THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng thân tàu chở khách cỡ nhỏ
đến đặc tính khí động học của tàu
Study on effects of hull form on hydrodynamic performances of a boat
Ngô Văn Hệ,
Hoàng Văn Hiếu, Lê Thị Thái
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội,

Tóm tắt
Đặc tính khí động lực học là một trong những đặc trưng quan trọng đối với tàu thủy
nói riêng và các phương tiện giao thông vận tải nói chung. Đặc tính khí động lực học của tàu,
không những ảnh hưởng đến tốc độ khai thác tàu, lực cản tác động lên tàu, công suất chạy
tàu, tính rung lắc, cân bằng và ổn định của tàu mà nó còn ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe
hành khách trên tàu, trong nhiều trường hợp nguy hiểm có thể xẩy ra lật tàu khi đặc tính khí
động lực học của tàu không tốt. Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu thực hiện nghiên cứu
khảo sát các đặc tính khí động lực học thân tàu chở khách cỡ nhỏ và ảnh hưởng của hình
dáng tàu đến các đặc tính khí động lực học. Bằng phương pháp sử dụng chương trình tính
toán mô phỏng số CFD (Computation Fluid Dynamic), nhóm nghiên cứu thực hiện tính toán
mô phỏng các đặc tính khí động lực học với 4 loại hình dáng thân tàu đã được nhóm thực
hiện tính toán thiết kế trên phần mềm ứng dụng Auto - Ship, đồng thời so sánh các đặc tính
khí động lực học của tàu với nhau trong một số trạng thái hoạt động trên thực tế. Trên cơ sở
phân tích kết quả tính toán mô phỏng số đạt được như phân bố áp suất, dòng bao quanh tàu
và lực khí động tác động lên tàu những ảnh hưởng của hình dáng thân tàu đối với các đặc
tính này của tàu sẽ được làm rõ. Từ các kết quả khảo sát và so sánh với các loại hình dáng
đưa ra, bài báo sẽ cung cấp những thông tin quan trọng đối với thiết kế tối ưu hình dáng khí
động học tàu thủy và những vấn đề cần chú ý trong khai thác tàu khách cỡ nhỏ.
Từ khóa: Đặc tính khí động học, ảnh hưởng của hình dáng tàu đến đặc tính khí động
học, tàu khách cỡ nhỏ, CFD, tối ưu hình dáng khí động.
Abstract
Aero dynamic performance of a ship is important for ships and other vehicles in

phỏng số và thực nghiệm mô hình. Các kết quả nghiên cứu này đã chỉ ra ảnh hưởng của hình
dáng thân tàu đến các đặc tính khí động học tàu thủy và hình dáng thượng tầng, vị trí thượng
tầng trên boong tàu có ảnh hưởng rõ rệt đến lực cản khí động cũng như các đặc tính khí động
học của tàu [1, 4, 5]. Tác giả K. Mizutani cùng cộng sự (2013, 2014) nghiên cứu ảnh hưởng
của hình dáng thân tàu, bố trí trang thiết bị trên boong tàu đến các đặc tính khí động học của
tàu chuyên dụng chở bột thông qua mô phỏng số và thực nghiệm mô hình tàu. Kết quả của
nhóm nghiên cứu đã chỉ ra việc sắp xếp trang thiết bị làm hàng có ảnh hưởng đến lực cản khí
động tác động lên tàu và đưa ra các giải pháp làm giảm thành phần lực cản này [2, 3].
Trong một số nghiên cứu về đặc tính thủy khí động lực tàu cỡ nhỏ trên thế giới trong
những năm gần đây [6 - 9] có thể kể đến một số kết quả nghiên cứu tiêu biểu như tác giả E.
Begovic cùng cộng sự, (2012) nghiên cứu thực nghiệm lực cản tác động lên tàu cao tốc loại
nhỏ trong điều kiện có sóng. Trong nghiên cứu này tác giả thực hiện xác định lực cản tác
động lên tàu trong dải tốc độ tương đối (số Froude) từ 0,56 đến 3,92 thông qua thực nghiệm
mô hình tàu, đồng thời tác giả đưa ra các hình ảnh thực nghiệm xác định dòng rối và sóng tạo
ra khi tàu chuyển động. Trên cơ sở so sánh một số mẫu tàu khác nhau các tác giả đưa ra nhận
định về tối ưu lực cản cho tàu. Tác giả K. I. Matveev cùng cộng sự (2015) nghiên cứu giảm
lực cản thân tàu với phương pháp sử dụng két xâm thực trên tàu tại đáy tàu. I. M. Viola cùng
cộng sự, (2014) nghiên cứu thử nghiệm xác định lực cản tác động lên tàu buồm với một số
hình dáng tàu mới có kể đến ảnh hưởng của chiều chìm tàu. Trong nghiên cứu này các tác giả
thực hiện việc xác định lực cản tàu trong dải tốc độ với Froude từ 0,3 đến 1,03. Nghiên cứu
này cũng chỉ ra được ảnh hưởng của vị trí thuyền viên trên tàu đến lực cản khí động đồng thời
đưa ra các giải pháp nâng cao độ tin cậy và yêu cầu quan trọng trong việc thực nghiệm mô
hình ở dải vận tốc cao. E. Becgovic cùng cộng sự, (2016) nghiên cứu các đặc tính thủy động
lực tàu thông qua thử nghiệm mô hình trong điều kiện có sóng, ảnh hưởng của biên độ dao
động lắc tàu khi tàu trên sóng điều hòa. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
đã cho thấy đa số các nghiên cứu tập trung vấn đề tối ưu đặc tính khí động lực học cho tàu
hàng, tàu khách cỡ lớn và một số nghiên cứu khác tập trung nghiên cứu vào loại tàu cao tốc,
tàu lướt loại nhỏ nhằm tìm ra giải pháp tối ưu lực cản thủy động lực học cho tàu.
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng
thân tàu và trạng thái khai thác tàu đến các đặc tính khí động học của tàu thông qua sử dụng


Đơn vị

Chiều dài tàu, L

6,0

6,0

6,0

6,0

m

Chiều rộng tàu, B

1,85

1,85

1,85

1,85

m

Chiều cao mạn, D

0,80


tấn

Diện tích hứng gió khi
cân bằng, Sx

1,15

2,44

2,38

1,57

m2

Hình 1. Hình dáng tàu chở khách cỡ nhỏ sử dụng trong nghiên cứu

3. Phương pháp tính toán mô phỏng số CFD
3.1. Phương pháp tính và một số phương trình cơ bản
Trong nghiên cứu này, các đặc tính khí động học của tàu được thực hiện khảo sát
thông qua sử dụng công cụ tính toán CFD, Ansys V.14.5 được trang bị bản quyền tại Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội. Phương pháp sử dụng trong phần lớn các chương trình tính toán
số nói chung và chương trình Ansys nói riêng thường được thực hiện dựa trên lý thuyết tính
toán động lực học chất lỏng, sử dụng phương pháp phần tử thể tích hữu hạn. Trong đó các
phương trình cơ bản được sử dụng và giải theo các phương pháp nhất định khác nhau. Trong
phần này giới thiệu một số phương trình cơ bản trong tính toán động lực học chất lỏng CFD
[10, 11].
- Phương trình liên tục:
1 𝑑𝜌


Y

dt

1 p
1 
 v.u y  v
divu
 y
3 y

du z
1 p
1 
Z
 v.u z  v
divu
dt
 z
3 z

(2)

Trong đó: p là áp suất điểm đang xét, N/m2;
ux, uy, uz tương ứng là thành phần vận tốc theo các phương ox, oy, oz;
X, Y, Z tương ứng là thành phần gia tốc lực khối theo các phương ox, oy, oz.
- Phương trình đối lưu cho mô hình rối tiêu chuẩn K-epsilon:
Động năng chảy rối k:
𝜕

𝜕𝑥𝑖

(𝜌𝜖𝑢𝑖 ) =

𝜕
𝜕𝑥𝑖

[(𝜇 +

𝜇𝑡 𝜕𝜖
𝜎𝜖 𝜕𝑥𝑖

𝜖

𝜖2

𝑘

𝑘

)] + 𝐶1𝜖 (𝑃𝑘 + 𝐶3𝜖 𝑃𝑏 ) − 𝐶2𝜖 𝜌

+ 𝑆𝜖

(4)

Độ nhớt chảy rối được mô hình hóa như sau:

𝜇𝑡 = 𝜌𝐶𝜇



Prt = 0.85

 

1   


  T  p

Các hằng số trong mô hình rối k-epsilon:
C1  1.44

C 2  1.92

C   0.09

 k  1.0

   1.3

- Lực cản khí động: Trong tính toán lực cản tác động lên tàu, lực cản thường được
phân chia thành hai thành phần, lực cản tác động lên tàu phần thân dưới nước của tàu và phần
lực cản tác động lên phần thân phía trên không khí. Thành phần lực cản tác động lên tàu phần
thân phía trên không khí thường gọi là thành phần lực cản khí động hay lực cản gió. Lực cản
được đặc trưng theo hệ số lực cản, xác định theo mối quan hệ trong phương trình sau:
𝑅

𝐶𝑥 = 0.5𝑥𝑆𝑉 2


không cấu trúc được 1,326 triệu lưới T. Hình 2 thể hiện miền không gian tính toán và chia
lưới cho bài toán.

Hình 2. Miền không gian tính toán và chia lưới
Bảng 2. Thông số đầu vào trong tính toán mô phỏng số
Giá trị

Đơn vị

K-epsilon

-

Đầu vào: Velocity inlet, V∞

0-7

m/s

Đầu ra: Pressure outlet, pout

1,.025

105N/m2

Khối lượng không khí, 

1,225

kg/m3

thân tàu với hình dáng khác nhau và với tư thế tàu thay đổi khác nhau.

Hình 3. Phân bố áp suất xung quanh tàu ở trạng thái tàu cân bằng, Rn = 0,2.106

Hình 4. Phân bố dòng xung quanh tàu ở trạng thái tàu cân bằng, Rn = 0,2.106
HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

193


THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

Hình 5. Phân bố áp suất xung quanh tàu ở trạng thái khai thác tàu nghiêng dọc 7 độ, Rn = 5.106

Hình 6. Phân bố dòng xung quanh tàu ở trạng thái khai thác tàu nghiêng dọc 7 độ, Rn = 5.106

4.2. Ảnh hưởng của hình dáng thân tàu đến lực khí động
Trong phần này, lực cản khí động tác động lên tàu với hình dáng tàu khác nhau và tư
thế tàu khác nhau được tính toán và so sánh. Hình 7, 8 thể hiện kết quả so sánh lực cản khí
động tác động lên tàu tương ứng với trạng thái tàu cân bằng và khi tàu ở một số tư thế khác
nhau.

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

194


THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

Từ kết quả phân bố áp suất, phân bố dòng và lực cản khí động tác động lên tàu cho

air resistance acting on a ship by shape and location of the accommodation. Journal
of Science and Technology, Vietnam, Vol 27, pp. 109-112.
[6]. E. Begovic, C. Bertorello (2012). Resistance assessment of warped hull form. Journal
of Ocean Engineering, Vol.56, pp. 28-42.
[7]. K. I. Matveev (2015). Hydrodynamic modeling of semi-planing hulls with air cavities.
International Journal of Naval Architure and Ocean Engineering, Koen, p-ISSN:
2092-6782, pp.500-508.

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

195


THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

[8]. I. M. Viola, J. Enlander, H. Adamson (2014). Trim effect on the resistance of sailing
planning hulls. Ocean Engineering, Vol.88, pp.187-193.
[9]. E. Becgovic, C. Bertorello, S. Pennino, V. Piscopo, A. Scamardella (2016). Statistical
analysis of planning hull motions and accelerations in irregular head sea. Ocean
Engineering, Vol. 112, pp. 253-264.
[10]. Versteeg H. K., Malalasekera W. (2007). An Introduction to Computational Fluid
Dynamics: The Finite Volume Method, 2nd Edition. Pearson Education.
[11]. Mohammadi B., Pironneau O. (1994). Analysis of the K-epsilon turbulence model.
Wiley & Sons.
[12]. ITTC (2008). The proc. of the 25th International Towing Tank Conference, Fukuoka,
Japan. Website: />[13]. ANSYS Inc. (2010), ANSYS FLUENT User's Guide, Theory Guide and Software
Tool, Release 13.0. Website: />
HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

196