Tóm tắt Luận án Ứng dụng lý thuyết Cfd (computational fluid dynamics) xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG 
______________________________________ 
LÊ VĂN TOÀN 
ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT CFD 
(COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) 
XÁC ĐỊNH SỨC CẢN TÀU CÁ VỎ GỖ VIỆT NAM 
 Ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí động lực 
 Mã số: 62520116 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ 
KHÁNH HÒA - 2017 
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Nha Trang 
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Gia Thái 
Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Đức Ân 
Phản biện 2: PGS. TS. Phan Anh Tuấn 
Phản biện 3: PGS. TS. Đỗ Đức Lưu 
Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp trường họp tại Trường 
Đại học Nha Trang vào hồi  giờ, ngày  tháng  năm 2017 
Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia và Thư viện Trường Đại học Nha 
Trang 
1 
MỞ ĐẦU 
1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI 
 Với 3,000 km bờ biển, thủy sản đã trở thành một trong các ngành kinh tế mũi nhọn 
đóng góp quan trọng vào sự phát triển ổn định và bền vững kinh tế - xã hội của đất nước. 
Tính đến giữa năm 2016, đội tàu khai thác hải sản nước ta đã đạt đến gần 120,000 tàu 
nhưng hầu hết là tàu vỏ gỗ cỡ nhỏ, đóng theo kinh nghiệm dựa vào mẫu tàu truyền thống, 
không được tính toán cụ thể nên trong nhiều trường hợp, các mẫu tàu đã không đảm bảo 
được các tính năng hàng hải cần thiết, nhất là trong điều kiện thời tiết không thuận lợi. 
Trong thời gian gần đây, nhà nước đã có nhiều chủ trương, chính sách nhằm mục tiêu 
phát triển bền vững và hiện đại hóa đội tàu đánh cá cho ngang tầm với nhiệm vụ mới. 
Do đó vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu thiết kế các mẫu tàu cá phù hợp nghề khai thác, 
hình dạng tối ưu để giảm sức cản nhằm nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả đánh bắt. 
Vì lý do đó, bài toán nghiên cứu xác định chính xác sức cản các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ 
ở nước ta hiện nay có vai trò và ý nghĩa quan trọng, đồng thời mang tính chất cấp thiết, 
nhất là trong bối cảnh vùng Biển đông đất nước đang có nhiều biến động như hiện nay. 
Theo cách truyền thống, thường có hai cách tiếp cận chính trong nghiên cứu giải quyết 
bài toán xác định sức cản tàu thủy là nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm 
nhưng chúng đều tồn tại những nhược điểm lớn nên rất hạn chế về khả năng ứng dụng. 
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của phương pháp tính và 
kỹ thuật máy tính, tính toán động lực học lưu chất (Computional Fluid Dynamíc - CFD) 
đã trở thành phương pháp nghiên cứu hiệu quả trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật nói chung, 
đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy nói riêng để giải nhiều bài toán phức tạp như 
tính toán thiết kế tối ưu, kiểm nghiệm, dự báo kết quả nghiên cứu, mô phỏng Phân 
tích sức cản dựa trên mô phỏng CFD cũng đã trở thành một yếu tố quyết định trong 
việc phát triển hình dạng các mẫu tàu mới, hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường. 
Từ những trình bày trên đây, chúng tôi đã lựa chọn cách tiếp cận nghiên cứu sức cản tàu 
theo hướng nghiên cứu lý thuyết dựa trên cơ sở lý thuyết CFD với tên đề tài là: 
	 	 “Ứng dụng lý thuyết CFD (Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản 
tàu cá vỏ gỗ Việt Nam” 
2 
2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 
 Kết quả nghiên cứu của đề tài bước đầu có những đóng góp quan trọng nhất định, 
cả về mặt khoa học và thực tiễn, cụ thể như sau. 
2.1. Ý nghĩa khoa học 
 Về mặt khoa học, đề tài đã đóng góp được những kết quả mới cụ thể như sau: 
- Xây dựng cơ sở khoa học, cùng với giá trị những thông số cần thiết cho việc 
ứng dụng lý thuyết tính toán động lực học lưu chất CFD trong xác định sức cản 
của loại tàu có kích thước bé, chạy chậm, có đoạn thân ống ngắn nói chung và 
các mẫu tàu cá vỏ gỗ theo mẫu dân gian truyền thống của Việt Nam nói riêng. 
- Mô phỏng chính xác hình ảnh trường dòng lưu chất chảy xung quanh thân tàu 
và hiện tượng thủy động lực học xảy ra khi tàu cá chuyển động trên nước tĩnh. 
Trên cơ sở đó, giải thích tường minh về sức cản áp suất, qui luật và tỉ trọng của 
hai thành phần sức cản chính có trong sức cản toàn bộ của tàu thông dụng là sức 
cản do tính nhớt chi phối Rv và sức cản do áp suất chi phối Rp. 
- Cơ sở để xây dựng công thức tính sức cản phù hợp cho đội tàu cá Việt Nam. 
- Cơ sở lý thuyết và khoa học để giải quyết nhiều bài toán vẫn còn đang tồn tại 
trong lĩnh vực tàu thuyền nghề cá ở nước ta hiện nay, đặc biệt là các bài toán về 
thủy động lực học và tối ưu hóa đường hình tàu. 
2.2. Ý nghĩa thực tiễn 
 Về mặt ý nghĩa thực tiễn, đề tài đã đóng góp được những kết quả cụ thể như sau: 
- Việc xác định được chính xác giá trị sức cản sẽ cho phép phân tích, đánh giá và 
xây dựng công thức tính sức cản phù hợp với tàu cá vỏ gỗ ở nước ta hiện nay. 
Trên cơ sở đó, có thể tính toán, lựa chọn được máy chính phù hợp khi thiết kế, 
góp phần quan trọng trong việc nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả kinh tế - 
kỹ thuật của đội tàu cá vỏ gỗ ở nước ta hiện nay. 
- Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực tàu thuyền nghề cá. 
- Khuyến cáo tốc độ khai thác hợp lý và tốc độ giới hạn trong tính toán thiết kế 
và sử dụng tàu cá. 
3 
3. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 
3.1. Mục tiêu nghiên cứu 
 Mục tiêu chung của đề tài là nghiên cứu ứng dụng lý thuyết động lực học lưu chất 
để xác định sức cản của các mẫu tàu cá vỏ gỗ theo mẫu truyền thống của Việt Nam. 
3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 
 Đối tượng nghiên cứu chính là sức cản của các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ Việt Nam. 
Với đối tượng nghiên cứu trên, nội dung nghiên cứu của đề tài giới hạn trong phạm vi: 
- Tàu làm việc ở chế độ bơi, chuyển động thẳng đều trong nước tĩnh, không chịu 
tác động bởi sóng biển và độ sâu không hạn chế. 
- Lưu chất sử dụng trong mô phỏng có tính chất nhớt, không nén được, đồng chất. 
3.3. Phương pháp và nội dung nghiên cứu 
 Sử dụng phương pháp lý thuyết, bắt đầu từ việc phân tích đặc điểm hình học tàu 
tính toán và bản chất vật lý bài toán mô phỏng dòng lưu chất chuyển động quanh tàu, 
từ đó áp đặt các giả thiết và điều kiện ràng buộc vật lý đối với đối tượng khảo sát mới, 
trong trường hợp này là các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ theo mẫu truyền thống của Việt Nam, 
nhằm mục tiêu đưa bài toán về mô hình toán và các điều kiện tính sát thực tế và khả thi. 
Trên cơ sở đó, xây dựng thuật toán và viết chương trình giải bài toán xác định sức cản, 
đồng thời sử dụng phương pháp tính đúng dần, cùng với số liệu thử nghiệm làm cơ sở 
để xác định các thông số của mô hình và lời giải CFD phù hợp đối tượng tàu tính toán. 
Với mục tiêu trên, luận án gồm các nội dung nghiên cứu cụ thể như sau. 
- Phân tích mô hình tính và phương pháp giải bài toán mô phỏng dòng lưu chất 
bao xung quanh thân tàu chuyển động trong nước tĩnh. 
- Nghiên cứu xây dựng mô hình tính và lựa chọn phương pháp giải phù hợp với 
đối tượng tàu đang tính. 
- Xây dựng giải thuật và viết chương trình tính bằng mã nguồn mở OpenFOAM. 
- Ứng dụng mô phỏng dòng lưu chất và tính sức cản cho các mẫu tàu thực nghiệm. 
- Phân tích và so sánh kết quả nghiên cứu với kết quả thực nghiệm để xác định 
các thông số của lời giải CFD phù hợp với đối tượng tàu tính toán. 
4 
Chương 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 
1.1. ĐÁNH GIÁ CHUNG 
 Từ việc tổng quan các công trình nghiên cứu tính sức cản bằng phương pháp CFD 
trình bày trong luận án, cho phép chúng tôi rút ra một số nhận xét cụ thể như sau: 
(1) Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và máy tính, phương pháp tính CFD 
trong tính toán thủy động lực học nói chung và xác định sức cản tàu nói riêng cũng 
có sự phát triển mạnh mẽ, điển hình là sự phát triển từ phương pháp số của Michell, 
cho đến phương pháp phần tử biên BEM, Panel và hiện là phương pháp RANS. 
Các phương pháp như Mitchel, BEM, Panel thường sử dụng mô hình rối k-e nên 
có độ chính xác thấp vì xem lưu chất không có độ nhớt, phương trình chuyển động 
của dòng lưu chất được đưa về dạng hàm thế của tốc độ theo phương trình Laplace. 
Các nghiên cứu gần đây dùng phương trình RANS (Reynolds Average Equations) 
kết hợp mô hình rối SST k-w, kết hợp hai mô hình rối tiêu chuẩn là k-w và k-e, 
cho kết quả và lời giải phù hợp phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) khi rời rạc 
hóa miền tính toán cho các tàu chạy chậm với đặc trưng xuất hiện dòng xoáy mạnh 
(2) Mẫu tàu tính toán thường là tàu mảnh (tàu Wigley), tàu hàng có đoạn thân ống dài, 
mạn thẳng, hông tròn, kết cấu mũi quả lê như DTMB 5415 (Mỹ), KCS (Hàn Quốc). 
Chưa có công trình thực hiện đối với loại tàu kích thước bé, đoạn thân ống ngắn, 
mũi thẳng, tốc độ chậm, tương tự mẫu tàu cá vỏ gỗ truyền thống của Việt Nam. 
(3) Các công trình nghiên cứu trước đây thường sử dụng những ngôn ngữ lập trình 
khá mạnh như Fotran, Python, STAR-CCM+, MathLab hoặc các ngôn ngữ khác. 
Thời gian gần đây thường ứng dụng lập trình trên mã nguồn mở OpenFOAM để 
giải bài toán mô phỏng động lực học tàu như tính sức cản, sea-keeping, tối ưu hóa.. 
(4) Hầu hết các công trình nghiên cứu đều trình bày dưới dạng kết quả cuối cùng ít 
trình bày phương pháp giải, cũng như giá trị cụ thể của những thông số cần thiết 
khi giải các bài toán CFD, ví dụ thông số đầu vào, các hệ số xác định mô hình rối, 
kích thước không gian miền tính toán, lưới chia... phù hợp với các tàu tính toán. 
Các chương trình giải các bài toán CFD nếu có công bố cũng ít khi chạy được. 
5 
1.2. ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 
 Từ những phân tích và nhận xét nêu trên, chúng tôi đã rút ra được các định hướng 
trước mắt khi nghiên cứu giải quyết nội dung bài toán đặt ra trong luận án như sau: 
(1) Chọn tàu tính toán là các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ truyền thống của Việt Nam, 
thuộc loại tàu chưa thấy có trong bất kỳ nghiên cứu tính sức cản bằng CFD nào. 
Mặc dù logic của quá trình tính toán không thay đổi nhưng có thể với những 
đặc điểm hình học khác đặc điểm hình học của mẫu tàu chở hàng thông thường, 
đặc biệt là tàu lại thường xuyên chạy ở tốc độ thấp, tương ứng giá trị số Fn bé, 
do đó phương pháp thực hiện và kết quả tính có thể sẽ có nhiều điểm khác biệt 
so với các nghiên cứu hiện nay. 
(2) Nghiên cứu phương pháp xây dựng và kiểm tra độ chính xác của mô hình 3D 
nhằm đảm bảo độ chính xác của mô hình hình học vỏ tàu và kết quả tính toán, 
cơ sở để có thể ứng dụng đối với các mẫu tàu khác. 
(3) Lựa chọn mô hình rối SST k-w để mô phỏng dòng lưu chất bao xung quanh tàu 
và dựa trên cơ sở đó xác định giá trị của các thông số cần thiết của mô hình rối 
bao gồm các hệ số rối k, w và cường độ rối I phù hợp với đối tượng tính toán. 
Đặc biệt, xây dựng hàm điều khiển (hàm trộn) quá trình kết hợp hai mô hình rối 
tiêu chuẩn k-w và k-e để đảm bảo phản ánh đúng bản chất của các dòng chảy 
trong dòng lưu chất chảy sát tường (bề mặt vỏ tàu), chảy bên trong lớp biến và 
dòng chảy tự do bên ngoài lớp biên đối với các tàu chạy chậm. 
(4) Xác định các thông số cần thiết của quá trình tính toán sức cản tàu bằng CFD 
như kích thước lưới chia bề mặt, kích thước của không gian miền tính toán, 
cùng với những giải pháp kiểm tra, nâng cao độ chính xác của kết quả tính toán 
ngay trong từng bước tính toán. 
(5) Ứng dụng các phương pháp và thuật toán giải các phương trình RANS hiện có 
và dựa trên cơ sở đó nghiên cứu sử dụng mã nguồn mở OpenFOAM để viết 
chương trình giải bài toán tính sức cản cho tàu tính toán và so sánh với kết quả 
thử nghiệm để tiến hành điều chỉnh và xác định lại các thông số cần thiết của 
bài toán CFD nhằm đảm bảo sự phù hợp với đối tượng tàu tính toán. 
6 
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 
2.1. SỨC CẢN TÀU THỦY 
 Khi chuyển động đều trong nước tĩnh, tàu chịu tác dụng của sức cản không khí Rkk 
và sức cản môi trường nước RT, nhiều khi được hiểu đó là sức cản toàn bộ của con tàu. 
Để thuận tiện trong nghiên cứu, tùy theo nguyên nhân xuất hiện và các bản chất vật lý, 
có thể chia sức cản nước theo nhiều cách, phổ biến là phân chia như sơ đồ hình 2.1. 
Hình 2.1. Sơ đồ các thành phần sức cản của nước tác dụng lên tàu 
 Về lý thuyết, công thức tính các thành phần sức cản tàu có dạng chung như sau: 
 R = CR W
r
2
U2 (2.1) 
CR – hệ số sức cản ; U – vận tốc tàu, m/s ; r - khối lượng riêng của chất lỏng KG.s2/m4 
W - diện tích phần vỏ tàu dưới nước (hay diện tích mặt ướt), m2. 
Sức cản của môi trường nước RT 
Sức cản dư RR 
Ảnh hưởng hình dạng 
đến ma sát ở lớp biên 
Sức cản áp suất RP 
Sức cản ma sát của lớp biên mỏng RFo 
(tấm phẳng tương đương) 
Sức cản ma sát RF 
Sức cản sóng RW Sức cản áp suất nhớt RPV do xoáy 
Sức cản tạo sóng 
RWM 
Sức cản sóng vỡ 
RWB Sức cản nhớt RV 
Sức cản toàn bộ RT 
7 
2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CFD 
2.2.1. Các phương trình chủ đạo 
 Hầu hết các dòng lưu chất hiện nay là dòng chất lỏng Newton ba chiều có độ nhớt, 
không nén và ở trạng thái ổn định nên lời giải phương trình năng lượng không cần nữa. 
Do đó các phương trình chủ đạo quản lý dòng lưu chất bao xung quanh thân tàu chỉ gồm 
phương trình liên tục và phương trình bảo toàn động lượng dưới dạng đơn giản như sau. 
• Phương trình liên tục 
 0U.
t
=Ñr+
¶
r¶ (2.2) 
• Phương trình bảo toàn động lượng 
 gUp
Dt
DU 2 r+ѵ+Ñ-=r (2.3) 
trong đó: ρ - mật độ chất lỏng, là hàm của các tọa độ (x, y, z) và thời gian t: 
 r = r(x,y,z,t) 
 U - vectơ vận tốc, được xác định theo các vector đơn vị i, j, k của hệ tọa độ 
 Descartes theo công thức. 
 U = u.i + v.j + w.k (2.4) 
 với các thành phần vận tốc xác định theo các hướng tương ứng như sau: 
 u = u(x,y,z,t) ; v = v(x,y,z,t) ; w = w(x,y,z,t) 
 Ñ - toán tử vector (thuật ngữ trong tính toán CFD gọi là “del” hoặc “nabla”), 
 được định nghĩa trong hệ tọa độ Descartes theo công thức chung sau: 
 Ñ = i
x¶
¶ + j
y¶
¶ + k
z¶
¶ (2.5) 
Dt
DU - ký hiệu của đạo hàm thực được xác định theo công thức: 
 U.U
t
U
Dt
DU
Ñ+
¶
¶
= (2.6) 
8 
2.2.2. Phương trình RANS (Reynolds Average Navier-Stokes Equations) 
 Hai phương trình (2.2) và (2.3) kết hợp lại thành hệ phương trình Navier-Stokes 
dùng mô phỏng dòng lưu chất nhớt, không nén gồm 4 phương trình với 4 ẩn u, v, w, p. 
Do chuyển động của dòng chảy rối không ổn định nên để giải được hệ phương trình này 
thường sử dụng một số phương pháp số như LES, DNS nhưng phổ biến nhất là 
phương pháp Navier-Stokes Reynolds trung bình (RANS) được xây dựng trên cơ sở 
tách giá trị của các biến dòng lưu chất thành thành phần trung bình và thành phần biến 
động, sau đó thay vào hệ phương trình trên, sau một số biến đổi nhận được hệ phương 
trình RANS dưới dạng tổng quát như sau: 
ï
î
ï
í
ì
+Ñ+Ñ-=
=Ñ
gUp
dt
Ud
U
rµr 2
0.
 (2.7) 
trong đó: p - trường áp lực trung bình; r - mật độ chất lưu;
 U - vector vận tốc trung bình; g - gia tốc trọng trường. 
2.2.3. Mô hình dòng chảy rối 
 Do trong các phương trình RANS xuất hiện thêm 6 biến số mới tương ứng với 6 
thành phần ứng suất rối Reynolds biểu diễn cho sự sự gia tăng vận tốc của dòng lưu chất 
nên để giải được cần bổ sung thêm phương trình rối để đóng kín hệ phương trình RANS. 
Có nhiều mô hình dòng chảy rối nhưng phổ biến nhất hiện nay là mô hình k-e và k-w. 
Hiện tại, mô hình k-ε và k-ω đã trở thành những mô hình tiêu  ... ác lưới chia. 
Hình 3.6. Mô hình tàu và miền tính toán sau khi rời rạc hóa 
16 
3.5. THIẾT LẬP CÁC ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN 
 Để mô phỏng dòng rối bằng mô hình SST k-w cần xác định các điều kiện ban đầu 
là hệ số động năng rối k, tiêu tán động năng rối w, tốc độ tiêu tán động năng rối e: 
 k = ( )2.
2
3 UI ; w = 10
ppL
U ; e	 =	
ppL
k
	 (3.1) 
I - cường độ rối; U - vận tốc dòng , m/s ; Lpp - chiều dài hai đường vuông góc tàu, m. 
 Ban đầu, tham khảo hai mẫu tàu chở hàng KCS và DTMB-5415 đã được công bố, 
chúng tôi chọn giá trị hệ số của các tàu này là k = 0.00015, w = 2.0000 để tính nhưng 
trường dòng lưu chất quanh các tàu bị bất ổn mạnh và lời giải không hội tụ (hình 3.7), 
trong đó hệ thống sóng bị vỡ và rối mạnh ngay khi còn khá xa khu vực tàu hoạt động. 
Hình 3.7. Trường dòng bất ổn và lời giải không hội tụ trước khi hiệu chỉnh 
 Sau đó áp dụng phương pháp tính đúng dần như khi xác định vị trí biên ở mục 2.3, 
chúng tôi đề xuất chọn giá trị đại lượng cường độ rối I cho các tàu đang tính như sau: 
 I = 0.050 với giá trị số Fn ≥ 0.3 ; I = 0.035 với giá trị số Fn < 0.3 
 Áp dụng các số liệu này chúng tôi nhận được hình ảnh trường dòng ổn định với lời 
giải hội tụ như mô tả trên hình 3.8. 
Hình 3.8. Trường dòng ổn định và lời giải hội tụ sau khi hiệu chỉnh 
17 
 Áp dụng các công thức nêu trên cho các tàu M1317A và M1319 đang nghiên cứu 
có thể xác định được điều kiện ban đầu về giá trị hệ số rối dùng thực hiện mô phỏng số 
ở các số Fn cụ thể cho các tàu M1317A và M1319 như cho ở bảng 3.3. 
Bảng 3.3. Giá trị các hệ số rối của tàu 
Đại 
lượng M1317A M1319 
U 0.640 1.251 1.381 1.679 1.758 1.166 1.369 1.460 1.772 1.807 
Fn 0.128 0.250 0.276 0.336 0.352 0.261 0.312 0.326 0.396 0.404 
I 0.035 0.035 0.035 0.050 0.050 0.035 0.050 0.050 0.050 0.050 
K 0.000753 0.002876 0.003504 0.010571 0.011590 0.002498 0.007028 0.007994 0.011775 0.012245 
w 2.357895 4.608947 5.087895 6.185789 6.476842 5.514865 6.475000 6.905405 8.381081 8.546622 
e 0.010107 0.019757 0.021810 0.037880 0.039662 0.023640 0.039651 0.042287 0.051323 0.052337 
 Bảng 3.4 và 3.5 là mô tả đặc tính và tính chất vật lý tại các biên 
Bảng 3.4. Đặc tính của biên 
Tên gọi Ký hiệu Tính chất biên 
Mặt trên cùng Top Type patch, faces 
Mặt lưu chất đi vào Inlet Type patch, faces 
Mặt lưu chất đi ra Outlet Type patch, faces 
Mặt bên Sides Type symmetryPlane, faces 
Mặt đáy Bottom Type symmetryPlane, faces 
Mặt phẳng đối xứng tàu MidPlane Type symmetryPlane, faces 
Vỏ tàu Hull Wall function 
Bảng 3.5. Tính chất vật lý chất lỏng tại biên 
Kí hiệu biên U p k, w 
Inlet Fixed value Gradient = 0 Fixed value 
Top Fixed value p = p¥ Gradient = 0 
Bottom Fixed value p = p¥ Gradient = 0 
Side Fixed value Gradient = 0 Gradient = 0 
MidPlan Symmetry 
Outlet Gradient = 0 
Hull U = 0 Gradient = 0 Wall function 
18 
3.6. TÍNH TOÁN CHO CÁC MẪU TÀU THỰC NGHIỆM M1317A VÀ M1319 
 Phương trình chuyển động của dòng chất lỏng nhớt có dạng như sau 
 ( ) ( )
!"#$$!$"#$!$"#$!$"# source
V
diffusion
V
convection
V
derivative_time
V
dVqdV.dVU.dV
t òòòò f+fѵÑ=fÑ+¶
f¶ (3.2) 
 Giải phương trình trên theo thuật toán đề xuất bằng mô đun mã có tên fvSchemes, 
lời giải được kết nối trong tập tin fvSolution, thực thi bởi bộ giải LTSInterFoam. Kết 
quả chạy chương trình nhận được phân bố trường dòng, lực và mômen thủy động, sức 
cản của các mẫu tàu tính toán như sau. 
3.6.1. Kết quả tính toán trường dòng chất lỏng bao xung quanh tàu 
 Kết quả tính trường dòng lưu chất cho các tàu M1317A ở Fn = 0.329 và tàu M1319 
ở Fn = 0.396 được thể hiện ở các hình tiếp theo. 
Hình 3.9. Trường áp suât nước quanh tàu M1317A tại Fn = 0.329 
Hình 3.10. Trường áp suât nước quanh tàu M1319 tại Fn = 0.396 
19 
 Tàu M1317A Tàu M1319 
Hình 3.11. Trường tốc độ Ux bao quanh các tàu M1317A và M1319 
 Tàu M1317A Tàu M1319 
Hình 3.12. Giao diện pha của các tàu M1317A và M1319 
 Tàu M1317A Tàu M1319 
Hình 3.13. Động năng rối k xung quanh các tàu M1317A và M1319 
- Trường dòng chảy rối, với các vùng rối xuất hiện ngay sau đường vuông góc 
mũi tàu, dẫn tới sự biến thiên nhanh trường áp suất và trường vận tốc dòng dọc 
theo chiều dài tàu, đặc biệt là mẫu tàu M1317A. 
- Các tính toán đối với cả hai mẫu tàu trên đều được thực hiện ở tốc độ chậm, 
nhưng sóng do tàu tạo ra lớn, thể hiện trường áp suất phân bổ quanh tàu đạt 
giá trị cao tại khu vực mũi, lái và giữa tàu, hình thành các đỉnh sóng tại những 
vị trí tương ứng dọc tàu, với bước sóng gần bằng nửa chiều dài tàu. 
20 
3.6.2. Tính lực thủy động và mômen thủy động 
 Kết quả tính ½ lực thủy động và mô men thủy động của các mẫu tàu cho trong 
bảng 3.6 và hình 3.14 
Bảng 3.6. Lực và mômen thủy động của mẫu tàu M1317A và M1319 
Các đại lượng Mẫu tàu M1317A Mẫu tàu M1319 
Phương X Y Z X Y Z 
Tốc độ chuyển động U 1.679 m/s 1.772 m/s 
Giá trị số Froude Fn 0.329 0.396 
Lực thủy động, N 
Lực áp suất -10.551 179.832 365.869 -6.821 91.088 226.676 
Lực nhớt -2.881 -0.197 -0.119 -2.441 -0.168 - 0.002 
Mômen thủy động, N.m 
Áp suất -28.612 1029.540 -504.743 402.198 -161.673 - 
Nhớt 0.004 0.354 -0.219 0.459 -0.074 - 
 Tàu M1317A Tàu M1319 
Hình 3.14. Lực thủy động tác dụng lên các tàu 
- Đa số tàu cá vỏ gỗ nước ta có kích thước nhỏ, đặc tính thủy động lực học 
không tốt nên thành phần sức cản áp suất chiếm tỷ lệ lớn trong sức cản toàn 
bộ. Tỷ lệ này đạt (73 ÷ 77)% như kết quả tính là phù hợp thực tế và giá trị tốc 
độ tàu thường đã gần đạt đến ngưỡng giới hạn, rất khó vượt qua! 
- Tốc độ hội tụ của bài toán tính sức cản theo phương pháp CFD là khá nhanh, 
tương ứng với số lần lặp khoảng 4000 lần thì kết quả tính toán đã hội tụ được. 
cho phép kết luận mô hình tính và phương pháp giải đã phân tích và lựa chọn 
là đảm bảo độ tin cậy đối với các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ của Việt Nam. 
21 
3.6.3. Xác định và đánh giá kết quả tính sức cản 
 Để đánh giá độ tin cậy của nghiên cứu, tiến hành so sánh kết quả tính sức cản theo 
CFD và theo số liệu thử nghiệm của các mẫu tàu trong bể thử đã giới thiệu ở mục 3.1. 
Kết quả so sánh giá trị tính sức cản của các mẫu tàu được trình bày trong bảng 3.7 và 
hình 3.15 đối với tàu M1317A; bảng 3.8 và hình 3.16 đối với tàu M1319. 
Bảng 3.7. So sánh kết quả tính sức cản tàu M1317A theo CFD với thực nghiệm 
Hình 3.15. So sánh kết quả tính sức cản tàu M1317A theo CFD với thực nghiệm 
TT Đại lượng tính Ký hiệu Đơn vị
m/s 1.69 3.31 3.65 4.44 4.65
hl/h 3.3 6.4 7.1 8.6 9
2 Giá trị số Froude Fn - 0.126 0.245 0.271 0.329 0.345
3 Sức cản áp suất tàu thật tính CFD (RP)t N 247.5 1855.2 2946 7238 8544.5
4 Sức cản nhớt tàu thật tính CFD (RV)t N 352.1 1333.5 1531 1977 2238.8
5 Sức cản toàn bộ tàu thật tính CFD (RT)t N 599.6 3188.7 4476 9215 10783
6 Sức cản toàn bộ tàu thật thử nghiệm (RT)ThN N 611.3 3135.3 4362 8988 10548
7 Sai số tính toán so với thực nghiệm DR % -1.9 1.7 2.6 2.5 2.2	
Giá trị tính
1 Tốc độ chạy tàu U
0.0
2000.0
4000.0
6000.0
8000.0
10000.0
12000.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
R,
	(N
)
US,	(hl/h)
Đường	cong	sức	cản	tàu	M1317A
(Rp)t
(Rv)t
(RT)t
(RT)ThN
22 
Bảng 3.8. So sánh kết quả tính sức cản tàu M1319 theo CFD với thực nghiệm 
Hình 3.16. So sánh kết quả tính sức cản tàu M1319 theo CFD với thực nghiệm 
- Sai lệch kết quả tính sức cản tàu theo CFD và theo thực nghiệm đều dưới 3%, 
chứng tỏ độ tin cậy của kết quả nghiên cứu. 
- Quy luật thay đổi theo vận tốc tàu của sức cản nhớt Rv gần như là tuyến tính, 
còn sức cản áp suất RP thay đổi theo qui luật thường gặp với tàu thông dụng, 
ở dãi vận tốc thấp, đường RP có giá trị thấp hơn nhưng lại dốc hơn đường RV, 
do đó khi tăng vận tốc, đường RP tiệm cận và vượt qua RV ở dải vận tốc lớn, 
đến giá trị vận tốc giới hạn nhất định, độ dốc đường RP sẽ tăng đáng kể. 
- Qui luật thay đổi của đường cong sức cản toàn bộ có các đặc điểm giống đường 
cong sức cản áp suất RP. 
TT Đại lượng tính Ký hiệu Đơn vị
m/s 3.08 3.62 3.86 4.69 4.78
hl/h 6 7 7.5 9.1 9.3
2 Giá trị số Froude Fn - 0.25 0.306 0.326 0.396 0.404
3 Sức cản áp suất tàu thật tính CFD (RP)t N 558.5 1321.7 1562 4680 5398.8
4 Sức cản nhớt tàu thật tính CFD (RV)t N 774.3 1132.4 1284 1675 1679
5 Sức cản toàn bộ tàu thật tính CFD (RT)t N 1333 2454 2846 6355 7077.8
6 Sức cản toàn bộ tàu thật thử nghiệm (RT)ThN N 1361 2401.1 2827 6251 6969.2
7 Sai số tính toán so với thực nghiệm DR % -2 2.2 0.7 1.7 1.6	
1 Tốc độ chạy tàu U
Giá trị tính
0.0
1000.0
2000.0
3000.0
4000.0
5000.0
6000.0
7000.0
8000.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
R,
	(N
)
US,	(hl/h)
Đường	cong	sức	cản	tàu	M1319
(Rp)t
(Rv)t
(RT)t
(RT)ThN
23 
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 
4.1. KẾT LUẬN 
(1) Xây dựng cơ sở khoa học ứng dụng CFD xác định sức cản loại tàu kích thước nhỏ, 
chạy chậm, đoạn thân ống ngắn nói chung và các tàu cá vỏ gỗ Việt Nam nói riêng, 
trong đó sử dụng mã nguồn mở OpenFOAM, thuật toán đề xuất, mô hình RANS và 
mô hình rối SST k-w, kết hợp các mô hình rối tiêu chuẩn k-w và k-e thông qua các 
hàm trộn F1, F2 để mô phỏng và giải dòng lưu chất chuyển động là hoàn toàn phù 
hợp với đối tượng tàu loại này và đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. 
(2) Xác định các thông số cho lời giải bài toán ứng dụng CFD xác định sức cản gồm 
kích thước của không gian miền tính dùng mô phỏng (vị trí các biên inlet, side, 
bottom và outlet), giá trị cường độ rối I để tính các giá trị k, w và e cho mô hình rối 
dùng khi tính toán mô phỏng trường dòng phù hợp với đặc điểm hình học của tàu 
cá vỏ gỗ Việt Nam. 
(3) Dòng chảy bao quanh tàu bị rối mạnh, xảy ra ngay vùng tiếp nước phía mũi tàu, 
điều này sẽ dẫn đến hiện tượng tách dòng sớm và chiều dài của lớp biên rất ngắn. 
Do đó tỷ trọng của thành phần sức cản áp suất chiếm đến 75% sức cản toàn bộ. 	
(4) Đối với các mẫu tàu tính toán nói riêng và các tàu cá vỏ gỗ của Việt Nam nói chung, 
chọn tốc độ khai thác hợp lý ở phạm vi (7.5 – 8.5) hl/h, không nên vượt quá giá trị 
tốc độ giới hạn 9 hl/h, vì vượt qua giá trị này sức cản tàu sẽ tăng rất nhanh.	
4.2. KHUYẾN NGHỊ 
(1) Đặc điểm hình học của các mẫu tàu cá vỏ gỗ Việt Nam hiện nay chưa thật sự tốt về 
mặt thủy động lực học, dẫn đến thành phần sức cản áp suất chiếm một tỷ lệ quá lớn. 
Từ kết quả đề tài, tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa hình học để giảm sức cản nhằm 
nâng cao an toàn và hiệu quả khai thác của đội tàu cá vỏ gỗ ở nước ta hiện nay. 
(2) CFD là phương pháp nghiên cứu tiên tiến, nhiều ưu điểm, hiệu quả ở nhiều lĩnh vực. 
Vì thế kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ mở ra được triển vọng lớn trong nghiên cứu 
giải quyết nhiều bài toán thủy động lực học tàu cá vẫn đang còn tồn tại hiện nay như 
tính toán các tính năng hàng hải, tính cơ động; tính toán thủy động lực học chân vịt. 
163 
DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ 
1. Trần Gia Thái, Lê Văn Toàn, (2017), “Resistance prediction of viscous flow by 
OpenFOAM solver”, “10Th International workshop on ship and marine 
hydrodynamics”, Keelung, Taiwan, November 5-8, 2017, pp No. 330. 
2. Lê Văn Toàn, Trần Gia Thái, (2016), “Tính toán sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam 
dạng tuyến hình vỏ dưa”, “Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 9”, pp. 60-66. 
3. Lê Văn Toàn, Trần Gia Thái, (2016), “Mô phỏng trường dòng chảy của nước bao 
quanh thân tàu bằng lý thuyết CFD ”, “Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 9”, pp. 81-87. 
4. Lê Văn Toàn, “Xây dựng mô hình tính toán sức cản tàu cỡ nhỏ chạy nhanh bằng 
phương pháp số”, (2016), mã số KH1623, Trường ĐH GTVT Tp HCM. 
5. Lê Văn Toàn, Vũ Ngọc Bích, (2016), “Phân tích trường dòng chảy quanh thân tàu 
cỡ nhỏ bằng phương pháp RANS”, Kỷ yếu Hội thảo khoa học Khoa Kỹ thuật tàu 
thuỷ năm 2016 
6. Lê Văn Toàn, “Lý thuyết CFD và ứng dụng trong phân tích trường dòng nước bao 
quanh tàu thủy khi chuyển động đều trong nước yên lặng”, (2015), mã số 
KH14229, Trường ĐH GTVT Tp HCM. 
7. Lê Văn Toàn, (2013), Ràng buộc trong lý thuyết tính toán sóng do tàu tạo ra khi 
chuyển động trong nước yên lặng”, Kỷ yếu Hội thảo khoa học Khoa Kỹ thuật tàu 
thuỷ năm 2013. 
8. Lê Văn Toàn, (2005), “Tự động hóa vẽ chân vịt tàu thủy”, mã số 02-05/DT, Trường 
ĐH GTVT Tp HCM. 
xviii 
TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 
Đề tài luận án : Ứng dụng lý thuyết CFD (Computational Fluid Dynamics) 
 xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam. 
Ngành/Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực 
Mã số : 62520116 
Nghiên cứu sinh : Lê Văn Toàn 
Khóa : 2012 
Người hướng dẫn : PGS.TS. Trần Gia Thái 
Cơ sở đào tạo : Trường Đại học Nha Trang 
Nội dung 
(1) Xây dựng giải thuật và viết chương trình bằng mã nguồn mở OpenFOAM theo 
phương trình RANS, mô hình rối SST k-w (là mô hình rối kết hợp hai mô hình rối 
tiêu chuẩn k-e, k-w thông qua các hàm trộn F1, F2) để mô phỏng số dòng lưu chất 
bao quanh thân tàu và xác định sức cản vỏ tàu bằng phương pháp CFD. 
(2) Xây dựng phương pháp tính sức cản tàu thủy bằng CFD đảm bảo được độ chính xác 
đặt ra theo kỹ thuật tính đúng dần thông qua việc xác định tập hợp thông số đầu vào 
cho lời giải CFD gồm kích thước miền tính toán và giá trị thông số của mô hình rối 
(cường độ rối I, động năng rối k, vận tốc tiêu tán động năng rối e, vận tốc độ khuếch 
tán động năng rối w) dùng khi mô phỏng số dòng lưu chất và tính sức cản của các 
mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ Việt Nam. 
(3) Phân tích đặc điểm trường dòng lưu chất và quy luật thay đổi trong các thành phần 
sức cản đối với loại tàu cỡ nhỏ, chạy tốc độ chậm, có đoạn thân ống ngắn nói chung 
và các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ Việt Nam nói riêng. 
 Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh 
 (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên 
PGS. TS. Trần Gia Thái Lê Văn Toàn 
xix 
Thesis title : Application of CFD (Computational Fluid Dynamics) in 
 resistance prediction for Vietnamese wooden fishing boats 
Major : Power Mechanical Power Engineering 
Major code : 62520116 
PhD. Student : Le Van Toan 
Supervisor : Assoc.Prof.Dr. Tran Gia Thai 
Education Institution : Nha Trang University 
Contents: 
(1) Researching the algorithm and programming by OpenFOAM using RANS equation 
and turbulence model SST k-w that combines the standard turbulence models k-e 
and k-w through the mixing functions F1, F2 to simulate and solve fluid flow motion 
surrounding the hull and resistance prediction by CFD. 
(2) Building the approach of application of CFD to predict the ship resistance ensuring 
the required accuracy using method. This approach is used to define the parameters 
of the CFD solution, including the size of the simulation space and the value of 
parameters (intensity values I, kinetic energy k, the dissipation rate of kinetic energy 
e and kinetic energy diffusion rate w) of the turbulence model in numerical 
simulation of fluid flow and calculate the resistance of Vietnamese wooden fishing 
boats. 
(3) Analyzing the character of fluid fow and distribution of the reistance component for 
small, low speed and short parallel middle body boats in general and the Vietnamese 
wooden fishing boats in particular. 
Le Van Toan 
Phd. Student