TÓM TẮT KẾT LUẬN MỚI CỦA LUẬN ÁN 1. Luận án đã sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS - FLUENT để nghiên cứu khí động học vỏ xe khách cỡ lớn sản xuất tại Việt Nam. Bài toán được xây dựng dựa trên phương trình Navier - Stokes đơn giản hóa dạng RANS với giả thiết chất khí không chịu nén kết hợp với mô hình dòng rối nhớt được lựa chọn là “SST k - w”. Kết quả mô phỏng, tính toán khí động học mô hình vỏ xe khách THACO KB120LSI đã cho hệ số cản Cx = 0,48. Luận án đã nghiên cứu và đề xuất các giải pháp cải thiện được dạng khí động của vỏ xe này nhằm giảm lực cản khí động. 2. Luận án đã sử dụng mô hình đơn giản dạng hộp chữ nhật để nghiên cứu và đã xác định quy luật ảnh hưởng của một số thông số kết cấu (góc nghiêng của các mặt trước và sau, bán kính góc lượn giữa các mặt tạo thành vỏ xe) tới lực cản khí động. Kết quả cho thấy, bán kính góc lượn giữa mặt trước và nóc xe và bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai mặt bên có ảnh hưởng lớn nhất. 3. Luận án đã đề xuất lựa chọn một bộ thông số kết cấu mới nhằm cải thiện dạng khí động học của xe để đạt được hệ số cản Cx nhỏ nhất trong khi vẫn thỏa mãn các yêu cầu về công năng sử dụng và tính thẩm mỹ của vỏ xe. Chất lượng khí động học của vỏ xe mới đã được cải thiện đáng kể với hệ số cản Cx là 0,3671. 4. Để kiểm chứng độ tin cậy và độ chính xác của mô hình tính toán lý thuyết, luận án đã thực hiện nghiên cứu khí động học mô hình vỏ xe thu nhỏ tỷ lệ 1:40 trong ống khí động, đồng thời mô phỏng mô hình vỏ xe trong ống khí động bằng FLUENT với các thông số và điều kiện giống hệt như khi thí nghiệm. Với các vận tốc 20, 25, 29 và 34 m/s, kết quả thí nghiệm thu được giá trị trung bình của hệ số cản là Cx = 0,39 còn kết quả mô phỏng là Cx = 0,365 (chênh lệch 6,5%). Các kết quả nghiên cứu của luận án đã hình thành một phương pháp đánh giá khí động học vỏ xe khách, hoàn toàn khả thi trong điều kiện Việt Nam. Nếu được tiếp tục hoàn thiện, đây có thể là một công cụ hiệu quả giúp cho các nhà thiết kế cải thiện và hướng tới tối ưu hóa dạng khí động học vỏ xe khách nhằm giảm thiểu lực cản không khí trong quá trình chuyển động, góp phần giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường.
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 t ij Ten-sơ ứng suất dòng rối m2/s J/kg (m2/s2) k Động dòng rối Hệ số tán xạ lƣợng dòng rối - Hệ số tán xạ lƣợng dòng rối - 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