Ảnh hưởng của hình dáng thượng tầng đến đặc tính khí động và giảm lực cản gió tác động lên tàu chở hàng sông

Trương Ngọc Kha và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 217 - 222 
217 
ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG THƯỢNG TẦNG ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG 
VÀ GIẢM LỰC CẢN GIÓ TÁC ĐỘNG LÊN TÀU CHỞ HÀNG SÔNG 
Trương Ngọc Kha, Nguyễn Minh Tuấn, Ngô Văn Hệ* 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
TÓM TẮT 
Trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày một số kết quả nghiên cứu khảo sát đặc tính khí động 
học của thân tàu chở hàng sông và ảnh hưởng của hình dáng thượng tầng đến đặc tính khí động 
học thân tàu. Thông qua kết quả khảo sát thu được, các đánh giá và đề xuất hình dáng thượng tầng, 
cải tiến hình dáng kết cấu thân tàu sẽ được thực hiện nhằm làm giảm lực cản gió tác động lên thân 
tàu khảo sát. Mẫu thiết kế tiêu biểu cho loại tàu chở hàng khô hiện đang khai thác trên các tuyến 
sông miền bắc Việt Nam được lựa chọn làm mô hình tính toán khảo sát. Thông qua kết quả tính 
toán khảo sát, phân tích đặc tính khí động học thân tàu theo phương pháp tính mô phỏng số, một 
số hình dáng thượng tần tàu mới được đề xuất nhằm thay thế mẫu thượng tầng tàu hiện tại, nhằm 
cải thiện đặc tính khí động học và giảm lực cản gió tác động lên tàu. Kết quả nghiên cứu là căn cứ 
cần thiết giúp ích cho thiết kế tối ưu hình dáng khí động học thân tàu cũng như giảm tiêu hao 
nhiên liệu và nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu. 
Keywords: thượng tầng, thân tàu, đặc tính khí động, lực cản gió, giảm lực cản 
ĐẶT VẤN ĐỀ* 
Trong quá trình thiết kế tàu nói chung, vấn đề 
được các nhà thiết kế tàu quan tâm nhiều nhất 
là đường hình dáng thân tàu hay tuyến hình 
tàu. Tuyến hình của tàu là cơ sở để xác định 
hình dáng thân tàu, các thông số cơ bản của 
tàu, là căn cứ để thực hiện việc kiểm tra các 
tính năng hàng hải của tàu. Từ tuyến hình tàu, 
thông số về lực cản thân tàu cũng được xác 
định. Với những mẫu thiết kế tàu chở hàng 
thông dụng truyền thống, tuyến hình tàu chỉ 
thể hiện được đặc tính thủy động học thân tàu 
với phần thân tàu dưới mặt nước, lực cản tác 
động lên tàu được tính toán chủ yếu là lực cản 
ma sát nhớt gây ra giữa nước và thân tàu, các 
thành phần lực cản khác được tính toán xác 
định dựa trên các thông số kinh nghiệm được 
tra cứu từ tài liệu. Các đặc tính khí động học 
và lực cản khí động tác động lên thân tàu và 
đặc biệt là các loại tàu hàng chưa được quan 
tâm nhiều. Trong thực tế hình dáng khí động 
học thân tàu có ảnh hưởng nhiều đến các tính 
năng hàng hải và lực cản tác động lên thân 
tàu. Trong các điều kiện khai thác tàu với tác 
động của sóng gió, mức độ tổn thất vận tốc 
chạy tàu hay mức gia tăng lực cản khí động 
*
 Tel: 0379 482746, Email: he.ngovan@hust.edu.vn 
và lực cản dư tác động lên tàu có thể lên tới 
40% tùy thuộc vào cấp gió. 
Trong một số nghiên cứu về đặc tính khí động 
học thân tàu gần đây cho thấy, ảnh hưởng 
tương tác giữa thượng tầng và thân tàu có thể 
cải thiện nhằm giảm lực cản khí động tác 
động lên tàu đến 56% tổng lực cản khí động 
tác động lên tàu [1]. Thông qua việc tối ưu bố 
trí trang thiết bị trên boong tàu, có thể giúp 
cải thiện giảm lực cản gió tác động lên tàu tới 
25% lực cản gió [2]. Tư thế khai thác của tàu, 
bố trí chung và hình dàng thân tàu có ảnh 
hưởng đến đặc tính khí động học thân tàu, 
thông qua việc điều chỉnh tư thế tàu cân bằng, 
thay đổi vị trí và hình dáng thượng tầng tàu 
có thể giúp cải thiện đáng kể đặc tính khí 
động và giảm lực cản gió tác động lên tàu [6, 
7]. Những nghiên cứu này cho thấy, tối ưu 
hình dáng khí động học cho tàu là một trong 
những giải pháp hữu ích giúp giảm lực cản 
tác động lên tàu, tiết kiệm nhiên liệu, nâng 
cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu. 
Trong bài báo này, trên cơ sở tính toán khảo 
sát đặc tính khí động học thân tàu, với loại tàu 
chở hàng sông có trọng tải trong khoảng từ 
200 – 500 tấn, một số đề xuất cải tiến hình 
dáng thượng tầng cho tàu được đưa ra nhằm 
cải thiện đặc tính khí động học và giảm lực 
cản gió tác động lên tàu. 
Trương Ngọc Kha và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 217 - 222 
218 
TÀU HÀNG SÔNG VỚI THƯỢNG TẦNG 
NGUYÊN BẢN 
Trong nghiên cứu này, loại tàu hàng sông phổ 
biến hiện đang được sử dụng, khai thác trên 
các tuyến sông miền bắc Việt Nam được lựa 
chọn sử dụng trong tính toán khảo sát. Hình 1 
thể hiện đường hình dáng thân tàu và thượng 
tầng nguyên bản của tàu. Thông số cơ bản của 
tàu được thể hiện trong Bảng 1. 
Hình 1. Mô hình tàu hàng sông sử dụng trong 
nghiên cứu 
Bảng 1. Thông số kích thước cơ bản của tàu 
Thông số Giá trị Đơn vị 
Chiều dài thiết kế, Ltk 43,25 m 
Chiều rộng thiết kế, B 5,70 m 
Chiều cao mạn, H 2,25 m 
Mớn nước, d 1,90 m 
Diện tích mặt hứng gió 
theo phương dọc, Sx 
21,64 m
2
Diện tích mặt hứng gió 
theo phương ngang, Sy 
110,79 m
2
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KHẢO SÁT 
ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC 
Trong nghiên cứu này, đặc tính khí động học 
thân tàu được khảo sát thông qua sử dụng 
công cụ tính toán mô phỏng số thương mại 
Ansys-Fluent v.14.5. Để thực hiện việc tính 
toán mô phỏng khảo sát đặc tính khí động học 
thân tàu thông qua sử dụng công cụ tính toán 
thương mại, cần thiết phải thực hiện các bước 
tính toán cơ bản như sau: thiết kế mô hình 
tính toán; xây dựng miền không gian tính toán 
và chia lưới; đặt điều kiện tính toán và thực 
hiện tính toán. Trong mỗi bước thực hiện bài 
toán mô phỏng số CFD (Computational Fluid 
Dynamic), đều có ảnh hưởng đến kết quả tính 
toán [3, 5, 8]. Do vậy, quá trình thực hiện bài 
toán cần phải tuân theo những chỉ dẫn uy tín 
về tính toán mô phỏng số [9, 11, 12]. 
Trong nghiên cứu này, miền không gian tính 
toán được giới hạn bởi chiều dài 5L, chiều 
rộng L, chiều cao L tương ứng với kích thước 
200x40x40m. Chia lưới miền không gian tính 
toán với kiểu lưới không cấu trúc được 2,263 
triệu lưới. Mô hình rối k-ε được sử dụng, vân 
tốc dòng khí vào được thiết lập cho đầu vào 
với dải vận tốc tương ứng cấp gió từ cấp 1 
đến cấp 5, tương ứng Reynolds từ 6x106 đến 
2,2x10
7, nhiệt độ môi trường được lấy là 27oC 
tương đương với 300oK, đầu ra thiết lập với 
áp suất ra, bằng áp suất khí quyển 1,025at; 
khối lượng riêng của không khí lấy ρ=1,225 
kg/m
3, hệ số nhớt không khí là 1,7894x10-5 
kg/(ms). Từ đây các mô hình được thực hiện 
tính toán khảo sát đặc tính khí động thông qua 
công cụ tính toán mô phỏng CFD. Hình 2 thể 
hiện miền không gian tính toán và chia lưới 
cho bài toán. 
Hình 2. Miền không gian tính toán và chia lưới 
không cấu trúc thân tàu 
Trên cơ sở thực hiện tính toán khảo sát đặc 
tính khí động học thân tàu hàng sông nguyên 
bản, Hình 3 và 4 thể hiện một số kết quả phân 
bố áp suất bao quanh thân tàu khảo sát và lực 
cản gió tác động lên thân tàu. 
Trương Ngọc Kha và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 217 - 222 
219 
Hình 3. Phân bố áp suất bao quanh tàu khảo sát 
tại Rn=18,6x10
6 
Hình 4. Các thành phần lực cản gió tác động lên 
thân tàu hàng sông nguyên bản 
Từ kết quả phân bố áp suất trên Hình 3 cho 
thấy, tại các vùng trước lầu lái, boong dâng 
mũi và phía trước thành quây hầm hàng, áp 
suất lớn hơn, nhiễu động dòng nhiều hơn các 
vùng khác. Từ kết quả này cho thấy, có thể 
cải tiến hình dáng thân tàu để thu được kết 
quả phân bố áp suất dòng bao quanh tàu tốt 
hơn, ít nhiễu động và giảm diện tích vùng áp 
suất cao tác động lên thân tàu hơn. 
Kết quả tính toán lực cản gió tác động lên 
thân tàu trên Hình 4 cho thấy, trong dải vận 
tốc thấp 6,26 x 106 < Rn < 13,6 x 10
6
 hệ số lực 
cản gió tổng cộng tác động lên thân tàu ổn 
định, có giá trị khoảng 0,93. Phần lớn hệ số 
lực cản gió thuộc về thành phần lực cản do áp 
suất gây ra. 
PHÁT TRIỂN HÌNH DÁNG THƯỢNG 
TẦNG MỚI CHO TÀU HÀNG SÔNG 
Trên cơ sở hình dáng thượng tầng tàu nguyên 
bản với đặc tính khí động học đã khảo sát, 
một số thay đổi hình dáng thượng tầng tàu 
được thực hiện trong phần này. Hình 5 thể 
hiện hình dáng thượng tầng lầu, boong dâng 
mũi và thành quây hầm hàng thay đổi trên tàu 
nguyên bản. 
Hình 5. Phát triển hình dáng thượng tầng mới cho 
tàu hàng sông với thay đổi boong dâng mũi, N1; 
thay đổi thành quây hầm hàng, N2; thay đổi 
thượng tầng, N3 
Từ các mô hình được phát triển từ mô hình 
thân tàu nguyên bản. Các mẫu tàu mới được 
thực hiện tính toán khảo sát đặc tính khí động 
học tương ứng với các điều kiện như tàu 
nguyên bản để so sánh các đặc tính khí động 
học và lực cản gió tác động lên thân tàu. 
Trương Ngọc Kha và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 217 - 222 
220 
ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG 
THƯỢNG TẦNG ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ 
ĐỘNG HỌC VÀ LỰC CẢN GIÓ 
Trên cơ sở thực hiện tính toán khảo sát các 
mẫu tàu với thay đổi thượng tầng mũi N1, 
thành quây hầm hàng N2 và thượng tầng lầu 
lái N3, thu được các kết quả phân bố áp suất, 
dòng bao quanh thân tàu và lực cản gió tác 
động lên tàu. Hình 6, 7 thể hiện kết quả khảo 
sát và so sánh đặc tính khí động học các mẫu 
tàu tính toán khảo sát. 
Hình 6. Phân bố áp suất bao quanh thân tàu với 
thượng tầng mới, thay đổi boong dâng mũi, N1; 
thay đổi thành quây hầm hàng, N2; thay đổi 
thượng tầng, N3, Rn=18,6x10
6 
Từ kết quả phân bố áp suất bao quanh và trên 
bề mặt thân tàu khảo sát cho thấy rõ sự thay 
đổi của các vùng phân bố áp suất cao trên bề 
mặt thân tàu mới, các vùng nhiễu động áp suất 
bao quanh thân tàu đã thay đổi rõ ràng. Hình 8 
thể hiện kết quả tính toán các thành phần hệ số 
lực cản gió tác động lên thân tàu khảo sát ở 
vận tốc tương ứng với Rn=18.6 x 10
6
. 
Hình 7. Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu 
khảo sát N1, N2 và N3, Rn=18.6x10
6
Hình 8. Hệ số lực cản gió tác động lên thân tàu 
khảo sát N1, N2 và N3, Rn=18.6x10
6
Kết quả thể hiện trên Hình 8 cho thấy rõ sự 
thay đổi giảm lực cản đáng kể khi thay đổi 
hình dáng thân tàu, với thay đổi thượng tầng 
tàu, boong dâng và thành quây miệng hầm 
hàng của tàu. Với mẫu tàu mới, lực cản khí 
động có thể giảm được tới từ 13%-43% tương 
ứng với các mẫu tàu mới khảo sát N1 - N3 so 
với thân tàu nguyên bản. 
Trương Ngọc Kha và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 217 - 222 
221 
KẾT LUẬN 
Trong bài báo này, đặc tính khí động học thân 
tàu hàng sông đặc thù trên tuyến sông miền 
Bắc Việt Nam được thực hiện khảo sát thông 
qua sử dụng công cụ phần mềm thương mại 
tính toán sô CFD, Ansys-Fluent V.14.5. 
Thông qua kết quả tính toán khảo sát các đặc 
tính khí động học thân tàu nguyên mẫu, một 
số cải tiến hình dáng thượng tầng tàu được 
thực hiện. 
Kết quả khảo sát thân tàu mới với những thay 
đổi hình dáng lầu lái (N3), thành quây hầm 
hàng (N2) và boong dâng mũi (N1) đã cho 
thấy rõ sự ảnh hưởng của hình dáng thượng 
tầng tàu đến đặc tính khí động học và mức độ 
giảm lực cản gió tác động lên thân tàu khảo 
sát. Từ kết quả tính toán mô phỏng cho thấy, 
với hình dáng thân tàu mới có thể giảm được 
tới 13% - 43% tổng lực cản gió tác động lên 
tàu. Kết quả này cho thấy rõ sự phù hợp giữa 
kết quả tính toán mô phỏng đặc tính khí động 
học thân tàu đã thể hiện qua kết quả phân bố 
áp suất, dòng bao và phân bố áp suất trên bề 
mặt thân tàu khảo sát. 
Kết quả nghiên cứu thể hiện trong bài báo này 
là cơ sở cần thiết cho các nghiên cứu tối ưu 
thiết kế hình dáng khí động học thân tàu nói 
chung và tàu hàng sông nói riêng. Đồng thời 
là những căn cứ quan trọng cho nghiên cứu 
giảm lực cản, tiết kiệm nhiên liệu và nâng cao 
hiệu quả kinh tế khai thác tàu. 
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. 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. Ngo. V. H, Mizutani. K, Ikeda. Y, (2016). 
Reducing air resistance acting on a ship by using 
interaction effects between the hull and 
accommodation. Ocean Engineering Journal, Vol. 
111, pp. 414-423. DOI: 
10.1016/j.oceaneng.2015.11.023. 
7. N.V. He, (2017), “A study on development of 
a new concept cargo river ship with reduced 
resistance in calm water”, Journal of Science and 
Technology, Vol. 121, pp.89-94. 
8. N.V. Hệ, (2017), “Tính toán công suất máy 
cần thiết cho tàu cao tốc thông qua sử dụng CFD”, 
Tạp chí KHCN Đại học Thái Nguyên, tập 173, số 
13, 2017. 
9. H.K. Versteeg et al. (2015), “An Introduction 
to Computational Fluid Dynamics, the Finite 
Volume Method”, 2nd Edition, Pearson Education. 
10. B. Mohammadi, O. Pironneau (1994), 
“Analysis of the K-epsilon turbulence model”, 
Wiley & Sons. 
11. ITTC (2011), “The resistance committee”, 
Final report and recommendations to 26
th
 ITTC, 
Vol.1. 
12. ANSYS Inc (2015), User's Guide v.15.0.
Trương Ngọc Kha và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 217 - 222 
222 
ABSTRACT 
EFFECT OF AN ACCOMMODATION SHAPE 
ON AERODYNAMIC PERFORMANCE AND REDUCED 
AIR RESISTANCE ACTING ON A CARGO RIVER SHIP 
Truong Ngoc Kha, Nguyen Minh Tuan, Ngo Van He
* 
Hanoi University of Science and Technology 
In this paper, the authors present some results of studies on aerodynamics performances and the 
effects of an accommodation shape on the aerodynamic performance of a cargo river ship. From 
results of analysis aerodynamic performances of the ship, several comments and proposed new 
hull form for the ship to reduce wind resistance is done. A popular kind of the cargo river ship 
which is almost used at currently river transportation on the northern Vietnam river is selected as a 
reference model. From the results of analysis computed results on aerodynamic performance of the 
original ship, several new hull form with improving accommodation shape are proposed for the 
ship to improve aerodynamic performance and reduced air resistance acting on the original ship. 
The results of this research are needed to help optimize the aerodynamic hull shape as well as 
reduce air resistance acting on hull, reduced fuel consumption and improve economic efficiency of 
the ship operation. 
Keywords: accomodation, hull, aerodynamic performance, air resistance, reduced air resistance 
Ngày nhận bài: 21/11/2018; Ngày hoàn thiện: 29/11/2018; Ngày duyệt đăng: 30/11/2018 
*
 Tel: 0379 482746, Email: he.ngovan@hust.edu.vn