Mô phỏng số giúp cải thiện tính kinh tế của vận tải đường biển
Hiểu biết về hiệu suất khí động lực học của tàu biển đóng vai trò thiết yếu trong thiết kế tàu và vận tải biển. Điều này càng có ý nghĩa khi vận tải biển chiếm hơn 80% tổng số vận tải hàng hóa quốc tế.
Thông thường, hình dáng hình học thượng tầng ảnh hưởng đến đặc tính khí động học phần thân tàu phía trên mặt nước bởi nó sẽ làm giảm lực cản khí động nhiều nhất và có thể tạo được lực nâng theo ý đồ sử dụng, qua đó giúp tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu cho nhiều mục đích khác nhau, như ở tàu chở khách, tàu chở container, tàu chở dầu, phà chở ô tô… Để cải thiện điều này, các nhà khoa học đã thực hiện rất nhiều nghiên cứu để tăng cường hiệu suất khí động lực học của tàu biển, vốn phải đối mặt với lực cản đáng kể của gió lên phần vỏ tàu phía trên mặt nước – phần thân tàu có thể nhìn thấy được – khi di chuyển.
Gần đây, một nhóm nghiên cứu gồm ba nhà nghiên cứu Việt Nam, trợ lý giáo sư Bùi Ngọc Tâm, trường Kỹ thuật hệ thống và Khoa học tại Viện Công nghệ Shibaura, Nhật Bản và hai PGS. TS là Ngô Văn Hệ, Ngô Văn Hiền (ĐH Bách khoa HN) đã mô phỏng và so sánh các mũi tàu khác nhau để giảm thiểu lực cản gió với tàu biển. Công trình của họ “Analyis of aerodynamic performance of passenger ship with different frontal accommodations using CFD” (Phân tích hiệu suất khí động lực học trên tàu chở khách với sự thích nghi phía trước khác biệt bằng sử dụng CDF), xuất bản trên tạp chí Ocean Engineering. Đây là một phần của đề tài do Quỹ NAFOSTED tài trợ “Nghiên cứu ảnh hưởng tương tác giữa thượng tầng và thân tàu để giảm lực cản khí động cho tàu không sử dụng nước dằn (NBS)”.
Trong nghiên cứu này, họ đã sử dụng động lực học chất lỏng tính toán (CFD), một nhánh của động lực học chất lỏng áp dụng các phân tích số và các thuật toán để mô phỏng và giải quyết các bài toán chất lỏng. Nhà nghiên cứu Bùi Ngọc Tâm giải thích trong thông cáo báo chí của Viện Công nghệ Shibaura về việc sử dụng phương pháp này “Chúng tôi đã sử dụng ANSYS-Fluent, một phần mềm thương mại cho các mô phỏng CFD. Ở đây, một tàu chở khách nhỏ và những phần xung quanh được phân chia thành hàng triệu phần tử với một lưới số. Sau đó, ‘các phương trình Navier–Stokes lấy trung bình Reynolds’ tái hiện chuyển động chất lỏng trung bình thời gian cho từng phần tử được giải bằng một mô hình nhớt chảy rối. Việc kết hợp các kết quả thu được cho thấy sức cản gió có tác động lên phần thân tàu phía trên mực nước”.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra, một lưới tinh hơn có thể đem đến nhiều kết quả chính xác hơn, trong đó con số tối ưu cho lưới này là 23,62 triệu phần tử. Thêm vào đó, một mô hình gọi là “mô phỏng xoáy nước tách rời (‘detached-eddy-simulation (DES) k-ε’), một phiên bản sửa đổi của mô hình phương trình Navier – Stokes lấy trung bình Reynolds với công thức quy mô lưới con ở các vùng đủ tốt để tính toán mô phỏng xoáy lớn, đã đem lại sức cản gió thấp nhất trong số năm mô hình nhớt chảy rối được các nhà khoa học thử nghiệm trong nghiên cứu. Bằng việc sử dụng lưới tối ưu và mô hình DES k-ε model, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm các mô phỏng CFD cho bảy mũi tàu phẳng với những chiều dài và độ cao khác nhau cũng như một mũi tàu thông thường. “Vùng áp suất động lực quanh mũi tàu và sức cản gió giảm thiểu đáng kể với sự gia tăng chiều cao của mũi tàu phẳng. Lúc đó, tàu chỉ phải chịu một lực cản gió thấp hơn 38,71%”, nhà nghiên cứu Bùi Ngọc Tâm nói.
Trong công trình này, các nhà nghiên cứu cũng nhấn mạnh vào hiệu ứng của hướng gió lên hiệu suất khí động lực học của một con tàu. Sức gió cao nhất khi gió thổi ở một góc 20o với hướng tàu. Thêm vào đó, hầu như lực cản về không với 90o. Với góc lớn hơn, lực cản gió đảo hướng, tăng thêm chuyển động của tàu.
Những phát hiện mới cũng có thể hữu dụng cho các nhà thiết kế và kỹ sư để họ tối ưu mức tiêu thụ nhiên liệu của tàu.
Nhìn về tương lai của công trình nghiên cứu này, nhà nghiên cứu Bùi Ngọc Tâm cho rằng “Những mũi tàu phẳng có thể giúp làm đơn giản hóa việc sản xuất và giảm thiểu sức gió tác động lên tàu. Do đó, cần cải thiện thêm hiệu suất khí động lực họ ở các tàu chở khách nhỏ, qua đó giúp tiết kiệm nhiên liệu và hiệu quả kinh tế trong vận tải hàng hải”.
