Luận án tiến sĩ nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TÔ HOÀNG TÙNG NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN DẠNG KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TÔ HOÀNG TÙNG NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN DẠNG KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN TRỌNG HOAN PGS.TS HỒ HỮU HẢI Hà Nội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi, đƣợc hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan PGS.TS Hồ Hữu Hải Các kết nghiên cứu đƣợc trình bày luận án trung thực, khách quan chƣa để bảo vệ học vị Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận án đƣợc cám ơn, thông tin trích dẫn luận án đƣợc rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Giáo viên hƣớng dẫn Giáo viên hƣớng dẫn Tác giả luận án PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan PGS.TS Hồ Hữu Hải Tô Hoàng Tùng LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới ngƣời hƣớng dẫn chính: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan - thầy tận tình hƣớng dẫn, bảo, định hƣớng giúp đỡ suốt trình thực luận án với tận tâm, trách nhiệm, sáng suốt khoa học cao Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Hồ Hữu Hải suốt trình thực luận án, với vai trò ngƣời hƣớng dẫn, thầy tận tình hƣớng dẫn, bảo tạo điều kiện thuận lợi cho thực kế hoạch học tập nghiên cứu Tôi cám ơn trân trọng hợp tác, hỗ trợ Trung tâm Phát triển Ứng dụng Phần mềm công nghiệp (DASI), Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội (nay Viện nghiên cứu Quốc tế Khoa học Kỹ thuật tính toán), trực tiếp PGS.TS Nguyễn Việt Hùng cộng Xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể cán bộ, nhân viên Phòng thí nghiệm khí động học Viện Kỹ thuật quân Phòng không - Không quân Xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến thầy Bộ môn Ô tô xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội với góp ý thiết thực suốt trình thực luận án Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quan công tác: Phòng Chất lƣợng xe giới, Cục Đăng kiểm Việt Nam tạo điều kiện, ủng hộ, giúp đỡ mặt trình theo học Nghiên cứu sinh Xin gửi lời cảm ơn tới nhà khoa học, bạn đồng nghiệp giúp đỡ thiết thực cho luận án Xin đƣợc gửi lời cảm ơn đặc biệt tới gia đình tôi, ngƣời bên cạnh tôi, động viên, chia sẻ khó khăn động lực để hoàn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Nghiên cứu sinh Tô Hoàng Tùng MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ii DANH MỤC CÁC BẢNG iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ iv MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam phát triển lĩnh vực sản xuất ô tô khách 1.1.1 Nhu cầu ô tô khách 1.1.2 Định hƣớng phát triển 1.1.3 Thực trạng nhu cầu nâng cao chất lƣợng 1.2 Khí động học ô tô 1.2.1 Khí động lực học thông số đặc trƣng 1.2.2 Lực cản không khí 1.2.3 Cấu trúc vỏ xe hình thành vùng xoáy thấp áp 12 1.2.4 Lý thuyết tƣơng tự khí động học ô tô 18 1.3 Tình hình nghiên cứu khí động học ô tô 19 1.3.1 Nghiên cứu lý thuyết 19 1.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm 21 1.3.3 Các hƣớng nghiên cứu gần 25 1.4 Công nghệ sản xuất vỏ ô tô khách Việt Nam tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu 28 1.5 Nội dung luận án 30 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 30 1.5.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 30 1.5.3 Đối tƣợng nghiên cứu 31 1.5.4 Phạm vi nghiên cứu 31 1.4.5 Nội dung nghiên cứu 31 Kết luận chƣơng Chƣơng XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH 32 33 2.1 Cơ sở lý thuyết khí động học 33 2.1.1 Các phƣơng trình 33 2.1.2 Mô dòng chảy không khí 33 2.1.2.1 Các công cụ toán học ký hiệu quy ƣớc 33 2.1.2.2 Các phƣơng trình mô 35 2.1.2.3 Các thông số đặc trƣng 36 2.1.2.4 Mô dòng chảy rối 38 2.1.2.5 Phƣơng pháp số để giải toán khí động học 44 2.2 Mô khí động học vỏ xe ANSYS - FLUENT 45 2.2.1 Giới thiệu chung ANSYS - FLUENT 45 2.2.2 Mô dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe FLUENT 46 2.2.2.1 - Phƣơng pháp mô FLUENT 46 2.2.2.2 - Các dạng mô hình mô dòng chảy rối FLUENT 47 2.3 Mô hình khí động học vỏ xe khách FLUENT 47 2.3.1 Hệ phƣơng trình mô tả dòng chảy 47 2.3.2 Mô hình 3D vỏ xe khách 49 2.3.3 Xác định v ng không gian mô 50 2.3.4 Chia lƣới 52 2.3.5 Các ràng buộc điều kiện tính toán 56 2.3.6 Phƣơng pháp tính toán lực khí động 56 Kết luận chƣơng Chƣơng NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ Ô TÔ KHÁCH BẰNG PHẦN MỀM ANSYS - FLUENT 58 59 3.1 Phƣơng pháp nghiên cứu 59 3.2 Các thông số đầu vào số giả thiết toán mô 61 3.2.1 Lựa chọn thông số vỏ xe khách 61 3.2.2 Các giả thiết giới hạn nghiên cứu toán mô 61 3.3 Xây dựng mô hình hình học, xác định vùng không gian mô 62 3.4 Chia lƣới đặt điều kiện ràng buộc toán mô 63 3.5 Đặt điều kiện tính toán 64 3.6 Mô tính toán khí động học vỏ xe sở 65 3.7 Khảo sát ảnh hƣởng thông số kết cấu tới khí động học vỏ xe 72 3.7.1 Góc nghiêng kính chắn gió phía trƣớc xe 72 3.7.2 Góc nghiêng kính hậu 76 3.7.3 Góc vát hai thành bên phía đuôi xe 79 3.7.4 Lựa chọn sơ góc vát 82 3.7.5 Bán kính góc lƣợn xe hai thành bên xe 82 3.7.6 Bán kính góc lƣợn kính hậu xe 85 3.7.7 Bán kính góc lƣợn thành sau hai thành bên xe 86 3.7.8 Bán kính góc lƣợn kính chắn gió xe 89 3.7.9 Bán kính góc lƣợn mặt trƣớc hai thành bên xe 93 3.7.10 Lựa chọn dạng mô hình hoàn chỉnh, tính toán khảo sát đánh giá 98 3.7.11 Đánh giá kết tính toán mô 103 3.7.12 So sánh vỏ xe tham khảo vỏ xe cải thiện 104 Kết luận chƣơng Chƣơng NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH TRONG ỐNG KHÍ ĐỘNG 4.1 Mục đích phƣơng pháp nghiên cứu 109 110 110 4.1.1 Mục đích 110 4.1.2 Vấn đề nghiên cứu 110 4.1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 113 4.2 Thí nghiệm ống khí động 114 4.2.1 Trang thiết bị thí nghiệm 114 4.2.2 Thí nghiệm ống khí động 122 4.3 Mô thí nghiệm ống khí động 127 4.3.1 Xây dựng mô hình hình học, chọn vùng không gian mô chia lƣới 4.3.2 Đặt điều kiện, mô phân tích kết Kết luận chƣơng 127 128 134 KẾT LUẬN 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO 137 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Tên gọi Đơn vị Fx Lực khí động theo phƣơng dọc N Fz Lực khí động theo phƣơng ngang N Fy Lực khí động theo phƣơng thẳng đứng N Cx Hệ số cản khí động theo phƣơng dọc - Cz Hệ số cản khí động theo phƣơng ngang - A Diện tích cản diện  Khối lƣợng riêng không khí m2 kg/m3 U∞ Vận tốc dòng khí vô Re Số Reynolds - M Số Mach -  Hệ số độ nhớt động lực a Vận tốc truyền âm không khí m/s N.s/m2 m/s Fms Lực cản ma sát N Fca Lực cản chênh áp N p Áp suất Pa Cp Hệ số áp suất không thứ nguyên - L Thông số hình học đặc trƣng m  Độ nhớt động học không khí  ijt Ten-sơ ứng suất dòng rối k Động dòng rối  Hệ số tán xạ lƣợng dòng rối -  Hệ số tán xạ lƣợng dòng rối - m2/s J/kg (m2/s2) i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký tự Nguồn gốc Chú giải Complete Knock Down Bộ linh kiện hoàn chỉnh (sử dụng để lắp ráp ô tô) RANS Reynolds Average Navier Stokes Phƣơng trình Reynolds trung bình hóa CKD DNS Direct Numerical Simulation Mô trực tiếp RSM Reynolds Stress Model Mô hình ứng suất Reynolds FEM Finite Element Method Phƣơng pháp phần tử hữu hạn CFD Computational Fluid Dynamic Phần mềm tính toán động lực học chất lỏng LES Large Eddy Simulation Mô hình dòng rối lớn DES Detached Eddy Simulation Mô hình dòng rối phân tách SST Shear Stress Transport Mô hình vận tải ứng suất ii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Giá trị hệ số lực cản, lực mô mem theo phƣơng Bảng 3.2 Giá trị Cx phụ thuộc vào góc nghiêng kính chắn gió phía trƣớc Bảng 3.3 Giá trị Cx phụ thuộc vào góc nghiêng kính hậu Bảng 3.4 Giá trị Cx phụ thuộc vào góc vát thành bên phía đuôi xe Bảng 3.5 Sự phụ thuộc Cx vào bán kính góc lƣợn xe hai thành bên xe Bảng 3.6 Sự phụ thuộc Cx vào bán kính góc lƣợn kính phía sau xe Bảng 3.7 Sự phụ thuộc Cx vào bán kính góc lƣợn thành sau hai thành bên xe Bảng 3.8 Sự phụ thuộc Cx vào bán kính góc lƣợn kính chắn gió phía trƣớc xe Bảng 3.9 Sự phụ thuộc Cx vào bán kính góc lƣợn thành trƣớc (bao gồm kính chắn gió phía trƣớc) hai thành bên xe Bảng 3.10 Sự phụ thuộc hệ số Cx vào bán kính góc lƣợn xe kính chắn gió phía trƣớc Bảng 3.11 Lực cản Fx hệ số cản Cx mô hình vỏ xe cải thiện Bảng 3.12 Các thông số mô hình xe khách tham khảo mô hình cải thiện luận án Bảng 4.1 Một số phƣơng án lựa chọn tỷ lệ thu nhỏ mẫu thử Bảng 4.2 Kết thí nghiệm Bảng 4.3 Kết tính toán lực cản khí động vận tốc 29 m/s Bảng 4.4 Kết tính toán lực cản khí động vận tốc 25 m/s Bảng 4.5 Kết thí nghiệm kết tính toán mô mô hình tỷ lệ 1:40 ống khí động iii Hình PL2.4: Bộ khớp xoay hai chiều 1- Đế cố định mô hình; 2- Trục xoay thay đổi định vị theo góc a; 3- Trục xoay thay đổi định vị theo góc b; 4- Đầu cố định với cân khí động PHỤ LỤC CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG ỐNG KHÍ ĐỘNG Các kết đo Hình PL3.1 - Kết đo vận tốc 20 m/s Hình PL3.2 - Kết đo vận tốc 25 m/s Hình PL3.3 - Kết đo vận tốc 29 m/s Hình PL3.3 - Kết đo vận tốc 34 m/s Các kết mô thí nghiệm 2.1 Kết mô thí nghiệm vận tốc 20 m/s (có mô hình mô hình xe thu nhỏ) Hình PL3.4 - Phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.5 - Phân bố vận tốc mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.6 - Đường dòng mặt phẳng đối xứng dọc 2.2 Kết mô thí nghiệm vận tốc 25 m/s (có mô hình mô hình xe thu nhỏ) Hình PL3.7 - Phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.8 - Phân bố vận tốc mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.9 - Đường dòng mặt phẳng đối xứng dọc 2.3 Kết mô thí nghiệm vận tốc 29 m/s (có mô hình mô hình xe thu nhỏ) Hình PL3.10 - Phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.11 - Phân bố vận tốc mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.12 - Đường dòng mặt phẳng đối xứng dọc 2.4 Kết mô thí nghiệm vận tốc 34 m/s (có mô hình mô hình xe thu nhỏ Hình PL 3.13 - Phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.14 - Phân bố vận tốc mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.15 - Đường dòng mặt phẳng đối xứng dọc [...]... hiện luận án Tiến sĩ với đề tài: Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam Luận án là một công trình nghiên cứu sâu đầu tiên về khí động học ô tô ở Việt Nam Các kết quả nghiên cứu của 1 Luận án góp phần từng bƣớc tạo ra một cơ sở lý thuyết vững chắc cho sự phát triển lâu dài của ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam Mục đích của luận án: Xây dựng mô hình khảo sát, đánh... hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gƣơng chiếu hậu, gạt mƣa, các khe gờ trên vỏ, kính, …) Nội dung nghiên cứu Luận án gồm các nội dung chính nhƣ sau: 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2 Xây dựng mô hình mô phỏng khí động học vỏ xe khách 3 Nghiên cứu khí động học vỏ ô tô khách bằng phần mềm ANSYS - FLUENT 4 Nghiên cứu khí động học vỏ xe khách trong ống khí động 5 Kết luận 2 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU... đánh giá dạng khí động học vỏ xe ô tô khách và đề xuất các giải pháp cải thiện dạng khí động học nhằm giảm thiểu lực cản khí động tác dụng lên ô tô Đối tượng nghiên cứu: Đối tƣợng nghiên cứu của Luận án đƣợc lựa chọn là ô tô khách cỡ lớn với mẫu xe tham khảo cụ thể là ô tô khách 51 chỗ của Trƣờng Hải THACO KB120LSI Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu về lực cản khí động với tiêu chí đánh giá... đƣợc giải dƣới dạng phƣơng trình Ơ le bằng phƣơng pháp sai phân hữu hạn Từ 1990 đến nay, các nhà nghiên cứu khí động học ô tô giải quyết bài toán khí động học dƣới dạng phƣơng trình Reynolds trung bình hóa Phƣơng pháp này cũng sẽ đƣợc sử dụng trong Luận án để giải bài toán khí động học vỏ xe ô tô khách và sẽ đƣợc trình bày kỹ lƣỡng trong chƣơng 2 Khó khăn trong việc giải bài toán khí động học bằng phƣơng... khí động học đƣợc coi là xấu, nên chúng phải chịu lực cản khí động 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 cải thiện hình dạng khí động học vỏ xe Nhƣ vậy, giảm Cx 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 đƣợc mô tả trên hình 1.4... chuyển động giảm làm năng suất vận chuyển giảm theo Vì vậy, tất cả các nỗ lực trong nghiên cứu khí động học ô tô ngày nay tập trung chủ yếu vào việc cải thiện hình dáng khí động học vỏ xe nhằm giảm thiểu Cx 6 Trƣớc đây, khi ô tô chuyển động với vận tốc chƣa cao, các nghiên cứu khí động học chỉ quan tâm chủ yếu đến lực cản Fx do lực nâng rất nhỏ và ảnh hƣởng không nhiều đến điều kiện chuyển động Khi... phƣơng pháp nghiên cứu khí động học ô tô: phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết và phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 1.3.1 Nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu lý thuyết dựa trên những phƣơng pháp mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh ô tô dựa trên phƣơng trình Navier - Stokes (xem chƣơng 2) Đây là một bài toán hết sức phức tạp và vẫn đang là mối quan tâm hàng đầu của những nhà nghiên cứu khí động học trên thế giới... Điều này cần đƣợc quan tâm nghiên cứu kỹ lƣỡng ngay trong quá trình thiết kế vỏ xe ô tô 1.2.4 Lý thuyết tương tự trong khí động học ô tô Trong nghiên cứu khí động học ô tô, ngƣời ta thƣờng gặp khó khăn do vỏ xe có kích thƣớc lớn Vì vậy, trong nhiều trƣờng hợp (đặc biệt là trong nghiên cứu thực nghiệm), các nhà nghiên cứu phải d ng đến các mô hình với kích thƣớc thu nhỏ so với vỏ xe thật Nhƣ vậy, cần xác... nhà nghiên cứu vẫn sử dụng song song cả 2 giải pháp trên Một số trung tâm nghiên cứu thiên về sử dụng các ống khí động nhỏ để tiết kiệm chi phí Nhƣng 18 cũng đã có rất nhiều ống khí động d ng để thử vỏ xe với kích thƣớc thật đƣợc đƣa vào sử dụng, nhằm tạo điều kiện thử sát thực hơn 1.3 Tình hình nghiên cứu khí động học ô tô Hiện nay, trong lĩnh vực khí động học ô tô thƣờng sử dụng hai phƣơng pháp nghiên. .. đuôi xe tới hệ số lực cản khí động Hình 1.11 Ảnh hƣởng của bán kính góc lƣợn giữa kính chắn gió và tấm nóc xe với hệ số cản không khí Hình 1.12 Ảnh hƣởng của cấu trúc phần đầu xe tới hệ số cản không khí Hình 1.13 Ảnh hƣởng hình dáng đầu xe tới lực cản khí động Hình 1.14 Ảnh hƣởng của bán kính góc lƣợn giữa mặt đầu và mặt bên của vỏ ô tô khách tới lực cản khí động Hình 1.15 Ảnh hƣởng của chiều cao sàn xe ... chuyển động Từ thực tế trên, nghiên cứu sinh thực luận án Tiến sĩ với đề tài: Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp Việt Nam Luận án công trình nghiên cứu sâu khí động học. .. vấn đề nghiên cứu Xây dựng mô hình mô khí động học vỏ xe khách Nghiên cứu khí động học vỏ ô tô khách phần mềm ANSYS - FLUENT Nghiên cứu khí động học vỏ xe khách ống khí động Kết luận 31 KẾT LUẬN... tình hình trên, nghiên cứu sinh (NCS) chọn đề tài Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp Việt Nam cho Luận án tiến sĩ 1.5 Nội dung luận án 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng