Đánh giá ảnh hưởng của góc vát đáy đến chất lượng thủy động của tàu lướt

ưởng lớn đến các yếu tố tính năng của tàu lướt, trong đó có yếu tố tốc độ của tàu; Do đó, việc nâng cao chất lượng thủy động của tàu lướt có ý nghĩa vô cùng quan trọng, nhằm nâng cao tính năng và tốc độ tàu, đáp ứng yêu cầu tuần tra ven biển và đảm bảo an toàn hàng hải. Trong bài báo này, tác giả sử dụng phần mềm Maxsulf để xác định phương án tính toán lực cản phù hợp và khai thác hiệu quả công suất máy tính đến ảnh hưởng của góc vát đáy của tàu theo phương pháp Savitsky nhằm cải thiện chất lượng thủy động của tàu. Qua đó ứng dụng tính nghiệm cho tàu lướt tuần tra ven biển PR13. Từ khóa: Tàu lướt; Maxsulf; động lực học tàu thủy; PR13; phương pháp Savitsky. Abstract Hydrodynamic quality greatly affects the speed of the high-speed craft; therefore, improving the quality of its hydrodynamic plays an important role to improve the speed boat to meet the requirements of coastal patrol. In this paper, the authors use the Maxsulf software to calculate engine output of vessels based on Savitsky method that give the suitable parameters of resistance force and operate into effective output to improve the quality of hydrodynamics for high-speed craft. The result is used for calculating the coastal patrol PR13. Keywords: Patrol; Maxsulf; hydrodynamics; PR13; Savitsky method. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Trong chiến lược phát triển kinh tế biển hiện nay, song song với việc đầu tư xây dựng các đội tàu hùng mạnh đáp ứng nhu cầu vận chuyển hàng hóa, chúng ta đã và đang chú trọng phát triển đội tàu tuần tra cỡ nhỏ và vừa để tuần tra kiểm soát quá trình vận chuyển hàng hóa, đồng thời góp phần đảm bảo an toàn hàng hải. Thiết kế tàu lướt thường rất phức tạp vì ta phải phân tích, tính toán nhiều yếu tố phức tạp về tính năng hàng hải của tàu như tính ổn định, tốc độ tàu, tính quay trở, lắc [1] Tàu lướt thuộc nhóm tàu làm việc theo nguyên lý thủy động lực học, do đó về mặt phương pháp, các công trình nghiên cứu ở lĩnh vực này chủ yếu dựa trên cơ sở của lý thuyết chung về thiết kế tàu, kết hợp với lý thuyết thủy động lực học và kết quả thử mô hình tàu trong bể thử để tính toán, thiết kế được những mẫu tàu tối ưu. Tuy nhiên, việc thiết kế tàu mẫu, thử mô hình trong bể thử cũng là vấn đề không đơn giản do điều kiện khó khăn về bể thử. Vì vậy, việc ứng dụng phần mềm chuyên dụng vào tính toán, thiết kế những mẫu tàu này đã phần nào khắc phục được những khó khăn trên. Trong bài báo, tác giả đã sử dụng phần mềm Maxsurf vào tính toán lực cản của một con tàu cụ thể là tàu PR13, một dạng tàu lướt, được thi công đóng mới tại Công ty Đóng tàu 189 với mục đích sử dụng cho công tác tuần tra ven biển, đảm bảo an ninh, dùng cho cảnh sát biển Singapore. Tác giả đã thay đổi các góc nghiêng hông β, khi thay đổi góc nghiêng hông β ta sẽ nhận thấy các giá trị lực cản cũng thay đổi. Qua đó lựa chọn góc nghiêng hông phù hợp nhất, là cơ sở cho việc thiết kế tàu lướt cỡ nhỏ phục vụ công tác tuần tra ven biển. 26 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 2. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC VÁT ĐÁY ĐẾN CHẤT LƯỢNG THỦY ĐỘNG CỦA TÀU LƯỚT Lực cản toàn phần được xác định theo biểu thức sau [2]: R = RT + RΔ (1) trong đó: RT: lực cản ma sát; RΔ: lực cản động lực Để tính toán lực cản tàu lướt cỡ nhỏ ta giả thiết như sau: Các số liệu cho trước gồm: - Chiều rộng trung bình của tàu lướt: (2) - Độ vát trung bình của đáy: (3) trong đó: : chiều rộng tàu đo trên mặt phẳng cơ bản; : chiều rộng tàu đo theo hình lăng trụ. Khoảng cách của trọng tâm đến vách mút đuôi xG. Giả thiết các giá trị của tốc độ v1, v2, v3. Trước tiên cần tính số Froude theo chiều rộng FrB ứng với mỗi giá trị của tốc độ theo công thức: (4) Sau khi tính hệ số tải trọng theo công thức: 22 2 1 . Bv gCD ρ ∆ = và α α D D C C = (5) Các giá trị ; vừa tính được chưa kể đến độ vát đáy nên phải tính điều chỉnh. Áp dụng công thức của I.P. Liubômirôv: (6) (7) trong đó: và : độ dang tương đối và góc tấn đối với đáy vát. Sau đó xác định RΔ = g·Δ·tg , chiều dài ngâm nước l = B và diện tích mặt ướt S = B2. Tính hệ số Reynol theo công thức: υ/.lvRe = υ/.lvRe = • (8) Hệ số ma sát theo công thức: (9) Vậy lực ma sát được tính theo công thức như sau: (10) Hình 1. Sơ đồ lực tác dụng lên tàu khi lướt Lực cản toàn phần được tính theo công thức: R = RT + RΔ (11) Vậy: (12) Ta thấy rằng góc nghiêng hông β có ảnh hưởng quyết định đến lực cản toàn phần R, hay nói cách khác là có ảnh hưởng quyết định đến việc cải thiện chất lượng thủy động của tàu lướt. 3. TÍNH TOÁN LỰC CẢN TÀU LƯỚT THEO PHƯƠNG ÁN THAY ĐỔI GÓC NGHIÊNG HÔNG β 3.1. Phần mềm Maxsurf Maxsurf là một trong những phần mềm chuyên dụng dùng trong thiết kế tàu cao tốc tại các nhà máy đóng tàu trong và ngoài nước. Để áp dụng được phần mềm Maxsurf vào tính toán lực cản tàu lướt theo các góc nghiêng hông β, tác giả sử dụng hai module chính đó là module Maxsurf Pro và module Hullspeed. Sử dụng module Maxsurf Pro với thao tác chính đó là dựa vào bản vẽ tuyến hình, bố trí chung đi xây dựng bề mặt vỏ bao thân tàu nhờ tọa độ các điểm kiểm soát (control point và Marker) được lấy từ bản vẽ tuyến hình tàu. Sử dụng module Hullspeed với thao tác chính đó là dựa vào vỏ bao thân tàu được dùng trong module Maxsurf Pro, rồi gán lượng chiếm nước, chiều chìm, các giá trị vận tốc của tàu và xuất ra các giá trị về lực cản, công suất đẩy của tàu theo phương pháp Savitsky planing. LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 27 3.2. Các phương án thay đổi góc nghiêng hông Bảng 1. Bảng các phương án thay đổi các giá trị góc nghiêng hông Phương án Các giá trị góc nghiêng hông (độ) 1 17 2 15 3 20 4 25 So sánh kết quả tính bởi phần mềm Maxsurf và kết quả cung cấp bởi nhà thiết kế tàu PR13 như sau: Hình 2. Đồ thị so sánh công suất khi tính bằng phần mềm Maxsurf và kết quả tính toán được cung cấp bởi nhà thiết kế Phương án 1: Kết quả tính toán với góc nghiêng hông 17o như sau: Bảng 2. Lực cản và công suất của tàu ứng với các giá trị khác nhau của vận tốc tại góc nghiêng hông 170o TT Speed Savitsky planing Power (hp) 1 25 -- 2 25,62 613,31 3 26,25 624,12 4 26,87 637,58 5 27,5 649,51 6 28,12 667,42 7 28,75 680,86 8 29,37 692,61 9 30 706,01 10 30,62 720,23 11 31,25 735,08 12 31,87 747,24 13 32,5 761,23 14 33,12 776,19 15 33,75 792,67 16 34,37 809,72 17 35 822,02 18 35,62 835,27 19 36,25 851,74 20 36,87 868,42 21 37,5 891,54 TT Speed Savitsky planing Power (hp) 22 38,12 914,35 23 38,75 932,86 24 39,37 953,32 25 40 977,01 26 40,62 995,56 27 41,25 1014,34 28 41,87 1038,32 29 42,5 1059,42 30 43,12 1082,93 31 43,75 1104,59 32 44,37 1128,48 33 45 1154,03 34 45,62 1166,32 35 46,25 1184,94 36 46,87 1203,72 37 47,5 1221,14 38 48,12 1239,92 39 48,75 1258,51 40 49,37 1277,76 41 50 1299,67 Phương án 2: Kết quả tính toán với góc nghiêng hông 15o như sau: Bảng 3. Lực cản và công suất kéo của tàu ứng với các gí trị khác nhau của vận tốc tại góc nghiêng hông 15o. TT Speed Savitsky planing Power (hp) 1 25 -- 2 25,62 587,37 3 26,25 597,16 4 26,87 603,24 5 27,5 652,31 6 28,12 663,48 7 28,75 673,47 8 29,37 698,13 9 30 707,15 10 30,62 732,27 11 31,25 748,99 12 31,87 690,36 13 32,5 710,39 14 33,12 731,10 15 33,75 752,53 16 34,37 774,68 17 35 818,07 18 35,62 821,27 19 36,25 845,74 20 36,87 871,02 21 37,5 897,12 22 38,12 902,18 23 38,75 921,86 24 39,37 945,38 28 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 TT Speed Savitsky planing Power (hp) 25 40 961,98 26 40,62 983,69 27 41,25 1021,98 28 41,87 1022,31 29 42,5 1047,59 30 43,12 1071,82 31 43,75 1084,04 32 44,37 1108,24 33 45 1140,62 34 45,62 1148,67 35 46,25 1157,92 36 46,87 1168,22 37 47,5 1159,57 38 48,12 1163,99 39 48,75 1187,49 40 49,37 1230,09 41 50 1257,63 Phương án 3: Kết quả tính toán với góc nghiêng hông 20o như sau: Bảng 4. Lực cản và công suất kéo của tàu ứng với các gí trị khác nhau của vận tốc tại góc nghiêng hông 20o. TT Speed Savitsky planing Power (hp) 1 25 -- 2 25,62 614,56 3 26,25 627,96 4 26,87 641,42 5 27,5 653,72 6 28,12 667,25 7 28,75 684,45 8 29,37 697,97 9 30 712,03 10 30,62 724,94 11 31,25 738,16 12 31,87 749,68 13 32,5 763,78 14 33,12 778,94 15 33,75 794,46 16 34,37 812,83 17 35 829,97 18 35,62 846,39 19 36,25 865,71 20 36,87 884,75 21 37,5 904,78 22 38,12 926,32 23 38,75 946,82 24 39,37 967,83 25 40 987,02 26 40,62 1008,46 27 41,25 1029,63 28 41,87 1051,89 TT Speed Savitsky planing Power (hp) 29 42,5 1072,37 30 43,12 1094,55 31 43,75 1116,42 32 44,37 1138,68 33 45 1179,96 34 45,62 1191,46 35 46,25 1213,78 36 46,87 1224,28 37 47,5 1238,81 8 48,12 1258,89 39 48,75 1279,93 40 49,37 1302,48 41 50 1324,62 Phương án 4: Kết quả tính toán với góc nghiêng hông 25o như sau: Bảng 5. Lực cản và công suất kéo của tàu ứng với các gí trị khác nhau của vận tốc tại góc nghiêng hông 25o. TT Speed Savitsky planing Power (hp) 1 25 -- 2 25,62 651,35 3 26,25 662,42 4 26,87 673,63 5 27,5 685,47 6 28,12 697,13 7 28,75 712,92 8 29,37 725,56 9 30 739,76 10 30,62 753,44 11 31,25 764,83 12 31,87 780,28 13 32,5 793,18 14 33,12 810,31 15 33,75 825,36 16 34,37 841,93 17 35 858,04 18 36,25 865,71 35,62 77,19 884,75 19 36,25 891,94 20 36,87 910,74 21 37,5 928,34 22 38,12 948,96 23 38,75 968,38 24 39,37 989,36 25 40 1010,92 26 40,62 1036,32 27 41,25 1059,03 28 41,87 1082,84 29 42,5 1112,06 30 43,12 1136,16 31 43,75 1165,83 32 44,37 1193,27 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 29 TT Speed Savitsky planing Power (hp) 33 45 1221,76 34 45,62 1248,53 35 46,25 1275,34 36 46,87 1301,44 37 47,5 1328,38 38 48,12 1351,94 39 48,75 1376,51 40 49,37 1402,47 41 50 1426,52 Từ các kết quả tính lực cản, công suất kéo của tàu tại các giá trị khác nhau của góc nghiêng hông β ứng với các giá trị khác nhau của vận tốc và đồ thị công suất kéo của tàu PR13 theo kết quả tính toán thiết kế ta xây dựng được đồ thị so sánh công suất kéo của tàu PR13 tại các giá trị khác nhau của góc nghiêng hông β tương ứng với các giá trị vận tốc (hình 3). Hình 3. Đồ thị so sánh công suất kéo của tàu PR13 tại các giá trị khác nhau của góc nghiêng hông β tương ứng với các giá trị vận tốc Từ đồ thị hình 3 và các kết quả tính toán trên có nhận xét như sau: Đồ thị chia ra làm hai miền để đánh giá so sánh: - Khi tốc độ tàu dưới 36 knots: Sự thay đổi góc nghiêng hông β có ảnh hưởng không nhiều đến công suất kéo của tàu tức là chất lượng thủy động của tàu có được cải thiện nhưng không đáng kể. Ở miền này công suất kéo của tàu cũng xấp xỉ bằng nhau tại các giá trị khác nhau của góc nghiêng hông β, cụ thể là: Tại tốc độ 34 knots, khi β = 15o thì P = 794 (hp), khi khi β = 17o thì P = 794,5 (hp), khi β = 20o thì P = 801 (hp), khi β = 25o thì P = 832,42 (hp). Điều đó khẳng định khi β = 15o thì chất lượng thủy động là tốt hơn. - Khi tốc độ tàu trên 36 knots: Sự thay đổi góc nghiêng hông β có ảnh hưởng rõ nét hơn, khi tốc độ càng cao nếu thay đổi góc β thì công suất kéo có thay đổi rõ rệt, cụ thể là: Tại tốc độ 45 knots, khi β = 15o thì P = 1140,62 (hp), khi khi β = 17o thì P = 1154,03 (hp), khi β = 20o thì P = 1179,62 (hp), khi β = 25o thì P = 1221,76 (hp). Do đó, chất lượng thủy động của tàu có sự thay đổi và càng giảm khi góc β càng tăng. Vậy đối với tàu PR13 kết luận rằng góc nghiêng hông β từ 15o đến 17o là hợp lý nhất vì chất lượng thủy động được cải thiện tốt nhất. Tuy nhiên, khi giảm hoặc tăng góc β thì đều ảnh hưởng đến tính năng hàng hải của tàu [1]. Như vậy, khi thiết kế tàu lướt tùy theo điều kiện hoạt động và tính năng của tàu ta cần chọn góc nghiêng hông β hợp lý để tàu vừa có chất lượng thủy động tốt, vừa có tính năng hàng hải tốt hơn 4. KẾT LUẬN - Bài báo đã phân tích và đánh giá ảnh hưởng của góc nghiêng hông đến chất lượng thủy động của tàu lướt. - Bằng bốn phương án thay đổi các giá trị góc nghiêng hông, bài báo đã phân tích ảnh hưởng của góc nghiêng β đến chất lượng thủy động của tàu PR13. - Đối với tàu PR13 với góc nghiêng hông β từ 15o đến 17o thì chất lượng thủy động của tàu được cải thiện tốt nhất. - Sử dụng phần mềm Maxsulf làm cơ sở trong thiết kế hình dáng tàu lướt cỡ nhỏ phục vụ công tác tuần tra ven biển. - Lựa chọn đường hình dáng của tàu PR13 và áp dụng phần mềm Maxsurf vào tính toán công suất của tàu tại các giá trị góc nghiêng hông β khác nhau, từ đó đánh giá mức độ cải thiện chất lượng thủy động của tàu PR13 khi ở các giá trị β khác nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Công Nghị (2005). Thiết kế tàu cỡ nhỏ chạy nhanh. NXB Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh. [2]. Trương Sỹ Cáp (2005). Thiết kế tàu cao tốc. Phần I - Tàu lướt. [3]. Nguyễn Tiến Lai (2006). Động lực học tàu thủy. Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. [4]. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về phân cấp và đóng tàu thủy cao tốc (2013). NXB Bộ Giao thông Vận tải, Hà Nội. [5]. B.R Clayton and R.E.D Bishop (1981). Mechanics of marine vehiles. University College London.