]:

 

 (1)

 

Trong đó: D - Đường kính chân vịt; V_p - Vận tốc tiến; n - Số vòng quay; r - Khối lượng riêng của chất lỏng; μ - Hệ số nhớt động lực học; p₀ - e - Áp suất tĩnh trên trục chân vịt;

 

 

 

 

 

 

 

Từ (2) ÷ (5) kết hợp với (1) và (6), nhận được: 

 

 

 

 

 

Ngoài ra, để tính toán mô phỏng, nhóm tác giả sử dụng phần mềm Ansys-Fluent với kỹ thuật giải mixture, k-e và các hệ số thực nghiệm khác [2, 3, 5].

3. Phân tích kết quả

Quyết định đến hiệu quả chuyển đổi năng lượng trên bánh lái tàu thủy là phân bố vận tốc dọc trục, các vùng rối... sau chân vịt đến bao quanh bánh lái tàu thủy. Để thể hiện rõ hơn, xét trên một mặt phẳng thuộc vùng chuyển tiếp (mặt chuyển tiếp) theo Hình 3.1.

Hình 3.1: Hình ảnh vị trí mặt chuyển tiếp khảo sát

Hình 3.2 và Hình 3.3 mô tả kết quả phân bố vận tốc dọc trục trên mặt chuyển tiếp với số vòng quay chân vịt trong hai trường hợp khác nhau, cụ thể: n = 100 v/ph và n = 120 v/ph.

Hình 3.2: Phân bố vận tốc dọc trục trên mặt chuyển tiếp: a) n = 100 v/ph; b) n = 120 v/ph

 

Từ kết quả mô phỏng, nhận xét rằng: Phân bố vận tốc theo phương dọc trục tại mặt chuyển tiếp là không đồng đều, đặc biệt tồn tại vùng vận tốc thấp hơn dọc theo tâm trục chân vịt. Để thấy rõ hơn vấn đề này xét phân bố pha hơi nhận được từ kết quả mô phỏng theo Hình 3.3.

Hình 3.3: Phân bố vận tốc dọc trục trên mặt chuyển tiếp với n = 120 v/ph

 

Rõ ràng, hiện tượng xoáy đỉnh cánh chân vịt và sự giao nhau của dòng chảy tại bầu chân vịt đã tạo ra vùng rối với tỷ lệ pha hơi nhiều hơn trong không gian, sau đó tác động lên bánh lái. Từ đó có thể đưa ra kết quả về phân bố cường độ rối trên mặt chuyển tiếp theo Hình 3.4.

Hình 3.4: Phân bố pha hơi trên mặt chuyển tiếp, với n = 120 v/ph

Hình 3.5: Phân bố cường độ rối trên mặt chuyển tiếp, với n = 120 v/ph

 

Cường độ rối tương ứng với vùng xoáy đỉnh bầu chân vịt đi qua, lớn hơn nhiều so với vị trí khác. Để đánh giá mức độ ảnh hưởng, cũng như đưa ra giải pháp giảm thiểu tác hại, cần có nhiều nghiên cứu công phu hơn. Nhóm tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu và công bố các vấn đề có liên quan trong các công trình khoa học tiếp theo.

4. Kết luận

Bài báo đưa ra cơ sở khoa học và qui trình ứng dụng CFD vào nghiên cứu sự tương tác chân vịt - bánh lái tàu thủy. Kết quả nghiên cứu giúp việc thiết kế và vận hành có được những giải pháp hữu hiệu, để nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng của dòng chảy sau chân vịt thành lực bẻ lái, nhằm điều khiển hướng chuyển động tàu thủy như mong muốn.

Tài liệu tham khảo

[1]. PGS. TS. Phạm Kỳ Quang, TS. Vũ Văn Duy, ThS. Cổ Tấn Anh Vũ, ThS. Nguyễn Thành Nhật Lai (11/2015), Mô phỏng số xâm thực cục bộ trên bánh lái tàu thủy, Tạp chí GTVT, Hà Nội, tr. 89 - 90.

[2]. Trần Công Nghị (2001), Lý thuyết tàu thủy, NXB. Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

[3]. Vũ Văn Duy, Bùi Trọng Tùng (2007), Một số kết quả ứng dụng phần mềm Fluent trong nghiên cứu dòng chảy qua chân vịt tàu thủy, Tạp chí Khoa học - Công nghệ Hàng hải, số 10.

[4]. Hồ sơ của M/V TAN CANG FOUNDATION và số liệu nghiên cứu thực địa tháng 12/2015 trên tuyến luồng Hải Phòng.

[5]. www.Ansys.com.