Lun án Ti c cht lng i
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cu và hoàn thành lun án ti Nghiên cứu
giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí  tác gi n
c nhiu s  t các t chc và cá nhân.
Tác gi xin chân thành c
1.  i hc Bách Khoa Hà Ni, Vi   ng lc, B môn K
thut Thy khí & Tàu thu kin v mt th
 tác gi tp trung vào công vic nghiên cu.
2. 
 


3. - 


4. Tp th cán b ng d     và TS. Lê
      tác gi tip cn t    
nghiên cu.
5. ng viên, khích l  tác gi hoàn thành tt lun án.
Trân trọng cảm ơn! Tác giả

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

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
Lc cn ca vt chuyng trong cht lng
9

1.2.1

9


1.4.1.2

22
Lun án Ti c cht lng iv

1.4.2
Gim lc cn hình dáng
22

1.4.3
Gim lc cn 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
Lc cn tàu chuy
24

2.1.1.1
Lc cn toàn phn ca tàu


2.2.3
ng dng t tàu mu
34

2.3

34

2.3.1
Hình dáng thân tàu
34

2.3.1.1
Hình dáng thân tàu bin
35

2.3.1.2
Hình dng thân tàu na và tàu pha sông bin
35

2.3.2
H s béo tàu
36

2.3.3
 nhám thân tàu
36

2.3.3.1

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
Dng tng quát co toàn
42

3.1.3

42

3.1.3.1
m k d
42
Lun án Ti c cht lng v

3.2.1

54

3.2.2
Các  tng quát
55

3.2.3
c gii
56

3.2.4
c gii bài toán trên FLUENT
56

3.2.5
Trình t mô phng dòng chy bao quanh thân tàu và
c cn tàu
57

3.2.5.1

58

3.2.5.2
La ch mu dòng ri
60


72

4.1.2.1
Lp mô hình tng phn theo s Reynolds
73

4.1.2.2

73

4.1.3
ng cn kt qu thc nghim
74

4.1.4
Tính chuyn lc cn t mô hình sang tàu thc
74

4.1.4.1

75

4.1.4.2
Hughes
76

4.1.4.3

76


83

4.2.7
Phn m
84

4.3

85

4.4
Thc nghim phun khí vào lm lc
cn tàu
85

4.4.1
Mô hình và thit b th nghim
85

4.4.2
Kt ni thit b th nghim
88

4.4.3
Quá trình th nghic cn tàu
89

4.4.3.1
Thc nghim tính lc cn tàu chuyc


97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
99
TÀI LIỆU THAM KHẢO
xii
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
xvi

Lun án Ti c cht lng vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TT
TÊN GỌI
KÝ HIỆU

*
m
7
Chiu dày tn thng ca lp biên
**
m
8
Chinh mô nhám thân tàu

k

m
9
Chia mô nhám
thân tàu
tb
k


m
10
Công sut kéo tàu
EPS (PS,P
E
)
W
11
Din tích mt ct t tàu

m

M
)

17
H s béo dc tàu (H s )


18
H s lc cn toàn phn
C, C
x19
H s lc cn ca tàu thc và tàu mô hình
C
H
, C
M20
H s lc nâng
C
y21
H s lc cn áp sut
C

26
H s lc cn hình dáng
C
VP27
H s lc cn sóng
C
W28
H s lc cn không khí
C
AA29
H s lc c nhám b mt thân tàu
C
A30
H s lc cn phn nhô
C
AP

36
H s ng hình dáng thân tàu
k
VP

37
H s nhng hc ca cht lng

m
2
/s
38
H s nhng hc ca cht lng quanh tàu
thc

H
m
2
/s
39
H s nhng hc ca cht lng trong b th

M
m
2
/s
40
H s nhng lc hc ca cht lng


y

N
46
S xâm thc


47
S Froude và các bin th ca nó
Fr, Fr
V
, Fr
H
,
Fr
B48
S Reynolds và các bin th ca nó
Re, Re*, Re**

49
Trng tàu

N
50
Th c ca tàu

m

54
Vn tc tàu thc, vn tc tàu mô hình
v
H
; v
M
m/s
55
Vn tc lung khí bao quanh phn khô ca tàu
v
A
m/s
56
Vn tc tuyi ca gió
v
B
m/s

Lun án Ti c cht lng ix
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bng 2.1
Giá tr h s lc cn ca các phn nhô
28
Bng 2.2


Lun án Ti c cht lng x
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1

5
Hình 1.2



46
Hình 3.2

47
Hình 3.3
Cu trúc mô phng s CFD
50
Hình 3.4

54
Hình 3.5
Mô hình 3D 
59
Hình 3.6
Miu kin biên
60
Hình 3.7

62
Hình 3.8

62
Hình 3.9


63
Hình 3.10
Phân b
64

Lun án Ti c cht lng xi
Hình 4.1
tàu
77
Hình 4.2

78
Hình 4.3
Tm phanh hãm mô hình
79
Hình 4.4
Dng mô hình
79
Hình 4.5
 
80
Hình 4.6

80
Hình 4.7

81
Hình 4.8

81
Hình 4.9


88
Hình 4.20

88
Hình 4.21
Hình nh tàu mô hình chuyi tc
 v = 1,4 ng khí phun Q = 20 lít/phút
89
Hình 4.22
Hình nh chuyc
i t v = 1,4 m/s và ng khí Q = 20 lít/phút
89
Hình 4.23

90
Hình 4.24
H s lc cn toàn phn tàu chuy
90
Hình 4.25
Hình nh tàu mô hình ng Q = 20 lít/phút
chuyng trên sóng hình sin v h =12cm
91
Hình 4.26
Dòng khí  chuyng trên sóng hình sin vi biên
 h =12cm khi phun khí vi ng Q = 20 lít/phút
91
Hình 4.27
Lc cn toàn phn tàu chuyn ng trên sóng hình sin
92
Hình 4.28

vic nghiên cu lc cn và gim lc cn tàu thy trong quá trình vn hành nhm
mm chi phí khai thác tàu, góp phn tit king nhiên liu, gim
ng khí thi.
Hin nay trên th gii có rt nhiu nhm gim lc cn tàu thy.
o bt khí là mt trong nhu qu và
tính kh c áp dng nghiên cu ti
Vic phát tri.
Chính vì v Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương
pháp tạo bọt khíi mu, kim nghio bt khí
nhm gim lc cn tàu thy và kh ng dc t
khai thác tàu thy.
2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
 iúp tác gi nâng cao kin th  nghiên cu, ng
dng và phát trin khoa hc k thuc bic cht lng và
ng kt lun quan trng c nh vai trò gim lc cn
co bt c bit áp di vi tàu hàng vn ti.
 i trong vic xây dng mô hình tính toán, mô phng thy
ng lc hc dòng chy bng phn m kho sát
 2
trc tip ng ca bt khí ti gim lc cn tàu vn ti, m ra kh ng
dng nghiên cu kh m lc cn nhi cu trúc lp biên.
Các kt qu nghiên cc kim chng bng thc nghim ti Phòng thí nghim
trm: B th mô hình tàu thy thuc Vin khoa hc công ngh tàu thy Vit
nh tính kh c không nh ca vic gim lc
cn tàu vn ti bo bng thi góp phn cng c lun c khoa
hc cho quá trình công ngh    dng hiu qu và khai thác tàu trong
i Vit Nam.

tin hành thông qua thc nghim phun khí vào la mô hình tàu
ng 20.000 DWT chy trên my trên sóng hình sin.
Kt qu nghiên cu thc nghim phù hp vi kt qu nghiên cu lý thuyt và mô
phng su này th hin ca vic thit lp bài toán lý thuyt và s
phù hp cu, ha hn kh ng dng cao c
i vi tàu hàng c l Vi
5. BỐ CỤC LUẬN ÁN
Lun án bao gn m u, phn kt lun-kin ngh c
trình bày trong 102 trang thuyt minh:
ng quan nghiên cu lp biên  lc cn. Mt s công trình nghiên cu
gim lc cn tàu
Trình bày tng quan v nghiên cu lp biên  lc cu trúc lp biên, h
i h p biên, lc cn ca vt
ngp chuy ng trong cht lng, thành phn lc cn tàu và nguyên nhân xut
hi   m lc cn tàu. Phân tích,   t s   
nghiên cu v gim lc cn tàu, t v cn gii quyt ca lun án là tip
tc nghiên cu lý thuyt và thc nghim gim lc cn nht ca tàu b
pháp to b tng trong thc t
khai thác tàu.
c cn tàu - Mt s yu t n gim lc cn tàu
Nghiên cu, tính toán lc cn tàu chuyng lý
thuyt, các thành phn lc cn tàu. Tính gc cn tàu bng thc nghim
c cn toàn phn theo công su
tính lc cc lc cng dng t tàu
mu. Phân tích mt s yu t n gim lc c
tàu, h s   nhám thân tàu,  ng ca lp rong rêu, hà bám, nh
ng ca lp biên bao quanh thân tàu và ng lp khí phun vào l
tàu, to ti cho tính toán lc cn tàu b và bng thc nghim
cu lc cn tàu b
Trình bày khái quát chung v ; h 

Lp biên là lp cht lng sát thành rn mà   nht cht lc th hin rõ
nht khi có chuyi gia cht lng và vt rn. Vn tc trong lp biên
i t giá tr không tn giá tr xp x 99% vn tc dòng ngoài. Phía
ngoài lp biên này (dòng ngoài), cht lng
Hình 1.1 Lp biên và dòng ngoài
1.1.2 Cấu trúc lớp biên
 
 
 - 


 ng. Quy



 -  6



1.1.3 Hệ phƣơng trình lớp biên
 Stokes



z
w
y
v
x
u
div u











2
2
2
2
2
2
z
w
y
v


 k
z
p
j
y
p
i
x
p
pgradpgrad

1

dt
ud


 -  7

             
Navier  



u
i
u
ji
D
j
x
i
x
p
j
x
i
u
j
u
t
i
u
td
i
ud


(1.2)

i
u
i
u















ij
ji
xx
D
j
u
i
u
~
~
2
1






0
2
2
y
v
x
u
y
u
xd
Ud
U
y
v
v
x
u
u

(1.3)
Vu kin biên:









mãn chính h a mãn các h thc tích phân. Các h thc
này nhu theo t không gian, da
trên vi bing trong ln
i sm nht và vc áp dng có hiu qu n ngày nay.
n, cho kt qu a lp biên, song không cho bit
hình nh v phân b vn tc trong lp biên.
i vi lp biên r
i vi lp biên tng, có th s d      
profil vn tc c Lôixianxki.
1.1.4.3 Tính toán s
 tính toán mt lp biên rng phi s dn k thut sn nay,
tính toán s lp biên ri có th s d
  vi mô hình chiu dài hn hp ri
  vi mô hình ri k  
  kt hp mô hình chiu dài hn hp ri vi mô hình ri k  
Ngoài ra, còn s dng trc tip t 
 tính toán dòng cht lng thc.  -  9
1.2 LỰC CẢN CỦA VẬT CHUYỂN ĐỘNG TRONG CHẤT LỎNG
1.2.1 Khái niệm lực cản
Kho sát dòng cht lng chuyng vi vn tc U

bao quanh vt rn c nh.
G  coi vt rn chuyng vi vn tc U


c chiu








P
n
PP
(1.5)
n
P
S
U
y
C
2
2



(
1.6)


P
S

dPn
U
dP
dS
 -  10
C
x
là h s lc cn, ph thuc vào dng hình hc ca vt th. Khi xét
n lp biên phát trin trên b mt vt th, h s lc cn là tng
ca h s lc cn hình dng và h s cn ma sát ca lp biên.
Mt s công thc tính h s lc cc trình bày trong tài liu [1] và [2].
1.2.2 Thành phần lực cản của vật ngập chuyển động trong chất lỏng
Lc cn ca vt th ng có hai thành phn [1], do ma sát trong lp biên
gây nên

ms
P

và do phân b ca áp sut trên b mt vt cn gây nên

ap
P


Trong dòng phng, ta có:
ap
P

ap
P

).
Vi các vt th dng cánh, tm phc cn có th tính theo công thc sau:

 
k
ms
PP  1

(1.11)
trong 
25,01,0 k1.3 LỰC CẢN TÀU THỦY
1.3.1 Khái niệm lực cản tàu thủy
 nghiên cng ci ta gn lên tàu hai h trc to  ng
x
1
y
1
z
1
, và h    . Hai h to  này s trùng nhau khi tàu không
chuyng và to vi nhau mt góc chúi hành trình  khi tàu chuyng.
 -  11
d
P
R
n
(1.12)















d
r
P
M
n
(1.13)


r
- a d i vi tâm quy chin.

(1 3)%
lc cn toàn b ca tàu.

d
R
W
R
V
R
x
R 

(1.14)
VP
R
F
R
V
R 
(1.15)
AA
R
A
R
AP
R
d
R 
(1.16)
AA

R
-
Lc cn ma sát, xut hin do  nht ca cht lng gây ma
sát vào v tàu, chu  cong dc và ngang thân tàu. Công ca
lc cc tiêu tn cho s hình thành lp biên và dòng theo.
VP
R
-
Lc cn hình dáng, xut hin do ng c nht hình thành lp
biên dc theo b mt tàu và to ra dòng theo làm gim áp sut  vùng
c cn hình dáng ph thuc vào hình dáng thân tàu.
d
R
-

Lc cn b sung do ng các ph nhám b mt thân tàu,
ng ca không khí. Thành phn lc cn này trong khai thác tàu
c bit hoc tính da vào h s hiu
chnh lc cn ng vu kin làm ving ca tàu.
 -  13
AP
R
-
Lc cn do các phn nhô ra khi lp biên phá hc tính dòng chy
bao quanh thân tàu, thuc b mc c 
hông, vây gim l trc chân vt và trc chân v
A

nht trên b mt tàu vi cùng mt s Reynolds trong lp biên tng nh  t
nhiu so vi lp biên ri. Phn ln các công trình nghiên cu gim lc cn bng
  p biên t c kt qu   (trang 244 [5]).
 -  14
Hình 1.6 u khin lp biên gim lc cn tàu
Điều khiển lớp biên nhằm giảm lực cản
Giảm lực cản nhớt
Giảm lực cản hình dáng
Tầng hóa
lớp biên
Giảm
ma sát rối

lớp biên
Phản ứng
hóa học
Màng
sủi
Làm
mát
Sủi
bọt
Thổi
Giảm
độ nhám
Thổi chất lỏng
cùng loại
Điện
từ trường
Chất lỏng có tính chất thay
đổi theo chiều dày lớp biên
Chất lỏng có tính chất không
đổi theo chiều dày lớp biên
Đưa chất
lỏng có độ
nhớt khác
Làm
nóng
bề mặt
Điện
từ
trường
Hút