Tài liệu ứng dụng cfd nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên tàu chở hàng sông

/m BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯƠNG NGỌC KHA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trương Ngọc Kha CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ỨNG DỤNG CFD NGHIÊN CỨUVăn GIẢM HV. Nguyễn Nhu LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN TÀU CHỞ HÀNG SÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC KHÓA 2017B-MTK.KH Hà Nội - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- Trương Ngọc Kha ỨNG DỤNG CFD NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN TÀU CHỞ HÀNG SÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGÔ VĂN HỆ Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu tính toán và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. Hà Nội, tháng 9 năm 2018 Học viên Trương Ngọc Kha 1 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy hướng dẫn luận văn của tôi, TS. Ngô Văn Hệ, thầy đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này, đã động viên và tận tình giúp đỡ, đưa ra những đề nghị, chỉ dẫn để tôi hoàn thành tốt chương trình học tại trường. Sự hiểu biết sâu sắc về khoa học, cũng như kinh nghiệm của các thầy chính là tiền đề giúp tôi đạt được kết quả quý báu này và là cơ sở giúp tôi hoàn thành luận văn này. Xin cám ơn các Thầy cô trong Bộ môn kỹ thuật thủy khí và tàu thủy, Viện Cơ khí động lực, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và làm việc trên Bộ môn để tiến hành tốt luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp đã luôn giúp đỡ, cổ vũ và động viên tôi những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Học Viên Trương Ngọc Kha 2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................2 DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................4 DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................6 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LỰC CẢN TÀU THỦY VÀ BIỆN PHÁP GIẢM LỰC CẢN TÁC ĐỘNG LÊN THÂN TÀU ..............................................10 1.1. Lực cản tàu thủy ........................................................................................10 1.2. Hiệu quả kinh tế khai thác tàu và vấn đề giảm lực cản ............................11 1.3. Một số biện pháp giảm lực cản tác động lên tàu .......................................13 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYÊT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN TÀU ...........................................................22 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán lực cản tác động lên thân tàu ............................22 2.2. Phương pháp tính toán lực cản tác động lên thân tàu................................24 2.3. Quy trình thực hiện một bài toán mô phỏng CFD .....................................26 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC THÂN TÀU CHỞ HÀNG SÔNG THÔNG QUA SỬ DỤNG CFD ....................................................32 3.1. Mô hình tàu hàng sông sử dụng trong nghiên cứu ....................................32 3.2. Thiết kế miền không gian tính toán, chia lưới và đặt điều kiện biên ........34 3.3. Quá trình thực hiện tính toán mô phỏng....................................................37 3.4. Kết quả khảo sát đặc tính khí động học thân tàu chở hàng sông ..............40 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN THÂN TÀU CHỞ HÀNG SÔNG ..........................................................................50 4.1. Ảnh hưởng của tư thế khai thác tàu đến lực cản khí động ........................50 4.2. Nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu .........................59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................76 BẢNG GIẢI THÍCH TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU SỬ DỤNG........................78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................80 3 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một số biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu 13 Hình 1.2. Làm sạch vỏ tàu để giảm lực cản ma sát cho tàu 14 Hình 1.3. Cải tiến hình dáng thân tàu để giảm sự tách dòng phía sau tàu 16 Hình 1.4. Cải tiến phần dòng ra sau đuôi tàu và ống bao trục chân vịt 17 Hình 1.5. Cải tiến vây giảm lắc theo dạng sóng trên tàu 17 Hình 1.6. Cải tiến bánh lái theo dạng khí động học tương thích với chân vịt 18 Hình 1.7. Tối ưu hình dáng bánh lái tàu giúp cải thiện lực đẩy tàu và giảm cản 18 Hình 1.9. Nguyên lý hệ thống đệm khí trên tàu 19 Hình 1.10. Nguyên lý giảm lực cản sóng của mũi quả lê 20 Hình 2.1. Sơ đồ phân tích lực cản khí động tác động lên tàu và hướng gió 22 Hình 3.1. Đường hình dáng tàu hàng sông sử dụng trong nghiên cứu 32 Hình 3.2. Mô hình tàu chở hàng sông sử dụng trong tính toán 33 Hình 3.3. Miền không gian tính toán mô phỏng khảo sát 34 Hình 3.4. Chia lưới miền không gian tính toán khảo sát thân tàu 35 Hình 3.5. Thiết lập các điều kiện tính toán trong công cụ Ansys-Fluent 39 Hình 3.6. Phân bố áp suất bao quanh tàu tại một số mặt cắt, Rn=6.2x106 40 Hình 3.7. Phân bố dòng bao quanh thân tàu, tại Rn=6.2x106 41 Hình 3.8. Phân bố áp suất trên bề mặt diện tích thân tàu khảo sát, tại Rn=6.2x106 42 Hình 3.9. Phân bố áp suất trên bề mặt diện tích thân tàu khảo sát, tại Rn=18.6x106 43 Hình 3.10. Phân bố dòng bao quanh thân tàu, tại Rn=18.6x106 44 Hình 3.11. Phân bố áp suất trên bề mặt diện tích thân tàu khảo sát 45 Hình 3.12. Phân bố áp suất tại các vùng đặc biệt trên boong tàu, Rn=18.6x106 46 Hình 3.13. Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu tại Rn=13.6x106 47 Hình 3.14. Lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát 48 Hình 3.15. Hệ số lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát 49 Hình 4.1. Mô hình tàu sử dụng trong nghiên cứu ảnh hưởng của tư thế tàu với góc ngóc mũi tàu 0 và 3 độ 50 4 Hình 4.2. Phân bố áp suất bao quanh thân tàu khảo sát tại một số mặt cắt đặc biệt, với góc ngóc mũi 3 độ tại Rn=6.2x106 51 Hình 4.3. Phân bố vận tốc dòng bao quanh thân tàu khảo sát tại một số mặt cắt đặc biệt, với góc ngóc mũi 3 độ tại Rn=6.2x106 52 Hình 4.4. Phân bố áp suất trên bề mặt diện tích thân tàu khảo sát, với góc ngóc mũi 3 độ tại Rn=6.2x106 53 Hình 4.5. Phân bố áp suất bao quanh thân tàu khảo sát tại một số mặt cắt đặc biệt, với góc ngóc mũi 3 độ tại Rn=11.2x106 54 Hình 4.6. Phân bố vận tốc dòng bao quanh thân tàu khảo sát tại một số mặt cắt đặc biệt, với góc ngóc mũi 3 độ tại Rn=11.2x106 Hình 4.7. Phân bố áp suất trên bề mặt diện tích thân tàu khảo sát 55 56 Hình 4.8. Lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát trong các tư thế tàu cân bằng và tàu có góc ngóc mũi 3 độ 57 Hình 4.9. Hình dáng thân tàu thay đổi phần thượng tầng mũi, N1 60 Hình 4.10. Hình dáng thân tàu thay đổi phần khoang hàng, N2 61 Hình 4.11. Hình dáng tàu thay đổi phần thượng tầng mũi và thượng tầng lái, N3 62 Hình 4.12. Kích thước chủ yếu của thượng tầng tàu trước và sau khi thay đổi 63 Hình 4.13. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N1 64 Hình 4.14. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N1 65 Hình 4.15. Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu khảo sát, N1 66 Hình 4.16. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N2 67 Hình 4.17. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N2 68 Hình 4.18. Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu khảo sát, N2 69 Hình 4.19. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N3 70 Hình 4.20. Phân bố áp suất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N3 71 Hình 4.21. Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu khảo sát, N3 72 Hình 4.22. So sánh lực cản khí động tác động lên thân tàu các mẫu khảo sát 73 5 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các thành phần lực cản tác động lên thân tàu 11 Bảng 2.1. Vận tốc gió Bopho tại độ cao h = 6,0 m so với mặt nước biển 23 Bảng 2.2. Giá trị hệ số lực cản không khí CAA 24 Bảng 2.3. Giá trị hệ số bổ sung kE trong khai thác tàu biển 24 Bảng 3.1. Thông số cơ bản của tàu chở hàng sông sử dụng trong nghiên cứu 33 Bảng 3.2. Thiết lập điều kiện tính toán mô phỏng 36 Bảng 3.3: Các thành phần lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát 48 Bảng 4.1: Các thành phần lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát 58 Bảng 4.2: So sánh các thành phần lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát với trường hợp tàu ở tư thế cân bằng, góc ngóc mũi 0 độ 58 Bảng 4.3: Các thành phần lực cản tác động lên các mẫu tàu khảo sát 74 Bảng 4.4: So sánh các thành phần lực cản khí động tác động lên thân tàu 74 6 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nghiên cứu, phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển động của tàu hay tương tác giữa dòng chảy và thân tàu, hay biến thiên các yếu tố tác động lên tàu như nhiệt độ, áp suất, vận tốc của các vật thể chuyển động trong môi trường chất lỏng là vấn đề quan trọng trong thực tế tính toán thiết kế tối ưu sản phẩm để mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất. Có thể kể ra một số ví dụ như máy bay chuyển động trong môi trường không khí, tàu thủy chuyển động trong môi trường nước và không khí, các dòng khí chuyển động trong hệ thống làm mát, dầu nhớt, hóa chất trong các ống dẫn hay bể chứa... Các thuộc tính của dòng chất lỏng có thể nhận được từ kết quả thực nghiệm hay kết quả của các lời giải lý thuyết từ các hệ phương trình toán học. Tuy nhiên trong quá trình thực hiện đó còn có nhiều những vấn đề khó khan nhất định. Sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp với tính toán mô phỏng số CFD (Computational Fluid Dynamics) là phương pháp có thể giải quyết được các bài toán từ đơn giản đến phức tạp, đây là phương pháp khá hữu ích trợ giúp cho các nhà nghiên cứu hiện nay trong việc giải quyết các bài toán kỹ thuật [14, 15]. Trong thực tế nghiên cứu thiết kế và cải tiến thiết kế cho đội tàu chờ hàng, vấn đề sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số nhằm giảm bớt chi phí thực hiện cũng như nâng cao hiệu quả thực hiện đã trở nên cần thiết. Việc ứng dụng công cụ CFD có thể giúp giảm bớt mô hình thực nghiệm, tiết kiệm được chi phí chế tạo mô hình, sử dụng CFD giúp nhà thiết kế có được các hình ảnh trực quan chuyển động và tương tác giữa dòng chảy và thân tàu tốt hơn [1, 2, 3, 4, 5]. Ứng dụng công cụ mô phỏng số trong nghiên cứu giảm lực cản, nâng cao hiệu quả khai thác vận tải tàu là một trong những vấn đề đã và đang cần thiết được giải quyết. Từ đó, với những yêu cầu đặt ra cho các nhà nghiên cứu thiết kế nhằm làm giảm được lực cản tác động lên tàu, góp phần nâng cao hiệu qua khai thác tàu. Tác giả thực hiện đề tài luận văn: “Ứng dụng CFD nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên tàu chở hàng sông “. 7 2. Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Trong luận văn này, tác giả thực hiện việc tính toán lực cản khí động tác động lên thân tàu chở hàng sông, thông qua sử dụng công cụ CFD, trên cơ sở phân tích kết quả tính toán mô phỏng số thu được nhằm đưa ra một số giải pháp làm giảm lực cản khí động tác động lên tàu, cũng như những khuyến cáo cho việc khai thác sử dụng tàu nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao nhất thông qua việc giảm lực cản khí động. Thực hiện sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số CFD, lắm bắt được quy trình và trình tự các bước trong việc sử dụng phương pháp tính toán động lực học chất lỏng CFD thực hiện tính toán mô phỏng lực cản khí động tác động lên thân tàu. Ứng dụng công cụ mô phỏng số CFD, thực hiện mô phỏng lực cản khí động tác động lên thân tàu chở hàng sông. Trên cơ sở phân tích kết quả nghiên cứu và tính toán mô phỏng số CFD với mẫu tàu nguyên bản, tác giả đưa ra một số biện pháp nhằm làm giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu chở hàng sông, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu. Đối tượng nghiên cứu của luận văn là loại tàu chở hàng sông đặc thù trên tuyến sông miền bắc nước ta, loại tàu hàng sông với tải trọng từ 200 đến 1000 tấn. Tác giả nghiên cứu, khảo sát các đặc tính khí động lực học của phần thân tàu trên mặt nước thông qua mô phỏng số CFD. Từ việc phân tích các kết quả mô phỏng số CFD lực cản gió và các đặc tính khí động thân tàu, tác giả đưa ra một số biện pháp cải tiến nhằm làm giảm lực cản gió tác động lên tàu. 3. Phương pháp nghiên cứu trong luận văn Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết kết hợp với mô phỏng số CFD. Thông qua việc so sánh đánh giá kết quả từ các nghiên cứu đã có sẵn, lý thuyết tính toán theo các công thức kinh nghiệm và kết quả mô phỏng số tác giả đưa ra các tính toán phù hợp có độ tin cậy nhất trong điều kiện nghiên cứu hiện nay. 8 4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp của tác giả Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu ứng dụng công cụ tính toán mô phỏng số CFD trong tính toán lực cản khí động tác động lên thân tàu chở hàng sông tại phần trên mặt nước. Đồng thời thông qua việc phân tích các phương pháp, giải pháp làm giảm lực cản tàu thủy, tác giả tập trung nghiên cứu các giải pháp nhằm làm giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu chở hàng sông nghiên cứu. Bên cạnh đó, tác giả đi nghiên cứu các phương pháp, công cụ thực hiện nghiên cứu giảm lực cản hiện tại đang sử dụng. Từ đó tác giả nghiên cứu tính toán lực cản tàu thủy bằng phương pháp sử dụng công cụ mô phỏng số CFD. Thông qua việc sử dụng công cụ mô phỏng số, tác giả thực hiện khảo sát các đặc tính khí động lực học tác dụng lên thân tàu hàng sông. Từ các phân tích kết quả, tác giả đưa ra một số giải pháp nhằm giảm lực cản khí động tác động lên tàu. Thông qua các kết quả về sử dụng CFD thực hiện tính toán khảo sát lực cản khí động tác động lên tàu, các biện pháp nhằm giảm lực cản khí động tác động lên tàu hàng sông được đề xuất thực hiện. Luận văn này có thể sử dụng làm các tài liệu phục vụ cho việc nghiên cứu tính toán lực cản khí động tác động lên tàu chở hàng nói chung, sử dụng làm các tài liệu tra cứu về sự ảnh hưởng của lực cản khí động đến quá trình khai thác tàu và cũng là tài liệu tham khảo cho các nhà khai thác sử dụng tàu trong khai thác tàu để nhằm có được hiệu quả kinh tế khai thác tàu cao nhất. 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LỰC CẢN TÀU THỦY VÀ BIỆN PHÁP GIẢM LỰC CẢN TÁC ĐỘNG LÊN THÂN TÀU 1.1. Lực cản tàu thủy Trong chuyển động của tàu thủy, thân tàu được phân thành hai phần: một phần thân trên tiếp xúc và chuyển động trong môi trường không khí với tác động của gió; phần thân dưới tiếp xúc với nước chịu tác động của nước, dòng chảy và sóng nước. Chuyển động của thân tàu trong môi trường chất lỏng bao gồm cả nước và không khí, khi đó bề mặt vỏ tàu tiếp xúc với môi trường bao quanh nó, diện tích vỏ tàu tiếp xúc với môi trường nước gọi là diện tích ướt, phần trên mớn nước tiếp xúc với không khí và bề mặt này sẽ chịu tác động của các lực khí động do môi trường gây ra. Lực cản tác động lên thân tàu là toàn bộ các thành phần lực gây cản trở chuyển động của tàu trong quá trình di chuyển. Lực cản tổng cộng bao gồm cả phần lực cản gây ra do phần thân tàu dưới nước và lực cản tác động lên phần thân tàu phía trên mặt nước [6, 7, 14, 15]. Trong thực tế việc xác định các thành phần lực cản tác động lên thân tàu có thể thực hiện được theo các cách khác nhau như: tính toán lý thuyết, thử nghiệm mô hình tàu trong bể thử. Trong đó, các thành phần lực cản thường được tách ra thành hai phần riêng biệt gồm: phần lực cản dưới nước và phần lực cản khí động do tác động của gió lên phần thân phía trên mặt nước của tàu. Thực tế rất khó để xác định hoặc đo lường một cách trực tiếp và chính xác các thành phần lực cản khác nhau tác động lên thân tàu này. Kiến thức về tính toán lực cản tác động lên tàu thường được thu thập và xây dựng từ thử nghiệm trên các mô hình tàu hoặc thông qua tính toán mô phỏng lý thuyết [9, 10, 11, 12, 13]. Việc xác định lực cản của tàu trong môi trường nước thường phân tích trên các thành phần lực cản độc lập, sơ đồ các thành phần lực cản như sau: 10 Bảng 1.1 Các thành phần lực cản tác động lên thân tàu Lực cản toàn bộ RT Lực cản bổ Lực cản vỏ tàu sung RA Lực cản nhớt RV Lực cản ma sát RF Lực cản sóng RW Lực cản hình dáng RP Lực cản ma sát RF Lực cản sóng RW Lực cản dư RR Lực cản ma sát RF: xuất hiện do ảnh hưởng độ nhớt của chất lỏng gây ma sát vào vỏ tàu. Lực cản ma sát chiếm phần lớn (80÷90%) lực cản nhớt và chiếm khoảng 50÷70% tổng lực cản tàu. Nếu hình dáng tàu càng trơn, dễ thoát nước ảnh hưởng của của hình dáng thân tàu càng nhỏ thì lực cản nhớt hầu như hoàn toàn là lực cản ma sát. Lực cản ma sát chịu ảnh hưởng độ cong dọc và ngang thân tàu. Lực cản hình dáng RV: sinh ra bởi ảnh hưởng của lớp biên đối với quy luật phân bố áp suất trên thân tàu, nó phụ thuộc vào các dạng tách lớp biên, mà hiện tượng này lại ảnh hưởng bởi hình dáng thân tàu. Nếu hình dáng thân tàu càng khó thoát nước thành phần lực cản này càng lớn. Lực cản sóng Rw: Khi tàu chuyển động trên mặt thoáng của chất lỏng trọng lực sẽ sinh ra sóng (sóng bản thân), sóng đó sinh ra lực cản sóng. Lực cản sóng càng lớn khi vận tốc tàu càng lớn. Lực cản toàn bộ của tàu được xác định là tổng của lực cản ma sát RF và lực cản dư Rr và các thành phần lực cản bổ sung: R T = R F + RR + RA (1.1) 1.2. Hiệu quả kinh tế khai thác tàu và vấn đề giảm lực cản Trong vấn đề khai thác vận tải nói chung và vận tải đường thuỷ nói riêng. Hiệu quả kinh tế khai thác tàu được đánh giá đựa trên vấn đề chi phí tiêu hao cho toàn bộ quá trình vận hành và khai thác tàu. Trong đó, chi phí nhiên liệu tiêu hao chậy tàu chiếm phần lớn trong tổng chi phí khai thác của tàu. Lượng nhiên liệu tiêu 11 hao dầu đốt trên tàu này có thể tính toán được theo lượng chiếm nước và công suất của từng loại tàu. Có thể lấy một ví dụ về lượng tiêu hao nhiên liệu của một chiếc phà như sau: Chi phí nhiên liệu cho một chiếc phà lớn chạy liên tục 20 giờ/ngày trong một năm có thể lên đến hàng triệu đôla. Ở nước ta, trung bình một chuyến tàu đi biển (khoảng 30 ngày) của một tàu cá cỡ lớn (chiều dài trên 24 mét) chi phí nhiên liệu (dầu đốt) khoảng từ vài chục đến hơn trăm triệu đồng, con số trên là khá lớn so với khả năng kinh tế của ngư dân nước ta hiện nay. Do vậy, giảm một lượng nhỏ dù là một vài phần trăm tiêu thụ nhiên liệu trên tàu cũng có ý nghĩa rất lớn trong vấn đề tiết kiệm chi phí vận hành khai thác của tàu trong cả năm. Dưới đây là một số yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến mức tiêu thụ trên tàu: - Một số thông số chính của tàu như: hình dạng vỏ tàu, khối lượng tàu, loại động cơ, chân vịt… - Loại tàu sử dụng khai thác trong vùng hoạt động đặc thù hay thực hiện các chức năng nhiệm vụ đặc thù khác nhau. - Kết cấu vận hành và khai thác đi kèm theo trên tàu. - Vật liệu, đặc thù của loại tàu. - Số lượng máy chính. - Tốc độ tàu, dải vận tốc khai thác tàu. - Dòng chảy, sóng, gió (hướng và lực tác động). - Điều kiện khai thác tự nhiên tác động lên thân tàu thay đổi như thế nào. Trong mỗi trường hợp cụ thể có thể có các yếu tố cần phải kể đến trong tính toán lực cản tác động lên thân tàu nhất định. - Mớn nước của tàu (phụ thuộc vào lượng hàng hóa). Sự thay đổi chiều chìm của tàu theo điều kiện khai thác sử dụng tàu. Tùy thuộc vào điều kiện luồng lạch trong tuyến vận tải của tàu. Một số biện pháp kỹ thuật được đưa ra nhằm đạt được hiệu quả trong việc giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu trên tàu như sau: 12 Hình 1.1 Một số biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu Nhìn chung hầu hết các biện pháp đều tập trung vào việc giảm lực kéo nói cách khác là giảm lực cản của tàu và một số biện pháp khác cố gắng cải thiện hiệu quả của các thiết bị đẩy tàu và vận hành tàu. Từ đó giúp giảm được lượng nhiên liệu tiêu thụ chạy tàu cần thiết. 1.3. Một số biện pháp giảm lực cản tác động lên tàu Khi tàu chạy, hầu như toàn bộ năng lượng sinh ra từ thiết bị đẩy tàu tiêu hao cho lực cản tác động lên thân tàu. Các thành phần lực cản chủ yếu bao gồm lực cản nhớt, lực cản ma sát giữa thân tàu và chất lỏng bao quanh, lực cản sóng, lực cản khí động tác động lên tàu. Do vậy, việc nghiên cứu giảm các thành phần lực cản trên có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm tiêu hao nhiên liệu từ đó giảm được chi phí vận hành tăng hiệu quả khai thác của tàu, giảm lượng khí thải ra môi trường [9, 10, 13]. 13 Trong lĩnh vực nghiên cứu giảm lực cản tàu thủy, có thể được phân chia thành các mảng nghiên cứu lớn gồm: nghiên cứu giảm lực cản do nước tác động vào thân tàu gây ra bao gồm việc nghiên cứu giảm lực cản nhớt và lực cản sóng tác động lên tàu. Nghiên cứu giảm lực cản khí động hay lực cản gió tác động lên tàu. Lực cản nhớt đóng vai trò chính trong tổng lực cản của tàu, ở những vật chìm hoàn toàn hầu như chỉ có lực cản nhớt. Vậy việc tìm các biện pháp giảm lực cản nhớt là điều quan trọng. 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. Để giảm lực cản nhớt phải giảm độ nhám chung và độ nhám cục bộ, đặc biệt là độ nhám do việc quét sơn, phòng chống rêu hà bám và độ ăn mòn, áp dụng các dạng tàu tránh hiện tượng tách lớp biên. Một số biện pháp công nghệ giảm lực cản đang được nghiên cứu và áp dụng hiện nay trên tàu như sau: Làm sạch vỏ tàu giúp giảm lực cản ma sát thân tàu: biện pháp này có thể áp dụng cho tất cả các loại tàu bất kể kiểu loại, kích thước và công dụng khai thác. Ngay sau khi xuất xưởng, vỏ tàu, bánh lái, chân vịt và các phần khác cần được giữ sạch. Tuy nhiên theo thời gian, các bộ phận này sẽ bị bám bẩn do tảo, hàu và các loài khác làm cho tàu khó khăn khi chạy ở tốc độ định trước do gia tăng lực cản ma sát và làm tăng lượng tiêu hao nhiên liệu. Việc làm sạch định kỳ sẽ cải thiện được tình trạng này, nếu như không thể đưa tàu lên triền đà hoặc vào ụ thường xuyên, việc làm sạch chân vịt bằng thợ lặn cũng tỏ ra có hiệu quả nhất định. Hình 1.2. Làm sạch vỏ tàu để giảm lực cản ma sát cho tàu 14 Sử dụng vật liệu phủ Polyme: bề mặt vỏ tàu được phun phủ một lớp mỏng Polyme để giảm lực cản của tàu. Trong suốt ba thập kỷ qua rất nhiều bài báo trình bày nghiên cứu về sử dụng Polyme trong việc lực cản tàu, các nghiên cứu chỉ ra rằng các phân tử Polime bị kéo căng trong lớp biên rối bởi dòng chảy kết quả làm tăng độ nhớt cục bộ đã làm giảm lực cản chung trên toàn bộ bề mặt vỏ tàu, những nghiên cứu gần đây đã cho thấy các phân tử Polyme còn có tác động vào sự phân bố xoáy trong dòng chảy từ đó làm giảm độ rối trong dòng chảy. Bôi trơn bọt khí: phun bọt khí, tạo khoang khí và tạo lớp màng khí là ba cách thức của phương pháp bôi trơn bọt khí bằng cách phun khí tạo lớp phủ không thấm nước. Cả ba phương pháp đều đã chứng mình là có khả năng giảm một lượng lực cản cho tàu một cách hiệu quả. Hiệu quả giảm lực cản trong vấn đề này là công suất đẩy tàu đã giảm nhiều hơn so với công suất của hệ thống cấp khí. Qua các thử nghiệm phương pháp này cho việc giảm lực cản đạt trên 5%, phương pháp này rất có tiềm năng trong việc giảm công suất của động cơ hoặc có thể nâng cao vận tốc cho tàu với công suất không đổi. Sử dụng biện pháp tạo khoang khí phù hợp với các tàu chạy với một tốc độ ít thay đổi, vì biện pháp này đạt hiệu quả cao nhất ở một phạm vi vận tốc rất hẹp. Cải tiến hình dáng tàu: Những tàu béo lực cản hình dáng sinh ra do hiện tượng tách lớp biên ở phần đuôi tàu và thành phần lực cản này đóng vai trò chính trong lực cản nhớt. Để giảm bớt chiều dài phần tách biên người ta có thể dùng cánh có dộ dang bé và đặt nó vuông góc với vỏ bao phía trước vùng dự kiến tách lớp biên. 15 Hình 1.3. Cải tiến hình dáng thân tàu để giảm sự tách dòng phía sau tàu Dưới đây là một số ví dụ trong việc cải tiến hình dạng tàu để giảm sự tạo xoáy sau đuôi tàu do hiện tượng tách lớp biên: 16 Hình 1.4. Cải tiến phần dòng ra sau đuôi tàu và ống bao trục chân vịt Hình 1.5. Cải tiến vây giảm lắc theo dạng sóng trên tàu 17 Hình 1.6. Cải tiến bánh lái theo dạng khí động học tương thích với chân vịt Hình 1.7. Tối ưu hình dáng bánh lái tàu giúp cải thiện lực đẩy tàu và giảm cản 18