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

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG 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

TRƯỜNG 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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan và PGS.TS Hồ Hữu Hải Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám

ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới người hướng dẫn chính: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan - thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, định hướng và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án này với sự tận tâm, trách nhiệm, sáng suốt và khoa học cao

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Hồ Hữu Hải trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án, với vai trò là người hướng dẫn, thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện các kế hoạch học tập và nghiên cứu

Tôi rất cám ơn và trân trọng sự hợp tác, hỗ trợ của Trung tâm Phát triển và Ứng dụng Phần mềm công nghiệp (DASI), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (nay là Viện nghiên cứu Quốc tế về Khoa học và Kỹ thuật tính toán), trực tiếp là PGS.TS Nguyễn Việt Hùng và các cộng sự

Xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể cán bộ, nhân viên Phòng thí nghiệm khí động học của Viện Kỹ thuật quân sự Phòng không - Không quân

Xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến các thầy của Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội với những góp ý rất thiết thực trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cơ quan tôi đang công tác: Phòng Chất lượng xe

cơ giới, Cục Đăng kiểm Việt Nam đã tạo điều kiện, ủng hộ, giúp đỡ tôi về mọi mặt trong quá trình tôi theo học Nghiên cứu sinh

Xin gửi lời cảm ơn tới các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp vì sự giúp đỡ thiết thực cho luận án này

Xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới gia đình tôi, những người đã luôn bên cạnh tôi, động viên, chia sẻ những khó khăn và là động lực để tôi hoàn thành luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Nghiên cứu sinh

Tô Hoàng Tùng

1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển trong lĩnh vực sản

1.4 Công nghệ sản xuất vỏ ô tô khách ở Việt Nam và tính cấp thiết của vấn

2.1 Cơ sở lý thuyết khí động học 33

4.3.1 Xây dựng mô hình hình học, chọn vùng không gian mô phỏng và

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ráp ô tô)

lỏng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Giá trị hệ số lực cản, lực và mô mem theo các phương

Bảng 3.4 Giá trị Cx phụ thuộc vào góc vát 2 thành bên phía đuôi xe

Bảng 3.5 Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lượn giữa nóc xe và hai thành bên của xe Bảng 3.6 Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lượn giữa kính phía sau và nóc xe Bảng 3.7 Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lượn giữa thành sau và hai thành bên xe Bảng 3.8 Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lượn giữa kính chắn gió phía trước và

nóc xe

Bảng 3.9 Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lượn giữa thành trước (bao gồm cả

kính chắn gió phía trước) và hai thành bên của xe

Bảng 3.10 Sự phụ thuộc của hệ số Cx vào bán kính góc lượn giữa nóc xe và kính chắn

gió phía trước

Bảng 3.11 Lực cản Fx và hệ số cản Cx của mô hình vỏ xe cải thiện

Bảng 3.12 Các thông số của mô hình xe khách tham khảo và mô hình cải thiện của luận án Bảng 4.1 Một số phương án lựa chọn tỷ lệ thu nhỏ mẫu thử

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.10 Ảnh hưởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động

Hình 1.11 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và tấm nóc xe với hệ số

Hình 1.15 Ảnh hưởng của chiều cao sàn xe tới các lực khí động

Hình 1.16 Lịch sử phát triển của các mô hình tính toán khí động học

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí động

Hình 3.4 Mô hình vỏ xe khách sau khi đã được chia lưới với dạng lưới Hexa

Hình 3.10 Phân bố vận tốc tại mặt phẳng đối xứng dọc của vỏ xe

Hình 3.11 Phân bố vận tốc tại mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe

Hình 3.12 Đường dòng tại mặt phẳng trung tuyến dọc của vỏ xe

Hình 3.13 Đường dòng tại mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe

Hình 3.27 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa nóc và hai thành bên của xe tới hệ số

Hình 3.28 Đường dòng khi không có góc lượn giữa nóc và hai thành bên

Hình 3.29 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa nóc và hai thành bên là 1250 mm Hình 3.30 Đường dòng khi không có góc lượn giữa nóc và hai thành bên

Hình 3.31 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa nóc và hai thành bên là 1250 mm

Hình 3.33 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa thành sau và hai thành bên của xe tới hệ

Hình 3.34 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa thành sau và hai thành bên là 200 mm Hình 3.35 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa thành sau và hai thành bên là 1000 mm Hình 3.36 Phân bố áp suất khi không có góc lượn giữa thành sau và hai thành bên

Hình 3.37 Phân bố áp suất khi góc lượn giữa thành sau và hai thành bên là 1000 mm Hình 3.38 Phân bố áp suất khi không có góc lượn giữa thành sau và hai thành bên

Hình 3.39 Phân bố áp suất khi góc lượn giữa thành sau và hai thành bên là 1000 mm

Hình 3.41 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 0 mm

Hình 3.42 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 200 mm Hình 3.43 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 400 mm Hình 3.44 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 2000 mm Hình 3.45 Phân bố áp suất khi không có góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe

Hình 3.46 Phân bố áp suất khi góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe bằng 2000 mm Hình 3.47 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa thành trước và hai thành bên tới hệ số

Hình 3.48 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên là 0 mm Hình 3.49 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên là 250 mm Hình 3.50 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên là 1250 mm Hình 3.51 Phân bố áp suất khi không có góc lượn giữa thành trước và hai thành bên

Hình 3.52 Phân bố áp suất khi góc lượn giữa thành trước và hai thành bên bằng 1250 mm Hình 3.53 Vùng lựa chọn các bán kính góc lượn

Hình 3.54 Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe

Hình 3.55 Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối xứng dọc của xe

Hình 3.56 Phân bố vận tốc tại mặt phẳng trung tuyến dọc của xe

Hình 3.57 Đường dòng trong mặt phẳng trung tuyến dọc của xe

xe

Hình 3.62 Đường dòng bao quanh các vỏ xe

Hình 4.1 Sơ đồ ống khí động và kết nối thiết bị thí nghiệm

Hình 4.10 Mẫu thí nghiệm và giá gá đặt

Hình 4.11 Gá đặt mẫu thí nghiệm trên thiết bị đo trong khoang thử

Hình 4.13 Kết quả thí nghiệm với vận tốc dòng khí 20m/s

Hình 4.14 Quy luật biến thiên lực cản theo vận tốc

Hình 4.15 Mô hình mẫu thí nghiệm và giá gá đặt

Hình 4.16 Chia lưới vùng không gian mô phỏng

Hình 4.17 Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối xứng dọc của vật thí nghiệm

Hình 4.18 Phân bố áp suất trong mặt phẳng chính diện của vật thí nghiệm

Hình 4.19 Phân bố vận tốc trong mặt phẳng đối xứng dọc của vật thí nghiệm

Hình 4.20 Đường dòng trong mặt phẳng đối xứng dọc của vật thí nghiệm

Hình 4.21 So sánh lực cản theo kết quả tính toán mô phỏng và thực nghiệm

MỞ ĐẦU

Trong những năm cuối của thế kỷ XX, đầu thế kỷ XXI, cùng với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, nhu cầu vận chuyển hành khách tăng cao rõ rệt, trong đó có nhu cầu vận chuyển hành khách bằng đường bộ Bên cạnh đó, cơ sở hạ tầng, đường sá giao thông cũng đã có những bước chuyển mình, phát triển rất tích cực Một số tuyến đường cao tốc

đã được xây dựng nhằm nâng cao tốc độ di chuyển của các phương tiện tham gia giao thông nói chung và phương tiện vận tải hành khách nói riêng

Để đáp ứng được nhu cầu thực tế, trong tháng 7/2014 Chính phủ đã ban hành 2 văn bản quan trọng là “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035”, trong đó lĩnh vực sản xuất ô tô khách nhận được sự quan tâm đặc biệt

Hiện nay, có một số doanh nghiệp đầu tư sản xuất và lắp ráp ô tô khách từ 24 - 80 chỗ phục vụ giao thông công cộng Các doanh nghiệp lớn có Vinamotor, Cơ khí ô tô Đà Nẵng, Trường Hải và SAMCO Ngoài ra còn có các liên doanh như Daewoo, Hino và Mercedes-Benz cũng sản xuất một số loại ô tô chở khách cỡ lớn

Mặc d đã có sự đầu tư về công nghệ và đạt được một số thành tựu trong sản xuất, nhưng nhìn vào thực trạng thì có thể thấy các cơ sở lắp ráp xe hiện nay đều chỉ là lắp ráp dựa trên các bộ phụ tùng nhập khẩu Phần công việc chính được thực hiện trong nước

là sản xuất khung vỏ với các công nghệ hàn, sơn và lắp ráp nội thất, tuy nhiên chất lượng còn ở mức độ hạn chế Vấn đề nghiên cứu, tối ưu hóa kết cấu của vỏ xe nhằm nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật vận hành của ô tô chưa nhận được sự quan tâm đầu tư của các nhà sản xuất

Trước tình hình trên, để những chiếc ô tô khách Việt Nam có thể cạnh tranh được với

ô tô nhập khẩu thì cần phải có đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu cần được ưu tiên đầu tư nghiên cứu là tối ưu hóa dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và nâng cao tính an toàn chuyển động

Từ thực tế trên, nghiên cứu sinh đã thực 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

Luận án góp phần từng bước 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 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 tượng nghiên cứu của Luận án được lựa chọn là ô tô khách cỡ lớn với mẫu xe tham khảo cụ thể là ô tô khách 51 chỗ của Trường Hải THACO KB120LSI

Phạm vi nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu về lực cản khí động với tiêu chí đánh giá là hệ số cản

mưa, các khe gờ trên vỏ, kính, …)

Nội dung nghiên cứu

Luận án gồm các nội dung chính như 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

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản xuất ô tô khách

1.1.1 Nhu cầu về ô tô khách

Trong những năm gần đây, c ng với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, nhu cầu về vận tải hành khách đã tăng mạnh Những nguyên nhân chính dẫn đến nhu cầu bức thiết này là: tốc độ đô thị hóa cao đòi hỏi hệ thống giao thông công cộng tại các thành phố lớn phải nhanh chóng đáp ứng; sự phát triển kinh tế làm tăng nhu cầu đi lại của người dân;

hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông ngày càng được mở rộng và nâng cao về chất lượng

Mạng lưới giao thông đường bộ Việt Nam đã phát triển khá nhanh trong những năm qua với tổng chiều dài khoảng 211.496 km, trong đó đường quốc lộ có 16.514 km, chiếm 7,8%; đường tỉnh lộ có 37.671 km, chiếm 17,81%; đường giao thông nông thôn

trên số dân là 2,356 km/1000 người (theo thông tin trên website của Tổng cục Thống kê https://gso.gov.vn) Đặc biệt, trong những năm gần đây, nhiều tuyến đường cao tốc đã được đưa vào sử dụng với vận tốc tối đa cho phép từ 100 km/h đến 120 km/h

Các thống kê cũng cho thấy, khối lượng vận chuyển hàng hóa và hành khách trên đường bộ tăng khá nhanh Tốc độ tăng trưởng bình quân về hàng hóa là 12,315%/năm, về hành khách là 10,29%/năm Tốc độ tăng trưởng của xe cơ giới là 24,26%/năm (theo thông tin trên website của Tổng cục Thống kê https://gso.gov.vn) So với các nước trong khu vực, cường độ vận tải hàng hóa trên đường bộ Việt Nam đạt mức trung bình, nhưng vận tải hành khách đạt mức cao

Tất cả những yếu tố trên đã tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực vận tải hành khách Theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam, tính từ năm 2000 đến hết tháng 4 năm 2015, trong cả nước có 105.667 ô tô chở khách được sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu phục vụ cho nhu cầu đi lại của người dân, trong đó ô tô sản xuất, lắp ráp trong nước chiếm tỷ trọng lớn về số lượng (90.952 chiếc, chiếm 86%) Tuy nhiên, mức độ đáp ứng của các cơ sở sản xuất trong nước vẫn đang còn rất khiêm tốn cả về số lượng và chất lượng

1.1.2 Định hướng phát triển

Trước tình hình trên, trong tháng 7/2014 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành 2 văn bản quan trọng là “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035”, trong đó lĩnh vực sản xuất ô tô khách nhận được sự quan tâm đặc biệt

Theo quy hoạch của Chính phủ, tới năm 2025 các nhà sản xuất trong nước phải đáp ứng được 92% nhu cầu ô tô khách với sản lượng là 29.102 chiếc Ngoài ra, Chính phủ cũng đặt mục tiêu xuất khẩu cho ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, cụ thể đối với ô tô khách là 5.000 chiếc vào năm 2020 và 10.000 chiếc vào năm 2030

Trong “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030”, Chính phủ đã nhấn mạnh tầm quan trọng của lĩnh vực sản xuất ô tô khách và đưa ra định hướng cụ thể: “…chú trọng phát triển các loại xe khách tầm trung và tầm ngắn,… Tập trung đầu tư cải tiến, nâng cấp công nghệ để nâng cao chất lượng sản phẩm, hoàn thiện hệ thống dịch vụ bán hàng, nâng cao năng lực cạnh tranh, đáp ứng phần lớn nhu cầu trong nước, từng bước tham gia xuất khẩu”

Có thể thấy rằng, nhiệm vụ đặt ra cho các nhà sản xuất ô tô khách Việt Nam là rất nặng nề và cần phải tập trung mọi nguồn lực để thực hiện

1.1.3 Thực trạng và nhu cầu nâng cao chất lượng

Hiện nay chúng ta có một số doanh nghiệp đầu tư sản xuất và lắp ráp ô tô khách từ

24 - 80 chỗ, phục vụ giao thông công cộng Các doanh nghiệp lớn có Vinamotor, Cơ khí ô

tô Đà nẵng, Trường Hải và SAMCO Ngoài ra còn có các liên doanh như Daewoo, Hino

và Mercedes-Benz cũng sản xuất một số loại ô tô chở khách cỡ lớn

Các sản phẩm của Vinamotor (công ty cơ khí ô tô 1-5, công ty 3-2, ) rất đa dạng,

cơ sở này đã sản xuất và lắp ráp các chủng loại ô tô khách từ 24 chỗ ngồi, 34, 45, 60, 80 chỗ ngồi với việc nhập khẩu các bộ linh kiện CKD từ Hàn Quốc và Trung Quốc Tính năng kỹ thuật của các sản phẩm của Vinamotor được trình bày ở phần phụ lục 1, đều thể hiện là những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đạt chất lượng và công ty đã sản xuất và tiêu thụ hàng chục nghìn xe, phục vụ đắc lực cho yêu cầu giao thông công cộng ở các thành phố và các loại hình vận tải hành khách khác

Các công ty ô tô Đà Nẵng và Trường Hải đã sản xuất và lắp ráp các ô tô khách cỡ

24 - 45 chỗ ngồi với sản lượng hàng năm bán ra từ 500 - 1000 xe các loại Đó là những cơ

sở sản xuất rất có tín nhiệm tại thị trường miền Trung

Tổng công ty SAMCO (Sài Gòn) sản xuất và lắp ráp các loại ô tô khách cỡ 24 - 45 chỗ ngồi và thử nghiệm sản xuất vỏ xe cỡ lớn 80 chỗ theo công nghệ của hãng Mercedes-Benz Đây là một doanh nghiệp lớn đang có đà phát triển Các xe do SAMCO sản xuất lắp ráp có tính năng kỹ thuật khá cao vì đều có nguồn gốc từ xe cơ bản của hãng Isuzu (Nhật bản) nên có sức cạnh tranh lớn, đặc biệt là ở thị trường phía Nam

Hai hãng liên doanh là Daewoo và Mercedes-Benz đều sản xuất các loại xe chở khách tiên tiến, rất được ưa chuộng ở các thành phố như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh Đó là những xe có chất lượng cao, có sức cạnh tranh lớn về chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật

Mặc d đã có được những thành tựu đáng kể như trên, nhìn vào thực trạng thì có thể thấy tất cả các doanh nghiệp sản xuất ô tô chở khách trên đây thực chất chỉ là các cơ sở lắp ráp xe dựa trên các bộ phụ tùng nhập khẩu Phần công việc chính được thực hiện trong nước là sản xuất khung vỏ với các công nghệ hàn, sơn và lắp ráp nội thất Với mức đầu tư

về chất xám và trang thiết bị còn khiêm tốn, chất lượng của các sản phẩm của các cơ sở lắp ráp trong nước còn ở mức độ hạn chế Tuy nhiên, đây là nguồn cung cấp ô tô chở khách chủ yếu cho thị trường trong nước hiện nay nhờ có ưu thế về giá thành

Như vậy, có thể thấy rằng vỏ xe ô tô khách trong nước vẫn được chế tạo theo công nghệ lạc hậu Vấn đề nghiên cứu, tối ưu hóa kết cấu của vỏ xe nhằm nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật vận hành của ô tô chưa nhận được sự quan tâm đầu tư của các nhà sản xuất

Trước tình hình trên, để những chiếc ô tô khách Việt Nam có thể cạnh tranh được với ô tô nhập khẩu thì cần phải có đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu cần được ưu tiên đầu tư nghiên cứu là tối ưu hóa dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và nâng cao tính an toàn chuyển động

1.2 Khí động học ô tô

Khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí, sự tương tác của vỏ xe với môi trường 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 tiêu thụ nhiên liệu của ô tô, đặc biệt là ở vận tốc cao do lực này tỷ lệ với bình phương của vận tốc Ngoài ra, lực nâng làm giảm khả năng bám đường, còn các mô men thì có thể gây nên hiệu ứng lật xe Đây là những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn chuyển động

Để giảm tối đa những ảnh hưởng xấu nêu trên, cần có những nghiên cứu sâu về khí động học vỏ xe ngay trong quá trình thiết kế

1.2.1 Khí động lực học và các thông số đặc trưng

Đối tượng nghiên cứu của khí động học là dòng chảy quanh một vật cản đang chuyển động bằng phương pháp Ơ le với hệ tọa độ gắn với vật Để đơn giản hóa phương pháp mô tả, người ta coi một vật chuyển động với vận tốc V trong môi trường không khí 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 đầu

là thành phần vuông góc với phương chuyển động Các lực này được tính như sau:

đại lượng vật lý nào mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật Đây là thông 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 chuyển

tích sử dụng làm ô tô trở nên chật chội Nếu giảm U thì tốc độ 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

Trước đây, khi ô tô chuyển động với vận tốc chưa cao, các nghiên cứu khí động

đến 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 ô tô chở khách là đối tượng nghiên cứu của Luận án, vận tốc tối đa thường xấp xỉ 100 km/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 chảy không khí là số Reynolds và số Mach Chúng được định nghĩa như sau:

a- vận tốc truyền âm trong không khí

cách 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 d ng 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 tiêu tương tự khác nữa

Ngoài ra, số Reynolds thường được sử dụng để đánh giá và xác định trạng thái dòng chảy Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong các nghiên cứu khí động học

dưới 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 chịu nén với

1.2.2 Lực cản không khí

C x C m sC ca (1.5) Nếu như thành phần cản do ma sát phụ thuộc chủ yếu vào độ nhám bề mặt của vỏ

xe thì thành phần cản do chênh áp lại phức tạp hơn rất nhiều Nó phụ thuộc chủ yếu vào

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 xuất hiện một vùng

Như vậy, có thể viết:

p A F

vào độ chênh áp và diện tích của vùng xoáy Phạm vi của v ng xoáy được xác định bởi điểm tách dòng (điểm A trên hình 1.2) Đây là điểm mà dòng chảy bắt đầu tách khỏi vật cản và là khởi đầu của vùng xoáy Các nghiên cứu cho thấy, trong một môi trường xác định (có độ nhớt xác định) vị trí của điểm A phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố: vận tốc 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 diện tích vùng xoáy sẽ tăng lên và ngược lại Nếu hình dạng của vật cản là lý tưởng về mặt khí động học thì điểm A gần như không tồn tại mà dòng chảy sẽ bao kín vật cản như thể hiện

Tuy nhiên, trên thực tế phần lớn các vật (trong đó có các vỏ xe ô tô) có hình dạng

toàn phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật Trên hình 1.3 thể hiện sự tạo thành vùng xoáy tuỳ theo hình dạng khí động học của vật cản Hình 1.3a là trường hợp vật có dạng khí động lý tưởng nên không tạo vùng xoáy và thành phần cản do chênh áp rất nhỏ

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

Các nghiên cứu đã khẳng định rằng, ô tô nói chung và ô tô khách nói riêng có hình dạng khí động học được 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

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 [4] Có thể nhận thấy rằng, trong giai đoạn trước năm 1930 với những chiếc ô

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

sau năm 2000, khi những chiếc ô tô gần như đã hoàn thiện về hình dạng khí động học thì

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

nghiên cứu toàn diện hơn, sâu sắc hơn, trang thiết bị thử nghiệm hiện đại hơn c ng với

gần như nằm ngang

Hình 1.4 Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cản [4]

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

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 các chủng loại ô tô khác do đặc thù kết cấu của nó

Trên hình 1.5 [33] thể hiện sự phụ thuộc của hình dạng khí động học của ô tô tải có

hình 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

W- lực cản

 - khối lượng riêng V- vận tốc A- diện tích

Đối với ô tô chở khách, hệ số lực cản khí động cũng khá lớn và thường nằm trong

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

Tuy nhiên, đối với các nhà sản xuất thì việc tạo dáng không chỉ nhằm vào mục đích giảm tối đa lực cản khí động mà còn phải đạt đươc 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 khí động lớn

tới Cx 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 [71]

Một ví dụ về sự hình thành các vùng xoáy được mô tả trên hình 1.7 [4] Các vùng xoáy hình thành ở những nơi vỏ xe bị gấp khúc, tạo nên sự đổi hướng đột ngột của dòng

Hình 1.7 Các vùng xoáy trên vỏ ô tô con [4]

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

Mặt trước

Góc dưới cản trước

Kính cửa Bánh xe

Chân kính Góc chữ A

trên nắp capot, đồng thời dòng khí đi qua két làm mát cũng sinh ra lực cản nhất định Các

v ng xoáy khác như khu vực chân kính chắn gió, góc chữ A, bánh xe, … cũng góp phần tạo nên lực cản không khí Để giảm thiểu ảnh hưởng của chúng, cần phải có giải pháp thiết

kế hợp lý

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

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

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 [68] 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 v ng có áp suất âm thường

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

Đối với ô tô khách với hình dạng vỏ xe đơn giản hơn, phân bố áp suất dọc theo xe

có dạng như trên hình 1.9 [71]

Hình 1.8 Phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ xe [68]

Những phân tích trên đây cho thấy, mặc dù lực cản khí động được hình thành 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 phần đầu xe và dạng khí động của thân xe

Trên hình 1.10 [61] mô tả ảnh hưởng của hình dạng đuôi xe tới hệ số lực cản không

tấm vỏ đuôi xe không hợp lý thì có thể làm tăng hệ số cản Điều này là rất đáng quan tâm đối với ô tô khách, vì nó có dạng đuôi tương tự như mô tả trên hình Đa số các loại ô tô con

có cấu tạo phần đuôi như trên hình 1.10b Có thể thấy rằng, nếu tạo dáng tốt thì sẽ giảm được đáng kể lực cản khí động

Đối với ô tô chở khách cỡ lớn, hiện tượng tách dòng thường xảy ra trước khi dòng

Hình 1.10 Ảnh hưởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động [61]

a) Ảnh chụp dòng khí

b) Phân bố áp suất Hình 1.9 Phân bố áp suất dọc theo thân ô tô

chở khách [71]

đuôi xe ảnh hưởng không nhiều đến hình dáng, kích thước và các tính chất của vùng xoáy Nghĩa là, nó ít ảnh hưởng đến lực cản khí động Hơn nữa, việc điều chỉnh các thông số kết cấu ở v ng đuôi xe có ảnh hưởng trực tiếp đến không gian sử dụng trong xe Chẳng hạn góc nghiêng lớn của kính sau có thể làm mất đi hàng ghế cuối cùng [71] Đối với các loại

xe này, cấu trúc v ng đầu xe lại có ảnh hưởng lớn hơn cả Trên hình 1.11 thể hiện mối quan hệ giữa bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và tấm nóc xe với hệ số cản không khí [71]

Có thể nhận thấy rằng, với bán kính góc lượn từ 150mm trở lên hệ số cản có thể giảm đi một nửa so với trường hợp không có góc lượn (R = 0) Nếu tiếp tục tăng bán kính góc lượn thì hệ số cản gần như không đổi

Trên hình 1.12 mô tả ảnh hưởng của cấu trúc phần đầu xe tới hệ số cản không khí [71]

Góc lượn giữa mặt trước vỏ xe với các thành bên cũng có ảnh hưởng rất lớn đến hệ

số cản khí động Điều này được minh họa bằng các kết quả nghiên cứu thể hiện bằng hình ảnh như trên trên hình 1.13 [13]

Hình 1.12 Ảnh hưởng của cấu trúc phần

đầu xe tới hệ số cản không khí [71]

Kết quả nghiên cứu trên đây cho thấy góc lượn giữa kính trước và nóc xe (hình

nghiêng của kính lại ảnh hưởng không đáng kể (từ 0,36 xuống 0,34)

Một nghiên cứu khác [13] đã cho thấy nếu phần đầu của vỏ xe được vo tròn thì có thể giảm hệ số lực cản không khí từ 0,76 xuống 0,42 như mô tả trên hình 1.13

Ngoài các v ng xoáy đã mô tả trên đây, đối với các ô tô có kích thước lớn như ô tải

và ô tô khách còn có thể xuất hiện một số yếu tố đặc thù khác ảnh hưởng tới lực cản khí động ô tô

Trên hình 1.14 [71] mô tả ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa mặt đầu và mặt bên của vỏ ô tô khách tới lực cản khí động Ảnh chụp từ phía trên ở hình bên trái cho thấy

do góc lượn quá nhỏ, dòng khí đi ra khỏi mặt đầu của ô tô bị tách khỏi vỏ xe và tạo thành 2 vùng xoáy ở 2 bên phía đầu xe

Kết quả nghiên cứu [71] cho thấy, trường hợp bán kính bằng 0 (2 mặt vuông góc

tăng r không còn mang lại hiệu quả nữa

Hình 1.13 Ảnh hưởng hình dáng đầu xe tới lực cản khí động [13]

a) Góc tiếp giáp vuông

b) Góc tiếp giáp bo tròn

Tách dòng

Không tách dòng

Ngoài các yếu tố trên, chiều cao sàn xe và hình dạng không gian bên dưới sàn cũng

có ảnh hưởng đáng kể đến các lực khí động Kết quả nghiên cứu thể hiện trên hình 1.15 [61] cho thấy, lực nâng phụ thuộc rất mạnh vào yếu tố này, trong khi lực cản lại chịu ảnh hưởng ít hơn nhiều

Hình 1.15 Ảnh hưởng của chiều cao sàn xe tới các lực khí động [61]

Hình 1.14 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa mặt đầu và mặt bên của vỏ ô tô

khách tới lực cản khí động [71]

Như vậy, để giảm ảnh hưởng xấu của các lực khí động cần tạo được hình dạng vỏ

xe hợp lý Điều này cần được quan tâm nghiên cứu kỹ lưỡng 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, người ta thường gặp khó khăn do vỏ xe có kích thước lớn Vì vậy, trong nhiều trường hợp (đặc biệt là trong nghiên cứu thực nghiệm), các nhà nghiên cứu phải d ng đến các mô hình với kích thước thu nhỏ so với vỏ xe thật Như vậy, cần xác định tính tương tự giữa vỏ xe thật và mô hình nghiên cứu

Để giải quyết vấn đề nêu trên, buộc phải sử dụng đến lý thuyết tương tự Đối với

các thông số chính đặc trưng cho dòng chảy (vận tốc, kích thước và độ nhớt) Theo lý

nghiên cứu Như vậy, có thể viết:

t

t t t m

m m

L

L U

Công thức trên cho thấy, để đảm bảo tính tương tự, khi giảm kích thước đi bao nhiêu lần thì phải tăng vận tốc lên bấy nhiêu lần Điều này thường không gây nhiều khó khăn cho các nghiên cứu lý thuyết, nhưng lại đặt ra những vấn đề lớn cho nghiên cứu thực nghiệm Bởi vì, nếu làm thí nghiệm với vỏ xe có kích thước thực thì ống khí động phải có kích thước rất lớn Còn nếu thử bằng mẫu có kích thước nhỏ thì lại phải tạo được dòng chảy với vận tốc rất lớn Điều này đòi hỏi quạt gió phải có công suất rất lớn cùng với hàng loạt các giải pháp kỹ thuật cần thiết để đảm bảo điều kiện dòng chảy đáp ứng các yêu cầu trong buồng thử (mục 1.3.2)

Ngày nay, các nhà nghiên cứu vẫn sử dụng song song cả 2 giải pháp trên Một số

cũng đã có rất nhiều ống khí động d ng để thử vỏ xe với kích thước thật được đưa 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 thường sử dụng hai phương pháp nghiên cứu khí động học ô tô: phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

1.3.1 Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết dựa trên những phương pháp mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh ô tô dựa trên phương trình Navier - Stokes (xem chương 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 và cho tới nay người ta chưa tìm được lời giải đầy đủ được bằng phương pháp giải tích Vì vậy, đã từ lâu các nhà nghiên cứu 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 Ngày nay, công cụ phổ biển hơn cả trong việc giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng của bài toán khí động học ô tô là phương pháp số

Độ phức tạp của mô hình tính toán

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 trình trên với các giả thiết đơn giản hóa Chẳng hạn, với giả thiết chất khí không nhớt phương trình Navier - Stokes có dạng đơn giản nhất, gọi là phương trình Ơ le Trong trường hợp vận tốc

các phương trình tuyến tính

Đồ thị minh họa trên hình 1.16 [5] cho thấy, mức độ phức tạp của bài toán khí động học phụ thuộc vào kết cấu cụ thể và yêu cầu về độ chính xác Đối với những thiết bị có mức 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 các mức 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 bằng phương 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 dưới dạng phương trình Reynolds trung bình hóa Phương pháp này cũng sẽ được sử dụng trong Luận án để giải bài toán khí động học vỏ xe ô tô khách 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 yêu cầu 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 [44] trên siêu máy tính CRAY C90 cần có thời gian từ 1 đến 2 tháng Ngày nay, công nghệ thông tin phát triển mạnh cả về phần cứng và phần mềm đã giúp giảm bớt khó khăn cho việc giải bài toán khí động học ô tô Tuy nhiên, nó vẫn là bài toán khó đòi hỏi thời gian tính toán 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 hỗ trợ của các máy tính mạnh Tất cả các phương pháp số đang được sử dụng để giải các phương trình vi phân mô tả dòng chảy khí động đều dựa trên việc mô tả vỏ xe trong không gian (chia lưới miền cần tính toán) và trong thời gian: tại mỗi điểm trên lưới, người ta tính toán

Hiện nay, được sử dụng rộng rãi hơn cả trong tính toán khí động học là phương pháp 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 [44]

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 nó cũng có những nhược điểm: đòi hỏi phải

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: 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 hữu hạn Nhược điểm của phương pháp này là: việc tạo lưới không được chuẩn hóa và các điều kiện biên không phải là điều kiện thực

Những nghiên cứu hoàn thiện vẫn đang được tiếp tục đối với cả hai phương pháp tính trên và ngày càng đưa chúng xích lại gần nhau hơn Tuy nhiên, cho tới nay,

để giải quyết các bài toán về dòng chảy nói chung, người ta vẫn thiên về phương pháp thể tích hữu hạn

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

1.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm

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

Ống khí động (hình 1.17) 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 tốc thử Ô tô thí nghiệm (hoặc mẫu thử) được gắn trên một bàn đo, đặt trong buồng thử Nếu ống khí động có kích thước đủ lớn thì người ta sử dụng vỏ xe thực để thí

nghiệm Còn nếu 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

Ống khí động được trang bị một quạt hút có công suất đủ lớn để tạo được vận tốc thử cần thiết với điều kiện có dòng chảy tương tự như khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí Dòng khí đi qua vỏ xe thí nghiệm sẽ tạo nên các lực và mô men tác động 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 đo gồm các cảm biến đo lực và mô men, có khả năng đo được các lực và mô men theo cả 3 phương

x, y và z

Để đảm bảo điều kiện thử nghiệm tương thích với điều kiện thực tế, ống khí động phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau [71]:

Trong đó: là vận tốc trung bình của dòng rối (xem chương 2)

Trong trường hợp sử dụng mẫu thử có kích thước nhỏ hơn xe thật thì cần đảm bảo

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí động

z

Xe (mẫu) thí nghiệm Buồng thử

Cánh quạt

được giải quyết bằng lý thuyết tương tự như đã trình bày trong mục 1.2.4 Chẳng hạn, nếu

lớn hơn so với vận tốc chuyển động thực là n lần:

Các lực và mô men tác dụng lên vỏ xe, đo được trong ống khí động mới chỉ thể hiện hệ quả của sự tương tác giữa vỏ xe với môi trường không khí mà không chỉ ra được các nguyên nhân gây nên những hệ quả này Để nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khí động học vỏ xe, các nhà nghiên cứu thường phải sử dụng đến trường áp suất

và trường vận tốc bao quanh vỏ xe Điều này dẫn đến nhu cầu đo áp suất và vận tốc ở vùng lân cận vỏ xe

Việc đo áp suất và vận tốc dòng khí ở vùng lân cận vỏ xe gặp phải những khó khăn lớn Thứ nhất, để có được trường áp suất (hay vận tốc) sát thực cần phải tiến hành đo tại các điểm gần sát với vỏ xe Điều này là rất khó thực hiện, do bản thân các thiết bị đo, khi được đặt gần với vỏ xe sẽ gây nhiễu loạn dòng chảy và gây sai số cho kết quả đo Thứ hai,

để xây dựng được trường áp suất hoặc vận tốc thì cần số lượng điểm đo rất lớn dẫn đến một khối lượng công việc khổng lồ

Vì những lý do trên đây, người ta phải sử dụng các thiết bị đo chuyên dụng có kích thước siêu nhỏ nhằm giảm tối đa sai số gây nên do sự có mặt của thiết bị trong dòng chảy

Để giảm bớt khối lượng công việc, thông thường người ta đo vận tốc dòng khí hoặc

áp suất và quy đổi từ thông số nọ sang thông số kia Điều này là có thể thực hiện được do

p = p t + p d (1.14)

Để đo vận tốc bằng phương pháp này, người ta thường sử dụng các thiết bị đo kiểu ống pitot [44] Nếu sử dụng 2 ống pitot, người ta đo được đồng thời áp suất p và áp suất

tiền, tuy nhiên, kích thước của thiết bị đo khá lớn làm giảm độ chính xác và độ tin cậy của phép đo Hơn nữa, trong dòng chảy rối cần phải đo vận tốc theo cả 3 phương, thiết bị đo kiểu này trở nên cồng kềnh và phức tạp hơn nhiều Ngày nay, các thiết bị đo hiện đại đã được sử dụng để đo vận tốc dòng chảy tại các điểm sát với vật thay cho ống pitot

Một trong những thiết bị thường được d ng để đo vận tốc dòng chảy là cảm biến

biến, nên nó có kích thước nhỏ hơn nhiều so với ống pitot Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý làm mát sợi điện trở bị đốt nóng khi có dòng điện chạy qua Do sợi dây điện trở được đặt vuông góc với phương của dòng chảy nên nó được làm mát bằng chính dòng chảy Như vậy, vận tốc của dòng chảy làm thay đổi nhiệt độ của cảm biến và từ đó làm thay đổi điện trở của nó Để ghi nhận những biến động về điện trở và kiểm soát quá trình

đo, người ta nối cảm biến vào một mạch cầu Weatstone Từ sự thay đổi điện áp trên cầu đo người ta có thể xác định được vận tốc cần đo Để đo vận tốc theo 3 phương cần có 3 sợi điện trở cùng với một bộ điều khiển điện tử khá phức tạp Hơn nữa, dù sợi điện trở rất mảnh, sự hiện diện của nó trong dòng chảy vẫn gây nên những xáo trộn nhất định làm ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo

Với những đặc điểm cơ bản như trên, cảm biến dây điện trở được sử dụng khá phổ biến trong các thí nghiệm khí động học ô tô cho tới khi xuất hiện thiết bị đo vận tốc dòng chảy bằng tia laser

Đặc điểm nổi bật của phương pháp đo bằng laser là không cần lắp đặt thiết bị trong dòng chảy, mà sử dụng các tia laser chiếu vào vùng cần đo nên không hề gây xáo trộn dòng chảy Hơn nữa kích thước của v ng đo bằng laser rất nhỏ (khoảng vài chục đến vài

Phương pháp đo bằng laser có nhiều ưu điểm: có thể đo được 3D; không làm ảnh hưởng đến dòng chảy; có thể đo rất gần vỏ xe; kết quả cho được giá trị tuyệt đối của vận tốc; thiết bị không cần phải lấy chuẩn

Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những hạn chế: nhất thiết phải có hạt chất rắn với kích thước hợp lý hoà lẫn trong dòng chảy; hệ thống quang học phải được lắp đặt với

độ chính xác cao; đây là phương pháp đo gián đoạn, thời gian thu nhận và xử lý tín hiệu tương đối lớn (10 giây đến 1 phút) và thiết bị đo đắt tiền

Hơn nữa, để xây dựng được trường vận tốc bao quanh vỏ xe cần thực hiện một khối lượng đo đạc rất lớn (rất nhiều điểm đo)

1.3.3 Các hướng nghiên cứu chính gần đây

Khí động học ô tô đã được nghiên cứu từ rất lâu nên rất nhiều các công trình khoa học trong lĩnh vực này được công bố trên khắp thế giới Các hướng nghiên cứu chính đã được phân tích tỷ mỷ trong các nội dung trên đây

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về khí động học tiếp tục tập trung vào việc hoàn thiện các mô hình tính toán lý thuyết và phương pháp thí nghiệm sao cho các điều kiện tính toán và thử nghiệm ngày càng gần sát hơn so với thực tế

Trong nghiên cứu lý thuyết vấn đề lớn nhất vẫn là nâng cao dần mức độ phức tạp của bài toán nhằm giải được phương trình Navier - Stokes ở cấp độ cao hơn Nếu như trước đây, các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải phương trình

Ơ le với mô hình phẳng [5] thì ngày nay, vấn đề đang được quan tâm giải quyết là phương trình Reynolds trung bình hóa cho dòng chảy rối (Reynolds Average Navier Stokes -

được sử dụng rộng rãi nhất Những công bố gần đây nhất (từ 2008 - 2012) cho thấy phương trình Reynolds cho dòng rối vẫn đang tiếp tục là công cụ chính của các nhà nghiên cứu khí động học ô tô [5, 24, 27, 31, 40, 62, …]

Các phần mềm chuyên dụng cũng được sử dụng ngày càng nhiều hơn trong các nghiên cứu lý thuyết Chẳng hạn, gần đây nhất, R K Petkar (3/2014) cùng các đồng tác giả đã công bố kết quả nghiên cứu lý thuyết, trong đó sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng bằng ANSYS FLUENT để đưa ra các giải pháp giảm lực cản không khí đối với ô tô đua [56] Những công trình khác cũng cho thấy nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng thành công phần mềm này để mô phỏng và tính toán khí động học vỏ xe ô tô, như Manan Desai (2008) [46], Chalmers (2012) [31], …

Các công trình nghiên cứu đã công bố gần đây cũng cho thấy, việc giải phương trình Navier - Stokes ở mức cao hơn nữa chưa được đặt ra đối với khí động học ô tô [5] do mức độ phức tạp cao của bài toán đòi hỏi phải có công cụ hỗ trợ mạnh, thời gian thực hiện

mô hình và thời gian tính toán rất lớn cùng với các chi phí cao hơn nhiều Vì vậy, đây vẫn đang là hướng nghiên cứu rộng mở cho các nhà khoa học trong tương lai

Trong nghiên cứu thực nghiệm, vấn đề đang được quan tâm hơn cả là hoàn thiện điều kiện thử nghiệm sao cho gần với thực tế hơn nhằm nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của các kết quả đo Mặc dù ống khí động tương thích với kích thước thực của ô tô được cho là đáng tin cậy và cho kết quả chính xác hơn, nhưng cho tới nay người ta vẫn phải sử dụng các ống khí động với các mô hình thu nhỏ vì lý do tài chính [46]

Các thiết bị đo cũng được sử dụng đa dạng và hiện đại hơn Ngoài các thiết bị đo vận tốc dòng khí bằng điện trở nóng và laser như đã mô tả trên đây [44], người ta có thể đo trực tiếp áp suất trên vỏ xe bằng các cảm biến áp suất dán lên vỏ [46] Với phương pháp này, kết quả đo cho phép vẽ đồ thị phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ xe Nếu như trước đây, để đo trực tiếp áp suất trên vỏ, người ta phải khoan các lỗ để lắp cảm biến áp

giản hơn rất nhiều

Để tạo ra điều kiện thử nghiệm sát thực hơn, các nhà nghiên cứu ở Stugatt [63] đã chế tạo ống khí động để thử mẫu xe (tỷ lệ 1:5) với các cánh đảo hướng gió ở đầu nguồn Với cách làm này, người ta có thể nghiên cứu được ảnh hưởng của gió theo các hướng khác nhau tới chuyển động của ô tô Một số công trình nghiên cứu thực nghiệm khác như [26, 47, 54] cũng đã công bố các kết quả nghiên cứu khí động học ô tô với sự thay đổi của hướng gió tác động lên ô tô

Với phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm như mô tả trên đây, các nhà khoa học tập trung vào việc giải quyết những vấn đề chính sau:

1 Giảm lực cản khí động nhằm cải thiện tính năng động lực học của ô tô và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu

2 Giảm tối đa các lực và mô men gây mất ổn định chuyển động nhằm nâng cao tính

an toàn chuyển động, đặc biệt là đối với các loại ô tô có tốc độ cao hay trong trường hợp gặp gió ngang lớn (bão)

3 Tận dụng dòng chảy không khí để thông gió trong khoang xe, cải thiện khả năng làm mát động cơ và các cơ cấu phanh của ô tô trong quá trình chuyển động

4 Giảm độ ồn khí động do tương tác giữa dòng chảy không khí với vỏ xe