Cơ khí động lực Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam

Header Page of 123 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Tô Hoàng Tùng NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN DẠNG KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật khí ñộng lực Mã số: 62520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ðỘNG LỰC Hà Nội - 2016 Footer Page of 123 Header Page of 123 Công trình ñược hoàn thành Trường ðại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan PGS.TS Hồ Hữu Hải Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Bang Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Nhật Chiêu Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Trà Luận án ñược bảo vệ trước Hội ñồng ñánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường ðại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ðHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam Footer Page of 123 Header Page of 123 MỞ ðẦU Tính cấp thiết ñề tài Hiện nay, nhu cầu vận chuyển hành khách ñường Việt Nam ngày tăng cao, sở hạ tầng, ñường sá giao thông phát triển tích cực, tốc ñộ di chuyển phương tiện vận tải hành khách ñược nâng lên rõ rệt Do ñó, lĩnh vực sản xuất ô tô khách nhận ñược quan tâm ñặc biệt Chính phủ Tại Việt Nam, có số doanh nghiệp ñầu tư sản xuất lắp ráp ô tô khách từ 24 - 80 chỗ phục vụ giao thông công cộng sở lắp ráp xe ñều lắp ráp dựa phụ tùng nhập Phần công việc ñược thực nước sản xuất khung vỏ với công nghệ hàn, sơn lắp ráp nội thất chất lượng mức ñộ hạn chế Vấn ñề nghiên cứu, tối ưu hóa kết cấu vỏ xe nhằm nâng cao tiêu kinh tế kỹ thuật vận hành ô tô chưa ñược quan tâm ñầu tư ðể ô tô khách Việt Nam cạnh tranh ñược với ô tô nhập khẩu, cần ñầu tư chiều sâu, ñặc biệt ñầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao, ñó vấn ñề quan trọng hàng ñầu cần ñược ưu tiên ñầu tư nghiên cứu tối ưu hóa dạng khí ñộng học vỏ xe nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu nâng cao tính an toàn chuyển ñộng Từ thực tế trên, nghiên cứu sinh ñã thực luận án Tiến sĩ với ñề tài: “Nghiên cứu cải thiện dạng khí ñộng học vỏ xe khách lắp ráp Việt Nam” Luận án công trình nghiên cứu sâu ñầu tiên khí ñộng học ô tô Việt Nam Các kết nghiên cứu Luận án góp phần bước tạo sở lý thuyết vững cho phát triển lâu dài ngành công nghiệp ô tô Việt Nam Mục ñích, ñối tượng, phạm vi nội dung nghiên cứu Mục ñích luận án: Xây dựng mô hình khảo sát, ñánh giá dạng khí ñộng học vỏ xe ô tô khách ñề xuất giải pháp cải thiện dạng khí ñộng học nhằm giảm thiểu lực cản khí ñộng tác dụng lên ô tô Footer Page of 123 Header Page of 123 ðối tượng nghiên cứu: ðối tượng nghiên cứu Luận án ñược lựa chọn ô tô khách cỡ lớn với mẫu xe tham khảo cụ thể ô tô khách 51 chỗ Trường Hải THACO KB120LSI Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu lực cản khí ñộng với tiêu chí ñánh giá hệ số cản Cx yếu tố ảnh hưởng ñến mô hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt mưa, khe gờ vỏ, kính, …) Nội dung nghiên cứu Luận án gồm nội dung sau: Tổng quan vấn ñề nghiên cứu Xây dựng mô hình mô khí ñộng học vỏ xe khách Nghiên cứu khí ñộng học vỏ ô tô khách phần mềm ANSYS FLUENT Nghiên cứu khí ñộng học vỏ xe khách ống khí ñộng Kết luận Trên sở bám sát mục ñích, ñối tượng, phạm vi nội dung nghiên cứu trên, NCS ñã triển khai thực luận án với nội dung ñược trình bày bốn chương phần kết luận Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU Trong chương này, luận án thực nội dung: - Khảo sát, ñánh giá chung lĩnh vực sản xuất ô tô khách, công nghệ sản xuất vỏ xe khách Việt Nam nay, từ ñó xác ñịnh ñược vị trí, vai trò tầm quan trọng vấn ñề nghiên cứu luận án thực tế Việt Nam - Nghiên cứu chung khí ñộng học khí ñộng học ô tô tìm hiểu xu hướng nghiên cứu, công trình nghiên cứu khí ñộng học ô tô giới, xác ñịnh khó khăn trình thực nghiên cứu, từ ñó lựa chọn ñược phương pháp, ñối tượng, phạm vi nội dung Footer Page of 123 Header Page of 123 nghiên cứu phù hợp cho luận án, ñặc biệt ñiều kiện khó khăn Việt Nam Qua trình nghiên cứu, luận án nhận thấy xu hướng nghiên cứu gần ñây tác giả giới tập trung vào việc giải vấn ñề khí ñộng học nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm sau: + Giảm lực cản khí ñộng nhằm cải thiện tính ñộng lực học ô tô giảm mức tiêu thụ nhiên liệu + Giảm tối ña lực mô men gây ổn ñịnh chuyển ñộng nhằm nâng cao tính an toàn chuyển ñộng, ñặc biệt ñối với loại ô tô có tốc ñộ cao hay trường hợp gặp gió ngang lớn (bão) + Tận dụng dòng chảy không khí ñể thông gió khoang xe, cải thiện khả làm mát ñộng cấu phanh ô tô trình chuyển ñộng + Giảm ñộ ồn khí ñộng tương tác dòng chảy không khí với vỏ xe Trong nghiên cứu lý thuyết, vấn ñề lớn nâng cao dần mức ñộ phức tạp toán nhằm giải ñược phương trình Navier - Stokes cấp ñộ cao Nếu trước ñây, nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn ñể giải phương trình Ơ le với mô hình phẳng [5] ngày nay, vấn ñề ñang ñược quan tâm giải phương trình Reynolds trung bình hóa cho dòng chảy rối (Reynolds Average Navier Stokes - RANS) Trong ñó mô hình với phương trình bổ sung (phổ biến mô hình k - ε) ñược sử dụng rộng rãi Những công bố gần ñây (từ 2008 - 2012) cho thấy phương trình Reynolds cho dòng rối ñang tiếp tục công cụ nhà nghiên cứu khí ñộng học ô tô [5, 24, 27, 31, 40, 62, …] Các phần mềm chuyên dụng ñược sử dụng ngày nhiều nghiên cứu lý thuyết Chẳng hạn, gần ñây nhất, R K Petkar (3/2014) ñồng tác giả ñã công bố kết nghiên cứu lý thuyết, ñó sử dụng phương pháp tính toán mô ANSYS FLUENT ñể ñưa giải pháp giảm lực cản không khí ñối với ô tô ñua [56] Những Footer Page of 123 Header Page of 123 công trình khác cho thấy nhiều nhà nghiên cứu ñã sử dụng thành công phần mềm ñể mô tính toán khí ñộng học vỏ xe ô tô, Manan Desai (2008) [46], Chalmers (2012) [31], … Các công trình nghiên cứu ñã công bố gần ñây cho thấy, việc giải phương trình Navier - Stokes mức cao chưa ñược ñặt ñối với khí ñộng học ô tô [5] mức ñộ phức tạp cao toán ñòi hỏi phải có công cụ hỗ trợ mạnh, thời gian thực mô hình thời gian tính toán lớn với chi phí cao nhiều Trong nghiên cứu thực nghiệm, vấn ñề ñang ñược quan tâm hoàn thiện ñiều kiện thử nghiệm cho gần với thực tế nhằm nâng cao ñộ xác ñộ tin cậy kết ño Mặc dù ống khí ñộng tương thích với kích thước thực ô tô ñược cho ñáng tin cậy cho kết xác hơn, người ta phải sử dụng ống khí ñộng với mô hình thu nhỏ lý tài [46] Sau ñã phân tích, ñánh giá, luận án lựa chọn: + Phương pháp nghiên cứu: kết hợp lý thuyết thực nghiệm Nội dung phần nghiên cứu lý thuyết xây dựng mô hình không gian vỏ xe ô tô khách ñưa vào tính toán khảo sát phần mềm Fluent (ANSYS) Cơ sở lý thuyết mô hình tính toán phương trình Reynolds (RANS) với phương trình bổ sung (mô hình STT k - ω) với phương pháp giải phương pháp thể tích hữu hạn Phần nghiên cứu thực nghiệm sử dụng ống khí ñộng ñể thực số thí nghiệm mang tính kiểm chứng Do ñiều kiện nước ống khí ñộng ñủ lớn, Luận án sử dụng mẫu thu nhỏ vỏ xe ñể thí nghiệm Mục ñích thí nghiệm xác ñịnh lực cản hệ số cản không khí tác ñộng lên vỏ xe ñể ñối chiếu với kết tính toán mô hình mô ñiều kiện + ðối tượng nghiên cứu: ðối tượng nghiên cứu Luận án ñược lựa chọn ô tô khách cỡ lớn với mẫu xe tham khảo cụ thể ô tô khách 51 chỗ Trường Hải THACO KB120LSI Footer Page of 123 Header Page of 123 + Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu lực cản khí ñộng với tiêu chí ñánh giá hệ số cản Cx yếu tố ảnh hưởng ñến mô hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt mưa, khe gờ vỏ, kính, …) + Nội dung nghiên cứu: bao gồm nội dung ñã trình bày, ñược thể bốn chương phần kết luận Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH Mục ñích nghiên cứu tìm hiểu phương pháp mô dòng chảy không khí bao quanh vỏ ô tô, từ ñó lựa chọn xây dựng ñược mô hình mô khí ñộng học vỏ xe khách phù hợp với yêu cầu mục ñích nghiên cứu luận án 2.1 Cơ sở lý thuyết khí ñộng học ðể mô tả ñầy ñủ dòng chảy môi chất bất kỳ, người ta thường sử dụng phương trình Navier-Stokes Với dòng khí bao quanh ô tô dòng chảy âm (M < 0.3), nghiên cứu chấp nhận giả thiết chất khí không chịu nén [44] Khi ñó, toán khí ñộng học gồm hai phương trình: phương trình liên tục phương trình bảo toàn ñộng lượng: Phương trình liên tục: divu = (2.1) Phương trình bảo toàn ñộng lượng: du = F − gradp +ν∆u ρ dt ñó: (2.2) u vận tốc; ρ khối lượng riêng không khí; p áp suất; F lực thể tích; ν ñộ nhớt ñộng học không khí Footer Page of 123 Header Page of 123 ðây hệ phương trình khép kín (4 phương trình ẩn số) gồm phương trình ñạo hàm riêng nên việc giải toán thường phức tạp Hơn nữa, dòng chảy bao quanh vỏ xe dòng rối, nên nhà nghiên cứu thường sử dụng phương trình Reynolds Navier - Stokes trung bình hóa (Reynolds Average Navier Stokes, viết tắt RANS) Bằng cách mô tả thông số a dòng chảy tổng hai thành phần: thành phần không biến ñộng a (là giá trị trung bình a) thành phần biến ñộng a’, thông số dòng chảy ñược mô tả: ui = ui + u'i (2.17) p = p + p' (2.18) Khi ñó, phương trình liên tục phương trình bảo toàn ñộng lượng ñược viết sau: ∂ i ui = 1 ∂ t ui + u j ∂ j ui = − ∂ i p + ∂ j τ ij − ρ u 'i u ' j ρ ρ ( Trong phương trình trên, ) (2.19) ρ u 'i u ' j ñặc trưng cho ứng suất nhớt dòng rối thường ñược gọi ứng suất Reynolds, ký hiệu ten sơ ứng suất dòng rối τ ijt : τ ijt = − ρ u 'i u ' j (2.20) Trong mô hình dòng rối nhớt, ten sơ ứng suất nhớt ñược mô tả sau: τ ijt = µ t ∂ j ui (2.21) Tùy theo cách mô tả µt mà người ta ñưa mô hình dòng rối khác Các mô hình thường ñược phân biệt theo số phương trình cần thiết ñể mô tả µt Trên sở yêu cầu toán khả tính toán máy tính có, NCS ñã lựa chọn loại mô hình “hai phương trình” ñể mô tính toán khí ñộng học vỏ xe khách Footer Page of 123 Header Page of 123 2.2 Mô khí ñộng học vỏ xe ANSYS - FLUENT NCS ñã sử dụng mô ñun FLUENT phần mềm chuyên dụng ANSYS ñể mô phỏng, tính toán khảo sát dòng khí bao quanh vỏ xe nghiên cứu luận án Mô hình tính toán ñược lựa chọn “SST k - ω” ðể giải toán, NCS ñã xây dựng mô hình 3D, lựa chọn vùng không gian mô phỏng, chia lưới, ñặt ñiều kiện biên ràng buộc tính toán cuối tiến hành chạy chương trình, xuất xử lý kết Kết tính toán ñược xuất dạng số liệu gồm lực mô men theo phương hình ảnh phân bố áp suất, vận tốc ñường dòng Từ giá trị lực cản tính ñược, người ta xác ñịnh hệ số cản Cx theo công thức: Cx = Fx ρV A (2.42) Trong ñó: V vận tốc dòng chảy (m/s); A diện tích (m2); ρ mật ñộ không khí (kg/m3) Chương NGHIÊN CỨU KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH BẰNG PHẦN MỀM ANSYS-FLUENT 3.1 Phương pháp nghiên cứu Phần trình bày việc mô phỏng, tính toán khảo sát hình dạng khí ñộng học vỏ xe ô tô chở khách phần mềm ANSYS - FLUENT nhằm ñưa ñề xuất cải thiện hợp lý Tiêu chí ñể ñánh giá hệ số cản không khí Cx Các nội dung ñã thực sau: - Lựa chọn mẫu xe khách lắp ráp nước THACO KB120LSI (hình 3.2) làm xe sở Tiến hành mô khí ñộng học vỏ xe sở này, phân tích ñánh giá chất lượng khí ñộng học - Sử dụng mô hình sở dạng hộp chữ nhật (hình 3.1) ñể khảo sát ảnh hưởng thông số hình học tới tính chất khí ñộng học nhằm ñưa giải pháp cải thiện Footer Page of 123 Header Page 10 of 123 - Trên sở kết cấu vỏ xe tham khảo kết khảo sát trên, lựa chọn thông số hình học ñể tạo nên vỏ xe với hệ số cản khí ñộng nhỏ mà ñảm bảo ñược yêu cầu cốt yếu ñối với vỏ xe khách (không gian sử dụng, bố trí nội thất trang thiết bị, tính thẩm mỹ, …) - Khảo sát ñánh giá mô hình vỏ xe ñược lựa chọn ñây so sánh với vỏ xe sở ðể thực mô tính toán ANSYS, NCS ñã sử dụng phần mềm ANSYS (có quyền) hệ thống máy tính mạnh Trung tâm Phát triển Ứng dụng Phần mềm công nghiệp (DASI), Trường ðHBK Hà Nội ðồng thời, NCS nhận ñược ý kiến tư vấn chuyên môn chuyên gia phần mềm giàu kinh nghiệm DASI α β R1 L1 L2 R1 γ 1900 γ Chiều tiến xe R4 R1 R1 R2 R3 R3 R5 R L3 R3 R3 R5 R5 Hình 3.1 - Các thông số khảo sát biên dạng vỏ xe Footer Page 10 of 123 Header Page 13 of 123 Hình 3.7 - Phân bố áp suất bề mặt vỏ xe Hình 3.8 - Phân bố áp suất mặt phẳng ñối xứng dọc xe Hình 3.10 - Phân bố vận tốc mặt phẳng ñối xứng dọc vỏ xe Hình 3.12 - ðường dòng mặt phẳng trung tuyến dọc vỏ xe 3.3 Khảo sát ảnh hưởng thông số kết cấu tới khí ñộng học vỏ xe ðể xác ñịnh quy luật ảnh hưởng thông số kết cấu tới lực cản khí ñộng, luận án tiến hành khảo sát thông số mô hình vỏ xe dạng hộp chữ nhật Trên sở kết khảo sát, luận án ñề xuất lựa chọn thông số ñể tạo thành vỏ xe có dạng khí ñộng học tốt so với vỏ xe sở (Cx = 0,48) Các kết cho thấy, ñối với dạng vỏ xe khảo sát, thông số góc nghiêng kính chắn gió phía trước α, bán kính góc lượn R4, R5 thông số ảnh hưởng nhiều tới hệ số cản Cx (hình 3.15, 3.40, 3.47), thông số lại ảnh hưởng không ñáng kể tới hệ số Cx (ví dụ hình Footer Page 13 of 123 11 Header Page 14 of 123 3.20) So sánh hình ảnh thay ñổi phân bố áp suất xung quanh vỏ xe giá trị áp suất chứng giúp giải thích ñược thay ñổi giá trị lực cản Fx, dẫn ñến có thay ñổi Cx (Ví dụ hình 3.16, 3.17, hình 3.45, 3.46 hình 3.51, 3.52 giải thích cho thay ñổi Cx hình 3.15, 3.40 3.47 tương ứng) 1.2 0.8 Cx 0.6 0.4 0.2 0 10 15 20 25 30 35 40 45 Góc nghiêng kính phía sau xe (ñộ) 50 Hình 3.20 - Ảnh hưởng góc nghiêng kính phía sau xe ñến hệ số cản Cx 1.1 0.9 0.8 0.7 0.6 Cx 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Góc nghiêng kính chắn gió phía trước (ñộ) Hình 3.15 - Ảnh hưởng góc nghiêng kính chắn gió phía trước ñến hệ số cản Cx Footer Page 14 of 123 12 Header Page 15 of 123 0.9 0.8 0.7 Cx 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Bán kính góc lượn kính chắn gió phía trước xe (mm) Hình 3.40 - Ảnh hưởng bán kính góc lượn kính chắn gió xe tới hệ số cản Cx 0.9 0.8 0.7 Cx 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000110012001300 Bán kính góc lượn thành trước hai thành bên (mm) Hình 3.47 - Ảnh hưởng bán kính góc lượn thành trước hai thành bên tới hệ số cản Cx Footer Page 15 of 123 13 Header Page 16 of 123 Hình 3.16 - Phân bố áp suất góc nghiêng kính chắn gió 0o Hình 3.17 - Phân bố áp suất góc nghiêng kính chắn gió 40o Hình 3.45 - Phân bố áp suất góc lượn kính chắn gió xe Hình 3.46 - Phân bố áp suất góc lượn kính chắn gió xe 2000 mm Hình 3.51 - Phân bố áp suất góc lượn thành trước hai thành bên Hình 3.52 - Phân bố áp suất góc lượn thành trước hai thành bên 1250 mm Trên sở kết khảo sát số liệu thống kê, tham khảo thông số số dạng vỏ xe thực tế, luận án ñã lựa chọn ñược thông số dạng vỏ xe cải thiện Sau mô khí ñộng vỏ xe cải thiện này, hệ số Cx thu ñược 0,3671 Kết so sánh thông số vỏ xe sở vỏ xe cải thiện ñược thể bảng 3.12 Footer Page 16 of 123 14 Header Page 17 of 123 Bảng 3.12 - Các thông số mô hình xe khách tham khảo mô hình cải thiện luận án Thông số Vỏ xe tham khảo Vỏ xe cải thiện luận án Α 12o 12o Β 7o 10o γ 0o 5o (khoảng cách vát 1,9 m) R1 180 mm 250 mm R2 180 mm 150 mm R3 180 mm 150 mm R4 400 mm 600 mm R5 180 mm 250 mm Cx 0,4800 0,3671 Có thể nhận thấy vỏ xe cải thiện có hệ số Cx giảm nhiều so với vỏ xe sở (khoảng 23,52%) ðể ñánh giá tính ổn ñịnh ñộ tin cậy kết tính toán mô khí ñộng học vỏ xe ô tô khách phần mềm ANSYS - Fluent, NCS tiến hành mô mô hình vỏ xe cải thiện vận tốc dòng khí khác (từ 10 m/s (tương ñương với 36 km/h) ñến 35 m/s (tương ñương với 126 km/h) với bước nhảy vận tốc m/s Các kết tính toán ñược thể dạng số bảng 3.11 ñồ thị hình 3.59 Bảng 3.11-Lực cản Fx hệ số Cx mô hình vỏ xe cải thiện Vkk (m/s) Fx (N) Cx 10 15 20 25 30 35 -217,45 -486,71 -868,74 -1348,69 -1948,78 - 2648,88 0,3686 0,3667 0,3682 0,3658 0,3671 0,3666 ðể xác ñịnh quy luật phụ thuộc lực cản không khí theo vận tốc thu ñược từ kết tính toán mô phỏng, NCS ñã tiến hành vẽ ñồ thị theo quy luật lý thuyết ñã biết: ‫ܨ‬௫ ൌ ߩ‫ܥ‬௫ ‫ ܸܣ‬ଶ Footer Page 17 of 123 15 Header Page 18 of 123 Trong ñó: Cx = 0,367 (giá trị trung bình tính từ kết mô phỏng); Diện tích cản diện: A = 9,635 m2 (lấy từ kết mô phỏng); Mật ñộ không khí: ρ = 1,225 kg/m3 3000 Fx 2500 2000 1500 Mô Công thức 1000 500 0 10 20 30 40 V (m/s) Hình 3.59 - ðồ thị Fx theo vận tốc chuyển ñộng dòng khí Kết tính toán theo công thức lý thuyết ñây ñược thể dạng ñồ thị (ñường ñỏ với ñiểm vuông mầu vàng) hình 3.59 với kết tính toán mô Fluent (các ñiểm hình thoi xanh thẫm) ñược vẽ từ bảng 3.11 Sự so sánh ñây cho thấy ñộ tin cậy kết tính toán mô phần mềm ANSYS - Fluent Chương NGHIÊN CỨU KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH TRONG ỐNG KHÍ ðỘNG 4.1 Mục ñích phương pháp nghiên cứu 4.1.1 Mục ñích Mục ñích việc nghiên cứu khí ñộng học vỏ xe khách ống khí ñộng ño lực tác ñộng lên mẫu vỏ xe khách ống khí ñộng ñể từ ñó tính hệ số cản Cx so sánh với kết tính toán mô hình mô 4.1.2 Phương pháp nghiên cứu Footer Page 18 of 123 16 Header Page 19 of 123 Nghiên cứu ñược thực với ống khí ñộng OT1 Phòng thí nghiệm khí ñộng học Viện kỹ thuật Phòng Không - Không Quân Ống khí ñộng có kích thước buồng thử (mm): 3800 x 2000 x 1400, vận tốc thử tối ña: 40 m/s Kích thước mẫu thử ñược lựa chọn theo thông số ống thử vào lý thuyết tương tự Luận án ñã lựa chọn mẫu thử với tỷ lệ thu nhỏ 1:40 Luận án ñã thực bước nghiên cứu sau: − ðo lực tác ñộng lên mô hình mẫu vỏ xe tỷ lệ 1:40 ống khí ñộng, sở ñó xác ñịnh lực cản khí ñộng Fx, từ ñó xác ñịnh hệ số lực cản không khí Cx − Mô mô hình vỏ xe ô tô khách ống khí ñộng Fluent với ñiều kiện hoàn toàn giống ñiều kiện thí nghiệm, tính toán xác ñịnh lực cản tác ñộng lên mô hình vỏ xe Fx hệ số Cx − So sánh kết thí nghiệm với kết tính toán lý thuyết ñánh giá ñộ tin cậy phương pháp luận ñộ xác mô hình tính toán 4.2 Thực thí nghiệm 4.2.1 Trang thiết bị bố trí trang thiết bị thí nghiệm Sơ ñồ ống khí ñộng ñược mô tả hình 4.1 Ống khí ñộng gồm ñường ống dẫn khí, ñộng dẫn ñộng quạt gió khoang thử (còn gọi buồng thử) dành cho việc bố trí mẫu xe thí nghiệm với thiết bị ño lường ðể tạo hiệu ứng mặt ñường cho thí nghiệm, NCS ñã tiến hành lắp sàn gỗ phẳng dày 10mm phía gầm mô hình Kích thước sàn ñược lựa chọn cho không gây nhiễu ñộng cho dòng chảy không khí phía trước xe, tương tự lựa chọn không gian mô ñã trình bày chương (mục 2.3.3) Footer Page 19 of 123 17 Header Page 20 of 123 Hình 4.1 Sơ ñồ ống khí ñộng kết nối thiết bị thí nghi nghiệm - ðộng cơ; - Ống khí ñộng; - Các cảm biến ño vận tốcc dòng khí; - Mẫu thí nghiệm; - Cân khí ñộng; - Bộ chuyển ñổi tín hiệu vậnn ttốc dòng khí; Thiết bị hiển thị vận tốc dòng khí; - Bộ chuyển ñổii tín hi hiệu thu ñược từ cân khí ñộng; - Bộ xử lý tín hiệu nhận ñược từ cân khí ññộng; 10 - Máy tính hiển thị xử lý kết quả; 11 - Lưới hướng dòng; 12 - Lướii ổn ñịnh dòng Việc gá ñặt mẫu thử lên giá ñược thể hình 4.11 Hình 4.11 Gá ñặt mẫu thí nghiệm thiết bị ño khoang th thử Footer Page 20 of 123 18 Header Page 21 of 123 4.2.2 Thực thí nghiệm ðể loại trừ ảnh hưởng hệ thống gá ñặt mẫu thử NCS ñã tiến hành thí nghiệm cho hai trường hợp: - Thí nghiệm 1: tiến hành ño mẫu thử ñể ño lực tác dụng lên giá ñỡ sàn - Thí nghiệm 2: tiến hành ño với mẫu thử lắp giá ñỡ ñể xác ñịnh lực tác dụng lên toàn hệ thống - Lấy hiệu kết ño ñược thí nghiệm trừ ñi kết ño thí nghiệm ta xác ñịnh ñược lực cản khí ñộng mô hình thí nghiệm Thí nghiệm tiến hành với chế ñộ vận tốc sau: 20m/s, 25m/s, 30m/s 35m/s Các kết thí nghiệm ñược thể bảng 4.2 Bảng 4.2 Kết thí nghiệm Vận tốc (m/s) 20 25 29 34 6.95 10.89 13.745 18.002 0.4025 0.4148 0.366 0.379 Lực cản Fx (N) Hệ số cản Cx ðể ñánh giá kết thí nghiệm, NCS ñã lấy giá trị trung bình hệ số Cx ño ñược ñể tính toán lực cản Fx theo công thức: ଵ ‫ܨ‬௫ ൌ ‫ܥ‬௫ ‫ ܸߩܣ‬ଶ ଶ (4.4) Trong ñó: Cx = 0,39 (giá trị trung bình ño ñược); Diện tích cản diện: A = 0,035 m2 (xác ñịnh theo mẫu thí nghiệm); Mật ñộ không khí: ρ = 1,225 kg/m ; Với vận tốc dòng khí biến thiên từ - 35 m/s, kết tính toán thu ñược thể hình 4.14 ñường parabol Footer Page 21 of 123 19 Header Page 22 of 123 25 Fx (N) 20 15 Theo (4.4) Thí nghiệm 10 0 10 15 20 25 30 35 40 V (m/s) Hình 4.14 Quy luật biến thiên lực cản theo vận tốc Trên ñồ thị thể giá trị lực cản Fx ño ñược từ kết thí nghiệm (theo bảng 4.2) ðồ thị cho thấy, kết thí nghiệm tuân theo ñúng quy luật ñã biết: lực cản khí ñộng tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc So sánh ñây ñược coi minh chứng ñộ tin cậy ñộ xác kết ño ñược 4.3 Mô thí nghiệm ống khí ñộng Luận án thực mô thí nghiệm ống khí ñộng ANSYS - FLUENT theo quy trình phương pháp hoàn toàn giống ñã trình bày chương Bảng 4.5 Kết thí nghiệm kết tính toán mô mô hình tỷ lệ 1:40 ống khí ñộng Vận tốc (m/s) Lực cản Fx (N) Thực Tính toán nghiệm Hệ số cản Cx Thực Tính toán nghiệm 20 6,2024 6,95 0,367 0,4025 25 9,6503 10,89 0,366 0,4148 29 12,9533 13,745 0,3577 0,366 34 17,7933 18,002 0,3695 0,379 0,36505 0,390575 Giá trị trung bình Footer Page 22 of 123 20 Sai lệch hệ số Cx (%) 6,53 Header Page 23 of 123 ðể so sánh kết thí nghiệm với kết mô thí nghiệm máy tính, ñiều kiện tính toán mô ñược lựa chọn giống hoàn toàn với ñiều kiện thực nghiệm Trong bảng 4.5 thể kết tính toán mô mẫu vỏ xe ống khí ñộng với kết thí nghiệm Các kết ñược thể trực quan ñồ thị hình 4.21 4.22 Fx (N) 20 18 16 14 12 10 Mô Thí nghiệm 15 20 25 30 35 V (m/s) Hình 4.21 So sánh lực cản theo kết tính toán mô thực nghiệm Cx 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 Mô Thí nghiệm 15 20 25 30 35 V (m/s) Hình 4.22 So sánh Cx theo kết tính toán mô thực nghiệm Footer Page 23 of 123 21 Header Page 24 of 123 Với kết nêu trên, việc sử dụng phần mềm ANSYS - Fluent với mô hình “SST k - ω” ñể mô dòng khí chuyển ñộng bao quanh vỏ xe khách hoàn toàn khả thi với kết thu ñược ñảm bảo ñộ xác tin cậy KẾT LUẬN Luận án ñã sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS - Fluent ñể nghiên cứu khí ñộng học vỏ xe ô tô khách cỡ lớn sản xuất Việt Nam Bài toán ñược xây dựng dựa phương trình Navier - Stokes ñơn giản hóa dạng RANS với giả thiết chất khí không chịu nén kết hợp với mô hình dòng rối nhớt Trên sở mô hình tính toán ñược lựa chọn “SST k - ω”, NCS ñã xây dựng ñược mô hình mô vỏ xe ô tô khách Fluent ñể tính toán thông số dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe Kết mô phỏng, tính toán khí ñộng học mô hình vỏ xe sở THACO KB120LSI ñã cho hệ số Cx = 0,48, nghĩa vỏ xe có hình dạng khí ñộng học tốt Tuy nhiên, hình ảnh phân bố áp suất, vận tốc ñường dòng bao quanh vỏ xe cho thấy nhiều khiếm khuyết vỏ xe cần ñược cải thiện ñể giảm lực cản khí ñộng NCS ñã sử dụng mô hình ñơn giản dạng hộp chữ nhật ñể nghiên cứu, tính toán, khảo sát ñã xác ñịnh ñược quy luật ảnh hưởng số thông số kết cấu (góc nghiêng mặt trước sau, bán kính góc lượn mặt tạo thành vỏ xe) tới lực cản khí ñộng Kết khảo sát cho thấy, ñối với dạng vỏ xe khách cỡ lớn, bán kính góc lượn mặt trước xe (R4) bán kính góc lượn mặt trước hai mặt bên (R ) có ảnh hưởng lớn ñến lực cản khí ñộng Tuy nhiên, thông số có ảnh hưởng lớn ñến không gian xe ñặc biệt tính thẩm mỹ, nên việc lựa chọn chúng cần ñược cân nhắc cách kỹ lưỡng Footer Page 24 of 123 22 Header Page 25 of 123 Trên sở kết khảo sát ảnh hưởng thông số kết cấu tới lực cản khí ñộng qua phân tích kết cấu số loại vỏ xe ñang ñược sản xuất, NCS ñã ñề xuất lựa chọn thông số kết cấu nhằm cải thiện dạng khí ñộng học ñể ñạt ñược hệ số cản Cx nhỏ thỏa mãn yêu cầu công sử dụng tính thẩm mỹ vỏ xe Kết tính toán mô cho thấy chất lượng khí ñộng học vỏ xe ñược cải thiện ñáng kể Hệ số cản Cx vỏ xe 0,3671, ñồng thời hình ảnh dòng khí bao quanh vỏ xe cho thấy, dòng chảy bám sát vào vỏ kích thước vùng xoáy ñã giảm ñi nhiều ðể kiểm chứng ñộ tin cậy ñộ xác mô hình tính toán lý thuyết phần mềm ANSYS - Fluent, NCS ñã thực nghiên cứu khí ñộng học mô hình vỏ xe thu nhỏ tỷ lệ 1:40 ống khí ñộng Các thí nghiệm ñược tiến hành với vận tốc 20, 25, 29 34 m/s, kết thu ñược giá trị trung bình hệ số cản Cx = 0,39 ðồng thời, NCS ñã thực mô mô hình vỏ xe ống khí ñộng Fluent với thông số ñiều kiện giống hệt thí nghiệm Kết tính toán mô giá trị vận tốc cho giá trị trung bình hệ số Cx 0,365 Như vậy, ñộ chênh lệch kết tính toán mô kết ño ñạc thí nghiệm ñiều kiện 6,5% Mức sai số lớn chấp nhận ñược xét ñến giả thiết ñã ñưa xây dựng mô hình Hơn nữa, thiết bị thí nghiệm có sai số ñịnh Các kết nghiên cứu luận án ñã hình thành phương pháp ñánh giá khí ñộng học vỏ xe khách, hoàn toàn khả thi ñiều kiện Việt Nam Nếu ñược tiếp tục hoàn thiện, ñây công cụ hiệu giúp cho nhà thiết kế cải thiện hướng tới tối ưu hóa dạng khí ñộng học vỏ xe nhằm giảm thiểu lực cản không khí trình chuyển ñộng ðiều có ý nghĩa quan trọng, giảm lực cản ñồng nghĩa với việc giảm mức tiêu hao nhiên liệu giảm phát thải ñộc hại môi trường Các hướng nghiên cứu phát triển: Footer Page 25 of 123 23 Header Page 26 of 123 Dựa kết nghiên cứu Luận án, NCS ñề xuất số hướng nghiên cứu phát triển sau: - Hoàn thiện mô hình tính toán: bổ sung thêm gương chiếu hậu, mô tả gờ, khe cửa, hốc bánh xe, mô tả bánh xe ñang quay, mô tả chuyển ñộng tương ñối vỏ xe mặt ñường,…; - Nghiên cứu ảnh hưởng lực nâng, ảnh hưởng gió ngang tới tính ổn ñịnh chuyển ñộng ô tô, ñặc biệt ñối với ô tô có chiều cao lớn (xe khách giường nằm) Footer Page 26 of 123 24 Header Page 27 of 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ðà CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Tung To Hoang, Hoan Nguyen Trong, Hai Ho Huu (2009) Using Fluent to simulate the air-flow around body of coach manufactured in Vietnam, The 15th Asia Pacific Automotive Engineering Conference - APAC15, APAC 2009 Proceeding Volume 1, 26 - 28 October 2009, pp APAC15-257 Tô Hoàng Tùng, Nguyễn Trọng Hoan (2015) Nghiên cứu mối quan hệ hệ số cản khí ñộng với thông số bán kính góc lượn phía ñầu xe ô tô khách cỡ lớn sản xuất Việt Nam phần mềm ANSYS-FLUENT, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số năm 2015, trang 102-106 Tô Hoàng Tùng, Nguyễn Trọng Hoan, Hồ Hữu Hải (2015) Nghiên cứu khí ñộng học ô tô phương pháp thí nghiệm ống khí ñộng, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số năm 2015, trang 121-125 Footer Page 27 of 123 ... sĩ với ñề tài: Nghiên cứu cải thiện dạng khí ñộng học vỏ xe khách lắp ráp Việt Nam Luận án công trình nghiên cứu sâu ñầu tiên khí ñộng học ô tô Việt Nam Các kết nghiên cứu Luận án góp phần bước... nghiên cứu Luận án gồm nội dung sau: Tổng quan vấn ñề nghiên cứu Xây dựng mô hình mô khí ñộng học vỏ xe khách Nghiên cứu khí ñộng học vỏ ô tô khách phần mềm ANSYS FLUENT Nghiên cứu khí ñộng học. .. thông số số dạng vỏ xe thực tế, luận án ñã lựa chọn ñược thông số dạng vỏ xe cải thiện Sau mô khí ñộng vỏ xe cải thiện này, hệ số Cx thu ñược 0,3671 Kết so sánh thông số vỏ xe sở vỏ xe cải thiện ñược