(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO, ỐNG KHÍ ĐỘNG VỊNG KÍN CỠ NHỎ VÀ HỆ THỐNG CÂN KHÍ ĐỘNG SÁU THÀNH PHẦN Sinh viên thực hiện: BIỆN VĂN THỌ Đà Nẵng – Năm 2019 TÓM TẮT Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ hệ thống cân khí động sáu thành phần Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Thuận Nguyễn Quang Cư Biện Văn Thọ Nguyễn Văn Đức Lớp: 15C4A, 15C4B Đồ án giới thiệu tính tốn thiết kế đường ống khí động vịng kín cỡ nhỏ, mơ lực tác động lên xe hoạt động, chế tạo cân khí động thành phần báo cáo kết đo đạc Các tính tốn lấy dựa theo phương pháp thiết kế J B.Barlow: “Low-Speed Wind Tunnel Testing” (tái lần 3) Các thành phần tính tốn thiết kế đường ống bao gồm buồng thử, ống phân kì, ống chuyển hướng dòng, ống gom tăng tốc dòng, buồng ổn định quạt Tốc độ gió tối đa qua buồng thử dự kiến 20 – 30 m/s Sau hoàn thành, đường ống dùng để đo thành phần khí động mơ hình với kích thước chắn khoảng 15x20 cm, giá trị cần đo thu nhờ cân khí động thành phần cảm biến chương trình xử lí (bằng Arduino) Các kết tiêu biểu thu hệ số cản biên dạng đơn giản mơ hình xe, hệ số nâng dạng cánh (airfoil), thành phần mô men tác dụng lên vật thể đặt dịng chảy Cụ thể với tơ, số đặc điểm khí động học phân bố áp suất, vận tốc phân tích nghiên cứu Các lực khí động học tác động lên mơ hình xe tính tốn so sánh với giá trị mô từ tác giả khác Một số thay đổi hình dáng xe cho thấy thay đổi phân bố vận tốc, áp suất lên xe, từ ảnh hưởng đáng kể đến hệ số cản hệ số nâng Qua đó, ta cải thiện hình dáng khí động học xe 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: Biện Văn Thọ Số thẻ sinh viên: 103150163 Lớp: 15C4A, 15C4B Khoa: Cơ khí Giao thơng Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Tên đề tài đồ án: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ hệ thống cân khí động sáu thành phần (Mơ phỏng, so sánh, kiểm nghiệm kết mô đo đạc ống khí động) Đề tài thuộc diện: ☒ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: Vận tốc tối đa dịng khí qua buồng thử < 40m/s Kích thước buồng thử 0.4 x 0.6 x 1.0( m) Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Chương 1: Tổng quan thành phần lực khí động tác dụng lên phương tiện 1.1 Lực cản khí động 1.2 Lực nâng khí động học 1.3 Lực bên khơng khí 1.4 Mơ men liệng (roll) 1.5 Mơ men rẽ hướng (yaw) 1.6 Mơ men chúc - ngóc (pitch) Chương 2: Tổng quan, giới thiệu đường ống khí động 2.1 Giới thiệu tổng quan đường ống khí động 2.2 Các điều kiện tương đồng thí nghiệm 2.3 Một số đường ống khí động thực tế Chương 3: Tính tốn thiết kế ống khí động 3.1 Tổng quan thành phần ống khí động, kích thước cơng dụng chúng 3.2 Thiết kế chế tạo ống khí động Chương 5: Thế tạo lắp ghép đường ống khí động 5.1 Buồng thử 5.2 Các ống phân kì 5.3 Ống chuyển hướng 5.4 Quạt 5.5 Buồng ổn định 5.6 Nón phễu Chương 7: Mô phỏng, so sánh, kiểm nghiệm kết mơ đo đạc ống khí động 7.1 Mơ dịng chảy, phân bố vận tốc áp suất, mơ hình xe Ahmed phần mềm Ansys Workbench 7.2 Mơ dịng chảy, phân bố vận tốc áp suất, rên xe mơ hình Ahmed thực nghiệm phần mềm Ansys Workbench 7.3 Mơ dịng chảy, phân bố vận tốc áp suất, xe mơ hình DrivAer phần mềm Ansys Workbench 7.4 Mơ dịng chảy, phân bố áp suất, mơ hình xe DrivAer thực nghiệm mơ hình Ansys Workbench Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): Bản vẽ mơ hình tơ Ahmed (01A3) Bản vẽ mơ hình tơ DrivAer (fastback) (01A3) Bản vẽ mơ hình tơ DrivAer (estateback) (01A3) Bản vẽ mơ hình tơ DrivAer (notchback) (01A3) Họ tên người hướng dẫn: Phan Thành Long Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 02/09/2019 Ngày hoàn thành đồ án: 18/12/2019 Đà Nẵng, ngày18 tháng 12 năm 2019 Trưởng Bộ môn Người hướng dẫn PGS.TS Dương Việt Dũng TS Phan Thành Long Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ hệ thống cân khí động sáu thành phần LỜI NÓI ĐẦU Gần đây, khái niệm "Cách mạng Công nghiệp 4.0" nhắc đến nhiều truyền thơng mạng xã hội Cùng với hứa hẹn "đổi đời" doanh nghiệp Việt Nam đón sóng Và doanh nghiệp ô tô không ngoại lệ, với phát triển nhiều nhà máy lắp ráp ô tô Trường Hải, Toyota, Ford… Đặc biệt, đời Vinfast ghi danh Việt Nam đồ ngành công nghiệp chế tạo xe giới Điều buộc kỹ sư ngành ô tơ phải tích cực nghiên cứu, tìm tịi, học hỏi công nghệ mới, thiết kế, cải tạo ô tô cũ để phù hợp với nhu cầu Ngày nay, mẫu xe đời, điều mà nhiều người quan tâm kiểu dáng tiết kiệm nhiên liệu, góp phần bảo vệ mơi trường Do đó, việc thiết kế mẫu xe có kiểu dáng bắt mắt, hình dáng khí động học tốt điều cần thiết Mặc dù việc mơ q trình học – thủy khí trở nên xác dễ dàng hết, việc có thiết bị thí nghiệm trực quan đường ống khí động cần thiết Trong đồ án này, em trình bày trình tính tốn thiết kế đường ống khí động cỡ nhỏ vịng kín, đo thành phần khí động phương tiện (vật thể) phục vụ cho giảng dạy thí nghiệm Trong q trình nghiên cứu, đánh giá, em khơng thể tránh khỏi sai sót Vì vậy, mong thơng cảm đóng góp ý kiến quý thầy cô giáo bạn Để hoàn thành đồ án này, trước hết em xin tỏ lòng biết ơn đến TS Phan Thành Long tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em suốt trình học tập thực đồ án Em chân thành cảm ơn thầy cô môn Thủy khí Kỹ thuật Tàu thủy cho phép, tạo điều kiện cung cấp sở vật chất, trang thiết bị cần thiết để chúng em thực đồ án Một lần em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS Phan Thành Long toàn thể quý thầy giáo khoa Cơ khí Giao thơng bạn giúp đỡ em nhiều trình thực Đồ án Đà Nẵng, ngày 16 tháng 12 năm 2019 Nhóm sinh viên thực Nguyễn Phan Thuận, Nguyễn Văn Đức Nguyễn Quang Cư, Biện Văn Thọ SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long i Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ hệ thống cân khí động sáu thành phần CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan đề tài tốt nghiệp tơi Đề tài hồn thành sau q trình nghiên cứu, tính tốn tơi Các số liệu, hình vẽ sử dụng đồ án có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định Nếu không trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm đề tài Sinh viên thực Biện Văn Thọ SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long ii Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ hệ thống cân khí động sáu thành phần MỤC LỤC TĨM TẮT NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU i CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ v DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THÀNH PHẦN LỰC KHÍ ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN PHƯƠNG TIỆN 1.1 Lực cản khí động 1.2 Lực nâng khí động học 1.3 Lực bên khơng khí 1.4 Mô men liệng (roll) 1.5 Mô men rẽ hướng (yaw) 1.6 Mô men chúc - ngóc (pitch) Chương 2: TỔNG QUAN, GIỚI THIỆU VỀ ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG .8 2.1 Giới thiệu tổng quan đường ống khí động 2.1.1 Cơng dụng đường ống khí động .8 2.1.2 Lịch sử ống khí động 2.1.3 Phân loại: .9 2.2 Các điều kiện tương đồng thí nghiệm 10 2.3 Một số đường ống khí động thực tế: .11 2.3.1 Đường hầm khí động National Transonic Facility 11 2.3.2 National Full-scale Aerodynamic Complex (NAFC) 12 Chương 5: CHẾ TẠO VÀ LẮP GHÉP ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG .14 5.1 Buồng thử 14 5.2 Các ống phân kì 15 5.3 Ống chuyển hướng 16 5.4 Quạt 18 5.5 Buồng ổn định (tổ ong) 19 5.6 Nón phễu 21 Chương 7: MÔ PHỎNG, SO SÁNH, KIỂM NGHIỆM CÁC KẾT QUẢ GIỮA MÔ PHỎNG VÀ ĐO ĐẠC BẰNG ỐNG KHÍ ĐỘNG 22 7.1 Mơ dịng chảy, phân bố vận tốc áp suất, mơ hình xe Ahmed phần mềm Ansys Workbench 22 7.1.1 Giới thiệu mơ hình 22 7.1.2 Các giả thiết giới hạn nghiên cứu tốn mơ 23 SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long iii Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ hệ thống cân khí động sáu thành phần 7.1.3 Tính tốn, thiết lập thơng số tốn mơ phần mềm Ansys Workbench 23 7.1.4 Kết mô 38 7.2 Mơ dịng chảy, phân bố vận tốc áp suất, mơ hình xe Ahmed thực nghiệm phần mềm Ansys Workbench 41 7.2.1 Giới thiệu mô hình 41 7.2.2 Tính tốn xác định vùng không gian mô 41 7.2.3 Xây dựng mơ hình lưới mơ 42 7.2.4 Tính tốn, thiết lập thơng số tốn mơ phần mềm Ansys Workbench 43 7.2.5 Kết mô 44 7.3 Mơ dịng chảy, phân bố vận tốc áp suất, mơ hình xe DrivAer phần mềm Ansys Fluent .47 7.3.1 Giới thiệu mơ hình 47 7.3.2 Các giả thiết giới hạn nghiên cứu tốn mơ 47 7.3.3 Tính tốn, thiết lập thơng số tốn mơ phần mềm Ansys Workbench 48 7.3.4 Kết mô 54 7.4 Mơ dịng chảy, phân bố vận tốc áp suất, mơ hình xe DrivAer thực nghiệm phần mềm Ansys Workbench .56 7.4.1 Xây dựng mơ hình mơ 56 7.4.2 Tính tốn xác định vùng khơng gian mơ 57 7.4.3 Xây dựng mô hình lưới mơ 58 7.4.4 Tính tốn, thiết lập thơng số tốn mơ phần mềm Ansys Workbench 61 7.4.5 Kết mô 62 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 67 SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long iv Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ hệ thống cân khí động sáu thành phần DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Danh sách bảng: BẢNG 2.1 Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới mơ hình tơ BẢNG 7.1 Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới mơ hình Ahmed BẢNG 7.2 Bảng giá trị số mô hình k-ω SST BẢNG 7.3 Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới mơ hình Ahmed thực nghiệm BẢNG 7.4 Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới mơ hình DrivAer BẢNG 7.5 Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới mơ hình DrivAer thực nghiệm Danh sách hình vẽ: HÌNH 1.1 Lực cản tác dụng lên phía đầu xe HÌNH 1.2 Hình dạng cánh máy bay chịu tác dụng lực nâng HÌNH 1.3 Máy bay cánh nhờ lực nâng HÌNH 1.4 Lực bên tác dụng lên tàu cao tốc HÌNH 1.5 Lực bên tác động lên tơ lúc chạy qua vùng có gió ngang HÌNH 1.6 Trục Roll thể tơ HÌNH 1.7 Sơ đồ minh họa lực tác dụng momen yaw HÌNH 1.8 Thay đổi momen ngóc (Pitch) máy bay HÌNH 2.1: Một xe với kích thước thật đặt đường hầm khí động HÌNH 2.2: Ứng dụng đường ống khí động lĩnh vực khác HÌNH 2.3: Ống khí động loại hở HÌNH 2.4: Ống khí động loại vịng kín HÌNH 2.5: Góc nhìn từ cao bên National Transonic Facility HÌNH 2.6: Bên buồng thử NAFC HÌNH 2.7: Góc nhìn từ cao khu phức hợp HÌNH 5.1 Mặt trước buồng thử làm suốt, dạng cửa mở lên/xuống HÌNH 5.2 Phần đáy buồng thử với cấu cân khí động HÌNH 5.3 Buồng thử với thiết bị đo đạc mẫu thử bên HÌNH 5.4 Ống phân kì q trình chế tạo HÌNH 5.5 Ống phân kì sau hồn thiện HÌNH 5.6 Các xương cắt theo biên dạng khung xương ghép từ nhiều xương HÌNH 5.7 Các cánh nắn dịng sau hồn thiện HÌNH 5.8 Ở mép gắp pát chữ L để định vị vào ống chuyển hướng HÌNH 5.9 Các cánh định vị phần vỏ ống chuyển hướng HÌNH 5.10 Mặt nối vng – trịn vào quạt HÌNH 5.11 Quạt HÌNH 5.12 Các sóng tole HÌNH 5.13 Các sóng tole SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long v Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ hệ thống cân khí động sáu thành phần HÌNH 5.14 Cấu trúc tổ ong buồng ổn định sau hồn thành HÌNH 5.15 Nón phễu sau hồn thành HÌNH 7.1 Xe Ahmed HÌNH 7.2 Trình tự mơ động lực học Fluid Flow (Fluent) HÌNH 7.3 Mơ hình 3D xe Ahmed HÌNH 7.4 Giới hạn vùng khơng gian mơ tiêu ch̉n mơ hình tơ HÌNH 7.5 Một số dạng dịng chảy ngược HÌNH 7.6 Giới hạn vùng tính tốn mơ thiết lập HÌNH 7.7 Các dạng phần tử lưới [28] HÌNH 7.8 Đồ thị thể giá trị biên y+ ứng với trạng thái dịng chảy [34] HÌNH 7.9 Mơ hình lưới mơ HÌNH 7.10 Chế độ mơ HÌNH 7.11 Giá trị mơ chất khí HÌNH 7.12 Điều kiện biên vào (Inlet-velocity) HÌNH 7.13 Điều kiện biên (Outlet-pressure) HÌNH 7.14 Thiết lập phương pháp giải HÌNH 7.15 Cài đặt Run Calculation HÌNH 7.16 Hệ số cản mơ hình tơ vận tốc 30 m/s HÌNH 7.17 Trường phân bố áp suất bề mặt mơ HÌNH 7.18 Trường phân bố áp suất mặt cắt dọc đối xứng mơ HÌNH 7.19 Trường phân bố vận tốc mặt cát dọc đói xứng mơ hình tơ số lực cản Cd HÌNH 7.20 Đường dịng bao quanh mơ hình HÌNH 7.21 Mơ hình xe Ahmed thử nghiệm HÌNH 7.22 Giới hạn vùng tính tốn mơ thiết lập HÌNH 7.23 Mơ hình lưới mơ hình HÌNH 7.24 Hệ số cản mơ hình tơ vận tốc 30 m/s HÌNH 7.25 Trường phân bố áp suất bề mặt mơ hình tơ HÌNH 7.26 Trường phân bố áp suất mặt cắt dọc đối xứng mơ hình tơ HÌNH 7.27 Trường phân bố vận tốc mặt cắt dọc đối xứng mơ hình tơ HÌNH 7.28 Đường dịng bao quanh mơ hình HÌNH 7.29 Xe DrivAer HÌNH 7.36 Sự khác mẫu xe DrivAer F-Fastback; E-Estate back; N-Notchback HÌNH 7.37 Mơ hình 3D xe DrivAer HÌNH 7.30 Giới hạn vùng tính tốn mơ thiết HÌNH 7.31 Đồ thị thể giá trị biên y+ ứng với trạng thái dịng chảy [34] HÌNH 7.32 Mơ hình lưới mơ 3D HÌNH 7.33 Các mơ hình lưới mơ HÌNH 7.34 Trường phân bố áp suất bề mặt mơ hình tơ HÌNH 7.35 Trường phân bố áp suất mặt cắt dọc đối xứng mơ hình tơ HÌNH 7.36 Trường phân bố vận tốc mặt cắt dọc đối xứng mơ hình tơ HÌNH 7.37 Đường dịng bao quanh mơ hình HÌNH 7.38 Xe DrivAer thực nghiệm HÌNH 7.39 Mơ hình 3D xe DrivAer thực nghiệm HÌNH 7.40 Mơ hình lưới mô SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long vi Hình 7.35 Trường phân bố áp suất mặt cắt dọc đối xứng mơ hình tơ 7.3.4.2 Trường phân bố vận tốc Hình 7.36 Trường phân bố vận tốc mặt cắt dọc đối xứng mơ hình tơ 7.3.4.3 Đường dịng chất lưu Hình 7.37 Đường dịng bao quanh mơ hình SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 55 Đường dịng bao quanh mơ hình thể rõ ràng hình 7.50 Cường độ xốy dịng khơng khí phía sau Dịng khơng khí khỏi mơ hình tơ có tượng tách dịng khí, phần bị kết thúc đột ngột phần tách thành lớp biên xảy trước đó, áp suất điểm tách rời giảm xuống, làm cho số dịng khí khơng phía sau mà ngược lại lại có hướng xốy vào tơ, vào tơ bị chặn lại Chính dịng khơng khí làm cho tơ ln có xu hướng bị kéo phía sau Hiện tượng tách rời lớp biên thể rõ hình 7.20 Điểm bắt đầu tách rời lớp biên phần tiếp giáp đuôi xe Khi ô tô vận hành đường luồng khơng khí thứ từ mũi xe lên phía trần xe kéo dài phía sau xe, luồng khơng khí thứ hai xuống phía gầm xe sau xe Hai dịng khơng khí gặp phía xe tạo thành tượng xốy làm cho tơ ln có xu hướng bị kéo phía sau, làm tăng hệ số lực cản Cd Từ kết mô cho ta thấy, hệ số cản Cd ô tô không khác biệt nhiều so với tác giả khác, kết tính tốn mơ so giá trị tham khảo có sai số khoảng 10% Hệ số cản Cd chủ yếu gây chênh áp Kết hợp với kết thực tế cho thấy kết mơ xác Tuy có thay đổi hệ số cản Cd thay đổi nhỏ chấp nhận được, nguyên nhân có sai số dao động phần tử khí mơ nên sinh sai số sai số biên dạng ô tô mô so với ô tô thực Vậy, mơ hình mơ xây dựng tin cậy sử dụng để so sánh hiệu chỉnh kết đo ống khí động 7.4 Mơ dịng chảy, phân bố vận tốc áp suất, mơ hình xe DrivAer thực nghiệm phần mềm Ansys Workbench 7.4.1 Xây dựng mơ hình mơ Mơ hình thực nghiệm DrivAer sử dụng đồ án có kích thước cho tiết diện cản ≤ 10% tiết diện buồng thử ống Tunnel Hình dạng chi tiết mơ hình thể Hình 7.39 Chiều dài (L), chiều cao (H) chiều rộng (W) mơ hình xe Ahmed 250mm, 76mm 97mm Mơ hình 3D tơ mơ xây dựng dựa thơng số kích thước phần mềm Catia P3 V5R21 SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 56 Hình 7.38 Xe DrivAer thực nghiệm Hình 7.39 Mơ hình 3D xe DrivAer thực nghiệm 7.4.2 Tính tốn xác định vùng khơng gian mơ Miền giới hạn tính tốn mơ giới hạn không gian ống tunnel giả định tạo thành hình hộp có kích thước sau: - Chiều rộng vùng khơng gian mơ có độ lớn: (6÷8).B = (6÷8).97 = (582÷776) [mm] Ta chọn giá trị 600 [mm] = 0,6 [m] - Chiều cao vùng khơng gian mơ có độ lớn: (2÷4).H = (2÷4).76 = (152÷304) [mm] Ta chọn giá trị 300 [mm] = 0.3 [m] - Chiều dài vùng không gian mô có độ lớn: SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 57 (5÷8).L = (5÷8).250 = (1250÷2000) [mm] Ta chọn giá trị 1600 [mm] = 1,6 [m] - Chiều dài vùng không gian mô phía trước đầu xe có độ lớn: (2÷3).L = (2÷3).250 = (500÷750) [mm] Ta chọn giá trị 600 [mm] = 0,6 [m] - Chiều dài vùng không gian mô phía sau xe có độ lớn: (3÷5).L = (3÷5).250 = (750÷1250) [mm] Ta chọn giá trị 1000 [mm] = [m] Do mơ hình khảo sát có tính đối xứng qua mặt phẳng thẳng đứng, ta sử dụng thuộc tính đối xứng phần mềm để khảo sát mơ hình 1/2 nhằm giảm khối lượng tính tốn đảm bảo độ xác 7.4.3 Xây dựng mơ hình lưới mơ a Đánh giá lựa chọn kiểu phần tử lưới Ở đây, vỏ ô tô du lịch mặt cong phức tạp nên ta ưu tiên chọn lưới tứ diện cho mơ hình mơ Khối khí bên ngồi sử dụng phần tử tứ diện bậc (tet 4) Ưu điểm phần tử mô tất mặt cong chiều Bề mặt tiếp xúc khối khí vỏ xe sử dụng phần tử lăng trụ tam giác bậc (wed 6) Với dạng phần tử lăng trụ tam giác biểu diễn tiếp xúc phần tử khí với vỏ xe (dịng khí lớp biên theo lớp xếp chồng lên nhau) b Tính tốn cải thiện độ xác CFD với độ phân giải lưới xác Điều quan trọng cấu trúc lưới gần tường giới hạn có kích thước phù hợp để đảm bảo mơ xác trường dịng chảy Tính tốn chiều cao ô lưới khỏi lớp biên bề mặt vỏ tơ dịng khơng khí cần thiết để đạt y+ theo yêu cầu cách sử dụng lý thuyết lớp biên phẳng Để tốn mơ có độ xác tin cậy lưới phải có chất lượng tốt, yếu tố ảnh hưởng y+ hàm y+ hệ số tác động dòng chảy rối dịng chảy tầng Hàm y+ tính sau [34]: y+ = ρ.U τ Δ y1 (7-14) μ Trong đó: y+ - Biên thành y+ ρ - Khối lượng riêng khơng khí, ρ = 1,225 [kg/m3] Uτ - Vận tốc ma sát bề mặt tiếp xúc dịng khơng khí với bề mặt tơ, [m/s] Δ y1 - Chiều cao trọng tâm ô lưới đầu tiên, [m] μ - Hệ số độ nhớt động lực học, μ = 1,7894.10-5 [N.s/m2] • y+ < SV thực hiện: Biện Văn Thọ Lớp chảy tầng sát thành (biên nhớt) GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 58 • < y+ < 30 Lớp trung gian • 30 < y+ < 500 Lớp chảy rối hoàn toàn Dịng khơng khí chảy bề mặt lớp biên bề mặt vỏ tơ khối khí dịng chảy tầng mơ hình rối ta chọn mơ hình k-ω-SST nên ta lựa chọn y+ theo [34]: • y+ < Lớp chảy tầng sát thành • y+ < Lớp biên mơ hình SST (Số Reynolds thấp) • y+ < Lớp biên mơ hình k - ω (Số Reynolds thấp) Ta chọn y+ = 0,9 cho lớp biên thành Để tính tốn xác kích thước chiều cao lưới số lượng lớp lưới cần thực nhiều bước tính tốn với phương trình tốn học sau đây: Thơng số cần tính tốn số Reynolds [34]: Re = ρvL μ (7-15) Trong đó: Re - Số Reynolds v - Vận tốc chuyển động khối khí [m/s], v = 30 [m/s] L - Chiều dài đặc trưng [m], L = 0,25 [m] Re = 1,225.30.0,25 = 513440,259 = 0,5.106 -5 1,7894.10 Hệ số cản ma sát lớp bề mặt chảy tầng [34]: Cf = 0,058 R -0,2 e (7-16) Cf = 0,058 R -0,2 = 0,058 9473999,665−0,2 = 4,181 10−3 e Giá trị ứng suất tiếp ma sát [34]: τω = Cf.ρ.v2 (7-17) Trong đó: τω - Ứng suất tiếp ma sát [Pa] 2 τω = Cf.ρ.v2 = 4,181 10−3.1,225.302 = 2,305 [Pa] Vận tốc ma sát dịng khơng khí với bề mặt vỏ tơ tính tốn sau [34]: SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 59 Uτ = τω (7-18) ρ Uτ = 2,305 = 1,371 1, 225 Cuối cùng, ta tính tốn chiều cao trọng tâm lưới đầu tiên: ∆y1 = y + μ 0,9.1, 7894.10 −5 = = 9,589.10−6 [m] = 0.009589 [mm] 1, 225.1,371 ρ.Uτ Độ cao trọng tâm phần tử lưới thứ tính tốn dùng để xác định số lượng lớp lăng trụ, đồ án sử dụng lớp lăng trụ Trong cấu trúc mơ hình lưới ưu tiên lớp lăng trụ Nó định tính xác tốn Hình 7.40 Mơ hình lưới mơ SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 60 Bảng 7.5 Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới mơ hình DrivAer thực nghiệm Chỉ tiêu đánh giá Thơng số Số nút (Nodes) 1698574 Số phần tử (Elements) 6107443 Chất lượng phần tử (Element Quality) 68,76% Hệ số độ lệch so với phần tử tiêu chuẩn (Skewness) 0.21596 Hệ số chất lượng trực giao (Orthogonal Quality) 0.88244 Góc lớn (Maximum Corner Angle) 88.749° Độ lệch song song (Parallel Deviation) 3.4562 Độ cong vênh (Warping Factor) 0.0079959 Tỷ lệ khung hình (Aspect Ratio) 3.4774 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng rõ ràng cho mơ hình chia lưới hệ số độ lệch so với phần tử tiêu chuẩn (Skewness) hệ số chất lượng trực giao (Orthogonal Quality) Ở ta thấy mơ hình hai hệ số nằm vùng tốt (good) dải giá trị hệ số [31] 7.4.4 Tính tốn, thiết lập thơng số bài tốn mơ phần mềm Ansys Workbench Ta tiến hành bước tương tự mục 7.1.3 Trong phần Solver lựa chọn giải dựa áp suất Pressure-Based thuật toán độc lập Absolute với phương pháp rời rạc hóa theo thời gian Transient hộp thoại General Trong phần Materials chọn khí lý tưởng (air) dạng vật chất khảo sát với giá trị mặc định Mơ hình k-ω SST phù hợp với toán lựa chọn làm mơ hình rối để thực mơ - Điều kiện biên vào (Inlet-velocity): + Vận tốc vào v = 30 [m/s] = [108 km/h] + Cường độ rối I = [%] Bài tốn dịng chảy ống cường độ rối I = 1% ÷ 10% + Chiều dài đặc trưng rối L = 0,2 [m] - Điều kiện biên (Outlet-pressure): + Áp suất p = [Pa] SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 61 + Cường độ rối I = [%] Bài tốn dịng chảy ống cường độ rối I = 1% ÷ 10% + Chiều dài đặc trưng rối L = 0,1 [m] Điều kiện biên thành (wall), điều kiện biên đối xứng (symmetry) thiết lập mặc định sẵn có Trong phần Solution methods tiến hành thiết lập giải thuật tốn giải phân tích mục 7.1 Chọn giải thuật tốn SIMPLE để tính thơng số xe mơ hình Kết tốn hội tụ sai số nhỏ 10-5 Bài toán sử dụng cỡ bước thời gian số bước thời gian mơ để giải tốn là: Δt = 2e-03 [s], số bước chạy 1000 [bước] - Time Step Size: 2e-03 [s] Number of Time Step: 1000 - Max Iterations/Time Step: 50 Sau cài đặt hoàn tất, tiến hành cho chạy tốn mơ phân tích kết đạt sau q trình giải tốn kết thúc 7.4.5 Kết quả mơ Chạy chương trình mơ để lấy kết với số bước thời gian 1000 bước Sau kết thúc chương trình ta nhận giá trị hệ số lực cản khí động học mơ hình tơ Cd = 0.194 Hình 7.41 Hệ số cản mơ hình tơ vận tốc 30 m/s SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 62 7.4.5.1 Trường phân bố áp suất Hình 7.42 Trường phân bố áp suất bề mặt mơ hình ô tô Nhìn vào biểu đồ phân bố áp suất hình 7.42 phần mặt cản diện tơ ln vị trí có áp suất lớn Đây phần diện tích diện xe chịu tác động trực tiếp áp lực khối khí vào xe gây ra, vùng có áp suất ngăn cản tơ chuyển động phía trước Đồng thời dịng khí di chuyển dọc theo thân xe áp suất giảm dần phía sau, vùng có áp suất thấp hơn, áp lực tác dụng giảm Hơn nữa, chênh lệch áp suất phía trước phía sau thể hình 7.43 Phân bố vùng áp suất cao nằm cách đuôi xe khoảng cách xa có hai khu vực rõ rệt, phần áp suất thấp lại đuôi xe Phía xe khu vực có áp suất thấp khu vực trống, dịng khí có xu hướng di chuyển vào lấp đầy vùng trống xe di chuyển với vận tốc v hướng phía trước nên tạo vùng chân khơng hút dịng khí tạo thành dịng xốy lực kéo ngược chiều chuyển động xe Hình 7.43 Trường phân bố áp suất mặt cắt dọc đối xứng mơ hình tô SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 63 7.4.10.2 Trường phân bố vận tốc Hình 7.44 Trường phân bố vận tốc mặt cắt dọc đối xứng mơ hình tơ 7.4.10.3 Đường dịng chất lưu Hình 7.45 Đường dịng bao quanh mơ hình Đường dịng bao quanh mơ hình thể rõ ràng hình 7.45 Cường độ xốy dịng khơng khí phía sau Dịng khơng khí khỏi mơ hình tơ có tượng tách dịng khí, phần bị kết thúc đột ngột phần tách thành lớp biên xảy trước đó, áp suất điểm tách rời giảm xuống, làm cho số dịng khí khơng phía sau mà ngược lại lại có hướng xốy vào tơ, vào tơ bị chặn lại Chính dịng khơng khí làm cho tơ ln có xu hướng bị kéo phía sau Hiện tượng tách rời lớp biên thể rõ hình 7.45 Điểm bắt đầu tách rời lớp biên phần tiếp giáp xe Khi tơ vận hành đường luồng khơng khí thứ từ mũi xe lên phía trần xe kéo dài phía sau xe, luồng khơng khí thứ hai xuống phía SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 64 gầm xe sau xe Hai dịng khơng khí gặp phía xe tạo thành tượng xốy làm cho tơ ln có xu hướng bị kéo phía sau, làm tăng hệ số lực cản Cd Từ kết mô cho ta thấy, phân bố áp suất mơ hình xe có tương đồng với kết điểm đo áp suất thực nghiệm chương Phần mặt cản diện tơ ln vị trí có áp suất lớn Đây phần diện tích diện xe chịu tác động trực tiếp áp lực khối khí vào xe gây ra, vùng có áp suất ngăn cản ô tô chuyển động phía trước Đồng thời dịng khí di chuyển dọc theo thân xe áp suất giảm dần phía sau, vùng có áp suất thấp hơn, áp lực tác dụng giảm Kết luận: kết mô kết thực nghiệm gần tương đồng, từ chứng tỏ ống khí động cân khí động thiết kế chế tạo đồ án cho kết tin cậy, sử dụng nghiên cứu, học tập mơn học có liên quan SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 65 KẾT LUẬN Thiết kế chế tạo mơ hình đề tài đồ án vơ hữu ích cho sinh viên trường Đề tài giúp chúng em phát triển tư duy, đưa lý thuyết thực tế, từ hiểu sâu công tác thiết kế chế tạo chi tiết, thiết bị hay hệ thống hoàn chỉnh Đồng thời tham gia vào việc chế tạo, lắp ráp mô hình điều kiện tốt để chúng em tiếp xúc với công việc chế tạo, học hỏi nhiều kinh nghiêm từ việc tiếp xúc thực tế Đồng thời trình thực đồ án giúp em nắm vững, hệ thống hóa lại kiến thức học mơn Thủy khí ứng dụng vào thực tế Trên phần đồ án chúng em “Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ hệ thống cân khí động sáu thành phần” Các thơng số tính tốn tham khảo theo tài liệu đường ống sẵn có thực tế Tuy nhiên thời gian, kinh phí phần bị hạn chế, trình độ chế tạo chưa cao nên đường ống xây dựng chưa hồn thiện, độ thẩm mĩ khơng cao Ở mặt đường ống nhiều vít rivet, chỗ nối phần cịn tạm bợ Bề đường ống chưa che đậy, sửa sang kĩ Các q trình mơ bị hạn chế khả phần cứng máy tính, thời gian chạy mô kinh nghiệm sử dụng phần mềm cịn thấp Do độ xác kết mô thu không cao Tuy nhiên kết thỏa mãn lĩnh vực giảng dạy – tham khảo Việc chế tạo cân khí động bị giới hạn chi phí dành cho cảm biến, chương trình xử lí, thiết bị chuyển đổi nên độ xác thiết bị phần cứng khơng cao Chương trình điều khiển Arduino với bảng mạch có độ tin cậy mức trung bình, thích hợp cho dự án cỡ nhỏ vừa Do vậy, sai số q trình đo điều khơng thể tránh khỏi Các sai số cải thiện thông qua nâng cấp cảm biến chương trình điều khiển Thêm nữa, việc điều khiển tốc độ quạt đơn sơ, chưa thể ứng dụng chương trình điều khiển cho tốc độ gió xác mong muốn Tuy nhiên, bước đầu, đường ống phục vụ cho q trình thí nghiệm giảng dạy thử nghiệm với khí động học tơ Các nâng cấp khác bổ sung thêm sau (như hệ thống tạo khói, hệ thống điều khiển tốc độ quạt chương trình, hệ thống cảm biến đo xác, buồng thử dạng hở, ….) SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO: Tiếng Việt [1] Nguyễn Hữu Cận, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng (2005), Tài liệu lý thuyết ô tô máy kéo, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội-2005 [2] Lê Đắc Hòa (2019), Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu đánh giá tiếng ồn khí động học xe ô tô du lịch cỡ nhỏ bằng phương pháp mô số, Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng [3] Nguyễn Hùng Tâm (2011) Quạt hệ thống: Lựa chọn, sử dụng tính tốn Khoa Cơ khí – Cơng nghệ [4] Tơ Hồng Tùng (2016), Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp Việt Nam, Luận án tiến sĩ, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội [5] PGS.TS Hoàng Đức Liên (2007), Giáo trình Kỹ thuật thủy khí, Trường Đại học Nơng nghiệp Hà Nội, Hà Nội [6] TS Lương Ngọc Lợi (2008), Cơ học thủy khí ứng dụng, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [7] Phạm Văn Vương (2015), Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hình thành tiếng ồn có nguồn gốc khí động phương tiện giao thơng, Hà Nội [8] Vũ Duy Quang – Phạm Đức Nhuận (2009), Kỹ thuật thủy khí, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [9] PGS.TS Hoàng Đức Liên (2007), Giáo trình Kỹ thuật thủy khí, Trường Đại học Nơng nghiệp Hà Nội, Hà Nội [10] Quyết định số 1168/QĐ-TTg, ngày 16/07/2014 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” [11] 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” [12] Trần Quốc Hội (2010), Luận văn thạc sĩ toán học biến đổi Fourier nhanh ứng dụng, Trường Đại học Khoa học, Thái nguyên Tiếng Anh [13] Almeida O, Miranda FC, Ferreira Neto O, Saad FG (2018) Low Subsonic Wind [14] Barlow, J B, Rae, W H, & Pope (1999), Low-Speed Wind Tunnel Testing 3rd ed., Wiley-Interscience publication, New York SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 67 [15] Denis Ngene, Jack Ombuoro (2016), Conceptual Design Of A Low Speed Wind Tunnel Department of Aerospace and Aviation Engineering, The Technical University Of Kenya Tunnel – Design and Construction J Aerosp Tecnol Manag, 10: e1018 doi: 10.5028/jatm.v10.716 [16] Frank M White (2011) Fluid mechanics 7th ed, McGraw- Hill, New York [17] Ismail , Johanis John, Wina Libyawati, Damora Rhakasywi (2017) Optimization Design of Open Circuit Wind Tunnel Suction Type Department of Mechanical Engineering, Universitas Pancasila, Jagakarsa, Jakarta Selatan 12640, Indonesia [18] J H Bell, R D Mehta (1988) Contraction Design for Small Low-Speed Wind Tunnels NASA [19] Miguel A González Hernández (2013) Design Methodology for a Quick and Low-Cost Wind Tunnel Polytechnic University of Madrid, Spain [20] R D Mehta, P Bradshaw (1979) Technical Notes: Design Rules For Small Low Speed Wind Tunnel Aeronautical Journal [21] Royce D Moore (1987) Detailed Flow Surveys of Turning Vanes Designed for a 0.1-scale Model of NASA Lewis Research Center's Proposed Altitude Wind Tunnel NASA [22] Marija Samardžić, Zoran Anastasijević, Dragan Marinkovski, Dušan Ćurčić, Jovan Isaković, (2014) External Six-Component Strain Gauge Balance for Low Speed Wind Tunnels [23] Dr Dipankar N Basu (2015), Piezometer & elastic pressure transducer [24] G.U.N.T Gerätebau GmbH, Multi-Tube Manometer 16-fold for Air Flow Benc, Equipment for Engineering Education, 1-8 [25] Li Nan (2.13), The methods of drag force measurement in wind tunnels, Master’s Thesis in Energy Systems [26] Ahmed S.R, Ramm G Faltin G., Some Salient Features of Time-Averaged Ground Vehicle, SAE Paper 840300 (1984) [27] Gino Sovran, Aerodynamics of roadvehicles, Wolf-Heinrich Hucho, Ostring 48, D6231, Schwalbach (Ts), German [28] K R Deutenbach (1995) Influence of Plenum Dimensions on Drag Measurements in ¾ – Open Jet Automotive Wind Tunnels SAE Paper No 951000, Paris, 1995 [29] J Blazek (2001) Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications, Elsevier [30] Joseph Katz (2016) Automotive Aerodynamics, San Diego State University, USA [31] Introduction to ANSYS Fluent, Release 16.0, November 15, 2015 [32] J Liu, Simulation of Whistle Noise Using Computational Fluid Dynamics and Acoustic Finite Element Simulation, Thesis (Master's) , University of Kentucky, Lexington, U.S.A, 2012 SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 68 [33] C Domenico, Industrial CFD Simulation of Aerodynamic Noise, Thesis (PhD), Napoli Federico II University, Italy, 2008 [34] Jason Moffat, Investigation & Parametric Design of an Active Aerodynamic System Dissertation, School of Engineering Blackpool and the Fylde College, May 19, 2017 [35] Shinya Itagaki, Estimation of Aircraft Noise, Mitsubishi Heavy Industries, LTD, 2013 [36] C Hinterberger, M Garc´ıa-Villalba, and W Rodi, Large eddy simulation of flow around the Ahmed body, Institute for Hydromechanics, University of Karlsruhe, Kaiserstrasse 12, 76128 Karlsruhe, Germany [37] H Lienhart, C Stoots, S Becker, Flow and Turbulence Structures in the Wake of a Simplified Car Model (Ahmed Model), Lehrstuhl für Strömungsmechanik (LSTM) Universität Erlangen-Nürnberg Cauerstr 4, 91058 Erlangen, Germany [38] Christopher Collin, Steffen Mack, and Thomas Indinger, A Numerical and Experimental Evaluation of Open Jet Wind Tunnel Interferences using the DrivAer Reference Model, Joerg Mueller AUDI AG, Technical University of Munich, 04/05/2016 [39] A I Heft∗, T Indinger†, and N A Adams‡, Investigation of Unsteady Flow Structures in the Wake of a Realistic Generic Car Model, Institute of Aerodynamics and Fluid Mechanics, Technische Universităat Muănchen, Boltzmannstr 15, 85748 Garching, Germany, 2011 Trang Web [40] Cảm biến Loadcell, https://nshopvn.com/product/cam-bien-loadcell-20kg/ Tunnels NASA [41] Arduino Việt Nam, https://www.facebook.com/groups/congdongarduinovn/ [42] https://gso.gov.vn [43] http://www.chinhphu.vn [44] https://vi.wikipedia.org/wiki/Ti%E1%BA%BFng_%E1%BB%93n [45] https://en.wikipedia.org/wiki/Drag_coefficient [46] https://vi.wikipedia.org/wiki/Khí_động_lực_học SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS Phan Thành Long 69 ... khí động - Giới thiệu phương pháp kết mô ANSYS Fluent - Tính tốn thiết kế đường ống khí động vịng kín cỡ nhỏ - Chế tạo cân khí động thành phần đo thành phần khí động - Chế tạo đường ống khí động. .. Phan Thành Long v Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ hệ thống cân khí động sáu thành phần HÌNH 5.14 Cấu trúc tổ ong buồng ổn định sau hồn thành HÌNH 5.15 Nón phễu sau hồn thành. .. dẫn: TS Phan Thành Long i Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ hệ thống cân khí động sáu thành phần CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài tốt nghiệp tơi Đề tài hồn thành sau q trình