Trang 18 - - 12CHƯƠNG II: Cỏc phương trỡnh khớ động học cơ bản Động lực học dòng chảy nghiên cứu về các vấn đề thuỷ khí động lực ứng dụng, đối t−ợng nghiên cứu là dòng môi chất hay dòng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BỘ MÔN Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG ******* LUẬN VĂN CAO HỌC MƠ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC Ô TÔ Hướng dẫn: Học viên: Lớp: PSG.TS Nguyễn Trọng Hoan Trần Thanh Tùng Cao học CKĐL 06-08 Hà nội 4/2009 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205192581000000 MỤC LỤC Trang Lời nói đầu Mục lục CHƯƠNG I: Khảo sát chung khí động học tô…………… ……… 1.1 Khảo sát kiểu dáng ô tơ………………………………………… 1.2 Phương pháp mơ hình hóa…………………………………………… 1.3 Khảo sát kết nghiên cứu…………………………… ……… 1.3.1 Mơ hình hình học…………………………………………………… 1.3.2 Phương pháp chia lưới mơ hình…………………………………… 1.3.3 Phương pháp tính tốn……………………………………………… 1.4 Khảo sát thí nghiệm thực tế…………………………………….…… CHƯƠNG II: Các phương trình khí động học bản…………….……… 12 2.1 Động học động lực học chất lỏng. 13 2.1.1 Phơng trình liên tục. 13 2.1.2 Phơng trình vi phân chuyển động chất lỏng thực 16 2.1.3 Phơng trình Navier-Stokes 17 2.1.4 Phơng trình becnuli 19 2.2 Các phơng trình chất khí 22 2.2.1 Phơng trình trạng thái 22 2.2.2 Phơng trình lu lợng 22 2.2.3 Phơng trình Becnuli dòng nguyên tố 22 2.2.4 Phơng trình lợng 23 2.3 Các thông số chuyển động dòng khí dòng khí 24 2.3.1 Vận tốc âm 24 2.3.2 Dòng hm, dòng tới hạn 24 2.3.3 Chuyển động chất khí ống phun 26 2.3.4 Dạng ống phun hình học 27 2.3.5 Dạng ống phun lu lợng 28 2.3.6 Dạng ống phun ma s¸t……………………………………………… 29 2.4 Tính tốn mơ hình ống khí động…………………………… … 29 2.4.1 Xác định vận tốc ống khí động…………………………….… 30 2.4.2 Hệ số áp suất………………………………………………………… 31 2.4.3 Lực cản khí động……………………………….…………………… 31 2.4.4 Hệ số lực cản………………………………………………………… 32 2.5 Cơ sở toán học mơ hình tính tốn……………… …………… 32 2.5.1 Các phương trình tổng qt………………………………………… 33 2.5.2 Mơ hình Spalart-Allmaras………………………… ……………… 35 2.5.3 Mơ hình k-ε………………………………………………………… 36 2.5.4 Mơ hình k-ω………………………………………………………… 37 2.5.5 Mơ hình Reynolds Stress (RSM) ……………………… ………… 37 CHƯƠNG III: Xây dựng mơ hình mơ phỏng…………………………… 40 3.1 Lý thut thứ nguyên 40 3.1.1 Đại lợng 40 3.1.2 Thứ nguyên 41 3.2 Công thức tổng quát thứ nguyên 41 3.2.1 Tỷ số hai giá trị số đại lợng dẫn xuất. 41 3.2.2 Biểu thức đại lợng có thứ nguyên 41 3.3 Các tiêu chuẩn tơng tự. 43 3.3.1 Tơng tự hình học 43 3.3.2 Tơng tự động học 44 3.3.3 Tơng tự động lực học 44 3.3.4 Tơng tự hai chuyển động phẳng . 45 3.4 Xõy dng mụ hình hình học…………………………………… …… 47 3.4.1 Phương pháp xây dựng mơ hình mơ phỏng………………………… 49 3.4.2 Phương pháp chia lưới……………………………………….……… 51 3.4.3 Lựa chọn mơ hình tính tốn………………………………………… 54 CHƯƠNG IV: Phân tích kết mơ phỏng……………………………… 59 4.1 Kết hệ số cản khí động mơ hình………………………… 60 Biểu đồ phân bố áp suất tĩnh bề mặt ô tô…………………………… 61 Biểu đồ phân bố áp suất tĩnh phía tơ……………………………… 62 Biểu đồ phân bố áp suất tĩnh phía tơ……………………………… 63 Biểu đồ phân bố áp suất vận tốc bề mặt sườn bên ô tô……………… 64 Biểu đồ phân bố vận tốc khí mặt phẳng dọc đối xứng ô tô…… 65 Biểu đồ phân bố vận tốc khí mặt phẳng dọc phía sau ô tô……… 66 Biểu đồ phân bố vận tốc khí mặt phẳng ngang phía sau ô tô…… 67 Biểu đồ phân bố vận tốc khí mặt cắt phía sau tơ……………… 68 10 Biểu đồ số vị trí khí động khác biệt………………………………… 69 11 Kết luận………………………………………………………………… 70 Tài liệu tham khảo………………………………………………………… 71 LỜI NĨI ĐẦU Thủy khí động lực có mối liên hệ chặt chẽ khoa học yêu cầu thực tế Ứng dụng rộng rãi lĩnh vực từ nghiên cứu khí động máy bay, khí động tơ, ổn định dịng chảy tầu thủy đến ứng dụng cụ thể sống như: loại máy khuấy, kênh đào, đập nước, thuyền bè,… Từ thời xa xưa, toán thủy tĩnh lực đẩy Acsimet (287-212 TCN) gắn liền với nhiều kiện tiếng Nhà danh họa tiếng Leona Đơvanhxi (1452- 1519) đưa khái niệm lực cản chất lỏng ông muốn biết chim lại bay được, phải 400 năm sau, Jucopxki Kutta giải thích được: lực nâng L.Ơle (1707-1783) Becnuli (1700-1782) đặt sở lý thuyết cho thủy khí động lực, người mô tả chất lỏng thực chất khí phải kể đến Navier (người Pháp) Stokes (người Anh) hai ơng tìm phương trình vi phân chuyển động từ năm 1821 đến năm 1845 Khi nhà bác học người Đức L.Prandtl sáng lập lý thuyết lớp biên năm 1904, góp phần giải nhiều tốn khí động Ngày thủy khí động lực phát triển rộng rãi ứng dụng nhiều lĩnh vực nghiên cứu đời sống Với tảng sở lý thuyết rộng rãi, thêm vào phát triển nhanh chóng cơng nghệ số, nhà nghiên cứu xây dựng mô nhiều mơ hình thủy khí động lực sát với thực tế Hiện nay, khí động học tơ tốn phổ biến, nghiên cứu phương pháp thực nghiệm ống khí động mơ mơ hình tính tốn Với mục đích giảm lực cản khí động (mặc dù lực cản ô tô lực cản bánh xe), giảm độ ồn gió, giảm thiểu tiếng ồn phát giới hạn lực nâng không mong muốn vùng tốc độ cao Đối với loại ô tô đua, người ta cịn thiết kế chi tiết khí động để tăng lực nén ô tô xuống đường ổn định khả vào cua ô tô Nghiên cứu khí động tơ có đặc điểm khác với máy bay, như: đặc điểm hình dạng tơ gồm mặt dốc, tơ chạy mặt đất với vận tốc thấp hơn, chuyển động tơ bậc tự bị ảnh hưởng khí động so với máy bay Trong giới hạn luận văn này, em tìm hiểu phương pháp thí nghiệm ống khí động với mơ hình thực tế mạnh dạn xây dựng mơ hình tính tốn máy tính để so sánh với kết thực nghiệm đưa nhận xét ảnh hưởng vùng khí động tới hệ số cản tơ mơ hình khác Trong suốt q trình tìm hiểu, hướng dẫn tận tình PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan giúp đỡ thầy giáo đồng nghiệp Viện Cơ khí Động lực- Đại học Bách Khoa Hà Nội, em hoàn thành luận văn cao học Em xin chân thành cảm ơn! -1CHƯƠNG I: Khảo sát chung khí động học tơ 1.1 Khảo sát kiểu dáng ô tô: Tổng quan kiểu dáng công nghiệp ô tô nay, theo khảo sát đánh giá chung, giới sử dụng ba mẫu xe thịnh hành nhất: - Mẫu ô tô Fast back: phổ biến dòng xe tốc độ cao như: Bugati, Porsche, Aston Martin,… với đặc điểm kiểu dáng khí động phía sau dốc thẳng xuống, nhằm hạn chế tối đa lực cản khí động, thơng thường dịng xe có hệ số lực cản khí động Cd < 0,3 Hình 1.1: Mơ hình ô tô Porsche 911 - Mẫu ô tô thứ hai phổ biến từ dòng xe hạng trung đến dòng xe hạng sang mẫu Notch back dạng chữ V phía đằng sau, hay cịn gọi dịng sedan, loại hệ số lực cản khí động tương đối nhỏ Cd = 0,32÷0,34 Hình 1.2: Mơ hình tơ Mercedes-Benz E320 -2- Loại phổ biến thứ ba loại ô tô Square back với hệ số lực cản khí động Cd từ 0,414÷0,44 Hiện nay, kiểu dáng xe tương tự Square back có phần đuôi phá sau nhô cao sử dụng rộng rãi chủng loại xe thể thao đa dụng SUV Hình 1.3: Mơ hình tơ Mercedes-Benz E63 Ngồi ra, thấy thị trường cịn có loại tơ pick-up, theo kết khảo sát tính tốn, chúng có hệ số lực cản khoảng từ 0,463 ÷ 0,491 Bên cạnh cịn có nhiều kiểu ô tô thiết kế riêng nhằm phục vụ sở thích mục đích đặc biệt 1.2 Phương pháp mơ hình hóa: Khi nhà thiết kế nghiên cứu kiểu dáng tơ, ngồi tính chất thương mại nhằm gây ấn tượng sản phẩm vấn đề nghiên cứu đưa kiểu dáng với kết cấu khí động học tối ưu vơ quan trọng Bởi thơng số đánh giá chất lượng sản phẩm nâng cao hiệu qủa hoạt động tơ tính an toàn cho người sử dụng Trước năm 80 kỷ XX, giới nhà nghiên cứu quan tâm nhiều tới ảnh hưởng khí động học tác dụng máy bay Người ta tập trung nghiên cứu ảnh hưởng khí động học lên thân cánh máy bay, nhằm kiểm soát hệ số lực cản lực nâng, đồng thời phân tích độ -3ổn định máy bay điệu kiện hoạt động tốc độ cao mơi trường khí động liên tục thay đổi chênh áp khơng khí Tuy nhiên, sau năm 80, công nghiệp ô tô có bước tiến mạnh mẽ, có phát triển nganh chế tạo động Những động công suất lớn đời, ô tô hoạt động với vận tốc cao, người ta bắt đầu nhận ảnh hưởng khí động học tới ô tô vấn đề quan trọng Nghiên cứu khí động học tơ toán phức tạp, sở nghiên cứu dựa phương trình Navier-Stokes, phương trình giản điều kiện tối giản kèm theo Thí nghiệm khí động học mơ hình tơ thực tế thí nghiệm tốn yêu cầu trang thiết bị đại Bởi thí nghiệm mơ hình tơ thực tế n cầu mơi trường thí nghiệm phải giống mơi trường tơ hoạt động ngồi đường, kích thước ống khí động phải lớn để cho biên ống khí động khơng ảnh hưởng tới dịng khí bao quanh ô tô, tránh xảy sai số nhiễu q trình đo thí nghiệm Ví dụ: Để thí nghiệm tơ có kích thước bao quanh là: 5,184m x 1,786m x 1,824m Thì cần xây dựng ống khí động có kích thước chiều tương ứng là: 23m x 5,4m x 10,4m Do đó, với thí nghiệm khí động học tơ, thơng thường nhà nghiên cứu phải mơ hình hóa vật thể theo kích thước nhỏ so với thực tế Nhiều nghiên cứu rằng, tỷ lệ mơ hình hóa từ 1/18 ÷ 1/12 so với kích thước mơ hình thực tế hợp lý Bên cạnh đó, theo xu hướng phát triển đại ngày có tính chất kế thừa cơng nghệ số, nhà nghiên cứu ngày phát triển áp dụng kỹ thuật mơ khí động học máy bay tơ máy tính Nổi bật số có phần mềm mơ “Tính tốn động lực học dòng chảy” -4CFD (Computational Fluid Dynamics) Các bước để mơ tốn CFD sau: - Xây dựng mơ hình hình học: mục đích mơ tả vật thể, mơ tả từ ô tô đơn giản tơ phức tạp với kích thước hình học giống thực tế Độ xác hình học ảnh hưởng nhiều tới kết sau tính tốn so sánh với giá trị thực nghiệm - Phân tích phương pháp chia lưới mơ hình: phương pháp số phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm CFD để giải tốn, việc chia lưới mơ hình để tạo phần tử đủ khả mô giống thực tế điều quan trọng, ảnh hưởng nhiều tới kết tính tốn - Phương pháp tính tốn CFD: dựa phương trình NavierStokes theo số Reynolds trung bình (RANS) phương pháp số để tính tốn 1.3 Khảo sát kết nghiên cứu: Trên giới có nhiều nghiên cứu, báo cáo báo liên quan đến vấn đề khí động học ô tô Các công nghiệp ô tô lớn như: Mỹ, Nhật, Đức,… cơng ty điều có trung tâm nghiên cứu phát triển sản phẩm, đó, khí động học tơ lĩnh vực quan tâm Nhằm giảm chi phí q trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ đại thực tiễn, nhà nghiên cứu phát triển sản phẩm theo hướng mơ hình hóa Trong q trình mơ nghiên cứu khí động học ô tô, nhà nghiên cứu quan tâm nhiều tới ba yếu tố ảnh hưởng tới kết tính tốn mơ phỏng: 1.3.1 Mơ hình hình học: Trong q trình phát triển sản phẩm, phải xuất phát từ mơ hình hay mơ hình thơ trước Sau q trình nghiên cứu ứng dụng sản phẩm, nhà nghiên cứu phải cải tiến sản phẩm phương pháp mô để cho sản phẩm tốt Do đó,