Khí độ ng h ọ c ô tô
Khí độ ng l ự c h ọ c và các thông s ố đặc trưng
Đối tượng nghiên cứu của khí động học là dòng chảy quanh một vật cản đang chuyển động bằng phương pháp Euler với hệ tọa độ gắn với vật Để đơn giản hóa phương pháp mô tả, người ta coi một vật chuyển động với vận tốc V trong môi trường không khí tĩnh tương đương với vật đứng yên trong dòng khí có vận tốc V.
Hình 1.1 mô tả một vật cản nằm trong dòng chảy không khí với vận tốc ở đầu nguồn là U∞ Dòng chảy không khí tác dụng lên vật một lực F, được phân tích thành 2 thành phần Fx (lực cản) song song với phương chuyển động của dòng khí và Fz (lực nâng) là thành phần vuông góc với phương chuyển động Các lực này được tính như sau:
Trong đó: Fx: là lực cản;
Cx, Cz: là các hệ số ρ: khối lượng riêng không khí
U∞: vận tốc chuyển động (m/s) A: là diện tích cản chính diện (m 2 )
Hình 1.1 Các lực tác dụng lên vật nằm trong dòng chảy
Công thức 1.1 cho thấy hệ số Cx không có thứ nguyên, nó không đặc trưng cho một đại lượng vật lý nào mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật Đây là thông số đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu khí động học
Công thức trên cũng cho thấy, để giảm lực cản của không khí lên vật đang chuyển động thì chỉ có cách duy nhất hợp lý là giảm hệ số Cx Bởi vì, nếu giảm A thì sẽ giảm thể tích sử dụng làm ô tô trở nên chật chội Nếu giảm U thì tốc độ chuyển động giảm làm năng suất vận chuyển giảm theo Vì vậy, tất cả các nỗ lực trong nghiên cứu khí động học ô tô ngày nay tập trung chủ yếu vào việc cải thiện hình dáng khí động học vỏ xe nhằm giảm thiểu C x
Trước đây, khi ô tô chuyển động với vận tốc chưa cao, các nghiên cứu khí động học chỉ quan tâm chủ yếu đến lực cản Fx do lực nâng rất nhỏ và ảnh hưởng không nhiều đến điều kiện chuyển động Khi ô tô chuyển động với vận tốc cao hơn, chẳng hạn như ô tô thể thao và ô tô đua thì thành phần lực này đã được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn Đối với các ô tô là đối tượng nghiên cứu của đề tài, vận tốc tối đa thường xấp xỉ 100km/h, nên ảnh hưởng của lực nâng là không đáng kể
Trong nghiên cứu khí động học, có 2 thông số quan trọng đặc trưng dòng chảy không khí là số Reynolds và số Mach Chúng được định nghĩa như sau:
Trong đó: L: thông số hình học đặc trưng (m) à: hệ số độ nhớt động lực (N.s/m 2 ) a: vận tốc truyền âm trong không khí
Chỉ số “∞” trong các công thức trên thể hiện thông số được lấy ở vùng không khí cách xa vật chuyển động và không chịu ảnh hưởng của vật này
Trong nghiên cứu thủy khí động lực học người ta thường dùng các thông số trên để đánh giá trạng thái dòng chảy và làm chỉ tiêu cho các phép quy đổi tương tự Trong đó, thông số thường dùng đối với khí động học ô tô là Re vì M thường rất bé (M 60 gần như không có sự cải thiện về lực cản Ngoài ra khi kính chắn gió có góc nghiêng lớn sẽ gây ra một số vấn đề liên quan đến khả năng quan sát và nhiệt độ cao trong buồng lái
Hình 1.15 Các nhân tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản trên kính chắn gió Góc nghiêng kính chắn gió ảnh hưởng gián tiếp đến lực cản Góc nghiêng lớn tạo ra ít áp lực ngược hơn ở phần tiếp xúc với nóc Ngoài ra khi góc nghiêng kính lớn hơn, không khí bị đẩy ra phía cột A sẽ ít hơn và vì vậy dòng xoáy tạo ra sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn
Hình 1.16 Sự phân bố áp suất lên kính chắn gió và cột A
Trần xecũng là phần chịu tác động của lực cản, Hệ số cản có thể giảm bằng cách làm tăng độ cong của trầnxe theo chiều dọc Tuy nhiên nếu độ cong quá lớn thì hệ số cản Cd lại có thể tăng Những ảnh hưởng thuận lợi của sự tạo vòm phụ thuộc vào sự duy trì đủ độ lớn bán kính cong tại vị trí giữa kính chắn gió phía trước với trần xe và giữa trần xe với kính chắn gió phía sau Vì vậy các áp lực ngược tại các vị trí này không lớn và độ chênh lệch áp suất tương ứng nhỏ
Tuy nhiên khi thiết kế độ cong của trần xe phải đảm bảo diện tích mặt trước của chiếc xe không đổi, nếu không lực cản sẽ tăng mặc dù đã giảm hệ số cản Cd d)Gầm xe
Mặt dưới của hầu hết các gầm xe đều là các mặt nhám Thực tế là một gầm xe nhẵn làm giảm lực cản một cách đáng kể Tuy nhiên sự thay đổi này sẽ phức tạp và khó thưc hiện. e) Lực cản từ dòng không khí qua một chiếc xe
Trong ô tô có một vài đường ống dẫn khí để dẫn không khí đến bộ tản nhiệt cho nước làm mát, ngoài ra không khí còn được cung cấp đến động cơ để đốt cháy nhiên liệu Không khí sạch cần được đưa vào khoang hành khách và thoát ra ngoài, phần lực tổn thất do dòng chảy đi qua những ống dẫn riêng biệt sẽ tạo ra lực cản Tuy nhiên với ô tô chỉ các lực cản phụ gây ra bởi dòng không khí đi qua bộ tản nhiệt là đáng kể Sự đóng góp của các ống dẫn bên trong đối với lực cản là rất nhỏ
Hình 1.17 Dòng không khí đi qua bộ tản nhiệt Các lực tạo ra bởi dòng không khí làm mát được tính toán dựa trên các định luật bảo toàn Nếu không khí làm mát được đẩy lên phía trên, nó sẽ tạo ra áp lực ngược Vì lí do đó mà loại ống dẫn không khí này thường được dùng trên xe đua
Lực cản tổng hợp tổng cộng do luồng không khí làm mát bao gồm hai thành phần:
- Sự tổn thất áp lực bên trong ống dẫn không khí làm mát
- Lực cản giao thoa Không khí đi qua một chiếc xe có thể làm thay đổi luồng không khí xung quanh thân của nó, do đó tác động đến lực cản bên ngoài Thông thường sự giao thoa lực cản là tích cực, tuy nhiên trong một số trường hợp nó lại có ảnh hưởng tiêu cực Luồng không khí làm mát chủ yếu thay đổi dòng chảy bên dưới một chiếc xe Góc lắc ngang ở trước bánh xe tăng lên, do đó lực cản của các bánh xe tăng Để làm chậm quá trình tăng của lực cản này, các nhà thiết kế đã tạo ra các lối thoát cho không khí ở bên sườn xe.
Hình 1.18 Một số dạng ống dẫn không khí làm mát Tuy nhiên, trong thực tế hai thành phần của lực cản thường không tách biệt nhau Tổng của cả hai thành phần được xác định bằng phép đo sự khác biệt trong lực cản giữa các hình dạng với các cửa hút và đóng luồng không khí làm mát đi vào.
Sự phát triển hình dạng thân xe
Sự phát triển của bất kỳ một thiết bị kỹ thuật nào thường được thực hiện qua hai giai đoạn:
- Giai đoạn thứ nhất là thiết kế tính toán, tiếp theo là quá trình thử nghiệm
- Giai đoạn thứ hai là chỉnh sửa
Quá trình này thường được lặp lại nhiều lần Với các máy móc phức tạp như động cơ tuốc bin hoặc máy bay quá trình lặp lại này bắt đầu với các chi tiết và kết thúc với sản phẩm hoàn thiện Tuy nhiên việc thiết kế khí động học ô tô không thể thực hiện theo quá trình này Lý do thứ nhất là không thể phân chia thân xe thành các phần nhỏ Lý do thứ hai là dòng không khí xung quanh ô tô vẫn chưa thể được tính toán một cách chính xác Quá trình hình thành một thân dạng khí động học là thực nghiệm Với mục tiêu này, các chiến lược đã được đưa ra để nhanh chóng thực hiện được quá trình tối ưu Các chiến lược này phù hợp với quá trình thiết kế Các quá trình tối ưu gồm có tối ưu hóa chi tiết và tối ưu hóa hình dạng a)Tối ưu hóa chi tiết Đa số các kết quả kiểm tra được thảo luận gần đây có thể được phân hạng bởi 3 hàm đặc trưng Các hàm này liên kết hệ số cản Cd với vectơ ri mô tả hình dạng các yếu tố riêng lẻ chẳng hạn như định nghĩa cấu hình của chúng Các vectơ rinày có thể làbán kính, chiều cao hoặc chiều dài… Có 3 loại hàm tồn tại:
- Hàm bão hòa: Một đường cong điển hình được thấy trong trường hợp bo tròn một cạnh.
- Hàm nhảy: Loại này xuất hiện khi dòng chảy thay đổi đột ngột từ dạng này sang dạng khác, chẳng hạn khi thay đổi trạng thái dòng chảy từ một chiếc đuôi lướt sang một chiếc đuôi vuông
- Hàm nhỏ nhất: Loại này luôn xuất hiện khi lực cản được tạo thành từ hai thành phần có ảnh hưởng ngược chiều Một ví dụ điển hình của hàm này là chiều cao của tấm chắn phía trước
Hình 1.19 Sự biểu diễn các hàm đặc trưng Một chiến lược để phát triển khí động học là xác đinh các hàm Cd này cho tất cả các thông số dự kiến sẽ có ảnh hưởng đến lực cản của một mô hình đã cho Do sự giao thoa giữa các chi tiết riêng lẻ, quá trình này cần được lặp lại, nhưng nếu trình tự của các thí nghiệm được chọn để tương ứng với đường đi của dòng chảy, chẳng hạn từ trước đến sau, phần lớn các tương tác như vậy được đưa vào tính toán.
Một tính năng phố biến của cả 3 hàm là mỗi hàm có một vectơ ρi mà bất kỳ thay đổi nào sẽ không làm giảm đáng kể lực cản Vecto ρi này được gọi là tối ưu vì nó xác định giá trị C d tối ưu Các hàm được phác họa trên hình 1.19 là cơ sở cho việc xnghiên cứuxét thực hiện các biện pháp đề xuất kiểu dáng thân xe.
Hình 1.20 Tối ưu hoá các chi tiết trên ô tô Quá trình này được gọi là tối ưu hóa chi tiết, có ưu thế trong phát triển ô tô cho đến cuối những năm 1960 Nó đóng một phần quan trọng trong thiết kế các thông số tối ưu thường khác rất ít so với các giá trị ban đầu họ đã chọn vì tính thẩm mỹ Do đó có
19 thể giảm lực cản một cách đáng kể mà không làm thay đổi nhận thức về hình dạng của một chiếc xe
Hình 1.21 Tối ưu hoá các chi tiết trên ô tô Một ví dụ được đưa ra trong hình 1.21 Bằng cách tối ưu hóa chỉ 5 chi tiết ở thân xe, lực cản đã giảm 21% so với giá trị ban đầu, trong khi mô hình tối ưu hóa đã trực quan không phân biệt được với kiểu dáng mẫu Khi những hạn chế của việc duy trì kiểu dáng đã được giảm bớt, lực cản đã được giảm thậm chí nhiều hơn, trong trường hợp cụ thể này là 33% so với mẫu ban đầu Một ví dụ khác được trình bày trong hình 1.20, tuy nhiên trong trường hợp này, lực cản chỉ giảm được 13%.
Với tiêu chí không có sự thay đổi trong thiết kế thì rất khó để giảm hệ số cản ở các cạnh sắc vuông dưới 0,4 Ngày nay, chiếc lược tối ưu hóa chi tiết vẫn được áp dụng với ô tô ở những nơi mà lực cản thấp là ưu tiên thứ hai chẳng hạn như ô tô địa hình, ô tô bán tải Để giảm được hệ số cản xuống dưới 0,4 thì cần sử dụng một phương pháp tiên tiến hơn, đó là tối ưu hóa hình dạng
20 b)Tối ưu hóa hình dạng
Hình 1.22 Sự phát triển của hình dạng thân xe Trong tối ưu hóa hình dạng, sự phát triển khí động học bắt đầu với một hình dạng có hệ số cản rất thấp gọi là thân chính (thân cơ sở) Điều kiện ràng buộc duy nhất của thân cơ sở này là kích thước của nó không được vượt quá kính thước tổng thể của xe thiết kế, chẳng hạn như chiều dài, chiều rộng, chiều cao và phải có khe hở với mặt đất Trong quá trình phát triển thân cơ sở này đã được chuyển thành một chiếc ô tô như trong hình 1.22 và 1.23
Hình 1.23 Sự phát triển hình dạng của ô tô từ thân cơ sở
Cũng như tối ưu hóa chi tiết, tối ưu hóa hình dạng tạo ra một tập các hàm liên kết sửa đổi hình dạng riêng lẻ để gia tăng lực cản Hình dạng cơ bản mà kết quả có chứa tất cả các yếu tố hình dạng thiết yếu của chiếc xe tiếp theo nhưng nó vẫn hoàn toàn trơn (nhẵn), nó chỉ có lực cản lớn hơn một ít so với thân cơ sở Thực tế trong quá trình từ hình dạng cơ sở đến mẫu cơ sở, sự tăng mạnh lực cản là không thể tránh khỏi một lần nữa chứng tỏ tầm quan trọng của chi tiết Phụ thuộc vào việc mô hình này sai khác bao nhiêu so với mẫu thiết kế, mô hình có thể trải qua sự tăng lực cản nhiều hơn nữa trong quá trình đến chiếc xe cuối cùng.
Tình tr ạ ng nghiên c ứu khí độ ng h ọ c ô tô
Nghiên c ứ u lý thuy ế t
Nghiên cứu lý thuyết dựa trên những phương pháp mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh ô tô dựa trên phương trình Navier – Stokes Đây là một bài toán hết sức phức tạp và vẫn đang là mối quan tâm hàng đầu của những nhà nghiên cứu khí động học trên thế giới và cho tới nay người ta chưa tìm được lời giải đầy đủ được bằng phương pháp giải tích Vì vậy, đã từ lâu các nhà nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng các mô hình đơn giản hóa và các phương pháp giải gần đúng với sự trợ giúp của máy tính Ngày nay, công cụ phổ biển hơn cả trong việc giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng của bài toán khí động học ô tô là phương pháp số
Hình 1.24 Lịch sử phát triển của các mô hình tính toán khí động học
Việc giải phương trình bằng các phương pháp số cũng vô cùng phức tạp, đặc biệt là trong trường hợp dòng chảy rối Bởi vậy, người ta thường phải giải các phương trình trên với các giả thiết đơn giản hóa Chẳng hạn, với giả thiết chất khí không nhớt phương trình Navier - Stokes có dạng đơn giản nhất, gọi là phương trình Ơ le Trong trường hợp vận tốc chuyển động nhỏ hơn100 m/s (M ≤ 0,3), có thể sử dụng giả thiết chất khí không chịu nén (ρ = const), khi đó các phương trình khí động học sẽ có dạng phương trình Laplace và là các phương trình tuyến tính Đồ thị minh họa trên hình 1.10 cho thấy, mức độ phức tạp của bài toán khí động học phụ thuộc vào kết cấu cụ thể và yêu cầu về độ chính xác Đối với những thiết bị có mức độ phức tạp cao (tàu vũ trụ), người ta buộc phải cố gắng giải phương trình Navier- Stokes đầy đủ Đối với những trường hợp có kết cấu đơn giản hơn, bài toán được phân thành các mức độ phức tạp khác nhau Nếu coi ô tô có mức độ phức tạp kết cấu trung bình, thì từ
1980 trở về trước bài toán khí động học được giải dưới dạng phương trình Ơ le bằng phương pháp sai phân hữu hạn Từ 1990 đến nay, các nhà nghiên cứu khí động học ô tô giải quyết bài toán khí động học dưới dạng phương trình Reynolds trung bình hóa Phương pháp này cũng sẽ được sử dụng trong Đề tài để giải bài toán khí động học vỏ xe ô tô và sẽ được trình bày kỹ lưỡng trong chương 2.
Khó khăn trong việc giải bài toán khí động học bằng phương pháp số không nằm ở các vấn đề lý thuyết mà chủ yếu là do khối lượng tính toán Để giải bài toán với yêu cầu độ chính xác cao cần có mô hình chính xác, chia lưới với bước nhỏ, số lượng phần tử lớn nên đòi hỏi khối lượng các phép tính và thời gian tính toán rất lớn Chẳng hạn, vào giữa những năm 1990, để giải bài toán khí động học ô tô với độ chính xác cao trên siêu máy tính CRAY C90 cần có thời gian từ 1 đến 2 tháng Ngày nay, công nghệ thông tin phát triển mạnh cả về phần cứng và phần mềm đã giúp giảm bớt khó khăn cho việc giải bài toán khí động học ô tô Tuy nhiên, nó vẫn là bài toán khó đòi hỏi thời gian tính toán rất lớn, đặc biệt là trong điều kiện không có máy tính đủ mạnh
Phương pháp chủ đạo để giải các phương trình vẫn là phương pháp số với sự hỗ trợ của các máy tính mạnh Tất cả các phương pháp số đang được sử dụng để giải các phương trình vi phân mô tả dòng chảy khí động đều dựa trên việc mô tả vỏ xe trong không gian (chia lưới miền cần tính toán) và trong thời gian: tại mỗi điểm trên lưới, người ta tính toán các thông số của dòng chảy cho mỗi bước thời gian.
Hiện nay, được sử dụng rộng rãi hơn cả trong tính toán khí động học là phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thể tích hữu hạn Mỗi phương pháp đều có ưu, nhược điểm riêng và vẫn đang được sử dụng song song.
Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm: độ chính xác cao; các điều kiện biên là điều kiện thực; việc chia lưới linh hoạt Nhưng nó cũng có những nhược điểm: đòi hỏi phải có bộ nhớ lớn; thời gian tính toán rất dài; chia lưới phức tạp trong vùng lớp biên; xây dựng mô hình tương đối khó
Phương pháp thể tích hữu hạn có những ưu điểm: bộ nhớ ít hơn; xây dựng mô hình đơn giản hơn; thời gian tính toán ngắn hơn so với phương pháp phần tử hữu hạn Nhược điểm của phương pháp này là: việc tạo lưới không được chuẩn hóa và các điều kiện biên không phải là điều kiện thực.
Những nghiên cứu hoàn thiện vẫn đang được tiếp tục đối với cả hai phương pháp tính trên và ngày càng đưa chúng xích lại gần nhau hơn Tuy nhiên, cho tới nay, để giải quyết các bài toán về dòng chảy nói chung, người ta vẫn thiên về phương pháp thể tích hữu hạn.
Gần đây, sự phát triển của các phần mềm tính toán chuyên dụng đã mở ra khả năng mới cho các nhà nghiên cứu khí động học ô tô để giải các bài toán ở mức độ phức tạp vừa phải Chẳng hạn, ANSYS FLUENT cung cấp công cụ giải bài toán khí động học ô tô bằng phương pháp thể tích hữu hạn Đây là giải pháp tương đối đơn giản, nhưng rất hiệu quả cho các nghiên cứu ứng dụng không đòi hỏi độ chính xác quá cao Trong các nghiên cứu chuyên sâu về lý thuyết, các nhà nghiên cứu thường phải sử dụng phương pháp lập trình trực tiếp cho bài toán phần tử (hoặc thể tích) hữu hạn đầy đủ, có tính xác thực cao.
Nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện chủ yếu trong thiết bị chuyên dùng gọi là ống khí động Hiện nay, các ống khí động đã tạo được điều kiện thử ngày càng gần với thực tế hơn: thử ô tô với kích thước thật, tạo được môi trường, điều kiện thử phong phú (thay đổi nhiệt độ, áp suất, tạo mưa, nắng, ) và đặc biệt là các thiết bị đo hiện đại đã cho phép thực hiện những thí nghiệm với độ chính xác cao và mở rộng phạm vi nghiên cứu Ống khí động là thiết bị dùng trong nghiên cứu thực nghiệm khí động học ô tô Nó là một ống khí với buồng thử có tiết diện được thu hẹp lại nhằm mục đích tăng vận tốc thử Ô tô thí nghiệm (hoặc mẫu thử) được gắn trên một bàn đo, đặt trong buồng thử Nếu ống khí động có kích thước đủ lớn thì người ta sử dụng vỏ xe thực để thí nghiệm Còn nếu ống có kích thước nhỏ thì thay cho xe thật là mẫu thử có hình dạng hoàn toàn giống xe thật nhưng kích thước nhỏ hơn, tương thích với kích thước của buồng thử
Buồng thử Xe (mẫu) thí nghiệm
Hình 1.25 Sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí động Ống khí động được trang bị một quạt hút có công suất đủ lớn để tạo được vận tốc thử cần thiết với điều kiện có dòng chảy tương tự như khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí Dòng khí đi qua vỏ xe thí nghiệm sẽ tạo nên các lực và mô men tác động lên thân xe Các lực và mô men này được đo bằng nhiều phương pháp khác nhau Ngày nay, phổ biến hơn cả là bàn đo 6 thành phần như mô tả trên hình vẽ Thiết bị đo gồm các cảm biến đo lực và mô men, có khả năng đo được các lực và mô men theo cả
T ổ ng quan v ề mô ph ỏ ng CFD và các ứ ng d ụ ng công nghi ệ p
Giới thiệu về mô phỏng CFD
CFD (Computational Fluid Dynamics): Tính toán động lực học chất lưu, các vấn đề về khí động học trong kỹ thuật, mô phỏng tác động của dòng chảy nhiệt trong các quá trình Đây là một giải pháp được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực, nghiên cứu thực tiễn như: xây dựng các công trình đập thủy điện, thiết kế các hệ thống thông gió, khảo sát khí tượng, cũng như thử nghiệm các phương tiện, khí tài quân sự-trinh sát, khảo sát các dòng chảy của vật liệu trong khuôn… Giúp đánh giá được những tác động của các yếu tố ngoại cảnh (thực tế) lên các đối tượng khảo sát Do đó hiện nay CFD được sử dụng rất rộng rãi trên rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống
Bảng 1.1 Một số nguyên nhân giải thích tại sao CFD được sử dụng rộng rãi?
Sựưu việt của mô phỏng CFD Tiết kiệm thời gian
- Tốc độ tính toán mô phỏng đã và đang được cải thiện đáng kể
- Hệ thống tiêu chuẩn cho mô phỏng
- Rút ngắn thời gian khi giải quyết vấn đề bằng cách dùng mô phỏng để xác định nguyên nhân vấn đề
- Sự hoàn thiện của lý thuyết mô phỏng CFD
- Nhiều tiềm năng ứng dụng trong kỉ nguyên internet vạn vật (loT) và kỹ thuật số song song (Digital Twin)
- Rút ngắn đáng kể quá trình thiết kế và thương mại hóa sản phẩm bằng mô phỏng
Tiết kiệm chi phí Tối ưu hoá về phát triển bền vững
- Sử dụng ít thí nghiệm, thiết bị phân tích đo lường cho công việc nghiên cứu và thiết kế
- Giúp quá trình & thiết bị hoạt động hiệu quả, tiêu tốn ít nguyên vật liệu và năng lượng
- Giúp quá trình & thiết bị hoạt động hiệu quả và ổn định hơn, cho ra sản phẩm tốt hơn
- Giúp cải thiện tính an toàn và bảo vệ môi trường
Nói riêng về ứng dụng của CFD trong lĩnh vực IoT thì gần đây nhiều tập đoàn lớn như General Electric, Azure, Singhiên cứuens, IBM, Cisco, Oracle, QiO Technologies, Dassault Systnghiên cứus, ANSYS, hay Bosch đã sử dụng rộng rãi mô phỏng CFD kết hợp với IoT như một công cụ tạo ra lượng lớn dữ liệu (big data) cho các mô hình máy học
(machine learning), qua đó tạo thành một ngành mới có tên là ngành kỹ thuật số song song (Digital Twin).
Mô phỏng CFD
Mô phỏng CFD (còn được gọi là Mô phỏng động lực học dòng chảy) là một nhánh của cơ học chất lưu (fluid mechanics) sử dụng phương pháp số và cấu trúc dữ liệu nhằm phân tích và giải quyết các bài toán liên quan đến chuyển động của chất lưu Kết quả mô phỏng thu được giúp ta hiểu sâu về bản chất của dòng chảy và các tác động của nó tới quá trình khảo sát Để thực hiện các mô phỏng CFD thì chúng ta có thể sử dụng các phần mềm mô phỏng thương mại (commercial code) như FLUENT, CFX của ANSYS,
STAR-CCM+ của Singhiên cứuens, hay các phần mềm mã nguồn mở (open-source code) như OpenFOAM
Vào những năm 1922, Lewis Fry Richardson (1881-1953) đã đặt nền móng đầu tiên cho CFD Tuy nhiên, mãi đến năm 1967 thì những mô hình CFD 3 chiều (3D) đầu tiên cho mô phỏng cánh máy bay mới được công bố Kể từ đó CFD được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu của NASA và Boeing Nền móng cơ bản của hầu hết các vấn đề CFD đó là phương trình Navier-Stokes vốn dùng để định nghĩa các dòng chảy đơn pha (khí hoặc lỏng, nhưng không đồng thời khí và lỏng) Từ nền móng đó, bằng việc giả sử đơn giản hóa các thành phần của phương trình Navier-Stokes ta có các phương trình khác như phương trình Euler, dòng Stokes, dòng Fanno, dòng Rayleigh, v.v Hoặc
26 ngược lại, bằng việc bổ sung các khái niệm như “nhiệt độ hạt” – năng lượng dao động của hạt rắn (granular tnghiên cứuperature – solids fluctuating energy) thì các hệ đa pha khí-rắn được giải gần giống như dòng liên tục
Cho đến ngày nay, các vấn đề cơ bản của CFD nếu phân loại theo dạng mô hình toán học thì bao gồm:
- Các dòng chảy cơ bản và dòng chảyrối bên trong và ngoài vật thể
- Dòng phản ứng đốt cháy
- Dòng đa pha có hạt phân tán trong pha liên tục
- Dòng đa pha liên tục và bề mặt phân riêng pha
- Tương tác qua lại giữa dòng chảy và vật thể chịu tác động
- Tương tác giữa động lực học dòng chảy và chuyển động phân tử hoặc từ trường
Hình 1.26 Mô hình căn bản trong mô phỏng CFD
Quy trình mô ph ỏ ng CFD
Tuy rằng chưa có bất cứ tiêu chuẩn nào rõ ràng cho các quy trình mô phỏng CFD nhưng căn cứ vào kinh nghiệm và các tài liệu nội bộ của phòng thí nghiệm Los Alamos (USA), thì quy trình mô phỏng CFD có thể được chia ra hai loại chính: a) Quy trình cơ bản cho người dùng:
Nhằm giúp cho người dùng dễ dàng làm theo các tác vụ của việc mô phỏng CFD, quy trình cơ bản của mô phỏng CFD chia ra làm các bước: (1) Tạo hình học, (2) Đơn giản hóa hình học, (3) Rời rạc hóa miền tính toán – được gọi là quá trình chia lưới, (4) Thiết lập thông số mô hình, (5) Chạy mô phỏng, (6) Kiểm tra tính hội tụ của phương
27 pháp số, (7) Mô phỏng cho các trường hợp hợp khác nhau, (8) Phân tích kết quả mô phỏng, và (9) Tạo báo cáo
Hình 1.27 Quy trình cơ bản cho người sử dụng mô phỏng CFD b)Quy trình nâng cao cho các kỹ sư:
Quy trình này được kết hợp bởi các quy trình cơ bản và thêm vào đó là quy trình đánh giá (assessment) mô hình CFD bao gồm: Kiểm tra (verification) và Kiểm nghiệm (validation)
❖ Quy trình kiểm tra (verification) mô hình CFD:
Bản chất của các mô hình đều dựa vào các phương trình toán học (mathnghiên cứuatical model), nhưng việc giải các mô hình trên máy tính lại bằng các phương pháp số (numerical method) Mục đích của quy trình kiểm tra mô hình CFD nhằm giảm thiểu các sai số do phương pháp số gây ra Trong CFD thì kiểm tra mô hình CFD ám chỉ việc:
(1) Kiểm nghiệm lưới (mesh-independent test), (2) Sàng lọc lỗi trong các thuật toán (bugs), và (3) Phương pháp tính (numerical schnghiên cứue) Chi tiết của quy trình kiểm tra mô hình sẽ được mô tả chi tiết trong các bài viết sau này
❖ Quy trình kiểm nghiệm (validation) mô hình CFD:
Nhằm mục đích so sánh kết quả từ mô hình CFD và kết quả đo đạc thực tế, quy trình kiểm nghiệm được sử dụng trong hầu hết các bước phát triển mô hình Quy mô của
28 kiểm nghiệm mô hình CFD có thể là: (1) Kiểm nghiệm một phần hệ thống trong điều kiện giới hạn tại điều kiện phòng thí nghiệm, (2) Kiểm nghiệm toàn bộ hệ thống trong điều kiện thực tế, (3) Kiểm nghiệm nhiều thông số khác nhau trong các dải điều kiện làm việc khác nhau, hoặc (4) Kiểm nghiệm thời gian thực Quy mô càng toàn diện và càng nhiều thông số được kiểm nghiệm thì mức độ tin cậy của mô hình càng lớn.
Hình 1.28 Tóm lược về quy trình kiểm tra và kiểm nghiệm CFD
Các ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD
Ngày nay thật khó để tìm các lĩnh vực công nghiệp mà không có sự góp mặt của mô phỏng CFD Ứng dụng phổ biến nhất của mô phỏng CFD trong các ngành công nghiệp có thể phân loại thành các nhóm như hình 1.29
Hình 1.29 Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD
- Công nghiệp hàng không và vũ trụ: Đây là một trong những ngành công nghiệp đầu tiên ứng dụng mô phỏng CFD Một trong những ứng dụng nổi bật đó là dùng mô phỏng để tối ưu biên dạng cánh nâng (airfoil)
- Công nghiệp sản xuất ô tô: Từ việc mô phỏng phản ứng đốt cháy trong động cơ đến mô phỏng lực cản tại vỏ xe, CFD đóng góp một phần rất lớn trong nghiên cứu và phát triển của các hãng xe nổi tiếng như: Mercedes, Tesla, hay BMW
- Công nghiệp xây dựng: Mô phỏng đánh giá các chỉ số tiện nghi trong và ngoài tòa nhà Mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống sưởi ấm (heating), thông gió (ventilation), và điều hòa không khí (air conditioning) – HVAC, và hệ thống làm lạnh
- Hệ thống công nghiệp hóa chất và dầu khí:Mô phỏng thiết bị phản ứng (khuấy trộn CSTR, tầng sôi, cột sủi bọt – bubble column, v.v), tháp chưng cất, tháp hấp thụ, hệ thống ống nối, hay hệ thống nồi hơi tận dụng nhiệt
- Thiết bị công nghiệp:Bơm, quạt, máy nén, tua bin, và các thiết bị phân tách ly tâm (cyclone), phân tách pha, trao đổi nhiệt
- Công nghệ y sinh và dược phẩm: Thiết kế các thiết bị vi dòng chảy (microfluidics), vi khuấy trộn (micromixing), mô phỏng dòng chảy trong mạch máu.
- Thời tiết và khí hậu: Mô hình phỏng đoán thời tiết và thiên tai
- Hàng hải và đóng tàu: Mô hình tương tác giữa sóng và ứng suất vỏ tàu, mô hình phỏng đoán lực cản vỏ tàu
XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG LỰC
Cơ sở lí thuy ết khí độ ng h ọ c
Để mô tả dòng chảy của môi chất bất kỳ một cách đầy đủ người ta thường sử dụng phương trình Navier-Stokes, được viết dưới dạng một hệ gồm 3 phương trình: phương trình bảo toàn khối lượng (còn gọi là phương trình liên tục), phương trình bảo toàn động lượng và phương trình bảo toàn năng lượng
Các nghiên cứu về khí động học ô tô đã chỉ ra rằng, dòng khí bao quanh ô tô là dòng chảy dưới âm với M < 0.3, nên có thể chấp nhận giả thiết là chất khí không chịu nén Khi đó, bài toán khí động học chỉ còn lại hai phương trình: phương trình liên tục và phương trình bảo toàn động lượng Các phương trình này có thể được viết dưới nhiều dạng khác nhau Dưới dạng véc tơ, các phương trình mô tả khí động học ô tô dưới dạng véc tơ được viết như sau:
Phương trình bảo toàn động lượng:
Trong đó : 𝑢⃗ là vận tốc ρ là khối lượng riêng của không khí p là áp suất
𝐹 là thể tích đàn hồi ν là độ nhớt động học của không khí
Mô ph ỏ ng dòng ch ả y không khí
Các công cụ toán học và ký hiệu quy ước
Các phương trình vi phân mô tả dòng chảy không khí dưới dạng khai triển thường rất cồng kềnh, nên người ta thường sử dụng các cách viết khác nhau nhằm rút gọn nó a) Các toán tử
Trong đó 𝑖 , 𝑗 , 𝑘⃗ là các véc tơ đơn vị. Đối với véc tơ vận tốc u trong hệ tọa độ Đề Các (x, y, z) với các thành phần theo các phương tương ứng là u, v, w ta sử dụng ký hiệu u (hoặc 𝑢⃗ ):
𝛥 = ▽ 2 = 𝜕𝑥 𝜕 2 2 + 𝜕𝑦 𝜕 2 2 + 𝜕𝑧 𝜕 2 2 (2.7) Đạo hàm toàn phần tử của hàm u (x, y, z, t):
𝑑𝑡 = 𝜕𝑢 𝜕𝑡 + 𝜕𝑢 𝜕𝑥 𝑑𝑥 𝑑𝑡 + 𝜕𝑢 𝜕𝑦 𝑑𝑦 𝑑𝑡 + 𝜕𝑢 𝜕𝑧 𝑑𝑧 𝑑𝑡 (2.8) b)Các kí hiệu quy ước:
Các phương trình đạo hàm riêng viết dưới dạng khai triển thường rất dài, nên trong Đề tài sẽ sử dụng cách viết gọn với các ký hiệu quy ước sau :
𝜕 𝑗 𝜕 𝑖 - đạo hàm riêng của thành phần thứ i của u theo tọa độ j;
𝜕𝑡𝑝- đạo hàm riêng theo thời gian của p;
Các phương trình mô phỏ ng
a) Phương trình bảo toàn khối lượng
Với các ký hiệu quy ước trên đây, phương trình 2.1 được viết lại dưới dạng khai triển trong hệ tọa độ Đề Các như sau:
𝜕𝑖𝑢𝑖 = 0 (2.11) b) Phương trình bảo toàn động lượng
Bằng cách chiếu phương trình 2.2 xuống các trục của hệ tọa độ (x, y, z) người ta thu được 3 phương trình:
Trong đó: 𝐹 𝑥 , 𝐹 𝑦 , 𝐹 𝑧 là các thành phần của lực thể tích.
Nếu bỏ qua lực thể tích (do khối lượng riêng của không khí rất nhỏ), phương trình trên có thể được viết gọn lại dưới dạng như sau:
Số hạng cuối cùng của phương trình trên đặc trưng cho lực cản nhớt Nếu gọi ứng suất nhớt trên một thể tích nguyên tố của chất khí là 𝜏𝑖𝑗 (hình 2.1), thì phương trình 2.12 có thể viết dưới dạng:
Hình 2.1 Các thành phần ứng suất trên khối chất lỏng Như vậy, để mô tả dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe ô tô, ta có hệ phương trình:
Về nguyên tắc, đây là bài toán khép kín Tuy nhiên, cho tới nay hệ phương trình này vẫn chưa có lời giải lý thuyết đầy đủ và các nhà nghiên cứu vẫn phải sử dụng các phương pháp và công cụ gần đúng để tính toán dòng chảy khí động học ô tô
Khó khăn lớn nhất trong việc giải bài toán khí động học nằm ở mức độ phức tạp của các phương trình vi phân đạo hàm riêng Vì vậy, để giải bài toán này, trong đại đa số các trường hợp các nhà nghiên cứu buộc phải chấp nhận các giả thiết đơn giản hóa Điều này ít nhiều ảnh hưởng đến tính xác thực và độ chính xác của kết quả Mặc dù vậy, tùy theo mục đích nghiên cứu và yêu cầu về cấp độ chính xác của bài toán mà người ta có thể chấp nhận các giả thiết khác nhau để giảm bớt mức độ phức tạp của nó mà vẫn đạt được các kết quả mong muốn.
Các thông số đặc trưng
Như đã trình bày trong Chương 1, các thông số thường dùng để đánh giá dòng chảy khí động học là số Reynolds và số Mach Số Reynolds thường được dùng để xác định trạng thái dòng chảy và được định nghĩa theo công thức 1.3:
Có thể thấy rằng số Re chứa 3 thông số có ảnh hưởng quyết định đến dòng chảy khụng khớ: vận tốc u, kớch thước L và độ nhớt à Vỡ vậy, ngoài việc được sử dụng để xác định trạng thái của dòng chảy, số Re còn được sử dụng để đánh giá tính tương tự giữa hai dòng chảy trong nghiên cứu khí động lực học
Số Mach được định nghĩa theo công thức 1.4:
Trong đó: L- thông số hình học đặc trưng (m); à- hệ số độ nhớt động lực (N.s/m 2 ); a- vận tốc truyền âm trong không khí (~ 330 m/s) Các tính chất của dòng chảy phụ thuộc mạnh vào số Mach nên phương pháp mô tả và nghiên cứu nó cũng được lựa chọn tùy theo M Người ta thường phân loại dòng chảy theo Mach như sau:
M > 1: dòng chảy siêu âm Đối với dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe ô tô, vận tốc thường không lớn nên số M cũng rất nhỏ Chẳng hạn, với vận tốc 300 km/h (chỉ một số xe đua mới đạt được vận tốc này) thì M ≈ 0,25, nên khi nghiên cứu khí động học ô tô người ta thường sử dụng các mô hình dòng chảy không nén Giả thiết chất khí là môi chất không chịu nén giúp cho các nhà nghiên cứu đơn giản hóa được phương trình Navier - Stokes, đưa nó trở thành bài toán có mức độ phức tạp thấp hơn rất nhiều.
Ngoài 2 thông số trên, để nghiên cứu sự phân bố áp suất trên vỏ xe, người ta thường sử dụng áp suất không thứ nguyên Cp:
Trong đó: p là áp suất tại điểm đang xét
𝑝∞ và 𝑢∞ là áp suất và vận tốc tại điểm quy chiếu (ở xa vùng nhiễu động do vật cản nằm trong dòng chảy và không chịu ảnh hưởng của nó).
Sự phân bố áp suất trên vỏ xe chỉ rõ vị trí hình thành các vùng xoáy thấp áp Vì vậy, Cp được coi là thông số rất quan trọng trong việc phân tích, đánh giá và hoàn thiện dạng khí động học của vỏ xe Áp suất trong dòng chảy bao quanh vỏ xe có thể được xác định bằng phương pháp tính toán mô phỏng hoặc bằng cách đo đạc thực nghiệm.
Mô phỏng dòng chảy rối
Như đã trình bày trên đây, khó khăn chính của bài toán khí động lực học ô tô là việc giải một hệ các phương trình vi phân đạo hàm riêng Tuy nhiên, trong thực tế vấn đề còn phức tạp hơn nữa do dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe ô tô là dòng rối Trong điều kiện này, các thông số của dòng chảy (u, v, w và p) tại một điểm bất kỳ trong không gian biến thiên liên tục theo thời gian Mức độ phức tạp của bài toán phụ thuộc vào kích thước của dòng rối, thời gian tồn tại và tốc độ biến thiên của các thông số của nó Để giải quyết các vấn đề trên, các nhà nghiên cứu đã phải đưa ra các phương pháp khác nhau để mô tả các thông số của dòng rối Tùy theo cách mô tả dòng rối mà các người ta có được các mô hình khác nhau để giải bài toán khí động học ô tô Dưới đây là một số mô hình thông dụng.
Hiện nay, để giải bài toán khí động học ô tô trong điều kiện dòng chảy rối, người ta sử dụng hai phương pháp sau: giải trực tiếp phương trình Navier - Stokes (Direct Numerical Simulation, viết tắt là DNS) hoặc sử dụng các mô hình dòngrối. a)Mô phỏng trực tiếp (DNS) Ở đây, người ta sử dụng trực tiếp phương trình Navier - Stokes làm mô hình toán học mô tả dòng chảy rối Đây là bài toán mô tả chính xác nhất dòng chảy khí động học ô tô Tuy nhiên, bài toán có mức độ phức tạp rất cao, việc tính toán gặp phải những vấn đề nan giải do kích thước của dòng rối và thời gian tồn tại của chúng rất nhỏ và vì vậy, thường dẫn đến những khó khăn sau:
- Kết quả tính toán không ổn định và dao động theo thời gian
- Kích thước của lưới và bước chia thời gian quá nhỏ
- Thời gian tính toán rất lớn.
- Bị giới hạn bởi số Reynolds thấp
Với những khó khăn trên, phương pháp DNS hiếm khi được sử dụng để nghiên cứu dòng chảy khí động lực học ô tô b)Các mô hình dòng rối
Do các thông số của dòng rối biến thiên liên tục, nên để mô tả một thông số a bất kỳ của nó, người ta giả thiết như sau: ɑ = ɑ̅ + ɑ ′ (2.19)
Nghĩa là, thông số bất kỳ a của dòng chảy không khí được biểu diễn như tổng của hai thành phần: thành phần không biến động 𝑎̅là giá trị trung bình của ɑvà thành phần
35 biến động ɑ ′ Nếu xét trong khoảng thời gian là T, giá trị trung bình của đại lượng ɑ được tính như sau: ɑ̅ = 1 𝑇 ∫ ɑ(𝑡)𝑑𝑡 0 𝑇 (2.20)
Với giả thiết trên, vận tốc theo 3 phương và áp suất chất lỏng được mô tả bằng các biểu thức sau:
(2.22) Nếu thay các thành phần vận tốc và áp suất trên vào phương trình 2.14, người ta thu được các phương trình ở dạng trung bình hóa Các phương trình này còn được gọi là phương trình Reynolds Navier - Stokes trung bình hóa (Reynolds Average Navier Stokes, viết tắt là RANS):
𝜕 𝑡 𝑢̅ + 𝑢 𝑖 ̅ 𝜕 𝑗 𝑖 𝑢̅ = − 𝑖 1 𝜌 𝜕 𝑖 𝑝̅ + 𝜌 1 𝜕 𝑗 (𝜏 𝑖𝑗 − 𝜌𝑢̅̅̅̅̅̅) 𝑖 ′ 𝑢 𝑗 ′ (2.23) Trong phương trình trên, ta thấy xuất hiện thêm một ẩn số là 𝜌𝑢 𝑖 ′ 𝑢 𝑗 ′ đặc trưng cho ứng suất của dòng rối và thường được gọi là ứng suất Reynolds Để tiện cho việc sử dụng, người ta ký hiệu ứng suất của dòng rối là 𝜏 𝑖𝑗 𝑡 , khi đó:
Việc xuất hiện thêm một ẩn số làm cho bài toán trở nên không khép kín và không thể giải được Có nghĩa là, để giải bài toán với các phương trình Reynolds trung bình hóa, người ta buộc phải mô tả mối quan hệ giữa 𝜏 𝑖𝑗 𝑡 với các thông số của dòng chảy Nếu như 𝜏 𝑖𝑗 𝑡 được mô tả thông qua các thông số đã có trong hệ phương trình (2.14) thì hệ là khép kín, vì khi đó ứng suất Reynolds không còn là ẩn số Nhưng nếu mô tả 𝜏 𝑖𝑗 𝑡 thông qua các thông số khác của dòng chảy thì các thông số này sẽ là các ẩn số mới và đòi hỏi phải bổ sung thêm số phương trình tương ứng với số ẩn mới
Như vậy, có thể thấy rằng việc mô tả ứng suất của dòng rối 𝜏 𝑖𝑗 𝑡 chính là tâm điểm của việc giải bài toán RANS Các nhà nghiên cứu đã tìm ra nhiều cách khác nhau để mô tả 𝜏 𝑖𝑗 𝑡 và cũng chính vì vậy mà sinh ra các mô hình tính toán khác nhau Dưới đây là hai dạng mô hình điển hình để giải phương trình RANS: các mô hình dòng rối nhớt và mô hình ứng suất Reynolds
❖ Các mô hình dòng rối nhớt
Các mô hình sử dụng giả thiết để mô tả 𝜏 𝑖𝑗 𝑡 thông qua một ten sơ biến dạng và độ nhớt dũng rối à t được gọi là mụ hỡnh dũng rối nhớt Ten sơ ứng suất nhớt được mụ tả như sau:
Khi đó phương trình động lượng có dạng:
Về bản chất, độ nhớt dũng rối à 𝑡 là một ten sơ bậc 4 Tuy nhiờn, hầu hết cỏc mụ hỡnh tớnh toỏn đều giả thiết àt là đại lượng vụ hướng nhằm giảm bớt mức độ phức tạp của bài toỏn Mặc dự vậy, việc mụ tả à 𝑡 theo cỏc đại lượng đặc trưng của dũng chảy vẫn là khó khăn lớn nhất trong việc giải quyết bài toán này
Tựy theo cỏch mụ tả à𝑡 mà người ta đưa ra cỏc mụ hỡnh dũng rối khỏc nhau Cỏc mụ hỡnh này thường được phõn biệt theo số phương trỡnh cần thiết để mụ tả à 𝑡 Dưới đây là một số mô hình điển hình
Mô hình với 0 phương trình Độ nhớt dòng rối được mô tả thông qua các thông số của dòng chảy như sau: à𝑡 = 𝜌𝑙𝑚 2 |𝜕𝑦𝑢̅(𝑦)| (2.27)
Với 𝑙 𝑚 là độ dài đặc trưng của dòng rối Đây là loại mô hình đơn giản nhất (ví dụ: mô hình Prandt), nó không sử dụng thêm phương trỡnh bổ sung nào để mụ tả à𝑡 Chớnh vỡ vậy, mà mụ hỡnh cú tờn là “mụ hỡnh với
Mặc dù đơn giản, nhưng mô hình dòng rối nhớt với 0 phương trình hầu như không được sử dụng trong nghiên cứu khí động lực học ô tô, do nó giả thiết dòng rối là môi trường đồng nhất và điều này hoàn toàn không phù hợp với thực tế dòng chảy bao quanh vỏ xe ô tô.
Mô hình với một phương trình Đại diện điển hình của mô hình này là mô hình Prandt Kolmogorov Độ nhớt dòng rối được mô tả thông qua động năng k của nó: à 𝑡 = 𝐶 à 𝐿 √𝑘 (2.28)
Với: Cà : là hệ số
L : là độ dài đặc trưng của dòng rối
Như vậy, trong mô hình xuất hiện thêm một ẩn số là k Để giải được hệ phương trình, người ta buộc phải đưa thêm vào mô hình một phương trình mô tả động năng của dòng rối thông qua các thông số của dòng chảy Vì vậy, mô hình này được gọi là “mô hình với mộtphương trình” Động năng của dòng rối được mô tả bằng phương trình sau:
Mô hình với một phương trình được coi là mô tả tương đối đầy đủ các đặc trưng của các dòng chảy khí động Tuy nhiên, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô hình này cũng không phù hợp với nghiên cứu khí động học ô tô do dòng chảy bao quanh vỏ xe có vùng xoáy rất rộng và luôn tồn tại sự tương tác rất mạnh giữa các dòng xoáy này [44] Chỉ với một phương trình bổ sung là phương trình động năng (2.25) thì không thể mô tả một cách đầy đủ các yếu tố đặc trưng trên Chính vì vậy, mô hình này không được sử dụng để nghiên cứu khí động học ô tô
Phương pháp số để gi ải bài toán khí độ ng h ọ c
Tất cả các phương pháp số để giải các phương trình vi phân mô tả dòng chảy chất lỏng đều dựa trên việc rời rạc hóa trong không gian (chia lưới miền cần tính toán) và trong thời gian: tại mỗi điểm trên lưới, người ta tính toán các thông số của dòng chảy cho mỗi bước thời gian
Hiện nay, được sử dụng rộng rãi hơn cả để giải bài toán khí động học 3D là phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thể tích hữu hạn Mỗi phương pháp đều có các ưu và nhược điểm riêng Tuy nhiên, như đã phân tích trong Chương 1, cả hai phương pháp này đều dựa trên các bước lập trình rất phức tạp, khối lượng tính toán rất lớn, thời gian tính toán dài và đòi hỏi phải có máy tính đủ mạnh
Trong thời gian gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của các phần mềm chuyên dụng đã mở ra một cơ hội mới cho các nhà nghiên cứu trong việc mô phỏng và tính toán khảo sát các hiện tượng vật lý phức tạp như dòng chảy không khí bao quanh ô tô Phần lớn các phần mềm này đều sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn được chuẩn hóa trong các mô đun tính toán chuyên dụng Với sự trợ giúp của các phần mềm này, việc mô hình hóa, mô phỏng và tính toán sẽ trở nên đơn giản hơn nhiều và hoàn toàn có thể được thực
40 hiện bởi những nhà nghiên cứu không có kiến thức chuyên sâu về lập trình và phương pháp số Vì vậy, trong những trường hợp bài toán không đòi hỏi tính độ chính xác quá cao thì phần mềm chuyên dụng là một giải pháp hữu hiệu cho người nghiên cứu
Với những lý do trên, trong Đề tài, Nhóm nghiên cứu đã quyết định sử dụng mô đun FLUENT trong phần mềm ANSYS để mô phỏng, tính toán và khảo sát dòng chảy không khí bao quanh vỏ ô tô khách.
Mô ph ỏng khí độ ng h ọ c v ỏ xe b ằ ng ANSYS – FLUENT
Gi ớ i thi ệ u chung v ề ANSYS – FLUENT
Công ty bắt đầu vận hành vào năm 1970 bởi tiến sĩ John A Swanson với tên gọi ban đầu là Swanson Analysis Systnghiên cứus, Inc (SASI) Mục đích chính của công ty là áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FNGHIÊN CỨU) xây dựng nên một phần mềm để giải các bài toán tĩnh học, động học, nhiệt động và truyền nhiệt Đến năm 1994, công ty được bán lại cho TA Associates Công ty chủ quản mới đã đổi tên mới cho SASI thành ANSYS Inc và đăng ký thương hiệu cho sản phẩm chủ lực của họ là ANSYS®
Kể từ năm 2000 trở đi, ANSYS liên tục tăng cường sức mạnh bằng việc thâu tóm hàng loạt công ty cạnh tranh như CODOE, CFX (2003), Century Dynamics, Harvard Thermal, FLUENT Inc (2006), Ansoft Corporation (2008), Apache Design Solution
(2011), Esterel Technologies (2012), EVEN (2013), Reaction Design (2013) và Spaceclaim Corpration (2014)
FLUENT là phần mềm tính toán động lực học chất lỏng (Computational Fluid Dynamics, viết tắt là CFD) có thể xử lý được nhiều dạng bài toán chất lỏng Nó thường được sử dụng để nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới ở các tập đoàn công nghiệp lớn trên thế giới
FLUENT cung cấp các mô hình tính toán sau:
- Mô hình chất lỏng cơ bản
- Mô hình chất lỏng chuyển động quay
- Mô hình chất lỏng có lưới chuyển động và biến dạng
- Mô hình dòng chảy rối
- Mô hình trao đổi nhiệt
- Mô hình phản ứng hoá học
- Mô hình đánh lửa trong động cơ
- Mô hình quá trình ô nhiễm
- Mô hình khí động học phát ra tiếng ồn
- Mô hình pha rời rạc
- Mô hình chất lỏng nhiều pha
- Mô hình đông đặc và tan chảy
Mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe bằng FLUENT
a) Phương pháp mô phỏng trong FLUENT
FLUENT thực hiện mô phỏng và tính toán khí động học bằng phương pháp thể tích hữu hạn dựa trên các phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình bảo toàn động lượng và phương trình bảo toàn năng lượng để mô phỏng và giải các bài toán khí động học ô tô.
FLUENT giải quyết bài toán khí động học bằng phương pháp thể tích hữu hạn với trình tự thực hiện như sau:
- Xác định mục đích cần giải quyết của bài toán
- Xác định vùng không gian mô phỏng (domain)
- Xây dựng mô hình hình học
- Tạo lưới (rời rạc hóa vùng không gian tính toán)
- Xác định và thiết lập các điều kiện biên của bài toán
- Chạy chương trình mô phỏng
- Kết xuất và xử lý kết quả b)Các dạng mô hình mô phỏng dòng chảy rối trong FLUENT
Như đã trình bày trên đây, FLUENT cung cấp rất nhiều mô hình để giải quyết nhiều dạng bài toán khác nhau về chất lỏng và chất khí. Đối với bài toán dòng chảy rối, FLUENT cung cấp các mô hình sau:
- Mô hình “k-ε” (“Standard k-ω”, “Renormalization-group (RNG) k-ε”,
- Mô hình “k-ω” (“Standard k-ω”, “Shear-stress transport (SST) k-ω”)
- Mô hình “Reynolds stress model (RSM)”
- Mô hình “Detached eddy simulation (DES)”
- Mô hình “Large eddy simulation (LES)”
Trong 7 mô hình trên, 5 mô hình đầu thuộc dạng mô hình RANS, 2 mô hình cuối cùng là dạng mô hình mô phỏng phức tạp hơn loại mô hình RANS và có thể tiệm cận được với dạng mô hình mô phỏng trực tiếp DNS
NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC MẪU XE Ô TÔ TESLA CYBERTRUCK BẰNG PHẦN MỀM ANSYS - FLUENT
Phương pháp nghiên cứ u
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết Nội dung chính là xây dựng mô hình mẫu xe Tesla Cybertruck Sau đó đưa vào tính toán và phân tích kết quả trong phần mềm ANSYS FLUENT Cơ sở lý thuyết của mô hình tính toán là phương trình Reynolds (RANS) với 2 phương trình bổ sung (mô hình STT k - ω) với phương pháp giải là phương pháp thể tích hữu hạn.
Gi ớ i thi ệ u m ẫ u ô tô Tesla Cybertruck và m ộ t s ố gi ả thuy ế t c ủ a bài mô
Giới thiệu mẫu ô tô Tesla Cybertruck
Tesla Cybertruck chiếc bán tải chạy điện đầu tiên trên thế giới đã chính thức trình làng vào ngày 21/11/2019 Trong khi đó khí động lực học rất quan trọng đối với xe điện và với thiết kế của Tesla Cybertruck khiến nó trở thành một trường hợp khí động lực học gây tò mò Do đó, nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn Tesla Cybertruck là đối tượng nghiên cứu của đề tài
Hình 3.1 Hình ảnh Tesla Cybertruck tại buổi ra mắt a)Thông số kỹ thuật
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của Tesla Cybertruck
Thông số kỹ thuật Tesla Cybertruck
Tải trọng 1,6 – 6,35 tấn Động cơ 1 động cơ, 2 động cơ, 3 động cơ
Pham vi hoạt động 402 - 805 km
Tốc độ tối đa 177 - 210 km/h
Hệ thống treo Khí nén
Khoảng sáng gầm xe 406 mm b)Giá bán
Theo thông tin trên trang web chính thức của Tesla
(https://www.tesla.com/cybertruck), Cybertruck sẽ đến tay khách hàng vào cuối năm
2021 Riêng bản 3 động cơ phải đến cuối năm 2020 mới ra mắt
Cybertruck có tổng cộng 3 phiên bản với giá bán như sau:
- Cybertruck bản 1 động cơ: 39.900 USD
- Cybertruck bản 2 động cơ: 49.900 USD
- Cybertruck bản 3 động cơ: 69.900 USD c) Ngoại thất Đúng như tên gọi của mình, Cybertruck sở hữu diện mạo cực “dị” không khác gì một chiếc xe trong các bộ phim khoa học viễn tưởng Cybertruck có kích thước tổng thể dài x rộng x cao lần lượt là 5885 x 2030 x 1905 mm.
Hình 3.2 Ngoại thất của Tesla Cybertruck
Bộ khung gầm mà Cybertruck sử dụng được Elon Musk giới thiệu là gần như không thể xuyên thủng Đó là nhờ cấu tạo từ thép không rỉ siêu cứng Ultra-Hard 30X Cold-Rolled có khả năng loại bỏ các vết nứt nhỏ và sự ăn mòn.
Hình 3.3 Phần đầu của Tesla Cybertruck Phần đầu xe trông như những mảng khối có bề mặt trơn nhẵn ghép lại với nhau Bạn sẽ không thể tìm thấy những chi tiết cơ bản nhất của một chiếc xe như logo, bộ lưới tản nhiệt hay hốc hút gió. Điểm nhấn đáng chú ý nhất là dải đèn pha LED màu trắng trải dài hết phần đầu xe Chi tiết này giúp Cybertruck không thể nào bị nhầm lẫn với bất kỳ mẫu bán tải nào khác Đồng thời mang đến hiệu năng chiếu sáng vượt trội nhờ tiết diện cực rộng.
Hình 3.4 Phần thân của Tesla Cybertruck Nhìn từ bên hông, Cybertruck có cấu tạo khá đơn giản với nửa trên là hình tam giác trong khi nửa dưới là hình chữ nhật
Kính xe hai bên của Cybertruck được tạo thành từ các lớp kính siêu cường lực có độ dày 3mm kết hợp cùng các tấm polymer compositelên đến 9 mm Từ đó, kính xe có thể hấp thụ, đổi hướng của các lực tác động bên ngoài và đặc biệt là khả năng chống đạn được Tesla tự hào quảng cáo
Tuy nhiên tại buổi ra mắt, sau 2 lần thử thử nghiệm đập kính, kính xe đều vỡ đã khiến Elon Musk cảm thấy “muối mặt” Do đó, khả năng chống đạn của Cybertruck cần được hoàn thiện và kiểm chứng lại trong thời gian tới
Hình 3.5 Phần đuôi của Tesla Cybertruck Đuôi xe không khác gì một chiếc hộp phẳng, vuông vức với điểm nhấn duy nhất là cụm đèn hậu LED trải dài tương tự đèn pha phía trước.
Hình 3.6 Phần thùng xe phía sau của Tesla Cybertruck
Có thể thấy, thiết kế gồm nhiều mảng ốp phẳng phiêu được Tesla áp dụng xuyên suốt toàn bộ chiếc xe Có thể về mặt thị giác, thiết kế này chưa thực đẹp mắt nhưng về tính khí động học, Cybertruck được các chuyên gia đánh giá rất cao d)Nội thất – Tối giản đến không tưởng
Tương tự nhưng ngoại thất, khoang cabin của Cybertruck cũng có thiết kế tối giản đến không tưởng với cấu hình 6 ghế ngồi phân đều trên 2 dãy
Hình 3.7 Khoang lái của Tesla Cybertruck
Dựa vào hình ảnh mà Tesla cung cấp, khoang lái của Cybertruck có thiết kế rất đơn giản Bề mặt táp lô chỉ xuất hiện màn hình cảm ứng khủng kích thước 17 inch mà không hề xuất hiện bất kỳ nút bấm hay cửa gió điều hòa nào
Vô lăng của Cybertruck có cấu trúc rất đặc biệt với 2 chấu kiểu chiếc xe trong bộ phim Knight Rider 2000 Người dùng sẽ phải tốn khá nhiều thời gian để tập làm quen với chiếc vô lăng mới này Đa số những mẫu bán tải truyền thống đều có cấu trúc 2 ghế ngồi cho hàng ghế trước thì Cybertruck đi ngược lại hoàn toàn với 3 ghế ngồi Tuy nhiên, khi không cần sử dụng, người dùng có thể gập ghế giữa xuống để biến nó thành bệ tỳ tay
Hình 3.8 Khoang hành khách của Tesla Cybertruck Trần xe của hàng ghế thứ 2 khá thấp do phần mái được vuốt theo hình tam giác Bù lại không gian để chân khá rộng rãi và lưng ghế có độ nghiêng lớn tạo sự thoải mái cho hành khách Bên dưới hàng ghế thứ 2 còn được bổ sung một khoang chứa đồ tiện lợi
Cybertruck có khoang hành lý cực khủng với dung tích tiêu chuẩn lên đến 2.832 lít cho phép người dùng chất đồ thoải mái Đi kèm còn có tấm che cường lực cứng cáp
Hình 3.9 Khoang hành lý cực khủng của Tesla Cybertruck
Tesla Cybertruck có tổng cộng 3 phiên bản gồm một động cơ, 2 động cơ và 3 động cơ Đầu tiên là phiên bản một động cơ có phạm vị hoạt động 402 km cùng khả năng tăng tốc từ 0-100km/h trong 6,5 giây trước khi đạt tốc độ tối đa 177 km/h
Kế đến là phiên bản sử dụng 2 động cơ có khả năng di chuyển quãng đường 482 km với khả năng tăng tốc từ 0-100km/h trong 4,5 giây Tốc độ tối đa đạt 193 km/h. Cuối cùng là phiên bản mạnh mẽ nhất sử dụng 3 động cơ có phạm vi hoạt động lên đến
Các gi ả thuy ế t và gi ớ i h ạ n nghiên c ứ u c ủ a bài toán mô ph ỏ ng
Khi thực hiện mô phỏng, để phù hợp với khả năng tính toán của máy tính nhưng vẫn đảm bảo được tính đúng đắn, độ tin cậy và sự tương thích của bài toán nghiên cứu với thực tế, Đề tàisử dụng các giả thiết sau đây:
- Mô hình vỏ xe tuyệt đối cứng, không xảy ra sự biến dạng của vỏ xe trong suốt quá trình mô phỏng
- Bỏ qua quá trình trao đổi nhiệt giữa vỏ xe và không khí.
- Bề mặt vỏ xe là bề mặt nhẵn, gầm xe được bọc phẳng (không xét đến các yếu tố khác của xe như gương chiếu hậu, gạt mưa, các gân, gờ, khe rãnh, hốc bánh xe, ăng ten, tay nắm cửa, …).
- Vận tốc dòng khí tại đầu vào của không gian mô phỏng có hướng song song với trục dọc của xe, thổi theo hướng từ đầu xe tới đuôi xe và có giá trị không đổi trong quá trình mô phỏng (𝑉⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡)𝑘𝑘
- Vận tốc không khí tại bề mặt vỏ xe và bề mặt giới hạn của vùng không gian mô phỏng bằng 0 m/s
- Không xét đến bán kính cong của kính chắn gió phía trước và kính phía sau xe (coi kính chắn gió phía trước và kính phía sau xe là các mặt phẳng).
Xây d ự ng mô hình hình h ọc, xác đị nh vùng không gian mô ph ỏ ng
Xây dựng mô hình hình học của xe Tesla Cybertruck
Sau khi tham khảo kích thước thực tế và mô hình tham khảo trên thư viện GrabCAD, mô hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cybertruck được xây dựng bằng phần mềm CAD 3D Solidworks phiên bản 2021
Hình 3.11 Mô hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cybertruck
Tuy nhiên, để tối ưu quá trình tính toán mô phỏng, tiết kiệm thời gian tính toán của phần mềm cũng như phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất, mô hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cybertruck đã được xử lý tối ưu các chi tiết phức tạp bằng phần mềm
Fnghiên cứuap và NX Singhiên cứuens để đơn giản hoá quá trình chia lưới và tính toán của phần mềm ANSYS – FLUENT
Hình 3.12 Mô hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cyber truck sau khi tối ưu
Xác đị nh vùng không gian mô ph ỏ ng và mi ề n tính toán
Với phương pháp luận như đã trình bày trong Chương 2 về vấn đề xác định vùng không gian mô phỏng, nhóm nghiên cứu đã tiến hành xác định vùng không gian mô phỏng xe Tesla Cybertruck như sau:
Hình 3.13 Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính toán
Vùng không gian mô phỏng được xác định như trong Hình 3.13 và 3.14 là một hình hộp chữ nhật Các giá trị L, V, H lần lượt là chiều dài, chiều rộng và chiều cao của xe Tesla Cybertruck Biên trên cùng cách phần cao nhất của vỏ xe 3H, biên phía trước
Hình 3.14 Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính toán
50 cách phần đầu xe 2L, biên sau cách phần cuối xe 5L và biên 2 bên cách 2 mép xe 3V
Vì vậy kích thước vùng không gian mô phỏng là: 8L x 7V x 4H
Tương ứng với các biên là các điều kiện biên như trong Hình 3.13 và 3.14, Inlet là vùng cho không khí thổi vào và vuông góc với mặt phẳng Inlet, biên Outlet là vùng không khí chảy ra, các biên trên và 2 bên xe là biên mở Opening để các giá trị tính toán không bị ảnh hưởng bởi vùng trên và 2 bên, dưới cùng là mặt phẳng tiếp giáp với các bánh xe trong thực tế là mặt đường nên trong mô phỏng được lựa chọn là vùng tường với điều kiện không trơn trượt (Wall - No slip).
Chia lưới và đặt các điề u ki ệ n ràng bu ộ c c ủ a bài toán mô ph ỏ ng
Như đã trình bày ở Chương 2, sau khi phân tích cơ sở lý thuyết của khí động lực học, nhóm nghiên cứu quyết định chọn mô đun FLUENT (FLUENT with Meshing) để chia lưới cho bài toán mô phỏng khí động lực học xe Tesla Cybertruck
Hình 3.15 Mô hình vỏ xe Tesla Cybertruck sau khi đã được chia lưới với dạng lưới Với những phần tử nằm sát bề mặt vỏ xe, kích thước lưới tiêu chuẩn là 50mm với hệ số phát triển lưới là 1.2, tổng số phần tử là 25606 Sở dĩ kích thước phần tử lưới ở sát bề mặt vỏ xe được chọn như vậy vì ở khu vực lớp biên, các thông số của dòng chảy thay đổi rất nhanh trong không gian nên cần được mô tả một cách chi tiết để đảm bảo được độ chính xác của kết quả tính toán mô phỏng Tuy nhiên, nếu cứ duy trì bước chia như vậy trong toàn bộ không gian tính toán thì số lượng phần từ và khối lượng tính toán sẽ cực lớn, vượt quá khả năng xử lý của máy tính thông thường Vì vậy, kích thước của phần tử ở vùng biên phải đủ nhỏ, đủ mịn để đảm bảo độ chính xác của kết quả mô phỏng, nhưng ở các vùng xa biên bước lưới được chọn phải thưa dần để có được số lượng phần tử phù hợp với khả năng xử lý của máy tính
Hình 3.16 Chia lưới các vùng biên của không gian mô phỏng Những phần tử nằm ở vùng biên của không gian mô phỏng, kích thước lưới nhỏ nhất là 50mm và lớn nhất là 300mm với hệ số phát triển lưới là 1.2, tổng số phần tử là
108510 Đối với các phần tử nằm trong vùng không gian mô phỏng, kích thước lưới lớn nhất là 300mm với hệ số phát triển lưới là 1.2, tổng số phần tử nằm trong vùng không gian mô phỏng là 586889
Hình 3.17 Chia lưới các phần tử nằm trong vùng không gian mô phỏng
Sau khi đã có được mô hình chia lưới, nhóm nghiên cứu tiến hành gán đặt các thuộc tính (điều kiện ràng buộc) cho mô hình (như đã trình bày ở Chương 2), bao gồm:
- Thuộc tính của không khí: khối lượng riêng của không khí là 1,225 kg/m 3 , độ nhớt động học là 1,7894.10-5 (kg.m/s -1 )
- Vận tốc dòng khí tại đầu vào (tại vị trí mặt cắt ngang của vùng không gian mô phỏng mà tại đó ANSYS-FLUENT bắt đầu thực hiện việc tính toán mô phỏng)
- Giá trị vận tốc dòng khí tại đầu vào này do người dùng tự lựa chọn và hoàn toàn xác định, có thể coi vận tốc này tương đương vận tốc dòng khí ổn định ở ∞ (V∞)
- Áp suất không khí tại đầu ra của vùng không gian mô phỏng Khi dòng khí tại đầu ra của vùng không gian mô phỏng chuyển động ổn định (không còn ảnh hưởng của hiện tượng xoáy của dòng khí) thì áp suất tại đó có thể xác định bằng áp suất khí quyển (áp suất của môi trường xung quanh)
- Thuộc tính của bề mặt mô hình vỏ xe và mặt đường: lựa chọn thuộc tính “wall - no slip” nghĩa là dạng “tường - không trượt”, đảm bảo tính chất của bề mặt vỏ xe phù hợp với giả thiết không biến dạng và có ma sát nhớt giữa dòng khí và bề mặt vỏ xe
- Thuộc tính của các thành giới hạn vùng không gian mô phỏng Opening: lựa chọn thuộc tính “Specified Shear” để loại bỏ ảnh hưởng của tường bao lên dòng khí tác động lên vỏ xe.
Đặt các điề u ki ệ n tính toán
Như đã trình bày ở Chương 2, sau khi phân tích cơ sở lý thuyết của khí động lực học, mô hình được chọn để giải quyết bài toàn là mô hình mô phỏng “SST k-ω”
Hình 3.18 Thiết lập mô hình mô phỏng “SST k-ω”trên phần mềm
Với mô hình mô phỏng “SST k-ω” đã lựa chọn, nhóm nghiên cứu đã xác định và gán đặt một số thuộc tính cần thiết cho bài toán như sau:
- Lựa chọn đơn vị của các đại lượng trong quá trình tính toán mô phỏng:
- Lựa chọn điểm bắt đầu thực hiện mô phỏng: lựa chọn vùng không gian mà từ đó bài toán mô phỏng bắt đầu lấy dữ liệu để nội suy ra các thông số của vùng không gian lân cận Trong Đề tài, khu vực này được lựa chọn là mặt phía trước của vùng không gian mô phỏng, nơi không khí được xnghiên cứu là bắt đầu chuyển động vào vùng không gian mô phỏng đó với vận tốc và hướng ổn định do người dùng gán đặt Việc lựa chọn như vậy đảm bảo sự ổn định của thông số ban đầu, giúp cho việc mô phỏng được thuận lợi hơn
- Lựa chọn vận tốc dòng khí tại điểm bắt đầu thực hiện mô phỏng: vận tốc của dòng khí tại điểm bắt đầu mô phỏng là 30 m/s (tương đương với 108 km/h) Việc lựa chọn vận tốc này nhằm đảm bảo mục đích vận tốc dòng khí đủ lớn để tạo ra ảnh hưởng đáng kể của lực cản khí động tới chuyển động của xe.
- Kết quả tính toán được thể hiện dưới dạng hình ảnh: hình ảnh phân bố vận tốc, áp suất, đường dòng bao quanh vỏ xe.
Sau khi hoàn tất các bước đặt điều kiện và ràng buộc, nhóm nghiên cứu bắt đầu thực hiện quá trình tính toán mô phỏng với vận tốc dòng khí là 30m/s, kết quả mô phỏng được thể hiện ở từ hình 3.19 – 3.20
Hình 3.19 Đường dòng thể hiện vận tốc trong toàn bộ không gian mô phỏng
Hình 3.20 Đường dòng thể hiện áp suất trong toàn bộ không gian mô phỏng
V ậ n t ố c
Hình 4.1 Vectơvận tốc trên bề mặt vỏ xe
Hình 4.2 Đường dòng vận tốc trên bề mặt vỏ xe Các vectơ vận tốc và đường dòng thể hiện vận tốc trên bề mặt vỏ xe được sắp xếp hợp lý, thể hiện được sự thay đổi vận tốc không khí trên bề mặt vỏ xe Điều này được thể hiện trên Hình 4.1 và Hình 4.2
Hình 4.3 Phân bố vận tốc trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe
Hình 4.3 thể hiện sự phân bố vận tốc trong mặt phẳng đối xứng dọc của xe cho thấy sự phân tách dòng chảy xảy ra ở phía trước nhưng ngay sau khi dòng chảy tự gắn lại Các hiệu ứng dòng chảy cục bộ xảy ra xung quanh xe tải, điều này cân bằng các hiệu
55 ứng cục bộ xảy ra ở nửa trước của xe Mặt khác, phía sau xe, tức là ngay phía sau khoang hành lý là nơi có thể quan sát thấy hầu hết các nhiễu động dự kiến (như thường thấy ở hầu hết các xe ô tô)
Hình 4.4 Phân bố đường dòng vận tốc trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe Hình 4.4 cho thấy đường dòng bao quanh vỏ xe chỉ rõ những nơi hình thành xoáy thấp áp có ảnh hưởng lớn đến lực cản khí độnglực học Loại bỏ được hoặc giảm kích thước của những vùng xoáy này đồng nghĩa với việc giảm hệ số cản Cd
Hình 4.5 Phân bố vận tốc trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe
Hình 4.6 Phân bố đường dòng vận tốc trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe
Các hình chiếu bằng ở hình 4.5 và 4.6 cũng cho thấy sự hình thành các xoáy có kích thước khá lớn tại các vùng tiếp giáp giữa mặt đầu của xe với các thành bên và vùng phía đuôi xe với các thành bên của vỏ xe
Áp su ấ t
Hình 4.7 Vectơáp suất trên bề mặt vỏ xe
Hình 4.8 Đường dòng áp suất trên bề mặt vỏ xe Hình 4.7 và 4.8 miêu tả các vectơ áp suất và đường dòng thể hiện áp suất trên bề mặt vỏ xe được sắp xếp hợp lý, cho thấy được sự thay đổi áp suất không khí trên bề mặt vỏ xe
Hình 4.9 Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe
Hình 4.10 Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe
Hình 4.11 Đường dòng phân bố áp suất trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe Các hình 4.9, 4.10 và 4.11 cho thấy ở phía trước của xe, không khí bị đẩy đi dẫn đến vùng áp suất cao và tạo ra lực cản Trên vỏ xe tồn tại những vùng có áp suất dương, những vùng áp suất âm và các xoáy thấp áp Chính sự chênh áp này là yếu tố cơ bản để tạo nên lực cản khí động lực học
Hình 4.12 Phân bố áp suất trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe
Hình 4.13 Đường dòng phân bố áp suất trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe
Các hình chiếu bằng ở hình 4.12 và 4.13 cũng cho thấy sự hình thành các vùng xoáy thấp áp xung quanh vỏ xe Các vùng xoáy thấp áp này ảnh hưởng xấu đến khí động lực học của vỏ xe
1 Đề tài đã sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS - FLUENT để nghiên cứu khí động học vỏ xe Tesla Cybertruck Bài toán được xây dựng dựa trên phương trình Navier
- Stokes đơn giản hóa dạng RANS với giả thiết chất khí không chịu nén kết hợp với các mô hình dòng rối nhớt
Trên cơ sở mô hình tính toán được lựa chọn là “SST k - ”, nhóm nghiên cứu đã xây dựng được mô hình mô phỏng vỏ xe Tesla Cybertruck trong FLUENT để tính toán các thông số của dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe
2 Kết quả mô phỏng, tính toán khí động lực học của mô hình vỏ xe Tesla Cybertruck khá tốt Tuy nhiên, các hình ảnh về phân bố áp suất, vận tốc và đường dòng bao quanh vỏ xe cho thấy còn khá nhiều khiếm khuyết trên vỏ xe cần được cải thiện để giảm lực cản khí động lực học
Khí động lực học rất quan trọng đối với xe điện và với thiết kế của Tesla Cybertruck khiến nó trở thành một trường hợp khí động lực học gây tò mò Hình dạng hình hộp của Tesla Cybertruck không có đường cong, chỉ là các đường thẳng với mặt trước của Tesla Cybertruck nghiêng về một điểm ngay trên tựa đầu của ghế trước, nơi nó giao nhau với một đường nghiêng dài hơn về phía sau.
3 Các kết quả nghiên cứu của đề tài đã hình thành một phương trình đánh giá khí động học lực học của vỏ xe ô tô Nếu được tiếp tục hoàn thiện, đây có thể là một công cụ hiệu quả giúp cho các nhà thiết kế cải thiện và hướng tới tối ưuhóa dạng khí động lựchọccủavỏ xe nhằm giảm thiểu lực cản không khí trong quá trìnhchuyển động Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, vì giảm lực cản đồng nghĩa với việc giảm mức tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải độc hại ra môi trường
4 Dựa trên các kết quả nghiên cứu của đề tài, nhóm nghiên cứu đề xuất một số hướng nghiên cứu phát triển như sau:
- Hoàn thiện mô hình tính toán: bổ sung thêm các gương chiếu hậu, mô tả các gờ, khe cửa, hốc bánh xe, mô tả bánh xe đangquay, mô tả chuyển động tươngđối giữa vỏ xe và mặt đường…
- Nghiên cứu ảnh hưởng của lực nâng, ảnh hưởng của gió ngang tới tính ổn định chuyển động của ô tô, đặc biệt là đối với các ô tô có chiều cao lớn
[1] GS.TSKH.Vũ Duy Quang (2006), Thủy khí động lực học ứng dụng, Nhà xuất bản xây dựng
[2] Nguyen Van Thang, Ha Tien Vinh, Bui Dinh Tri, Nguyen Duy Trong (2018)
Numerical simulation of airflow around vehicle models Vietnam Journal of Science and
[3] T.Cebeci, J.RShao, F Kafyeke, E Laurendeau (2005) Computational Fluid Dynamics for Engineers Springer
[4] Laurent Dumas (2008) CFD-based Optimization for Automotive Aerodynamics.Université Pierre et Marie Curie
Thông số cơ bản của xe Tesla Cybertruck. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THUYẾT MINH ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ
(DO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT QUẢN LÝ) ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÁY TÍNH MÔ PHỎNG
KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
C hủ nhiệm đề tài: ThS Đỗ Phú Ngưu Đà Nẵng, tháng 12/2021 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THUYẾT MINH ĐỀ TÀI KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ NĂM 2021
1 TÊN ĐỀ TÀI : Ứng dụng phần mềm máy tính mô phỏng khí động lực học ô tô 2 MÃ SỐ
Tự nhiên Kỹ thuật Môi trường
XH-NV Nông Lâm ATLĐ
Giáo dục Y Dược Sở hữu trí tuệ
4 LOẠI HÌNH NGHIÊN CỨU bản Cơ Ứng dụng Triển
5 THỜI GIAN THỰC HIỆN 12 tháng
Từ tháng 12 năm 2021 đến tháng 11 năm 2022
6 CƠ QUAN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI
Tên cơ quan: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Điện thoại: 0236.3822571
E-mail: pctho@dut.udn.vn Địa chỉ: 48 Cao Thắng, Quận Hải Châu, TP Đà Nẵng
Họ và tên thủ trưởng cơ quan chủ trì: PGS.TS Phan Cao Thọ
Họ và tên: Đỗ Phú Ngưu
Chức danh khoa học: Địa chỉ cơ quan: 48 Cao Thắng, Quận Hải
Châu, TP Đà Nẵng Điện thoại cơ quan:
E-mail: dpnguu@ute.udn.vn
Học vị: Thạc sĩ Năm sinh: 1984 Địa chỉ nhà riêng:27 Cẩm Nam 4, Hòa Xuân, Cẩm Lệ, Đà Nẵng Điện thoại nhà riêng : Fax:
8 NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ T ÀI
TT Họ và tên Đơn vị công tác và lĩnh vực chuyên môn Nội dung nghiên cứu cụ thể được giao Chữ ký
Trường Đại học Sư phạm
Kỹ thuật – Động cơ nhiệt, năng lượng mới
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Kỹ thuật cơ khí động lực, Syngas
Chủ nhiệm đề tài Thành viên
9 ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH
Tên đơn vị trong và ngoài nước Nội dung phối hợp nghiên cứu Họ và tên người đại diện đơn vị
10 T ỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG
Trên thế giới hiện nay có rất nhiều nghiên cứu, các báo cáo và bài báo liên quan đến vấn đề khí động học ô tô Các nền công nghiệp ô tô lớn như: Mỹ, Nhật, Đức… mỗi công ty điều có các trung tâm nghiên cứu và phát triển sản phẩm Trong đó, khí động lực học ô tô là một lĩnh vực rất được quan tâm Nhằm giảm chi phí trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng được những công nghệ hiện đại nhất và thực tiễn, các nhà nghiên cứu đã phát triển các sản phẩm theo hướng mô hình hóa Trong quá trình mô phỏng nghiên cứu khí động học ô tô, các nhà nghiên cứu quan tâm nhiều tới ba yếu tố ảnh hưởng tới kết quả tính toán mô phỏng: mô hình hình học, phương pháp chia lưới và phương pháp tính toán
Danh mục các công trình nghiên cứu, tài liệu có liên quan đến đề tài được trích dẫn khi đánh giá tổng quan):
-Tô Hoàng Tùng, Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam
Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực, 2016
-T.Cebeci, J.RShao, F Kafyeke, E Laurendeau, Computational Fluid Dynamics for Engineers, Springer, 2005
-Laurent Dumas, CFD - based Optimization for Automotive Aerodynamics, Université Pierre et Marie Curie, 2008
-Đoàn Văn Cảnh, Nguyễn Tiến Cường, “Tính toán đặc trưng khí động học của mô hình xe đơn giản và tối ưu hoá biên dạng”, Tuyển tập Công trình Hội nghị khoa học Cơ học Thuỷ khí toàn quốc lần thứ 23, 2020, trang 82 - 91
-Nguyen Van Thang, Ha Tien Vinh, Bui Dinh Tri, Nguyen Duy Trong, “Numerical simulation of airflow around vehicle models”, Vietnam Journal of Science and Technology, quyển 56(3), 2018, trang 370 - 379
11 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Thủy khí động lực học có mối liên hệ chặt chẽ giữa khoa học và yêu cầu thực tế Ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực từ nghiên cứu về khí động lực học của máy bay, khí động lực học của ô tô, ổn định dòng chảy trong tàu thủy đến những ứng dụng rất cụ thể trong cuộc sống như: các loại máy khuấy, các kênh đào, đập nước, thuyền bè,… Hiện nay, khí động lực học ô tô là bài toán rất phổ biến, được nghiên cứu cả bằng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng mô hình tính toán Với mục đích giảm lực cản khí động lực học, giảm độ ồn của gió, giảm thiểu tiếng ồn phát ra và giới hạn lực nâng không mong muốn ở vùng tốc độ cao
Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu sẽ hướng đến việc tìm hiểu phương pháp xây dựng mô hình tính toán trên máy tính để mô phỏng khí động lực học bằng phần mềm Ansys – Fluent (hoặc Open FOAM) và đưa ra các nhận xét cơ bản về sự ảnh hưởng của các vùng khí động lực học với mẫu xe Tesla Cybertruck
- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết khí động lực học, các mô hình tính toán phổ biến được ứng dụng trong nghiên cứu khí động lực học ô tô
- Xây dựng mô hình ô tô Tesla Cybertruck trên phần mềm NX Siemens để mô phỏng khí động lực học bằng phần mềm Ansys – Fluent (hoặc Open FOAM)
13 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU
13.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mẫu xe Tesla Cybertruck
13.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu về lực cản khí động với tiêu chí đánh giá là hệ số cản
Cx và các yếu tố ảnh hưởng đến nó trên mô hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt mưa, các khe gờ trên vỏ, kính, …)
14 CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Dựa vào cơ sở lý thuyết khí động lực học, các bài báo đã được đăng trên các tạp chí trong nước và quốc tế
14.2 Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết Nội dung chính là xây dựng mô hình mẫu xe Tesla Cybertruck Sau đó đưa vào tính toán và phân tích kết quả trong phần mềm Ansys Fluent
