Giảm hệ số cản khí động lực học mô hình xe ahmed bằng phương

Dòng chảy không khí tác dụng lên vật một lực F, được phân tích thành 2thành phần F lực cản song song với phương chuyển động của dòng khí và F lựcx z nâng là thành phần vuông góc với phươ

XE AHMED BẰNG PHƯƠNG PHÁP TẠO CÁC LỖ

THÔNG GIÓ PHÍA SAU

Mã số: T2022-06-25

Chủ nhiệm đề tài: KS Tống Duy Quốc

Đà Nẵng, tháng 11 năm 2023

XE AHMED BẰNG PHƯƠNG PHÁP TẠO CÁC LỖ

THÔNG GIÓ PHÍA SAU

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

STT Họ và tên Vai trò Đơn vị công tác

Thành viênchính

Khoa Cơ khí, Trường ĐH Sư phạm KỹThuật - Đại học Đà Nẵng

1 TS Nguyễn Minh Tiến

Thành viênchính

Khoa Cơ khí, Trường ĐH Sư phạm KỹThuật - Đại học Đà Nẵng

2 ThS Phùng Minh Tùng

MỤC LỤC

Mục lục iv

Danh sách các bảng, hình vẽ vi

Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắt ix

Thông tin kết quả nghiên cứu xi

MỞ ĐẦU 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ii

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI iii

Tổng quan 15

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 .1 Khí động học ô tô 15

.1.1 Khí động lực học và các thông số đặc trưng 15

.1.2 Lực cản không khí 17

.1.3 Cấu trúc vỏ xe và sự hình thành các vùng xoáy thấp áp 21

.1.4 Nguồn gốc của lực cản 23

.1.5 Sự phát triển hình dạng thân xe 29

.2 Tình trạng nghiên cứu khí động học ô tô 34

.2.1 Nghiên cứu lý thuyết 34

.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm 36

.3 Tổng quan về mô phỏng CFD và các ứng dụng công nghiệp 37

.3.1 Tại sao lại cần đến mô phỏng CFD? 37

.3.2 Mô phỏng CFD là gì? 38

.3.3 Quy trình mô phỏng CFD 39

.3.4 Các ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD 42

Xây dựng mô hình mô phỏng khí động lực học Ô tô 44

2 2 2 2 2 2 .1 .2 Cơ sở lý thuyết khí động học 44

Mô phỏng dòng chảy không khí 44

.2.1 Các công cụ toán học và ký hiệu quy ước 44

.2.2 Các phương trình mô phỏng 45

.2.3 Các thông số đặc trưng 46

.2.4 Mô phỏng dòng chảy rối 48

2

2

2

.2.5 Phương pháp số để giải bài toán khí động học 53

.3 Mô phỏng khí động học vỏ xe bằng ANSYS – FLUENT 54

.3.1 Giới thiệu chung về ANSYS – FLUENT 54

.3.2 Mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe bằng FLUENT 55

Nghiên cứu MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC MÔ HÌNH XE AHMED .57

3 3 3 3 3 3 3 3 1 .2 Giới thiệu về mô hình xe Ahmed 57

Phương pháp mô phỏng số 58

.2.1 Phương trình SST k-ꞷ 58

.2.2 Miền tính toán và chia lưới 58

.3 Mô phỏng khí động lực học mô hình Ahmed 25 o 60

.3.1 Phân bố trường vận tốc 60

.3.2 Phân bố trường áp suất 61

.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng đến hệ số cản khí động lực học mô hình xe Ahmed 61

3 3 3 4.1 Phân bố trường vận tốc 61

.4.2 Phân bố trường áp suất 62

.5 Nghiên cứu giảm hệ số cản khí động lực học mô hình xe Ahmed bằng cách tạo các lỗ thông gió phía sau 63

KẾT LUẬN 66

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

Thuyết minh đề tài NCKH

Hợp đồng triển khai đề tài

Phụ lục hợp đồng

Bảng Mục lục minh chứng sản phẩm của đề tài

Bộ minh chứng sản phẩm của đề tài

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 1.1 Một số nguyên nhân giải thích tại sao CFD được sử dụng rộng rãi? 37

Bảng 3.1 Thông số lỗ thông gió của các trường hợp mô hình xe Ahmed 64

Bảng 3.2 Thông số đầu vào 65

Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng 65

Hình 1.1 Các lực tác dụng lên vật nằm trong dòng chảy 15

Hình 1.2 Sự hình thành vùng xoáy áp thấp phía sau vật cản 17

Hình 1.3 Ảnh hưởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xoáy 18

Hình 1.4 Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cản 19

Hình 1.5 Hệ số cản không khí trên một số loại ô tô tải 20

Hình 1.6 Hệ số cản không khí của các loại xe thông dụng 20

Hình 1.7 Các vùng xoáy trên vỏ ô tô con 21

Hình 1.8 Phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ xe 22

Hình 1.9 Ảnh hưởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động 23

Hình 1.10 Dòng không khí xung quanh phần đầu ô tô 23

Hình 1.11 Sự phân bố áp lực phía trước ô tô 24

Hình 1.12 Sự phân bố lực cản phía trước ô tô 24

Hình 1.13 Ảnh hưởng của lực cản đến góc nghiêng của mặt trước 25

Hình 1.14 Dòng chảy xung quanh kính chắn gió 25

Hình 1.15 Các nhân tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản trên kính chắn gió 26

Hình 1.16 Sự phân bố áp suất lên kính chắn gió và cột A 27

Hình 1.17 Dòng không khí đi qua bộ tản nhiệt 28

Hình 1.18 Một số dạng ống dẫn không khí làm mát 29

Hình 1.19 Sự biểu diễn các hàm đặc trưng 30

Hình 1.20 Tối ưu hoá các chi tiết trên ô tô 31

Hình 1.21 Tối ưu hoá các chi tiết trên ô tô 32

Hình 1.22 Sự phát triển của hình dạng thân xe 33

Hình 1.23 Sự phát triển hình dạng của ô tô từ thân cơ sở 33

Hình 1.24 Lịch sử phát triển của các mô hình tính toán khí động học 34

Hình 1.25 Sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí động 37

Hình 1.26 Mô hình căn bản trong mô phỏng CFD 39

Hình 1.27 Quy trình cơ bản cho người sử dụng mô phỏng CFD 40

Hình 1.28 Tóm lược về quy trình kiểm tra và kiểm nghiệm CFD 41

Hình 1.29 Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD 43

Hình 2.1 Các thành phần ứng suất trên khối chất lỏng 46

Hình 3.1 Mô hình xe Ahmed 57

Hình 3.2 Vùng không gian mô phỏng 59

Hình 3.3 Chia lưới 59

Hình 3.4 Kiểm tra lưới 60

Hình 3.5 Phân bố trường vận tốc 60

Hình 3.6 Phân bố trường áp suất 61

Hình 3.7 Áp suất tại các góc nghiêng khác nhau: (a) 10° (b)15° (c) 25° (d) 45° (e) 60° (f) 90° 63

Hình 3.8 Các trường hợp mô hình xe Ahmed khác nhau 64

Hình 3.9 Hệ số lực cản khí động lực học của các mô hình xe Ahmed 65

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

-ԑ Hệ số tán xạ năng lượng của dòng rối

Hệ số tán xạ năng lượng của dòng rối

-ω

-CHỮ VIẾT TẮT:

Reynolds Averaged Navier

Stokes

DNS Direct Numerical Simulation

RSM Reynolds Stress Model

FEM Finite Element Method

Mô phỏng trực tiếp

Mô hình ứng suất ReynoldsPhương pháp phần tử hữu hạnPhần mềm tính toán động lực học chấtlỏng

CFD Computational Fluid Dynamic

LES Large Eddy Simulation

DES Detached Eddy Simulation

SST Shear Stress Transport

Mô hình dòng rối lớn

Mô hình dòng rối phân tách

Mô hình vận tải ứng suất

Mẫu 3 Thông tin kết quả nghiên cứu đề tài KH&CN cấp Trường

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

Tên đề tài: Giảm hệ số cản khí động lực học mô hình xe Ahmed bằng phươngpháp tạo các lỗ thông gió phía sau

Chủ nhiệm: KS Tống Duy Quốc

Thành viên tham gia:

+ TS Nguyễn Minh Tiến

+ ThS Phùng Minh Tùng

-Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng

Thời gian thực hiện: 3/2023 – 11/2023

2 Mục tiêu:

Đánh giá ảnh hưởng của góc nghiêng phía sau (=20o, =25o và =30o) đến lực

using the passive flow control method”, 8th International Scientific Conference on

Applying New Technology in Green Buildings (ATiGB)

1 chương trình máy tính

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Đưa ra giải pháp giảm hệ số cản lực học trên mô hình xe Ahmed bằng phươngpháp tạo các lỗ thông gió phía sau

Làm tài liệu tham khảo và hỗ trợ tích cực cho các đề tài NCKH của nhóm nghiêncứu

7 Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính

Ngày 22 tháng 11 năm 2023

Chủ nhiệm đề tài

TM Hội đồng Khoa

Chủ tịch (ký, họ và tên) (ký, họ và tên)

XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KT HIỆU TRƯỞNG PHÓ HIỆU TRƯỞNG

PGS TS Võ Trung Hùng

Mẫu 4 Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Anh

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Giảm hệ số cản khí động lực học mô hình xe Ahmed bằng phươngpháp tạo các lỗ thông gió phía sau

Code number: T2022-06-25

Coordinator: Tong Duy Quoc

Implementing institution: University of Technology and Education - TheUniversity of Danang

3 Creativeness and innovativeness:

The Ahmed car model is equipped with rear ventilation holes of different sizes toreduce the aerodynamic drag coefficient

4 Research results:

Research using a combined computational fluid dynamics (CFD) simulationmethod with the SST k-ω turbulence model to passive flow control for reducingaerodynamic drag on the basic Ahmed model 25o (case 1) Passive flow control isachieved by implementing rear air vent holes at the juncture between the rear and sidesurfaces of the Ahmed model Three different vent hole cases are created: case 2: 3 holeswith a diameter of 20mm, evenly spaced at 60mm intervals; case 3: 3 holes with adiameter of 40mm, evenly spaced at 60mm intervals; case 4: 6 holes with a diameter of20mm, evenly spaced at 30mm intervals The simulation results reveal that the ventholes effectively alter the flow of the Ahmed car model, leading to reductions in theaerodynamic drag coefficients by 1.22%, 3.26%, and 2.44% for cases 2, 3, and 4,

respectively Large vent hole diameters yield more significant improvements in reducingaerodynamic drag However, this may also somewhat compromise the original design

of the Ahmed model

5 Products:

1 article is scored as a scientific work in the list of the Scientific Council of State,the project leader is the contact author and working unit of the University of TechnicalEducation - University of Da Nang “Research on reducing aerodynamic drag of theAhmed model using the passive flow control method”, 8th International ScientificConference on Applying New Technology in Green Buildings (ATiGB)

1 computer program

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

Provide a solution to reduce the drag coefficient on the Ahmed car model bycreating rear ventilation holes

This is reference and actively supports students' scientific research projects

TỔNG QUAN1.1 Khí động học ô tô

Khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí, sự tương tác của vỏ xe với môitrường sinh ra các lực và mô men có ảnh hưởng xấu tới chất lượng vận hành của ô tô

Hệ quả trực tiếp của sự tương tác trên là lực cản không khí làm gia tăng mức tiêuthụ nhiên liệu của ô tô, đặc biệt là ở vận tốc cao do lực này tỷ lệ với bình phương củavận tốc Ngoài ra, lực nâng làm giảm khả năng bám đường, còn các mô men thì có thểgây nên hiệu ứng lật xe Đây là những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn chuyển

pháp mô tả, người ta coi một vật chuyển động với vận tốc V trong môi trường khôngkhí 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 đầunguồn là U∞ Dòng chảy không khí tác dụng lên vật một lực F, được phân tích thành 2thành phần F (lực cản) song song với phương chuyển động của dòng khí và F (lựcx z

nâng) là thành phần vuông góc với phương chuyển động Các lực này được tính nhưsau:

Công thức 1.1 cho thấy hệ số Cx không có thứ nguyên, nó không đặc trưng chomột đại lượng vật lý nào mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật Đây làthông 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 chuyểnđộng thì chỉ có cách duy nhất hợp lý là giảm hệ số Cx Bởi vì, nếu giảm A thì sẽ giảmthể tích sử dụng làm ô tô trở nên chật chội Nếu giảm U thì tốc độ chuyển động giảmlàm năng suất vận chuyển giảm theo Vì vậy, tất cả các nỗ lực trong nghiên cứu khí độnghọc ô tô ngày nay tập trung chủ yếu vào việc cải thiện hình dáng khí động học vỏ xenhằm giảm thiểu Cx

Trước đây, khi ô tô chuyển động với vận tốc chưa cao, các nghiên cứu khí độnghọc chỉ quan tâm chủ yếu đến lực cản Fx do lực nâng rất nhỏ và ảnh hưởng không nhiềuđến 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 chảykhông khí là số Reynolds và số Mach Chúng được định nghĩa như sau:

Chỉ số “∞” trong các công thức trên thể hiện thông số được lấy ở vùng không khícách 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<1).Còn nếu M rất lớn (trường hợp các máy bay siêu âm) thì cần sử dụng thêm một chỉ tiêutương tự khác nữa

Ngoài ra, số Reynolds thường được sử dụng để đánh giá và xác định trạng thái dòngchảy Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong các nghiên cứu khí động lực học.Trong phân loại dòng chảy khí động, khi M ≤ 0,3 dòng chảy được gọi là dòng chảydưới âm với môi trường không chịu nén Vì vậy, trong các tính toán khí động học ô tô,

để đơn giản hóa bài toán người ta thường chấp nhận giả thiết là không khí không chịunén với sai số không đáng kể (với M ≈ 0,3, sai số khoảng 5%).

xe thì thành phần cản do chênh áp lại phức tạp hơn rất nhiều Nó phụ thuộc chủ yếu vàohình dạng khí động lực học của vật cản Hình 1.2 mô tả dòng khí với vận tốc U∞ và ápsuất p∞ chảy quanh một vật cản Có thể nhận thấy rằng, ban đầu dòng chảy ôm lấy vật

và được coi là bám vào nó cho tới điểm A Tới đây, dòng chảy tách khỏi vật làm xuấthiện một vùng xoáy phía sau nó, vùng xoáy này có áp suất p2 rất thấp (thường là chânkhông), trong khi phía trước của vật lại chịu áp suất p1 lớn, do vậy sinh ra độ chênh áp:Δpp = p - p 1 2

Hình 1.2 Sự hình thành vùng xoáy áp thấp phía sau vật cản

Trong đó A.Δpp = Fca là thành phần lực cản do chênh áp Lực này phụ thuộc chủyếu vào độ chênh áp và diện tích của vùng xoáy Phạm vi của vùng xoáy được xác địnhbởi điểm tách dòng (điểm A trên hình 1.2) Đây là điểm mà dòng chảy bắt đầu tách khỏivật cản và là khởi đầu của vùng xoáy Các nghiên cứu cho thấy, trong một môi trườngxác định (có độ nhớt xác định) vị trí của điểm A phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố: vậntốc dòng chảy và hình dạng của vật cản

Vận tốc của dòng chảy mà càng lớn thì điểm A càng dịch về phía trước làm diệntích vùng xoáy sẽ tăng lên và ngược lại Nếu hình dạng của vật cản là lý tưởng về mặtkhí động học thì điểm A gần như không tồn tại mà dòng chảy sẽ bao kín vật cản như thểhiện trên hình 1.3a Trong trường hợp này có thể coi: F ≈ 0, hay F ≈ F ca x ms

a) 퐶퐶 ≈

Hình 1.3 Ảnh hưởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xoáy

Tuy nhiên, trên thực tế phần lớn các vật (trong đó có các vỏ xe ô tô) có hình dạngkhí động không thể là lý tưởng Khi đó, tương quan giữa các thành phần F và F hoànms ca

toàn phụ thuộc vào hình dạng khí động lực học của vật Trên hình 1.3 thể hiện sự tạothành vùng xoáy tuỳ theo hình dạng khí động học của vật cản Hình 1.3a là trường hợpvật có dạng khí động lực học lý tưởng nên không tạo vùng xoáy và thành phần cản dochênh áp rất nhỏ Hình 1.3b thể hiện trường hợp vật có dạng khí động lực học xấu, ởđây lực cản do chênh áp F chiếm tỷ lệ lớn trong F ca x

Đối với những vật có dạng khí động học tốt (cánh máy bay, cánh tuabin, chânvịt, ) thì lực cản có thể tính như sau:

퐶 = 퐶 (1 +

퐶)

퐶

(1.7)퐶퐶

với: k = 0,1 - 0,15, có nghĩa là lực cản do ma sát chiếm tỷ lệ từ 85% đến 90%.Các nghiên cứu đã khẳng định rằng, ô tô nó có hình dạng khí động học được coi

là xấu, nên chúng phải chịu lực cản khí động lực học rất lớn Trong đó, thành phần cản

do chênh áp vẫn chiếm tỷ lệ áp đảo và muốn giảm lực cản thì biện pháp duy nhất là cảithiện hình dạng khí động học vỏ xe

Như vậy, giảm 퐶퐶 đồng nghĩa với việc cải thiện hình dạng khí động học của ô tô.Quá trình hoàn thiện dạng khí động học vỏ xe ô tô con theo lịch sử phát triển được mô

tả trên hình 1.4 Có thể nhận thấy rằng, trong giai đoạn trước năm 1930 với những chiếc

ô tô có hình dáng giống xe ngựa cổ xưa, hệ số cản (trên hình ký hiệu là 퐶퐶) rất lớn (0,65

÷ 1,0) Sau đó, vào những năm 1970, hệ số này giảm xuống gần giá trị 0,4 và ngày nay

nó chỉ còn là 0,28 - 0,32 và một số loại xe đã có thể đạt được 퐶퐶 = 0,25 ÷ 0,27 Tuynhiên, sau năm 2000, khi những chiếc ô tô gần như đã hoàn thiện về hình dạng khí độnglực học thì việc giảm được dù chỉ 0,01 trong Cx ngày càng trở nên khó khăn hơn, nó đòihỏi phải có nghiên cứu toàn diện hơn, sâu sắc hơn, trang thiết bị thử nghiệm hiện đạihơn cùng với những chi phí cao hơn rất nhiều Vì vậy, trong giai đoạn này, đồ thị mô tả

Cx theo thời gian gần như nằm ngang

Hình 1.4 Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cảnTrong đó:

W: lực cảnρ: khối lượng riêngV: vận tốc

A: diện tíchTrong tự nhiên, vật có hình dạng khí động học lý tưởng chính là giọt nước rơi trongkhông khí Nếu những chiếc ô tô cũng có hình dạng như vậy thì lực cản khí động lựchọc là nhỏ nhất Trên phần dưới của hình 1.4 mô tả một số dạng vỏ xe có hệ số cản nhỏhơn 0,2 và thậm chí có thể đạt giá trị 0,1 Tuy nhiên, những chiếc xe với kiểu dáng nhưvậy khó có thể đáp ứng được thị hiếu của người tiêu dùng hiện nay nên không thể xuấthiện phổ biến được Người ta thường chỉ gặp các dạng vỏ xe như vậy trên các đườngđua

Đối với ô tô tải, hệ số lực cản khí động thường rất lớn, có thể đạt tới xấp xỉ 1,0.Việc tối ưu hóa hình dạng khí động học của ô tô tải thường gặp nhiều khó khăn hơn cácchủng loại ô tô khác do đặc thù kết cấu của nó

Trên hình 1.5 thể hiện sự phụ thuộc của hình dạng khí động học của ô tô tải có muikín với hệ số lực cản không khí (trên hình ký hiệu là CD) Các phương án thể hiện trênhình 1.5 cho thấy, nếu có giải pháp tạo dáng hợp lý thì có thể giảm đáng kể hệ số cản.Tuy nhiên, đối với dòng xe này hệ số cản thấp nhất vẫn xấp xỉ 0,6

Hình 1.5 Hệ số cản không khí trên một số loại ô tô tảiĐối với ô tô chở khách, hệ số lực cản khí động lực học cũng khá lớn và thườngnằm trong khoảng từ 0,4 đến xấp xỉ 0,7 Việc tạo dáng vỏ xe để có được hệ số Cx nhỏ

có thể được thực hiện tương đối thuận tiện do vỏ xe có cấu trúc đơn giản hơn so với cácchủng loại ô tô khác (ô tô tải và ô tô con)

Hình 1.6 Hệ số cản không khí của các loại xe thông dụng

Tuy nhiên, đối với các nhà sản xuất thì việc tạo dáng không chỉ nhằm vào mụcđích giảm tối đa lực cản khí động mà còn phải đạt được tính thẩm mỹ cao Chính vì vậy,vẫn tồn tại những dạng vỏ xe có hình dáng vuông vắn, góc cạnh tiếp nhận lực cản khíđộng lớn với hệ số 퐶퐶 lớn hơn 0,7 Bên cạnh đó, vẫn có những chiếc ô tô khách với vỏ

xe có thể đạt tới 퐶퐶 xấp xỉ 0,4 và thậm chí là nhỏ hơn Hệ số cản không khí (trên hình

ký hiệu là CD) của các loại xe được mô tả bằng biểu đồ trên hình 1.6

1.1.3 Cấu trúc vỏ xe và sự hình thành các vùng xoáy thấp áp

Khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí, tương tác giữa môi trường vớicấu trúc của vỏ xe tạo thành những vùng xoáy có áp suất thấp Ngoài vùng xoáy lớn ởđuôi xe như đã mô tả trên đây, còn rất nhiều vùng xoáy nhỏ trên vỏ xe góp phần tạo nênlực cản khí động lực học của ô tô Muốn giảm tối đa các lực khí động lực học cần phảitìm cách loại bỏ hoặc giảm kích thước của các vùng xoáy này

a) Các vùng xoáy trên vỏ xe b) Vùng xoáy sau đuôi xe

Hình 1.7 Các vùng xoáy trên vỏ ô tô con

Một ví dụ về sự hình thành các vùng xoáy được mô tả trên hình 1.7 Các vùng xoáyhình thành ở những nơi vỏ xe bị gấp khúc, tạo nên sự đổi hướng đột ngột của dòng chảykhông khí Vùng thứ nhất trên hình 1.7a chính là phần mũi xe với dòng xoáy ngay trênnắp capo, đồng thời dòng khí đi qua két làm mát cũng sinh ra lực cản nhất định Cácvùng xoáy khác như khu vực chân kính chắn gió, góc chữ A, bánh xe, … cũng góp phầntạo nên lực cản không khí Để giảm thiểu ảnh hưởng của chúng, cần phải có giải phápthiết kế hợp lý.

Vùng xoáy lớn ở đuôi xe phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu và kích thước của phầnđuôi của ô tô Trên hình 1.7b mô tả 3 dạng kết cấu đuôi xe với các kiểu vùng xoáy khácnhau Nếu thiết kế đuôi xe thuôn dài về phía sau thì sẽ giảm được kích thước vùng xoáynày, nghĩa là giảm đáng kể lực cản khí động

Để mô tả sự phân bố và nghiên cứu ảnh hưởng của các vùng xoáy thấp áp trên vỏ

xe, người ta thường sử dụng đồ thị phân bố áp suất không thứ nguyên Cp:

∞

ꢀ

2

Trong đó: p là áp suất tại điểm đang xét; 퐶 và 퐶 là áp suất và vận tốc tại điểm∞ ∞

mà các thông số của dòng chảy không bị ảnh hưởng bởi vật (thường gọi là điểm chuẩn).Trên hình 1.8 mô tả một ví dụ về sự phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ ô tô con

Có thể thấy rằng, kính chắn gió chịu áp suất động của dòng khí nên chịu áp suất lớn hơn

áp suất chuẩn, nên áp suất không thứ nguyên ở đây là dương Các vùng có áp suất âmthường là do ảnh hưởng của các dòng xoáy Dựa trên sự phân bố áp suất này người ta

có thể xác định được lực cản chuyển động và lực nâng tác động lên ô tô

Hình 1.8 Phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ xeNhững phân tích trên đây cho thấy, mặc dù lực cản khí động lực học được hìnhthành từ nhiều yếu tố khác nhau, yếu tố chính vẫn là sự hình thành vùng xoáy ở đuôi xe

Hình dáng, kích thước và các tính chất của vùng xoáy phụ thuộc chủ yếu kết cấu phầnđầu xe và dạng khí động của thân xe.

Hình 1.9 Ảnh hưởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động

Trên hình 1.9 mô tả ảnh hưởng của hình dạng đuôi xe tới hệ số lực cản không khí(CD) cho một số dạng kết cấu cụ thể Hình 1.9a cho thấy, nếu bố trí góc nghiêng của tấm

vỏ đuôi xe không hợp lý thì có thể làm tăng hệ số cản Điều này là rất đáng quan tâmđối với ô tô khách, vì nó có dạng đuôi tương tự như mô tả trên hình Đa số các loại ô tôcon có cấu tạo phần đuôi như trên hình 1.9b Có thể thấy rằng, nếu tạo dáng tốt thì sẽgiảm được đáng kể lực cản khí động lực học

Hình 1.10 Dòng không khí xung quanh phần đầu ô tô

Hình 1.11 Sự phân bố áp lực phía trước ô tôĐiểm tách dòng được tạo ra trên bề mặt thẳng đứng phía trước Vì không khí phíatrước ô tô có xu hướng chạy lên trên và qua hai bên sườn xe hơn là chảy qua gầm nên

nó cùng phương với phương chuyển động của ô tô Dòng chảy bị lệch đáng kể tại nútgiao giữa mặt trước, capo và chắn bùn Nếu không có các biện pháp đặc biệt, dòng chảynày sẽ gây ra sự tách dòng, với kết quả là sự phân bố áp lực gần các cạnh trước của capo

và chắn bùn ít hơn so với dòng lý tưởng (hình 1.11) Do đó áp lực dòng chảy ở phần đầu

xe lớn hơn ở dòng chảy lý tưởng và một thành phần của lực cản được tạo ra Hình dạngcủa phần đầu ô tô cũng ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản Điều này được thể hiện trênhình 1.12

Hình 1.12 Sự phân bố lực cản phía trước ô tô

Để ngăn sự tách dòng xảy ra trong thực tế do độ lệch khác nhau từ hình dạng banđầu Trong mặt cắt dọc, các thông số cần quan tâm là độ dốc của mui xe, độ dốc củacapo và bán kính góc lớn với capo Trong hình chiếu đứng là độ côn và bán kính Nếubán kính cạnh phía trước tăng lên, lực cản của các thành phần liên quan sẽ giảm nhanh.Sau đó, khi đạt đến một giá trị nào đó, lực cản không đổi, sự tách dòng không còn xảy

ra và dòng chảy thực tế gần với dòng chảy lý tưởng Điều này có nghĩa là việc bo tròncác cạnh trước có tác dụng ngăn sự tách dòng qua đó giảm thiểu sự đóng góp của phầnthân phía trước đối với lực cản

Tham số hình học thứ hai cần quan tâm là góc nghiêng của mui xe Tác dụng của

độ nghiêng trên mui xe đối với lực cản cũng chịu ảnh hưởng bão hòa, không có sự giảmlực cản khi giảm độ nghiêng

Tham số thứ ba là góc nghiêng của mặt trước, ảnh hưởng của nó đối với lực cảnđược trình bày trong hình 1.13 Trong thực tế, ảnh hưởng này là nhỏ có thể do sử dụngbán kính góc trước lớn

Hình 1.13 Ảnh hưởng của lực cản đến góc nghiêng của mặt trước

Những nhân tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản trên kính chắn gió đượclàm rõ trong hình 2.10 Hai trong số chúng, độ đảo và bán kính cột A đã được phân tíchchi tiết hơn Bán kính cột A không chỉ liên quan đến lực cản mà còn liên quan đến tiếng

ồn gió

Khi tăng góc nghiêng kính chắn gió, lực cản sẽ giảm nhưng không nhiều Với cácgóc nghiêng lớn δ > 60 gần như không có sự cải thiện về lực cản Ngoài ra khi kính chắngió 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 gióGóc 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 nănglượng hơn

Hình 1.16 Sự phân bố áp suất lên kính chắn gió và cột A

c) Trần xe

Trần xe cũng là phần chịu tác động của lực cản, Hệ số cản có thể giảm bằng cáchlàm tăng độ cong của trần xe theo chiều dọc Tuy nhiên nếu độ cong quá lớn thì hệ sốcản Cd lại có thể tăng Những ảnh hưởng thuận lợi của sự tạo vòm phụ thuộc vào sự duytrì đủ độ lớn bán kính cong tại vị trí giữa kính chắn gió phía trước với trần xe và giữatrần 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 củachiếc 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 nhẵnlàm giảm lực cản một cách đáng kể Tuy nhiên sự thay đổi này sẽ phức tạp và khó thựchiện

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 chonước làm mát, ngoài ra không khí còn được cung cấp đến động cơ để đốt cháy nhiênliệu Không khí sạch cần được đưa vào khoang hành khách và thoát ra ngoài, phần lựctổn 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 Sựđóng góp của các ống dẫn bên trong đối với lực cản là rất nhỏ

Hình 1.17 Dòng không khí đi qua bộ tản nhiệtCác lực tạo ra bởi dòng không khí làm mát được tính toán dựa trên các định luậtbảo toàn Nếu không khí làm mát được đẩy lên phía trên, nó sẽ tạo ra áp lực ngược Vì

lý 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 luồngkhông 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 hưởngtiêu 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 làmchậm quá trình tăng của lực cản này, các nhà thiết kế đã tạo ra các lối thoát cho khôngkhí ở bên sườn xe

Hình 1.18 Một số dạng ống dẫn không khí làm mátTuy 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 giữacác hình dạng với các cửa hút và đóng luồng không khí làm mát đi vào.

Hình 1.18 đưa ra một vài dạng của ống dẫn không khí làm mát và chỉ ra ảnh hưởngcủa chúng đối với lực cản không khí làm mát Mục tiêu của sự khảo sát này là đạt đượclượng không khí làm mát lớn nhất, biểu hiện như vận tốc vR ở két làm mát với lực cảnphụ nhỏ nhất Sự tối ưu này đạt được với biển thể C Trong biến thể này, hầu như cácvận tốc tương tự vR thì đạt được như trong phiên bản tiêu chuẩn A, nhưng lực cản khôngkhí làm mát được giảm 1/2 Phiên bản C chỉ dành cho xe đua, không áp dụng cho các

xe thông thường, bởi vì không khí làm mát được làm nóng sẽ đi vào cửa nạp không khísạch của khoang hành khác ở phía trước kính chắn gió

- 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 vớisản phẩm hoàn thiện Tuy nhiên việc thiết kế khí động học ô tô không thể thực hiện theoquá trình này Lý do thứ nhất là không thể phân chia thân xe thành các phần nhỏ Lý dothứ hai là dòng không khí xung quanh ô tô vẫn chưa thể được tính toán một cách chínhxác 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 Cácchiến lược này phù hợp với quá trình thiết kế Các quá trình tối ưu gồm có tối ưu hóachi 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 hàmđặc trưng Các hàm này liên kết hệ số cản C với vectơ r mô tả hình dạng các yếu tố riêngd i

lẻ chẳng hạn như định nghĩa cấu hình của chúng Các vectơ ri này có thể là bán kính, chiềucao hoặc chiều dài… Có 3 loại hàm tồn tại:

- Hàm bão hòa: Một đường cong điển hình được thấy trong trường hợp bo trònmột cạnh

- Hàm nhảy: Loại này xuất hiện khi dòng chảy thay đổi đột ngột từ dạng này sangdạng khác, chẳng hạn khi thay đổi trạng thái dòng chảy từ một chiếc đuôi lướt sang mộtchiếc đuôi vuông

- Hàm nhỏ nhất: Loại này luôn xuất hiện khi lực cản được tạo thành từ hai thànhphần có ảnh hưởng ngược chiều Một ví dụ điển hình của hàm này là chiều cao của tấmchắn phía trước

Hình 1.19 Sự biểu diễn các hàm đặc trưng

Một chiến lược để phát triển khí động học là xác định các hàm Cd này cho tất cảcác thông số dự kiến sẽ có ảnh hưởng đến lực cản của một mô hình đã cho Do sự giaothoa giữa các chi tiết riêng lẻ, quá trình này cần được lặp lại, nhưng nếu trình tự của cácthí nghiệm được chọn để tương ứng với đường đi của dòng chảy, chẳng hạn từ trướcđến sau, phần lớn các tương tác như vậy được đưa vào tính toán.

Một tính năng phổ biến của cả 3 hàm là mỗi hàm có một vectơ ρi mà bất kỳ thayđổi nào sẽ không làm giảm đáng kể lực cản Vectơ ρi này được gọi là tối ưu vì nó xácđịnh giá trị Cd tối ưu Các hàm được phác họa trên hình 1.19 là cơ sở cho việc xem xétthực hiện các biện pháp đề xuất kiểu dáng thân xe

Hình 1.20 Tối ưu hoá các chi tiết trên ô tôQuá trình này được gọi là tối ưu hóa chi tiết, có ưu thế trong phát triển ô tô chođến 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 cóthể giảm lực cản một cách đáng kể mà không làm thay đổi nhận thức về hình dạng củamột chiếc xe

Hình 1.21 Tối ưu hoá các chi tiết trên ô tôMột 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 trựcquan không phân biệt được với kiểu dáng mẫu Khi những hạn chế của việc duy trì kiểudáng đã được giảm bớt, lực cản đã được giảm thậm chí nhiều hơn, trong trường hợp cụthể này là 33% so với mẫu ban đầu Một ví dụ khác được trình bày trong hình 1.20, tuynhiên 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 cáccạnh 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 bántải Để giảm được hệ số cản xuống dưới 0,4 thì cần sử dụng một phương pháp tiên tiếnhơn, đó là tối ưu hóa hình dạng

b) Tối ưu hóa hình dạng.

Hình 1.22 Sự phát triển của hình dạng thân xeTrong 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 củathân cơ sở này là kích thước của nó không được vượt quá kích thước tổng thể của xethiết 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 tronghình 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 kếtsửa 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 từhình dạng cơ sở đến mẫu cơ sở, sự tăng mạnh lực cản là không thể tránh khỏi một lầnnữa chứng tỏ tầm quan trọng của chi tiết Phụ thuộc vào việc mô hình này sai khác baonhiêu so với mẫu thiết kế, mô hình có thể trải qua sự tăng lực cản nhiều hơn nữa trongquá trình đến chiếc xe cuối cùng

1.2 Tình trạng nghiên cứu khí động học ô tô

Hiện nay, trong lĩnh vực khí động lực học ô tô thường sử dụng hai phương phápnghiên cứu khí động học ô tô: phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nghiêncứu thực nghiệm

1.2.1 Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết dựa trên những phương pháp mô phỏng dòng chảy khôngkhí bao quanh ô tô dựa trên phương trình Navier – Stokes Đây là một bài toán hết sứcphức tạp và vẫn đang là mối quan tâm hàng đầu của những nhà nghiên cứu khí động họctrên thế giới và cho tới nay người ta chưa tìm được lời giải đầy đủ được bằng phươngpháp giải tích Vì vậy, đã từ lâu các nhà nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng các môhình đơn giản hóa và các phương pháp giải gần đúng với sự trợ giúp của máy tính Ngàynay, công cụ phổ biến hơn cả trong việc giải các phương trình vi phân đạo hàm riêngcủa 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 trìnhtrên với các giả thiết đơn giản hóa Chẳng hạn, với giả thiết chất khí không nhớt phươngtrình Navier - Stokes có dạng đơn giản nhất, gọi là phương trình Ơ le Trong trường hợpvận tốc chuyển động nhỏ hơn 100 m/s (M ≤ 0,3), có thể sử dụng giả thiết chất khí khôngchịu nén (ρ = const), khi đó các phương trình khí động học sẽ có dạng phương trìnhLaplace 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 độnghọc phụ thuộc vào kết cấu cụ thể và yêu cầu về độ chính xác Đối với những thiết bị cómức 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 cácmức 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 bằngphương pháp sai phân hữu hạn Từ 1990 đến nay, các nhà nghiên cứu khí động học ô tôgiải 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 yêucầu 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 trênsiêu máy tính CRAY C90 cần có thời gian từ 1 đến 2 tháng Ngày nay, công nghệ thôngtin phát triển mạnh cả về phần cứng và phần mềm đã giúp giảm bớt khó khăn cho việcgiải bài toán khí động học ô tô Tuy nhiên, nó vẫn là bài toán khó đòi hỏi thời gian tínhtoán 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 hỗtrợ của các máy tính mạnh Tất cả các phương pháp số đang được sử dụng để giải cácphương trình vi phân mô tả dòng chảy khí động đều dựa trên việc mô tả vỏ xe trongkhông 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 phươngpháp 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 làđiều kiện thực; việc chia lưới linh hoạt Nhưng nó cũng có những nhược điểm: đòi hỏiphải 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 hìnhđơn giản hơn; thời gian tính toán ngắn hơn so với phương pháp phần tử hữu hạn Nhượcđiểm của phương pháp này là: việc tạo lưới không được chuẩn hóa và các điều kiện biênkhông phải là điều kiện thực

Những nghiên cứu hoàn thiện vẫn đang được tiếp tục đối với cả hai phương pháptính trên và ngày càng đưa chúng xích lại gần nhau hơn Tuy nhiên, cho tới nay, để giảiquyết các bài toán về dòng chảy nói chung, người ta vẫn thiên về phương pháp thể tíchhữu hạn

Gần đây, sự phát triển của các phần mềm tính toán chuyên dụng đã mở ra khả năngmới cho các nhà nghiên cứu khí động học ô tô để giải các bài toán ở mức độ phức tạpvừa phải Chẳng hạn, Ansys Fluent cung cấp công cụ giải bài toán khí động học ô tôbằng phương pháp thể tích hữu hạn Đây là giải pháp tương đối đơn giản, nhưng rất hiệuquả cho các nghiên cứu ứng dụng không đòi hỏi độ chính xác quá cao Trong các nghiêncứu chuyên sâu về lý thuyết, các nhà nghiên cứu thường phải sử dụng phương pháp lậptrình trực tiếp cho bài toán phần tử (hoặc thể tích) hữu hạn đầy đủ, có tính xác thực cao

1.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện chủ yếu trong thiết bị chuyên dùng gọi làống khí động Hiện nay, các ống khí động đã tạo được điều kiện thử ngày càng gần vớithực 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 đãcho phép thực hiện những thí nghiệm với độ chính xác cao và mở rộng phạm vi nghiêncứu

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 tốcthử Ô tô thí nghiệm (hoặc mẫu thử) được gắn trên một bàn đo, đặt trong buồng thử Nếuống khí động có kích thước đủ lớn thì người ta sử dụng vỏ xe thực để thí nghiệm Cònnếu 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

Bàn đo 6 thành phần

Hình 1.25 Sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí độngỐng khí động được trang bị một quạt hút có công suất đủ lớn để tạo được vận tốcthử cần thiết với điều kiện có dòng chảy tương tự như khi ô tô chuyển động trong môitrường không khí Dòng khí đi qua vỏ xe thí nghiệm sẽ tạo nên các lực và mô men tácđộng 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 đogồm các cảm biến đo lực và mô men, có khả năng đo được các lực và mô men theo cả3

1

1

phương x, y và z

.3 Tổng quan về mô phỏng CFD và các ứng dụng công nghiệp

.3.1 Tại sao lại cần đến 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 cácquá trình Đây là một giải pháp được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực, nghiên cứuthực 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, khảosát các dòng chảy của vật liệu trong khuôn… Giúp đánh giá được những tác động củacác 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?

- Tốc độ tính toán mô phỏng đã và - Rút ngắn thời gian khi giải quyếtđang được cải thiện đáng kể

Hệ thống tiêu chuẩn cho mô phỏng

CFD hoàn thiện

vấn đề bằng cách dùng mô phỏng để xácđịnh nguyên nhân vấn đề

- Nhiều tiềm năng ứng dụng trong

kỷ nguyên internet vạn vật (loT) và kỹ

thuật số song song (Digital Twin)

Giúp quá trình & thiết bị hoạt độngtích đo lường cho công việc nghiên cứu hiệu quả và ổn định hơn, cho ra sản phẩm

- Sử dụng ít thí nghiệm, thiết bị phân

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

mô phỏng thu được giúp ta hiểu sâu về bản chất của dòng chảy và các tác động của nótới quá trình khảo sát Để thực hiện các mô phỏng CFD thì chúng ta có thể sử dụng cácphần mềm mô phỏng thương mại (commercial code) như FLUENT, CFX của Ansys,STAR-CCM+ của Siemens, hay các phần mềm mã nguồn mở (open-source code) nhưOpenFOAM

Vào những năm 1922, Lewis Fry Richardson (1881-1953) đã đặt nền móng đầutiên cho CFD Tuy nhiên, mãi đến năm 1967 thì những mô hình CFD 3 chiều (3D) đầutiên cho mô phỏng cánh máy bay mới được công bố Kể từ đó CFD được sử dụng rộngrãi 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 đơnpha (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 trìnhkhác như phương trình Euler, dòng Stokes, dòng Fanno, dòng Rayleigh, v.v Hoặcngược lại, bằng việc bổ sung các khái niệm như “nhiệt độ hạt” – năng lượng dao động

của hạt rắn (granular temperature – solids fluctuating energy) thì các hệ đa pha khí-rắnđược giải gần giống như dòng liên tục.

Cho đến ngày nay, các vấn đề cơ bản của CFD nếu phân loại theo dạng mô hìnhtoán học thì bao gồm:

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

Dòng đa cấu tử

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

1.3.3 Quy trình mô phỏng CFD

Tuy rằng chưa có bất cứ tiêu chuẩn nào rõ ràng cho các quy trình mô phỏng CFDnhưng 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) Đơngiản 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

pháp số, (7) Mô phỏng cho các trường hợp hợp khác nhau, (8) Phân tích kết quả môphỏng, 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 trìnhđánh 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 (mathematicalmodel), 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 thiểucác 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