Ảnh hưởng của miền không gian tính toán và lưới đến kết quả tính toán mô phỏng số CFD lực cản nhớt thân tàu

Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 105 - 110 
105 
ẢNH HƯỞNG CỦA MIỀN KHÔNG GIAN TÍNH TOÁN VÀ LƯỚI ĐẾN KẾT 
QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG SỐ CFD LỰC CẢN NHỚT THÂN TÀU 
Ngô Văn Hệ* 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
TÓM TẮT 
Trong bài báo này, các tác giả trình bày một số kết quả nghiên cứu về sử dụng công cụ tính toán 
mô phỏng số CFD (Computation of Fluid Dynamic) và ảnh hưởng của một số điều kiện tính toán 
trong quá trình thực hiện bài toán lực cản nhớt thân tàu đến kết quả thu được. Để thực hiện bài 
toán tính mô phỏng số CFD, thông thường phải thực hiện theo các bước gồm: thiết kế mô hình tính 
toán, thiết kế miền không gian tính toán và chia lưới, đặt điều kiện biên cho bài toán và thực hiện 
quá trình tính toán. Mỗi bước thực hiện đều có ảnh hưởng nhất định đến quá trình tính toán và kết 
quả của bài toán. Trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày một số kết quả nghiên cứu về ảnh 
hưởng của miền không gian tính toán và lưới chia đến kết quả tính toán mô phỏng số CFD. Đây là 
những vấn đề cần thiết trong quá trình thực hiện các bài toán mô phỏng số CFD nói chung và các 
bài toán khảo sát đặc tính thủy động lực học tàu thủy nói riêng. 
Keywords: CFD, lực cản nhớt, thân tàu, miền không gian tính toán, lưới 
ĐẶT VẤN ĐỀ* 
Trong những năm gần đây, công cụ tính toán 
mô phỏng số thương mại đã được sử dụng 
khá phổ biến trong các bài toán kỹ thuật. Với 
khả năng đưa ra được những hình ảnh, kết 
quả mô phỏng các quá trình kỹ thuật giúp các 
nhà nghiên cứu nhìn nhận được vấn đề một 
cách trực quan mà thực nghiệm khó thực hiện 
được, công cụ tính toán mô phỏng số CFD 
ngày càng được sử dụng rộng rãi. Trong lĩnh 
vực tính toán mô phỏng số CFD các vấn đề 
kỹ thuật, thường được thực hiện theo hai 
hướng nghiên cứu nhất định bao gồm: một là 
phát triển công cụ tính toán số hay lập trình 
viết chương trình tính toán mô phỏng một vấn 
đề kỹ thuật đặt ra, hai là ứng dụng công cụ 
tính toán mô phỏng số thương mại trong giải 
quyết các vấn đề kỹ thuật đặt ra. Tùy theo 
lĩnh vực thực hiện và nhóm nghiên cứu khác 
nhau, các vấn đề về tính toán mô phỏng số 
vấn đề kỹ thuật đặt ra có thể được thực hiện 
theo các hướng này. Trong quá trình thực 
hiện bài toán tính toán mô phỏng số CFD, 
thông thường cần thực hiện theo các bước 
như sau: thiết kế mô hình bài toán, thiết kế 
miền không gian tính toán, chia lưới, đặt điều 
kiện tính toán và thực hiện chạy chương trình 
*
 Tel: 01679 482746, Email: he.ngovan@hust.edu.vn 
trên máy tính. Trong quá trình thực hiện, mỗi 
bước khác nhau đều có ảnh hưởng nhất định 
đến quá trình tính toán và ảnh hưởng đến kết 
quả tính toán mô phỏng thu được. Trong mỗi 
vấn đề cụ thể, việc ứng dụng và thực hiện bài 
toán có những vấn đề riêng khác nhau, tùy 
theo vấn đề cần giải quyết. Một số nghiên cứu 
ứng dụng CFD gần đây liên quan có thể kể 
đến như sau: Ngo. VH cùng cộng sự (2013), 
nghiên cứu ảnh hưởng tương tác giữa thân và 
thượng tầng tàu đến các đặc tính khí động học 
và giảm lực cản khí động cho tàu thủy thông 
qua sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số 
CFD [1]. Ngo. VH cùng cộng sự (2015), ứng 
dụng CFD nghiên cứu đặc tính thủy động lực 
hệ thống chân vịt bánh lái tàu thủy, ảnh 
hưởng của khe hở giữa chân vịt và bánh lái 
đến đặc tính thủy động lực [2]. Ngo. VH cùng 
cộng sự (2012, 2014, 2017) ứng dụng công cụ 
tính mô phỏng số thương mại CFD trong 
nghiên cứu giảm lực cản thân tàu không sử 
dụng nước dằn, phát triển loại tàu mới không 
nước dằn tiết kiệm nhiên liệu [3, 5, 6]. Trong 
mỗi nghiên cứu khác nhau, ảnh hưởng của 
quá trình thực hiện tính toán đến kết quả được 
kiểm nghiệm so sánh với kết quả thực nghiệm 
mô hình tương ứng. 
Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của miền 
không gian tính toán và chia lưới đến kết quả 
Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 105 - 110 
106 
tính toán và quá trình tính toán với bài toán 
tính mô phỏng số CFD khảo sát đặc tính thủy 
động lực và lực cản nhớt tác động lên tàu thủy 
được thực hiện. Trong lĩnh vực nghiên cứu về 
đặc tính thủy động lực tàu thủy và phương 
tiện nổi, vấn đề tối ưu miền không gian tính 
toán và lưới cũng như ảnh hưởng của các yếu 
tố tính toán này đến kết quả CFD luôn được 
quan tâm. Trong điều kiện thực nghiệm còn 
hạn chế cũng như vấn đề chi phí thực nghiệm 
khá cao thì chất lượng của kết quả tính toán 
mô phỏng số càng được quan tâm nhiều hơn 
trong nghiên cứu. Nghiên cứu này cần thiết 
trong vấn đề mô phỏng số CFD đặc tính thủy 
động lực dòng chảy nói chung và thủy động 
lực tàu thủy nói riêng. 
MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ QUÁ TRÌNH 
THỰC HIỆN BÀI TOÁN MÔ PHỎNG SỐ 
Mô hình tính toán được lựa chọn là mô hình 
đối xứng với biên dạng theo đường nước thiết 
kế của thân tàu, với chiều dài 2 m, chiều rộng 
0.3 m và chiều cao 0.3 m. Bài toán đặt ra 
trong nghiên cứu là ảnh hưởng của miền 
không gian tính toán và lưới đến đặc tính thủy 
động học và lực cản nhớt của thân tàu trong 
nước. Hình 1 thể hiện mô hình sử dụng trong 
tính toán mô phỏng trong nghiên cứu này. 
Hình 1. Mô hình thân tàu đối xứng sử dụng trong 
tính toán mô phỏng CFD 
Hình 2 thể hiện sơ đồ quá trình thực hiện tính 
toán mô phỏng số CFD đặc tính thủy động 
lực học thân tàu, từ quá trình thiết kế mô hình 
tính toán, thiết kế miền không gian tính toán, 
chia lưới và đặt điều kiện tính toán, thực hiện 
tính toán và xử lý kết quả. 
Trong nghiên cứu này, vấn đề thiết kế miền 
không gian tính toán và lưới sẽ được nghiên 
cứu cụ thể để làm rõ sự ảnh hưởng của nó đến 
kết quả tính toán mô phỏng đặc tính thủy 
động lực học và lực cản nhớt tác động lên 
thân tàu trong nước khảo sát. Trên cơ sở đó 
miền không gian tính toán, số lượng lưới chia, 
kiểu lưới chia tính toán sẽ được thay đổi khác 
nhau để thực hiện bài toán với các điều kiện 
biên tính toán được giữ không thay đổi. 
Hình 2. Sơ đồ thực hiện bài toán CFD 
ẢNH HUỞNG CỦA MIỀN KHÔNG GIAN 
TÍNH TOÁN ĐẾN KẾT QUẢ BÀI TOÁN 
Trong phần này, ảnh hưởng của miền không 
gian tính toán đến kết quả bài toán khảo sát 
đặc tính thủy động lực thân tàu được thực 
hiện. Trên cơ sở thực hiện tính toán, so sánh 
kết quả thực hiện với các miền không gian 
tính toán có kích thước khác nhau, ảnh hưởng 
của miền không gian khảo sát đến kết quả tính 
mô phỏng số sẽ được thực hiện. Hình 3 thể hiện 
miền không gian sử dụng trong tính toán. Hình 
4 thể hiện lưới chia kiểu cấu trúc dạng H áp 
dụng cho 3 miền không gian tính toán. 
Hình 3. Miền không gian tính toán 
Bảng 1. Miền không gian tính toán và chia lưới 
Miền khảo sát 
LxBxH (m) 
Kiểu lưới 
Số lưới 
(triệu) 
18x3x3 H 0,550 
10x1,5x1,5 H 0,550 
6x0,75x0,75 H 0,550 
Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 105 - 110 
107 
Hình 4. Chia lưới cấu trúc kiểu H trên miền 
không gian tính toán 
Từ mô hình và lưới đã được chia và hiệu 
chỉnh chất lượng đảm bảo cho tính toán. Lưới 
chia được đưa vào công cụ thực hiện quá 
trình tính toán để thiết lập các điều kiện đầu 
vào và thực hiện quá trình tính toán trên máy 
tính. Các mô hình được thực hiện thiết lập các 
điều kiện tương ứng giống nhau. Việc thiết 
lập các điều kiện tính toán được thực hiện 
theo các tài liệu tham khảo uy tín và hướng 
dẫn sử dụng cho người dùng [3-8]. 
Trên cơ sở thiết lập các điều kiện tính toán 
cho bài toán trong các trường hợp thực hiện 
hoàn toàn giống nhau. Quá trình tính toán 
được thực hiện trên máy tính với cấu hình 
Core i7, 2.68Ghz, RAM2Gb. Sau khi kết thúc 
tính toán, các kết quả được xuất và xử lý theo 
dữ liệu thu được. Bảng 2 thể hiện một số điều 
kiện được thiết lập cho bài toán. 
Bảng 2. Thiết lập các điều kiện tính toán 
TT Điều kiện Thông số 
Vận tốc dòng 
vào, m/s 
Velocity inlet 0,894 
Áp suất dòng 
đầu ra, at 
Pressure outlet 1,025 
Mô hình rối k-eppsilon 
Số Reynold Re 2x106 
Hình 5 thể hiện kết quả tính toán mô phỏng 
phân bố áp suất bao quanh thân tàu trong 
miền khảo sát và trên bề mặt thân tàu. Kết 
quả cho thấy rõ ảnh hưởng của miền không 
gian khảo sát đến phân bố áp suất bao quanh 
thân tàu. Hình 6 thể hiện kết quả tính toán lực 
cản nhớt tác động lên thân tàu trong các 
trường hợp khảo sát với miền không gian tính 
toán thay đổi khác nhau. 
Hình 5. Phân bố áp suất bao quanh và trên bề 
mặt thân tàu khảo sát 
Hình 6. Kết quả tính toán lực cản nhớt tác động 
lên thân tàu khảo sát 
Kết quả thể hiện trên hình 6 cho thấy rõ mức 
độ ảnh hưởng của miền không gian tính toán 
đến các thành phần của lực cản nhớt tác động 
lên thân tàu, sự ảnh hưởng này làm sai lệch 
kết quả tính toán lực cản lên tới 77% thành 
phần lực cản nhớt do áp suất gây ra (Cp) và 
thay đổi tới 68% hệ số lực cản nhớt tổng cộng 
(Ct). Thành phần lực cản nhớt do ma sát gây 
ra (Cf) ảnh hưởng ít hơn nhưng sự sai lệch lên 
tới 46%. 
Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 105 - 110 
108 
Lực cản nhớt tác động lên thân tàu được xác 
định theo biểu thức sau: 
Ct = Cf + Cp (1) 
Ci = Ri /(0.5 V
2
S) (2) 
Trong đó R là lực cản tác động lên thân tàu; 
V là vận tốc dòng; S là diện tích bề mặt 
ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỚI CHIA ĐẾN KẾT 
QUẢ TÍNH MÔ PHỎNG SỐ CFD 
Hình 6. Thay đổi số lưới chia với kiểu lưới cấu 
trúc dạng H 
Trong phần này, ảnh hưởng của lưới bao gồm 
số lượng lưới chia, kiểu lưới chia và kích 
thước lưới đến kết quả tính toán mô phỏng số 
CFD được trình bày. Trên cơ sở thay đổi số 
lượng lưới chia, kích thước lưới chia và kiểu 
lưới chia trong miền không gian tính toán 
khảo sát thân tàu không thay đổi, các mô hình 
tính toán được thực hiện tính toán để so sánh 
kết quả tính toán với nhau. Từ kết quả so sánh 
giữa các mô hình với nhau, sự ảnh hưởng của 
lưới đến kết quả tính toán mô phỏng sẽ được 
làm rõ. Hình 6, 7 thể hiện lưới chia thay đổi 
khác nhau trong miền không gian tính toán. 
Hình 7. Thay đổi số lưới chia với kiểu lưới không 
cấu trúc dạng T 
Từ các mô hình tính toán với kiểu lưới và số 
lưới chia tương ứng khác nhau như trên hình 
6 và 7, thực hiện tính toán với cùng điều kiện 
đầu vào ta thu được các kết quả mô phỏng 
tương ứng với mô hình và lưới đã chia. Hình 
8 thể hiện kết quả so sánh phân bố áp suất bao 
quanh thân tàu khảo sát trong miền không 
gian tính toán với trường hợp chia lưới cấu 
trúc kiểu H với số lưới chia khác nhau 
550.000 lưới và 72.809 lưới. 
Hình 8. Phân bố áp suất bao quanh thân tàu khi thay đổi số lưới và kiểu lưới 
Kết quả thể hiện rõ ảnh hưởng của lưới đến phân bố áp suất bao quanh thân tàu khảo sát. Hình 9 
thể hiện kết quả tính toán lực cản nhớt tác động lên thân tàu. 
Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 105 - 110 
109 
Hình 9. Lực cản nhớt tác động lên thân tàu 
Kết quả thể hiện trên hình 9 cho thấy rõ ảnh 
hưởng của kiểu lưới, số lưới chia đến các 
thành phần lực cản nhớt khi thay đổi kiểu 
lưới. Khi lưới chia không cấu trúc kiểu T 
giảm đi, thì mức độ ảnh hưởng đến thành 
phần lực cản nhớt gây ra do áp suất càng tăng 
lên. Ảnh hưởng đến thành phần lực cản nhớt 
gây ra do áp suất lên tới 52%, và lực cản nhớt 
tổng cộng lên tới 33%. Kết quả này phù hợp 
với kết quả phân bố áp suất bao quanh thân 
tàu và phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu 
khảo sát. 
KẾT LUẬN 
Trong bài báo này, ảnh hưởng của miền 
không gian tính toán và lưới đến kết quả tính 
mô phỏng số CFD cho bài toán khảo sát đặc 
tính thủy động lực thân tàu trong nước được 
thực hiện. Mô hình thân đối xứng theo biên 
dạng đường nước thân tàu được sử dụng làm 
mô hình nghiên cứu. Các vấn đề ảnh hưởng 
của giới hạn miền không gian tính toán khảo 
sát bài toán, kiểu lưới chia cấu trúc và không 
cấu trúc, số lượng lưới chia thay đổi khác 
nhau đã được thực hiện nghiên cứu ảnh 
hưởng đến kết quả tính toán mô phỏng CFD 
trong bài toán thủy động lực thân tàu và lực 
cản nhớt tác động lên thân tàu trong nước. 
Từ các kết quả khảo sát và so sánh về phân bố 
áp suất bao quanh thân tàu, phân bố áp suất 
trên bề mặt thân tàu và các thành phần lực cản 
nhớt tác động lên thân tàu cho thấy rõ sự ảnh 
hưởng của miền không gian tính toán và lưới 
đến kết quả tính toán CFD. Kết quả nghiên 
cứu ảnh hưởng của miền không gian tính toán 
và lưới đến kết quả bài toán CFD cần thiết 
trong các bài toán tính mô phỏng số CFD. Kết 
quả nghiên cứu này là cơ sở để giúp thiết kế 
tối ưu miền không gian tính toán và lưới trong 
quá trình thực hiện bài toán mô phỏng số. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. N.V. He and Y. Ikeda (2013), “A Study on 
Interaction Effects between Hull and Acc on Air 
Resistance of a Ship”, Proc. 16th JASNAOE, 
Hiroshima, Japan, pp.281-284. 
2. Ngo. V.H, Le. T.T, Le. Q, Ikeda. Y (2015), “A 
Study on interaction effects on hydrodynamic 
performance of a system rudder-propeller by distant 
gap”. Proceeding of the 12th International Marine 
Design Conference, Tokyo, Japan, pp. 179-193. 
3. N.V. He, Y. Nihei and Y. Ikeda (2012). A 
Study on Application of a Commercial CFD Code 
to Reduce Resistance Acting on a Non Ballast 
Tanker – Part 2. The 6th Asia-Pacific Workshop on 
Marine Hydrodynamic, Johor, 264-269. 
4. T. Tatsumi et al. (2011), “Development of a 
new energy saving tanker with non ballast water - 
Part 1”, The JSNAOE, Fukuoka, (2011) 216-218. 
(in Japanese) 
5. N.V. He, Y. Ikeda (2014), “Added resistance 
acting on hull of a non ballast water ship”, Journal 
of Marine Science and Application, Vol. 13 No1, 
pp. 11-12. 
6. N.V.He, (2017), “A study on development of 
a new concept cargo river ship with reduced 
resistance acting on hull in calm water”, Journal of 
Science and Technology, Vol. 121, pp.89-94. 
7. ITTC (2011), “The resistance committee”, 
Final report and recommendations to 26
th
 ITTC, 
Vol.1. 
ANSYS Inc (2015), “ANSYS FLUENT User's 
Guide”, Theory Guide, Release 15.0. 
Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 105 - 110 
110 
SUMMARY 
EFFECTS OF COMPUTED FLUID DOMAIN AND MESHING 
ON THE CFD RESULTS OF VISCOUS RESISTANCE ACTING ON A SHIP 
Ngo Van He
*
Hanoi University of Science and Technology 
In this paper, the authors presents some results of a study on used a commercial Computation of 
Fluid Dynamic (CFD) to analysis hydrodynamic performances of a ship and the effects of 
computated conditions on the CFD results of viscous resistance acting on hull of a ship. In the 
CFD computation, we must do step by step as well as: design model, design computed fluid 
domain and meshing, setup boundary condition and run. Each step has a certain effect on the 
computed process and the CFD results. In this paper, the authors present some results of research 
on effects of computed fluid domain and meshing on the CFD results. This research is important 
for the problems of the simulated ship hydrodynamic by used CFD as well as the general CFD 
problem. 
Keywords: CFD, viscous resistance, hull, computed fluid domain, meshing 
Ngày nhận bài: 26/3/2018; Ngày phản biện: 08/4/2018; Ngày duyệt đăng: 31/5/2018 
*
 Tel: 01679 482746, Email: he.ngovan@hust.edu.vn