Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Xây dựng mô hình khảo sát, đánh giá dạng khí động học vỏ xe ô tô khách và đề xuất các giải pháp cải thiện dạng khí động học nhằm giảm thiểu lực cản khí động tác dụng lên ô tô. Sau đây là bản tóm tắt luận án.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Tơ Hồng Tùng NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN DẠNG KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM Chun ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 62520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ðỘNG LỰC Hà Nội - 2016 Cơng trình hồn thành Trường ðại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan PGS.TS Hồ Hữu Hải Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Bang Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Nhật Chiêu Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Trà Luận án ñược bảo vệ trước Hội ñồng ñánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường ðại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ðHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ðẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, nhu cầu vận chuyển hành khách ñường Việt Nam ngày tăng cao, sở hạ tầng, ñường sá giao thơng phát triển tích cực, tốc độ di chuyển phương tiện vận tải hành khách nâng lên rõ rệt Do đó, lĩnh vực sản xuất tơ khách nhận quan tâm đặc biệt Chính phủ Tại Việt Nam, có số doanh nghiệp ñầu tư sản xuất lắp ráp ô tô khách từ 24 - 80 chỗ phục vụ giao thông công cộng sở lắp ráp xe ñều lắp ráp dựa phụ tùng nhập Phần cơng việc thực nước sản xuất khung vỏ với công nghệ hàn, sơn lắp ráp nội thất chất lượng cịn mức độ hạn chế Vấn ñề nghiên cứu, tối ưu hóa kết cấu vỏ xe nhằm nâng cao tiêu kinh tế kỹ thuật vận hành tơ chưa quan tâm ñầu tư ðể ô tô khách Việt Nam cạnh tranh với tơ nhập khẩu, cần ñầu tư chiều sâu, ñặc biệt ñầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao, vấn đề quan trọng hàng ñầu cần ñược ưu tiên ñầu 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, nghiên cứu sinh ñã thực luận án Tiến sĩ với ñề tài: “Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp Việt Nam” Luận án cơng trình nghiên cứu sâu khí ñộng học ô tô Việt Nam Các kết nghiên cứu Luận án góp phần bước tạo sở lý thuyết vững cho phát triển lâu dài ngành công nghiệp ô tô Việt Nam Mục đích, đối tượng, phạm vi nội dung nghiên cứu Mục đích luận án: Xây dựng mơ hình khảo sát, đánh giá dạng khí ñộng học vỏ xe ô tô khách ñề xuất giải pháp cải thiện dạng khí động học nhằm giảm thiểu lực cản khí động tác dụng lên tô ðối tượng nghiên cứu: ðối tượng nghiên cứu Luận án lựa chọn tơ khách cỡ lớn với mẫu xe tham khảo cụ thể ô tô khách 51 chỗ Trường Hải THACO KB120LSI Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu lực cản khí động với tiêu chí đánh giá hệ số cản Cx yếu tố ảnh hưởng đến mơ hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt mưa, khe gờ vỏ, kính, …) Nội dung nghiên cứu Luận án gồm nội dung sau: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Xây dựng mơ hình mơ khí động học vỏ xe khách Nghiên cứu khí động học vỏ tơ khách phần mềm ANSYS FLUENT Nghiên cứu khí động học vỏ xe khách ống khí động Kết luận Trên sở bám sát mục đích, đối tượng, phạm vi nội dung nghiên cứu trên, NCS ñã triển khai thực luận án với nội dung trình bày bốn chương phần kết luận Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU Trong chương này, luận án thực nội dung: - Khảo sát, ñánh giá chung lĩnh vực sản xuất ô tô khách, công nghệ sản xuất vỏ xe khách Việt Nam nay, từ xác định vị trí, vai trị tầm quan trọng vấn đề nghiên cứu luận án thực tế Việt Nam - Nghiên cứu chung khí động học khí động học tơ tìm hiểu xu hướng nghiên cứu, cơng trình nghiên cứu khí ñộng học ô tô giới, xác định khó khăn q trình thực nghiên cứu, từ lựa chọn phương pháp, đối tượng, phạm vi nội dung nghiên cứu phù hợp cho luận án, đặc biệt điều kiện khó khăn Việt Nam Qua trình nghiên cứu, luận án nhận thấy xu hướng nghiên cứu gần ñây tác giả giới tập trung vào việc giải vấn đề khí động học nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm sau: + Giảm lực cản khí động nhằm cải thiện tính động lực học tơ giảm mức tiêu thụ nhiên liệu + Giảm tối ña lực mô men gây ổn ñịnh chuyển động nhằm nâng cao tính an tồn chuyển động, đặc biệt loại tơ có tốc độ cao hay trường hợp gặp gió ngang lớn (bão) + Tận dụng dịng 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 dịng chảy khơng khí với vỏ xe Trong nghiên cứu lý thuyết, vấn ñề lớn nâng cao dần mức ñộ phức tạp tốn nhằm giải phương trình Navier - Stokes cấp ñộ cao Nếu trước ñây, nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải phương trình Ơ le với mơ hình phẳng [5] ngày nay, vấn đề ñược quan tâm giải phương trình Reynolds trung bình hóa cho dịng chảy rối (Reynolds Average Navier Stokes - RANS) Trong mơ hình với phương trình bổ sung (phổ biến mơ hình k - ε) sử dụng rộng rãi Những cơng bố gần ñây (từ 2008 - 2012) cho thấy phương trình Reynolds cho dịng rối tiếp tục cơng cụ nhà nghiên cứu khí ñộng học ô tô [5, 24, 27, 31, 40, 62, …] Các phần mềm chuyên dụng ñược sử dụng ngày nhiều nghiên cứu lý thuyết Chẳng hạn, gần ñây nhất, R K Petkar (3/2014) đồng tác giả cơng bố kết nghiên cứu lý thuyết, sử dụng phương pháp tính tốn mơ ANSYS FLUENT để đưa giải pháp giảm lực cản khơng khí tơ đua [56] Những cơng trình khác cho thấy nhiều nhà nghiên cứu sử dụng thành cơng phần mềm để mơ tính tốn khí ñộng học vỏ xe ô tô, Manan Desai (2008) [46], Chalmers (2012) [31], … Các cơng trình nghiên cứu ñã công bố gần ñây cho thấy, việc giải phương trình Navier - Stokes mức cao chưa đặt khí động học tơ [5] mức độ phức tạp cao tốn địi hỏi phải có cơng cụ hỗ trợ mạnh, thời gian thực mơ hình thời gian tính tốn lớn với chi phí cao nhiều Trong nghiên cứu thực nghiệm, vấn ñề ñang ñược quan tâm hồn thiện điều kiện thử nghiệm cho gần với thực tế nhằm nâng cao độ xác độ tin cậy kết đo Mặc dù ống khí động tương thích với kích thước thực tơ cho ñáng tin cậy cho kết xác hơn, người ta phải sử dụng ống khí động với mơ hình thu nhỏ lý tài [46] Sau phân tích, đánh giá, luận án lựa chọn: + Phương pháp nghiên cứu: kết hợp lý thuyết thực nghiệm Nội dung phần nghiên cứu lý thuyết xây dựng mơ hình khơng gian vỏ xe tơ khách đưa vào tính tốn khảo sát phần mềm Fluent (ANSYS) Cơ sở lý thuyết mơ hình tính tốn phương trình Reynolds (RANS) với phương trình bổ sung (mơ hình STT k - ω) với phương pháp giải phương pháp thể tích hữu hạn Phần nghiên cứu thực nghiệm sử dụng ống khí động ñể thực số thí nghiệm mang tính kiểm chứng Do điều kiện nước khơng có ống khí ñộng ñủ lớn, Luận án sử dụng mẫu thu nhỏ vỏ xe để thí nghiệm Mục đích thí nghiệm xác định lực cản hệ số cản khơng khí tác động lên vỏ xe để đối chiếu với kết tính tốn mơ hình mơ điều kiện + ðối tượng nghiên cứu: ðối tượng nghiên cứu Luận án lựa chọn tơ khách cỡ lớn với mẫu xe tham khảo cụ thể ô tô khách 51 chỗ Trường Hải THACO KB120LSI + Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu lực cản khí động với tiêu chí đánh giá hệ số cản Cx yếu tố ảnh hưởng đến mơ hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt mưa, khe gờ vỏ, kính, …) + Nội dung nghiên cứu: bao gồm nội dung trình bày, thể bốn chương phần kết luận Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH Mục đích nghiên cứu tìm hiểu phương pháp mơ dịng chảy khơng khí bao quanh vỏ tơ, từ lựa chọn xây dựng mơ hình mơ khí động học vỏ xe khách phù hợp với u cầu mục đích nghiên cứu luận án 2.1 Cơ sở lý thuyết khí động học ðể mơ tả đầy đủ dịng chảy môi chất bất kỳ, người ta thường sử dụng phương trình Navier-Stokes Với dịng khí bao quanh tơ dòng chảy âm (M < 0.3), nghiên cứu chấp nhận giả thiết chất khí khơng chịu nén [44] Khi đó, tốn khí ñộng học gồm hai phương trình: phương trình liên tục phương trình bảo tồn động lượng: Phương trình liên tục: divu = (2.1) Phương trình bảo tồn động lượng: du = F − gradp +ν∆u ρ dt đó: (2.2) u vận tốc; ρ khối lượng riêng khơng khí; p áp suất; F lực thể tích; ν độ nhớt động học khơng khí ðây hệ phương trình khép kín (4 phương trình ẩn số) gồm phương trình đạo hàm riêng nên việc giải tốn thường phức tạp Hơn nữa, dịng chảy bao quanh vỏ xe dòng rối, nên nhà nghiên cứu thường sử dụng phương trình Reynolds Navier - Stokes trung bình hóa (Reynolds Average Navier Stokes, viết tắt RANS) Bằng cách mô tả thông số a dòng chảy tổng hai thành phần: thành phần khơng biến động a (là giá trị trung bình a) thành phần biến động a’, thơng số dịng chảy mơ tả: ui = ui + u'i (2.17) p = p + p' (2.18) Khi đó, phương trình liên tục phương trình bảo tồn động lượng viết sau: ∂ i ui = 1 ∂ t ui + u j ∂ j ui = − ∂ i p + ∂ j τ ij − ρ u 'i u ' j ρ ρ ( Trong phương trình trên, ) (2.19) ρ u 'i u ' j ñặc trưng cho ứng suất nhớt dịng rối thường gọi ứng suất Reynolds, ký hiệu ten sơ ứng suất dòng rối τ ijt : τ ijt = − ρ u 'i u ' j (2.20) Trong mô hình dịng rối nhớt, ten sơ ứng suất nhớt mơ tả sau: τ ijt = µ t ∂ j ui (2.21) Tùy theo cách mơ tả µt mà người ta đưa mơ hình dịng rối khác Các mơ hình thường phân biệt theo số phương trình cần thiết để mơ tả µt Trên sở yêu cầu toán khả tính tốn máy tính có, NCS lựa chọn loại mơ hình “hai phương trình” để mơ tính tốn khí động học vỏ xe khách 2.2 Mơ khí động học vỏ xe ANSYS - FLUENT NCS sử dụng mơ đun FLUENT phần mềm chun dụng ANSYS để mơ phỏng, tính tốn khảo sát dịng khí bao quanh vỏ xe nghiên cứu luận án Mơ hình tính tốn ñược lựa chọn “SST k - ω” ðể giải tốn, NCS xây dựng mơ hình 3D, lựa chọn vùng khơng gian mơ phỏng, chia lưới, đặt điều kiện biên ràng buộc tính tốn cuối tiến hành chạy chương trình, xuất xử lý kết Kết tính tốn xuất dạng số liệu gồm lực mô men theo phương hình ảnh phân bố áp suất, vận tốc đường dịng Từ giá trị lực cản tính được, người ta xác định hệ số cản Cx theo công thức: Cx = Fx ρV A (2.42) Trong đó: V vận tốc dịng chảy (m/s); A diện tích (m2); ρ mật độ khơng khí (kg/m3) Chương NGHIÊN CỨU KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH BẰNG PHẦN MỀM ANSYS-FLUENT 3.1 Phương pháp nghiên cứu Phần trình bày việc mơ phỏng, tính tốn khảo sát hình dạng khí động học vỏ xe ô tô chở khách phần mềm ANSYS - FLUENT nhằm ñưa ñề xuất cải thiện hợp lý Tiêu chí để đánh giá hệ số cản khơng khí Cx Các nội dung ñã thực sau: - Lựa chọn mẫu xe khách lắp ráp nước THACO KB120LSI (hình 3.2) làm xe sở Tiến hành mơ khí động học vỏ xe sở này, phân tích đánh giá chất lượng khí động học - Sử dụng mơ hình sở dạng hộp chữ nhật (hình 3.1) để khảo sát ảnh hưởng thơng số hình học tới tính chất khí ñộng học nhằm ñưa giải pháp cải thiện - Trên sở kết cấu vỏ xe tham khảo kết khảo sát trên, lựa chọn thơng số hình học để tạo nên vỏ xe với hệ số cản khí động nhỏ mà ñảm bảo ñược yêu cầu cốt yếu vỏ xe khách (khơng gian sử dụng, bố trí nội thất trang thiết bị, tính thẩm mỹ, …) - Khảo sát đánh giá mơ hình vỏ xe ñược lựa chọn ñây so sánh với vỏ xe sở ðể thực mô tính tốn ANSYS, NCS sử dụng phần mềm ANSYS (có quyền) hệ thống máy tính mạnh Trung tâm Phát triển Ứng dụng Phần mềm công nghiệp (DASI), Trường ðHBK Hà Nội ðồng thời, NCS nhận ñược ý kiến tư vấn chuyên môn chuyên gia phần mềm giàu kinh nghiệm DASI α β R1 L1 L2 R1 γ 1900 γ Chiều tiến xe R4 R1 R1 R2 R3 R3 R5 R L3 R3 R3 R5 R5 Hình 3.1 - Các thơng số khảo sát biên dạng vỏ xe Hình 3.7 - Phân bố áp suất bề mặt vỏ xe Hình 3.8 - Phân bố áp suất mặt phẳng ñối xứng dọc xe Hình 3.10 - Phân bố vận tốc mặt phẳng đối xứng dọc vỏ xe Hình 3.12 - ðường dòng mặt phẳng trung tuyến dọc vỏ xe 3.3 Khảo sát ảnh hưởng thông số kết cấu tới khí động học vỏ xe ðể xác định quy luật ảnh hưởng thơng số kết cấu tới lực cản khí động, luận án tiến hành khảo sát thông số mơ hình vỏ xe dạng hộp chữ nhật Trên sở kết khảo sát, luận án ñề xuất lựa chọn thơng số để tạo thành vỏ xe có dạng khí động học tốt so với vỏ xe sở (Cx = 0,48) Các kết cho thấy, ñối với dạng vỏ xe khảo sát, thơng số góc nghiêng kính chắn gió phía trước α, bán kính góc lượn R4, R5 thông số ảnh hưởng nhiều tới hệ số cản Cx (hình 3.15, 3.40, 3.47), thơng số cịn lại ảnh hưởng khơng đáng kể tới hệ số Cx (ví dụ hình 11 3.20) So sánh hình ảnh thay đổi phân bố áp suất xung quanh vỏ xe giá trị áp suất chứng giúp giải thích thay ñổi giá trị lực cản Fx, dẫn đến có thay đổi Cx (Ví dụ hình 3.16, 3.17, hình 3.45, 3.46 hình 3.51, 3.52 giải thích cho thay đổi Cx hình 3.15, 3.40 3.47 tương ứng) 1.2 0.8 Cx 0.6 0.4 0.2 0 10 15 20 25 30 35 40 45 Góc nghiêng kính phía sau xe (độ) 50 Hình 3.20 - Ảnh hưởng góc nghiêng kính phía sau xe ñến hệ số cản Cx 1.1 0.9 0.8 0.7 0.6 Cx 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Góc nghiêng kính chắn gió phía trước (độ) Hình 3.15 - Ảnh hưởng góc nghiêng kính chắn gió phía trước ñến hệ số cản Cx 12 0.9 0.8 0.7 Cx 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Bán kính góc lượn kính chắn gió phía trước xe (mm) Hình 3.40 - Ảnh hưởng bán kính góc lượn kính chắn gió xe tới hệ số cản Cx 0.9 0.8 0.7 Cx 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000110012001300 Bán kính góc lượn thành trước hai thành bên (mm) Hình 3.47 - Ảnh hưởng bán kính góc lượn thành trước hai thành bên tới hệ số cản Cx 13 Hình 3.16 - Phân bố áp suất góc nghiêng kính chắn gió 0o Hình 3.17 - Phân bố áp suất góc nghiêng kính chắn gió 40o Hình 3.45 - Phân bố áp suất khơng có góc lượn kính chắn gió xe Hình 3.46 - Phân bố áp suất góc lượn kính chắn gió xe 2000 mm Hình 3.51 - Phân bố áp suất khơng có góc lượn thành trước hai thành bên Hình 3.52 - Phân bố áp suất góc lượn thành trước hai thành bên 1250 mm Trên sở kết khảo sát số liệu thống kê, tham khảo thông số số dạng vỏ xe thực tế, luận án lựa chọn thơng số dạng vỏ xe cải thiện Sau mơ khí ñộng vỏ xe cải thiện này, hệ số Cx thu 0,3671 Kết so sánh thơng số vỏ xe sở vỏ xe cải thiện ñược thể bảng 3.12 14 Bảng 3.12 - Các thơng số mơ hình xe khách tham khảo mơ hình cải thiện luận án Thơng số Vỏ xe tham khảo Vỏ xe cải thiện luận án Α 12o 12o Β 7o 10o γ 0o 5o (khoảng cách vát 1,9 m) R1 180 mm 250 mm R2 180 mm 150 mm R3 180 mm 150 mm R4 400 mm 600 mm R5 180 mm 250 mm Cx 0,4800 0,3671 Có thể nhận thấy vỏ xe cải thiện có hệ số Cx giảm nhiều so với vỏ xe sở (khoảng 23,52%) ðể ñánh giá tính ổn định độ tin cậy kết tính tốn mơ khí động học vỏ xe ô tô khách phần mềm ANSYS - Fluent, NCS tiến hành mơ mơ hình vỏ xe cải thiện vận tốc dịng khí khác (từ 10 m/s (tương ñương với 36 km/h) ñến 35 m/s (tương ñương với 126 km/h) với bước nhảy vận tốc m/s Các kết tính tốn thể dạng số bảng 3.11 ñồ thị hình 3.59 Bảng 3.11-Lực cản Fx hệ số Cx mơ hình vỏ xe cải thiện Vkk (m/s) Fx (N) Cx 10 15 20 25 30 35 -217,45 -486,71 -868,74 -1348,69 -1948,78 - 2648,88 0,3686 0,3667 0,3682 0,3658 0,3671 0,3666 ðể xác ñịnh quy luật phụ thuộc lực cản khơng khí theo vận tốc thu từ kết tính tốn mơ phỏng, NCS tiến hành vẽ ñồ thị theo quy luật lý thuyết ñã biết: ܨ௫ ൌ ߩܥ௫ ܸܣଶ 15 Trong đó: Cx = 0,367 (giá trị trung bình tính từ kết mơ phỏng); Diện tích cản diện: A = 9,635 m2 (lấy từ kết mơ phỏng); Mật độ khơng khí: ρ = 1,225 kg/m3 3000 Fx 2500 2000 1500 Mô Công thức 1000 500 0 10 20 30 40 V (m/s) Hình 3.59 - ðồ thị Fx theo vận tốc chuyển động dịng khí Kết tính tốn theo cơng thức lý thuyết ñược thể dạng ñồ thị (ñường ñỏ với điểm vng mầu vàng) hình 3.59 với kết tính tốn mơ Fluent (các điểm hình thoi xanh thẫm) vẽ từ bảng 3.11 Sự so sánh ñây cho thấy ñộ tin cậy kết tính tốn mơ phần mềm ANSYS - Fluent Chương NGHIÊN CỨU KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH TRONG ỐNG KHÍ ðỘNG 4.1 Mục ñích phương pháp nghiên cứu 4.1.1 Mục ñích Mục ñích việc nghiên cứu khí ñộng học vỏ xe khách ống khí động đo lực tác ñộng lên mẫu vỏ xe khách ống khí ñộng để từ tính hệ số cản Cx so sánh với kết tính tốn mơ hình mơ 4.1.2 Phương pháp nghiên cứu 16 Nghiên cứu ñược thực với ống khí động OT1 Phịng thí nghiệm khí động học Viện kỹ thuật Phịng Khơng - Khơng Qn Ống khí động có kích thước buồng thử (mm): 3800 x 2000 x 1400, vận tốc thử tối đa: 40 m/s Kích thước mẫu thử lựa chọn theo thông số ống thử vào lý thuyết tương tự Luận án ñã lựa chọn mẫu thử với tỷ lệ thu nhỏ 1:40 Luận án ñã thực bước nghiên cứu sau: − ðo lực tác động lên mơ hình mẫu vỏ xe tỷ lệ 1:40 ống khí động, sở xác định lực cản khí động Fx, từ xác định hệ số lực cản khơng khí Cx − Mơ mơ hình vỏ xe tơ khách ống khí động Fluent với điều kiện hồn tồn giống điều kiện thí nghiệm, tính tốn xác định lực cản tác động lên mơ hình vỏ xe Fx hệ số Cx − So sánh kết thí nghiệm với kết tính tốn lý thuyết ñánh giá ñộ tin cậy phương pháp luận độ xác mơ hình tính tốn 4.2 Thực thí nghiệm 4.2.1 Trang thiết bị bố trí trang thiết bị thí nghiệm Sơ đồ ống khí động mơ tả hình 4.1 Ống khí động gồm đường ống dẫn khí, động dẫn động quạt gió khoang thử (cịn gọi buồng thử) dành cho việc bố trí mẫu xe thí nghiệm với thiết bị ño lường ðể tạo hiệu ứng mặt đường cho thí nghiệm, NCS tiến hành lắp sàn gỗ phẳng dày 10mm phía gầm mơ hình Kích thước sàn lựa chọn cho khơng gây nhiễu động cho dịng chảy khơng khí phía trước xe, tương tự lựa chọn khơng gian mơ trình bày chương (mục 2.3.3) 17 Hình 4.1 Sơ đồ ống khí động kết nối thiết bị thí nghi nghiệm - ðộng cơ; - Ống khí động; - Các cảm biến đo vận tốcc dịng khí; - Mẫu thí nghiệm; - Cân khí động; - Bộ chuyển đổi tín hiệu vậnn ttốc dịng khí; Thiết bị hiển thị vận tốc dịng khí; - Bộ chuyển đổii tín hi hiệu thu ñược từ cân khí ñộng; - Bộ xử lý tín hiệu nhận từ cân khí đđộng; 10 - Máy tính hiển thị xử lý kết quả; 11 - Lưới hướng dịng; 12 - Lướii ổn định dịng Việc gá đặt mẫu thử lên giá thể hình 4.11 Hình 4.11 Gá đặt mẫu thí nghiệm thiết bị ño khoang th thử 18 4.2.2 Thực thí nghiệm ðể loại trừ ảnh hưởng hệ thống gá ñặt mẫu thử NCS ñã tiến hành thí nghiệm cho hai trường hợp: - Thí nghiệm 1: tiến hành đo khơng có mẫu thử để ño lực tác dụng lên giá ñỡ sàn - Thí nghiệm 2: tiến hành đo với mẫu thử lắp giá ñỡ ñể xác ñịnh 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 Thí nghiệm tiến hành với chế ñộ vận tốc sau: 20m/s, 25m/s, 30m/s 35m/s Các kết thí nghiệm ñược thể bảng 4.2 Bảng 4.2 Kết thí nghiệm Vận tốc (m/s) 20 25 29 34 6.95 10.89 13.745 18.002 0.4025 0.4148 0.366 0.379 Lực cản Fx (N) Hệ số cản Cx ðể ñánh giá kết thí nghiệm, NCS lấy giá trị trung bình hệ số Cx đo để tính tốn lực cản Fx theo công thức: ଵ ܨ௫ ൌ ܥ௫ ܸߩܣଶ ଶ (4.4) Trong đó: Cx = 0,39 (giá trị trung bình đo được); Diện tích cản diện: A = 0,035 m2 (xác định theo mẫu thí nghiệm); Mật độ khơng khí: ρ = 1,225 kg/m ; Với vận tốc dịng khí biến thiên từ - 35 m/s, kết tính tốn thu thể hình 4.14 đường parabol 19 25 Fx (N) 20 15 Theo (4.4) Thí nghiệm 10 0 10 15 20 25 30 35 40 V (m/s) Hình 4.14 Quy luật biến thiên lực cản theo vận tốc Trên đồ thị cịn thể giá trị lực cản Fx đo từ kết thí nghiệm (theo bảng 4.2) ðồ thị cho thấy, kết thí nghiệm tn theo quy luật biết: lực cản khí động tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc So sánh coi minh chứng ñộ tin cậy ñộ xác kết đo 4.3 Mơ thí nghiệm ống khí động Luận án thực mơ thí nghiệm ống khí động ANSYS - FLUENT theo quy trình phương pháp hồn tồn giống trình bày chương Bảng 4.5 Kết thí nghiệm kết tính tốn mơ mơ hình tỷ lệ 1:40 ống khí ñộng Vận tốc (m/s) Lực cản Fx (N) Thực Tính tốn nghiệm Hệ số cản Cx Thực Tính tốn nghiệm 20 6,2024 6,95 0,367 0,4025 25 9,6503 10,89 0,366 0,4148 29 12,9533 13,745 0,3577 0,366 34 17,7933 18,002 0,3695 0,379 0,36505 0,390575 Giá trị trung bình 20 Sai lệch hệ số Cx (%) 6,53 ðể so sánh kết thí nghiệm với kết mơ thí nghiệm máy tính, điều kiện tính tốn mơ ñược lựa chọn giống hoàn toàn với ñiều kiện thực nghiệm Trong bảng 4.5 thể kết tính tốn mơ mẫu vỏ xe ống khí động với kết thí nghiệm Các kết ñược thể trực quan ñồ thị hình 4.21 4.22 Fx (N) 20 18 16 14 12 10 Mô Thí nghiệm 15 20 25 30 35 V (m/s) Hình 4.21 So sánh lực cản theo kết tính tốn mô thực nghiệm Cx 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 Mơ Thí nghiệm 15 20 25 30 35 V (m/s) Hình 4.22 So sánh Cx theo kết tính tốn mơ thực nghiệm 21 Với kết nêu trên, việc sử dụng phần mềm ANSYS - Fluent với mơ hình “SST k - ω” để mơ dịng khí chuyển ñộng bao quanh vỏ xe khách hoàn toàn khả thi với kết thu ñược ñảm bảo ñộ xác tin cậy KẾT LUẬN Luận án ñã sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS - Fluent để nghiên cứu khí động học vỏ xe tơ khách cỡ lớn sản xuất Việt Nam Bài toán ñược 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”, NCS ñã xây dựng mơ hình mơ vỏ xe tơ khách 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 THACO KB120LSI ñã cho hệ số Cx = 0,48, nghĩa vỏ xe có hình dạng khí động học tốt Tuy nhiên, hình ảnh phân bố áp suất, vận tốc đường dịng bao quanh vỏ xe cho thấy nhiều khiếm khuyết vỏ xe cần ñược cải thiện ñể giảm lực cản khí động NCS sử dụng mơ hình đơn giản dạng hộp chữ nhật để nghiên cứu, tính tốn, khảo sát xác định quy luật ảnh hưởng số thông 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, ñối với dạng vỏ xe khách cỡ lớn, bán kính góc lượn mặt trước xe (R4) bán kính góc lượn mặt trước hai mặt bên (R ) có ảnh hưởng lớn đến lực cản khí động Tuy nhiên, thơng số có ảnh hưởng lớn đến khơng gian xe đặc biệt tính thẩm mỹ, nên việc lựa chọn chúng cần ñược cân nhắc cách kỹ lưỡng 22 Trên sở kết khảo sát ảnh hưởng thông số kết cấu tới lực cản khí động qua phân tích kết cấu số loại vỏ xe ñang ñược sản xuất, NCS ñã ñề xuất lựa chọn thông số kết cấu nhằm cải thiện dạng khí động học để ñạt ñược hệ số cản Cx 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 ñược cải thiện ñáng kể Hệ số cản Cx vỏ xe 0,3671, đồng thời hình ảnh dịng khí bao quanh vỏ xe cho thấy, dòng chảy bám sát vào vỏ kích thước vùng xốy giảm ñi nhiều ðể kiểm chứng ñộ tin cậy độ xác mơ hình tính tốn lý thuyết phần mềm ANSYS - Fluent, NCS ñã thực nghiên cứu khí động học mơ hình vỏ xe thu nhỏ tỷ lệ 1:40 ống khí động Các thí nghiệm tiến hành với vận tốc 20, 25, 29 34 m/s, kết thu ñược giá trị trung bình hệ số cản Cx = 0,39 ðồng thời, NCS thực mơ mơ hình vỏ xe ống khí động Fluent với thơng số điều kiện giống hệt thí nghiệm Kết tính tốn mơ giá trị vận tốc cho giá trị trung bình hệ số Cx 0,365 Như vậy, độ chênh lệch kết tính tốn mơ kết đo đạc thí nghiệm điều kiện 6,5% Mức sai số lớn chấp nhận xét đến giả thiết đưa xây dựng mơ hình Hơn nữa, thiết bị thí nghiệm có sai số ñịnh Các kết nghiên cứu luận án hình thành phương pháp đánh giá khí động học vỏ xe khách, hồn tồn khả thi ñiều kiện Việt Nam Nếu ñược tiếp tục hồn 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 ðiều có ý nghĩa quan trọng, giảm lực cản đồng nghĩa với việc giảm mức tiêu hao nhiên liệu giảm phát thải ñộc hại môi trường Các hướng nghiên cứu phát triển: 23 Dựa kết nghiên cứu Luận án, NCS ñề 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, mơ tả chuyển động tương đối vỏ xe mặt ñường,…; - Nghiên cứu ảnh hưởng lực nâng, ảnh hưởng gió ngang tới tính ổn định chuyển động tơ, đặc biệt tơ có chiều cao lớn (xe khách giường nằm) 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ðà CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Tung To Hoang, Hoan Nguyen Trong, Hai Ho Huu (2009) Using Fluent to simulate the air-flow around body of coach manufactured in Vietnam, The 15th Asia Pacific Automotive Engineering Conference - APAC15, APAC 2009 Proceeding Volume 1, 26 - 28 October 2009, pp APAC15-257 Tơ Hồng Tùng, Nguyễn Trọng Hoan (2015) Nghiên cứu mối quan hệ hệ số cản khí động với thơng số bán kính góc lượn phía đầu xe ô tô khách cỡ lớn sản xuất Việt Nam phần mềm ANSYS-FLUENT, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số năm 2015, trang 102-106 Tơ Hồng Tùng, Nguyễn Trọng Hoan, Hồ Hữu Hải (2015) Nghiên cứu khí động học tơ phương pháp thí nghiệm ống khí động, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số năm 2015, trang 121-125 ... sĩ với ñề tài: ? ?Nghiên cứu cải thiện dạng khí ñộng học vỏ xe khách lắp ráp Việt Nam? ?? Luận án cơng trình nghiên cứu sâu khí động học tơ Việt Nam Các kết nghiên cứu Luận án góp phần bước tạo sở lý... nghiên cứu Luận án gồm nội dung sau: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Xây dựng mơ hình mơ khí động học vỏ xe khách Nghiên cứu khí động học vỏ tơ khách phần mềm ANSYS FLUENT Nghiên cứu khí động học vỏ xe. .. đề nghiên cứu luận án thực tế Việt Nam - Nghiên cứu chung khí động học khí động học tơ tìm hiểu xu hướng nghiên cứu, cơng trình nghiên cứu khí động học tơ giới, xác định khó khăn q trình thực nghiên