báo cáo nghiên cứu đồ án tháng 5 đề tài nghiên cứu mô phỏng số tác động của dòng khí quanh ô tô cá nhân

Động lực học dòng khí."Động lực học" là một nhánh của động lực học chất lỏng, chuyên nghiên cứuvề chuyển động của không khí, đặc biệt là khi nó tương tác với một vật thểdi chuyển.. Bằng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU ĐỒ ÁN THÁNG 5

Đề tài: Nghiên cứu mô phỏng số tác động của dòng khí quanh ô tô cá nhân

Họ tên sinh viên : Tạ Quốc Đạt

GV hướng dẫn : GS TSKH Dương Ngọc Hải

Hà Nội, năm 2024

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Việt Nam là một nước đang phát triển thuộc khu vực Đông Nam Á được biếtđến với tốc độ tăng trưởng đáng kinh ngạc trong hơn 2 thập kỷ gần đây Đicùng sự phát triển ấy, nhu cầu sử dụng các phương tiện giao thông cũngđang ngày càng tăng cao đặc biệt với các phương tiện bốn bánh bởi sự tiệndụng và tính an toàn cao hơn với người tham gia giao thông Trong số đó,với quy mô của các hộ gia đình hiện đại ngày nay, lượng xe sedan được tindùng đang chiếm tỉ lệ 22.2% trong thị trường xe hơi Việt Nam Chính vì nhucầu này việc nghiên cứu, phát triển dòng xe này sẽ đem lại nhiều lợi íchkhông chỉ với người dùng mà còn với cả các nhà sản xuất

Một yếu tố rất quan trọng, đóng vai trò chính trong việc gia tăng khả năng

độ bám đường cũng như tốc độ của xe là khí động học quanh xe ô tô Vớiviệc nghiên cứu, phát triển thiết kế của xe dựa trên khí động học đem lạinhiều lợi ích bao gồm

- Tiết kiệm nguyên liệu: Dòng khí xung quanh xe sedan có ảnh hưởngđáng kể đến hiệu suất động cơ và tiêu thụ nhiên liệu Bằng cách tối ưuhóa dòng khí giúp cải thiện hiệu suất của động cơ và giảm lượng nhiênliệu tiêu thụ, đồng thời giảm khí thải ra môi trường

- Tăng khả năng cạnh tranh: ngành công nghiệp ô tô đang ngày càng pháttriển và cạnh tranh khốc liệt Việc nghiên cứu và tối ưu hóa dòng khíxung quanh xe sedan giúp các nhà sản xuất tạo ra những sản phẩm cóhiệu suất cao và tiết kiệm nhiên liệu, từ đó cải thiện vị thế cạnh tranh của

họ trên thị trường

- Đảm bảo an toàn: Việc hiểu rõ về dòng khí xung quanh xe còn là yếu tốquan trọng trong việc thiết kế các tính năng an toàn và tiện nghi chongười lái và hành khách

- Bảo vệ môi trường: Việc tối ưu hóa dòng khí xung quanh xe sedan khôngchỉ giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu khí

thải gây hại cho môi trường, góp phần vào mục tiêu bảo vệ môi trường vàphát triển bền vững.

Với những lợi ích nêu trên, việc tính toán dòng khí xung quanh xe mang tínhquan trọng với sự phát triển của dòng xe sedan sau này Chính vì vậy, đề tài

“Tính toán, mô phỏng dòng khí quanh xe sedan” nhằm tìm hiểu tác động

của khí động học lên dòng xe này

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

1 Đối tượng nghiên cứu:

 Mô hình thực tế hoặc mô hình 3D của dòng xe sedan Tìm hiểu sự ảnhhưởng gây ra bởi dòng khí xung quanh xe

 Dòng khí xung quanh xe: Dữ liệu về dòng khí xung quanh xe sedantrong các tình huống khác nhau bao gồm áp suất, profile vận tốc,hướng của dòng khí

2 Phạm vi nghiên cứu:

 Nghiên cứu quá trình ảnh hưởng của dòng khí lên xe với các vận tốc

và điều kiện đầu khác nhau Sử dụng phần mềm SOLIDWORKS đểdựng model và ANSYS FLUENT dùng cho mô phỏng dòng khí xungquanh xe

3 Phương pháp nghiên cứu:

Để tính toán phân bố các yếu tố liên quan đến dòng khí, sử dụng phần mềmANSYS FLUENT cùng với các điều kiện đầu vào để đưa ra phân bố củadòng khí theo từng bộ phận trên xe

4 Kết cấu của đề tài

Ngoài phần mở đầu, báo cáo gồm 3 phần chính:

 Phần 1: Khí động học ô tô

 Phần 2: Cơ sở lý thuyết dòng rối của không khí

 Phần 3: Tiêu chuẩn chia lưới, giả thiết mô phỏng khí động học trên vỏxe.

NỘI DUNG Phần 1: Khí động học ô tô

1 Động lực học dòng khí.

"Động lực học" là một nhánh của động lực học chất lỏng, chuyên nghiên cứu

về chuyển động của không khí, đặc biệt là khi nó tương tác với một vật thể

di chuyển Động lực học cũng là một phần nhỏ của động lực học khí, vớinhiều lý thuyết được chia sẻ với động lực học chất lỏng Thuật ngữ "độnglực học" đồng nghĩa với động lực học khí, với sự khác biệt là động lực họckhí áp dụng cho tất cả các khí Hiểu về chuyển động của không khí (thườngđược gọi là trường dòng) xung quanh một vật thể cho phép tính toán các lực

và moment tác động lên vật thể Các đặc tính điển hình được tính toán chotrường dòng bao gồm vận tốc, áp suất, khối lượng riêng và nhiệt độ theo vịtrí và thời gian Bằng cách định nghĩa một thể tích kiểm soát xung quanhtrường dòng, các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và nănglượng có thể được định nghĩa và sử dụng để giải quyết các đặc tính này

Sử dụng động lực học thông qua phân tích toán học, xấp xỉ kinh nghiệm vàthử nghiệm trong phòng gió hình thành cơ sở khoa học

Tổng của các loại lực trên là tổng lực tác động lên bề mặt của xe

Thành phần của lực này theo hướng vận tốc tương đối qua thân xe được địnhnghĩa là lực cản khí động học Khí động học là yếu tố quan trọng trong việcđánh giá hiệu suất của xe, nó ảnh hưởng lớn đến mức tiêu thụ nhiên liệu của

xe ở tốc độ cao Thiết kế khí động học hợp lý giúp hệ số cản của xe đạt giá

trị Cd (Drag coefficient) từ 0,3 đến 0,5 Lực cản khí động học đóng vai tròchính trong việc cản trở chuyển động của các phương tiện khi đang dichuyển.Từ đó, việc thiết kế khung xe theo khí động học có thể giảm bớt lựccản xuất hiện Ngoài ra, với hệ số nâng âm còn cho thấy sự ổn định hơn và ítnguy cơ trượt hơn.

Sử dụng thiết kế khí động học giúp xe ổn định hơn khi di chuyển ở tốc độcao Để đạt được thiết kế này, việc nghiên cứu tác động khí động học lên xebằng các phương pháp kỹ thuật tiên tiến và mô phỏng trên máy tính trởthành một phần quan trọng trong quá trình phát triển xe Với các thiết kếhiệu quả, lượng nhiên liệu cần thiết để xe di chuyển có thể được giảm thiểunhờ việc hạn chế tác động của lực cản không khí

3 Khí động lực và moments

Lực khí động gồm ba thành phần: một thành phần có phương vuông góc vớivecto vận tốc, chiều hướng lên trên gọi là lực nâng và một thành phần cùngphương ngược chiều với vecto vận tốc gọi là lực cản Ngoài các thành phầntrên, lực khí động còn bao gồm cả lực ép xuống, lực này cùng phương ngược

chiều với lực nâng Lực này có tác dụng làm tăng tải trọng trên các bánh xe

mà không cần tăng trọng lượng của ô tô do đó tăng độ bám đường của lốp

3.1 Lực cản không khí (Drag force)

Lực cản trong không khí là lực cản do không khí tác dụng lên vật chuyểnđộng trong không khí Lực cản của không khí liên quan đến kích thước, hìnhdáng khí động học, kết cấu vỏ xe và tốc độ chuyển động Ngoài ra, đối vớihầu hết các vật lớn như người đi xe đạp, ô tô, và bóng chày không di chuyểnquá chậm, độ lớn của lực cản Fd được tìm thấy là tỷ lệ thuận với bìnhphương vận tốc của vật:

2

F  C Av

Trong đó, A là diện tích tiếp xúc của chất lưu,  là mật độ của chất lỏng, vlà

vận tốc của vật và C D là hệ số cản Thiết kế khí động học hợp lý giúp hệ số

cản của xe đạt giá trị C D (Drag coefficient) từ 0,3 đến 0,5

Chúng ta có thể xem lực cản như ma sát khí động học, và một trong những nguồn gốc của lực cản là ma sát bề mặt giữa các phân tử không khí và bề mặt rắn của xe Vì ma sát bề mặt là sự tương tác giữa chất rắn và chất khí,

độ lớn của ma sát bề mặt phụ thuộc vào các tính chất của cả chất rắn và chất khí Đối với chất rắn, bề mặt nhẵn, có phủ sáp sẽ tạo ra ít ma sát bề mặt hơn

so với bề mặt thô ráp Đối với chất khí, độ lớn phụ thuộc vào độ nhớt của không khí và độ lớn tương đối của lực nhớt so với chuyển động của dòng chảy, được biểu thị bằng số Reynolds Dọc theo bề mặt rắn, một lớp biên

của dòng chảy năng lượng thấp được tạo ra và độ lớn của ma sát bề mặt phụ thuộc vào các điều kiện trong lớp biên này.

Đối với loại xe thân trợ không có các chi tiết kèm theo, lực cản thường đượcphân bố ở bốn khu vực: mui xe, sườn, thân và phần đuôi xe Dựa vào cácđiểm trên, xác định được các nguồn gốc của lực cản Đối với phần đầu ô tô,khi dòng khi tác động vào, điểm tách dòng khí được tạo ra trên bề mặt đứngphía trước Không khí phía trước ô tô có xu hướng chạy lên trên và qua haibên sườn xe hơn là chảy qua gầm nên nó có cùng phương với phươngchuyển động của ô tô Khi dòng chảy xảy ra sự tách dòng, sự phân bố áp lựcgần các cạnh của phần thân trước sẽ lệch so với dòng chảy lý tưởng Sự hútgió tại các cạnh của phần thân phía trước lệch hơn so với dòng lý tưởng Kếtquả của tách dòng là áp lực dòng chảy ở phần đầu xe lớn hơn ở dòng chảy lýtưởng và một thành phần của lực cản được tạo ra Với tại thân xe, phần máicũng là một phần chịu tác động của lực cản Tùy vào độ cong của mái xetheo chiều dọc, hệ số cản cũng sẽ khác nhau Khi thiết kế độ cong của máicần đảm bảo được diện tích mặt trước của xe không đổi, nếu không lực cản

sẽ tăng mặc dù có thể giảm hệ số cản Đối với gầm xe, mặt dưới của hầu hếtcác gầm xe đều là các mặt nhám Thực tế là một gầm xe nhẵn làm giảm lựccản một cách đáng kể Tuy nhiên sự thay đổi này sẽ phức tạp và khó thựchiện

3.2 Lực nâng/lực ép.

Lực ép là lực có cùng phương ngược chiều với lực nâng Lực nâng làthành phần tương tác giữa một vật và chất lưu (không khí, nước )hướng vuông góc với phương chuyển động, lực nâng được sinh ra bởi bất kìtác dụng nào làm cho chất lưu đổi hướng khi nó chảy qua vật Nếu chất lưuthu được một thành phần vận tốc vuông góc với phương ban đầu của nó, do

kết quả tương tác của nó với một vật nhúng chìm, thì vật phải tác dụng mộtlực vào chất lưu để cho nó một gia tốc theo phương ấy Theo định luậtNewton thứ ba (nguyên lí về tác dụng và phản tác dụng), chất lưu phải tácdụng vào vật một lực bằng ngược chiều Như vậy, nếu vật làm ngoặt chấtlưu sang trái, thì vật sẽ chịu một lực đẩy sang phải Trong số các tác dụng cóthể tạo ra lực đẩy, có vật có hình dạng hoặc xoay hướng bất đối xứng đối vớidòng chất lưu; vật đang quay; và mặt bên của vật gồ ghề (tức là một mặtnhẵn hơn mặt kia

Công thức lực nâng của xe:

212

F  v C A

Trong đó, là mật độ dòng khí chạy quanh xe, v là vận tốc của vật, A là diện tích tiếp xúc của chất lưu, C L là hệ số nâng Hệ số của lực nâng phụthuộc vào

Với các vật thể di chuyển trong dòng khí đều phải chịu tác dụng của hai lựcnày Với mỗi loại mục đích khác nhau, lực nâng hoặc lực ép sẽ chiếm ưu thếtùy vào thiết kế của xe Hầu hết các xe đua hay một số xe cá nhân khác đều

sử dụng thêm các bộ phận hỗ trợ nhằm gia tăng lực ép, tăng độ bám đườngcho xe Tuy nhiên, đối với các loại xe thông dụng, thiết kế của xe có xuhướng tạo ra lực nâng nhiều hơn Do thân xe được định hình nhằm tạo mộtvùng có áp suất thấp ở trên

Theo nguyên lý Bernoulli, với cùng một thể tích khí, khi tốc độ của các phần

tử không khí càng cao thì áp suất càng thấp và ngược lại Áp dụng nguyên

lý, khi không khí lên phía trên nắp ca-pô thì gặp kính chắn gió khiến vận tốccủa dòng khí trở nên chậm hơn Khi đó, áp suất tại kính chắn gió tăng tạomột vùng áp suất cao tạo lực ép xuống Khi không khí vượt qua khu vựckính chắn gió, vận tốc của không khí tăng dần lên di chuyển về phía mái xetạo một vùng áp suất thấp trên mái Từ đó, tạo lực nâng trên mái xe Bêncạnh đó, dưới gầm xe cũng đóng vai trò tạo lực nâng hoặc lực ép cho xe.Nếu khu vực đầu xe thấp hơn cuối xe, dòng khí sẽ bị chặn phía trước dẫnđến khu vực áp suất thấp dưới gầm xe Nếu áp suất tại đây bằng hoặc caohơn áp suất phía trên xe, lực ép được sinh ra do có sự khác biệt áp suất giữaphía trên và phía dưới xe

Khi xe chuyển động với vận tốc cao, lực nâng hay nén: Có thể cùng lúc xuấthiện ở nhiều vị trí khác nhau và tác dụng vào chuyển động của xe Cả hailoại lực này đều cần thiết cho tính năng ổn định của xe nếu chúng khôngvượt quá trị số cho phép Xe đua thường có dạng thân tạo nên hợp lực là lựcnén giúp xe bám sát mặt đường hơn, trong khi các loại xe du lịch khác lại cóhợp lực là lực nâng để giúp xe chuyển động dễ dàng hơn Trị số lựcnâng sẽ lớn nhất khi dòng không khí di chuyển đến phía sau xe vì tiếtdiện cản gió của thân xe ở vị trí này giảm nhanh đột ngột Khi vượt quá trị

số cho phép lực nâng này sẽ làm giảm khả năng bám đường của hai bánh xesau

Trước đây, khi ô tô chuyển động với vận tốc chưa cao, các nghiên cứu chỉquan tâm đến lực cản của không khí do lực nâng rất nhỏ và ảnh hưởngkhông nhiều đến điều kiện chuyển động Hiện nay với cơ sở hạ tầng tốt, vậntốc tối đa của xe tăng đáng kể thường từ 80-100 km/h, nên ảnh hưởng đến sự

ổn định của xe khiến cho lực nâng cũng cần được quan tâm, nghiên cứu

3.3 Các thông số đặc trưng cho dòng chảy.

Do lực cản trong không khí xuất hiện khi không khí tác dụng lên vật chuyểnđộng trong đó Để đặc trưng cho dòng chảy của không khí ta có 2 thông sốkhông thứ nguyên quan trọng là số Reynolds và số Mach

Chỉ số “∞” trong các công thức trên thể hiện thông số được lấy ởvùng không khí cách xa vật chuyển động và không chịu ảnh hưởng của vậtnày Ngoài ra, số Reynolds thường được sử dụng để đánh giá và xácđịnh trạng thái dòng chảy Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong cácnghiên cứu khí động học Trong nghiên cứu thủy khí động lực học, người tathường dùng các thông số trên để đánh giá trạng thái dòng chảy và làm chỉtiêu cho các phép quy đổi tương tự Trong đó, thông số thường dùng đối vớikhí 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 tiêu tương

tự khác nữa

3.4 Lý thuyết tương tự trong khí động học ô tô.

Trong nghiên cứu khí động học ô tô, do kích thước vỏ xe có kích thước lớnnên gây ra khó khăn trong việc tính toán các thông số khí động trên xe Dovậy, để xác định được tác động của khí động học lên xe cần xác định thôngqua các mô hình với kích thước thu nhỏ với điều kiện phải xác định đượctính tương tự giữa vỏ xe thật và mô hình nghiên cứu

Từ đó, sử dụng lý thuyết tương tự để giải quyết vấn đề nêu trên Đối vớidòng chảy khí động học không nén, số Re được chọn làm tiêu chí tương tự,

vì nó bao hàm các thông số chính đặc trưng cho dòng chảy (vận tốc, kíchthước và độ nhớt) Theo lý thuyết tương tự, hai dòng chảy được coi là tương

tự nhau nếu chúng có số Re bằng nhau: Ret = Rem , với Ret là số Reynoldscủa vỏ xe thực và Rem là số Reynolds của mẫu nghiên cứu Như vậy, có thểviết:

Qua công thức trên, để đảm bảo được tính tương tự của mô hình, cần phảiđảm bảo vận tốc tăng lên bằng số lần kích thước giảm đi Do vậy, để thựcnghiệm được mô hình cần một buồng gió có công suất cao có thể tạo ra dòngchảy có vận tốc lớn phù hợp với tỉ lệ giảm kích thước của mẫu.

Phần 2: Cơ sở lý thuyết về khí động học

1 Khái quát về khí động học ô tô

Để tính toán lý thuyết về dòng chảy của không khí xung quanh ô tô, ta dựa trên phương trình Navier-Stokes Do chưa tìm được lời giải đầy đủ theo phương pháp giải tích, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc xây dựng các mô hình đơn giản hóa và các phương pháp giải gần đúng với sự trợ giúp của máy tính Phương pháp phổ biến nhất để giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng của bài toán khí động học ô tô là phương pháp số

Việc giải phương trình bằng các phương pháp số cũng vô cùng phức tạp, đặcbiệt là trong trường hợp dòng chảy rối Bởi vậy, người ta thường phảigiải các phương trình trên với các giả thiết đơn giản hóa Chẳng hạn, với giảthiết chất khí không nhớt phương trình Navier-Stokes có dạng đơn giản nhất,gọi là phương trình Ơ le Trong trường hợp vận tốc chuyển động nhỏ hơn

100 m/s (M ≤ 0,3), có thể sử dụng giả thiết chất khí không chịu nén, khi đócác phương trình khí động học sẽ có dạng phương trình Laplace và là cácphương trình tuyến tính

Với các bài toán yêu cầu độ chính xác cao như tính toán cho hàng không, vũtrụ, người ta cần phải bắt buộc giải phương trình Navier-Stokes đầy đủ Tuynhiên, đối với các bài toán về khí động học ô tô, phương trình được giải dướidạng phương trình Reynolds trung bình hóa

Ngoài các khó khăn về lý thuyết, số lượng phép tính cần được giải trong bàitoán khí động học là rất lớn với yêu cầu mô hình có độ chính xác cao, chialưới với các bước nhỏ, số lượng phần tử lớn Do vậy, tốn rất nhiều thời giantính toán cho việc giải các phương trình trên nếu không có sự hỗ trợ củaphương pháp số với các máy tính mạnh Tất cả các phương pháp số đangđược sử dụng để giải các phương trình vi phân mô tả dòng chảy khí độngdựa trên mô tả vỏ xe trong không gian và trong thời gian: tại mỗi điểm trênlưới, người ta tính toán các thông số của dòng chảy cho mỗi bước thời gian.Hiện nay có 2 phương pháp chính để tính toán gồm:

Phương pháp phần tử hữu hạn: Có ưu điểm độ chính xác cao, các điều kiện

biên là điều kiện thực, việc chia lưới linh hoạt Nhưng nhược điểm của nóyêu cầu bộ nhớ lớn, thời gian tính toán dài và chia lưới phức tạp trong vùnglớp biên; khó xây dựng mô hình

Phương pháp thể tích hữu hạn: Đòi hỏi bộ nhớ ít hơn, xây dựng mô hình

đơn giản hơn, thời gian tính toán ngắn hơn so với phương pháp phần tử hữuhạn Tuy nhiêu, phương pháp này là việc tạo lưới không được chuẩn hóa vàcác điều kiện biên không phải là điều kiện thực

Đối với các bài toán không yêu cầu độ chính xác cao như đề tài ta đang xét,phương pháp thể tích hữu hạn đem lại hiệu quả cao hơn so với phương phápphần tử hữu hạn

2 Một số phương trình chủ đạo trong CFD.

Khi xét đến dòng chất lưu, các đặc điểm vật lý của nó được xác định bởi banguyên lý cơ bản:

 Bảo toàn khối lượng;

 Định luật 2 Newton;

 Bảo toàn năng lượng;

Những nguyên lý này là những phương trình toán học cơ bản cho một dònglưu chất, đồng thời mô tả đầy đủ dòng chảy mà ta cần Dựa vào đó, ta xácđịnh được các phương trình chủ đạo cơ bản trong động lực học lưu chất:

0

D

V Dt

2.3 Phương trình năng lượng

- Dạng không bảo toàn:

2