Bài viết trình bày phương pháp và một số kết quả tính toán xác định lực cản khí động trên vỏ ô tô khách thông qua mô phỏng số CFD. Thông qua kết quả tính toán mô phỏng có thể là cơ sở quan trọng để ứng dụng trong nghiên cứu tối ưu thiết kế khí động học vỏ xe khách cũng như giúp vận hành khai thác xe tốt nhất.
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG CỦA XE KHÁCH THƠNG QUA MÔ PHỎNG SỐ CFD STUDY ON COMPUTATION OF AERO-DYNAMIC FORCE ACTING ON BUS BY USING CFD Đỗ Tiến Quyết, Trần Quang Thanh, Phạm Văn Trọng Email: trongbk2010@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 10/8/2017 Ngày nhận sửa sau phản biện: 22/9/2017 Ngày chấp nhận đăng: 26/9/2017 Tóm tắt Lực cản khí động tác dụng lên vỏ ô tô khách chuyển động với vận tốc cao chiếm hầu hết tổng thành phần lực cản tác động lên xe, làm tiêu thụ một phần đáng kể công suất của động Đây là một những nguyên nhân làm gia tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường Bài báo trình bày phương pháp và một số kết quả tính toán xác định lực cản khí động vỏ ô tô khách thông qua mô số CFD Thơng qua kết tính tốn mơ sở quan trọng để ứng dụng nghiên cứu tối ưu thiết kế khí động học vỏ xe khách giúp vận hành khai thác xe tốt Từ khóa: Xe khách; lực cản khí động; công suất; tiêu thụ nhiên liệu; CFD Abstract Aerodynamic drag acting on bus at high speed is almost of the total drag, it takes a large amount engine power for the bus transportation These is one of reasons which increases the fuel consumption and air pollution In this paper, authors present a study on computated aero dynamic drag acting on a bus by using a commercial CFD code The results of research may be useful for optimal bus design and safety of bus transportation Keywords: Bus; aerodynamic drag; engine power; fuel consumption; CFD GIỚI THIỆU CHUNG Khi ô tô chuyển động đường, tương tác xe khơng khí xung quanh phạm vi nghiên cứu khí động học Nghiên cứu khí động học góp phần lớn vào phát triển ngành công nghiệp tơ, từ lâu nhà khoa học nghiên cứu vấn đề khí động học tơ nhằm giải vấn đề sau: - Giảm lực cản khí động nhằm cải thiện tính động lực học tơ giảm mức tiêu thụ nhiên liệu - Giảm tối đa lực mômen gây ổn định chuyển động nhằm nâng cao tính an tồn chủ động, đặc biệt loại tơ có tốc độ cao hay trường hợp gặp gió ngang lớn - Tận dụng dòng chảy khơng khí để thơng gió khoang xe, cải thiện khả làm mát động cấu phanh tơ q trình chuyển động - Giảm độ ồn khí động tương tác dòng chảy khơng khí với vỏ xe [1] Ô tô khách được sử dụng phổ biến ở Việt Nam để vận chuyển hành khách những tuyến đường dài, đó ô tô lắp ráp nước chiếm tỷ trọng cao Do có kích thước lớn, loại ô tô này chịu lực cản khí động rất lớn, đặc biệt là chuyển động đường quốc lộ hoặc đường cao tốc với vận tốc cao Theo lý thuyết, lực cản khí động được xác định theo công thức: (1) Trong công thức trên, khối lượng riêng của không khí ρ là thông số không thể thay đổi Để giảm lực cản, nếu giảm diện tích cản chính diện A thì khơng Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 57 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC gian sử dụng bị giảm, còn nếu giảm vận tốc V thì sẽ làm giảm suất vận chuyển Vì vậy, giải pháp nhất để giảm lực cản không khí là tạo hình dạng khí động học tối ưu để có được hệ số cản Cx nhỏ nhất Để giảm Cx cần có những nghiên cứu sâu cả về lý thuyết và thực nghiệm nhằm xác định được các yếu tố ảnh hưởng, sở đó đề xuất các giải pháp cải thiện kết cấu phù hợp [3] Nghiên cứu thực nghiệm thực chủ yếu thiết bị chuyên dụng gọi ống khí động Hiện nay, ống khí động tạo điều kiện thử ngày gần với thực tế hơn: thử tơ với kích thước thật, tạo môi trường, điều kiện thử phong phú (thay đổi nhiệt độ, áp suất, tạo mưa, nắng, ) đặc biệt thiết bị đo đại cho phép thực thí nghiệm với độ xác cao mở rộng phạm vi nghiên cứu Ống khí động (hình 1) thiết bị dùng nghiên cứu thực nghiệm khí động học tơ Nó ống khí với buồng thử có tiết diện thu hẹp lại nhằm mục đích tăng vận tốc thử Ơ tơ thí nghiệm (hoặc mẫu thử) gắn bàn đo, đặt buồng thử Nếu ống khí động có kích thước đủ lớn người ta sử dụng vỏ xe thực để thí nghiệm Còn ống có kích thước nhỏ thay cho xe thật mẫu thử có hình dạng hồn tồn giống xe thật kích thước nhỏ hơn, tương thích với kích thước buồng thử Thơng thường mẫu thử chế tạo gỗ plastic (hình 2) [2] Nghiên cứu lý thuyết dựa phương pháp mơ dòng chảy khơng khí bao quanh tơ dựa phương trình Navier - Sokes Đây toán phức tạp mối quan tâm hàng đầu nhà nghiên cứu khí động giới Cho tới ngày người ta chưa tìm lời giải đầy đủ phương pháp giải tích Vì vậy, từ lâu nhà nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mơ hình đơn giản hóa phương pháp giải gần có độ xác cao với trợ giúp máy tính [4, 5] Do nhóm tác giả đã sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS - FLUENT 18.1 để mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe và từ đó tính toán xác định hệ số cản Cx Đây là công cụ mô phỏng dòng chảy hiệu quả và có độ chính xác cao, được nhiều nhà nghiên cứu thế giới chấp nhận và sử dụng Trên sở thống kê nghiên cứu loại xe khách khai thác sử dụng Việt Nam, nhóm tác giả lựa chọn xe khách THACO HB120SL-H380R-14 làm đối tượng nghiên cứu báo Hình thể thơng số kích thước tính tốn thiết kế sử dụng nghiên cứu Các thông số kích thước tàu thể bảng Hình Thơng số kích thước xe khách THACO HB120SL-H380R-14 Bảng Kích thước xe khách THACO HB120SL-H380R-14 Tên Hình Sơ đồ nguyên lý làm việc ống khí động [3] Ký hiệu Giá trị Đơn vị Chiều dài tổng thể L 12050 mm Chiều rộng tổng thể W 2500 mm Chiều cao tổng thể H 3500 mm MƠ HÌNH, MIỀN KHƠNG GIAN TÍNH TỐN, CHIA LƯỚI VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN 2.1 Xây dựng mơ hình 3D Hình Mơ hình vật mẫu plastic ống khí động [2] Trong tính tốn mơ số CFD, cần thực xây dựng mơ hình tính tốn mơ Trong nghiên cứu này, sở thơng số kích thước 58 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC xe khách tham khảo, mơ hình xe khách mô không gian ba chiều thông qua sử dụng phần mềm SolidWorks 2016 Đây bước bước quan trọng trình tính tốn mơ số CFD lại thành 54.000 x 14.000 x 25.000 (mm) Vùng không gian mô minh họa hình [3, 4] Khi thực mơ phỏng, để phù hợp với khả tính tốn máy tính đảm bảo tính đắn, độ tin cậy tương thích toán nghiên cứu với thực tiễn, báo sử dụng giả thiết sau: - Mơ hình vỏ xe tuyệt đối cứng, không xảy biến dạng vỏ xe suốt q trình mơ - Bỏ qua trình trao đổi nhiệt vỏ xe khơng khí - Bề mặt vỏ xe bề mặt nhẵn, gầm xe bọc phẳng (không xét đến yếu tố khác xe gạt mưa, gân, gờ, tay nắm cửa, ) - Vận tốc dòng khí đầu vào khơng gian mơ có hướng song song với trục dọc xe, thổi theo hướng từ đầu xe tới xe có giá trị khơng đổi q trình mơ - Vận tốc khơng khí bề mặt vỏ xe bề mặt giới hạn vùng không gian mô m/s [3] Mơ hình 3D xe khách tham khảo thể hình Hình Miền khơng gian tính tốn cho mơ hình 2.3 Chia lưới cho vùng khơng gian tính tốn Chất lượng lưới mơ hình mơ CFD định độ xác kết tính tốn tốn mơ khí động Để đảm bảo chất lượng lưới mơ hình tốt, phần tử nằm sát bề mặt vỏ xe, bước lưới chia nhỏ Sở dĩ kích thước phần tử lưới sát bề mặt vỏ xe chọn khu vực lớp biên, thơng số dòng chảy thay đổi nhanh không gian nên cần mô tả cách chi tiết để đảm bảo độ xác kết mơ Tuy nhiên, trì bước chia tồn khơng gian tính tốn số lượng phần tử khối lượng tính tốn cực lớn Vì vậy, kích thước phần tử vùng biên phải đủ nhỏ, đủ mịn để đảm bảo độ xác kết mơ phỏng, vùng xa biên, bước lưới chọn phải thưa dần để có số lượng phần tử phù hợp với khả máy tính Các thơng số lưới mơ hình thể bảng Hình ảnh chia lưới mơ hình minh họa hình Hình Mơ hình 3D xe khách THACO HB120SL-H380R-14 2.2 Xây dựng miền khơng gian tính tốn Nếu chọn vùng khơng gian tính tốn q lớn u cầu cấu hình máy tính mạnh thời gian tính tốn lâu Vì vậy, để phù hợp với máy tính sử dụng trình nghiên cứu đảm bảo tính xác tốn mơ CFD vùng khơng gian chia lưới xác định sau: kích thước dài x rộng x cao vùng không gian mô điều chỉnh Bảng Các thông số lưới mơ hình Thơng số Kiểu lưới Số nút Giá trị Tet Wed 751561 Số phần tử 2791507 Hệ số bất đối xứng phần tử 0,23794 Hệ số lệch hướng phần tử 4,8659 Chất lượng độ trực giao phần tử 0,75 Chất lượng chung phần tử 0,73 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 59 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình Lưới miền khơng gian tính tốn 2.4 Đặt điều kiện biên Để giải tốn khí động mơ CFD cần điều kiện biên (hay thông số ban đầu) cho toán Các điều kiện biên toán thể bảng Bảng Các điều kiện biên Tên Mơ hình rối Đầu vào Đầu Giá trị Đơn vị k-epsilon - Velocity inlet - Pressure outlet - Vận tốc vào, V 33,33 m/s Áp suất ra, p 1,025 105 N/m2 Khối lượng không khí, ρ 1,225 kg/m3 Độ nhớt động học, υ 1,789 10-5 kg/ms KẾT QUẢ TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Sau tính tốn mơ thu đồ thị phân bố áp suất bề mặt vỏ xe, phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng dọc xe, vectơ vận tốc mặt phẳng đối xứng dọc xe minh họa hình 7, 8, Hình Vectơ vận tốc mặt phẳng đối xứng dọc xe Hình cho thấy vỏ xe tồn vùng có áp suất dương, vùng áp suất âm xốy thấp áp Chính chênh áp yếu tố để tạo nên lực cản khí động Có thể thấy rõ hình 8, vùng đầu xe áp suất dương, sau áp suất gần âm tồn chiều dài vỏ xe Đặc biệt áp suất trở nên thấp nơi hình thành vùng xốy (khu vực tiếp giáp kính trước xe, phần đầu giàn nóng điều hòa, giàn nóng điều hòa xe) Các hình ảnh vectơ vận tốc mặt phẳng đối xứng dọc xe hình rõ nơi hình thành xốy thấp áp có ảnh hưởng lớn đến lực cản khí động Loại bỏ giảm kích thước vùng xoáy đồng nghĩa với việc giảm hệ số cản Cx Cùng với liệu hình ảnh áp suất, vận tốc trên, việc mơ dòng khí chuyển động bao quanh vỏ xe khách tham khảo cho kết dạng số bảng Dấu “-’’ trước giá trị thể chiều lực ngược chiều với chiều dương trục tọa độ tương ứng Bảng Hệ số cản, lực cản khí động Hình Phân bố áp suất bề mặt vỏ xe Hình Phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng dọc xe Tên Ký hiệu Giá trị Đơn vị Hệ số cản Cx 0,635 - Lực cản Fx - 2220.58 N Để giảm hệ số Cx, từ giảm suất tiêu hao nhiên liệu cần cải thiện số thơng số khí động học vỏ xe khách minh họa hình 10 Tuy nhiên, việc cải thiện kết cấu của vỏ xe khách nhằm giảm thiểu lực cản khí động mà không gây ảnh hưởng lớn đến không gian sử dụng cũng tính thẩm mỹ của nó 60 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC khách mà thực nghiệm khó quan sát với chi phí thấp có độ xác cao - Trong việc giảm lực cản khí động cần làm giảm kích thước vùng xốy thấp áp sinh phần lớn phía sau xe việc thay đổi số thơng số khí động học vỏ xe TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 10 Các thơng số khí động vỏ xe khách [3] KẾT LUẬN Bài báo trình bày nghiên cứu tính tốn lực cản khí động xe khách thơng qua sử dụng CFD Dưới số kết luận báo: - Cơng cụ tính tốn mơ số CFD (phần mềm ANSYS - FLUENT) có vai trò quan trọng việc dự đốn tượng khí động lực học phát sinh xe khách chạy Kết tính tốn mơ số trợ giúp nhà nghiên cứu đánh giá tác động lực cản khí động học lên xe [1] W.H Hucho (1988) Aerodynamics of Road Vehicles: From Fluid Mechanics to Vehicle Engineering SAE International [2] M Laurent Burgade Aérodynamique Automobile: Approche numérique et expérimentale PSA Peugeot-Citroen, session 1995-1996 [3] Tô Hoàng Tùng (2016) Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [4] Introduction to ANSYS Fluent (2012), Release 14.5, November 15 [5] J Blazek (2001) Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications Elsevier Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 61 ... bày nghiên cứu tính tốn lực cản khí động xe khách thơng qua sử dụng CFD Dưới số kết luận báo: - Cơng cụ tính tốn mơ số CFD (phần mềm ANSYS - FLUENT) có vai trò quan trọng việc dự đốn tượng khí động. .. LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC xe khách tham khảo, mơ hình xe khách mô không gian ba chiều thông qua sử dụng phần mềm SolidWorks 2016 Đây bước bước quan trọng trình tính tốn mơ số CFD lại thành... Hệ số cản, lực cản khí động Hình Phân bố áp suất bề mặt vỏ xe Hình Phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng dọc xe Tên Ký hiệu Giá trị Đơn vị Hệ số cản Cx 0,635 - Lực cản Fx - 2220.58 N Để giảm hệ số