Tính toán mô phỏng và đề xuất giải pháp giảm thiểu hiện tượng xâm thực tại mép thoát bánh lái tàu thủy

Trên cơ sở thuật toán để tính toán mô phỏng vùng xâm thực trong bài toán dòng chảy bao quanh bánh lái tàu thủy, bài báo quan tâm hiện tượng xâm thực tại mép thoát của bánh lái tàu thủy, từ đó đề xuất giải pháp giảm thiểu hiện tượng này.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tính toán mô phỏng và đề xuất giải pháp giảm thiểu hiện tượng xâm thực tại mép thoát bánh lái tàu thủy THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Tính toán mô phỏng và đề xuất giải pháp giảm thiểu hiện tượng xâm thực tại mép thoát bánh lái tàu thủy Calculation, simulation and proposing the solution to reduce the cavitation area on the edge of ship rudder Phạm Kỳ Quang, Nguyễn Mạnh Cường, Vũ Văn Duy, Cổ Tấn Anh Vũ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, phamkyquang@vimaru.edu.vnTóm tắt Xâm thực bánh lái tàu thủy xuất hiện khi vùng áp suất chất lỏng bao quanh bánh láinhỏ hơn áp suất hơi bão hòa (đối với nước ở 280C là 3540 N/m2). Hiện tượng này xuất hiệnkhi thay đổi thường xuyên chế độ điều động tàu, khi tốc độ tàu lớn,... và phụ thuộc chặt chẽvào góc bẻ lái, tốc độ dòng chảy sau chân vịt tàu thủy. Trên cơ sở thuật toán để tính toán mô phỏng vùng xâm thực trong bài toán dòng chảybao quanh bánh lái tàu thủy, bài báo quan tâm hiện tượng xâm thực tại mép thoát của bánhlái tàu thủy, từ đó đề xuất giải pháp giảm thiểu hiện tượng này. Từ khóa: Xâm thực, khu vực xâm thực, bánh lái tàu thủy, góc bẻ lái.Abstract Ship rudder cavitation appeared in case of liquid pressure area surround the rudder,that is smaller than saturation vapor pressure (for water at 28oC is 3540 N/m2). This cavitationproblem occurs when frequently changes maneuvering mode, high speed of vessels,... andclosely dependent on the steering angle, speed of the current after propeller of vessel. Based on the algorithm for calculation and simulation the cavitation area used incase of current surround of ship rudder, this paper focuses on the cavitation area on the edgeof ship rudder, then gives the solution to reduce this problem. Keywords: Cavitation, cavitation area, rudder of vessel, steering angle.1. Đặt vấn đề Khi tàu hành trình trong luồng, thuyền trưởng hay hoa tiêu thường xuyên thay đổi tốcđộ tàu, để điều động tàu trên tuyến luồng. Tùy từng giai đoạn điều động tàu có thể xuất hiệnxâm thực, ngoài ra xâm thực có nhiều loại với các đặc điểm khác nhau. Trong bài báo “Môphỏng số xâm thực cục bộ trên bánh lái tàu thủy” [1, 2], nhóm tác giả đã chỉ ra hai loại xâmthực, xuất hiện nhiều trên bánh lái tàu thủy là xâm thực cục bộ và xâm thực tại mép thoát. Với xâm thực cục bộ xuất phát từ mép ngoài vào bánh lái tàu thủy và đóng kín vùngtúi hơi trên lưng bánh lái. Đây là loại xâm thực có tính bất ổn định lớn và gây ảnh hưởng xấutới lực bẻ lái. Đối với xâm thực tại mép thoát, xuất hiện do dòng chảy ở mặt bụng giao nhauvới mặt lưng tạo lên vùng xoáy có tốc độ cao, dẫn tới áp suất giảm mạnh. Từ đó nhận thấyrằng, xâm thực tại mép thoát là thường xuyên và xuất hiện rất nhiều. Trong phạm vi bài báo,nhóm tác giả đưa ra cơ sở thuật toán để mô phỏng vùng xâm thực tại mép thoát cũng như đềxuất để giảm thiểu hiện tượng này (hình 1). 2. Mô hình nghiên cứu và cơ sở toán học 2.1. Mô hình nghiên cứu Xét dòng chảy bao quanh profil bánh lái như hình 1: Từ hình 1 nhận xét rằng: vùng giao nhau của hai dòng chảy, sẽ tạo thành vùng xoáycó tốc độ tăng nhanh và áp suất giảm sâu. Đây chính là nguyên nhân tạo ra vùng xâm thực tạimép thoát của bánh lái.HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 8 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Trong phạm vi bài báo này, nhóm tác giả lấy số liệu bánh lái tàu thủy và các thông sốđiều động tàu theo hồ sơ M/V TAN CANG FOUNDATION [3]. Hình 1. Mô hình nghiên cứu2.2. Cơ sở toán học Thuật toán sử dụng ở đây theo mô hình “Mixture” mà nhiều tác giả và nhà khoa họcđã giới thiệu đặc biệt trong phân mềm Ansys - Fluent [4, 5]. Nội dung chính của phương pháp được thể hiện như sau: - Rời rạc không gian tính toán bằng cách chia lưới; - Giải các phương trình vi phân chủ đạo như phương trình Navier - Stokes, độnglượng, liên tục và phương trình năng lượng để xác định các đại lượng cơ bản; - Đưa vào phương trình chuyển pha để xác định tỷ lệ khối lượng pha hơi fvap:   f vap  t   . f  vap    . f .u x j   vap  .  ...