MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN................................................................................ 2
1.1.
Tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá ................................................................... 2
1.1.1. Thực trạng đội tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá của nƣớc ta hiện nay ......... 2
1.1.2.

Sự cần thiết phải phát triển tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá ........................ 4

1.2.

Sự cần thiết trong việc giảm sức cản tàu thủy và một số phƣơng pháp
giảm sức cản cho tàu ................................................................................ 6

1.2.1.

Khái quát chung về sức cản của tàu ......................................................... 6

1.2.2.

Sự cần thiết trong việc giảm sức cản cho tàu .......................................... 7

1.2.3.
1.3.

Một số phƣơng pháp giảm sức cản cho tàu ............................................. 9
Nghiên cứu giảm sức cản cho tàu bằng phƣơng pháp bôi trơn bọt khí . 15

1.3.1.

2.1.4.

Bố trí, trang thiết bị trên tàu ................................................................... 19

2.1.5.
2.2.

Điều kiện môi trƣờng thiết kế ................................................................ 19
Thiết kế tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá .................................................... 19

2.2.1.

Tính toán, xây dựng hình dáng và các thông số chính .......................... 20

2.2.2.

Xây dựng tuyến hình và bố trí chung của tàu ........................................ 21

2.2.2.1. Xây dựng tuyến hình .............................................................................. 21
2.2.2.2. Bố trí chung............................................................................................ 22
2.2.3. Tính toán tính năng của tàu.................................................................... 26


2.2.3.2. Tính toán các yếu tố tĩnh thủy lực của tàu ............................................. 27
2.2.3.3. Kiểm tra ổn định của tàu ........................................................................ 30
2.2.3.4. Tính toán Dung tích tàu ......................................................................... 50
2.2.3.5. Tính toán mạn khô ................................................................................. 51
2.2.3.6. Tính toán chân vịt .................................................................................. 54
2.2.4.



Mô phỏng bài toán CFD (2D) để xây dựng hình dạng, kích thƣớc
khoang khí tối ƣu trong việc giảm sức cản cho tàu ............................... 80

3.2.3.1. Chia lƣới và thiết lập điều kiện tính toán ............................................... 80
3.2.3.2. Kết quả mô phỏng mô hình 2D .............................................................. 81
3.2.3.3. Đánh giá kết quả mô phỏng 2D ............................................................. 84
3.2.4.

Mô phỏng bài toán CFD (3D) ................................................................ 85

3.2.4.1. Mô hình 3D ............................................................................................ 85


3.2.4.2. Xây dựng không gian, chia lƣới, thiết lập điều kiện mô phỏng 3D ...... 86
3.2.4.3. Kết quả mô phỏng mô hình 3D .............................................................. 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 98


MỞ ĐẦU
Với vị trí địa lý nằm sát biển Đông và có bờ biển dài hơn 3000 km, Việt Nam có
điều kiện tự nhiên thuận lợi để phát triển kinh tế biển nói chung và phát triển công
nghiệp nghề cá nói riêng. Tuy nhiên, hiện nay ở nƣớc ta, tàu cá của ngƣ dân chủ yếu là
tàu vỏ gỗ, kích thƣớc nhỏ, khả năng dự trữ và nhiên liệu trên tàu rất hạn chế do đó gặp
nhiều khó khăn trong việc phát triển đội tàu cá xa bờ. Để giải quyết vấn đề này, hiện
nay Nhà nƣớc đã có nhiều chủ trƣơng phát triển tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá hiện đại
với khả năng cung ứng dữ trữ, nhiên liệu cho các tàu khai thác trên các vùng biển và
thu mua sản phẩm cho đội tàu này, nhằm tăng cƣờng khả năng bám biển nâng cao hiệu
quả sản xuất.
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa sức cản tàu dịch vụ hậu cần nghề cá


Hình 1.2 Tỷ lệ % tàu DVHC theo khu vực

Phần lớn tàu DVHC ở nƣớc ta có chiều dài nhỏ hơn 20 mét, số tàu vỏ gỗ là
2042 tàu, chiếm 98,5 % tổng số tàu còn lại, có 03 tàu vỏ thép, 22 tàu vỏ composite, 01
tàu vỏ nhôm, 03 tàu vỏ nhựa và 02 tàu vỏ xi măng; chủ yếu là các tàu thu mua hoặc
kiêm nghề khai thác thủy sản, số lƣợng tàu làm nghề dịch vụ hậu cần hạn chế chiếm
khoảng 41% trong tổng số tàu thu mua và dịch vụ hậu cần [1].
Bảng 1.1 Số lượng tàu DVHC các tỉnh , thành phố ven biển
TT

CHIỀU DÀI(m)
ĐỊA
SỐ
PHƢƠNG TÀU
91

3

46

62

38

11

157

0

3

T.Bình

19

0

17

2

0


23

99

5

Ng.An

14

0

10

4

8

0

1

5

14

0

2


20
0
TT-Huế
80
0
Đà Nẵng
4
0
Q.Nam
133
6
Q.Ngãi
148
13
B.Định
9
5
K.Hòa
285 153
N.Thuận
26
1
B.Thuận
105
6
BR-VT
41
2
TP. HCM
158

0
20
0
71
9
0
4
127
0
133
2
3
1
130
2
25
0
32
67
14
25
63
10
96
71
50
19
8
11
0

7
0
2
152
68
53
0
6
16
6
1
16
4
1
1
119
14
9
10
20
33
30
12
7
0
0
3
0
0
0

2
19
93
184
747

NGHỀ KINH
DOANH
Thu
DVHC mua
0
7
0
20
0
80
4
0
0
133
84
64
7
2
0
285
0
26
105
0

Tàu thu mua, dịch vụ hậu cần nghề cá trên biển phần nhiều là các tàu cá kiêm
nghề, việc trang bị các trang thiết bị phục vụ hoạt động thu mua, dịch vụ hạn chế; đặc
biệt là trang bị hệ thống lạnh bảo quản sản phẩm; chỉ một số ít tàu thu mua, dịch vụ hậu

3


cần trên biển có trang bị hệ thống lạnh với hầm cấp đông đến nhiệt độ - 450c, hầm bảo
ôn đến nhiệt độ -300c nhƣ: Thanh Hóa, Bình Thuận.
Nhìn chung, tàu thu mua, dịch vụ hậu cần nghề cá tại các địa phƣơng trên cả
nƣớc, quy mô hoạt động còn nhỏ lẻ hiện chỉ đáp ứng phần nào nhu cầu thu mua trên
biển và cung cấp dịch vụ cho tàu đánh cá; các tàu thu mua chủ yếu là kiêm nghề, một
số ít là tàu dịch vụ hậu cần; phần lớn là các tàu vỏ gỗ, kích thƣớc nhỏ, do đó thiếu
không gian cần thiết để có thể trang bị hệ thống bảo quản sản phẩm sau thu hoạch hiện
đại; không có tàu chuyên dùng thu mua và chế biến trên biển.
1.1.2. Sự cần thiết phải phát triển tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá
Từ thực tế sản xuất tại các địa phƣơng, phát triển tàu dịch vụ hậu cần trên biển
trong thời gian tới là xu hƣớng tất yếu vì nhiều lý do:
Thứ nhất: Hiện nay nguồn lợi hải sản ngày càng cạn kiệt, để đảm bảo khai thác
đủ sản lƣợng trên một chuyến biển, các tàu cá phải hoạt động xa bờ hơn, dài ngày hơn.
Thứ hai: Giá xăng dầu và các chi phí khác ngày càng biến động, đến thời điểm
hiện tại tuy có giảm nhƣng vẫn ở mức cao, trong khi giá sản phẩm không tăng hoặc có
xu hƣớng giảm; để nâng cao chất lƣợng sản phẩm từ đó nâng cao giá thành cần phải có
các biển pháp bảo quản sản phẩm sau thu hoạch hiệu quả, đáp ứng nhu cầu của tiêu thụ
trong nƣớc và xuất khẩu.
Thứ ba: việc hình thành các tổ đội, hợp tác xã, tập đoàn khai thác thủy sản trên
biển là động lực để các tổ chức, các doanh nghiệp liên kết phát triển tàu dịch vụ hậu
cần trên biển.
Hiện nay, Nhà nƣớc đã có chủ trƣơng phát triển tàu dịch vụ hậu cần nghề cá qua
một số chính sách và văn bản nhƣ: Quyết định số 63/2010/QĐ-TTg ngày 15/10/2010

phẩm hiện nay.
- Khu vực hoạt động phải ở những vùng biển xa vì khu vực gần bờ hơn đã có
nhiều tàu, với nhiều loại hình dịch vụ hậu cần, thu mua, vận chuyển hải sản tuy còn thô
sơ nhƣng ở một số địa phƣơng ít nhiêu đã đảm bảo hoạt động thu mua từ các tàu khai
thác.

5


- Phải có trọng tải lớn: từ 150 tấn trở lên...
Để đáp ứng các yêu cầu trên, cần thiết phải có các mẫu thiết kế tàu Dịch vụ hậu
cần vỏ thép với kích thƣớc và trang thiết bị hiện đại đặc biệt là hệ thống bảo quản sản
phẩm sau thu hoạch, hơn nữa tàu có trọng tải lớn và đủ khả năng hoạt động trên các
vùng biển xa.
Luận văn sẽ xây dựng và đề xuất 01 mẫu thiết kế tàu DVHC với chiều dài 34.80
mét, chiều rộng 7.2 mét, mớn nƣớc 2.65 mét, trọng tải trên 400 tấn...đã đáp ứng đƣợc
các yêu cầu trên. Chi tiết về mẫu thiết kế này sẽ đƣợc trình bày cụ thể trong Chƣơng 2.
1.2.

Sự cần thiết trong việc giảm sức cản tàu thủy và một số phƣơng pháp giảm
sức cản cho tàu

1.2.1. Khái quát chung về sức cản của tàu
Chuyển động của tàu trên mặt nƣớc, trong nƣớc, bề mặt vỏ tàu phải tiếp xúc với
môi trƣờng bao quanh nó: mặt ƣớt vỏ tàu tiếp xúc với môi trƣờng nƣớc, phần trên mớn
nƣớc tiếp xúc với không khí, và bề mặt này chịu tác động của các lực do môi trƣờng
gây ra. Sức cản của tàu trong thực tế không thể xác định hoặc đo lƣờng một cách trực
tiếp, kiến thức về tính toán sức cản của tàu thƣờng đƣợc thu thập và xây dựng từ thử
nghiệm trên các mô hình tàu. Việc xác định sức cản của tàu trong môi trƣờng nƣớc tĩnh
thƣờng phân tích trên các thành phần sức cản độc lập, sơ đồ các thành phần sức cản

thành phần sức cản này càng lớn.
Sức 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 sức cản sóng. Sức cản sóng càng lớn
khi vận tốc tàu càng lớn.
Sức cản toàn bộ của tàu đƣợc xác định là tổng của sức cản ma sát RF và sức cản
dƣ Rr và các thành phần sức cản bổ sung:
RT = RF + Rr + RA

(1.1)

1.2.2. Sự cần thiết trong việc giảm sức cản cho tàu
Nhƣ đã biết, chi phí nhiên liệu chiếm phần lớn trong tổng chi phí khai thác của
tàu. Lƣợng tiêu thụ nhiên liệu trên một phà cỡ lớn khoảng từ 1000 đến 5000 lít/giờ,
lƣợng tiêu thụ dầu đốt trên tàu này có thể nói nhiều hơn lƣợng dầu dùng đển sƣởi ấm
trong cả năm cho một gia đình. 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 [7]. Ở nƣớc ta, trung bình
một chuyến 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 ngƣ dân nƣớc ta hiện nay.
Do vậy, giảm một lƣợng 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

7


cả năm. Dƣới đây là một số yếu tố quan trọng nhất ảnh hƣởng đến mức tiêu thụ trên
tàu:
- Một số thông số chính của tàu nhƣ: hình dạng vỏ tàu, khối lƣợng tàu, loại động
cơ, chân vịt…;
- Số lƣợng máy chính;

Làm sạch vỏ tàu, bánh lái, chân vịt: biện pháp này có thể áp dụng cho tất cả các
loại tàu bất kể kiểu loại, kích thƣớc và công dụng khai thác. Ngay sau khi xuất xƣởng,
vỏ tàu, bánh lái, chân vịt và các phần khác cần đƣợc 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 trƣớc do gia tăng sức cản ma sát và làm tăng lƣợng tiêu hao nhiên
liệu. Việc làm sạch định kỳ sẽ cải thiện đƣợc tình trạng này, nếu nhƣ không thể đƣa tàu
lên triền đà hoặc vào ụ thƣờng xuyên, việc làm sạch chân vịt bằng thợ lặn cũng tỏ ra có
hiệu quả nhất định (hình 1.4).

9


Hình 1.4 Làm sạch vỏ tàu để giảm ma sát cho tàu
Sử dụng vật liệu phủ Polyme: bề mặt vỏ tàu đƣợc phun phủ một lớp mỏng
Polyme để giảm sức cản của tàu. Trong suốt ba thập kỷ qua rất nhiều bài báo trình bày
nghiên cứu về sử dụng Polyme trong việc sức 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 sức 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 phƣơng pháp bôi trơn bọt khí bằng cách phun khí tạo lớp phủ không thấm
nƣớc. Cả ba phƣơng pháp đều đã chứng mình là có khả năng giảm một lƣợng sức cản
cho tàu một cách hiệu quả. Hiệu quả giảm sức 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
phƣơng pháp này cho việc giảm sức cản đạt trên 5%, phƣơng 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, biện pháp này sẽ đƣợc nói rõ hơn trong phần sau.

Hình 1.10 Cải tiến phần gót ky
Giảm sức cản sóng: Sức cản sóng RW của tàu chủ yếu phụ thuộc vào số Fr và
hình dáng thân tàu. Việc giảm số Fr không phải là giảm sức cản sóng theo hƣớng tích
cực, tuy nhiên nhiều trƣờng hợp khi giảm số Fr có thể đạt ƣu thế về sức cản sóng và
đƣa chuyển động vào vùng tốc độ có lợi.

Hình 1.11 Nguyên lý hệ thống đệm khí trên tàu
Việc thay đổi số Fr theo hƣớng có lợi khi giữ nguyên tốc độ chuyển động bằng
cách thay đổi chiều dài tàu. Việc giảm đột ngột hoặc triệt tiêu hoàn toàn sức cản sóng

13


khi đƣa chuyển động vào số Fr > 1.0, các chế độ này là chế độ nổi tĩnh bằng chế độ
lƣớt, hay nói cách khác là dùng tàu cánh ngầm hoặc tàu đệm khí (hình 1.11).
Một cách khác để giảm sức cản sóng ta dùng thiết bị giao thoa: mũi quả lê:
Nguyên lý giảm sức cản sóng khi mũi tàu có dạng quả lê nhƣ sau (hình 1.12):
Sóng sinh ra khi tàu chạy

Hình 1.12 Nguyên lý giảm sức cản sóng của mũi quả lê
Hiện nay chủ yếu là các tàu vận tải cỡ lớn nhƣ tàu hàng, tàu dầu… sử dụng mũi
quả lê, các tàu cá đa số là kích thƣớc nhỏ nên số lƣợng tàu cá lắp mũi quả lê là rất ít,
một số nƣớc có nghề ca phát triển nhƣ Nhật Bản, Hàn Quốc… đã sử dụng mũi tàu quả
lê trên tàu cá (hình 1.13):

Hình 1.13 Tàu cá mũi quả lê ở Nhật Bản

14



15


Đặc điểm của phƣơng pháp này chi phí ít, có tính khả thi cao thích hợp với các
tàu đáy phẳng cỡ lớn. Tuy nhiên, việc tính toán, chế tạo bộ tạo bọt khí với kích thƣớc
phù hợp và duy trì lƣợng bọt khí bám trên bề mặt vỏ tàu là phức tạp, hơn nữa trong quá
trình hoạt động bọt khí nhỏ có khả năng kết hợp thành bọt khí có kích thƣớc lớn cũng
có thể làm giảm hiệu quả giảm sức cản cho tàu. Việc tính toán thiết kế để bọt khí
không ảnh hƣởng đến hiệu suất chân vịt cũng là vấn đề khó khăn.
Minh họa cho phƣơng pháp pháp phun bọt khí nhƣ trên hình 1.14.

Hình 1.14 Minh họa phương pháp tạo bọt khí
1.3.3. Tạo lớp màng khí
Có thể coi tạo lớp màng khí là sự kết hợp giữa phun bọt khí và tạo khoang khí.
Mục đích của việc tạo lớp màng khí là kết hợp các bọt khí đƣợc phun ra thành một lớp
màng khí mỏng bao quanh đáy tàu. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng lớp bọt khí với khoảng
0.5mm chiều dày có thể đem lại hiệu quả làm giảm tới 90% sức cản tác dụng lên bề
mặt [3]. Tuy nhiên, việc tạo một lớp màng khí ổn định trong thực tế là rất khó khăn vì
trong quá trình hoạt động tàu chịu nhiều tác động của dòng chảy nhƣ sóng, xoáy; khi
tàu nghiêng việc duy trì một lớp màng khí nhƣ vậy là rất khó khăn đặc biệt là trong các
dòng có số Reynolds cao. Khi lớp màng khí không ổn định có thể làm tăng sức cản ma
sát của tàu.

16


1.3.4. Tạo khoang khí
Theo cách thức này khí đƣợc điền đầy vào các khoang đặc biệt ra ở phần đáy
tàu dễ dàng tạo thành 01 lớp không khí ổn định dƣới đáy tàu làm tách một phần đáng
kể đáy tàu tiếp xúc của nƣớc dẫn đến làm giảm sức cản của tàu (hình 1.15):


CHƢƠNG 2- THIẾT KẾ TÀU DỊCH VỤ HẬU CẦN NGHỀ CÁ

2.1.

Yêu cầu kỹ thuật của tàu DVHC

2.1.1. Yêu cầu về hình dáng, kích thƣớc
Yêu cầu chung đối với một tàu DVHC là tàu phải có các khoang chứa hàng (cá,
dầu, nƣớc…) lớn, do đó hệ số béo CB của tàu DVHC thƣờng từ 0.6 đến 0.7; chiều dài
tàu ở mức trung bình từ 30÷40 m sẽ phù hợp với điều kiện kinh tế của ngƣ dân hiện
nay; vận tốc tàu từ 10 ÷ 12 hải lý/giờ để rút ngắn thời gian thu mua trên biển, và thời
gian đi, về của tàu từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế trong quá trình khai thác.
2.1.2. Yêu cầu về vật liệu, kết cấu
Tàu đóng bằng vật liệu thép, kết cấu hàn.
2.1.3. Vùng hoạt động, cấp tàu
- Vùng hoạt động: Vùng biển Việt Nam.
- Cấp tàu: Cấp hạn chế I
- Tàu thiết kế thỏa mãn các tiêu chuẩn sau: TCVN 6718:2000 [11], Quy phạm
QCVN 21/2010/BGTVT [12].
2.1.4. Bố trí, trang thiết bị trên tàu
Trên tàu bố trí trang thiết bị bảo quản sản phẩm hiện đại (hệ thống cấp đông,
bảo quản lạnh) nhằm tăng chất lƣợng sản phẩm khai thác thu mua trên biển, dự trữ trên
tàu phải đáp ứng thời gian hoạt động dài (khoảng 15-20 ngày)…
2.1.5. Điều kiện môi trƣờng thiết kế
Máy móc, trang thiết bị của tàu đƣợc thiết kế và hoạt động trong điều kiện nhiệt
đới của vùng biển Việt Nam và Quốc tế với các thông số về môi trƣờng nhƣ sau:
-

Nhiệt độ môi trƣờng + 40oC ; Nhiệt độ trung bình nƣớc biển : tới + 25oC

D

Trong đó: trọng tải Pn = 280 tấn, D - Hệ số lợi dụng lƣợng chiếm nƣớc theo
trọng tải. Tàu vận tải cỡ nhỏ và cỡ trung D = (0,57  0,7), chọn : D = 0.64 ta có:
=

Pn

D

=

280
= 430 tấn.
0.65

Dựa vào một số mẫu tàu DVHC hiện nay và số liệu thống kê nhƣ trên ta chọn sơ
bộ một số tỷ lệ hình học chính của tàu thiết kế nhƣ sau: CB =0,68; L/B = 4.5; B/T =
2.7; D/T= 1.32. Khi đó từ phƣơng trình sức nổi  = kCB LBT, ta biến đổi thành :

20


L L
L.B. .B.
L3
B B = kCB .
 = kCB .
2
L L B

B/T

7 .2
= 2,66 (m) Chọn T = 2.65 m
2,7

D = T . D = 2.65 .1,32 = 3.498 (m), chọn D = 3.5 m
T

2.2.2. Xây dựng tuyến hình và bố trí chung của tàu
2.2.2.1.

Xây dựng tuyến hình

Sau khi tính toán các kích thƣớc sơ bộ dựa trên tuyến hình một số tàu mẫu hiện
có, hình dáng 3D bề mặt tàu DVHC đƣợc xây dựng, chỉnh trơn bằng phần mềm
Autoship (phần mềm chuyên dụng trong thiết kế tàu) hình 2.1. Tuyến hình của tàu ở
dạng file Cad đƣợc thể hiện nhƣ bản vẽ A3 kèm theo:

Hình 2.1 Dựng bề mặt vỏ tàu trên phần mềm AutoShip

21


Bản vẽ (2D) và bảng trị số tuyến hình đƣợc xuất ra file AutoCad, để phục vụ
tính toán thiết kế các phần tiếp theo.
2.2.2.2.

Bố trí chung