TIỂU LUẬN CUỐI kỳ đặc TÍNH KHÍ ĐỘNG lực học TRÊN XE DU LỊCH

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ ĐỘNG LỰC -o0o - TIỂU LUẬN CUỐI KỲ ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC TRÊN XE DU LỊCH SVTH: Nguyễn Quang Trường -MSSV: 18082861 TPHCM, tháng 06/2021 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Giao diện làm việc Solidworks – Flow Simulation 2018……………… 9 Hình 2.2 Mô hình xe 3D………………………………………………………… 10 Hình 2.3 Giao diện SOLIDWORKS 2018…………………………………… 11 Hình 2.4 Mô hình 3D……………………………………………………………11 Hình 2.5 Tạo giao diện Flow Simulation……………………………………… 12 Hình 2.6 Giao diện Flow Simulation…………………………………………….12 Hình 2.7 Thiết lập khảo sát cơ bản……………………………………………….13 Hình 2.8 : Hộp thoại Wizard – Project Name…………………………………… 13 Hình 2.9 Hộp thoại Wizard – Unit System……………………………………… 14 Hình 2.10 Hộp thoại Wizard – Analysis Type………………………………… 15 Hình 2.11 Hộp thoại Wizard – Default Fluids………………………………… 15 Nguyễn Quang Trường 2 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Hình 2.12 : Hộp thoại Wizard – Wall Conditions……………………………… 15 Hình 2.13 Hộp thoại Wizard – Initial and Ambient Conditions………………….17 Hình 2.14 Giao diện sau khi thiết lập điều kiện ban đầu………………………… 17 Hình 2.15 Tạo mặt phẳng phụ tính diện tích cản………………………………… 18 Hình 2.16 Diện tích mặt cản chính diện………………………………………….19 Hình 2.17 Thiết lập miền tính toán……………………………………………… 20 Hình 2.18 Miền tính toán sau khi thiết lập……………………………………….20 Hình 2.19 Thiết lập mục tiêu khảo sát………………………………………… 21 Hình 2.20 Thiết lập công thức tính hệ số cản ……………………………… 22 Hình 2.21 Tính toán…………………………………………………………… 22 Hình 2.22 Phần mềm Slover…………………………………………………….23 Hình 2.23 Lệnh ‘‘Cut Plots’’……………………………………………………24 Hình 2.24 Mô phỏng phân bố vận tốc trên Front Plane…………………………………………………………………………….24 Hình 2.25 Mô phỏng phân bố vận tốc trên Top Plane………………………….25 Hình 2.26 Mô phỏng vận tốc trên Front Plane, sử dụng kiểu ‘‘Streamlines’’….25 Hình 2.27 Mô phỏng vận tốc trên Top Plane, , sử dụng kiểu ‘‘Streamlines’’….25 Nguyễn Quang Trường 3 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Hình 2.28 Mặt cắt phía sau xe, sử dụng kiểu ‘‘Streamlines’’………………… 26 Hình 2.29 Mô phỏng áp suất trên Front Plane………………………………….26 Hình 2.30 Mô phỏng áp suất trên Top Plane……………………………………27 Hình 2.31 Lệnh ‘‘Surface Plots’’……………………………………………….28 Hình 2.32 Mô phỏng áp suất trên mô hình 3D………………………………….28 Hình 2.33 Mô phỏng áp suất trên mô hình (Right Plane)………………………29 Hình 2.34 Mô phỏng áp suất dưới gầm xe…………………………………… 29 Hình 2.35 Mô phỏng áp suất phía sau xe……………………………………….30 Hình 2.36 Mô phỏng áp suất phía trên xe………………………………………30 Hình 2.37 Mô phỏng vận tốc trên mô hình 3D, kiểu ‘‘Vectors’’ và ‘‘Streamlines’’………………………………………………………………… 31 Hình 2.38 Mô phỏng vận tốc phía trước mô hình, kiểu ‘‘Vectors’’ và ‘‘Streamlines’’………………………………………………………………… 31 Hình 2.39 Mô phỏng vận tốc bên hông mô hình, kiểu ‘‘Vectors’’ và ‘‘Streamlines’’………………………………………………………………… 32 Hình 2.40 Mô phỏng vận tốc phía sau mô hình, kiểu ‘‘Vectors’’ và ‘‘Streamlines’’………………………………………………………………… 32 Hình 2.41 Lệnh ‘‘Flow Trajectories’’………………………………………… 33 Hình 2.42 Hướng đi của dòng khí, bên hông mô hình………………………….34 Hình 2.43 Hướng đi của dòng khí, phía trên mô hình………………………… 34 Hình 2.44 Hướng đi của dòng khí, phía sau mô hình………………………… 34 Hình 2.45 Thực hiện lại quá trình tính toán…………………………………….35 Hình 2.46 Giá trị lực cản gió và hệ số cản khí động lực học…………….35 Hình 2.47 Biên dạng thân xe……………………………………………………36 Nguyễn Quang Trường 4 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Hình 2.48 Lệnh ‘‘Point Parameters’’………………………………………… 37 Hình 2.49 Đồ thị phân bố áp suất………………………………………………37 Hình 2.50 Đồ thị phân bố vận tốc………………………………………………38 Hình 3.1 Phân bố trường áp suất xung quanh mô hình…………………………39 Hình 3.2 Phân bố trường vận tốc xung quanh mô hình…………………………40 Hình 3.3 Dòng xoáy áp thấp phía sau mô hình…………………………………40 Hình 3.4 Xoáy áp thấp phía sau mô hình……………………………………….41 Hình 3.5 Hướng đi của dòng khí, bên hông mô hình………………………… 42 Hình 3.6 Đồ thị phân bố áp suất……………………………………………… 42 Hình 3.7 Đồ thị phân bố vận tốc……………………………………………… 43 Hình 3.8 Giá trị hệ số cản khí động lực học…………………………………44 PHẦN 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu khí động lực học Nguyễn Quang Trường 5 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Trong nước, vấn đề nghiên cứu khí động lực học vẫn còn đang khá mới mẻ với các nhà nghiên cứu, các giải pháp khí động lực học được đưa ra chủ yếu ở mức độ nghiên cứu và phân tích, sản xuất mô hình chưa được áp dụng nhiều vào thực tế đời sống Cũng một phần là do giới hạn về kinh tế và mức độ tiếp nhận về những kiến thức mới trên thế giới Nhưng với sự ngày một phát triển của khoa học kỹ thuật, các nhà nghiên cứu trong nước đang từng bước xây dựng những công trình khí động lực học phục vụ cho đời sống của người dân thêm một tốt hơn Ngoài nước, ngay từ những ngày đầu của thời đại công nghiệp, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã bắt tay vào nghiên cứu các vấn đề về khí động lực học nhằm tạo ra các sản phẩm, phương tiện di chuyển một cách tối ưu, giảm thiểu sức cản của môi trường đến hoạt động của chúng Giảm thiểu được ô nhiễm tiếng ồn, khả năng tiêu hao nhiên liệu đã góp phần đưa khoa học kỹ thuật của thế giới lên một tầm cao mới 1.2 Phạm vi và giới hạn của tiểu luận Pham vi của tiểu luận, chỉ nghiên cứu về đặc tính khí động lực học trên mô hình xe du lịch, cụ thể là các dòng xe 16 chỗ như Ford Transit, Toyota Hiace, Mercedes Sprinter,… Giới hạn của tiểu luận, tập trung nghiên cứu về sự phân bố áp suất, vận tốc, dòng khí, ý nghĩa các đồ thị, ý nghĩa giá trị hệ số cản do dòng khí tác dụng lên mô hình xe du lịch 1.3 Mục tiêu Nghiên cứu, phân tích và mô phỏng khí động lực học tác dụng lên mô hình xe du lịch 1.4 Phương pháp tìm hiểu Nguyễn Quang Trường 6 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Sử dụng phần mềm Solidwork – Flow Simulation 2018 để mô phỏng khí động lực học tác dụng lên mô hình xe du lịch 1.5 Ý nghĩa của tiểu luận Nhằm đem lại các số liệu mô phỏng bằng hình ảnh, tính toán các ảnh hưởng của khí động lực học trên mô hình xe du lịch Từ đó làm tiền đề cho các tiêu luận tiếp theo được độ chính xác và tối ưu nhất góp phần giúp người đọc hình dung được tầm quan trọng của khí động lực học đến quá trình phát triển của ngành giao thông vận tải nói riêng, ngành khoa học kĩ thuật nói chung Nguyễn Quang Trường 7 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 PHẦN 2: CÁC BƯỚC THỰC HIỆN TRÊN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 2.1 Giới thiệu về Solidworks – Flow Simulation 2018 SOLIDWORKS ( ) là một phần mềm thiết kế 3D, sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: cơ khí, điện, mô phỏng, khoa học ứng dụng,… Mang lại giao diện trực quan, sinh động, tiện lợi cho người sử dụng SOLIDWORKS – flow simulation là module hỗ trợ toàn diện cho việc mô phỏng và phân tích quá trình truyền nhiệt, dòng chảy chất lỏng, chất khí Giải quyết các vấn đề có độ phức tạp của động lực học chất lỏng (CFD) và cho phép các kỹ sư sản phẩm sử dụng các hiểu biết về CFD đưa ra sự quyết định về mặt kỹ thuật Nguyễn Quang Trường 8 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Hình 2.1 Giao diện làm việc Solidworks – Flow Simulation 2018 2.2 Xây dựng mô hình 3D Hình 2.2 Mô hình xe 3D Nguyễn Quang Trường 9 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 2.3 Hướng dẫn sử dụng Solidworks – Flow Simulation 2018 Bước 1: Khởi động phần mềm SOLIDWORKS ( ) Hình 2.3 Giao diện SOLIDWORKS 2018 Bước 2: Mở file mô hình để tiến hành mô phỏng Nguyễn Quang Trường 10 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Hình 2.35 Mô phỏng áp suất phía sau xe Hình 2.36 Mô phỏng áp suất phía trên xe Nguyễn Quang Trường 34 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Mô phỏng vận tốc ( Veclocity (X) ): Hình 2.37 Mô phỏng vận tốc trên mô hình 3D, kiểu ‘‘Vectors’’ và ‘‘Streamlines’’ Nguyễn Quang Trường 35 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Hình 2.38 Mô phỏng vận tốc phía trước mô hình, kiểu ‘‘Vectors’’ và ‘‘Streamlines’’ Hình 2.39 Mô phỏng vận tốc bên hông mô hình, kiểu ‘‘Vectors’’ và ‘‘Streamlines’’ Nguyễn Quang Trường 36 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Hình 2.40 Mô phỏng vận tốc phía sau mô hình, kiểu ‘‘Vectors’’ và ‘‘Streamlines’’ 2.7.3 Lệnh ‘‘Flow Trajectories’’ – mô phỏng đường đi của dòng khí Bước 1: Click chuột phải vào => Chọn => Xuất hiện hộp thoại Flow Trajectories Trong hộp thoại Flow Trajectories => Mục Starting Points chọn mặt để mô phỏng đường đi của dòng khí bằng cách click chuột vào từng mặt của mô hình, tại ô Number of Points nhập kiểu hiển thị 40 => Mục Appearance, chọn , chọn Veclocity (X) hoặc Pressure => Chọn Nguyễn Quang Trường để kết thúc lệnh 37 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Hình 2.41 Lệnh ‘‘Flow Trajectories’’ Hình 2.42 Hướng đi của dòng khí, bên hông mô hình Nguyễn Quang Trường 38 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Hình 2.43 Hướng đi của dòng khí, phía trên mô hình Hình 2.44 Hướng đi của dòng khí, phía sau mô hình Nguyễn Quang Trường 39 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 2.7.4 Xác định lực cản gió và hệ số cản khí động lực học Bước 1: Chọn trên thanh công cụ để thực hiện lại quá trình tính toán như trên Sau khi đã tính toán xong, tại phần mềm => Chọn Insert Goals Table để xuất hiện các giá trị của và Hình 2.45 Thực hiện lại quá trình tính toán Hình 2.46 Giá trị lực cản gió và hệ số cản khí động lực học Giá trị Equation Goal 1 tương ứng với hệ số cản = 0.494866 N Nguyễn Quang Trường 40 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Giá trị GG Force (X) 1 tương ứng với lực cản gió = 2030.55 N 2.7.5 Đồ thị phân bố vận tốc và áp suất Bước 1: Chọn lệnh Section View để chuyển sang chế độ mặt cắt mô hình => Chọn Front Plane => Chọn để kết thúc lệnh Hình 2.47 Biên dạng thân xe Bước 3: Quay lại môi trường Flow Simulations => Click chuột phải vào => Chọn Tại hộp thoại Point Parameters => Mục Point, chọn Sketch72 vừa tạo, tại ô Nguyễn Quang Trường Patterm, chọn Number of Points nhập 50 (giao động chia điểm từ 41 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 50 – 100) => Mục Parameters, chọn Veclocity hoặc Pressure (kiểu đồ thị cần vẽ) => Mục Options, chọn để xuất kết quả sang file Excel Hình 2.48 Lệnh ‘‘Point Parameters’’ Kết quả: Nguyễn Quang Trường 42 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Hình 2.49 Đồ thị phân bố áp suất Hình 2.50 Đồ thị phân bố vận tốc Nguyễn Quang Trường 43 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 PHẦN 3: ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 3.1 Phân bố áp suất dòng khí Hình 3.1 Phân bố trường áp suất xung quanh mô hình Hình 3.1 thể hiện trường phân bố áp suất xung quanh mô hình tại mặt phẳng cắt dọc đối xứng chính giữa mô hình, màu sắc đi từ xanh nước biển đến đỏ thể hiện độ lớn của trường áp suất tại những vùng khác nhau xung quanh mô hình Có thể thấy tại phía mũi xe là nơi luôn có áp suất lớn hơn ở những vùng khác trên mô hình, khi xe di chuyển mũi xe luôn là nơi tiếp xúc đầu tiên với dòng khí, tại đây vận tốc của dòng khí là thấp nhất khiến áp suất lớn nhất Sau sự tiếp xúc đó, dòng khí tách rời ra và đi theo biên dạng của thân xe tạo ra thêm những vùng áp suất khác nhỏ hơn từ đó gây ra sự chênh lệch áp suất, chính sự chênh lệch áp suất này tạo ra lực cản khí động học khi xe di chuyển về phía trước Vùng áp suất thấp nhất nằm tại nóc xe khi dòng khi vừa thoát ra theo biên dạng góc nghiêng của kính chắn gió và tạo ra vùng áp suất thấp dọc theo nóc xe cho đến phần đuôi xe Để làm giảm lực cản khí động học này thì cần làm giảm sự chênh lệch áp suất giữa đầu và đuôi xe, cụ thể là tăng áp suất phía sau mô hình Nguyễn Quang Trường 44 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 3.2 Phân bố vận tốc dòng khí Hình 3.2 Phân bố trường vận tốc xung quanh mô hình Hình 3.2 thể hiện sự phân bố trường vận tốc xung quang mô hình, màu sắc đi từ xanh nước biển đế đỏ thể hiện độ lớn của của vận tốc dòng khí tại những vùng khác nhau xung quanh mô hình Tại vùng mũi xe mô hình luôn có vận tốc nhỏ do dòng khí di chuyển đến vùng này sẽ dừng lại và bắt đầu tách ra thành hai phần, một phần đi dọc theo phía trên xe và một phần đi dọc theo phía gầm xe Hai luông khí phía bên trên và dưới gầm xe gặp nhau phía sau xe, trong đó dòng bên dưới có vận tốc thấp hơn nên áp suất cao hơn Kết quả là không khí đi từ nơi có áp suất cao (bên dưới) đến nơi có áp suất thấp (bên trên) tạo ra các xoáy áp thấp kéo dài sau đuôi xe, các xoáy áp thấp này khiến xe bị đẩy lùi lại gây thêm lực cản khí động học cho xe Nguyễn Quang Trường 45 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Hình 3.3 Dòng xoáy áp thấp phía sau mô hình Hình 3.4 Xoáy áp thấp phía sau mô hình Nguyễn Quang Trường 46 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Bên cạnh đó, biên dạng xe thay đổi kéo theo sự phân bố vận tốc tại các vùng đó cũng khác nhau Dọc hai bên thân xe nơi tiếp giáp với mui xe, không khí từ bên ngoài cuốn vào khu vực này có xu hướng tạo xoáy tách ra khỏi thân xe Dạng dòng khí này được thể hiện trên hình 3.4 Cộng hưởng với dòng khí từ mui xe xuống, hình thành nên các xoáy lớn ở phần đuôi xe 3.3 Hướng di chuyển của dòng khí Hình 3.5 Hướng đi của dòng khí, bên hông mô hình Hình 3.5 mô tả hướng di chuyển của dòng khí xung quang môi hình Dòng khí bắt đầu tách ra tại phần mui xe và di chuyển theo các hướng dọc theo biên dạng thân xe với các vận tốc khác nhau, phía sau xe có thể thấy rõ các xoáy áp suất thấp hình thành do sự chênh lệch áp suất Các xoáy này kéo theo bụi bẩn bám vào phía sau xe cũng như tăng lực cản khí động học Nguyễn Quang Trường 47 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 3.4 Ý Nghĩa các đồ thị phân bố vận tốc và áp suất Hình 3.6 Đồ thị phân bố áp suất Đồ thị hình 3.6 thể hiện những vùng có áp suất lớn nhất đến nhỏ nhất tại mặt phẳng theo biên dạng thân xe Các điểm 1,2,3,4,…,26 là các điểm khảo sát đi từ phía đuôi xe xuống phía dưới, tới mui xe và lên phía trên nóc xe Áp suất tăng dần tại những điểm phía dưới xe cho đến lớn nhất tại phía mui xe sau đó giảm từ mui xe lên phần phía trên nóc xe Đồ thị thể hiện rõ sự chênh lệch áp suất giữa phía trên và phía dưới xe, dựa vào đồ thị nếu sự chênh lệch áp suất đó lớn hoặc nhỏ có thể suy ra được lực cản khí động học của xe lớn hoặc nhỏ Hình 3.7 Đồ thị phân bố vận tốc Đồ thị hình 3.7 thể hiện những vùng có vận tốc lớn nhất đến nhỏ nhất tại mặt phẳng theo biên dạng thân xe Các điểm 1,2,3,4,…,26 là các điểm khảo sát đi từ phía đuôi xe xuống phía dưới, tới mui xe và lên phía trên nóc xe Có thể thấy vận tốc thấp nhất của dòng khí tại điểm ngưng trệ trước mui xe sau đó khi đã tách ra thành các dòng khí hướng lên phía trên và phía dưới có xu hướng tăng lên và lớn nhất tại vị trí nóc xe sau khi thoát ra hết góc nghiêng của gương chắn gió Nguyễn Quang Trường 48 ... khơng làm tính thẩm mỹ an toàn xe Nguyễn Quang Trường 49 TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 PHẦN 4: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Bài tiểu luận trình bày rõ bước thực mơ khí động lực học xe du lịch phần... hình nghiên cứu khí động lực học Nguyễn Quang Trường TIỂU LUẬN CUỐI KỲ - 06/2021 Trong nước, vấn đề nghiên cứu khí động lực học cịn mẻ với nhà nghiên cứu, giải pháp khí động lực học đưa chủ yếu... liệu góp phần đưa khoa học kỹ thuật giới lên tầm cao 1.2 Phạm vi giới hạn tiểu luận Pham vi tiểu luận, nghiên cứu đặc tính khí động lực học mơ hình xe du lịch, cụ thể dòng xe 16 chỗ Ford Transit,