Presented at SWU.

1. การวิเคราะห์ความต้านทานและรูปแบบคลืน
ของเรือแบบตัวเรือคู่
ด้วยวิธีคํานวณทางพลศาสตร์ของไหลด้วยวิธีคํานวณทางพลศาสตร์ของไหล
นาวาตรี กิตติภูมิ ภูมิโคกรักษ์
หลักสูตร วศ.ม. สาขาวิศวกรรมเครืองกล มศว.

2. หัวข้อการนําเสนอ
1. ความเป็นมาและความสําคัญของปัญหา
2. วัตถุประสงค์ของการวิจัย
3. ขอบเขตของการวิจัย
4. วิธีดําเนินการวิจัย4. วิธีดําเนินการวิจัย
5. ผลการวิจัยและวิเคราะห์ผลการวิจัย
6. สรุปผลการวิจัย
7. ประโยชน์จากการวิจัย
8. ข้อเสนอแนะเกี/ยวกับการวิจัย

3. 1. ความเป็นมาและความสําคัญของปัญหา

4. ปัญหา
• การพังทลายของพื.นทีริมฝังแม่นํ.าเนืองจากคลืนทีเกิดจากเรือโดยสาร
– สร้างความเสียหายต่อสิ/งปลูกสร้าง
– มีผลกระทบต่อผู้สัญจรทางนํ5าด้านความปลอดภัยต่อ ชีวิต และ ทรัพย์สิน
• หนึงในแนวทางการแก้ปัญหา
– เรือแบบตัวเรือคู่ (Catamaran)

5. เรือแบบตัวเรือคู่ - Catamaran
• สามารถออกแบบให้มีตัวเรือเพรียวได้โดยไม่ส่งผลกระทบต่อการทรงตัว
• พื5นที/เหนือแนวนํ5า สะดวกต่อการใช้
• การออกแบบ ความต้านทาน & รูปแบบคลืน

6. วิธีวิเคราะห์ความต้านทาน & รูปแบบคลืน
• Towing Tank Test
– ผลถูกต้องที/สุด
– ราคาแพง
– ใช้เวลานาน
– ไม่มีในประเทศ– ไม่มีในประเทศ
• Computational Fluid Dynamics (CFD)
– ได้รับการยอมรับ
– มีค่าใช้จ่ายน้อย
– ไร้ข้อจํากัดในด้านการบันทึกข้อมูล
– มีใช้งานอย่างแพร่หลายภายในประเทศ

7. จากความสําคัญของปัญหา นําไปสู่ ...
ความต้านทานของเรือ &
รูปแบบคลืนทีเกิดจากเรือ
เรือแบบตัวเรือคู่ CFD
- สามารถออกแบบให้มี
ตัวเรือเพรียวได้มาก
- ไม่เสียการทรงตัว
- ขั5นตอนการออกแบบเรือเพื/อ
หากําลังในการขับเคลื/อนเรือ
-ได้รับการยอมรับ
- ประหยัดค่าใช้จ่าย
- ประหยัดเวลา
- มีใช้ในประเทศ

8. 2. วัตถุประสงค์ของการวิจัย
1. ศึกษาแนวทางการจําลองการไหลรอบตัวเรือด้วยวิธี CFD
2. ศึกษาแนวทางการออกแบบเรือแบบตัวเรือคู่ โดยการ
ปรับเปลี/ยนระยะห่างระหว่างตัวเรือคู่และความเพรียวของตัว
เรือคู่ด้วยวิธี CFDเรือคู่ด้วยวิธี CFD
3. ศึกษาความต้านทานของเรือและรูปแบบคลื/นที/เกิดจากเรือ
แบบตัวเรือคู่ด้วยวิธี CFD

9. 3. ขอบเขตของการวิจัย
• เรือแบบตัวเรือคู่
• รูปทรงตัวเรือใต้แนวนํ5าแบบ Wigley hull
• เฉพาะตัวเรือ (ทั5งเหนือและใต้แนวนํ5า)
• ศึกษาเฉพาะกรณีเรือแล่นผ่านนํ5านิ/ง• ศึกษาเฉพาะกรณีเรือแล่นผ่านนํ5านิ/ง
• จําลองการไหลด้วยวิธี CFD แบบ Finite Volume Method
• การศึกษาพิจารณาเฉพาะย่านการใช้งานสําหรับเรือโดยสารในแม่นํ5า
เจ้าพระยา ในเขตกรุงเทพ ฯ
– Max speed 20 km/hr
– Max depth = 8.5 m/ min depth = 6.5 m

10. 4. วิธีดําเนินการวิจัย

11. 4.1 ศึกษาแนวทางการจําลองการไหลทีเหมาะสม
100d

12. การแบ่งกริด
• Structured grid
• Quadrilateral

13. 4.2 ศึกษาผลกระทบของระยะห่างและความเพรียวของ
ตัวเรือคู่ต่อความต้านทาน

14. การแบ่งกริด
• Structured grid
• Quadrilateral

15. 4.3 วิเคราะห์ความต้านทานและรูปแบบคลืน
ของเรือแบบตัวเรือคู่

16. การแบ่งกริด
• Structured grid
• Hexahedron

17. 5. ผลการวิจัยและวิเคราะห์ผลการวิจัย

18. 5.1 แบบจําลองการไหลทีเหมาะสม
แบ่งเป็น
5.1.1 การแบ่งกริดทีเหมาะสม
5.1.2 แบบจําลองการไหลปันป่ วนทีเหมาะสม5.1.2 แบบจําลองการไหลปันป่ วนทีเหมาะสม

19. Boundary conditions

20. 5.1.1 การแบ่งกริดทีเหมาะสม

21. ตัวแปร
• Independent variable: จํานวนกริด
• Dependent variable: CD
• Control variable: Laminar flow /• Control variable: Laminar flow /
ความเร็วในรูปของ Red
(เมื/อ Red = ρVd/µ)

22. การแบ่งกริดแบบจําลองการไหลผ่านทรงกลม
2,400 cells 8,000 cells 32,000 cells

23. เงือนไข CFD
• Steady state calculation
• ความดัน: PRESTO!
• โมเมนตัม: QUICK• โมเมนตัม: QUICK
• วิธีการหาผลเฉลย: SIMPLE
• Residuals < 10-8

24. ค่า CD ของการไหลแบบราบเรียบผ่านทรงกลม
101
102
103
ผลการทดลอง (White. 1991)
, เซลล์
, เซลล์
, เซลล์
D
10-1
100
101
102
103
104
105
106
107
10-2
10-1
100
10 , เซลล์
Red
CD

25. 5.1.2 แบบจําลองการไหลปันป่ วนทีเหมาะสม

26. ตัวแปร
• Independent variable: k-ε และ k-ω
• Dependent variable: CD
• Control variable: จํานวนกริด (8,000 & 32,000 cells),• Control variable: จํานวนกริด (8,000 & 32,000 cells),
ความเร็วในรูปของ Red

27. การแบ่งกริดแบบจําลองการไหลผ่านทรงกลม
8,000 cells 32,000 cells

28. เงือนไข CFD
• Steady state calculation
• ความดัน: PRESTO!
• โมเมนตัม: QUICK• โมเมนตัม: QUICK
• ค่า k - ε: QUICK
• ค่า k - ω: QUICK
• วิธีการหาผลเฉลย: SIMPLE
• Residuals < 10-8

29. ค่า CD ของการไหลแบบปันป่ วนผ่านทรงกลม
101
102
103
ผลการทดลอง (White. 1991)
8,000(k-ε)
32,000(k-ε)
8,000(k-ω)
32,000(k-ω)
D
104
105
106
107
10-2
10-1
100
10 32,000(k- )
Red
CD

30. การลู่เข้าของแบบจําลองการไหลแบบปันป่ วน k-εεεε
Red
8,000 cells 32,000 cells
CD Iteration CD Iteration
1x106 0.36 729 0.36 2,7781x106 0.36 729 0.36 2,778
5x106 0.31 361 0.32 2,456
6x106 0.29 602 0.29 2,233

31. ผลการศึกษาทีนําไปใช้ในขั.นตอนต่อไป
• ความละเอียดของกริดเทียบเท่าการแบ่งกริด 8,000 cells ของ
แบบจําลองการไหลผ่านทรงกลม
• แบบจําลองการไหลแบบปั/นป่วนแบบ k-ε

32. 5.2 & 5.3
ผลกระทบของระยะห่างระหว่างตัวเรือคู่
และความเพรียวต่อความต้านทานและความเพรียวต่อความต้านทาน

33. Boundary conditions

34. 5.2 ผลกระทบของระยะห่างระหว่างตัวเรือคู่
ต่อความต้านทานต่อความต้านทาน

35. ตัวแปร
• Independent variable: ระยะห่างในรูปของ S/L
• Dependent variable: CD
• Control variable: L/B = 10,• Control variable: L/B = 10,
ความเร็วในรูปของ Rn เมื/อ
(Rn = ρVL/µ)

36. แบบจําลองตัวเรือคู่ 2 มิติที S/L ต่าง ๆ ( L/B =10)
S/L = 0.2 S/L = 0.3
S/L = 0.4 S/L = 0.5

37. เงือนไข CFD
• Steady state calculation
• ความดัน: PRESTO!
• โมเมนตัม: QUICK• โมเมนตัม: QUICK
• ค่า k - ε: QUICK
• วิธีการหาผลเฉลย: SIMPLE
• Residuals < 10-8

38. ค่า CD เปรียบเทียบ CT ที Rn = 3.8 x 106

39. ค่า CD ที/ระยะห่างระหว่างตัวเรือคู่ต่าง ๆ (L/B= 10)

40. ผลการศึกษาทีนําไปใช้ในขั.นตอนต่อไป
• แบบจําลองที/มีความต้านทานน้อยและมีโครงสร้างดาดฟ้าเรือ
เหมาะสมที/สุดได้แก่ S/L = 0.3

41. 5.3 ผลกระทบของความเพรียวของตัวเรือคู่
ต่อความต้านทานต่อความต้านทาน

42. ตัวแปร
• Independent variable: ความเพรียวในรูปของ L/B
• Dependent variable: CD
• Control variable: S/L = 0.3,• Control variable: S/L = 0.3,
ความเร็วในรูปของ Rn เมื/อ
(Rn = ρVL/µ)

43. แบบจําลองทีความเพรียวของตัวเรือคู่ (S/L=0.3)
L/B = 7 L/B = 10
(Wigley hull)
L/B = 12

44. เงือนไข CFD
• Steady state calculation
• ความดัน: PRESTO!
• โมเมนตัม: QUICK• โมเมนตัม: QUICK
• ค่า k - ε: QUICK
• วิธีการหาผลเฉลย: SIMPLE
• Residuals < 10-8

45. ค่า CD ที L/B ต่าง ๆ
( S/L= 0.3 และ Rn = 3.8 x 106)

46. ผลการศึกษาทีนําไปใช้ในขั.นตอนต่อไป
• ความเพรียวของตัวเรือที/เหมาะสม ได้แก่ L/B = 10

47. 5.4 & 5.5
ความต้านทานเรือและรูปแบบคลืนทีเกิดจาก
เรือแบบตัวเรือคู่เรือแบบตัวเรือคู่

48. Boundary conditions

49. เงือนไข CFD
• Calculation: Steady State &Time Dependent
• ความดัน: PRESTO!
• โมเมนตัม: QUICK
• k - ε : QUICK• k - ε : QUICK
• VOF model: QUICK (2-phase flow only)
• วิธีการหาผลเฉลย: SIMPLE & PISO
• Residuals < 10-4

50. ตัวอย่างค่า Residuals จากการคํานวณ
แบบ Steady state และ แบบ Time dependent

51. 5.4 ความต้านทานเรือ

52. ตัวแปร
• Independent variable: ความเร็วในรูปของ Fn
(เมื/อ Fn = V/√gL)
• Dependent variable: CTT
• Control variable: S/L = 0.3,
L/B = 10

53. ค่า CD ที Fn ต่าง ๆ ( S/L= 0.3 และ L/B = 10)

54. ค่า CT ที Fn = 0.5 - 0.7
( S/L= 0.3 และ L/B = 10)

55. องค์ประกอบของ CT
• ความต้านทานแรงเสียดทาน (CF) และความต้านทานตกค้าง (CR)
• ความต้านทานความหนืด (CV) และความต้านทานเชิงคลื/น (CW)

56. 5.4.1 ความต้านทานแรงเสียดทาน (CF)
และความต้านทานตกค้าง (CR)และความต้านทานตกค้าง (CR)

57. Boundary conditions for CF

58. ค่า CF ที Fn = 0.5 - 0.7
( S/L= 0.3 และ L/B = 10)

59. ค่า CR ที Fn = 0.5 - 0.7
( S/L= 0.3 และ L/B = 10)

60. 5.4.2 ความต้านทานความหนืด (CV)
และความต้านทานเชิงคลืน (CW)และความต้านทานเชิงคลืน (CW)

61. ค่า CV ที Fn = 0.5 - 0.7
( S/L= 0.3 และ L/B = 10)

62. ค่า CW ที Fn = 0.5 - 0.7
( S/L= 0.3 และ L/B = 10)

63. 5.5 รูปแบบคลืนทีเกิดจากเรือ

64. ตัวแปร
• Independent variable: ความลึกในรูปของ Fnh
(เมื/อ Fnh = V/√gh)
• Dependent variable: ความสูงของคลื/นในรูป - H/T• Dependent variable: ความสูงของคลื/นในรูป - H/T
• Control variable: S/L = 0.3,
L/B = 10

65. รูปแบบคลืนตามตัวเรือคู่ด้านนอก เมือ Fn= 0.5

66. ทดสอบรูปแบบคลืนตามตัวเรือคู่ด้านนอก
เมือ Fn = 0.5 และ 1.0

67. รูปแบบคลืนตามตัวเรือคู่ด้านนอก
เมือ Fnh = 0.6 และ 0.7

68. เปรียบเทียบรูปแบบคลืนทีผิวนํ.า
Pascal

69. ระยะห่างจากตัวเรือ (Z) ในการศึกษารูปแบบคลืน

70. รูปแบบคลืนทีระยะ z ต่าง ๆ เมือ Fnh = 0.6

71. รูปแบบคลืนทีระยะ z ต่าง ๆ เมือ Fnh = 0.7

72. 6. สรุปผลการวิจัย

73. 6.1 แนวทางการจําลองการไหลรอบตัวเรือด้วยวิธี CFD
1. แบบจําลอง 2 มิติ สามารถใช้ในการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่าง S/L และL/B
ต่อ CT การแบ่งกริดรูป Quadrilateral แบบ Structured grid ที/มี min face area
ประมาณ 4 x 10-7 ตารางเมตร ส่วนแบบจําลองการไหลแบบปั/นป่วนที
เหมาะสมกับการแบ่งกริดข้างต้นได้แก่ แบบจําลอง k-ε
2. แบบจําลอง 3 มิติ ใช้ในการศึกษา CT, CF, CR, CV และ CW ตลอดจนรูปแบบ
คลื/นที/เกิดจากเรือ การจําลองการไหลแบบปั/นป่วนแบบ 2 เฟส โดยใช้
2. แบบจําลอง 3 มิติ ใช้ในการศึกษา CT, CF, CR, CV และ CW ตลอดจนรูปแบบ
คลื/นที/เกิดจากเรือ การจําลองการไหลแบบปั/นป่วนแบบ 2 เฟส โดยใช้
แบบจําลอง k-ε ร่วมกับแบบจําลอง Implicit VOF ทั5งนี5การแบ่งกริดที/
เหมาะสมในการคํานวณได้แก่รูปทรง Hexahedron แบบ Structured grid ที/มี
min face area ประมาณ 2.5 x 10-3 ตารางเมตร
3. ทั5งนี5แบบจําลองการไหล 3 มิติ ที/ใช้ศึกษานี5 ยังไม่สามารถแสดงขนาดของความ
ต้านทานและความสูงของคลื/นได้อย่างแม่นยํา แต่สามารถแสดงแนวโน้มได้
สอดคล้องกับผลการทดลองและทฤษฎี

74. 6.2 แนวทางการออกแบบเรือแบบตัวเรือคู่
โดยการปรับเปลียน S/L และ B/L
1. ระยะห่างระหว่างตัวเรือคู่และความเพรียวของตัวเรือคู่มีผลต่อความ
ต้านทาน
2. ความต้านทานมีแนวโน้มลดลงเมื/อ S/L เพิ/มขึ5น ทั5งนี5อัตราส่วน S/L
ที/เหมาะสมทั5งในด้านลดความต้านทานและเพิ/มความแข็งแรงของที/เหมาะสมทั5งในด้านลดความต้านทานและเพิ/มความแข็งแรงของ
โครงสร้างดาดฟ้าในการออกแบบเรือแบบตัวเรือคู่ ได้แก่ S/L = 0.3
3. เมื/อความเพรียวของตัวเรือในรูปของ L/B เพิ/มขึ5น มีแนวโน้มที/ความ
ต้านทานของเรือจะลดลง ดังนั5นจึงควรออกแบบตัวเรือคู่ให้มีความ
เพรียวมากที/สุดเท่าที/จะเป็นไปได้
4. แบบจําลอง 2 มิติ สามารถนํามาใช้ในการศึกษารูปทรงตัวเรือเพื/อลด
ความต้านทานเชิงคลื/น

75. 6.3 ความต้านทานของเรือและรูปแบบคลืนทีเกิดจาก
เรือแบบตัวเรือคู่
1. ความต้านทานของเรือเพิ/มขึ5นเมื/อความเร็วเรือเพิ/มขึ5น
2. ในช่วงการใช้งานเรือโดยสารในแม่นํ5าเจ้าพระยาในเขตกรุงเทพ ฯ ซึ/ง
จัดเป็นย่านความเร็วสูง ( Fn = 0.5 – 0.7) และเป็นเขตนํ5าตื5น ( Fnh= 0.6
– 0.7) นั5น CT มีค่าลดลงเมื/อความเร็วสูงขึ5น โดย– 0.7) นั5น CT มีค่าลดลงเมื/อความเร็วสูงขึ5น โดย
a) CF และ CV ไม่เปลี/ยนแปลงตามความเร็ว
b) CW มีค่าลดลงเมื/อความเร็วเพิ/มขึ5น
c) CT ขึ5นอยู่กับ CW ดังนั5นการใช้เรือที/ความเร็วสูง CT ของเรือจะ
ลดลงถ้าทําให้ CW ลดลง

76. 6.3 ความต้านทานของเรือและรูปแบบคลืนทีเกิดจาก
เรือแบบตัวเรือคู่ (ต่อ)
3. ที/ความเร็วคงที/แต่ความลึกลดลง พบว่าขนาดของสันคลื/นมีความสูง
เพิ/มขึ5นและเดินทางได้ไกลกว่าซึ/งไม่เหมาะสมในแง่ของการแก้ปัญหา
การพังทลายของริมฝั/งแม่นํ5า
4. เมื/อเรือแบบตัวเรือคู่แล่นในเขตนํ5าตื5นจะทําให้เกิดคลื/นที/มีความสูง
มากกว่าในเขตนํ5าลึก
4. เมื/อเรือแบบตัวเรือคู่แล่นในเขตนํ5าตื5นจะทําให้เกิดคลื/นที/มีความสูง
มากกว่าในเขตนํ5าลึก
5. คลื/นจะค่อย ๆ ลดความสูงลงเมื/อเดินทางห่างออกไปจากตัวเรือ โดย
ขนาดขอคลื/นลดลงประมาณ 50% สําหรับระยะทางห่างจากกึ/งกลาง
ระหว่างตัวเรือคู่ 0.8 เท่าของความยาวแนวนํ5า
6. ในการออกแบบเรือแบบตัวเรือคู่สําหรับใช้งานในย่านความเร็วสูงควร
มีการพิจารณาความสูงของคลื/นที/เกิดจากเรือเนื/องจากความลึกของนํ5า
ประกอบด้วย

77. 7. ประโยชน์จากการวิจัย
1. ใช้ในการออกแบบเรือเบื5องต้น (Preliminary design) ทดแทนการ
ทดลองลากเรือจําลองในอ่างนํ5า
2. ใช้ในการศึกษารูปแบบคลื/นที/เกิดจากเรือ ทั5งจากการเปลี/ยนความเร็ว
หรือ ความลึกของเส้นทางหรือ ความลึกของเส้นทาง
3. ใช้ในการจําลองการไหลอื/น ๆ ทั5งแบบ 2 และ 3 มิติ
4. การนําข้อมูลไปใช้ในการออกแบบเรือแบบตัวเรือคู่เพื/อใช้งานต่อไป
โดยเฉพาะการออกแบบเรือโดยสารแบบลดคลื/นแบบตัวเรือคู่ใน
แม่นํ5าเจ้าพระยา

78. 8. ข้อเสนอแนะเกียวกับการวิจัย
1. การแบ่งจํานวนกริดที/เหมาะสมสําหรับแบบจําลองการไหลปั/นป่วน
2. การใช้แบบจําลองการไหลปั/นป่วนชั5นสูงขึ5น เช่น Reynolds Stress
Model (RSM)
3. การใช้แบบจําลอง VOF ชั5นสูง เช่น Euler Explicit หรือ Geo-3. การใช้แบบจําลอง VOF ชั5นสูง เช่น Euler Explicit หรือ Geo-
Reconstruct
4. การใช้คอมพิวเตอร์ที/มีระบบประมวลผลที/มีความเร็วสูงและมี
หน่วยความจําที/เหมาะสม
5. การจําลองการไหลกับเรือแบบตัวเรือคู่ตามรูปทรงที/ใช้งานจริง

79. จบการนําเสนอ
ตอบข้อซักถาม

80. • เส้นทางเดินเรือใน
แม่นํ.าเจ้าพระยา

81. Finite Volume Method
Control voulme
DiscretizationDiscretization
Solution