Ứng dụng tính toán mô phỏng số nghiên cứu cải thiện đặc tính thủy động lực và hiệu suất đẩy chân vịt tàu thủy

Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 79 - 83 
79 
ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG SỐ NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐẶC 
TÍNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ HIỆU SUẤT ĐẨY CHÂN VỊT TÀU THỦY 
Ngô Văn Hệ* 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
TÓM TẮT 
Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu về giải pháp nâng cao đặc tính thủy động lực và 
hiệu suất đẩy cho chân vịt tàu thủy thông qua sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số CFD 
(Computation of Fluid Dynamic). Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết thủy động lực học chân vịt tàu 
thủy, một giải pháp tối ưu đặc tính thủy động lực và hiệu suất đẩy chân vịt tàu thủy được áp dụng. 
Một loại chân vịt mới được đề xuất phát triển cho tàu. Tác giả trình bày một số kết quả nghiên 
cứu, tính toán và so sánh hiệu quả ứng dụng đối với hai trường hợp cụ thể là chân vịt có bánh lái 
và không có bánh lái đi kèm, chân vịt có khả năng thay đổi bước đặt cánh. Đây là hai điểm quan 
trọng trong đề xuất phát triển loại chân vịt mới ứng dụng cho tàu không sử dụng nước dằn. Nghiên 
cứu cải thiện đặc tính thủy động lực và hiệu suất chân vịt tảu thủy cũng là nghiên cứu nâng cao 
hiệu quả kinh tế khai thác tàu. 
Keywords: Đặc tính thủy động lực, hiệu suất đẩy, chân vịt tàu thủy, CFD, hiệu quả kinh tế 
ĐẶT VẤN ĐỀ* 
Nâng cao hiệu quả kinh tế vận tải đường thủy 
là một trong những vấn đề quan trọng trong 
quá trình phát triển kinh tế biển nói chung. Để 
thực hiện được vấn đề này, bên cạnh những 
giải pháp hữu ích về quản lý vận hành khai 
thác dịch vụ vận tải, vấn đề kỹ thuật, nghiên 
cứu phát triển hiện đại hóa và cải thiện hiệu 
năng khai thác tàu đối với các đội tàu vận tải 
cũng là giải pháp quan trọng. Những giải 
pháp kỹ thuật tác động trực tiếp lên tàu này 
nhằm mục đích cải thiện đặc tính thủy động 
lực học cho tàu, giảm sức cản, tiết kiệm nhiên 
liệu. Đây là cơ sở giúp cải thiện hiệu quả kinh 
tế khai thác tàu. Trong lĩnh vực kỹ thuật tàu 
thủy, quá trình thiết kế tàu thường được tối 
ưu. Mỗi tàu đóng mới đều được tính thiết kế 
tôi ưu về đặc tính kỹ thuật, các tính năng hàng 
hải và đặc tính kinh tế. Tuy nhiên, sau quá 
trình khai thác, tính năng của tàu giảm đi, làm 
giảm hiệu năng kinh tế khai thác tàu. Hiện 
nay, để cải thiện hiệu năng kinh tế cho tàu có 
thể áp dụng giải pháp kỹ thuật thường xuyên 
như bảo dưỡng vỏ tàu, cạo hà, sơn mới tàu 
nhằm giảm lực cản vỏ tàu, bảo dưỡng máy 
tàu. Cải thiện đặc tính thủy khí động lực học 
cho tàu, nhằm giảm lực cản sóng, giảm lực 
*
 Tel: 01679 482746, Email: he.ngovan@hust.edu.vn 
cản khí động tác động lên tàu [1] [2] [3] [4] 
[5]. Bên cạnh đó, việc áp dụng những nghiên 
cứu cải thiện đặc tính thủy động học để nâng 
cao hiệu năng kinh tế khai thác tàu đã được 
nhiều nước trên thế giới áp dụng. Một trong 
những giải pháp kỹ thuật được chú trọng là 
giải pháp nâng cao hiệu năng đẩy cho hệ 
thống chân vịt tàu thủy [6] [7] [8] [9] [10]. 
Trong nghiên cứu này, tác giả giới thiệu một 
số kết quả nghiên cứu về giải pháp cải thiện 
đặc tính thủy động lực và nâng cao hiệu suất 
đẩy cho chân vịt tàu thủy, nhằm cải thiện hiệu 
năng kinh tế khai thác tàu. 
Hình 1. Hệ thống chân vịt củ - biến bước 
GIẢI PHÁP CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH THỦY 
ĐỘNG LỰC VÀ HIỆU SUẤT ĐẨY 
Trong vấn đề nghiên cứu cải thiện đặc tính 
thủy động lực học hệ thống đẩy tàu thủy, có 
Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 79 - 83 
80 
thể tổng hợp đưa ra một số giải pháp chủ yếu 
như sau: tối ưu chế độ làm việc của chân vịt, 
nâng cao sự đồng bộ với đặc tính thủy động 
học thân tàu, máy chính; tối ưu đặc tính chân 
vịt, biên dạng, số lượng cánh chân vịt; điều 
khiển dòng vào, thay đổi tương tác thủy động 
giữa chân vịt với thiết bị khác như cánh hướng 
dòng, vòm đuôi, bánh lái hay hệ cánh phụ. 
Hình 2. Hệ thống đẩy truyền thống và hệ thống 
mới sử dụng hệ chân vịt củ xoay 
Trong một số nghiên cứu liên quan, nhóm 
nghiên cứu cùng với tác giả đã thực hiện một 
số nghiên cứu phát triển loại tàu mới không 
sử dụng nước dằn tàu [5] [6] [7]. Với loại tàu 
mới này, do không sử dụng nước dằn tàu nên 
chiều chìm của tàu khá thấp so với các loại 
tàu thông thường khác. Chính vì vậy, áp dụng 
giải pháp kỹ thuật sử dụng hệ chân vịt củ 
đồng thời khắc phục được nhược điểm về 
chiều chìm thấp của loại tàu mới này. Trên 
hình 1 thể hiện hệ thống chân vịt củ được đề 
xuất phát triển ứng ứng trên tàu, với khả năng 
điều chỉnh được chiều chìm, thay đổi hướng 
và thay đổi được bước cánh. Hình 2, 3 thể 
hiện hệ thống đẩy tàu bao gồm hệ chân vịt 
bánh lái tàu thông dụng và hệ thống thiết bị 
đẩy sử dụng chân vịt củ xoay biến bước. 
Hình 3. Hệ thống đẩy tàu 
Trong nghiên cứu này, giải pháp kỹ thuật 
nhằm cải thiện đặc tính thủy động lực và hiệu 
suất đẩy cho chân vịt tàu thủy đưa ra là giảm 
ảnh hưởng tương tác giữa chân vịt và bánh lái 
tàu, sử dụng chân vịt có khả năng thay đổi 
bước đặt cánh. Những giải pháp này đưa ra 
nhằm hướng tới phát triển hệ chân vịt củ xoay 
biến bước ứng dụng cho tàu hàng nói chung. 
CÔNG CỤ MÔ PHỎNG CFD TRONG BÀI 
TOÁN THỦY ĐỘNG LỰC CHÂN VỊT 
Trong nghiên cứu này, công cụ tính toán mô 
phỏng số được ứng dụng để thực hiện khảo 
sát đặc tính thủy động lực học chân vịt. Trong 
tính toán mô phỏng số CFD, để thực hiện 
được bài toán cần thực hiện các bước như 
sau: thiết kế mô hình tính toán, chia lưới và 
đặt điều kiện tính toán, thực hiện tính toán và 
sử lý kết quả bài toán. Hình 4 thể hiện sơ đồ 
ứng dụng công cụ mô phỏng số CFD tính 
toán đặc tính thủy động lực chân vịt tàu thủy. 
Hình 4. Sơ đồ thực hiện bài toán CFD 
Trong nghiên cứu này, mô hình tính toán 
được thiết kế là các hệ thống chân vịt tàu 
thủy. Với mô hình gồm hệ chân vịt tự do và 
hệ chân vịt có bánh lái, chân vịt thay đổi bước 
cánh khác nhau. Việc thiết kế các mô hình 
được thực hiện thông qua các công cụ thiết kế 
chuyên dụng. Miền không gian tính toán được 
thiết kế cho bài toán đưa ra dựa trên cơ sở các 
tài liệu chỉ dẫn sử dụng CFD trong tính toán 
thủy động lực học tàu thủy [13], [14], đồng 
thời đựa trên kinh nghiệm của tác giả và tham 
khảo những kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực 
này ([1]-[12]). Trên cơ sở miền không gian 
tính toán được thiết kế giới hạn với chiều dài 
5D, đường kính 3.5D tương ứng với đường 
kính chân vịt D, thực hiện chia lưới tính toán 
với kiểu lưới không cấu trúc được 3.6 triệu 
lưới với chất lượng phù hợp. Trong bài toán 
Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 79 - 83 
81 
khảo sát đặc tính thủy động lực chân vịt, mô 
hình rối k-ε được sử dụng, điều kiện tường 
quay được thiết lập, đầu vào được lựa chọn 
với vận tốc vào, đầu ra được lựa chọn với áp 
suất ra. Các thông số kỹ thuật tương ứng với 
vận tốc dòng vào và tốc độ quay chân vịt 
được sử dụng tương ứng với bài toán cần 
khảo sát. 
Trên cơ sở các điều kiện tính toán được thiết 
lập, bài toán được thực hiện chạy trên máy 
tính. Máy tính sử dụng cho tính toán này có 
cấu hình Core i7, 2.68Ghz, RAM2Gb. Sau khi 
quá trình tính toán kết thúc, sẽ thực hiện việc 
sử lý kết quả và phân tích dữ liệu thu được. 
ẢNH HƯỞNG CỦA BÁNH LÁI ĐẾN ĐẶC 
TÍNH THỦY ĐỘNG LỰC 
Trong phần này, ảnh hưởng của bánh lái trong 
hệ thống chân vịt truyền thống được khảo sát 
và so sánh với hệ thống chân vịt tự do không 
sử dụng bánh lái. Hình 5 thể hiện kết quả tính 
toán mô phỏng phân bố vận tốc và áp suất 
trong miền chất lỏng khảo sát chân vịt với 
bánh lái và không có bánh lái. 
Hình 5. Phân bố áp suất và dòng bao quanh chân 
vịt khảo sát, J=0.5 
Kết quả CFD về phân bố vận tốc và áp suất 
bao quanh chân vịt trong hai trường hợp khảo 
sát cho thấy ảnh hưởng của bánh lái trong hệ 
thống đẩy tàu. Hình 6 thể hiện đồ thị hiệu suất 
đẩy của chân vịt tương ứng với hai trường 
hợp khảo sát. 
Hình 6. Hiệu suất đẩy của chân vịt 
Kết quả trên hình 6 thể hiện hiệu suất đẩy của 
chân vịt  theo bước tiến J. Trong đó các 
thông số được xác định phụ thuộc vào số 
vòng quay của chân vịt n và vận tốc tiến của 
tàu Va, các hệ số KT, KQ tương ứng là hệ số 
lực đẩy T và mô men Q. 
 (1) 
Kết quả này cho thấy, trong dải bước tiến nhỏ 
hơn 0.6 hiệu suất đẩy của chân vịt tự do thay 
đổi ít so với hệ chân vịt bánh lái. Trong 
khoảng bước tiến lớn hơn 0.6 hiệu suất của 
chân vịt tự do có giảm đi so với hệ chân vịt 
bánh lái, tuy nhiên trên đường đặc tính của 
chân vịt thì hiệu suất đẩy đang giảm dần. 
ẢNH HƯỞNG CỦA BƯỚC CÁNH ĐẾN 
ĐẶC TÍNH THỦY ĐỘNG LỰC 
Trong phần này trình bày kết quả tính toán 
mô phỏng đặc tính thủy động lực học của 
chân vịt khi thay đổi bước đặt cánh. Đây là 
loại chân vịt biến bước, việc điều chỉnh bước 
đặt cánh chân vịt có thể giúp nâng cao hiệu 
suất đẩy cho chân vịt tương ứng với điều kiện 
khai thác tàu cụ thể. Với mỗi loại tàu, thường 
có hai trạng thái khai thác chủ yếu là tàu 
không hàng và tàu đầy hàng. Do vậy việc điều 
chỉnh bước chân vịt có thể giúp tiết kiệm 
được công suất chạy tàu đáng kể trong quá 
Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 79 - 83 
82 
trình khai thác. Hình 7, 8 thể hiện kết quả 
phân bố áp suất trên bề mặt chân vịt và vận 
tốc dòng trong miền khảo sát khi thay đổi 
bước đặt cánh chân vịt khác nhau. 
Hình 7. Phân bố áp suất trên bề mặt chân vịt với 
bước đặt cánh thay đổi, J=0.5 
Hình 8. Phân bố vận tốc trong miền khảo sát với 
bước đặt cánh thay đổi, J=0.5 
Kết quả trên hình 7 và 8 cho thấy rõ sự thay 
đổi áp suất trên bề mặt cánh chân vịt và vận 
tốc dòng bao quanh chân vịt khi thay đổi 
bước đặt cánh. Hình 9 thể hiện kết quả tính 
toán hiệu suất đẩy của chân vịt với bước đặt 
cánh thay đổi khác nhau. 
Hình 9. Hiệu suất đẩy của chân vịt khi thay đổi 
bước đặt cánh khác nhau 
Kết quả hiệu suất đẩy của chân vịt cho thấy rõ 
sự phụ thuộc của bước cánh chân vịt đến hiệu 
suất đẩy. Khi thay đổi bước đặt cánh, hiệu 
suất của chân vịt giảm dần tương ứng, tuy 
nhiên hiệu suất đẩy lại tăng dần theo bước 
tiến của tàu. Điểm cực đại của đường đặc tính 
thay đổi đến vị trí có bước tiến lớn hơn và đạt 
được hiệu suất cao hơn so với bước đặt cánh 
ở góc độ thấp hơn. 
KẾT LUẬN 
Trong bài báo này, loại chân vịt củ xoay, biến 
bước có khả năng điều chỉnh chiều chìm được 
đề xuất áp dụng cho tàu nhằm cải thiện đặc 
tính thủy động lực và hiệu suất đẩy cho chân 
vịt tàu thủy. Thông qua việc sử dụng công cụ 
tính toán mô phỏng số CFD, đặc tính thủy 
động lực và hiệu suất của chân vịt được khảo 
sát với ảnh hưởng của bánh lái và khi thay đổi 
bước đặt cánh chân vịt. Kết quả nghiên cứu 
trong bài báo này có ý nghĩa bước đầu trong 
quá trình nghiên cứu phát triển loại chân vịt 
củ xoay biến bước nhằm ứng dụng cho đội 
tàu hàng. Đây là loại chân vịt có tính cơ động 
cao, có khả năng tiết kiệm công suất chạy tàu 
trong nhiều trạng thái khai thác khác nhau 
được đề xuất phát triển ứng dụng cho loại tàu 
mới không sử dụng nước dằn. 
Ngô Văn Hệ Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 79 - 83 
83 
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. K. Mizutani et al. (2013), “Effects of cargo 
handling equipment on wind resistance acting on a 
WCC”, Proc. 16th JASNAOE, Hiroshima, Japan, 
pp.421-425. 
3. 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. 
4. Ngo. V. H, Le. T. T, Ikeda. Y (2016), “A study 
on improving hydrodynamic performances of a 
system rudder and propeller by attaching a fix plate 
on the rudder”. The 8th Asia-Pacific Workshop on 
Marine Hydrodynamics - APHydro 2016, Hanoi, 
Vietnam, pp.277-284. 
5. 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) 
6. 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. 
7. 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. 
8. Lee, S. K (2008), “Ice Controllable Pitch 
Propeller Strength Check based on IACS Polar 
Class Rule”. Originally presented at the IceTech 
Conference held July 20 - 23, 2008, in Banff, 
Alberta, Canada, pp. 9-15. 
9. Ghassemi, H (2009), “The effect of wake 
flow and skew angle on the ship propeller 
performance”. Sharif University of Technology, 
Vol. 16: p. 10. 
10. Wang. Z, Xiong. Y, Qi. W (2012), 
“Numerical prediction of contra-rotating 
propellers open water performance”. Journal of 
Huazhong University of science and technology, 
Vol.40, pp.77-88. 
11. H.K. Versteeg et al. (2015), “An Introduction 
to Computational Fluid Dynamics, the Finite 
Volume Method”, 2nd Edition, Pearson Education. 
12. B. Mohammadi, O. Pironneau (1994), 
“Analysis of the K-epsilon turbulence model”, 
Wiley & Sons. 
13. ITTC (2011), “The resistance committee”, 
Final report and recommendations to 26
th
 ITTC, 
Vol.1. 
14. ANSYS Inc (2015), “ANSYS FLUENT User's 
Guide”, Theory Guide, Release 15.0. 
SUMMARY 
A STUDY ON IMPROVING HYDRODYNAMICS PERFORMANCES AND 
POWER EFFICIENCY OF A PROPELLER BY USED CFD 
Ngo Van He
*
Hanoi University of Science and Technology 
In this paper, the authors presents some results of a study on improving hydrodynamic 
performances and power efficiency of a propeller by theoretical calculations and Computation of 
Fluid Dynamics (CFD). Base on the hydrodynamic theory of a propeller, an optimal solution on 
hydrodynamic performances and power efficiency of a propeller is applied. A new kind of 
propeller is proposed for the ships. The authors present some results of computation and 
comparison on hydrodynamics performances of the two cases as well as a propeller with and 
without rudder, and a propeller able to change the blade pitch angle. These are the two important 
points which propose for the new kind of propeller to apply for the non ballast water ship. The 
research on improving hydrodynamic performances and power efficiency of propeller is also a 
study to improve the economics efficiency of the ship in transportation. 
Keywords: Hydrodynamics, power efficiency, propeller, CFD, economic efficiency 
Ngày nhận bài: 16/3/2018; Ngày phản biện: 11/4/2018; Ngày duyệt đăng: 31/5/2018 
*
 Tel: 01679 482746, Email: he.ngovan@hust.edu.vn