Nghiên cứu, thiết kế ống khí động học để đánh giá ảnh hưởng của lực cản không khí lên vỏ xe ô tô điện HaUI-EV2

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã thiết lập cơ sở lý thuyết, chế tạo thành công mô hình ống khí động học để đánh giá ảnh hưởng của lực cản không khí lên vỏ xe ô tô điện HaUI-EV2.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ỐNG KHÍ ĐỘNG HỌC ĐỂ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC CẢN KHƠNG KHÍ LÊN VỎ XE Ơ TÔ ĐIỆN HaUI-EV2 RESEARCH AND DESIGN AERODYNAMICS TUBE TO ASSESS THE EFFECT OF DRAG FORCE ON THE BODY OF HaUI-EV2 ELECTRIC CAR Nguyễn Anh Ngọc, Vũ Hải Quân*, Lê Đức Hiếu, Lê Hồng Qn, Trần Phúc Hịa TĨM TẮT Khí động học ô tô nghiên cứu từ lâu tại, lĩnh vực nghiên cứu thu hút nhiều nhà khoa học Tại Việt Nam chưa có cơng trình nghiên cứu chun sâu khí động học tơ cơng bố thức, hầu hết sở đào tạo chưa có thiết bị, mơ hình để phục vụ cơng tác đào tạo nghiên cứu Vì vậy, nghiên cứu này, nhóm tác giả thiết lập sở lý thuyết, chế tạo thành cơng mơ hình ống khí động học để đánh giá ảnh hưởng lực cản khơng khí lên vỏ xe ô tô điện HaUI-EV2 Kết so sánh nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm có sai lệch 10,37% Từ khóa: Ống khí động học; lực cản diện; hệ số cản khơng khí; xe tơ điện HaUI-EV2 ABSTRACT Automotive aerodynamics have been studied for a long time and nowadays it remains one of the research areas to attract more scientists In Vietnam, there are almost have no in-depth studies on automotive aerodynamics officially announced, most training institutions not have equipments and models for training purposes Therefore, in this study, the authors have established a theoretical basis, successfully manufactured aerodynamic tube model to assess the effect of drag force on the body of HaUI-EV2 electric car The result of the comparison between theoretical and experimental research with an error is 10.37% Keywords: Aerodynamic tube; drag force; drag coefficient; HaUI-EV2 electric car Khoa Cơng nghệ Ơ tơ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: vuhaiquanhv@yahoo.com.vn Ngày nhận bài: 06/01/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 06/6/2020 Ngày chấp nhận đăng: 21/10/2020 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong q trình tơ chuyển động mơi trường khơng khí, tương tác vỏ xe với khơng khí sinh lực mơ men ảnh hưởng xấu đến chất lượng vận hành ô tô Hệ rõ thành phần lực cản không khí làm gia tăng mức tiêu thụ nhiên liệu ô tô, đặc biệt vận tốc cao Ngoài thành phần lực nâng làm ảnh hưởng đến khả bám đường bánh xe, mô men gây lật gây an tồn cho xe Bên cạnh yếu tố tiết kiệm lượng, đảm bảo an tồn vận hành yếu tố thẩm mỹ quan tâm từ khâu thiết kế Trên giới nghiên cứu khí động học cơng trình xây dựng, tàu hỏa, tàu thủy, máy bay nói chung tơ nói riêng trọng Nhưng Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu lĩnh vực đòi hỏi nhiều đầu tư ban đầu, đặc biệt sở đào tạo, nghiên cứu gặp nhiều khó khăn triển khai xây dựng phịng Lab khí động học, nhu cầu phục vụ cho nghiên cứu, thí nghiệm lớn Xuất phát từ nhu cầu thực tế công tác đào tạo sở tình hình nghiên cứu khí động học thân vỏ xe tơ nước, nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu, chế tạo mơ hình ống khí động học nhằm mục đích đánh giá ảnh hưởng lực cản khơng khí đến vỏ xe điện HaUI-EV2 phục vụ tào tạo sinh viên đại học, sau đại học bước góp phần tạo sở lý thuyết vững để nghiên cứu chuyên sâu công nghệ khung vỏ khí động học thân vỏ tơ Việt Nam TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 Các phương pháp nghiên cứu khí động học thân vỏ tơ Hiện nay, lĩnh vực khí động học tơ thường sử dụng hai phương pháp nghiên cứu khí động học ô tô: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Đối với phương pháp nghiên cứu lý thuyết khó khăn việc nghiên cứu khí động học thân vỏ xe nằm mức độ phức tạp toán lý thuyết dựa phương trình Navier - Stokes Kể mơ hình đơn giản hóa, khối lượng tính tốn cần thực lớn địi hỏi phải có cơng cụ tin học đủ mạnh phần mềm phần cứng Đối với phương pháp thực nghiệm 84 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thiếu thốn sở vật chất, trang thiết bị thí nghiệm khó khăn khơng nhỏ nhà khoa học Nghiên cứu thực nghiệm với xe có kích thước thực số hãng sản xuất ô tô lớn giới tiến hành Đối với sở giáo dục hay viện nghiên cứu việc đầu tư xây dựng phịng thí nghiệm đại giường khơng thể Ngày nay, nghiên cứu khí động học thân vỏ ô tô thường áp dụng hai phương pháp lý thuyết thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết với trợ giúp phần mền ANSYS để xây dựng mơ hình mơ thí nghiệm với tỉ lệ phù hợp Phần nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn kích thước mơ hình, ống khí động so sánh đánh giá kết lý thuyết thực nghiệm dựa sở lý thuyết đồng dạng thứ nguyên 2.2 Phương pháp xác định thơng số lực khí động học Khi tơ chuyển động mơi trường khơng khí, tương tác vỏ xe với môi trường sinh lực mơ men có ảnh hưởng xấu tới chất lượng vận hành 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 dịng khí Fz (lực nâng) thành phần vng góc với phương chuyển động Các lực tính sau: = (1) = (2) chọn mơ hình xe điện HaUI-EV2 với tỉ lệ 1:30 so với kích thước xe thực tế, mẫu xe tham khảo xe điện chở khách Eagle 14 chỗ, Model EG6158K05 đối tượng để nghiên cứu thực nghiệm Dựa đối tượng nghiên cứu để xác định thông số thí nghiệm gần với điều khiện khai thác thực tế xe Mơ hình thực nghiệm in 3D với chất liệu nhựa, tạo bề mặt nhẵn có kích thước sau: - Chiều dài tổng thể: 147mm - Chiều rộng tổng thể: 56,7mm - Chiều cao tổng thể: 50,2mm 3.1.2 Xác định kích thước ống khí động Trong điều kiện vận hành thực tế, ô tô chuyển động môi trường không khí coi rộng vô Tương tác vỏ xe với khơng khí tạo thành vùng ảnh hưởng bao quanh ô tô - vùng nhiễu động Càng xa vỏ xe ảnh hưởng tương tác giảm Khi đạt khoảng cách định khơng khí khơng cịn chịu ảnh hưởng chuyển động ô tô Nghĩa tồn vùng không khí bị nhiễu động chuyển động tơ tạo nên Để phản ánh điều kiện chuyển động thực trên, nghiên cứu khí động học tơ kích thước vùng khơng khí bao quanh vỏ xe phải lớn lớn vùng khơng khí nhiễu động Theo nghiên cứu cơng bố [1, 2, 6], thử ống khí động, để đảm bảo điều kiện dòng chảy khoang thử giống với điều kiện chuyển động thực cần đảm bảo tỷ lệ diện tích cản diện mẫu thử Am diện tích tiết diện ống thử cửa thổi A0 không vượt 10% Tỷ lệ gọi hệ số giới hạn (blockage ratio) Br: B = Hình Các lực tác dụng lên vật nằm dịng chảy Trong đó: Fx lực cản; Fz lực nâng; Cd Cz hệ số;  - khối lượng riêng không khí; U - vận tốc chuyển động (m/s); A diện tích cản diện (m2) Như để xác định hệ số Cd Cz, thông số đặc trưng lực khí động học cơng thức số 2, thí nghiệm thực tế cần phải đo kiểm hai giá trị Fx Fz, thơng số cịn lại hồn tồn lựa chọn tính tốn với trợ giúp phần mềm mơ Mục đích việc nghiên cứu khí động học vỏ xe ống khí động đo lực tác động lên mẫu vỏ xe ống khí động để từ tính hệ số cản so sánh với kết tính tốn mơ hình mơ CHẾ TẠO ỐNG KHÍ ĐỘNG HỌC PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÀO TẠO < 0,1 (3) Trên thực tế, với mong muốn giảm thiểu sai số điều kiện thí nghiệm nên nhiều nhà nghiên cứu thường chọn Br  0,06 [6] Dựa diện tích A0 chọn diện tích cản diện vỏ xe điện HaUI-EV2 xác định phần mền ANSYS Nhóm tác giả lựa chọn kích thước ống đặt mơ sau: Chiều rộng chiều cao lớn năm lần chiều rộng mơ hình; Chiều dài phía sau lớn hai lần chiều cao mơ hình, phía trước lớn mười lần chiều cao mơ hình, hệ số giới hạn theo tính tốn Br = 0,056 thỏa mãn điều kiện đặt Bảng Kích thước ống đặt mơ hình thí nghiệm Tỷ lệ 1/30 Dài Rộng Cao Mơ hình (mm) 147 56,7 50,2 Ống đặt (mm) 740 570 250 3.1 Tính tốn thơng số ống khí động lựa chọn thiết bị thu thập tín hiệu 3.1.1 Đối tượng thử nghiệm Với mong muốn phát triển đề tài nghiên cứu chế tạo xe điện HaUI–EV2 trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Để tiếp nối nghiên cứu trước đây, nhóm nghiên cứu lựa Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Kích thước thiết kế ống khí động học Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 85 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Trên sở phân tích phía để đưa vẽ thiết kế thể hình 3.1.3 Thu thập xử lý tín hiệu đo Để thu thập liệu đo đạc sử dụng 04 cảm biết Loadcell loại 5kg đo lực nâng bánh xe, 02 cảm biến đặt tì sát vào trượt phía sau để xác định giá trị lực cản diện 01 mạnh Adruino để xử lý tín 01 hình LCD Vị trí lắp đặt các thiết bị thu thập liệu thể hình Hình Sơ đồ lắp đặt thiết bị thu thập tín ống khí động Sơ đồ kết nối hệ thống giới thiệu hình đương với 60km/h Đây vận tốc phù hợp với điều kiện chuyển động thực ô tô điện, mẫu thử có kích thước nhỏ vận tốc lại trở nên khơng đáng kể Với phân tích trên, người ta ln cố gắng làm mẫu thử với kích thước lớn Tuy nhiên, mong muốn bị hạn chế trang thiết bị điều kiện thí nghiệm Cụ thể, với mẫu thử tỷ lệ 1:30 kích thước bị giảm 30 lần Như vậy, vận tốc thử tối đa ống khí động tương đương với vận tốc xe điều kiện chuyển động thực 30:30 = 1m/s (3,6km/h) Vận tốc nhỏ so với điều kiện chuyển động thực tế tơ Những phân tích cho thấy, tiến hành thí nghiệm ống khí động với mẫu thử tỷ lệ 1:30 lấy kết đo để so sánh với kết tính tốn mơ Vì vậy, nhóm nghiên cứu lựa chọn phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết thực nghiệm mẫu vỏ xe ống khí động 3.2 Chế tạo mơ hình ống khí động Cấu tạo chung ống khí động học bao gồm: Quạt gió công nghiệp Komasu KM50T; Ống thắt; Ống đặt xe mô hình; Cảm biến vận tốc gió; Thiết bị thu nhận tín hiệu từ cảm biến đến; Màn hình LCD Mơ hình thí nghiệm đặt trượt, mỏng, nhẹ, đặt cảm biến lên Tấm trượt gắn lên ống thông qua cấu ổ bi - ray trượt, để trượt di chuyển theo phương dọc trục Sơ đồ ống khí động học sau hồn thiện thể hình Hình Sơ đồ kết nối hệ thống thu thập xử lý tín Nguyên lý làm việc hệ thống sau: thay đổi tải trọng bánh xe cảm biết dạng Loadcell ghi nhận, thông tin xử lý thông qua vi xử lý Adruino liệu hiển thị lên hình LCD gồm có: vận tốc gió nhiệt độ thời điểm thí nghiệm; lực nâng bốn bánh xe, lực cản diện tác động lên mơ hình xe tơ 3.1.4 Tính tương quan nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết Theo lý thuyết tương tự giảm kích thước lần phải tăng vận tốc lên nhiêu lần Nếu gọi hệ số giảm kích thước km k = (4) (Lt kích thước xe thật Lm kích thước mẫu thử), để đảm bảo điều kiện tương tự, vận tốc thử xác định sau: U = k U (5) Trong đó: Ut vận tốc chuyển động xe thật Vận tốc thử ống khí động Um bị giới hạn công suất động dẫn động quạt gió Đối với ống khí động chọn để làm thí nghiệm, vận tốc tối đa 16m/s, tương Hình Mơ hình ống khí động sau hoàn thiện Quạt hút Ống thắt Ống đặt mơ hình xe Bàn điều khiển, hiển thị Ống hút THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Các bước tiến hành thử nghiệm mơ hình ống khí động học sau: Bước Gắn cố định mơ hình thí nghiệm sàn trượt; Bước Khởi động quạt hút, cài đặt dải vận tốc thí nghiệm u cầu; Bước Ghi nhận thơng số cảm biến vận tốc dịng khí; Bước Thiết bị đo lực ghi nhận lại giá trị lực; Bước Ghi nhận xử lý thông tin hình hiển thị Để loại trừ ảnh hưởng hệ thống giá đặt mẫu thử tiến hành thí nghiệm cho hai trường hợp: 86 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Trường hợp 1: Khơng có mẫu thử để đo lực tác dụng lên giá đỡ sàn Trường hợp 2: Khi mẫu thử lắp giá đỡ để xác định lực tác dụng lên toàn hệ thống Lấy hiệu kết đo thí nghiệm trừ kết đo thí nghiệm ta xác định lực cản khí động mơ hình thí nghiệm Sau thiết kế, chế tạo thành cơng ống khí động học, nhóm tác giả tiến hành thực nghiệm để so sánh kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Thí nghiệm thực với ba dải vận tốc khác nhau, tốc độ lần lấy giá trị trung bình Kết thể bảng Bảng Bảng so sánh kết lý thuyết thí nghiệm Vận Lực cản Fx (N) Lực nâng Fn (N) tốc (m/s) Lý Thực Lý Thực thuyết nghiệm thuyết nghiệm 0,0471 0,0434 0,02647 0,0244 10 0,0973 0,0871 0,05863 0,0456 14 0,1898 0,1656 0,0874 0,0768 Giá trị trung bình Hệ số cản Cd Lý thuyết 0,0468 0,0473 0,0471 0,04712 Thực nghiệm 0,0431 0,0424 0,0411 0,04223 Sai lệch hệ số Cd (%) 10,37% Kết mơ kết thực nghiệm có sai khác khơng lớn, chấp nhận q trình nghiên cứu (10,37%) Điều khẳng định mơ hình tính tốn đo đạc thực nghiệm thực với độ tin cậy độ xác từ mô thực nghiệm cho thấy, kết mô ổn định, chênh lệch giá trị lớn nhỏ không 12,75% Trong kết thí nghiệm phân tán với chênh lệch lớn vận tốc cao Hình Đồ thị so sánh hệ số cản theo mô thí nghiệm KẾT LUẬN Kết nghiên cứu dựa phân tích sở lý thuyết lựa chọn thông số mẫu thực nghiệm xeđiện HaUI-EV2 xác định kích thước ống khí động học dựa lý thuyết đồng dạng mối tương quan kích thước mơ hình thực tế Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành cơng mơ hình ống khí động học ứng dụng để đo lực cản khơng khí cho mơ hình xe điện HaUI-EV2 điều kiện nhiệt độ, áp suất, nhận kết hệ số cản Cd = 0,411, tốc độ khác 7, 10, 14m/s Kết cho thấy rằng, mức độ sai lệch tính tốn mơ đo đạc thực nghiệm 10,37% Mức sai số giải thích cách gần giả thiết điều kiện đặt thí nghiệm, sai số gia cơng phần khí LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả chân thành cảm ơn hỗ trợ Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội để hồn thành nghiên cứu Hình Đồ thị so sánh lực cản diện mơ thí nghiệm Hình thể giá trị lực cản Fc đo từ kết thí nghiệm Có thể thấy rằng, kết thí nghiệm sát với quy luật lý thuyết mô tả công thức Đồ thị cho thấy, kết thí nghiệm tuân theo quy luật biết: lực cản khí động tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc So sánh coi minh chứng độ tin cậy độ xác kết đo Hình Đồ thị so sánh lực nâng mơ thí nghiệm Hình thể so sánh hệ số cản theo kết tính tốn mơ thí nghiệm Đồ thị so sánh giá trị Cd thu Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Daniel Bell, 2012 Aerodynamic analysis and optimisation of the rear wing of a WRC car Oxford Brookes University [2] Nguyễn Hữu Cẩn, 2007 Lý thuyết ô tô máy kéo NXB Khoa học kỹ thuật [3] Quyết định số 1168/QĐ-TTg, ngày 16/7/2014 Thủ tướng Chính phủ phê duyệt “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035” [4] Quyết định số 1211/QĐ-TTg, ngày 24/07/2014 Thủ tướng Chính phủ phê duyệt “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030” [5] SAE J2084, 1993 Aerodynamic Testing of Road Vehicles, Testing Methods and Procedures Paris [6] Tơ Hồng Tùng, 2016 Nghiên cứu cải thiện hình dạng khí động học xe khách lắp ráp Việt Nam Luận án tiến sỹ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [7] Trần Thế Sang, Trần Thị Kim Lang, 2009 Khí nén thủy lực NXB Khoa học kỹ thuật AUTHORS INFORMATION Nguyen Anh Ngoc, Vu Hai Quan, Le Duc Hieu, Le Hong Quan, Tran Phuc Hoa Falcuty of Automobile Technology, Hanoi University of Industry Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 87 ... việc nghiên cứu khí động học vỏ xe ống khí động đo lực tác động lên mẫu vỏ xe ống khí động để từ tính hệ số cản so sánh với kết tính tốn mơ hình mơ CHẾ TẠO ỐNG KHÍ ĐỘNG HỌC PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU VÀ... chuyển động thực trên, nghiên cứu khí động học ô tô kích thước vùng không khí bao quanh vỏ xe phải lớn lớn vùng khơng khí nhiễu động Theo nghiên cứu công bố [1, 2, 6], thử ống khí động, để đảm... khí động học Khi ô tô chuyển động môi trường không khí, tương tác vỏ xe với môi trường sinh lực mơ men có ảnh hưởng xấu tới chất lượng vận hành tơ Dịng chảy khơng khí tác dụng lên vật lực F, phân