Mô phỏng đặc tính khí động lực học mô hình xe buýt lắp ráp tại Việt Nam

Bài viết này trình bày nghiên cứu đặc tính khí động lực học xe buýt thông qua phân tích phân bố trường vận tốc và áp suất. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình xe buýt được lắp ráp tại Việt Nam. Tác giả sử dụng phần mềm thương mại CFD với phương trình RANS kết hợp mô hình rối Realizable k   để mô phỏng đặc tính khí động lực học xe buýt.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Mơ đặc tính khí động lực học mơ hình xe bt lắp ráp Việt Nam Simulating the aerodynamic characteristics of the bus models assembled in Vietnam Đặng Tiến Phúc1,*, Nguyễn Tuấn Nghĩa2, Nguyễn Hữu Mạnh3, Nguyễn Minh Thái3, Nguyễn Xuân Ngọc1, Võ Văn Lộc1 Khoa Công nghệ Động lực, Trường Đại học Công nghiệp Tp HCM, Khoa Công nghệ Ơ tơ, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội Khoa Công nghệ Động lực, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng, *Email: dangtienphuc@iuh.edu.vn Mobile: 0905297192 Tóm tắt Từ khóa: Mơ CFD; Khí động lực học tơ; Mơ hình xe bt; Hệ số cản; Rans Bài báo trình bày nghiên cứu đặc tính khí động lực học xe bt thơng qua phân tích phân bố trường vận tốc áp suất Nghiên cứu thực mơ hình xe bt lắp ráp Việt Nam Tác giả sử dụng phần mềm thương mại CFD với phương trình RANS kết hợp mơ hình rối Realizable k   để mơ đặc tính khí động lực học xe buýt Kết phân tích thể phân bố áp suất, phân bố vận tốc quanh mơ hình Kết nghiên cứu thể thơng qua hình ảnh giá trị mơ tính tốn Cd, đồng thời giúp hiểu rõ đặc tính khí động lực học quanh mơ hình xe buýt đồng thời Thông qua kết nghiên cứu tiền đề cho nghiên cứu tiến hành cải tiến hình dạng xe buýt nhằm giảm lực cản khí động giảm tiêu hao nhiên liệu Abstract Keywords: CFD simulation; Vehicle aerodynamics; Bus model; Drag coefficient; RANS Ngày nhận bài: 07/8/2018 Ngày nhận sửa: 05/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 This paper studies the aerodynamic characteristics of bus model through the analysis of the distribution of speed and pressure Numerical investigations were conducted with the model The bus’s aerodynamic characteristics were simulated using Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations combined with Realizable k   model and CFD software The analysis results demonstrated timeaveraged velocity field, magnitude of the velocity and static pressure magnitude of the flow fields around the bus model The results obtained from the study are presented through graphics and calculation simulation value Cd, providingbetter understanding of aerodynamic characteristics around bus model.The results also serve as the basis for future studies on improving the bus exterior in order to reduce aerodynamics forces and bus fuel consumption HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 GIỚI THIỆU Ngày nay, khí động lực học tơ trở thành yếu tố quan trọng dịng xe nên nhiều cơng trình khoa học lĩnh vực công bố [1, 2, 3, 4] Khi ô tô chuyển động môi trường khơng khí bị lực mơ ment khí động học tác dụng làm ảnh hưởng đến tính chuyển động ô tô lượng tiêu hao nhiên liệu Tổng trọng lượng hình dạng bên ngồi xe yếu tố quan trọng nhằm cải tiến đặc tính khí động lực học xe [5, 6, 7] Để hiểu tác động khí động lực học lên ô tô, nhà nghiên cứu tiến hành nghiên cứu đặc tính khí động lực học quanh ô tô hai phương pháp mô thực nghiệm Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung nghiên cứu mơ đặc tính khí động lực học xe bt lắp ráp Việt Nam Mơ hình xe buýt nhà khoa học giới nghiên cứu công bố, cụ thể tác giả [8] nghiên cứu hệ số cản xe buýt thay đổi thiết kế hình dạng xe buýt nhằm làm giảm tiêu hao nhiên liệu khí xả gây ô nhiễm môi trường Kết quả, tác giả kết luận với mơ hình mơ rối k   Realizable, thay đổi hình dạng xe buýt so với hình dạng ban đầu, hệ số cản giảm 28% tiết kiệm 20% nhiên liệu xe di chuyển với vận tốc 80 km/h Tác giả [9] nghiên cứu thực nghiệm mô ảnh hưởng khí động lực học hình dạng bên ngồi xe buýt nhằm làm giảm lực cản khí động lực học giảm tiêu hao nhiên liệu Kết quả, tác giả kết luận điều chỉnh thiết kế hình dạng bên ngồi xe so với hình dạng gốc, lực cản khí động giảm khoảng 30% giảm đáng kể lượng tiêu hao nhiên liệu Tác giả [10,11] sử dụng cơng cụ CFD phân tích ảnh hưởng lực cản khí động học đến tiêu hao nhiên liệu xe buýt Hai nghiên cứu đưa hình dạng xe sau điều chỉnh, tác giả kết luận lực cản khí động giảm điều chỉnh hình dạng xe Ngồi ra, Việt Nam tác giả [12] nghiên cứu thay đổi hình dạng bên ngồi xe bt nhằm tối ưu lực cản khí động học với mơ hình xe bt đơn giản, tối giản gương chiếu hậu Mặc dù khí động lực học nghiên cứu từ lâu giới lĩnh vực nghiên cứu mà Việt Nam chưa quan tâm nhà khoa học công ty sản xuất, lắp ráp tơ Hầu khơng tìm thấy nghiên cứu chun sâu khí động lực học ô tô công bố tạp chí chuyên ngành kỷ yếu hội nghị khoa hoc Vì vậy, tác giả tiến hành nghiên cứu đặc tính khí động lực học tơ với mơ hình xe buýt nhằm cung cấp cho người đọc nhìn tổng quan rõ nét ảnh hưởng khí động lực học mẫu xe buýt lắp ráp Việt Nam Đây bước quan trọng trình thiết kế hình dạng ô tô Để đạt mục tiêu này, tác giả sử dụng phương trình Reynolds trung bình hóa cho dịng chảy rối (RANS) kết hợp với mơ hình rối Realizable k   để mơ đặc tính khí động lực học dịng khí MƠ HÌNH XE BT VÀ MIỀN TÍNH TỐN 2.1 Mơ hình xe bt Mơ hình xe buýt 2D 3D mô tả chi tiết hình với chiều dài tồn L = 12000 mm, chiều cao H = 3975mm, bề rộng toàn W = 2500 mm trục hệ tọa độ x, y,z Trong q trình mơ đặc tính khí động lực học xe buýt thể phân bố áp suất, vận tốc quanh mơ hình nghiên cứu theo mặt phẳng mơ tả hình Cụ thể, mặt phẳng đối xứng dọc mô hình ký hiệu P1, hai mặt phẳng song song với mặt đáy mơ hình ký hiệu P2 P3 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Mơ hình 2D xe bt lắp ráp Việt Nam[12] xây dựng mơ hình 3D Hình Các mặt phẳng thể phân bố áp suất vận tốc quanh xe buýt 2.2 Miền tính tốn Miền tính tốn vùng khơng gian bao quanh vật thể giới hạn q trình mơ Miền tinh tốn phải có kích thước đủ lớn giới hạn mặt phẳng để đảm bảo dịng khơng khí khơng chịu ảnh hưởng mơ hình nghiên cứu Tuy nhiên lựa chọn miền tính tốn q lớn dẫn đến làm lãng phí tài ngun máy tính, tăng thời gian mơ tính tốn Vì vậy, kết hợp với cơng trình nghiên cứu tác giả [13-16], tác giả tiến hành xây dựng miền tính tốn với thơng số mơ tả hình Trong đó, H chiều cao xe buýt, W bề rộng xe buýt, L chiều dài xe bt Hình Kích thước miền tính tốn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG SỐ 3.1 Phương trình điều chỉnh Để mô tả chuyển động lưu chất thường sử dụng phương trình Navier-Stokes hệ phương trình bảo tồn khối lượng (phương trình liên tục), phương trình bảo tồn động lượng phương trình bảo tồn lượng Trong nghiên cứu khí động lực học tơ đặt giả thiết chất khí khơng chịu nén, đó, tốn khí động lực học cịn lại hai phương trình phương trình liên tục phương trình bảo tồn động lượng [12,19] Phương trình liên tục: u v w   0 (1) x y z Phương trình bảo tồn động lượng:  t ui  u j  j ui     i p  v j  j ui (2) Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương trình Reynolds Navier - Stokes trung bình hóa (RANS) để giải tốn khí động học:  i ui  (3)  t ui  u j  j ui    i p     j  ij   uiui  (4) Ngồi ra, để giải phương trình RANS tác giả kết hợp với mơ hình rối Realizable k   3.2 Chia lưới điều kiện biên Chia lưới rời rạc hóa vùng khơng gian mơ thành phần tử để thực tính tốn gần phương pháp số Lưới có hai dạng lưới có cấu trúc lưới khơng có cấu trúc loại có điểm mạnh riêng Trong nghiên cứu sử dụng lưới3 tứ diện khơng có cấu trúc mơ hình mơ phức tạp Miền tính tốn chia lại với kích thước phần tử lưới vùng biên gần mô hình phân tích phải đủ nhỏ để đảm bảo độ xác kết mơ tính tốn [3, 17], vùng xa vùng biên mơ hình phân tích kích thước phần tử lưới lớn nhằm tiết kiệm tài nguyên máy tính thời gian tính tốn Mơ hình xe bt chia lưới hồn chỉnh mơ tả hình Hình Mơ hình xe bt chia lưới với dạng tứ diện khơng có cấu trúc Để xác định số lượng phần tử miền tính tốn, tác giả tiến hành thực kiểm tra lưới dựa vào kết tính tốn Cd so sánh với kết nghiên cứu công bố [18] kết HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 hợp với thời gian tính tốn Sau chia lưới xong, tiến hành đặt điều kiện biên để mơ tính tốn kết Vận tốc dịng khí thiết lập 30m/s, thuật toán SIMPLEC sử dụng để giải toán liên kết thành phần vận tốc áp suất phương trình RANS Các thơng số mơi trường mà tác giả sử dụng bao gồm nhiệt độ 270C, khối lượng riêng khơng khí 1,225(kg/m3), độ nhớt động học khơng khí 1,7894 x10-5 Kết quả, số lượng phần tử miền tính tốn thuộc trường hợp lựa chọn khoảng 5,596x105 phần tử giá trị Cd tính tốn xấp xỉ với giá trị Cd tham chiếu thời gian tính tốn nhanh Quan sát bảng 1, ta thấy có chênh lệch hệ số cản thời gian tính trường hợp Nguyên nhân số phần tử lưới thay đổi theo xu hướng tăng dần dẫn đến kích thước phần tử lưới nhỏ nên kết mơ xác thời gian tính tăng Tuy nhiên cần phải lưu ý cấu hình máy tính với số lượng phần tử lưới [12, 20] Bảng Bảng lựa chọn số phần tử lưới ứng với giá trị tính tốn hệ số cản Cd Dữ liệu Số phần tử Cd Thời gian(h) Trường hợp 3,532 x105 0,366 Trường hợp 4,318x105 0,398 Trường hợp 5,596x105 0,420 4,5 Trường hợp 6,248x105 0,430 KẾT QUẢ 4.1 Phân bố trường vận tốc quanh xe buýt theo thời gian trung bình Hình Phân bố vận tốc mặt phẳng dọc đối xứng mơ hình xe bt Hình thể trường vận tốc mặt phẳng dọc đối xứng mô hình xe buýt với bước lặp thời gian 2x105 Thang màu sắc từ xanh da trời đến màu đỏ thể độ lớn vận tốc vùng khác quanh mơ hình Tại vùng đầu xe bt ln có vận tốc nhỏ vùng khác dịng khí di chuyển đến vùng xuất điểm đình trệ (stagnation point) Ngay điểm đình trệ vận tốc dịng khí khơng dịng khí chia làm hai phần, phần dọc theo phía xe phần dọc theo phía xe Bên cạnh đó, biên dạng xe thay đổi (các góc bo trịn, góc nghiêng) dẫn đến phân bố vận tốc vùng thay đổi Vùng sau xe bt hình thành xốy thấp áp ảnh hưởng đến lực cản khí động xe, để giảm lực cản khí động cần phải loại bỏ giảm kích thước vùng xốy HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 a Mặt phẳng P2 b Mặt phẳng P3 Hình Phân bố vận tốc mặt phẳng mặt phẳng cắt ngang xe buýt Hình thể hiện trường vận tốc mặt phẳng cắt ngang qua điểm xe buýt mặt phẳng P2 P3 Quan sát trường vận tốc phân bố hai mặt phẳng này, ta thấy có khác rõ rệt Cụ thể, mặt phẳng P3 qua gương chiếu hậu, khu vực phần đầu xe, thân xe vùng sau xe so với mặt phẳng P2 không qua gương chiếu hậu, phân bố trường vận tốc khác độ lớn vận tốc độ lớn vùng ảnh hưởng (thể thông qua phân bố màu sắc quanh xe) Quan sát hình mơ tả rõ phân bố trường vận tốc đầu gương chiếu hậu xe Tại vùng đầu xe gương chiếu hậu mặt phẳng P2 phân bố trường vận tốc có độ lớn nhỏ so với vùng đầu xe mặt phẳng P3 a Mặt phẳng P2 b Mặt phẳng P3 Hình Phân bố vận tốc vùng đầu gương chiếu hậu mặt phẳng P2 P3 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 4.2 Phân bố áp suất quanh xe buýt Hình Phân bố áp suất mơ hình xe bt mặt phẳng đối xứng dọc Hình thể phân bố áp suất xe buýt mặt phẳng đối xứng dọc quanh mơ hình Thang màu sắc từ xanh da trời đến màu đỏ thể độ lớn áp suất vùng khác quanh mô hình Tại phía trước mơ hình ln có áp suất lớn vùng khác mơ hình tách rời dịng khí, chênh áp yếu tố tạo nên lực cản khí động tơ di chuyển phía trước Sự chênh áp lớn lực cản khí động tăng để làm giảm lực cản khí động cần tăng áp suất phía sau mơ hình 4.3 Lực khí động lực học Theo kết tính tốn mơ mơ hình xe bt ống khí động, kết tính tốn giá trị Cd trình bày bảng Từ giá trị Cd tiến hành tính lực cản khí động thơng qua cơng thức: (5) Fd  Cd AU   2086,502 (N) Trong đó: Cd = 0,420; A = 9,021m2 (từ kết mô phỏng);  =1,225(kg/m3); U  = 30(m/s) Lực cản khơng khí [1]: Giá trị Cd, Fd tính tốn từ kết mơ nằm khoảng giá trị tham khảo từ cơng trình nghiên cứu trước [12,18] Như vậy, kết tính tốn mơ tác giả cho kết phù hợp tin cậy KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết tính tốn mơ đặc tính khí động lực học cho mơ hình xe bt, sử dụng phương trình RANS kết hợp với mơ hình rối Realizable k   mơ CFD Kết tính tốn mơ giá trị Cd nằm khoảng giá trị tham khảo Bên cạnh đó, báo minh họa rõ hình ảnh phân bố áp suất, vận tốc quanh mơ hình mặt phẳng khác Kết nghiên cứu tiền đề để thực tính tốn mơ đặc tính khí động lực học thông qua mô số CFD giải vấn đề thí nghiệm khí động lực học tơ phịng thí nghiệm khí động lực học tơ nước ta cịn hạn chế Thơng qua kết tính tốn giúp cho nghiên cứu tiến hành cải tiến hình dạng xe buýt để giảm lực cản khí động giảm tiêu hao nhiên liệu HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu hỗ trợ tài Trường Đại học Cơng nghiệp Tp HCM, mã số: 171.1031 Tác giả cảm ơn hỗ trợ trường DANH MỤC DANH PHÁP/KÝ HIỆU u, v,w  t ui  p v Cd Cl  uiu i  ij A U : Vận tốc phần tử lưu chất theo trục tọa độ x, y, z : Đạo hàm riêng theo thời gian u : Khối lượng riêng khơng khí (kg/m3) : Áp suất (N/m2) : Độ nhớt động học không khí (kg.m/s-1) : Hệ số cản : Hệ số nâng : Ứng suất Reynolds : Ten sơ ứng suất : Diện tích cản diện(m2 ) : Vận tốc chuyển động (m/s) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kim, S C., Hong, K.S and Kim, M J., 2005 Critical heat flux of water in pool boiling Applied Physics Letters, 13 (6), 789-803 [2] Chandel, U P and Bela, S R., 1986 An experimental investigation of heat transport capability in oscillating heat pipe Proc of Heat and Mass Transfer Conference, Gatlinburg, Tennessee, USA, 479-385 [3] Carey, V P., 2008 Liquid-vapor phase-change phenomena Second Ed., Taylor & Francis, 107-112 [1] Hucho, W.H.,1990 Aerodynamics of Road Vehicles, Butterworth and Co Publishing, Boston, MA [2] Katz, J., 1995 Race Car Aerodynamics: Designing for Speed, Bentley Publishers, Philadelphia, PA [2] Katz, J., 1995 Race Car Aerodynamics: Designing for Speed, Bentley Publishers, Philadelphia, PA [3] Halil, S.H., Rami, S.E., Murat, A and Ibrahim, 2014 Effects of rear spoilers on ground vehicle aerodynamic drag”, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, 24(3): 627-642 [4] Tien Phuc Dang, Zhengqi Gu, Zhen Chen, 2015 Numerical simulation of flow field around the race car in case, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow,25(8): 896- 1911 [5] Heft, A., Indinger, T., and Adams, N., 2012 Introduction of a New Realistic Generic Car Model for Aerodynamic Investigations, SAE Technical Paper, doi:10.4271/2012-01-0168 [6] M Desai, S A Channiwala and H J Nagarsheth, 2008 A Comparative assessment of two experimental methods for aerodynamics performance evaluation of car, Journal of scientific and industrial Research, 67: 518-522 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 [7] C Rajsinh B and T K Raj R., 2012 Numerical investigation of external flow around the ahmed reference body using computational fluid dynamics, Research Journal of Recent Sciences, 1(9): 1-5 [8] Siddhesh Kanekar, Prashant Thakre and E Rajkumar, 2017 Aerodynamic study of state transport bus using computational fluid dynamics IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 263 062052 [9] A.Muthuvel, M.K.Murthi, Sachin.N.P cộng sự, 2013 Aerodynamic exterior body design of bus International journal of scientific & engineering research, (7), 2453-2457 [10] J Abinesh J Arunkumar, 2014 Cfd analysis of aerodynamic drag reduction and improve fuel economy International journal of mechanical engineering and robotics research, 3(4), 430-440 [11] Devesh Yadav, Sumit Chauhan, Shashank Karki cộng sự, 2017 Cfd analysis for drag force reduction in inter-city buses International Research Journal of Engineering and Technology, 4(5), 350-355 [12] Tơ Hồng Tùng, 2016 Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp Việt Nam Luận án tiến sĩ, Đại học Bách Khoa Hà Nội [13] M Corallo , J Sheridan, M.C Thompson, Effect of aspect ratio on the near-wake flow structureof an Ahmed body, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2015, 147:95-103 [14] Tural Tunay, Besir Sahin, Veli Ozbolat, Effects of rear slant angles on the flow characteristics of Ahmed body, Experimental Thermal and Fluid Science, 2014, 57: 165–176 [15] D Tienphuc, Gu zhengqi, Chenzhen, Numerical Simulation of the Flow Field around Generic Formula One, Journal of Applied Fluid Mechanics, 2016, 9(1):443-450 [16] Lê Hồng Quân, Nguyễn Anh Ngọc, 2014 Ứng dụng CFD khí động lực học để xác định lực cản khơng khí lực nâng xe du lịch tải trọng nhẹ Tạp chí Khoa học Công nghệ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, số 23, 43-47 [17] Katarzyna, S., Gabriel, W and Derek, B.I., CFD modelling of air and oxy-coal combustion, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, 2014, 24( 4):825-844 [18] W.H Hucho,1998 Aerodynamics of Road Vehicles: From Fluid Mechanics toVehicle Engineering SAE International [19] ANSYS Fluent Theory Guide, Release15.0 November 2013 [20] ANSYS Fluent User's Guide, Release13.0 November 2010 ... cứu mơ đặc tính khí động lực học xe bt lắp ráp Việt Nam Mơ hình xe buýt nhà khoa học giới nghiên cứu công bố, cụ thể tác giả [8] nghiên cứu hệ số cản xe buýt thay đổi thiết kế hình dạng xe buýt. .. cải tiến đặc tính khí động lực học xe [5, 6, 7] Để hiểu tác động khí động lực học lên ô tô, nhà nghiên cứu tiến hành nghiên cứu đặc tính khí động lực học quanh ô tô hai phương pháp mô thực nghiệm... (RANS) kết hợp với mơ hình rối Realizable k   để mơ đặc tính khí động lực học dịng khí MƠ HÌNH XE BT VÀ MIỀN TÍNH TỐN 2.1 Mơ hình xe bt Mơ hình xe buýt 2D 3D mô tả chi tiết hình với chiều dài