ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG BIÊN DẠNG THÂN XE ĐẾN LỰC CẢN TRÊN XE DU LỊCH TOYOTA FORTUNER 2018 BẰNG PHẦN MỀM ANSYS - FLUENT Sinh viên thực hiện: ĐẬU QUỐC THỊNH Đà Nẵng - Năm 2018 TÓM TẮT Tên đề tài: Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent Sinh viên thực hiện: ĐẬU QUỐC THỊNH Số thẻ SV: 103130080 Lớp: 13C4A Tóm tắt nội dung đồ án Xây dựng mơ hình khảo sát, đánh giá dạng khí động học vỏ xe ô tô du lịch chỗ ngồi, cụ thể xe Toyota Fortuner 2018 đề xuất giải pháp cải thiện dạng khí động học nhằm giảm thiểu lực cản khí động tác dụng lên tô Đồ án tập trung nghiên cứu lực cản khí động với tiêu chí đánh giá hệ số cản Cd yếu tố ảnh hưởng đến mơ hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt mưa, khe gờ vỏ, kính, …) Đồ án gồm nội dung sau: ❖ Tổng quan vỏ thân xe khí động học ô tô ❖ Cơ sở lý thuyết quy trình tính tốn khí động học tơ ❖ Xây dựng mơ hình mơ khí động học vỏ xe Fortuner 2018 ❖ Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản phần mềm Ansys – Fluent ❖ Kết luận ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Đậu Quốc Thịnh Lớp: 13C4A Khoa: Cơ Khí Giao Thơng Số thẻ sinh viên: 103130080 Ngành: Kỹ thuật khí ( Cơ khí động lực) Tên đề tài đồ án: Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys Fluent Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: - Kích thước biên dạng xe Toyota Fortuner 2018 Dài x Rộng x Cao: 4795 x 1855 x 1835 (mm), góc nghiêng gương, góc lượn vị trí tiếp giáp mặt - Kích thước khơng gian mô Dài x Rộng X Cao: 24795 x13855x 7835 (mm) - Lựa chọn đơn vị đại lượng q trình tính tốn mơ phỏng: + Kích thước: mm + Vận tốc: m/s + Áp suất: N/m2 + Lực: N - Các thông số vận tốc, áp suất đầu vào dịng khí Nội dung phần thuyết minh tính tốn: - Tổng quan vỏ thân xe khí động học tơ - Cơ sở lý thuyết quy trình tính tốn khí động học tơ - Xây dựng mơ hình mơ khí động học vỏ xe Fortuner 2018 - Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản phần mềm Ansys – Fluent Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): Tên vẽ STT Loại vẽ Thơng số kích thước xe TOYOTA FORTUNER 2018 A3 Mơ hình biên dạng vỏ xe TOYOTA FORTUNER 2018 A3 Ansys Không gian mô Ansys A3 Hình ảnh mơ vỏ xe TOYOTA FORTUNER 2018 A3 Ảnh hưởng hệ số cản Cd theo góc nghiêng kính chắn gió A3 Ảnh hưởng hệ số cản Cd theo bán kính góc lượn xe kính chắn gió A3 Ảnh hưởng hệ số cản Cd theo bán kính góc lượn cản A3 trước nắp capo Mơ hình biên dạng vỏ xe sau thay đổi thơng số hình học Hình ảnh mô vỏ xe sau thay đổi thông số hình A3 học Người hướng dẫn nội dung đồ án: STT Họ tên người hướng dẫn Nguyễn Quang Trung Tổng quan vỏ thân xe khí động học tơ Nguyễn Quang Trung Cơ sở lý thuyết quy trình tính tốn khí động học ô tô Nguyễn Quang Trung Xây dựng mơ hình mơ khí động học vỏ xe Fortuner 2018 Nguyễn Quang Trung Phần/ Nội dung Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản phần mềm Ansys – Fluent Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 29/01/2018 Ngày hoàn thành đồ án: 24/05/2018 Trưởng Bộ môn PGS.TS Dương Việt Dũng Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018 Người hướng dẫn ThS Nguyễn Quang Trung LỜI NÓI ĐẦU Trong năm cuối kỷ XX, đầu kỷ XXI, với phát triển kinh tế quốc dân, nhu cầu ô tô người Việt tăng cao rõ rệt Bên cạnh đó, sở hạ tầng, đường sá giao thơng có bước chuyển mình, phát triển tích cực Một số tuyến đường cao tốc xây dựng nhằm nâng cao tốc độ di chuyển phương tiện tham gia giao thông Để đáp ứng nhu cầu thực tế, tháng 7/2014 Chính phủ ban hành văn quan trọng “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030” “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035”, lĩnh vực sản xuất tơ du lịch nhận quan tâm đặc biệt Mặc dù có đầu tư cơng nghệ đạt số thành tựu sản xuất, nhìn vào thực trạng thấy sở lắp ráp xe Việt Nam lắp ráp dựa phụ tùng nhập Phần cơng việc thực nước sản xuất khung vỏ với công nghệ hàn, sơn lắp ráp nội thất, nhiên chất lượng mức độ hạn chế Vấn đề nghiên cứu, tối ưu hóa kết cấu vỏ xe nhằm nâng cao tiêu kinh tế kỹ thuật vận hành ô tô chưa nhận quan tâm đầu tư nhà sản xuất Một vấn đề quan trọng hàng đầu cần ưu tiên đầu tư nghiên cứu tối ưu hóa dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu nâng cao tính an tồn chuyển động Từ thực tế trên, sinh viên thực thực đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys Fluent” Đồ án cơng trình nghiên cứu khí động học ô tô du lịch chỗ ngồi Các kết nghiên cứu Đồ án góp phần bước tạo sở lý thuyết vững cho phát triển lâu dài ngành công nghiệp ô tô Sinh viên thực Đậu Quốc Thịnh i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới người hướng dẫn chính: Th.S Nguyễn Quang Trung - thầy tận tình hướng dẫn, bảo, định hướng giúp đỡ suốt q trình tơi thực Đồ án với tận tâm, trách nhiệm, sáng suốt khoa học cao Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tất thầy cô giảng viên giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho năm học vừa qua, với tâm huyết nhiệt tình Xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới gia đình tơi, người ln bên cạnh tơi, động viên, chia sẻ khó khăn động lực để tơi hồn thành đồ án Đà Nẵng, ngày 24 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực Đậu Quốc Thịnh ii LỜI CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT Tôi xin cam đoan Đồ án riêng thực hiện, hướng dẫn khoa học Th.S Nguyễn Quang Trung Các kết nghiên cứu trình bày Đồ án trung thực, khách quan chưa để bảo vệ học vị Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực đồ án, thông tin trích dẫn đồ án rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Sinh viên thực Đậu Quốc Thịnh iii MỤC LỤC TÓM TẮT .i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CẢM ƠN ii LỜI CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ .vi DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU x CHỮ VIẾT TẮT .xi MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ VỎ THÂN XE Ơ TƠ VÀ KHÍ ĐỘNG HỌC Ơ TÔ 1.1 Sự phát triển lĩnh vực ô tô Việt Nam 1.1.1 Nhu cầu sử dụng ô tô Việt Nam 1.1.2 Định hướng phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam .6 1.1.3 Thực trạng nhu cầu nâng cao chất lượng 1.2 Giới thiệu vỏ thân xe ô tô 1.2.1 Phân loại thân vỏ ô tô 10 1.2.2 Công nghệ vỏ xe – độ ồn 12 1.3 Tổng quan khí động học tơ 14 1.3.1 Khí động lực học thông số đặc trưng 14 1.3.2 Lực cản không khí 17 1.3.3 Cấu trúc vỏ xe hình thành vùng xốy thấp áp 20 1.3.4 Cánh gió xe ảnh hưởng tới hệ số cản khơng khí 27 1.3.5 Lý thuyết tương tự khí động học tơ 30 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ QUY TRÌNH TÍNH TỐN KHÍ ĐỘNG HỌC Ơ TƠ 32 2.1 Tình hình nghiên cứu khí động học tơ 32 2.1.1 Nghiên cứu lý thuyết 32 2.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm 34 2.2 Cơ sở lý thuyết khí động học 37 2.2.1 Các phương trình 37 2.2.2 Mô dịng chảy khơng khí 38 2.2.2.1 Các cơng cụ tốn học ký hiệu quy ước 38 2.2.2.2 Các phương trình mơ 39 2.2.2.3 Các thông số đặc trưng 40 iv 2.2.2.4 Mơ dịng chảy rối 41 2.2.2.5 Phương pháp số để giải tốn khí động học 47 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE TOYOTA FORTUER 2018 49 3.1 Mô vỏ xe ô tô ANSYS-FLUENT 49 3.1.1 Giới thiệu chung Ansys Fluent 49 3.1.2 Mô dịng chảy khơng khí bao quanh vỏ xe FLUENT 50 3.1.2.1 Phương pháp mô FLUENT 50 3.1.2.2 Các dạng mơ hình mơ dịng chảy rối FLUENT 50 3.2 Mơ hình khí động học vỏ xe Fortuner 2018 Fluent 50 3.2.1 Mơ hình 3D vỏ xe Toyota Fotuner 2018 50 3.2.2 Xác định vùng không gian mô 51 3.2.3 Chia lưới 53 3.2.4 Các ràng buộc điều kiện tính tốn 55 3.2.5 Phương pháp tính tốn lực khí động 56 Chương NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG BIÊN DẠNG THÂN XE ĐẾN LỰC CẢN BẰNG PHẦN MỀM ANSYS-FLUENT 58 4.1 Phương pháp nghiên cứu 58 4.2 Thông số đầu vào giả thiết tốn mơ 59 4.3 Xây dựng mơ hình hình học, xác định vùng khơng gian mô 61 4.4 Chia lưới đặt điều kiện ràng buộc toán mô 62 4.5 Đặt điều kiện tính tốn 63 4.6 Mơ tính tốn khí động học vỏ xe Toyota Fortuner 2018 64 4.7 Khảo sát ảnh hưởng thông số kết cấu vỏ xe tới lực cản không khí 70 4.7.1 Khảo sát ảnh hưởng góc nghiêng kính chắn gió phía trước xe 70 4.7.2 Góc nghiêng kính hậu 76 4.7.3 Bán kính góc lượn xe hai thành bên xe 79 4.7.4 Bán kính góc lượn kính chắn gió xe 81 4.7.5 Bán kính góc lượn cản trước nắp capo 86 4.7.6 Bán kính góc lượn mặt trước hai thành bên xe 90 4.7.7 Lựa chọn dạng mơ hình hồn chỉnh, tính tốn khảo sát đánh giá 92 4.7.8 Đánh giá kết tính tốn mơ 96 4.7.9 So sánh vỏ xe tham khảo vỏ xe sau thay đổi thơng số hình học biên dạng xe 98 KẾT LUẬN 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 v DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Bảng 4.1 - Giá trị hệ số lực cản Cd, lực theo phương Bảng 4.2 - Giá trị hệ số cản Cd phụ thuộc vào góc nghiêng kính chắn gió phía trước Bảng 4.3 - Giá trị hệ số cản Cd phụ thuộc vào góc nghiêng kính hậu Bảng 4.4 - Sự phụ thuộc hệ số cản Cd vào bán kính góc lượn xe hai bên thành xe Bảng 4.5 - Sự phụ thuộc hệ số cản Cd vào bán kính góc lượn kính chắn gió xe Bảng 4.6 - Sự phụ thuộc hệ số cản Cd vào bán kính góc lượn cản trước nắp capo Bảng 4.7 - Sự phụ thuộc hệ số cản Cd vào bán kính góc lượn cản trước hai thành bên xe Bảng 4.8 - Sự phụ thuộc lực cản Fx vào vận tốc, vỏ xe sau thay đổi thông số hình học biên dạng xe Bảng 4.9 - Các thơng số mơ hình Fortuner 2018 mơ hình sau thay đổi thơng số hình học biên dạng đồ án Hình 1.1 - Tỷ lệ người mua ô tô Việt Nam so với khối ASEAN năm vừa qua Hình 1.2 - Tỷ lệ bán hàng hãng xe ô tô Việt Nam vào tháng 2/2018 Hình 1.3 - Tỷ lệ bán hàng hãng xe ô tô Việt Nam vào tháng 3/2018 Hình 1.4 - Kết cấu khung thân vỏ dạng xe ô tô du lịch chỗ ngồi Hình 1.5 - Kết cấu vỏ xe chịu tải, loại thơng dụng xe Hình 1.6 - Vỏ xe đua thiết kế để tối ưu hóa lực khí động có độ bền cao Hình 1.7 - Ảnh hưởng biên dạng vỏ đến hệ số lực cản gió Cd Hình 1.8 - Cơng nghệ khung xương vỏ xe Hình 1.9 - Hình dáng dịng khí tác dụng lên bề mặt vỏ xe tơ chuyển động Hình 1.10 - Các lực tác dụng lên vật nằm dịng chảy Hình 1.11 - Sự hình thành vùng xốy áp thấp phía sau vật cản Hình 1.12 - Ảnh hưởng hình dạng vật cản tới hình thành vùng xốy Hình 1.13 - Q trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cản Hình 1.14 - Hệ số cản khơng khí số loại tơ tải Hình 1.15 - Hệ số cản khơng khí loại xe thông dụng vi Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent Hình 4.45 - Phân bố áp suất bao quanh vỏ xe khơng có góc lượn cản trước nắp capo Hình 4.46 - Phân bố áp suất bao quanh vỏ xe góc lượn cản trước nắp capo 1000mm 4.7.6 Bán kính góc lượn mặt trước hai thành bên xe Với kích thước chiều rộng tồn xe 1855 mm, sinh viên thực việc tính tốn khảo sát với bán kính góc lượn mặt trước hai thành bên, nhiên mặt trước xe gồm có cản trước kính chắn gió, ta sẽ sử dụng mặt cản trước để làm kết nhận xét cho mặt phía trước thay khảo sát hai mặt, kết cấu cản trước hai thành bên có kết cấu đơn giản nên dễ thay đổi góc lượn so với kính chán gió hai mặt bên Do ta khảo sát ảnh hưởng hệ số cản Cd thay đổi bán kính góc lượn cản trước hai thành bên (R7) Kết thể bảng 4.7 đồ thị hình 4.47 Bảng 4.7 - Sự phụ thuộc hệ số cản Cd vào bán kính góc lượn cản trước hai thành bên xe Bán kính góc lượn (mm) Hệ số cản Cd 0,8631 50 0,7584 100 0,6387 Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 90 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent 150 0,5319 200 0,4713 400 0,3587 600 0,3217 900 0,3167 Kết tính tốn mơ tả trực quan đồ thị hình 4.47 Các kết tính tốn mơ cho thấy, tạo góc lượn mặt trước hai thành bên với bán kính 200 mm, có giảm đột ngột hệ số Cd từ 0,8631 xuống 0,4713 (tương đương với 45,39%), nghĩa giảm tới gần nửa giá trị Sau đó, bán kính góc lượn tăng dần lên tới giá trị cực đại 900 mm, hệ số Cd tiếp tục giảm tỷ lệ giảm khơng nhiều (từ 0,4713 xuống cịn 0,3167, tương đương với 32,28% giá trị Cd bán kính góc lượn 200 mm) Hình 4.47 - Đồ thị ảnh hưởng bán kính góc lượn cản trước hai thành bên tới hệ số cản Cd Như vậy, tăng bán kính góc lượn thành trước (bao gồm kính chắn gió) hai thành bên xe hệ số Cd giảm Tuy nhiên, kết khảo sát cho thấy, với bán kính góc lượn khoảng từ 200 mm đến 600 mm hệ số Cd thay đổi khơng nhiều có giá trị gần 0,3 Nếu tăng bán kính ảnh hưởng nhiều đến không gian bên khoang động vỏ xe tính thẩm mỹ mà Cd khơng giảm nhiều Đây để nhà thiết kế lựa chọn giá trị thông số biên dạng vỏ xe cho phù hợp Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 91 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent 4.7.7 Lựa chọn dạng mơ hình hồn chỉnh, tính tốn khảo sát đánh giá Các kết khảo sát cho thấy, có thơng số ảnh hưởng mạnh đến hệ số cản khí động Cd bán kính góc lượn mặt trước hai thành bên R5 R7, bán kính góc lượn kính chắn gió với xe R4, bán kính góc lượn cản trước nắp capo R8 Đây thông số tạo thành kết cấu phần đầu vỏ xe Các thơng số có quy luật biến thiên tương tự nhau: sau giảm mạnh tới giá trị gần khơng giảm (các hình 4.33, 4.40 4.47); cịn riêng góc nghiêng kính chắn gió tăng α hệ số cản giảm nên việc lựa chọn góc nghiêng lựa chọn cho phù với không gian bên xe Việc lựa chọn thông số có ảnh hưởng lớn đến hệ số Cd kết cấu vỏ xe, sinh viên thực nghiên cứu đưa lựa chọn hợp lý Với quy luật biến thiên Cd trên, sinh viên thực đề xuất vùng lựa chọn hình 4.48 Vùng chọn xác định khoảng Rmin - Rmax Có thể nhận thấy vùng chọn Rmax tương ứng với Cdmin, ngược lại Rmi tương ứng với Cdmax Giá trị Rmax xác định dựa ảnh hưởng tới kết cấu vỏ xe thơng qua tiêu chí thể tích khơng gian sử dụng tính thẩm mỹ, giá trị Rmin lựa cho Cd nhỏ Hình 4.48 - Vùng lựa chọn bán kính góc lượn Như vậy, khơng có công thức cụ thể để xác định giá trị giới hạn vùng chọn Khó khăn lớn việc lựa chọn Rmax khơng thể định lượng cách xác, đặc biệt tiêu chí tính thẩm mỹ Trên thực tế, việc phụ thuộc chủ yếu vào yêu cầu thiết kế chủng loại xe cụ thể quan điểm chủ quan người thiết kế Dựa phân tích đây, sinh viên thực tiến hành lựa chọn thơng số có ảnh hưởng lớn đến hệ số cản khí động Cd bán kính góc lượn kính chắn gió với xe R4, bán kính góc lượn nắp capo cản trước R8 bán kính góc Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 92 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent lượn mặt trước với hai thành bên R7, cịn bán kính R5 ta giữ nguyên biên dạng xe ban đầu ảnh hưởng tới thẩm mỹ không gian bên thay đổi phức tạp nhiều thời gian để tính tốn Bán kính góc lượn cản trước với hai thành bên R7 có ảnh hưởng lớn đến diện tích khoang động cơ, tăng R7 diện tích sử dụng giảm mạnh Vì vậy, sinh viên thực chọn bán kính cận trái vùng chọn nhằm đảm bảo tối đa diện tích khơng gian bố trí trang thiết bị, máy móc Cụ thể, sau tham khảo kết cấu vỏ số loại xe tương tự vỏ xe nghiên cứu, R5 chọn 300 mm (tương ứng với hệ số Cd = 0,3587) Bán kính góc lượn cản trước với nắp capo R8 có ảnh hưởng lớn đến diện tích khoang động cơ, tăng R8 diện tích sử dụng giảm mạnh Vì vậy, sinh viên thực chọn bán kính cận trái vùng chọn nhằm đảm bảo tối đa diện tích khơng gian bố trí trang thiết bị, máy móc Cụ thể, sau tham khảo kết cấu vỏ số loại xe tương tự vỏ xe nghiên cứu, R8 chọn 300 mm ( tương ứng với hệ số cản Cd khoảng 0,69 theo đồ thị hình 4.40) Bán kính góc lượn kính chắn gió với xe R4 ảnh hưởng nhiều đến diện tích sử dụng mà chủ yếu làm thay đổi hình dạng phần đầu xe, nghĩa ảnh hưởng trực tiếp đến tính thẩm mỹ Qua khảo sát số dạng vỏ xe khách lưu hành Việt Nam, sinh viên nhận thấy R4 dao động khoảng rộng từ 270 - 900 mm Đối với vỏ xe sở R4 = 500 mm, tham khảo mẫu xe thị trường ta tăng R4 = 650mm Các thơng số cịn lại có ảnh hưởng khơng đáng kể đến hệ số Cd, nên sinh viên thực lựa chọn chủ yếu dựa tham khảo kết cấu vỏ xe thơng dụng Với phân tích đây, sinh viên thực chọn giá trị thông số kết cấu vỏ xe sau: - Góc nghiêng kính chắn gió: 600 - Góc nghiêng kính sau: 550 - Bán kính góc lượn xe hai thành bên: 150 mm - Bán kính góc lượn cản trước hai thành bên: 300 mm - Bán kính góc lượn xe kính chắn gió phía trước: 650 mm - Bán kính góc lượn cản trước nắp capo: 300 mm - Giữ nguyên cánh lướt gió xe, yếu tố nhằm làm giảm hệ số cản Cd Sau lựa chọn thông số kết cấu vỏ xe, sinh viên thực xây dựng mơ hình vỏ xe với thơng số mới, tiến hành tính tốn Fluent thu giá trị hệ số cản Cd 0,32 Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 93 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent Hình 4.49 - Phân bố áp suất bề mặt vỏ xe Hình 4.50 - Phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng dọc vỏ xe Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 94 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent Hình 4.51 - Phân bố vận tốc mặt phẳng trung tuyến dọc vỏ xe Hình 4.52 - Đường dịng mặt phẳng trung tuyến dọc vỏ xe Từ hình ảnh rút từ kết mơ mơ hình vỏ xe hồn chỉnh thể nhận thấy, áp suất phân bố vị trí tương ứng mẫu vỏ xe hoàn chỉnh cải thiện nhiều so với mẫu vỏ xe tham khảo Fortuner 2018, vùng áp suất dương ( vùng màu đỏ) thu nhỏ diện tích ảnh hưởng tới vỏ xe, vùng áp suất dương chân kính chắn gió tiếp giáp với nắp capo thu nhỏ diện tích ảnh hưởng, nhờ thay đổi góc nghiêng kính chắn gió Dịng khí bám sát tới bề mặt vỏ xe so với mẫu xe tham khảo Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 95 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent Hình 4.53 - Hệ số áp suất Cp phân bố bề mặt vỏ xe mặt phẳng trung tuyến dọc vỏ xe 4.7.8 Đánh giá kết tính tốn mơ Từ kết nghiên cứu đây, sinh viên thực đề xuất thay đổi dạng khí động học vỏ xe ô tô Fortuner cách lựa chọn thông số kết cấu hợp lý Vỏ xe (vỏ xe thay đổi thơng số hình học xe) có hệ số cản khí động thấp so với vỏ xe sở Để đánh giá tính ổn định độ tin cậy kết tính tốn mơ khí động học vỏ xe phần mềm ANSYS - FLUENT, sinh viên thực tiến hành mơ mơ hình vỏ xe sau thay đổi thơng số hình học vận tốc dịng khí khác (từ 10 m/s (tương đương với 36 km/h) đến 55 m/s (tương đương với 198 km/h) với bước nhảy vận tốc m/s) Các kết tính tốn thể dạng số bảng 4.8 đồ thị hình 4.54 Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 96 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent Bảng 4.8 - Sự phụ thuộc lực cản Fx vào vận tốc vỏ xe sau thay đổi thơng số hình học biên dạng xe Vkk (m/s) Fx (N) 10 -61,446 15 -138,253 20 -245,784 25 -384,04 30 -553.014 35 -752,713 40 -983,136 45 -1244,281 50 -1536,15 55 -1858,742 Để xác định quy luật phụ thuộc lực cản khơng khí theo vận tốc thu từ kết tính tốn mô phỏng, sinh viên thực tiến hành vẽ đồ thị theo quy luật lý thuyết biết: Fx = Cd AV 2 Trong đó: - Hệ số cản khí động Cd =0,32 ( kết lấy từ mơ phỏng) - Diện tích cản diện A = 3,135 (m2) (lấy từ kết mô phỏng) - Mật độ khơng khí: ρ = 1,225 kg/m3 Kết tính tốn theo cơng thức lý thuyết với thơng số chọn vận tốc dịng khí biến thiên từ 10 đến 55 m/s thể dạng đồ thị hình 4.54 Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 97 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent Hình 4.54 - Đồ thị Fx theo vận tốc chuyển động dịng khí Như vậy, phân tích cho thấy phương pháp mô với công cụ thực (ANSYS - FLUENT) mà Đồ án sử dụng cho kết ổn định, tin cậy hoàn toàn phù hợp với quy luật biết 4.7.9 So sánh vỏ xe tham khảo vỏ xe sau thay đổi thông số hình học biên dạng xe Kết tính tốn mơ thực mơ hình vỏ xe Toyota Fortuner 2018 mà Đồ án sử dụng làm xe tham khảo (đã loại bỏ chi tiết nhỏ gương, gạt nước, ăngten, khe gờ, gân rãnh, gầm xe) cho giá trị hệ số cản khí động Cd = 0,35 (Mục 4.6) Sau nghiên cứu, khảo sát, sinh viên thực lựa chọn thơng số kết cấu để hình thành vỏ xe với hệ số cản Cd = 0,32 Các thông số vỏ xe sở vỏ xe cải thiện thể bảng 4.9 Bảng 4.9 - Các thơng số mơ hình xe Fortuner 2018 mơ hình sau thay đổi thơng số hình học biên dạng đồ án Các thơng số Mơ hình xe tham khảo Mơ hình sau thay đổi thơng số hình học biên dạng xe Kích thước bao (DxRxC) 4795x1855x1835 (mm) 4795x1855x1835 (mm) Góc nghiêng khính chắn 45 600 350 550 gió phía trước xe (α) Góc nghiêng kính hậu xe (β) Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 98 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent Bán kính góc lượn 50 (mm) 150 (mm) 500 (mm) 650 (mm) 200 (mm) 300 (mm) Bán kính góc lượn cản trước nắp capo 150 (mm) 300 (mm) Hệ số cản Cd 0,35 0,32 xe hai thành bên xe Bán kính góc lượn kính chắn gió xe Bán kính góc lượn cản trước hai thành bên xe Như vậy, thấy vỏ xe có hệ số cản khí động nhỏ so với vỏ xe sở Để hiểu rõ nguyên nhân dẫn đến giảm hệ số Cd trên, sinh viên thực tiến hành phân tích kết thu từ tính tốn mơ hai mơ hình (vỏ xe tham khảo vỏ xe mới) Hình 4.55 - Đồ thị so sánh hệ số áp suất Cp phân bố mặt phẳng trung tuyến dọc xe sở vỏ xe Nguyên nhân thứ thay đổi theo chiều hướng giảm vùng áp suất âm bề mặt vỏ xe đồ án đề xuất với vỏ xe tham khảo Có thể nhận thấy điều qua hình ảnh phân bố áp suất, vận tốc đường dòng theo kết khảo sát thực Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 99 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent Để thấy rõ điều này, sinh viên thực tiến hành so sánh đồ thị phân bố hệ số CP theo chiều dài vỏ xe tham khảo vỏ xe (hình 4.55) Trên hình 4.55, thấy rõ áp suất âm vùng xốy phía đầu đuôi vỏ xe mà Đồ án lựa chọn (đường nét đứt màu đen) giảm nhiều so với vỏ xe sở (đường nét liền màu đỏ) Điều cho thấy chênh áp phía trước phía sau xe vỏ xe giảm nhiều, nghĩa kể lực cản chênh áp hay hệ số cản Cd giảm theo tương ứng Ngoài ra, để đánh giá cải thiện hình dạng khí động học vỏ xe mới, sinh viên thực nghiên cứu hình ảnh phân bố áp suất, vận tốc đường dòng bao quanh vỏ xe sở vỏ xe Kết cho thấy vỏ xe kích thước vùng xoáy áp thấp giảm nhiều Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 100 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent KẾT LUẬN Đồ án sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS - Fluent để nghiên cứu khí động học vỏ xe tô du lịch chỗ ngồi Toyota Fortuner 2018 Bài tốn xây dựng dựa phương trình Navier - Stokes đơn giản hóa dạng RANS với giả thiết chất khí khơng chịu nén kết hợp với mơ hình dịng rối nhớt Trên sở mơ hình tính tốn lựa chọn “SST k - ω”, sinh viên thực xây dựng mơ hình mơ vỏ xe ô tô Toyota Fortuner 2018 Fluent để tính tốn thơng số dịng chảy khơng khí bao quanh vỏ xe Kết mơ phỏng, tính tốn khí động học mơ hình vỏ xe sở Fortuner 2018 cho hệ số Cd = 0,35; nghĩa vỏ xe có hình dạng khí động học tốt Tuy nhiên, hình ảnh phân bố áp suất, vận tốc đường dòng bao quanh vỏ xe cho thấy ta cịn thay đổi số thông số vỏ xe cần cải thiện để giảm lực cản khí động Sinh viên thực sử dụng mơ hình đơn giản dạng hộp chữ nhật để nghiên cứu, tính tốn, khảo sát xác định quy luật ảnh hưởng số thơng số kết cấu (góc nghiêng mặt trước sau, bán kính góc lượn mặt tạo thành vỏ xe) tới lực cản khí động - Kết khảo sát cho thấy, dạng vỏ xe du lịch chỗ ngồi, bán kính góc lượn kính chắn gió xe (R4), bán kính góc lượn cản trước với - hai mặt bên (R7) bán kính góc lượn nắp capo với cản trước có ảnh hưởng lớn đến lực cản khí động Tuy nhiên, thơng số có ảnh hưởng lớn đến không gian xe đặc biệt tính thẩm mỹ, nên việc lựa chọn chúng cần cân nhắc cách kỹ lưỡng Trên sở kết khảo sát ảnh hưởng thơng số kết cấu tới lực cản khí động qua phân tích kết cấu số loại vỏ xe sản xuất, sinh viên thực đề xuất lựa chọn thông số kết cấu nhằm cải thiện dạng khí động học để đạt hệ số cản Cd nhỏ thỏa mãn yêu cầu công sử dụng tính thẩm mỹ vỏ xe Kết tính tốn mơ cho thấy chất lượng khí động học vỏ xe cải thiện đáng kể Hệ số cản Cd vỏ xe 0,32; đồng thời hình ảnh dịng khí bao quanh vỏ xe cho thấy, dòng chảy bám sát vào vỏ kích thước vùng xốy giảm nhiều Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 101 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent Các kết nghiên cứu đồ án hình thành phương pháp đánh giá khí động học vỏ xe Fortuner 2018, hoàn toàn khả thi điều kiện Việt Nam Nếu tiếp tục hoàn thiện, cơng cụ hiệu giúp cho nhà thiết kế cải thiện hướng tới tối ưu hóa dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm thiểu lực cản khơng khí q trình chuyển động Điều có ý nghĩa quan trọng, giảm lực cản đồng nghĩa với việc giảm mức tiêu hao nhiên liệu giảm phát thải độc hại môi trường Các hướng nghiên cứu phát triển: Dựa kết nghiên cứu Đồ án, Sinh viên thực đề xuất số hướng nghiên cứu phát triển sau: - Hồn thiện mơ hình tính tốn: bổ sung thêm gương chiếu hậu, mơ tả gờ, - khe cửa, hốc bánh xe, mô tả bánh xe quay, mô tả chuyển động tương đối vỏ xe mặt đường, …; Nghiên cứu ảnh hưởng lực nâng, ảnh hưởng gió ngang tới tính ổn định chuyển động nhiều loại tơ khác ôtô con, ôtô tải, ôtô khách giường nằm …… TÀI LIỆU THAM KHẢO Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 102 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1] Quyết định số 1168/QĐ-TTg, ngày 16/07/2014 Thủ tướng Chính phủ phê duyệt “Chiến lược phát triển ngành cơng nghiệp tơ Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035” [2] 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” [3] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng; Lý thuyết Ơ tơ, Máy kéo; NXB Khoa Học Và Kỹ Thuật [4] Nguyễn Thanh Nam, Hoàng Đức Liên; Phương pháp Khối hữu hạn ứng dụng tốn thủy khí động lực [5] Nguyễn Văn Phái, Vũ Văn Khiêm; Phương pháp phần tử hữu hạn: Thực hành học [6] Nguyễn Minh Hải; Luận văn Đặc tính khí động học tơ; Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [7] Đinh Bá Trụ; Hướng dẫn sử dụng phần mềm Ansys Fluent: Chương trình phần mềm thiết kế mô phương pháp phần tử hữu hạn Tài liệu tham khảo tiếng ngước [8] M Laurent Burgade (1996) Aerodynamique Automobile: Approche numerique et experimentale PSA Peugeot-Citroen, session 1995-1996 [9] A Henze, W Schröder Fahrzeug- und Windradaerodynamik Automobiles Institute of Aerodynamics, RWTH Aachen University [10] J Y Wong: “Theory of Ground Vehicles” John Wiley & Sons, 4th Edition [11] W.H Hucho (1998) Aerodynamics of Road Vehicles: From Fluid Mechanics to Vehicle Engineering SAE International [12] T.D Gillespie Fundamentals of Vehicle Dynamics Society of Automotive Engineers, Inc [13] CFD Study of Drag Reduction of A Generic Sport Utility Vehicle; Pramod Nari Krishnani; B.S., Mumbai University, Mumbai, India 2006 [14] Dubey, A., Chheniya, S., and Jadhav, A (2013) Effect of Vortex generators on Aerodynamics of a Car: CFD Analysis International IJMME-IJENS © April 2014 IJENS [15] Drew Landman Flow Field Features and Aerodynamic Drag of Passenger Cars Ground Vehicle Aerodynamics Department of Aerospace Engineering Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 103 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent [16] Aerodynamic analysis and optimisation of the rear wing of a WRC car Oxford Brookes University, 2012 [17] Shih, T.-H., Liou, W., Shabbir, A., Yang, Z., and Zhu, J A New k-Epsilon (1994) Eddy Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows – Model Development and Validation NASA Technical Memorandum NASA-TM-106721, 1994 [18] Introduction to ANSYS Fluent, Release 14.5, November 15, 2012 [19] K R Deutenbach (1995) Influence of Plenum Dimensions on Drag Measurements in ¾-Open Jet Automotive Wind Tunnels SAE Paper No 951000, Paris, 1995 Sinh viên thực hiện: Đậu Quốc Thịnh Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 104 ... xi Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent MỞ ĐẦU Mục tiêu Đồ án: Xây dựng mơ hình khảo sát, đánh giá dạng khí động học vỏ xe. .. Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent • Vỏ xe có cấu trúc dạng tấm: Vỏ xe bao gồm nhiều chi tiết rời nhau, ngồi gắn với vỏ xe. .. Quang Trung 17 Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản xe du lịch TOYOTA FORTUNER 2018 phần mềm Ansys – Fluent a) Fx ≈ Fms b) F >> Fms Hình 1.12 - Ảnh hưởng hình dạng vật cản tới hình