Xác định các hệ số cản khí động của ô tô

Hình dáng khí động của ô tô ảnh hưởng rất nhiều tới lực cản và lực nâng của xe, điều này làm tổn hao rất nhiều tới công suất của động cơ, giảm lực bám của xe với mặt đường… Việc nghiên c

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC BẢNG 9

LỜI CAM ĐOAN 10

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG Ô TÔ 12

1.1 Vai trò của lực khí động trong chuyển động của xe 12

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu khí động học xe 18

1.2.1 Ảnh hưởng của hình dáng chung ô tô đến hệ số khí động 19

1.2.2 Ảnh hưởng của góc vát đuôi xe và góc nghiêng mặt kính trước 22

1.2.3 Ảnh hưởng của góc vát gầm đuôi xe 24

1.2.4 Ảnh hưởng của cánh phía đuôi xe 25

1.3 Các phương pháp xác định hệ số khí động 26

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu khí động bằng mô phỏng 26

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu khí động bằng thực nghiệm 29

CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ LỰC CẢN, LỰC NÂNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 34

2.1 Giới thiệu chung về mô phỏng số CFD 34

2.1.1 Định nghĩa về CFD 34

2.1.2 Ưu điểm và hạn chế của CFD 34

2.1.3 Các lĩnh vực chính mà CFD có thể đảm nhiệm 35

2.1.4 Giới thiệu về Fluent và Gambit 36

2.2 Thiết lập bài toán trên Fluent 38

2.3 Xác định mô hình nghiên cứu 42

2.3.1 Đặc điểm của mô hình lựa chọn 42

2.3.2 Xây dựng mô hình mô phỏng 43

2.4 Đối tượng nghiên cứu 45

2.5 Xây dựng mô hình, chia lưới và đặt điều kiện biên 45

2.5.1 Xây dựng mô hình và chia lưới 45

2.5.2 Điều kiện biên 48

2.5.3 Lựa chọn model tính toán 49

2.6 Phân tích đánh giá kết quả nghiên cứu 51

2.6.1 Ảnh hưởng của vận tốc xe đến phân bố áp suất 51

2.6.2 Ảnh hưởng của tốc độ xe đến phân bố đường dòng bao quanh ô tô 53

2.6.3 Ảnh hưởng của vận tốc đến hệ số CP 56

2.6.4 Ảnh hưởng của tốc độ đến lực cản, lực nâng 58

2.7 Mô phỏng với trường hợp đuôi xe thay đổi 59

2.7.1 Phân bố áp suất bao quanh ô tô: 60

2.7.2 Đường dòng bao quanh ô tô 60

2.7.3 Rối sau ô tô 61

2.7.4 Biểu đồ phân bố áp suất trên đường bao quanh ô tô tại mặt cắt nghiên cứu 62

2.7.5 Ảnh hưởng của tốc độ đến hệ số lực cản, lực nâng trong trường hợp đuôi xe thay đổi 62

CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ LỰC NÂNG, LỰC CẢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 64

3.1 Tìm hiểu về trang thiết bị phục vụ thí nghiệm 64

3.1.1 Tìm hiểu về ống khí động ở phòng thí nghiệm 64

3.1.2 Lực kế Loadcell Mavin 69

3.1.3 Thiết bị thu Agilent 70

3.1.4 Mô hình xe phục vụ thí nghiệm 71

3.2 Sơ đồ đo khí động ô tô 72

3.3 Phương pháp đo khí động ô tô 73

3.4 Xử lý kết quả thí nghiệm 75

3.4.1 Kết quả thí nghiệm đo lực cản 75

3.4.2 Kết quả thí nghiệm đo lực nâng 78

3.5 Đánh giá kết quả thí nghiệm 80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

PHỤ LỤC 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Quan hệ giữa lực cản khí động và các lực cản khác 12

Hình 1.2: Hệ số cản khí động ngày càng giảm theo thời gian 13

Hình 1.3: Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô [4] 14

Hình 1.4: Luồng gió tự nhiên và luồng gió thực tác dụng lên ô tô khi nó chuyển động 15

Hình 1.5: Hình ảnh minh họa áp suất mui xe khi hoạt động 17

Hình 1.6: Hình ảnh minh học hiện tượng tách thành và rối sau xe 17

Hình 1.7: Hình ảnh minh họa về lực tác động vào xe khi hoạt động 18

Hình 1.8: Hệ số lực cản của một số hình dạng quen thuộc [2] 19

Hình 1.9: Mô hình ô tô Porsche 911 20

Hình 1.10: Mô hình ô tô Mercedes-Benz E320 20

Hình 1.11: Mô hình ô tô Mercedes-Benz E63 21

Hình 1.12: Ảnh hưởng của hình dạng khí động tới hệ số lực cản [3] 22

Hình 1.13: Ảnh hưởng của góc vát đuôi xe với dòng xe squareback 22

Hình 1.14: Ảnh hưởng của góc nghiêng α và β tới hệ số cản CD với dòng xe Northback 23

Hình 1.15: Ảnh hưởng của góc nghiêng mặt kính φ độ cao z đuôi xe fast back 23

Hình 1.16: Ảnh hưởng của góc vát gầm đuôi xe tới hệ số cản khí động 24

Hình 1.17: Ảnh hưởng của góc nghiêng αw tới CD và CL 25

Hình 1.18: Ảnh hưởng của cánh phía đuôi xe tới CD và CL 26

Hình 1.19: Mô hình chia lưới và kết quả tính hệ số CD 27

Hình 1.20: Mô hình chia lưới ô tô xedan và hệ số cản khí động CD=0.35 27

Hình 1.21 Đồ thị phân bố áp suất trên bề mặt mô hình 28

Hình 1.22: Sơ đồ thí nghiệm trên ống khí động 29

Hình 1.23: Các phương án xây dựng sàn mô phỏng 30

Hình 1.24: Một số cách bố trí xe khi làm thí nghiệm 31

Hình 1.25: Ảnh hưởng của tỷ số e/2R tới hệ số CD và CL trong trường hợp bánh xe quay và không quay khi làm thí nghiệm 32

Hình 1.26: Ảnh hưởng của thay đổi độ cao gầm xe tới hệ số lực cản 33

Hình 2.1: Hình ảnh minh họa về mô phỏng CFD 36

Hình 2.2: Xe BMW x6 43

Hình 2.3: Hình ảnh xe được thiết kế trên 3DS 44

Hình 2.4 Hình ảnh xe được xây dựng solidwork 44

Hình 2.5: Hình ảnh mặt cắt dọc giữa xe 44

Hình 2.6: Hình ảnh chia lưới với số lưới 1 triệu 46

Hình 2.7: Kết quả phân bố áp suất với số lưới 1 triệu 47

Hình 2.8: Kết quả phân bố áp suất với số lưới 100.000 lưới 47

Hình 2.9: Biểu đồ ảnh hưởng của số lưới tới hệ số Cp 48

Hình 2.10: Điều kiện biên cho mô hình tính toán 49

Hình 2.11: Trường phân bố áp suất trong trường hợp xe chạy với vận tốc 30 km/h (trái) và 40 km/h (phải) 52

Hình 2.12: Trường phân bố áp suất trong trường hợp xe chạy với vận tốc 50 km/h (trái) và 60 km/h (phải) 52

Hình 2.13: Trường phân bố áp suất trong trường hợp xe chạy với vận tốc 80 km/h (trái) và 100 km/h (phải) 52

Hình 2.14: Trường phân bố áp suất trong trường hợp xe chạy với vận tốc 130 km/h 53

Hình 2.15: Phân bố vận tốc của dòng bao quanh xe ở trường hợp vận tốc 30 km/h (trái) và 40 km/h (phải) 53

Hình 2.16: Phân bố vận tốc của dòng bao quanh xe ở trường hợp vận tốc 50 km/h (trái) và 60 km/h (phải) 54

Hình 2.17: Phân bố vận tốc của dòng bao quanh xe ở trường hợp vận tốc 80 km/h

(trái) và 100 km/h (phải) 54

Hình 2.18: Phân bố vận tốc của dòng bao quanh xe ở trường hợp vận tốc 130 km/h 54

Hình 1.19: Rối sau ô tô chạy với vận tốc 30 km/h (trái) và 40 km/h (phải) 55

Hình 2.20: Rối sau ô tô chạy với vận tốc 50 km/h (trái) và 60 km/h (phải) 55

Hình 2.21: Rối sau ô tô chạy với vận tốc 80 km/h (trái) và 100 km/h (phải) 55

Hình 2.22: Rối sau ô tô chạy với vận tốc 130 km/h 56

Hình 2.23: Biểu đồ hệ số áp suất 30 km/h 56

Hình 2.24: Biểu đồ hệ số áp suất 40 km/h 56

Hình 2.25: Biểu đồ hệ số áp suất 50 km/h 57

Hình 2.26: Biểu đồ hệ số áp suất 60 km/h 57

Hình 2.27: Biểu đồ hệ số áp suất 80 km/h 57

Hình 2.28: Biểu đồ hệ số áp suất 100 km/h 57

Hình 2.29: Biểu đồ hệ số áp suất 130 km/h 58

Hình 2.30: Biểu đồ hệ số lực nâng 58

Hình 2.31: Biểu đồ hệ số lực cản 59

Hình 2.32:Hình ảnh đuôi xe sửa đổi để nghiên cứu ảnh hưởng của đuôi đến đặc tính khí động xe 59

Hình2.33: Phân bố áp suất bao quanh ô tô theo các trường hợp khác nhau 60

Hình 2.34: Đường dòng bao quanh ô tô 61

Hình 2.35: Rối sau ô tô 62

Hình 2.36: phân bố áp suất trên đường bao quanh ô tô tại mặt cắt nghiên cứu 62

Hình 2.37: Hệ số lực cản so với các góc thay đổi của đuôi xe 63

Hình 2.38: Hệ số lực nâng so với các góc thay đổi của đuôi xe 63

Hình 3.1: Ống khí động AF 6116 (Đặt ở nhà T – ĐHBK HN) 64

Hình 3.2:Tiết diện đầu vào với lưới tổ ong dạng lục giác 65

Hình 3.3: Đoạn làm thẳng trước khi vào buồng thử 66

Hình 3.4: Buồng thử bằng vật liệu trong suốt 66

Hình 3.5: Phần ống loe 67

Hình 3.6: Hai quạt hướng trục quay ngược chiều nhau 67

Hình 3.7: Phần ống ra 68

Hình 3.8: Phần giá đỡ ống khí động 68

Hình 3.9: Hộp điều khiển điện 69

Hình 3.10: Loadcell Mavin 70

Hình 3.11: Thiết bị thu Agilent 70

Hình 3.12: Mô hình xe phục vụ thí nghiệm 71

Hình 3.13: Mô hình thí nghiệm thiết kế bằng Solid work 72

Hình 3.14: Mô hình đo lực nâng thiết kế bằng solidwork 73

Hình 3.15: Tín hiệu điện áp khi chưa bật ống khí động 74

Hình 3.16: Đồ thị giá trị điện áp trong quá trình đo 75

Hình 3.17: Mô hình thí nghiệm lực cản thực tế 75

Hình 3.18: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của cả hệ thống ở vận tốc 30km/h 76

Hình 3.19: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của bộ gá ở vận tốc 30km/h 76

Hình 3.20: Đồ thị hệ số lực cản mô phỏng và thực nghiệm 78

Hình 3.21: Mô hình đo lực nâng thực tế 78

Hình 3.22: Đồ thị giá trị điện áp và lực nâng quy đổi của hệ thống ở vận tốc 30km/h 79

Hình 3.23: Đồ thị hệ số lực nâng tìm được theo phương pháp mô phỏng và thực nghiệm 80Hình 3.24: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của cả hệ thống ở vận tốc 40km/h 84Hình 3.25: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của bộ gá ở vận tốc 40km/h 84Hình 3.26: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của cả hệ thống ở vận tốc 50km/h 84Hình 3.27: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của bộ gá ở vận tốc 50km/h 85Hình 3.28: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của cả hệ thống ở vận tốc 60km/h 85Hình 3.29: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của bộ gá ở vận tốc 60km/h 85Hình 3.30: Đồ thị giá trị điện áp và lực nâng quy đổi của hệ thống ở vận tốc 40km/h 86Hình 3.31: Đồ thị giá trị điện áp và lực nâng quy đổi của hệ thống ở vận tốc 50 km/h 86Hình 3.32: Đồ thị giá trị điện áp và lực nâng quy đổi của hệ thống ở vận tốc 60km/h 86

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Phân chia phần tử và thời gian tính toán theo 2 phương pháp DIVK và DWT

28

Bảng 2.1: Thiết lập điều kiện biên cho bài toán 51

Bảng 2.2: Hệ số lực nâng, lực cản tính toán dựa trên các trường hợp mô phỏng 58

Bảng 2.3: Điều kiện biên thiết lập cho bài toán 60

Bảng 2.4: Hệ số lực cản tích theo dữ liệu mô phỏng 63

Bảng 3.1: Kết quả thực nghiệm hệ số lực cản với các vận tốc khác nhau của xe 77

Bảng 3.2: Kết quả thực nghiệm hệ số lực nâng với các vận tốc khác nhau của xe 79

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu của luận văn này là hoàn toàn có thật, do chính bản

thân tôi tổ chức thí nghiệm và nghiên cứu theo sự hướng dẫn của PGS Võ Văn Hường và PGS Nguyễn Phú Hùng Các số liệu tham khảo từ các tài liệu đều

được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo

Hà Nội, ngày 25 tháng 12 năm 2013

Người thực hiện

Nguyễn Mạnh Phú

MỞ ĐẦU

Hiện nay ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu khí động ô tô còn khá mới mẻ Hình dáng khí động của ô tô ảnh hưởng rất nhiều tới lực cản và lực nâng của xe, điều này làm tổn hao rất nhiều tới công suất của động cơ, giảm lực bám của xe với mặt đường… Việc nghiên cứu xác định các hệ số của lực cản, lực nâng góp phần vào sự đánh giá hình dáng khí động của ô tô từ đó tối ưu hóa được hình dáng khí động của

xe Với những yêu cầu bức thiết trên chúng tôi quyết định tiến hành đề tài nghiên

cứu “Xác định các hệ số cản khí động của ô tô”

Chúng tôi tiến hành nghiên cứu xác định các hệ số lực cản, lực nâng của ô tô bằng 2 phương pháp mô phỏng và thực nghiệm, ngoài ra còn khảo sát sự thay đổi lực cản, lực nâng khi đuôi xe thay đổi Ở đây chiếc xe được lựa chọn là BMW X6 rất phổ biến ở Việt Nam Luận văn gồm có 3 chương cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan về khí động ô tô

Chương này trình bày một cách tổng quan nhất về:

 Ý nghĩa của việc giảm thiểu hệ số cản khí động

 Các nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dáng khí động như các góc vát, góc lượn…đến hệ số CD, CL

 Các nghiên cứu về phương pháp mô phỏng và thực nghiệm nhằm xác định

hệ số CD, CL

Chương 2: Xác định hệ số lực cản, lực nâng bằng phương pháp mô phỏng

Nội dung chủ yếu của chương 2 gồm:

 Giới thiệu phần mềm nghiên cứu, cách thức để xây dựng 1 bài toán khí động học bằng phương pháp mô phỏng

 Xác định được hệ số cản khí động bằng phương pháp mô phỏng

 Mô phỏng và tính toán CD và CL khi đuôi xe thay đổi

Chương 3: Xác định hệ số lực cản, lực nâng bằng phương pháp thực nghiệm

Nội dung chủ yếu của chương 3 gồm:

 Trình bày về cấu tạo, hoạt động của các trang thiết bị phục vụ thí nghiệm

 Trình bày về sơ đồ thí nghiệm, phương pháp tiến hành và kết quả thí nghiệm thu được

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG Ô TÔ 1.1 Vai trò của lực khí động trong chuyển động của xe

Nghiên cứu đặc tính khí động học của xe đóng vai trò hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế và hoàn thiện một mẫu xe Đặc tính khí động học của xe tốt

sẽ dẫn đến giảm được sự tiêu hao nhiên liệu và dẫn đến giảm được sự phát thải của

xe Đặc tính khí động học của xe được đánh giá chủ yếu thông qua hai thông số là

hệ số lực cản và lực nâng Theo tính toán thì hệ số cản khí động giảm khoảng 2% thì lượng nhiên liệu tiêu thụ giảm xuống 1% Một chiếc xe có hình dạng khí động tốt sẽ có hệ số lực cản CD nhỏ và có lực nâng phù hợp giúp cho xe bám đường tốt

Trên thế giới, rất nhiều các nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tìm hiểu, đánh giá đặc tính khí động học của xe thông qua một trong hai thông số là hệ số lực nâng và lực cản Liên quan đến hệ số lực cản, nghiên cứu của David Piech.JD mang tên “ Aerodynamic Development at Navistar” vào năm 2012 [1] tập trung vào việc đánh giá các thành phần sinh lực cản của xe tải Trường hợp nghiên cứu là khi xe chạy trên đường với tốc độ 55 mph Kết quả thu được từ nghiên cứu này cho thấy lực cản của hệ thống truyền lực là 18%, lực cản lăn của xe là 32% và lực cản khí động chiếm khoảng 50% Như vậy, có thể thấy rằng lực cản khí động học chiếm tỷ

lệ quan trọng trong các thành phần sinh lực cản của xe (hình 1.1)

Hình 1.1: Quan hệ giữa lực cản khí động và các lực cản khác

Như vậy, để giảm thiểu lực cản, vấn đề được quan tâm nhất đó chính là hình dạng khí động của xe Do đó, trong việc thiết kế và chế tạo xe hơi ngày nay vấn đề luôn được quan tâm hàng đầu đó là thiết kế hình dạng cho một chiếc xe

Theo thời gian, cùng với rất nhiều các nghiên cứu được tiến hành, hệ số cản khí động không ngừng được cải thiện Ở những năm 50 hệ số cản khí động dao động từ 0.4 đến 0.55 và hiện nay hệ số này dao động trong khoảng 0.25 đến 0.35 (Hình 1.2) Dễ dàng nhận thấy trong hình là hệ số lực cản giảm khi thay đổi hình dạng thiết kế của xe

Hình 1.2: Hệ số cản khí động ngày càng giảm theo thời gian

Trong thực tế, khi xem xét xe chuyển động trong gió xiên trên đường thẳng thì sẽ chịu 6 thành phần lực khí động đó là: Lực cản FD, lực nâng FL, lực ngang FS, Momen MP quay quanh Oy, momen MR quay quanh Ox, momen MY quay quanh

Oz Người ta có biểu diễn các lực này bằng các công thức sau:

Trong đó CD, CS, CL, CR, CP, CY là các hệ số khí động ô tô

Việc xác định được các 6 hệ số này cho phép ta xác định được các lực cản và momen cản tương ứng Trên cơ sở đó có thể tính toán được các phản lực từ mặt

đường lên bánh xe Từ đó có thể đánh giá được khả năng bám đường, hiệu quả phanh…

Hình 1.3 dưới đây thể hiện sơ đồ lực tác dụng lên xe khi xe hoạt động

Hình 1.3: Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô [7]

Nếu coi xe là cứng tuyệt đối thì điều kiện cân bằng lực và momen đối với tâm trọng lực có tất cả 6 phương trình

Phương trình cân bằng lực:

Phương trình cân bằng momen:

Ở đây FD là lực cản, FS là lực bên, FL là lực nâng, MR momen quay quanh trục x, MP momen quay quanh trục y, MY momen quay quanh trục z

T1, T2, T3, T4 là các lực kéo sinh ra ở các bánh xe

i1, i2 nhận các giá trị bằng 0 hoặc bằng 1 tùy thuộc vào cầu nào chủ động Các phương trình lực và momen trên tạo thành 1 bộ gồm có 6 phương trình với tổng cộng 16 ẩn số chưa biết trong đó: Gồm có 12 thành phần lực cản và gồm 4 thành phần lực kéo

Ở đây xi,yi,zi là tọa độ tâm của bánh xe :

Ta có: x1=x2=a; x3=x4=-b; y1=y3=-c/2 và y2=y4=c/2

Và z1-z2+z3-z4=0 (1.8) Nếu chúng ta giả sử rằng mỗi phản lực dọc tỷ lệ với độ dịch chuyển và độ cứng của hệ thống treo ở tất cả các bánh là như nhau thì dẫn tới phương trình phản lực dọc:

(1.9)

Ta có công thức tính lực cản lăn:

(1.10) Trong đó fr là hệ bám

Trong thực tế thì kể cả khi không có gió thì lúc xe chạy vẫn có luồng gió tác dụng vào xe

Hình 1.4: Luồng gió tự nhiên và luồng gió thực tác dụng lên ô tô khi nó chuyển động

Khi xe chạy với vận tốc là vo và hướng gió trời là khi đó luồng gió thực

sự tác dụng lên xe là va và hướng của nó tạo với trục ox góc Các vận tốc và các

góc này được thể hiện ở hình 1.4 Từ hình vẽ này ta có biểu thức vecto:

Từ biểu thức này ta có thể tính được quan hệ giữa vận tốc gió trời, vận tốc gió thực tác động lên xe và vận tốc của xe theo biểu thức:

Đối với lực cản khí động của xe là loại lực, tương tự như bất kỳ vật thể nào chuyển động trong môi trường khí, xảy ra do sự sai khác của phân bố áp lực trên bề mặt trước và sau Nó bao gồm lực ma sát giữa môi chất với bề mặt xe và lực sinh ra

do áp lực của không khí tác động trực tiếp lên xe Nhưng do lực ma sát quả nhỏ so với áp lực khí nên khi tính toán người ta chỉ quan tâm đến lực cản là áp lực

Lực cản khí động của ô tô bao gồm hai thành phần lực chính Một là thành phần áp suất phía đầu mũi xe, phần áp suất này được tạo ra do chuyển động của xe làm các phần tử khí bị nén lại và làm tăng áp suất của vùng không khí trước mui xe

Đồng thời các phân tử khí này cũng di chuyển dọc theo thân xe làm áp suất thấp hơn áp suất khí tại phần đầu mui xe

Hình 1.5: Hình ảnh minh họa áp suất mui xe khi hoạt động

Phần thứ hai là phần chân không phía cuối xe, sau khi xe chuyển động thì phần trống ở cuối xe tạo ra một vùng chân không Dòng khí khi ấy có xu hướng điền đầy vào khu vực này và kết quả là các phân tử khí sẽ nhanh chóng lấp đầy vào khu vực này Nhưng do xe chuyển động liên tục nên việc khí lấp đầy hoàn toàn vùng chân không này là không thể và kết quả là vùng chân không này hút liên tục chiếc xe trở lại phía sau làm tăng giá trị lực cản và hiện tượng này gọi là hiện tượng tách thành

Hình 1.6: Hình ảnh minh học hiện tượng tách thành và rối sau xe

Thông qua những nghiên cứu các nhà nghiên cứu đã tổng hợp được công thức tính toán về lực cản khí động tổng thể như sau

F D = C D

22

Áp suất tăng lên

Tương tự như lực cản, khi di chuyển trong môi chất do biên dạng ô tô khác nhau sẽ có sự khác biệt giữa vận tốc của mặt trên và mặt dưới của ô tô Theo nguyên lý Bernoulli thì nó sẽ gây ra sự chênh áp giữa mặt trên và mặt dưới của ô tô tạo ra lực tác động lên bề mặt của xe

Bên cạnh việc tạo ra lực nâng cũng có một số vị trí như góc trên kính chắn gió tạo ra lực ép xuống bên dưới

Hình 1.7: Hình ảnh minh họa về lực tác động vào xe khi hoạt động

Ta có công thức tính toán như sau:

F L = C L

22

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu khí động học xe

Ngay từ những năm 50, các nghiên cứu liên quan đến khí động học của xe đã được rất nhiều trung tâm nghiên cứu, nhiều hãng trên thế giới quan tâm Ban đầu, các nghiên cứu xuất phát từ việc xác định đặc tính khí động của các hình dạng cơ

bản của các vật thể Hình 1.8 thể hiện các đặc tính khí động thông qua hệ số lực cản của các hình dạng khác nhau

Hình 1.8: Hệ số lực cản của một số hình dạng quen thuộc [2]

Như vậy, có thể thấy rằng để thiết kế một chiếc xe có hệ số cản khí động hợp

lý thì xe có hình dạng profil, nửa profil là hợp lý nhất Đây có thể coi là xuất phát điểm cho việc hình thành ý tưởng thiết kế hình dạng khí động học của xe

Tuy nhiên, trong thiết kế không phải lúc nào ta cũng có thể tuân theo hoàn toàn hình dạng như thống kê ở trên vì nó còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như tính năng chuyên chở, khối lượng xe, tính năng sử dụng… Chính vì vậy, hiện nay rất nhiều hình dạng xe khác nhau được thiết kế và đưa vào sử dụng

1.2.1 Ảnh hưởng của hình dáng chung ô tô đến hệ số khí động

Tổng quan về kiểu dáng công nghiệp ô tô hiện nay, theo những khảo sát và đánh giá chung, thế giới đang sử dụng ba mẫu xe thịnh hành nhất:

- Mẫu ô tô Fast back: Phổ biến ở các dòng xe tốc độ cao như Bugati, Posche, Áton Martin, với đặc điểm kiểu dáng khí động đuôi phía sau dốc thẳng xuống,

nhằm hạn chế tối đa lực cản khí động, thông thường các dòng xe này có hệ số lực cản không khí CD<0.3

Hình 1.9: Mô hình ô tô Porsche 911

- Mẫu ô tô thứ hai rất phổ biến từ các dòng xe hạng trung đến các dòng xe hạng sang là mẫu Notch back dạng chữ V phía duôi đằng sau, hay còn gọi là dòng sedan, loại này hệ số lực cản khí động cũng tương đối nhỏ CD =0,32-0,34

Hình 1.10: Mô hình ô tô Mercedes-Benz E320

- Loại phổ biến thứ ba là loại ô tô Square back với hệ số lực cản khí động CD

từ 0,414-0,44 Hiện nay, các kiểu dáng xe tương tự Square back nhưng có phần đuôi phía sau nhô cao hơn được sử dụng rộng rãi trên chủng loại xe thể thao đa dụng SUV

Hình 1.11: Mô hình ô tô Mercedes-Benz E63

Ngoài ra, chúng ta thấy trên thị trường còn có loại ô tô Pick-up, theo kết quả khảo sát và tính toán, chúng có hệ số lực cản trong khoảng từ 0,463-0,491 Bên cạnh đó còn có rất nhiều các kiểu dáng ô tô được thiết kế riêng nhằm phục vụ các sở thích cũng như mục đích đặc biệt

Sau nhiều năm phát triển và nghiên cứu về khí động ô tô, người ta vẫn muốn giữ được phong cách cho 1 chiếc ô tô nhưng yêu cầu chiếc ô tô đó phải có sức cản khí động nhỏ Nhiều nghiên cứu đã ra đời, tuy nhiên có thể đúc kết lại như sau: Hình dáng của chiếc ô tô ảnh hưởng trực tiếp tới hệ số cản của xe, tại những điểm 1,

2, 3, 4, 5, 6, 7 như hình vẽ bắt buộc phải làm cong đi r1, r2, r3, r4, r5, r6, r7 Ta có thể

sử dụng các miếng ốp A, A+B, A+B+C, A+B+C+D, A+B+C+E theo các nghiên cứu thì hệ số cản sẽ giảm đi lần lượt tương ứng là -4%,-13%,-17%,-19%,-21%.[10]

Hình 1.12: Ảnh hưởng của hình dạng khí động tới hệ số lực cản

Những nghiên cứu về khí động ô tô khác xa so với thực tế Có những nghiên cứu tìm ra xe có CD=0.15 (Năm 1922 của Klemperer) nhưng phải đến 40 năm sau người ta mới sản xuất ra một chiếc xe có hệ số cản như vậy

1.2.2 Ảnh hưởng của góc vát đuôi xe và góc nghiêng mặt kính trước

Dòng chảy của chất khí qua phía trên nóc của xe đặc biệt thú vị, ảnh hưởng của góc nghiêng của bề mặt này được nghiên cứu rộng rãi trong 20 năm qua (ví dụ như Janssen & Hucho 1975; Morel 1978a,b; Ahmed 1984) Bản chất của dòng chảy phía trên này có quan hệ mật thiết với hình dạng phía đuôi xe Góc nghiêng không hợp lý sẽ tạo ra dòng xoáy lớn hay nhỏ phía sau xe [10]

Hình 1.13: Ảnh hưởng của góc vát đuôi xe với dòng xe squareback

Ở hình vẽ trên thì ta có thể nhận thấy góc nghiên α vào khoảng 150 thì lực cản khí động sẽ là nhỏ nhất Lực cản khí động sẽ lớn nhất khi góc nghiêng này bằng

Hình 1.14: Ảnh hưởng của góc nghiêng α và β tới hệ số cản C D với dòng xe Northback

Nghiên cứu đối xe Fastbacks về góc nghiêng mặt kính phía trước và góc nghiên phần đuôi xe thể hiện như hình vẽ

Hình 1.15: Ảnh hưởng của góc nghiêng mặt kính φ độ cao z đuôi xe fast back

Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dáng vỏ ô tô con tới sự thay đổi gia trị CD trên hình trên: Khi giảm góc nghiêng mặt kính trước một lượng Δφ và nâng cao phần đuôi xe một lượng +Δz cho phép giảm bớt giá trị CD Chính vì vậy

xu hướng ngày nay cấu tạo vỏ xe theo cấu trúc fastback

1.2.3 Ảnh hưởng của góc vát gầm đuôi xe

Góc vát gầm đuôi xe αw cũng ảnh hưởng rất nhiều tới trị số CD và CL Nghiên cứu với những dòng xe fastback, squareback, northback (Bearman P.W., De Beer D., Hamidy E., Harvey J.K., The effect of a moving Floor on Wind-Tunnel Simulation of Road Vehicles) cho thấy: Đối với dòng xe fastback và northback thì khi làm vát lên góc ϑ = 3-40 thì lực cản CD có xu hướng giảm xuống Ngược lại với dòng xe squareback thì khi tăng góc vát ϑ đồng nghĩa với tăng hệ số cản CD

Hình 1.16: Ảnh hưởng của góc vát gầm đuôi xe tới hệ số cản khí động

Cụ thể với xe fastback khi lw/lc=0.326 và xe northback lw/lc=0.176 thì ảnh hưởng của CD và CL với αw được thể hiện như đồ thị dưới Ta nhận thấy khi góc vát càng lớn, hệ số CL sẽ càng giảm thậm chí khi góc αw =3-40 thì CL sẽ chuyển từ dương sang âm tức là lực nâng dương sẽ chuyển sang lực nâng âm [10]

Hình 1.17: Ảnh hưởng của góc nghiêng α w tới C D và C L

1.2.4 Ảnh hưởng của cánh phía đuôi xe

Trong quá trình nghiên cứu, nhiều nỗ lực để tìm ra cách giảm lực cản, tuy nhiên khi xe chạy với tốc độ cao một vấn đề khác rất được quan tâm đó là lực nâng

Vì khi chạy với tốc độ cao, sẽ có 2 dòng khí một dòng đi dưới gầm xe và một dòng

đi lướt qua mặt trên của xe Dòng khí bên trên thông thường sẽ có vận tốc lớn hơn làm cho áp suất phía trên nhỏ hơn phía dưới Kết quả là xe chịu lực nâng Việc xe chịu lực nâng sẽ dẫn tới làm giảm trọng lượng bám của xe, bánh xe sẽ dễ bị trượt gây nguy hiểm Có nhiều nghiên cứu mục đích làm tăng trọng lượng bám của xe khi

xe chạy ở tốc độ cao Năm 1982, người ta đã tìm ra mẫu xe có hệ số lực nâng là

CL=-2 và nó tạo ra được 1 lực hướng xuống ở vận tốc 300km/h xấp xỉ bằng hai lần trọng lượng của xe

Hình 1.18: Ảnh hưởng của cánh phía đuôi xe tới C D và C L

Ở hình vẽ trên người ta thêm vào một cánh ở phía đuôi xe, góc nghiêng của cánh này sẽ quyết đinh định rất lớn đến lực nâng của xe.Tuy nhiên phải khẳng định rằng, khi góc nghiêng này càng lớn đồng nghĩa rằng hệ số lực cản của xe cũng lớn theo

Do đó việc tính toán sao cho góc nghiêng hợp lý là 1 bài toán [10]

1.3 Các phương pháp xác định hệ số khí động

Trên thế giới, hiện bên cạnh phương pháp thực nghiệm đã được sử dụng từ

xa xưa thì phương pháp số hiện cũng được đưa và rất phổ biến trong nghiên cứu khí động học của xe

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu khí động bằng mô phỏng

Liên quan đến việc xác định đặc tính khí động của xe bằng phương pháp mô phỏng số thì các bước được tiến hành thông qua các bước như sau :

- Xác định bài toán cụ thể

- Xây dựng mô hình bài toán

- Rời rạc hóa (chia lưới)

- Xác định điều kiện biện

- Chọn mô hình giải

- Xử lý kết quả

Trong đó, mỗi khâu đều đóng những vai trò nhất định trong việc quyết định tính chính xác của kết quả mô phỏng

Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã được tiến hành thông qua phương pháp mô phỏng số và cho kết quả rất khả quan

Nghiên cứu của Francis T.Makowshi là một ví dụ điển hình Phương pháp được tác giả sử dụng là phương pháp mô phỏng không dừng RANS, mô hình mô phỏng ở dạng 3D Đối tượng ứng dụng là một mẫu xe tải và một mẫu xe con Các

mô hình chia lưới được thể hiện như trong hình 1.19 và hình 1.20

Hình 1.19: Mô hình chia lưới và kết quả tính hệ số C D

Hình 1.20: Mô hình chia lưới ô tô xedan và hệ số cản khí động C D =0.35

Thông qua nghiên cứu này, tác giả cho thấy vai trò rất quan trọng của việc mô hình hóa và lưới hóa đến kết quả bài toán Đồng thời, số nút lưới đảm bảo cho việc

mô phỏng dạng 3D là rất lớn, lên đến nhiều triệu lưới

Một ví dụ khác liên quan đến nghiên cứu của tác giả Tuba Bayraktar thuộc University ò Wisconsin Trong nghiên cứu của mình, ông đã khảo sát ảnh hưởng của chia lưới với mô hình hình học của một chiếc xe container đến đặc tính khí động của xe Các kích thước cụ thể của xe được thể hiện như sau:

- Kích thước xe contener:

Dài x Rộng x cao = 19,5 x 2,5 x 4,1 (m3)

- Kích thước môi trường khí động:

Dài x Rộng x cao= 137,2 x 30,5 x22,9 (m3)

- Ô tô đặt cách cửa ra của ống khí động 91,1m

Từ kích thước thực tế như trên, tác giả đã mô hình hóa ô tô với kích thước bằng 3,5 % mô hình ô tô thực tế Việc đánh giá số nút lưới được tiến hành với số lượng như trong bảng dưới đây Mô hình toán được sử dụng là mô hình k-ε Nghiên cứu cho thấy với mô hình 3D thì số lượng lưới là rất lớn, đồng thời việc tính toán không thể thực hiện trên 1 CPU được mà phải sử dụng hệ thống máy tính song song với tốc độ cao Thời gian tính toán phục thuộc rất nhiều vào số lượng lưới

Voxels CPU Time Physicaltime DIVK 205 millions 86,000 s 0.315 s

DWT 116 millions 18,000 s 0.075 s

Bảng 1.1: Phân chia phần tử và thời gian tính toán theo 2 phương pháp DIVK và DWT

Sau khi phân tích, mô hình được chia với số lượng lưới lên tới 22,1 triệu phần tử Với mô hình có số lưới lớn như trên tác giả đã phải thực hiện việc tính toán song song trên nhiều máy tính tốc độ cao cùng một lúc Qua đó chúng ta nhận thấy rằng, khi thực hiện việc chia lưới mô hình , chia càng nhiều phần tử thì mô phỏng càng sát với thực tế , nhưng bên cạnh đó để giải được bài toán thì cũng cần phải có các trang thiết bị phù hợp đáp ứng khả năng thực hiện việc tính toán Vậy làm sao

để chia lưới phù hợp với trang thiết bị sẵn có là cong việc yêu cầu chúng ta phải thử nhiều lần

Hình 1.21 Đồ thị phân bố áp suất trên bề mặt mô hình

Qua mô phỏng, nghiên cứu đã cho thấy rõ nét sự phân bố áp suất và phân bố vận tốc quanh xe Hình 1.21 là một ví dụ cho phân bố áp suất mà tác giả thu được từ nghiên cứu của mình

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu khí động bằng thực nghiệm

Để nghiên cứu khí động học ô tô hiện nay người ta thường dung thiết bị chuyên dụng là ống khí động Trong ống khí động chuyển động sẽ được thực hiện ngược với thực tế: Ô tô đứng yên và dòng khí chuyển động với vận tốc thử v Các lực tương tác giữa dòng khí với vỏ xe sẽ được đo bằng các thiết bị chuyên dùng Ngoài ra, ống khí động còn cho phép khảo sát nhiều thống số khác ảnh hưởng tới lực cản không khí tác động lên ô tô Chẳng hạn, bằng cách đo vận tốc tại các điểm lân cận vỏ xe (bằng tia laze hay điện trở nóng) người ta có thể xây dựng được trường vận tốc bao quanh xe và nhờ đó có thể đánh giá chính xác hơn những yếu tố ảnh hưởng đến lực cản không khí tác động lên ô tô

Ống khí động ở hình dưới là thiết bị dùng để nghiên cứu khí động học ô tô

Nó là một ống khí với buồng thử có tiết diện thu hẹp nhằm mục đích tăng tốc độ thử Nếu ống khí động có kích thước đủ lớn thì người ta sử dụng xe thực để thí nghiệm Còn nếu ống khí động 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 được trang bị 1 quạt hút có công suất đủ lớn để tạo được một vận tốc thử cần thiết Dòng khí đi qua xe thí nghiệm sẽ tạo ra các lực và momen, chúng được đo bằng bàn đo sáu thành phần Nếu sử dụng hệ tọa độ xyz như trên hình vẽ thì có thể ký hiệu các lực: Rx, Ry, Rz và mo men là : Mx, My, Mz

Hình 1.22: Sơ đồ thí nghiệm trên ống khí động

Trong nghiên cứu thực nghiệm, thông thường mô hình của xe sẽ được thu nhỏ lại Trong trường hợp này, tỷ lệ đồng dạng về động lực học được sử dụng thông qua số không thứ nguyên Reynolds: Re= v.d/γ

Trong đó: v là vận tốc (m/s), d là kích thước hình học đặc trưng (m) và γ là

hệ số độ nhớt động học của dòng khí

Khi lắp đặt mô hình xe trong ống khí động, có rất nhiều dạng đã được thiết lập nhằm mô phỏng sát với các trường hợp hoạt động thực tế của xe Hình 1.23 dưới đây tổng hợp một số phương án lắp đặt phục vụ cho thực nghiệm

Hình 1.23: Các phương án xây dựng sàn mô phỏng

Hình a: xe được cố định trên một mặt phẳng, sau đó ta thổi dòng khí vào xe

Hình b: Ô tô và và hình ảnh đối xứng của nó được treo để làm thí nghiệm

Hình c: Ô tô được bố trí đặt trên một tời quay và bố trí một đường hút phía trước

ô tô

Hình d: Ô tô cố định với sàn và phía trước ô tô sàn có một đường hút khí

Hình e: Ô tô được đặt lên một kệ cách mặt đất khoảng h

Hình f: Ô tô được treo lên cao một đoạn cách mặt đất 1 khoảng là h (không tiếp xúc với sàn)

Hình g: Ô tô được đặt lên 1 sàn có khoan các lỗ hút nhỏ chạy dọc theo xe

Hình h: Ô tô cố định với sàn, phía trước ô tô sàn có đục lỗ để thổi khí vào

Hình i: Ô tô cố định với sàn, sàn có đục nhiều lỗ nhỏ nghiêng và dòng khí được thổi vào

Hình j: Ô tô cố định với sàn và phía trước ô tô có vật cản

Phương án chọn sàn bố trí thí nghiệm:

Từ các hình vẽ trên ta nhận thấy nếu chọn phương án ở hình c tức là sàn quay thì khi đó ta có thể mô phỏng sát với thực tế hơn có nghĩa là sẽ tạo cho bánh xe quay, tuy nhiên phương án hơi tốn kém và phức tạp cho việc thí nghiệm Ngoài ra cái khó nữa là phải làm sao tốc độ quay của sàn phải bằng với vận tốc gió thử

hưởng này là không lớn Khi đặt bánh xe cách sàn một khoảng là e Khi e thay đổi thì hệ số lực nâng và hệ số lực cản cũng thay đổi theo Khi e nhỏ thì lực nâng và lực cản đều lớn và lớn nhất nhất khi e=0

Hình 1.25: Ảnh hưởng của tỷ số e/2R tới hệ số C D và C L trong trường hợp bánh xe quay

và không quay khi làm thí nghiệm

Một nghiên cứu khác, cũng của ông được thực hiện khi ô tô được đặt lên tời quay Nghiên cứu này xem xét ảnh hưởng của độ cao gầm xe khi thay đổi 1 lượng

Δh tới sự thay đổi của lực cản ΔCD trong 2 trường hợp bánh xe quay và bánh xe đứng yên Thí nghiệm cho thấy, khi nâng độ cao của gầm xe lên 1 đoạn là Δh thì hệ

số lực cản tăng lên và ngược lại Trong trường hợp bánh xe bị cố định thì hệ số lực cản sẽ lớn hơn so với trường hợp bánh xe cố định

Hình 1.26: Ảnh hưởng của thay đổi độ cao gầm xe tới hệ số lực cản

Tóm lại, trong chương nghiên cứu tổng quan này chúng ta có thể rút ra một số nhận xét như sau:

- Đối với đặc tính khí động của xe: hình dáng, kết cấu, góc nghiêng trước, sau…

có ảnh hưởng rất lớn Việc thay đổi các thông số này có thể đem lại chất lượng khí động học của tốt hay xấu

- Việc nghiên cứu đặc tính khí động của xe hoàn toàn có thể tiến hành được thông qua hai phương pháp đó là phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm:

+ Đối với mô phỏng số, mô hình hình học và chia lưới đóng vai trò rất quan trọng Thông thường, để có thể sát với thực tế mô hình hình học cần được thực thực hiện dưới dạng 3D Tuy nhiên, khi xây dựng và mô phỏng ở dạng 3D thì đòi hòi dung lượng máy tính lớn do số nút lưới rất lớn Đồng thời với việc này nó đòi hỏi thời gian tính toán rất dài Mô hình toán thường được sử dụng trong mô phỏng là

CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ LỰC CẢN, LỰC NÂNG BẰNG PHƯƠNG

PHÁP MÔ PHỎNG

Việc nghiên cứu lực cản, lực nâng của các loại xe hiện nay, ngoài phương pháp thực nghiệm thì phương pháp mô phỏng số là rất phổ biến Như đã trình bày trong chương I, rất nhiều nghiên cứu trên thế giới đã được thực hiện thông qua phương pháp mô phỏng số Có những nghiên cứu thực hiện trực tiếp thông qua việc lập trình riêng cho bài toán của mình, có những nghiên cứu được thực hiện thông qua các phần mềm thương mại CFD Trong khuôn khổ của luận văn này, chúng tôi sử dụng phần mềm thương mại Ansys Fluent để thực hiện mô phỏng tính toán Bên cạnh đó, việc xây dựng mô hình bài toán cho mô phỏng được thực hiện thông qua phần mềm Gambit Trong chương II này của luận văn sẽ lần lượt trình bày các vấn

đề liên quan đến cơ sở của CFD, các phần mềm sử dụng Gambit và Fluent và các kết quả tính toán mô phỏng cho bài toán xác đinh lực cản, lực nâng của xe

2.1 Giới thiệu chung về mô phỏng số CFD

2.1.1 Định nghĩa về CFD

CFD - Computational Fluid Dynamics (tính toán động lực học chất lưu có sự trợ giúp của máy tính) là một ngành khoa học chuyên dự đoán các đặc tính của dòng chảy, truyền nhiệt, các phản ứng hóa học bằng việc sử dụng quá trình tính toán số để giải các phương trình toán học liên quan

2.1.2 Ưu điểm và hạn chế của CFD

 Ưu điểm

o Giảm giá thành và tiết kiệm thời gian trong quá trình thiết kế Tất cả các sản phẩm muốn ra đời đều phải qua quá trình thử nghiệm, CFD giúp tạo ra một mô hình gần đúng ban đầu trong quá trình này

o Mô phỏng được những điều kiện làm việc đặc biệt (ví dụ: Siêu thanh, không trọng lực, nhiệt độ lớn) mà không phải lúc nào con người cũng có thể đo đạc và giám sát được Trong tình huống này CFD có thể mô phỏng, từ đó đưa ra những kết quả ý nghĩa trong công tác nghiên cứu dự đoán

o Khả năng mô phỏng điều kiện lý tưởn g Đây là nhứng bài toán mang tính lý thuyết mà trong điều kiện thực chúng ta không thể làm được, chỉ có phương pháp

mô phỏng số mới thực hiện được

o Cung cấp nhiều thông tin Khi tiến hành thực nghiệm, do hạn chế về công nghệ và tài chính nên mỗi lần tiến hành ta chỉ xác định được một số dạng thông số, tại những điểm nhất định, trong khi CFD cho phép ta xác định toàn bộ trường kết quả tại tất cả những điểm trong vùng khảo sát

o Điều kiện biên: Lời giải chỉ đúng với điều kiện biên chuẩn, mỗi bài toán chỉ đúng với một dạng điều kiện biên duy nhất

o Nói chung, khi chọn đúng điều kiện làm việc (mô hình vật lý và điều kiện biên), phương pháp CFD cho kết quả khá chính xác

Ngày nay trong công việc thiết kế người ta thường sử dụng công cụ mô phỏng CFD từ công nghiệp sản xuất ô tô hay máy bay cho đến các ứng dụng liên quan đến công nghệ sinh học Giải pháp tính toán trên CFD đưa ra những kết quả gần như chính xác so với thực tế Với độ chính xác lớn giúp các nhà nghiên cứu có thể đưa

ra nhiều nghiên cứu về những hình dáng thiết kế mới lạ và tối ưu hơn Thiết kế ô tô

là một công việc đòi hỏi cần có độ chính xác, mẫu mã đẹp hợp thời vì vậy CFD giữ một vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình thiết kế:

Hình 2.1: Hình ảnh minh họa về mô phỏng CFD

 Cho phép mô phỏng những bài toán phức tạp vượt ra ngoài tầm với của lý thuyết hiện tại

 Kiểm nghiệm lại tính toán lý thuyết

 Cung cấp thông tin và những ảnh hưởng có thể xảy ra đối với ô tô thực

 Tăng sự hiểu biết về hoạt động của hệ thống kỹ thuật

 Tăng khả năng tối ưu hóa

 Tăng tính cạnh tranh và giảm chi phí thiết kế/sản xuât

Với những ưu điểm vượt trội như trên của CFD trong những bài toán thiết kế

Đề tài này sẽ sử dụng ứng dụng phương pháp mô phỏng bằng CFD trong bài toán này

2.1.4 Giới thiệu về Fluent và Gambit

Fluent là phần mềm chuyên dụng trong tính toán cơ học chất lưu và truyền nhiệt dựa trên nền tảng CFD, còn Gambit là một công cụ tạo lưới mạnh cho các bài toán CFD và phương pháp phần tử hữu hạn dùng trong tính toán kết cấu Ở đây, chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về hai phần mềm này và xem xét các lưu ý khi sử dụng chúng

Cấu trúc phần mềm fluent được cấu tạo từ nhiều những thiết lập khác nhau và được

hỗ trợ bởi nhiều phần mềm Dưới đây là cấu trúc thuật giải của flent:

Trong đó:

- Fluent: Bộ tính toán chính

- Gambit: Tạo lưới 2D và 3D

- Tgrid: Tạo lưới 3D từ lưới 2D

- Các bộ giao tiếp chương trình: Cho phép trao đổi dữ liệu của Fluent với các chương trình khác như ANSYS, NASTRAN…

- Fluent sử dụng lưới dạng thể tích

Fluent có khả năng giải quyết các bài toán sau:

- Dòng 2D, 3D đối xứng, tọa độ trụ và dòng 3D

- Dòng tĩnh hay dòng tức thời (phụ thuộc vào thời gian hay không)

- Dòng nén được hay không nén được ở mọi vận tốc (low subsonic, transonic, supersonic và hypersonic flows)

- Dòng nhớt, dòng tầng, dòng rối

- Chất lỏng Newton hay không Newton

- Trao đổi nhiệt

- Các đặc tính của phản ứng hỗn hợp hóa học, quá trình nổ, cháy

- Dòng nhiều pha liên tục (lỏng - khí, lỏng - lỏng)

- Dòng gồm các pha liên tục trong một pha liên tục

2.2 Thiết lập bài toán trên Fluent

Fluent cung cấp nhiều mô hình vật lý để giải một bài toán chất lưu Tuy nhiên, để xây dựng một mô hình tính toán từ một hiện tượng thực tế thì ta cần phải tiến hành từng bước Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu đặc tính và cách thức sử dụng một số mô hình vật lý thông dụng trong Fluent

 Phương pháp giải

Define > Model > Solve

Fluent cung cấp 3 phương thức giải khác nhau

- Segregated

- Coupled implicit

- Couple explicit

Cả ba phương thức giải đều cho phép tính toán với dòng bất kỳ, tuy nhiên trong một số trường hợp việc chọn phương thúc giải hợp lý sẽ cho kết quả chính xác hơn Segregated và couple thực hiện qua trình giải các phương trình liên tục, động lượng và năng lượng theo các cách khác nhau

Segregated giải phương trình một cách tuần tự, trong khi couple tiến hành giải một cách đồng thời Implicit và explicit khác nhau ở cách tuyến tính hoá phương trình để tiến hành giải

Thông thường Couple được dùng trong các bài toán với chất lưu ở vận tốc lớn

và nén được Couple cho kết quả nhanh và chính xác hơn nhưng cũng đòi hỏi bộ nhớ lớn và cấu hình mạnh

- Sự tuyến tính hoá của Implicit và Explicit

- Một số dạng bài toán chỉ giải được bằng Segregated

 Các mô hình rối

Dòng rối là dòng đặc trưng bởi sự biến đổi của trường vận tốc Thông thường, việc mô tả dòng rối thường rất khó khăn bởi trong các phương trình mô tả có chứa các đại lượng chưa biết Mô hình rối có nhiệm vụ cơ bản là xác định các đại lượng này

Fluent hỗ trợ các mô hình rối sau:

Mô hình Splart-Allmaras

Mô hình k -

Mô hình k - tiêu chuẩn

Mô hình k - thường hoá (RNG)

Mô hình k - giản hoá

Mô hình k -

Mô hình k -tiêu chuẩn

Mô hình k -với dòng cắt ( SST )

Mô hình 2  f

Mô hình ứng suất Renold (RSM)

Mô hình xoáy lớn (LES)

Tuy nhiên không thể áp dụng một mô hình rối cho tất cả các bài toán, mỗi mô hình rối chỉ cho kết quả đúng trong một số trường hợp nhất định Điều đó đòi hỏi ta phải nắm rõ bản chất cũng như trường hợp áp dụng của chúng để đưa ra những lựa chọn hợp lý cho từng bài toán

 Các phương pháp thiết lập điều kiện biên

Điều kiện biên chính là các thiết lập trạng thái của hệ Nó cho biết hệ đang chịu tác động của những yếu tố nào và các yếu tố này tác động ra sao Do vậy việc thiết lập đúng điều kiện biên có vai trò quyết định đến tính chính xác của bài toán trong mỗi hiện tượng

* Áp suất tĩnh (Static Pressure)

Áp suất tĩnh được ngoại suy ở tất cả các biên theo phương trình:

2 0

P n

 

 (2.1) Trong đó: n – là phương pháp tuyến tới biên Theo phương pháp này thì áp suất là không cố định tại mọi mức Thay vào đó một điểm gốc được chọn tại nơi mà

áp suất được thiết lập bằng 0

Áp suất hiệu chỉnh là P’ của phương pháp SIMPLEC (phương pháp Semi – Implicit cho các phương trình liên kết áp suất) có điều kiện biên thuần nhất cho tất

cả các biên

' 0

P n

 

Trong đó: n – là hướng pháp tuyến tới biên

* Các lớp biên tường (Walls)

Các điều kiện biên cho phương trình k và của mô hình chảy rốik là:

2 2

06

Trong đó: c2 3 / 40 và y là khoảng cách pháp tuyến tới tường điều kiện biên

 có được tại điểm sát với tường, ở lớp dưới nhớt tại y 2.5