Nghiên cứu lực cản khí động của ô tô con

Có nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về việc giảm mức tiêu hao nhiên liệu và an toàn chuyển động cho ô tô bằng nhiều phương pháp khác nhau. Trong nội dung của bài viết này đề cập đến ảnh hưởng của khí động học vỏ xe đến chất lượng vận hành của ô tô.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG CỦA Ô TÔ CON Nguyễn Thanh Quang1, Lê Quỳnh Mai2, Lê Văn Anh1 Tóm tắt: Có nhiều cơng trình nghiên cứu nước việc giảm mức tiêu hao nhiên liệu an tồn chuyển động cho tô nhiều phương pháp khác Trong nội dung báo đề cập đến ảnh hưởng khí động học vỏ xe đến chất lượng vận hành ô tô Hệ trực tiếp tương tác vỏ xe với môi trường sinh lực cản khơng khí làm gia tăng mức tiêu thụ nhiên liệu ô tô, đặc biệt xe chuyển động vận tốc cao, lực tỷ lệ với bình phương vận tốc Ngồi ra, lực nâng làm giảm khả bám đường, cịn mơ men gây nên hiệu ứng lật xe Đây yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới an toàn chuyển động ô tô Để giảm tối đa ảnh hưởng xấu nêu trên, cần có nghiên cứu sâu khí động học vỏ xe trình thiết kế Từ khố: Vehicle's Aerodynamics, Ansys Fluent ĐẶT VẤN ĐỀ Khi chuyển động, ô tô phải khắc phục nhiều loại lực cản: lực cản lăn, lực quán tính, lực ma sát lực cản gió Lực cản gió liên quan đến kích thước, hình dáng khí động học, kết cấu vỏ xe tốc độ chuyển động Đây loại lực cản phức tạp mà cần tìm hiểu để làm giảm thiểu tối đa lực cản ô tô chuyển động, nhằm tăng hiệu suất vận chuyển giảm tối đa tiêu hao nhiên liệu Lực khí động học gồm phần: thành phần có phương vuống góc với vectơ vận tốc, chiều hướng lên gọi lực nâng thành phần phương ngược chiều với vectơ vận tốc gọi lực cản Ngoài thành phần trên, lực khí động cịn bao gồm lực ép xuống (down force), lực phương ngược chiều với lực nâng Lực có tác dụng làm tăng tải trọng bánh xe mà không cần trọng lượng tơ tăng độ bám đường lốp, hình Hình Sơ đồ khí động lực Các thơng số đặc trưng khí động học tơ* Dịng chảy khơng khí tác dụng lên vật lực F, phân tích thành thành phần Fx (Lực cản) song song với phương chuyển động dòng khí Fz (lực Khoa Cơng nghệ Ơ tơ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Khoa Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghệ Giao thơng Vận tải, Hà Nội 110 nâng) thành phần vng góc với phương chuyển động Các lực xác định theo công thức (1) (2) U 2 U 2 Fz  C z A (1) Fx  C x A (2) Trong đó: Fx- Lực cản; F z- Lực nâng; Cx Cz: hệ số; ρ – Khối lượng riêng khơng khí; U∞- KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC vận tốc chuyển động (m/s); A – diện tích cản diện (m2) Cơng thức cho thấy, để giảm lực cản khơng khí lên vật chuyển động có cách giảm hệ số Cx Trong nghiên cứu khí động học, có thơng số quan trọng đặc trưng dịng cháy khơng khí hệ số Reynolds, công thức (3) hệ số Mach, công thức (4): Hệ số Reynolds:  U L (3) Re     M U a (4) Trong đó: L – thơng số hình học đặc trưng (m); µ - Hệ số độ nhớt động lực (N.s/m2); a – vận tốc truyền âm khơng khí Chỉ số “∞” công thức thể thông số lấy vùng khơng khí cách xa vật chuyển động khơng chịu ảnh hưởng vật Lực cản khơng khí Lực cản khơng khí phân tích thành thành phần là: cản ma sát Fms cản chênh áp Fca, Cx chia thành thành phần công thức (5) (5) Cx  Cms  Cca Giảm Cx đồng nghĩa với việc cải thiện hình dáng khí động học tơ CÔNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hệ phương trình mơ tả dịng chảy Phương trình động lượng dịng chảy rối nhớt có dạng cơng thức (6) t ui  u j j ui   1  i p   j ((   t )  j ui )   (6) Hệ số phương trình gồm phương trình (6) (7), (8) (7)  t k   u j j k  i ( k  i k )  Gk  Yk  S k  t   u j  j   i ( i )  G  Y  S (8) Trong Gk đặc trưng cho hình thành động gradient vận tốc; Gω đặc trưng cho hình thành dòng rối;  k  đặc trưng cho khuếch tán k ω; Yk Yω đặc trưng cho tán xạ k ω dòng chảy; Dω đặc trưng cho khuếch tán chéo; S k S ω thông số người sử dụng lựa chọn thư viện FLUENT 2.2 Phương pháp tính tốn lực khí động Lực khí động theo phương pháp định xác định vector bao gồm thành phần cấu thành lực chênh lệch áp suất lực ma sát nhớt tính theo cơng thức (9)     (9) Fa  aFp  aFv Trong đó: vector xác định phương lực; lực chênh lệch áp; lực ma sát nhớt Các thông số thu từ kết tính xác định lưới phương pháp số, lực khí động tính tổng lực thành phần MƠ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC TRÊN VỎ XE 3.1 Các giả thiết Mơ hình tuyệt đối cứng, khơng xảy biến dạng vỏ xe suốt trình mơ Bỏ qua q trình trao đổi nhiệt vỏ xe khơng khí Bề mặt vỏ xe bề mặt nhẵn tuyệt đối, gầm xe phẳng (không xét đến yếu tố khác xe như: gương chiếu hậu, gân, gờ, khe rãnh) Vận tốc dòng khí đầu vào khơng gian mơ có phương song song với trục dọc xe, thổi theo hướng từ đầu xe tới xe có giá trị khơng đổi suốt q trình mơ Vận tốc khơng khí bề mặt vỏ xe bề mặt giới hạn vùng không gian mô m/s 3.2 Các thuộc tính ràng buộc tốn Thuộc tính khơng khí: Khối lượng riêng khơng khí 1,225kg/m3, độ nhớt động học 1,7894.10-5 (kg.m/s-1) Vận tốc dịng khí đầu vào (tại vị trí mặt cắt ngang vùng không gian mô mà ANSYS-FLUENT bắt đầu thực việc tính tốn mơ phỏng) Giá trị vận tốc dịng khí đầu vào người dùng tự lựa chọn hoàn tồn xác định, coi vận tốc tương đương vận tốc dịng khí ổn định ∞ (V∞) Áp suất khơng khí đầu vùng khơng gian mơ Khi dịng khí đầu vùng không gian mô chuyển động ổn định (không cịn ảnh hưởng tượng xốy dịng khí) áp suất xác định áp suất khí (áp suất mơi trường xung quanh) Thuộc tính bề mặt mơ hình vỏ xe: lựa chọn thuộc tính “wall – no slip” dạng “thường – khơng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 111 trượt”, đảm bảo tính chất bề mặt vỏ xe phù hợp với giả thiết khơng biến dạng có ma sát nhớt dịng khí bề mặt vỏ xe Thuộc tính thành giới hạn vùng khơng gian mơ phỏng: Lựa chọn thuộc tính “symmetry” để loại bỏ ảnh hưởng tường bao lên dịng khơng khí tác động lên vỏ xe KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1 Hình ảnh mơ Hình ảnh mơ số xe trình bày hình hình Trên hình kết mơ khí động tổng cộng xe Mazda sedan Giá trị áp lực tác dụng lên vỏ xe: Max= 816.2 [Pa]; Min=-1372.49 [Pa]; Lực cản khí động tổng cộng tác dụng lên vỏ xe: P = 397.887 [N]; Diện tích tiếp xúc bề mặt vỏ xe: F = 28.3572 m2 4.2 Phân tích đánh gıá hình dạng khí động học vỏ xe Trên hình ta thấy vận tốc 150 km/h lực cản dòng hatchbak 1237 N lớn lực cản dòng sedan 470 N với tốc độ Dòng xe Mazda hatchback tốn nhiên liệu xe sedan chạy vận tốc chung loại động Khả tăng tốc tốc độ cực đại mà xe đạt nhỏ Nhưng đổi lại xe hatchback lại có thêm khoang chứa đồ tiện lợi rộng Hình So sánh lực cản xe mazda hatchback sedan Bảng Bảng kết mô so sánh lực cản số xe Hình Kết khảo sát lực khí động tổng cộng Mazda sedan Trên hình kết mơ khí động tổng cộng Mazda hatchback Giá trị áp lực tác dụng lên vỏ xe: Max= 875.4 [Pa]; Min=-1428.32 [Pa]; Lực cản khí động tổng cộng tác dụng lên vỏ xe: P = 641.568 [N]; Diện tích tiếp xúc bề mặt vỏ xe: F = 30.0339 m2 Hình Kết khảo sát lực khí động tổng cộng Mazda hatchback 112 KẾT LUẬN Bằng việc sử dụng phần mềm Ansys Fluent để xây dựng mơ hình mơ phỏng, gán điều kiện ràng buộc giả định giống xe di chuyển đường từ tính tốn sức cản khí động học tác động trực tiếp lên ô tô, mô trực quan hình ảnh đồ thị Qua kết đưa giải pháp tối ưu nhằm cải thiện hình dáng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC giảm thiểu tối đa sức cản khí động học tác dụng lên tơ xe chuyển động Việc giảm thiểu giúp tiết kiệm nhiên liệu cách đáng kể giúp cho xe di chuyển ổn định TÀI LIỆU THAM KHẢO Cao Trọng Hiền, Đào Mạnh Hùng (2010), Lý thuyết ô tô, Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng (2005), Lý thuyết ô tô máy kéo, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội Phạm Văn Vĩnh (1994), Cơ học chất lỏng ứng dụng, Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội Phạm Văn Khảo (1999), Truyền động tự động khí nén, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội Ansys.com Tài liệu kỹ thuật xe Mazda3, Mazda CX5, Hyundai genesis coupe School of Engineering Blackpool and the Fylde College (2016), Aerodynamic Vehicle Design and Analysis Prof Tamás Lajos (2002), Basics of vehicle aerodynamics, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics Abstract: RESEARCH AERODYNAMICS ON THE BODY OF VEHICLES There are many researchs domestic and abroad about reducing the fuel consumption and safety of cars by various methods This article discusses the effect of aerodynamics on vehicle performance The direct consequence of the interaction of the aerodynamics with the frame shell that produces the air resistance increases the fuel consumption of the automobile, especially when the vehicle is moving at high speed In addition, lift forces reduce the ability to grip, while the momentum can cause the flip effect for vehicle These are the factors that directly affect the safety of moving cars In order to reduce the negative effects mentioned above, it is necessary to have in-depth studies of the vehicle's aerodynamics during the design process Keywords: Vehicle's Aerodynamics, Ansys Fluent Ngày nhận bài: 02/7/2019 Ngày chấp nhận đăng: 02/9/2019 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 113 ... khơng khí Chỉ số “∞” công thức thể thông số lấy vùng khơng khí cách xa vật chuyển động không chịu ảnh hưởng vật Lực cản khơng khí Lực cản khơng khí phân tích thành thành phần là: cản ma sát Fms cản. ..vận tốc chuyển động (m/s); A – diện tích cản diện (m2) Cơng thức cho thấy, để giảm lực cản khơng khí lên vật chuyển động có cách giảm hệ số Cx Trong nghiên cứu khí động học, có thơng số... vector xác định phương lực; lực chênh lệch áp; lực ma sát nhớt Các thơng số thu từ kết tính xác định ô lưới phương pháp số, lực khí động tính tổng lực thành phần MƠ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC TRÊN VỎ XE