Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu ảnh hưởng chuyển động của xăng bên trong nhiên liệu đến phân bố tải trọng của sơmi rơ-moóc chở xăng khi phanh

-

LÊ TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA XĂNG BÊN TRONG BỒN NHIÊN LIỆU ĐẾN PHÂN BỐ TẢI TRỌNG

CỦA SƠMI RƠ-MOÓC CHỞ XĂNG KHI PHANH

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 01 năm 2020

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Hồng Đức Thông

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 PGS.TS Lê Đình Tuân - Chủ tịch

2 TS Trần Đăng Long - Thư ký 3 TS Trần Hữu Nhân - Phản biện 1 4 TS Đinh Tiến Phúc - Phản biện 2 5 TS Phạm Tuấn Anh - Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LÊ TRUNG HIẾU MSHV: 1770533

Ngày, tháng, năm sinh: 06/01/1991 Nơi sinh: Tỉnh Kiên Giang Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số: 60520116

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA XĂNG

BÊN TRONG BỒN NHIÊN LIỆU ĐẾN PHÂN BỐ TẢI TRỌNG CỦA SƠMI MOÓC CHỞ XĂNG KHI PHANH

RƠ-II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của chất lỏng bên trong bồn nhiên liệu của sơmi rơ-moóc

- Tiến hành mô phỏng chuyển động của chất lỏng bên trong bồn nhiên liệu của sơmi rơ-moóc khi phanh với các mô hình tính toán phù hợp

- Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc và gia tốc phanh đến phân bố tải trọng của sơmi rơ-moóc trong quá trình phanh

- Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước, số lượng vách ngăn và mực chất lỏng đến phân bố tải trọng của sơmi rơ-moóc trong quá trình phanh

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2019

V.CÁN BỘ HD: TS HỒNG ĐỨC THÔNG - TS HUỲNH PHƯỚC THIỆN

LỜI CẢM ƠN

Trước hết xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Hồng Đức Thông và Thầy Huỳnh Phước Thiện vì đã tận tình hướng dẫn, khuyến khích và giúp đỡ trong suốt thời gian thực hiện luận văn Xin kính chúc Thầy và gia đình luôn luôn mạnh khỏe, vui tươi và hạnh phúc

Xin cảm ơn Bộ phận đào tạo sau đại học khoa Cơ khí động lực trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã giúp đỡ nhiệt tình trong thời gian thực hiện và bảo vệ luận văn

Đặc biệt, xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân đã khuyến khích, động viên và tạo điều kiện để tôi hoàn thành tốt luận văn

Cuối cùng xin cảm ơn các anh chị học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí động lực khóa 2017 đã có nhiều đóng góp ý kiến giúp tôi hoàn thành luận văn này

Dù đã rất cố gắng nhưng nội dung luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý của quý thầy, các bạn đồng nghiệp cũng như những người cùng quan tâm tới đề tài này để nội dung luận văn hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 01 năm 2020

Lê Trung Hiếu

TÓM TẮT

Sự sóng sánh của chất lỏng trong bồn chứa không đầy tải có ảnh hưởng rất lớn đến ổnnđịnh dọc và sự vận hành an toàn của sơmi rơmóc bồn nhiên liệu Khi xe chuyển hướng, tăng tốc hoặc phanh, chất lỏng trong bồn có xu hướng dao động Kết quả là các lực và mô men thủy động sẽ xuất hiện làm giảm giới hạn ổn định và khả năng điều khiển của xe Để hạn chế tác động của dao động sóng sánh, các vách ngăn thường được thêm vào cấu trúc của bồn Nội dung chính của luận văn này nghiên cứu ảnh hưởng chuyển động của xăng bên trong bồn nhiên liệu của sơmi rơ-moóc chở xăng khi phanh sử dụng phương pháp số sẽ được trình bày Một mô hình tính toán số ba chiều với các cấu trúc khác nhau của vách ngăn được xây dựng phục vụ cho việc mô phỏng Mô phỏng được tiến hành cho trường hợp xe được giảm tốc đều theo phương dọc trục với các mức tải khác nhau trong bồn chở xăng Việc phân tích kết quả mô phỏng cho thấy mô hình 5 vách ngăn 1 vách chắn sóng và mô hình 5 vách ngăn 2 vách chắn sóng là mô hình bồn chứa thích hợp để chống lại sự sóng sánh theo phương dọc trong bồn chứa được khảo sát Khi tăng vận tốc và gia tốc phanh, sự thay đổi khối lượng chất lỏng tác dụng lên chốt kéo luôn giảm khi thể tích chất lỏng tăng: Ở mực chất lỏng 50%, sự sánh của chất lỏng lớn nhất, sự sóng sánh giảm khi mực chất lỏng 70%, và ổn định nhất khi mực chất lỏng 90% Tăng chiều cao vách chắn sóng và số lượng vách chắn sóng làm giảm sự sóng sánh của chất lỏng trong bồn nhiên liệu Tuy nhiên, việc tăng chiều cao vách chắn sóng ngăn cản sự sóng sánh của chất lỏng trong bồn nhiên liệu tốt hơn việc tăng số lượng vách

ABSTRACT

Sloshing of liquid in partially filled fuel tanker vehicles has a strong effect on the directional stability and safety performance Under the maneuver of the vehicle, such as steering, braking or accelerating, the liquid fuel in the tanker tends to oscillate As a result, hydrodynamic forces and moments raise It leads to reduce the stability limit and the controllability of the vehicle To minimize the effect of sloshing, the baffles are usually added to the tanker The main content of this thesis is Study of the impact of gasoline inside a partly filled tank to weight distribution of petrol trailer when braking using the computational fluid dynamics (CFD) approach Three dimensional of a fluid dynamic model of a typical tanker with different baffle configuration is developed Simulations are performed for the cases of constant acceleration longitudinal maneuvers with different levels of fuel The post-processing results show that the baffles could provide resistance again the fluid sloshing, resulting in an improvement of the longitudinal stability of the tanker semi-trailer The results also prove that the model of 5 baffles with 1 wave baffle and the model of 5 baffles with 2 wav3 baffles is a suitable tank model to prevent the longitudinal sloshing in the surveyed tanks As the acceleration and braking acceleration increase, the change in the amount of fluid acting on the kingpin always decreases as the volume of the fluid increases: At 50% liquid level, the sloshing of the largest fluid, the matching wave decreases when the liquid level is 70%, and most stable when the liquid level is 90% Increasing the height of the wave baffle and the number wave bafflereduces the turbulence of the liquid in the fuel tank However, increasing the height of the wave baffle prevents the sloshing of liquid in the fuel tank better than increasing the number of wave baffle

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Hồng Đức Thông và TS Huỳnh Phước Thiện Các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác

Tp HCM, ngày 08 tháng 01 năm 2020

Lê Trung Hiếu

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xvii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.2.1 Nghiên cứu trong nước 1

1.2.2 Nghiên cứu trên thế giới 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu: 3

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu: 4

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.5 Nội dung nghiên cứu 5

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5

1.6.1 Tính cấp thiết của đề tài 5

1.6.2 Ý nghĩa khoa học 6

1.6.3 Ý nghĩa thực tiễn 7

1.7 Phương pháp nghiên cứu 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Phương pháp số 9

2.2 Phương pháp sai phân hữu hạn 12

2.5 Xây dựng phương trình tính toán 18

2.5.1 Phương trình đại diện 18

2.5.1.1 Phương trình liên tục 18

2.5.1.2 Phương trình navier – stockes (Phương trình động lượng) 18

2.5.2 Phương trình đại diện nhiều pha 19

2.5.2.1 Bảo toàn động lượng 19

3.1.2.1 Tọa độ trọng tâm SMRM và xi téc theo chiều dọc 27

3.1.2.2 Trọng tâm đoàn xe theo phương thẳng đứng 28

3.2 Mô hình mô phỏng 29

3.2.1 Mô hình số 29

3.2.2 Phương pháp mô phỏng 31

3.2.3 Hậu xử lý kết quả mô phỏng 36

Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 38

4.2.2 Ảnh hưởng của vận tốc phanh 57

4.2.3 Ảnh hưởng của gia tốc phanh 58

4.2.4 Ảnh hưởng của số lượng và chiều cao vách chắn sóng 61

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 63

5.1 Kết luận 63

5.2 Hướng phát triển đề tài 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

Phụ lục A: Sự thay đổi tải trọng tác dụng lên cầu sau ở các trường hợp 0B5b40P, 5B0b, 5B1b30P, 5B1b30P trong điều kiện v = 40km, a = 3 m/s2 67

Phụ lục B: Sự thay đổi tải trọng (%) tác dụng lên cầu sau theo vận tốc và mực chất lỏng 68Phụ lục C: Sự thay đổi tải trọng tác dụng lên cầu sau theo vận tốc và mực chất lỏng với gia tốc a = 3 69

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Đối tượng nghiên cứu 3

Hình 2.2: Mô hình VOF 21

Hình 3.1: Sơ đồ xác định phân bố tải trọng lên SMRM và xi-téc 26

Hình 3.2: Mô hình bồn chứa với năm vách ngăn 30

Hình 3.3: Hình dạng vách chắn sóng có chiều cao vách 40% (a) và 50% (b) 30

Hình 3.4: Gia tốc kích thích theo phương dọc trục 31

Hình 3.5: Quy trình mô phỏng và hậu xử lý kết quả 32

Hình 3.6: Khung lưới của mô hình 5 vách ngăn, 5 vách chắn sóng với chiều cao vách 30% 33

Hình 3.7: Mô phỏng với mô hình k – ℇ 34

Hình 3.8: Mô phỏng với mô hình SST 34

Hình 4.1 Các trường hợp vách ngăn, vận tốc và gia tốc mô phỏng 40

Hình 4.2 Tỷ lệ thể tích của xăng trên mô hình 0B5b40P ở điều kiện vận tốc v = 40km/h, gia tốc a = 3m/s2, mực chất lỏng 70% 41

Hình 4.3 Tỷ lệ thể tích của xăng trên mô hình 5B0b ở điều kiện vận tốc v = 40km/h, gia tốc a = 3m/s2, mực chất lỏng 70% 41

Hình 4.4 Tỷ lệ thể tích của xăng trên mô hình 5B6b30P ở điều kiện vận tốc v = 40km/h, gia tốc a = 3m/s2, mực chất lỏng 70% 42

Hình 4.5 Tỷ lệ thể tích của xăng trên mô hình 5B12b30P ở điều kiện vận tốc v = 40km/h, gia tốc a = 3m/s2, mực chất lỏng 70% 42

Hình 4.6 Sự thay đổi tải trọng (%) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 0B5b40P, 5B0b, 5B1b30P, 5B1b30P trong điều kiện v = 40km, a = 3 m/s2 44

Hình 4.7 Sự thay đổi tải trọng (kg) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 0B5b40P, 5B0b, 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 40km, a = 3 m/s2 44Hình 4.8 Sự thay đổi tải trọng (%) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 0B5b40P, 5B0b, 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 40km, a = 5 m/s2 46

Hình 4.9 Sự thay đổi tải trọng (kg) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 0B5b40P, 5B0b, 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 40km, a = 5 m/s2 47

Hình 4.10 Sự thay đổi tải trọng (%) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 0B5b40P, 5B0b, 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 60km, a = 3m/s2 48

Hình 4.11 Sự thay đổi tải trọng (kg) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 0B5b40P, 5B0b, 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 60km, a = 3m/s2 49Hình 4.12 Sự thay đổi tải trọng (%) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 0B5b40P, 5B0b, 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 60km, a = 5 m/s2 51

Hình 4.13 Sự thay đổi tải trọng (kg) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 0B5b40P, 5B0b, 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 60km, a = 5m/s2 51

Hình 4.14 Sự thay đổi tải trọng (%) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 0B5b40P, 5B0b, 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 60km, a = 5 m/s2 53Hình 4.15 Sự thay đổi tải trọng (kg) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 0B5b40P, 5B0b, 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 80km, a = 3m/s2 54Hình 4.16 Sự thay đổi tải trọng (%) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 0B5b40P, 5B0b, 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 80km, a = 5 m/s2 55

Hình 4.17 Sự thay đổi tải trọng (kg) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 0B5b40P, 5B0b, 5B1b30P, 5B1b30P trong điều kiện v = 80km, a = 5m/s2 56

Hình 4.18 Sự thay đổi tải trọng (%) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 40km, 60km, 80km, a = 3m/s2 57Hình 4.19 Sự thay đổi tải trọng (%) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 40km, 60km, 80km, a = 3m/s2 57

Hình 4.20 Sự thay đổi tải trọng ng (kg) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 40km, 60km, 80km, a = 3m/s2 59Hình 4.21 Sự thay đổi tải trọng (kg) tác dụng lên chốt kéo ở các trường hợp 5B6b30P, 5B12b30P trong điều kiện v = 40km, 60km, 80km, a = 5m/s2 60

Hình 4.22 Sự thay đổi tải trọng tác dụng lên chốt với chiều cao vách: 30%, 40%, 50% trong điều kiện a=3m/s2,v=40km 61

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Phân bố tải trọng lên SMRM 26

Bảng 3.2: Kết quả tính toán: 27

Bảng 3.3: Thông số tính toán trọng tâm 27

Bảng 3.4: Thông số tính toán chiều cao trọng tâm 28

Bảng 3.5 Thông số chi tiết của lưới cho trường hợp 5 vách ngăn, 5 vách chắn sóng 33

Bảng 3.6 Thời gian mô phỏng của mô hình rối SST và mô hình k – ℇ 34

Bảng 3.7 Chi tiết của chương trình giải và thông số thiết lập 35

Bảng 4.1 Tải trên chốt kéo và cầu sau ở các mức tải khác nhau của xăng trong bồn chứa 38

Bảng 4.2 Sự thay đổi tải trọng tác dụng lên chốt kéo với v = 40km, a=3 m/s2 43

Bảng 4.3 Sự thay đổi tải trọng tác dụng lên chốt kéo v = 40km, a=5 m/s2 46

Bảng 4.4 Sự thay đổi tải trọng tác dụng lên chốt kéo với v = 60km, a = 3m/s2 48

Bảng 4.5 Sự thay đổi tải trọng tác dụng lên chốt kéo với v = 60km, a = 5m/s2 50

Bảng 4.6 Sự thay đổi tải trọng tác dụng lên chốt kéo với v = 60km, a = 5m/s2 53

Bảng 4.7 Sự thay đổi tải trọng tác dụng lên chốt kéo với vận tốc: 80km, gia tốc: 5 m/s2 55

Bảng 4.8 Sự thay tải trọng (%) tác dụng lên chốt kéo theo vận tốc và mực chất lỏng 57

Bảng 4.9 Sự thay đổi tải trọng (kg) tác dụng lên chốt kéo theo vận tốc và mực chất lỏng 57

Bảng 4.10 Sự thay đổi tải trọng (kg) tác dụng lên chốt kéo theo vận tốc và mực chất lỏng với gia tốc a = 3 58

Bảng 4.11 Sự thay đổi tải trọng (kg) tác dụng lên chốt kéo theo vận tốc và mực chất lỏng với gia tốc a = 5 59

Bảng 4.12 Sự thay đổi tải trọng tác dụng lên chốt kéo theo chiều cao vách chắn sóng ở mô hình 5B6b30P 61

Bảng 4.13 Sự thay đổi tải trọng tác dụng lên chốt kéo theo chiều cao vách chắn sóng ở mô hình 5B12b30P 61

DANH MỤC KÝ HIỆU

a/b mm Khoảng cách từ tọa độ trọng tâm SMRM và xi téc khi đầy tải đến đường tâm trục bánh xe trước/sau

a0/b0 mm Khoảng cách từ tọa độ trọng tâm SMRM và xi téc khi không tải đến đường tâm trục bánh xe trước/sau

B02 mm Vết bánh xe ngoài phía sau của SMRM

g m/s2 Gia tốc trọng trường

HG mm Chiều cao trọng tâm SMRM và Xi-téc thiết kế

HG mm Chiều cao trọng tâm SMRM khi đầy tải HG0 mm Chiều cao trọng tâm SMRM khi không tải HGi mm Chiều cao tâm các thành phần trọng lượng

mm Hệ số bám giữa mặt đường và bánh xe trong mặt phẳng ngang

Rmin m Bán kính quay vòng nhỏ nhất của đoàn xe khi quay vòng ngặt

v m/s Vận tốc phanh

Vc m3 Thể tích của mỗi ô tính của lưới

vof(c)gas Tỷ lệ thể tích của chất lỏng trong mỗi ô

Z01 kG Trọng lượng bản thân trục trước (chốt kéo) Z02 kG Trọng lượng bản thân trục sau (trục 2 SMRM)

Z1 kG Trọng lượng toàn bộ của SMRM trên trục trước Z2 kG Trọng lượng toàn bộ của SMRM trên trục sau

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CFD Computational Fluid Dynamics FDM Finite diference methods

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, vấn đề an toàn khi vận hành xe tải nói chung và xe chuyên dùng nói riêng đang được mọi người rất quan tâm, đặc biệt là sơmi rơ-moóc chở xăng Khi sơmi rơ-moóc chở xăng chuyển động trên đường đang chở nhiên liệu trong xi-téc, tùy thuộc vào khối lượng hay thể tích nhiên liệu chứa trong xi-téc mà mức độ ổn định của xe sẽ khác nhau và mức độ an toàn của xe cũng khác nhau

Động học của chất lỏng chứa bên trong xi-téc sẽ làm giảm khả năng ổn định của sơmi rơ-moóc chở xăng Vì vậy, thiết kế và sản xuất xi-téc như thế nào để đảm bảo tính ổn định của sơmi rơ-moóc chở xăng là vấn đề cần được quan tâm đúng mức, và cần được giải quyết Độ lớn của các va đập bên trong xi-téc phụ thuộc rất lớn đến hình dạng và số lượng vách ngăn bên trong xi-téc chứa Các vách ngăn nếu được lắp đặt đúng sẽ triệt tiêu được các va đập của chất lỏng khi xe chuyển động, phanh và quay vòng Đề tài nghiên cứu này tập trung phân tích các va đập của chất lỏng bên trong xi-téc tương ứng với từng trường hợp cụ thể của các vách ngăn

Dựa vào phương trình Navier-Stokes kết hợp với phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm Ansys Fluent để chúng ta có thể phân tích được xu hướng chuyển động của chất lỏng cũng như tầm ảnh hưởng của từng kiểu vách ngăn khác nhau đến việc triệt tiêu va đập sinh ra bởi chất lỏng khi xe chuyển động, phanh và quay vòng

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.2.1 Nghiên cứu trong nước

Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đang trong quá trình hình thành và phát triển, dần trở thành ngành công nghiệp hàng đầu của đất nước Đặc biệt là ô tô chuyên dùng nói chung và xe xi-téc nói riêng đang ngày càng phát triển Tuy nhiên, các đề tài nghiên cứu trong nước chỉ tập trung vào mảng thiết kế xe xi-téc Gần đây, một số đề tài tập trung vào hướng nghiên cứu nâng cao tính năng động lực học của xe xi-téc

Đề tài Luận văn Thạc sỹ “NGHIÊN CỨU TỐI ƯU VÁCH NGĂN XI-TÉC ĐỂ NÂNG CAO TÍNH NĂNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SOWMI RƠ-MOÓC CHỞ

XĂNG” của tác giả Trần Minh Tài thực hiện tại trường đại học Bách Khoa TpHCM [1] Tác giả đã đánh giá được sự ảnh hưởng của dao động gây ra bởi chất lỏng trong xi-téc đến sự ổn định của sơmi rơ-moóc khi chuyển động thẳng tiến theo phương dọc trên đường Trình bày các mô hình tính toán mà Ansys Fluent có để đánh giá, phân tích các tính năng động lực học của sơmi rơ-moóc chở xăng Tiến hành mô phỏng động lực học sơmi rơ-moóc chở xăng với các mô hình tính toán phù hợp Từ đó phân tích các kết quả tính toán mô phỏng và lựa chọn kết cấu vách ngăn xi-téc phù hợp Tuy nhiên, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng dao động gây ra bởi chất lỏng trong xi-téc đến sự ổn định của sơmi rơ-moóc khi chuyển động thẳng tiến theo phương dọc trên đường

1.2.2 Nghiên cứu trên thế giới

Từ lâu, trên thế giới người ta đã nghiên cứu nâng cao tính năng động lực học của xe xi-téc Các đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu về ứng xử của chất lỏng chứa bên trong xi-téc, cụ thể như: ảnh hưởng của mực chất lỏng đến chuyển động của xi-téc, hình dạng và kích thước của xi-téc hay phương pháp giảm dao động của chất lỏng trong xi-téc

Đề tài "Impact of liquid load shift on the braking characteristics of partially filled tank vehicles" [2] của tác giả Ranganathan, R và Yang, Y năm 1996 nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi chất lỏng bên trong bồn chứa một phần nhiên liệu Sự thay đổi chất lỏng xảy ra trong mặt phẳng dọc của xe trong quá trình phanh được đặc trưng bằng cách sử dụng sự thay đổi độ dốc của bề mặt tự do của chất lỏng và sự dịch chuyển tương ứng ở trọng tâm của khối chất lỏng Sự thay đổi tải trọng trên các trục khác nhau của xe trong quá trình vận hành sau đó được tính toán để phân tích hành vi của quá trình phanh

Đề tài "Optimal tank design and directional dynamic analysis of liquid cargo vehicles under steering and braking" [3] của tác giả Kang, X D năm 2001 nghiên cứu tối ưu thiết kế và phân tích động lực học của xe chở nhiên liệu trong trường hợp lái và phanh Từ nghiên cứu, tác kết luận rằng chuyển động của chất lỏng chứa trong bồn nhiên liệu có xu hướng giảm giới hạn ổn định dọc và giới hạn ổn định ngang của xe, khi

vận hành trên đường khô và đường ướt, trơn trượt, tương ứng Các giới hạn hiệu suất có thể được tăng cường đáng kể thông qua việc sử dụng các thiết kế tối ưu được đề xuất

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong phạm vi giới hạn về thời gian, nguồn lực và yêu cầu của luận văn thạc sĩ, đề

tài này chỉ giới hạn nghiên cứu như sau:

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là mô hình bồn chứa nhiên liệu với các vách

ngăn và vách chắn sóng được xây dựng dựa trên xi téc: G43-BX40

Hình 1.1: Đối tượng nghiên cứu

được sơn bảo vệ Kích thước không vượt quá giới hạn cho phép quy định trong an toàn giao thông

- Chiều cao mối hàn = 5 (mm), bảo đảm chắc chắn, ngấu đều - Làm sạch các bề mặt trước khi hàn

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu:

- Tìm hiểu về sơmi rơ-moóc chở xăng G43-BX40

- Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc và gia tốc phanh đến phân bố tải trọng của sơmi rơ-moóc

- Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước, số lượng vách ngăn và vách chắn sóng đến phân bố tải trọng của sơmi rơ-moóc trong quá trình phanh

- Tìm hiểu ứng dụng phần mềm Ansys Fluent trong việc nghiên cứu ứng xử của nhiên liệu bên trong bồn chứa của sơmi rơ-moóc trong quá trình phanh

- Ứng dụng phần mềm Ansys Fluent, tiến hành mô phỏng, đánh giá, phân tích các tính ổn định của sơmi rơ-moóc trong quá trình phanh

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

Ở nước ta số lượng xe chuyên dùng nói chung và sơmi rơ-moóc chở xăng nói riêng đang vận hành rất nhiều và trong tương lai càng phát triển mạnh hơn Tuy nhiên tất cả các xe này chỉ dựa trên kinh nghiệm thực tiễn để phát triển các loại xi-téc dùng trong từng lĩnh vực khác nhau Điều này dẫn đến các rủi ro trong quá trình vận hành và khó khăn trong quá trình sửa chữa, cải tạo xi-téc

Vì vậy, trong phạm vi luận văn này sẽ giải quyết vấn đề cơ sở lý thuyết cho các loại xe chuyên dùng trong đó có sơmi rơ-moóc chở xăng Chúng ta sẽ tập trung giải quyết vấn đề giảm và dập tắt các va đập gây ra bởi chất lỏng trong xi-téc chứa khi xe vận chuyển trên đường trong quá trình phanh

Thông qua phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm Ansys Fluent, chúng ta sẽ có các kết quả từ các mô phỏng tương ứng với các điều kiện ban đầu Từ các kết quả trên chúng ta sẽ biết được phân bố tải trọng trên xe và đánh giá tính ổn định của xe khi phanh

1.5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc và gia tốc phanh đến phân bố tải trọng của sơmi rơ-moóc trong quá trình phanh

- Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước, số lượng vách ngăn và vách chắn sóng đến phân bố tải trọng của sơmi rơ-moóc trong quá trình phanh

- Trình bày các mô hình tính toán mà Ansys Fluent có để đánh giá, phân tích các tính năng động lực học của sơmi rơ-moóc chở xăng trong quá trình phanh - Tiến hành mô phỏng chuyển động của chất lỏng bên trong bồn nhiên liệu của

sơmi rơ-moóc khi phanh với các mô hình tính toán phù hợp

- Phân tích các kết quả tính toán mô phỏng từ đó đánh giá tính ổn định của xe khi phanh

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1.6.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong sơmi rơ-moóc chở xăng, dù chỉ một chuyển động nhỏ của xe cũng làm cho bề mặt chất lỏng bên trong xi-téc có những chuyển động, va đập lớn Vấn đề này thường thấy trong xe chở xăng, dầu, các xi-téc chứa nhiên liệu của máy bay, tàu thủy Trong sơmi rơ-moóc chở xăng, khi chở một phần chất lỏng trong xi-téc thì động năng đáng kể chuyển tải từ mặt phẳng chuyển động lắc qua mặt phẳng chuyển động lên xuống của xe Việc chuyển tải động năng khi xe chuyển động ảnh hưởng rất lớn đến các xe xi-téc hạng nặng Độ lớn của các chuyển động trong xi-téc phụ thuộc nhiều yếu tố liên quan đến kết cấu xe, thiết kế của xi-téc chứa và kiểu chuyển động của xe Độ lớn của các chuyển động trong xi-téc có thể được gây ra bởi xe khi phanh, quay vòng hay chuyển làn đường Một đánh giá về tai nạn xe cộ ở Mỹ và Canada tiết lộ rằng xe tải nặng chiếm 28%, xe khách chiếm 19% Tai nạn trên xa lộ liên quan đến các xe hạng nặng là nguyên nhân đáng kể về thiệt hại tài sản, tính mạng con người và thiệt hại về môi trường khi hóa chất dễ cháy, độc hại Nghiên cứu của Ranganathan [2] cũng cho biết có hơn 15000 xe tải thương mại mỗi năm ở Mỹ và khoảng 62,67% xe xi-téc semi Tính chất ổn định của xe xi-téc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như là hình dạng của xi-téc chứa, tọa độ trọng tâm, mực chất lỏng chứa trong xi-téc, thiết kế để giảm va đập

của chất lỏng trong xi-téc … Phần lớn các nghiên cứu đã tập trung vào tính ổn định của xe xi-téc khi chất lỏng trong xi-téc chưa điền đầy, trong khi chỉ có một vài báo cáo về sự thay đổi tải trọng khi phanh và trong quá trình quay vòng Những nghiên cứu này chủ yếu dựa trên các giải pháp tĩnh kineto của chất lỏng không nhớt, nghiên cứu này không đặc trưng cho các lực và moment gây ra bởi các chuyển động của chất lỏng Hơn nữa, nó cũng không đánh giá được tác dụng của các vách ngăn trong việc dập các dao động của chất lỏng trong xi-téc

Các vách ngăn trong xe xi-téc có tác dụng hạn chế việc chuyển tải lực dọc khi phanh và khi vừa phanh vừa quay vòng Hiệu quả phanh sẽ cao khi sử dụng các vách ngăn Chỉ có một số ít nghiên cứu đã cố gắng để nghiên cứu hiệu quả của các thiết bị chống va đập của chất lỏng trong xi-téc dưới tác dụng của các lực và moment Hiệu quả của các vách ngăn phụ thuộc vào việc thiết kế kiểu vách ngăn như thế nào, số lượng vách ngăn và vị trí vách ngăn trong xi-téc Các ảnh hưởng của các yếu tố như động lực học của chất lỏng trong xi-téc chứa và moment, tuy nhiên vẫn chưa được nghiên cứu Điều này một phần là do sự phức tạp liên quan đến mô hình tính toán CFD với chất lỏng phi tuyến Những năm gần đây phương pháp CFD được sử dụng để nghiên cứu sự chuyển động của chất lỏng trong xi-téc khi chưa được điền đầy Trong khi một số mô hình CFD hai và ba chiều nghiên cứu về tác động của chuyển động chất lỏng trong xi-téc, chỉ có hai nghiên cứu đã khám phá vai trò của vách ngăn

Luận văn này nghiên cứu tập trung vào việc phân tích cách ứng xử của chất lỏng trong xi-téc với các thiết kế khác nhau của vách ngăn Một mô hình ba chiều của một chiếc xe xi-téc khi chưa điền đầy chất lỏng trong xi-téc được xây dựng để nghiên cứu trạng thái ổn định của xe cũng như lực dọc và moment khi xe phanh Các mô hình chuyển động của chất lỏng được xây dựng cho các thiết kế và bố trí khác nhau của vách ngăn

1.6.2 Ý nghĩa khoa học

- Vận dụng phần mềm số vào nghiên cứu khoa học

- Từ những thông số ban đầu thông qua chương trình mô phỏng đánh giá được tính ổn định của sơmi rơ-moóc chở xăng khi phanh

- Phân tích kết quả cho biết sự ảnh hưởng các thông số vận tốc và gia tốc phanh ảnh hưởng như thế nào tới tính ổn định của sơmi rơ-moóc chở xăng, qua đó điều chỉnh cho hợp lý, cung cấp thông tin cho việc thiết kế kỹ thuật

1.7 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp kế thừa: Sử dụng những mô hình phân tích đã tích hợp sẵn trong

phần mềm Tìm hiều những thông số cần thiết để tạo mô hình mới dựa trên cái đã có

- Phương pháp chuyên gia: Tham khảo và học hỏi những người đã có kinh nghiệm

trong tính toán và mô phỏng trong lĩnh vực này

- Phương pháp mô phỏng: dùng phần mềm Ansys Fluent để mô hình hóa và mô

phỏng xe dựa vào những thông số đầu vào của mô hình thực tế, cũng như các xe tham khảo để so sánh đánh giá

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khi một sơ mi rơ moóc chuyên chở xăng với mức tải trong bồn không đầy tăng tốc, giảm tốc, hoặc chuyển động quay vòng, chất lỏng trong bồn chứa sẽ dao động Hiện tượng này được gọi là sự sóng sánh của chất lỏng, đây là một dạng tương tác giữa chất lỏng và thành bồn chứa rắn Một trong các ảnh hưởng lớn của sự sóng sánh là làm thay đổi vị trí trọng tâm của khối chất lỏng khi xe bồn trong quá trình phanh hoặc chuyển động quay vòng Kết quả là, sự thay đổi tải trọng động trong các mặt phẳng ngang và mặt phẳng dọc ảnh hưởng đến các mômen lật và mômen quay dọc, mômen quán tính khối lượng của khối chất lỏng, và có thể dẫn đến sự suy giảm trong giới hạn ổn định hướng và khả năng điều khiển của xe

Để ngăn chặn sự sóng sánh của chất lỏng trên quy mô lớn, các vách ngăn thường được thêm vào cấu trúc của bồn chở xăng Các nghiên cứu về ảnh hưởng của cấu hình của vách ngăn đến sự sóng sánh của chất lỏng trong bồn chứa đã được tiến hành trong vài thập niên trở lại đây sử dụng cả hướng tiếp cận lý thuyết lẫn thí nghiệm Tuy nhiên, chỉ có một vài nghiên cứu lý thuyết thực hiện cho các hợp phức tạp, ví dụ trường hợp xe bồn đang thực hiện phanh hoặc quay vòng Phương pháp thí nghiệm có thể cho các kết quả trực quan về sự sóng sánh của chất lỏng Nhưng nó đòi hỏi một sự chuẩn bị kỹ lưỡng về mặt thiết bị, bao gồm hệ thống kích thích, hệ thống thu nhận gia tốc và hệ thống đo chiều cao sóng [4] Thêm vào đó, việc tiến hành các thí nghiệm trên các đối tượng lớn gặp nhiều khó khăn [5]

Trong những năm gần đây, cách tiếp cận tính toán số sử dụng phương pháp tính toán động lực học chất lỏng (CFD) đóng vai trò quan trong việc dự đoán hành vi của sự tương tác cấu trúc chất lỏng trong quá trình sóng sánh Bằng cách sử dụng CFD làm công cụ để tìm ra mô hình phù hợp trong một nhóm các mô hình tiềm năng, sự tiết kiệm về thời gian và chi phí có thể đạt được Ngoài ra, CFD có thể xử lý các vấn đề về giới hạn dòng chảy và điều kiện biên phức tạp

2.1 Phương pháp số

Toán học bắt đầu từ việc giải quyết những vấn đề cụ thể do con người đặt ra từ xa xưa: chia sản phẩm, tính diện tích của một mảnh ruộng,… Toán học ngày càng phát triển theo yêu cầu của các ngành khác như Vật lí, Thiên văn học, Hóa học,… và cũng phát triển theo yêu cầu của chính toán học Từ cuối thế kỉ 19, người ta chia lượng kiến thức toán học đồ sộ lúc đó thành hai ngành: toán lý thuyết (toán học thuần túy) và toán ứng dụng Toán học thuần túy chỉ quan tâm đến những vấn đề được đặt ra từ yêu cầu nội tại của toán học, mang nhiều tính khái quát và trừu tượng trong khi đó toán ứng dụng lại chú trọng đén việc giải quyết và đưa ra kết quả bằng một con số hoặc bằng hình ảnh trực quan các bài toán cụ thể Ví dụ một bài toán được đặt ra thì toán học lý thuyết chú trọng vào chứng minh sự tồn tại, duy nhất nghiệm, dáng điệu và tính chất nghiệm,… còn toán ứng dụng lại tìm các phương pháp giải bài toán, đề xuất thuật toán giải trên máy tính nhanh, ít tốn bộ nhớ và chính xác

Môn phương pháp tính (phương pháp số) được xem như một bộ phận quan trọng của toán ứng dụng Theo từ điển Bách Khoa toàn thư về KHKT (NXB Mc.Graw Hill 1992) thì phương pháp tính (computational methods) hay toán học tính toán (computational mathematics) hay giải tích số (numerical analysis) hay phương pháp số (numerical methods) là một khoa học nghiên cứu về cách giải tìm nghiệm bằng số gần đúng của các phương trình, các bài toán xấp xỉ hàm số, các bài toán tối ưu… Trong kỹ thuật người ta thường gặp những bài toán mà việc tìm nghiệm giải tích rất khó khăn hoặc không thể thực hiện được, lúc đó người ta phải giải bài toán đó bằng phương pháp số tức là tìm nghiệm gần đúng của bài toán Bên cạnh đó, người ta cũng thường phải nghiên cứu những hiện tượng vật lý mới hoặc là những hiện tượng phức tạp… vậy thì để nghiên cứu dự đoán hiện tượng đó xảy ra như thế nào trong thực tế, người ta thường kết hợp chặt chẽ giữa thí nghiệm và tính toán số bởi vì tính toán số có một số ưu điểm sau:

- Chi phí thấp hơn làm thí nghiệm thực tế: ở đây ta chỉ cần làm ‘thí nghiệm’ trên máy vi tính Tuy nhiên giá thành nghiên cứu thấp nhất sẽ nhận được khi kết hợp một cách hợp lý thực nghiệm vật lý và thực nghiệm số

- Tốc độ: vì làm trên máy tính nên ta có thể sửa chữa, thêm bớt,… hàng trăm mô hình, hàng trăm thông số chỉ bằng một số thao tác đơn giản

- Thông tin đầy đủ: cho biết toàn bộ các thông tin (vận tốc, áp suất, nhiệt độ,…) tại mọi điểm thuộc miền nghiên cứu Điều này trái ngược hoàn toàn với khi làm thí nghiệm thực tế, ta chỉ biết một số thông số tại một số hữu hạn điểm mà thôi - Có khả năng mô phỏng hiện tượng thực tế hoặc lý tưởng (bỏ qua tính nhớt,…) - Tuy nhiên, phương pháp số cũng có một số bất lợi như:

- Kết quả tính toán phụ thuộc nhiều vào sự chính xác của mô hình toán: nếu mô hình toán mô phỏng không đúng hiện tượng vật lý thực tế thì kết quả tính toán sẽ không chính xác

- Nếu hiện tượng quá phức tạp hay hiện tượng mô phỏng có cấu trúc hình học phức tạp thì kết quả có thể thiếu chính xác và tốn kém thời gian để xử lí,…

Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ các công cụ tính toán và phương pháp tính, nghiên cứu bằng phương pháp số luôn ngày càng phát triển

Trong thực tế giải quyết các bài toán trong kỹ thuật, người ta thường dùng 3 phương pháp sau để tính toán, mỗi phương pháp có những ưu, nhược điểm riêng và có phạm vi ứng dụng thích hợp, ngoài ra việc sử dụng phương pháp nào để tính toán còn phụ thuộc vào thói quen, sở thích của từng nhóm nghiên cứu và cũng phụ thuộc vào đặc trưng của bài toán Các phương pháp thông dụng gồm:

- Phương pháp phần tử hữu hạn - Finite Element Methods (FEM): giải các bài toán cơ học,…

- Phương pháp phần tử biên - Boundary Element Methods (BEM): giải các bài toán cơ học, lưu chất,…

- Phương pháp sai phân hữu hạn - Finite diference methods (FDM), phương pháp thể tích hữu hạn (Finite volume methods): giải các bài toán truyền nhiệt, lưu chất,…

Phương pháp số nghiên cứu cách giải của nhiều bài toán khác nhau, trong đó có:

- Giải hệ phương trình đại số tuyến tính: phương pháp Gauss, phân tích LU, phương pháp lặp đơn, Gaus-Seidel,…

- Giải gần đúng phương trình phi tuyến: phương pháp chia đôi khoảng cách, phương pháp cát tuyến, phương pháp lặp, phương pháp Newton,…

- Giải gần đúng phương trình vi phân:

- Phương trình vi phân với các điều kiện đầu (bài toán Cauchy-A4)

Điều kiện đầu: y(xo) = yo

→ Phương pháp giải: Euler, Runge-Kutta, Adams,… Pt vi phân có điều kiện biên (bài toán biên với pt vi phân thường):

Xét hàm số y = y(x) liên tục trong (a,b) thỏa mãn pt vi phân sai: 2

2( )

- Pt vi phân đạo hàm riêng (bài toán biên với pt vi phân đạo hàm riêng):

Ta xét bài toán biên như trên nhưng vùng khảo sát là hai chiều Đây là dạng nghiên cứu chính của pp sai phân hữu hạn Trong kỹ thuật ta thường gặp các dạng: ellip, parabol, hyperbol, ngoài ra còn có những dạng phức tạp hơn như phương trình Navier-Stocker, phương trình dao động uốn của tấm hay dầm trên nền đàn hồi trong các bài toán sức bền vật liệu

2.2 Phương pháp sai phân hữu hạn

Trong vùng cần khảo sát ta chọn một số hữu hạn các điểm tạo thành một “tấm lưới” và chỉ tìm nghiệm tại các điểm này Các điểm tại các “mắt lưới” đó sẽ thỏa mãn phương trình vi phân và các điều kiện biên và như thế, với phương trình vi phân và các “mắt lưới” ta sẽ thu được một hệ phương trình đại số tuyến tính Tại mỗi nút thay thế cho mỗi phương trình vi phân bằng các tổ hợp tuyến tính của các giá trị nghiệm tại các nút (các sơ đồ sai phân) Tóm lại ta sử dụng các “sơ đồ sai phân” tức là thay thế vi phân bằng sai phân

Dùng khai triển Taylor của một hàm f(x) liên tục, khả vi tới cấp (n+1) xung quanh điểm x; x+x; x-x; ta có:

Ta nhận thấy, đối với sai phân trung tâm thì sai số là vô cùng bé bậc hai trong khi đối với sai phân tiến hay lùi, sai số là vô cùng bé bậc một (độ chính xác thấp hơn) Các sơ đồ sai phân thể hiện mối quan hệ giữa giá trị đạo hàm điểm cần tính xấp xỉ với giá trị của các điểm bên cạnh Ở công thức trên, ta xấp xỉ giá trị đạo hàm bậc một tại x bằng giá trị hàm số của hai điểm bên cạnh, ta có thể xấp xỉ giá trị này bằng công thức xấp xỉ với 3 hoặc 4 điểm bên cạnh Độ chính xác càng cao khi giá trị đạo hàm một điểm được xấp xỉ bởi nhiều điểm lân cận

Thuật giải đầy đủ của phương pháp sai phân hữu hạn:

- Rời rạc hóa miền cần khảo sát G (xây dựng lưới) - Sai phân hóa các điều kiện biên

- Trong các pt vi phân thay các toán tử vi phân bằng các toán tử sai phân (xây dựng hệ phương trình lưới)

- Giải phương trình đại số tuyến tính thu được - Khảo sát sự hội tụ và ổn định của lược đồ sai phân

2.3 Phương pháp thể tích hữu hạn

Phương pháp thể tích hữu hạn về cơ bản là sự phát triển như một dạng đặc biệt của phương pháp sai phân hữu hạn, việc tích phân trên thể tích kiểm tra phân biệt phương pháp thể tích hữu hạn với các phương pháp tính toán khác Phương pháp này gồm 5 bước sau:

- Tạo lưới, người ta thay miền khảo sát bằng hệ thống rời rạc hữu hạn các điểm, gọi là nút lưới và các phần tử khối rời rạc nhất định bao quanh các nút lưới, gọi là thể tích kiểm tra

- Tích phân đúng theo thủ tục các phương trình đặc trưng cho luồng lưu chất trên thể tích kiểm tra để có được các phương trình rời rạc tại các điểm nút

- Rời rạc hóa phương trình tích phân bằng cách thay thế các biểu thức vi phân của phương trình tích phân bằng các tỉ sai phân tương ứng Bước này còn được gọi là bước xấp xỉ phương trình tích phân bằng phương trình sai phân

- Rời rạc hóa các điều kiện biên, các điều kiện biên được xấp xỉ bằng các phương trình sai phân đối với các nút lưới gần biên hoặc ở ngay trên biên Tập hợp các phương trình sai phân và các điều kiện biên đã được rời rạc hóa cho ta một hệ phương trình đại số, được gọi là lược đồ sai phân

- Giải hệ phương trình đại số cho ta lời giải gần đúng của bài toán đã cho

Phương pháp thể tích hữu hạn không phải chỉ đơn giản là rời rạc hóa phương trình tích phân và các điều kiện biên rồi giải hệ phương trình đại số thu được Để áp dụng tốt phương pháp thể tích hữu hạn chúng ta cần xem xét các vấn đề sau:

- Tạo lưới như thế nào là thích hợp

- Lược đồ sai phân có hợp lí không? (hệ phương trình đại số tương ứng có nghiệm duy nhất không, lược đồ sai phân có ổn định không, tốc độ hội tụ có nhanh không, khối lượng tính toán nhiều hay ít,…)

Tổng hợp các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và phương trình trạng thái của dòng lưu chất ta có hệ phương trình cơ bản về chuyển động của dòng lưu chất dạng vi phân sau:

1 Phương trình bảo toàn khối lượng:

  tdivu

(2.8) 2 Phương trình bảo toàn động lượng theo phương x:

Nếu chúng ta sử dụng kí hiệu chung  cho tất cả các biến số, các phương trình bảo toàn của dòng lưu chất kể cả các đại lượng vô hướng như khối lượng riêng, nhiệt độ,… sẽ có dạng tổng quát sau:

Phương trình (2.15) được gọi là phương trình biến đổi của đặc tính  của dòng lưu chất, nó chỉ rõ quá trình biến đổi của đặc tính với một bên là các biểu thức thay đổi đặc tính  theo thời gian và thông lượng đối lưu của đặc tính  (vế bên trái) và một bên là biểu thức khuyếch tán và biểu thức nguồn phát sinh  (vế bên phải) Phương trình (2.15) được sử dụng cho quá trình tính toán theo phương pháp thể tích hữu hạn bằng việc cho biến số  các giá trị bằng 1,u,v,w và i,…., lựa chọn các giá trị thích hợp của hệ số khuyếch tán  và biểu thức nguồn phát sinh S

Bước quan trọng của phương pháp thể tích hữu hạn là tích phân phương trình (2.15) trên thể tích kiểm tra (V) trong hệ tọa độ 3D, sau đó áp dụng định lý Gauss-Ostrogratxki ta có:

 

  

2.4 Ứng xử của chất lỏng

Ứng xử của chất lỏng trong xi-téc chứa chúng ta có thể thấy được thông qua chuyển động tự do của bề mặt chất lỏng trong xi-téc khi nó chưa được điền đầy dưới tác động bên ngoài của xe Tùy thuộc vào tác động của xe, mực chất lỏng và hình dạng xi-téc

khác nhau mà chuyển động tự do của bề mặt chất lỏng sẽ khác nhau Vấn đề động lực học, tính ổn định của xe xi-téc, chuyển động của chất lỏng tác động đến việc ước lượng sự phân bố áp lực thủy động lực học, lực, moment và tần số tự nhiên của bề mặt chất lỏng Những thuộc tính này làm ảnh hưởng đến sự chuyển động của xe xi-téc Một số nghiên cứu cho thấy rằng, độ lớn của chuyển động chất lỏng bị ảnh hưởng cực lớn bởi mực chất lỏng chứa trong xi-téc, tác động bên ngoài và hình dạng của xi-téc chứa chất lỏng [2] Hơn nữa, các phương pháp để ngăn cản xu hưởng chuyển động của chất lỏng trong xi-téc cũng được một số nghiên cứu mô tả [3] Các nghiên cứu này báo cáo tác động của các yếu tố sau:

2.4.1 Mực chất lỏng

Thể tích chất lỏng trong xi-téc chứa có mối quan hệ trực tiếp với chuyển động bên trong và trên bề mặt chất lỏng Độ lớn lực và moment gây ra bởi chất lỏng có mối quan hệ trực tiếp đến mực chất lỏng trong xi-téc chứa Hơn nữa, chuyển động tự do của bề mặt chất lỏng cũng tùy thuộc vào hình dạng của xi-téc chứa Các nghiên cứu luôn luôn kết luận rằng thể tích điền đầy của chất lỏng trong xi-téc là yếu tố chính ảnh hưởng đến tần số tự nhiên của chuyển động, sự thay đổi trọng tâm xe, động lực học của xe [3] Chuyển động của chất lỏng bên trong xi-téc gây ra vô số tần số tự nhiên, tuy nhiên chỉ có một số ít tần số tự nhiên đó ảnh hưởng đến chuyển động của xi-téc chứa Nhiều bài nghiên cứu về tần số tự nhiên gây ra bởi chuyển động của chất lỏng tập trung chủ yếu vào phương pháp nghiên cứu độc lập [4] Các nghiên cứu này cho thấy được biên độ dao động lớn của chuyển động chất lỏng xảy ra khi tần số dao động của tác động bên ngoài trùng với tần số dao động riêng của chuyển động chất lỏng [5] Các nghiên cứu này cũng xét đối với các hình dạng xi-téc khác nhau, tuy nhiên nó không áp dụng cho xe xi-téc Budiansky [6] phân tích tính chất chuyển động của chất lỏng xét cho trường hợp ca nô hình trụ tròn, hay hình trụ cầu khi tăng tốc dựa vào lý thuyết thủy động lực học Nghiên cứu cho thấy tần số tự nhiên tương ứng với các mức chất lỏng khác nhau và đưa ra kết luận rằng tần số tự nhiên ban đầu và độ lớn của lực tác dụng lên thành ca nô tăng khi mực chất lỏng tăng Các nghiên cứu trên đều sử dụng lý thuyết xu hưởng chuyển động của chất lỏng kineto-static và mô

hình cơ khí tương ứng Ngoài việc sử dụng nguyên tắc cơ bản của hai mô hình trên, có một số đề tài nghiên cứu sử dụng mô hình quasi static [3] thông qua việc nghiên cứu các mặt cắt ngang khác nhau tương ứng với các dạng xi-téc khác nhau

2.4.2 Kích thích bên ngoài

Các yếu tố tác động cơ học bên ngoài là nguyên nhân làm cho xu hướng chuyển động của chất lỏng cũng như động lực học của xe thay đổi Điểm chính trong các nghiên cứu là xem xét, đánh giá ở điều kiện lý tưởng thì tác động bên và tác động dọc xe ảnh hưởng như thế nào khi xe phanh và quay vòng Hơn nữa, các đặc tính chuyển động của xe cũng được nhấn mạnh ở các nghiên cứu [7] Điều này có thể là do tần số dao động của xe cao hơn khi xe bị nghiên ngang Thuộc tính nghiên ngang của xe được xét nhiều nhất trong điều kiện tĩnh trên mặt phẳng ngang Độ lớn tạm tức thời của đặc tính chuyển động chất lỏng trong xi-téc và sự truyền tải tùy thuộc lớn vào các tác động bên ngoài khi xe phanh hoặc chuyển động khi vừa phanh vừa quay vòng Việc truyền tải động lực học và các dao động xe … chi phối trực tiếp đến độ lớn của các tác động bên ngoài mặc dù ảnh hưởng chính là do hình dạng xi-téc và mực chất lỏng trong xi-téc Các nghiên cứu cũng cho thấy được các tác động của mặt đường làm cho xe bị rung lắc trong mặt phẳng ngang, khi xe chuyển động qua các mặt đường mấp mô Khi đó, các lực do va đập của chất lỏng trong xi-téc lên thành xi-téc gây ra các rung động của xe

2.4.3 Hình dạng xi-téc

Hình dạng xi-téc chứa cũng ảnh hưởng đến chuyển động của chất lỏng trong xi-téc Một số nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của hình dạng xi-téc đến chuyển động của chất lỏng qua các mặt các ngang khác nhau, các loại xi-téc khác nhau: xi-téc hình tròn, hình elip, hình vuông… [3,7] Các nghiên cứu này cùng nghiên cứu khi cho cùng thể tích chất lỏng trong từng loại xi-téc khác nhau để thấy được mối quan hệ giữa các loại xi-téc hình tròn, hình elip hay hình ovan với chất lỏng vận chuyển Tần số tự nhiên tạo ra bởi chuyển động của chất lỏng trong xi-téc phụ thuộc lớn đến hình dạng của xi-téc, đặc biệt là khu vực cắt ngang và chiều dài xi-téc Một số nghiên cứu về tần số tự nhiên do bán kính xi-téc gây nên [6], một số nghiên cứu cả về tần số

tự nhiên và biên độ dao động do chuyển động của chất lỏng trong xi-téc gây ra bị ảnh hưởng trực tiếp bởi hình dạng xi-téc Một bộ phận khác nghiên cứu dựa trên giải pháp tĩnh Kineto kết hợp với phần mềm CFD 2D để mô phỏng thuộc tính chuyển động của chất lỏng Các nghiên cứu này xem xét sự ảnh hưởng của mực chất lỏng trong xi-téc và đưa ra các đề xuất để giải quyết các vấn đề

2.5 Xây dựng phương trình tính toán

Trong mô hình toán học, chúng ta mô tả hệ thống bằng ngôn ngữ toán học Bằng cách này, chúng ta cố gắng mô tả dòng chảy chất lỏng trong quá trình sloshing dưới các hình thức của phương trình toán học được gọi là phương trình đại diện Những phương trình này trình bày một cách chính xác hiện tượng thực tế Một khi các phương trình được hình thành, kỹ thuật CFD được sử dụng để giải quyết phương trình đại diện Các phương trình đại diện liên quan đến nghiên cứu là: Phương trình liên tục, phương trình Navier-Stokes và VOF (Volume of Fluid) Chương này trình bày một giải thích cho các phương trình điều chỉnh và kỹ thuật VOF để theo dõi bề mặt tự do Sloshing là một quá trình phụ thuộc vào thời gian, do đó hình thức phụ thuộc thời gian của các phương trình được sử dụng

2.5.1 Phương trình đại diện

2.5.1.1 Phương trình liên tục

Phương trình này chỉ ra rằng khối lượng được bảo toàn trong dòng chảy Với hệ trục tọa độ trong 1 ống trụ, 3 chiều, không nén được, không ổn định, phương trình liên tục có dạng:

𝜕𝜌𝜕𝑡 +1

𝜕𝑟(𝜌𝑟𝑢𝑟) +1𝑟

𝜕𝜙(𝜌𝑢𝜙) + 𝜕

𝜕𝑧(𝜌𝑢𝑧) = 0 (2.17) Trong đó: ur, uφ, uz là thành phần vận tốc theo phương r, ϕ và z; ρ là mật độ

2.5.1.2 Phương trình navier – stockes (Phương trình động lượng)

Các phương trình này là kết quả của việc áp dụng định luật Newton vào chuyển động của một phần tử chất lỏng và do đó cũng được gọi là phương trình động lượng Phương trình có thể được áp dụng cho cả dòng chảy tầng và dòng chảy rối

(2.18)

(2.19)

(2.20) Trong đó: P là áp suất tĩnh; ur, uφ, uz là thành phần vận tốc theo phương r, ϕ và z; μ là độ nhớt động học; ρ là mật độ; ρgr, ρgφ, ρgz là các lực bản thân do trọng lực Đối với vấn đề của chúng ta, ta sẽ thêm một trường lực cực đại theo phương z để gia tốc theo phương dọc

2.5.2 Phương trình đại diện nhiều pha

Khi vấn đề được hình thành từ 2 pha trở lên như xăng và không khí, một số phương trình liên quan đến vấn đề nhiều pha như sau:

2.5.2.1 Bảo toàn động lượng

Một phương trình động lượng duy nhất được giải quyết cho miền, cho phép trường tốc độ kết quả được chia sẻ giữa các pha

(2.21) Trong đó: p là ứng suất tĩnh, τ là tensor ứng suất, ρg, F là lực trọng trường và ngoại lực (phát sinh từ tương tác với pha phân tán) Nguồn động lượng được định

nghĩa là bội số của mật độ của phần tử lưới cụ thể và gia tốc tức thời có đơn vị là kg/m2s2

2.5.2.2 Mô hình thể tích chất lỏng (VOF)

Vấn đề hiện tại gồm hai pha lỏng và khí Để theo dõi bề mặt tự do của nhiên liệu đa pha, mô hình thể tích chất lỏng (VOF) được sử dụng Mô hình này cho phép mô phỏng sự sóng sánh với biên độ lớn, bao gồm cả sự phân tách bề mặt tự do Kỹ thuật này được phát triển bởi Hirt, VOF là một kỹ thuật số hóa trong CFD để theo dõi và định vị bề mặt tự do (hoặc mặt phân chia giữa chất lỏng với chất lỏng) Trong mô hình VOF, một tập hợp các phương trình động lượng được chia sẻ bởi các chất lỏng, và phần thể tích của mỗi chất lỏng trong mỗi ô tính toán được theo dõi trong toàn bộ miền Mô hình VOF giải quyết pha và tổng phương trình liên tục, kết quả là áp suất và phần thể tích chỉ ra vị trí của mặt phân tách được xác định

2.5.2.3 Sự phân chia thể tích

Kỹ thuật VOF được sử dụng khi có hai hoặc nhiều chất lỏng (hoặc nhiều pha) không hòa lẫn vào nhau Nếu chúng ta thêm một pha phụ vào mô hình của chúng ta, một biến mới được giới thiệu để biểu diễn phần thể tích của pha đó trong ô Đối với mỗi phần thể tích xác định:

∑𝑛 𝛼𝑝 = 1

Trong đó: αp đại diện cho phần thể tích phân tách cho một pha cụ thể p và n là số của những pha hiện tại trong ô tính tóan Giá trị của αp nằm trong khoảng từ 0 đến 1 0 đại diện cho ô trống và 1 đại diện cho ô đầy đủ với pha cụ thể p Giá trị trung gian giữa 0 và 1 chỉ ra rằng có mặt phân tách giữa một hoặc nhiều chất lỏng

Mô hình VOF có thể được hiểu như hình 3.4 Hình 3.4 là kết quả mô phỏng 2D vấn đề sóng sánh bề mặt chất lỏng trong thùng chứa, và cho thấy đường phân tách pha của chất lỏng Phần màu đỏ đại diện cho pha lỏng và màu vàng đại diện cho pha khí

αlỏng +αkhí = 1

Hình 2.2: Mô hình VOF

Tính toán tọa độ trọng tâm thay đổi phương dọc theo kết quả mô phỏng 3D

Sự thay đổi tải trọng do sự sóng sánh bề mặt chất lỏng thường được diễn tả qua sự thay đổi tọa độ tức thời chất lỏng từ tọa độ ở trạng thái tĩnh:

 ii

x Mx

Trong đó: xcg, xi là tọa độ vị trí tức thời của trọng tâm chất lỏng và của một ô “c” đối với điểm giữa thùng

M, Mi là khối lượng của chất lỏng và của một ô “c”

Vi,  là thể tích và khối lượng riêng chất lỏng của một ô “c”

2.5.2.4 Động học lực dao động bề mặt

Lực sóng sánh bề mặt phát sinh từ tổng hợp áp suất phân bố qua vách của ô lưới

(2.25) Trong đó: Fx, Fy, Fz là hợp lực tác dụng lên vách thùng chứa theo phương trục x, y, z do áp suất Pc tác dụng lên ô lưới “c” có vector xác định vị trí là Ac; i, j, k là vector đơn vị theo phương trục x, y, z

2.5.2.5 Momen sóng sánh

Cùng với lực sóng sánh bề mặt, momen sóng sánh bề mặt cũng ảnh hưởng đến sự cân bằng và cần được tính toán Momen là nguyên nhân gây ra sự thay đổi tọa độ trọng tâm cg, ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng trực tiếp của xe Momen uốn, xoắn và quay vòng quanh điểm “o” có được dựa trên tổng momen tương ứng qua mặt tiếp giáp của mỗi ô tính toán:

(2.26) Trong đó: Fc là vector lực được cho bởi một ô “c” trên đường biên, rc là vector vị trí của ô “c” so với tâm “o” và M là vector momen xung quanh “o” Tọa độ của điểm “o” là (0, -R, 0), trong đó R là bán kính thùng chứa

 

Trong đó: Cμ là hằng số hiệu chỉnh bằng thực nghiệm

Nội dung trên giải thích những phương trình khác nhau đại diện cho sự sóng sánh bề mặt của dòng chảy Những phương trình này được giải quyết bằng CFD Những phương trình như: phương trình liên tục, Navier – stokes và kỹ thuật VOF đã được giới thiệu Cũng như những phương trình tính toán lực và momen đối với độ sóng sánh bề mặt cũng đã được giải thích

2.6 Phân tích tính toán 2.6.1 Giới thiệu và nền tảng

Phần này cung cấp mô tả tóm tắt của kỹ thuật rời rạc hóa và quy trình dòng chảy trong mô phỏng CFD Thiết lập ANSYS FLUENT cho phần này cũng được giải thích