Nghiên cứu lực cản và quạt đẩy tàu đệm khí

hân tàu và lực đẩy tạo ra từ quạt của tàu đệm khí. Tàu đệm khí là phương tiện di chuyển được trên đa địa hình. Nó có thể lướt trên mặt nước, đi trên bùn lầy, trên đường, trên các bề mặt gồ ghề. Để tính toán lực cản và lực đẩy của tàu đệm khí, tác giả đã sử dụng phương pháp mô phỏng số (CFD) với phần mềm chuyên dụng. Phương pháp CFD là phương pháp nghiên cứu hiện đại và phổ biến trên thế giới. Với việc sử dụng phương pháp CDF, thời gian tính toán đã giảm được đáng kể. Trên cơ sở tính toán lực đẩy do thân tàu đệm khí tạo ra, tác giả đã thiết kế một mẫu quạt đẩy để tạo lực đẩy giúp tàu di chuyển tốt trên mặt nước. Từ khóa: Lực cản; lực đẩy; tàu đệm khí; quạt đẩy; CFD. Abstract This paper presents a study on calculation of hull resistance and propulsive fan of a hovercraft. A hovercraft is a vehicle that can move on multi-terrains. It could run on water surface, mud, roads and non-flat surfaces. To calculate the resistance and propulsion of the hovercraft, the authors have used Computational Fluid Dynamics (CFD) method. CFD method is a modern and popular studied method in the world. Base on the calculation of the hull resistance, the authors have designed a propulsive fan for creating the propulsion to make the hovercraft move well on water surface. Keywords: Resistance; propulsion; hovercraft; propulsive fan; CFD. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp tàu thủy nước ta đang từng bước phát triển và dần chiếm được vị trí trong nước cũng như khu vực. Trước đây, con tàu đóng ra với mục đích là phương tiện vận chuyển hàng hóa là chủ yếu thì bây giờ mục đích sử dụng của con tàu được đa dạng lên rất nhiều. Tàu chạy bằng đệm khí, sử dụng chận vịt hay quạt đẩy đã được nghiên cứu và ứng dụng nhiều ở nước ngoài, đặc biệt là ở Hoa Kỳ, Nga, châu Âu. Tàu đệm khí có thể sử dụng trong các đội tàu vận tải, du lịch, quân sự, tìm kiếm cứu nạn. Đối với loại tàu này ta hay thường gọi là tàu đệm khí, đặc điểm hình học bao giờ cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính năng hàng hải của tàu đệm khí nói chung và tốc độ của nó nói riêng, đặc điểm hình học bao gồm các kích thước chính và bản vẽ đường hình. Trong bài báo này, tác giả tiến hành nghiên cứu tổng quan về lực cản và lực đẩy của một mẫu tàu đệm khí thông qua phương pháp CFD, từ thiết lập mô hình 3D của tàu đệm khí đến việc sử dụng các bước giải cho bài toán CFD để tính toán lực cản tàu đệm khí. Sau khi có kết quả tính toán lực cản, tác giả xác định lực đẩy cần thiết cho tàu rồi dựa vào đó để thiết kế một mẫu quạt đẩy. Cuối cùng, tác giả giải bài toán CFD cho quạt đẩy để đánh giá khả năng làm việc của quạt đẩy khi lắp lên tàu đệm khí. 2. LỰC CẢN TÀU ĐỆM KHÍ 2.1. Các thành phần lực cản tàu đệm khí Đa số các tàu đệm khí hiện nay hoạt động dựa trên nguyên lý thủy động học vì hoạt động trên Người phản biện: 1. TS. Ngô Văn Hệ 2. GS.TSKH. Vũ Duy Quang 36 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 nguyên lý này có hình dáng, kết cấu đơn giản hơn hoạt động trên nguyên lý khí động học. Lực cản tổng hợp của tàu đệm khí được tính theo công thức sau [1]: (1) trong đó: Rw: lực cản sóng; Ra: lực cản khí động hình dáng toàn tàu; Rm: lực cản khí động đệm khí; Rsk: lực cản váy tàu; Ra”: lực cản khí động do ảnh hưởng mũi và đuôi tàu. 2.2. Tính toán lực cản bằng mô phỏng số 2.2.1. Thông số tàu đệm khí Tàu đệm khí được sử dụng trong tính toán này có chiều dài là 7 m. Các kích thước cơ bản như trong bảng 1. Mô hình 3D của tàu đệm khí được dựng như hình 1. Bảng 1 Thông số kỹ thuật tàu đệm khí Chiều dài 7,0 m Chiều rộng 3,0 m Chiều cao 2,6 m Mớn nước 0,2 m Số người có thể chở 6 người Hình 1. Mô hình 3D tàu đệm khí 2.2.2. Không gian tính toán và điều kiện biên Miền giới hạn tính toán chạy mô phỏng được giới hạn trong không gian ống thổi tunnel giả định tạo thành bởi hình hộp chữ nhật, chiều dài là 70 m (gấp 10 lần chiều dài tàu đệm khí), chiều rộng là 30 m (gấp 10 lần chiều rộng tàu đệm khí) và chiều cao là 13 m (gấp 5 lần chiều cao tàu đệm khí). Vị trị đặt tàu đệm khí nằm trên đường trục đáy ống tunnel, cách đầu ống nơi dòng khí, nước đi vào là 28 m (tương đương với 4 lần chiều dài tàu) và cách cuối ống nơi dòng khí, nước đi ra là 35 m (tương đương với 5 lần chiều dài tàu đệm khí. Hình 2 miêu tả miền giới hạn tính toán trong bài toán mô phỏng số với tàu đệm khí. Hình 2. Miền tính toán mô phỏng tàu đệm khí 2.2.3. Mô hình rối Để tính toán dòng khí bao quanh tàu đệm khí trong quá trình chuyển động, ta sử dụng phương trình liên tục, phương trình Navier-Stokes, cùng với mô hình rối k-ε. Phương trình Navier-Stokes được viết như sau [2]: (2) trong đó: u; v; w: các vectơ vận tốc thành phần tương ứng với các trục tọa độ x; y; z; ρ: khối lượng riêng của không khí; p: áp suất thủy động; τ: ứng xuất tiếp Fx, Fy, Fz: lực thành phần theo các trục tọa độ tương ứng. 2.2.4. Điều kiện biên bài toán Mô phỏng số được tiến hành với mô hình rối k-ε. Mô hình rối k-ε được các tác giả trên thế giới sử dụng rất phổ biến làm mô hình rối trong các bài toán mô phỏng số. Điều kiện biên cho bài toán mô phỏng số mà tác giả đã sử dụng là: vận tốc dòng khí thổi 37 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 vào nằm trong dải từ 1,39 tới 25 m/s tương đương với vận tốc khai thác của tàu đệm khí từ 5 đến 90 km/h; nhiệt độ được lấy là 27oC tương đương với 300 K; áp suất tại đầu ra của ống tunnel được đặt bằng áp suất khí quyển; tàu đệm khí và ống tunnel tưởng tượng là đứng yên và được đặt là tường; khối lượng riêng của không khí lấy ρ=1,225 kg/m3, hệ số nhớt không khí là 1,7894 ∙ 10-5 kg/(ms), khối lượng riêng của nước là 998,2 kg/m3, độ nhớt của nước là 1,003 ∙ 10-5 kg/(ms) [3]. 2.2.5. Kết quả mô phỏng số về lực cản Do giới hạn về thời gian và tốc độ máy tính, ở nghiên cứu này tác giả đã tách bài toán mô phỏng hai pha nước và khí thành hai bài toán độc lập cho nước và khí để tính lực cản do gió tạo ra và lực cản do nước tạo ra. 2.2.5.1. Lực cản gió Hình 3 thể hiện phân bố vận tốc và áp suất xung quanh tàu đệm khí do gió tạo nên ở các vận tốc khai thác giả định khác nhau. v = 1,39 m/s v = 2,88 m/s v = 5,56 m/s v = 6,94 m/s v = 8,33 m/s v = 12,5 m/s v= 16,67 m/s v = 25 m/s Hình 3. Phân bố vận tốc của dòng khí xung quanh tàu 38 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 Hình 4 thể hiện phân bố vận tốc của dòng khí xung quanh phía trên thượng tầng của tàu đệm khí. Phân bố vận tốc trên thượng tầng cho thấy dòng khí di chuyển xung quanh thân tàu tương đối êm ái và ít có tạo xoáy cục bộ. Hình 4. Phân bố vận tốc của dòng khí trên thượng tầng tàu đệm khí Hình 5 là đồ thị lực cản gió tác động lên tàu đệm khí trong dải vận tốc từ 5 đến 90 km/h. Trong hình vẽ này, trục hoành thể hiện tốc độ khai thác tàu khi không có gió (hoặc tốc độ gió thổi tới thân tàu), hướng gió tác động trực tiếp tới mũi tàu, trục tung là giá trị lực cản do gió tạo nên. Ta thấy ở tốc độ cao, lực cản gió của tàu đệm khí tăng rất nhanh. 2.2.5.2. Lực cản nước Kết quả mô phỏng số của lực cản do nước tác động lên tàu đệm khí được thể hiện trong các hình vẽ dưới đây. Hình ảnh kết quả mô phỏng cho các trường hợp vận tốc khai thác khác nhau của tàu đệm khí tương đối tương tự nhau. Tác giả xin đưa ra các hình ảnh của kết quả mô phỏng tại vận tốc khai thác của tàu đệm là 16,67 m/s, tương đương với 60 km/h. Hình 6÷11 thể hiện phân bố vận tốc, áp suất xung quanh tàu đệm khí do nước tạo nên ở các vận tốc khai thác giả định khác nhau, góc nhìn khác nhau. Hình 5. Đồ thị lực cản gió tác động lên tàu Hình 6. Phân bố vận tốc xung quanh thân tàu Hình 7. Phân bố áp suất xung quanh thân tàu Hình 8. Phân bố áp suất tĩnh xung quanh thân tàu đệm khí Hình 9. Phân bố áp suất động quanh thân tàu Hình 10. Hình ảnh dòng nước xung quanh thân tàu theo hình chiếu đứng Hình 11. Hình ảnh dòng nước xung quanh thân tàu tại mặt nước 39 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 Kết quả mô phỏng số thể hiện phân bố vận tốc và áp suất xung quanh tàu đệm khí phía trên chỉ rõ vùng áp suất cao nhất xuất hiện trên vỏ tàu là hai bên mạn phía mũi tàu. Đây chính là khu vực vừa chịu lực tác động của gió, của nước và của sóng. Sóng có thể do mặt nước tạo nên từ đầu, cũng có thể do chính mạn và mũi tàu tạo nên trong quá trình tàu rẽ nước để tiến về phía trước. Hình 12 là đồ thị lực cản nước tác động lên tàu đệm khí trong dải vận tốc từ 5 đến 90 km/h. Trong hình 12, trục hoành thể hiện tốc độ khai thác tàu, trục tung là giá tri lực cản do nước tạo nên. Ta thấy ở tốc độ cao, lực cản nước của tàu đệm khí tăng rất nhanh. Hình 12. Đồ thị lực cản nước tác động lên tàu Hình 13 là đồ thị lực cản tổng hợp tác động lên thân tàu đệm khí. Hình 13. Lực cản tổng hợp của tàu đệm khí Phân tích lực cản tàu trên hình 13 giúp chúng ta đưa ra được những nhận định cho việc thiết kế hệ thống nâng và đẩy, cũng như chọn máy chính hợp lý. Ví dụ trong thiết kế tàu đệm khí này, khi ta chọn vận tốc khai thác tàu chủ yếu (gọi là vận tốc thiết kế) là bao nhiêu thì cần cân nhắc giữa hai phương pháp lựa chọn thiết kế sau xem phương pháp nào lợi hơn. Phương pháp thứ nhất là tăng công suất máy tàu giống như tàu thủy thông thường và phương pháp thứ hai là tăng lực nâng từ hệ thống nâng tàu làm giảm mớn nước khi tàu chạy để giảm lực cản do nước tạo ra cho tàu. Trong trường hợp này, chúng ta cần chạy lại mô phỏng số với mớn nước mới để tính lại các thành phần lực cản và lực cản tổng hợp của tàu đệm khí. Ứng với mỗi vận tốc khai thác thì sẽ có phương án lựa chọn thích hợp khác nhau. 3. QUẠT ĐẨY TÀU ĐỆM KHÍ 3.1. Hình dáng khí động cánh quạt đẩy Sau khi tính toán mô phỏng số sẽ tìm ra lực cản tổng hợp của tàu đệm khí. Trên cơ sở phân tích khí động học các mẫu biên dạng cánh, tác giả đã lựa chọn một profil-biên dạng cánh thích hợp cho quạt đẩy tàu đệm khí. Một vật có profile cánh, chuyển động trong dòng khí hoặc chất lỏng, sẽ sinh ra lực nâng cánh, vuông góc với hướng của dòng khí (định lý Giucopski), đó cũng chính là lực đẩy tàu trong trường hợp quạt đẩy của tàu đệm khí. Trên cơ sở phân tích khí động học cánh quạt, tác giả lựa chọn kiểu profil cánh biến thể của mẫu cánh NACA 6412 nhưng sẽ uốn cong hơn ở gần chân cánh để nâng cao hiệu suất đẩy [3]. Sau khi có profile của cánh quạt, tác giả đã cho dựng mô hình 3D và chạy mô phỏng số. Cụ thể, mô hình 3D của quạt đẩy được thể hiện như trong hình 14. Từ kết quả mô phỏng số, tác giả tìm ra được đường kính quạt đẩy phù hợp với tàu đệm khí là 1250 mm, chiều dài cánh là 500 mm. Hình 14. Quạt đẩy tàu đệm khí 40 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 3.2. Miền tính toán và điều kiện biên cho bài toán mô phỏng quạt đẩy Với bài toán mô phỏng số quạt đẩy, toàn bộ miền chia đã được chọn lưới Tetra. Lưới này có ưu điểm tăng tính linh động, phù hợp với mô hình cánh có dạng hình học phức tạp, nhưng có hạn chế là làm tăng số phần tử tính toán. Lưới và không gian tính toán của bài toán mô phỏng quạt đẩy tàu đệm khí được thể hiện trong hình 15 và hình 16. Tổng số lưới chia là 1,8 triệu lưới tứ diện. Hình 15. Lưới của quạt đẩy Hình 16. Miền tính toán mô phỏng số quạt đẩy Miền giới hạn tính toán chạy mô phỏng được giới hạn trong không gian ống thổi tunnel giả định hình ống đường kính 6,5 m (gấp 5 lần đường kính quạt đẩy), chiều dài là 10 m (gấp 50 lần chiều dài quạt). Vị trị quạt đẩy đặt trên trục ống tunnel, cách đầu ống nơi dòng khí đi vào là 6 m (tương đương với 30 lần chiều dài quạt đẩy) và cách cuối ống nơi dòng khí đi ra là 4 m (tương đương với 20 lần chiều dài quạt đẩy). Điều kiện biên cho bài toán mô phỏng số quạt đẩy tương tự với bài toán mô phỏng số tính lực cản tàu phía trên. Vận tốc quay của quạt nằm trong dải từ 50 tới 500 rad/s (tương đương với tốc độ trục quạt quay từ 450 đến 4500 vg/ph). 3.3. Kết quả mô phỏng số quạt đẩy Kết quả mô phỏng số quạt đẩy được thể hiện như trong các hình 17 đến 21. Hình 17 là phân bố vận tốc xung quanh quạt đẩy, hình 18 là phân bố áp suất xung quanh quạt đẩy, hình 19 là phân bố áp suất trên mặt trước cánh quạt đẩy và hình 20 là phân bố áp suất trên mặt sau của cánh quạt đẩy. Quan sát hình 17 ta thấy có hai vùng tạo xoáy lớn của dòng khí phía sau quạt đẩy. Hai vùng đó nằm tương đối đối xứng qua trục quay của quạt ở phía sau đỉnh cánh. Đây là hình ảnh trích suất 2D, thực tế thì nó là cả một vùng hình vành khăn xung quanh phía sau đỉnh cánh. Kết quả mô phỏng về phân bố áp suất từ hình 18 đến 20 cho ta thấy, tương tự như phân bố vận tốc, phía sau quạt đẩy cũng có hai vùng áp suất lớn, chính là hai vùng xung quanh khu vực có tạo xoáy trên hình ảnh phân bố vận tốc. Áp suất xuất hiện trên cánh lớn nhất chính là khu vực đường uốn của cánh. Hai bên mép cánh thì áp suất ở mép dẫn cao, còn ở mép thoát thấp. Phân bố áp suất phía trước cánh thì nhìn chung áp suất thấp và khoảng chênh lệch ít hơn do vận tốc dòng khí đi vào tương đối đồng đều và ổn định. Hình 17. Phân bố vận tốc xung quanh quạt đẩy 41 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 Hình 17 (Tiếp theo). Phân bố vận tốc xung quanh quạt đẩy ω = 100 rad/s ω = 200 rad/s ω = 300 rad/s ω = 400 rad/s Hình 18. Phân bố áp suất xung quanh quạt đẩy ω = 100 rad/s ω = 200 rad/s Hình 19. Phân bố áp suất mặt sau quạt đẩy 42 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 ω = 300 rad/s ω = 400 rad/s Hình 19 (Tiếp theo). Phân bố áp suất mặt sau quạt đẩy ω = 100 rad/s ω = 200 rad/s ω = 300 rad/s ω = 400 rad/s Hình 20. Phân bố áp suất mặt trước quạt đẩy Từ kết quả mô phỏng, ta dựng được đồ thị lực đẩy do quạt đẩy của tàu đệm khí tạo nên như trong hình 21. Trong hình vẽ này, trục hoành là vận tốc quay của quạt, còn trục tung là lực đẩy do quạt tạo ra. Hình 21. Lực đẩy do quạt tạo ra Sau khi thực hiện mô phỏng tính toán lực cản của tàu đệm khí và lực đẩy do quạt đẩy tạo nên, ta nhận thấy để tàu khai thác với vận tốc 90 km/h ta cần chế độ làm việc của quạt tại vòng quay khoảng 3200 vg/ph. 4. KẾT LUẬN Trong phương pháp nghiên cứu mô phỏng số, ta thu được các hình ảnh phân bố vận tốc, áp suất, cường độ xoáy... của dòng nước bao quanh tàu đệm khí cũng như dòng khí bao quanh quạt đẩy đã cho ta cái nhìn trực quan sinh động về hiện tượng vật lý của dòng chảy bao quanh thân tàu đệm khí và quạt đẩy. Từ đó giúp ta đánh giá được một cách tổng thể về đặc tính thủy động của hình 43 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 dáng thân tàu đệm khí, đặc tính khí động của quạt đẩy, đặc biệt là các khu vực tạo dòng xoáy, để từ đó có những thiết kế phù hợp hơn cho các mẫu tàu đệm khí riêng biệt. Trong nghiên cứu này, tác giả đã tiến hành thiết kế quạt đẩy cho tàu đệm khí thông qua phương pháp kết hợp lý thuyết và mô phỏng số với việc giải quyết hai bài toán mô phỏng: mô phỏng số tính toán lực cản tàu đệm khí và mô phỏng số tính toán lực đẩy quạt đẩy thiết kế cho tàu đệm khí. Từ kết quả thu được về tính toán lực đẩy cần thiết cho tàu đệm khí, tác giả đã phân tích lựa chọn mẫu cánh phù hợp để làm quạt đẩy tàu. Tác giả đã thiết kế quạt đẩy cho một tàu đệm khí có kích thước dài 7 m, rộng 3 m, cao 2,6 m. Quạt đẩy được thiết kế theo mẫu cánh NACA 6412 có thay đổi một ít ở độ cong profil, có đường kính quạt là 1250 mm, trong đó chiều dài cánh là 500 mm. Để tàu đệm khí chạy được tốc độ 90 km/h thì quạt đẩy đã thiết kế phải vận hành ở tốc độ vòng quay 3200 vg/ph. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phan Anh Tuan (2016). A Study on Hovercraft Resistance Using Numerical Modeling. Applied Mechanics and Materials, online ISSN: 1662- 7482, print ISSN: 1660-9336, Vol. 842, pp. 186-190. [2]. Nakayama Y. (2000). Introduction to Fluid Mechanics. Butterworth-Heinemann, MA 01801-2041. [3]. Bleier Frank (1998). Fan Handbook: selection, application, and design. McGraw Hill.