Nghiên cứu mô phỏng thủy động lực học chuyển động của tàu thủy trên sóng điều hòa

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2014
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 77
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG 
CỦA TÀU THỦY TRÊN SÓNG ĐIỀU HÒA
RESEARCHING OF HYDRODYNAMIC SIMULATION SHIP MOTION
IN REGULAR WAVES
Trần Gia Thái1
Ngày nhận bài: 21/5/2014; Ngày phản biện thông qua: 22/6/2013; Ngày duyệt đăng: 13/8/2014
TÓM TẮT
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu mô phỏng thủy động lực học chuyển động của tàu thủy trên sóng, bắt đầu từ 
việc xây dựng mô hình một tàu chở hàng cụ thể trong phần mềm thiết kế tàu thủy Autoship, sau đó chuyển sang AQWA, 
môđun phân tích thủy động lực học của phần mềm ANSYS để thực hiện mô phỏng và phân tích chuyển động của mô hình 
tàu này trên sóng bằng phương pháp tính toán động lực học chất lỏng (Computational Fluid Dynamics - CFD). Kết quả 
mô phỏng thủy động lực học sẽ là cơ sở để giải các bài toán liên quan đến chuyển động tàu trên sóng như tính biên độ dao 
động, tính sức cản, phân tích ảnh hưởng sóng, tải trọng trên tàu đến chuyển động tàu v..v 
Từ khóa: mô phỏng thủy động lực học, phần mềm AutoShip, AQWA - ANSYS, RAOS
ABSTRACT
This paper presents the research results of hydrodynamic simulation ship motion in regular wavea. Beginning from 
building the model of cargo ship by Autoship - ship design software to importing to AQWA - Hydrodynamic module of 
ANSYS orders to simulate and analyse ship motion in regular waves by Computational Fluid Dynamics - CFD. This 
hydrodynamic simulation results will be basic to solve the problem concerning to ship motion in regular waves such as 
caculate Response Amplitude Operators (RAOS), ship resistance, effecting of regular waves, load to ship motion etc. 
Keywords: hydrodynamic simulation, AutoShip software, AQWA-ANSYS, RAOS
1 PGS. TS. Trần Gia Thái: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang
2 CFD là chữ viết tắt của cụm từ tiếng Anh “Computational Fluid Dynamics” đã được sử dụng phổ biến, do đó chúng tôi 
sẽ sử dụng thuật ngữ viết tắt này trong suốt các nội dung của bài báo
THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC
I. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Tính toán động lực học chất lỏng (Computional
Fluid Dynamics - CFD)2 là một phương pháp tính 
mới, được xây dựng trên cơ sở kết hợp giữa 
phương pháp số và công nghệ mô phỏng trên máy 
tính để giải những bài toán liên quan đến chuyển 
động của dòng chất lỏng hoặc dòng chất khí bao 
xung quanh vật thể bất kỳ. Nó hiện đang được 
ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhằm tổ 
chức thực nghiệm ảo trên máy tính thay cho thực 
nghiệm mà nhiều khi, việc tổ chức thực nghiệm thật 
có thể rất tốn kém hoặc không thể thực hiện. Với 
vai trò quan trọng như thế nên CFD được các nhà 
khoa học nhìn nhận như là “phương pháp thứ ba”, 
cùng hai phương pháp nghiên cứu truyền thống là 
nghiên cứu lý thuyết thuần túy và thực nghiệm thuần 
túy, trong tổ chức nghiên cứu và phát triển những 
ứng dụng kỹ thuật trong rất nhiều lĩnh vực khoa 
học khác nhau. Trong những năm gần đây, CFD đã 
được vận dụng rộng rãi trong mô phỏng dòng chất 
lỏng chảy xung quanh bề mặt thân tàu, nhằm khảo 
sát các hiện tượng thủy động lực học xuất hiện khi 
tàu chuyển động trên sóng. Với ý nghĩa đó, bài báo 
này trình bày kết quả của chúng tôi trong nghiên 
cứu ứng dụng phương pháp CFD, bằng cách sử 
dụng AQWA ANSYS - một môđun tính toán thủy 
động lực học của bộ phần mềm Ansys, để thực hiện 
việc mô phỏng và tính toán thủy động lực học cho 
một tàu cụ thể. 
II. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Về mặt phương pháp, sóng biển tự nhiên dùng 
trong nghiên cứu các chuyển động có chu kỳ của 
tàu thủy được xét như là tập hợp của vô số sóng
điều hòa biên độ nhỏ, có tần số và chu kỳ khác 
nhau, pha ngẫu nhiên. Phản ứng của tàu với nhiều 
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2014
78 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
sóng điều hòa có biên độ, tần số khác nhau, pha 
ngẫu nhiên, tác động đồng thời, được xét như là 
một quá trình ngẫu nhiên, sẽ là tập hợp của các 
phản ứng riêng lẻ của tàu với từng con sóng. 
Khi đó, tính toán thủy động lực học của tàu 
trên sóng là nhằm xác định phản ứng của tàu trên 
sóng điều hòa, thông qua việc xác định các thông số 
dao động của tàu với biên độ và chu kỳ phụ thuộc 
biên độ, tần số sóng, cụ thể như các yếu tố thủy 
tĩnh (Hydrostatic), thủy động học (Hydrodynamic), 
biên độ dao động của tàu (Response Amplitude 
Operators - RAOs), phân bố của áp suất thủy động 
lực học (Hydrodynamic pressures) và các chuyển 
động của tàu trên sóng (motions), các lực cưỡng bức 
(lực Froude - Krylov), hệ số cản Cho đến hiện nay, 
bài toán thủy động lực học tàu thủy thường được giải 
bằng kỹ thuật CFD ứng dụng cho dòng chất lỏng chảy 
bao xung quanh thân tàu thủy, kết hợp thực nghiệm 
để kiểm định lại mô hình tính [3]. Do đó hiện nay cũng 
đã có nhiều phần mềm CFD như AQWA dùng để 
phân tích thủy động lực học tàu thủy. Tuy nhiên, vấn 
đề đặt ra ở đây là việc xây dựng mô hình thực tế của 
tàu tính toán trong các phần mềm như thế gặp nhiều 
khó khăn vì hình dạng phức tạp của thân tàu và khả 
năng tiếp nhận chính xác mô hình tính [1].
Trong nghiên cứu này, chúng tôi giải bài toán 
đặt ra trên cơ sở sử dụng phần mềm thiết kế tàu
Autoship xây dựng chính xác mô hình tàu và chuyển 
nó sang môi trường CFD trong môđun phân tích 
thủy động lực học AQWA của ANSYS để thực hiện 
các tính toán thủy động lực học theo trình tự giải bài 
toán CFD đã biết. Một cách tổng quát, có thể tóm tắt 
phương pháp và nội dung nghiên cứu bằng sơ đồ 
như mô tả trên hình 1.
Xây dựng mô hình 
tàu trong Autoship
Chia lưới và thiết lập các 
điều kiện biên 
Tính toán và thiết lập các thông số 
vật lý của mô hình trong CFD
Chuyển mô hình tàu sang tính toán
CFD trong AQWA ANSYS
Tính toán và phân tích thủy 
động lực học mô hình tàu đang xét
Hình 1. Sơ đồ quá trình nghiên cứu
Trong phạm vi của bài báo này, chúng tôi sẽ 
trình bày cụ thể kỹ thuật xây dựng và thiết lập 
các thông số của một mô hình tàu cụ thể trong 
môi trường AQWA để tính và xuất kết quả tính