Phân tích đặc tính khí động và ảnh hưởng của tư thế khai thác đến lực cản khí động của tàu hàng sông

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