5. Phương pháp nghiên cứu
3.6.2 Kết quả mô phỏng số của xe con
a) Phân bố vận tốc
Hình 3.20là hình ảnh phân bố vận tốc của dòng khí bao quanh xe tại mặt phẳng đối xứng của xe tại các vận tốc khác nhau từ 1,39 m/s đến 44,44 m/s. Các hình ảnh này cho thấy có ba vùng vận tốc có sự sáo trộn đó là vùng đầu xe, đuôi xe và mép kính chắn gió phía trước đấy cũng chính là những vùng có xuất hiện xoáy của dòng khí bao quanh xe.
60 v=1,39 m/s v=2,78 m/s v=5,56 m/s v=11,11 m/s v=16,67 m/s v=22,22 m/s v=27,78 m/s v=33,33 m/s v=38,89 m/s v=44,44 m/s Hình 3.20 Phân bố vận tốcxe con
61
Hình 3.21 là hình ảnh phân bố áp suất của dòng khí bao quanh xe tại mặt phẳng đối xứng với các vận tốc khác nhau của xe, vận tốc từ 1,39 m/s đến 44,44 m/s.
v=1,39 m/s v=2,78 m/s
v=5,56 m/s v=11,11 m/s
v=16,67 m/s v=22,22 m/s
v=27,78 m/s v=33,33 m/s
v=38,89 m/s v=44,44 m/s Hình 3.21 Phân bố áp suấtxe con
62
Hình 3.22 thể hiện phân bố áp suất của dòng khí xung quanh xe tại vận tốc chuyển động giả định của xe là 44,44 m/s (160 km/h). Hình vẽ cho ta thấy áp suất ở phía đầu xe là lớn nhất đây cũng chính là phần diện tích chính diện của xe chịu tác động lớn nhất của khối khí khi đi vào xe. Sau đó là vùng mép dưới kính chắn gió phía trước cũng chịu một áp lực tương đối lớn. Vùng đầu, đuôi của trần xe và phía sau đuôi xe xuất hiện áp xuất thấp hơn áp xuất khí quyển (áp xuất chân không). Chính sự sụt áp này là nguyên nhân gây sự sáo trộn vận tốc dòng khí và tạo nên xoáy.
Hình 3.22 Phân bố áp suất tại vận tốc 44,44 m/s
c) Lực cản không khí
Bảng 3.4 và Hình 3.23 dưới biểu thị các đồ thị lực cản không khí của xe con thu được từ các kết quả tính toán lực cản không khí của xe theo phương pháp lý thuyết truyền thống và theo phương pháp mô phỏng số CFD. Trong tính toán lý thuyết ta lấy hệ số lực cản không khí của xe con CA=0.35. Trong Hình 3.23, trục tung biểu thị giá trị lực cản không khí toàn phần [N] tương ứng với vận tốc chuyển động của xe trên trục hoành [m/s].
63
Bảng 3. 5 Lực cản không khí xe con theo tính toán lý thuyết và mô phỏng
v [m/s] 1.39 2.78 5.56 11.11 16.67 22.22 27.78 33.33 38.89 44.44 FA [N] lý thuyết 0.8 3.3 13.3 53.1 119.5 212.3 331.8 477.7 650.3 849.2 FA [N] CFD 0.9 3.5 13.9 55.0 123.0 217.9 337.8 486.2 663.5 860.5 Bảng 3. 6Hệ số lực cản của xe con v [m/s] 1.39 2.78 5.56 11.11 16.67 22.22 27.78 33.33 38.89 44.44 CA 0.423 0.411 0.408 0.404 0.401 0.400 0.397 0.397 0.398 0.395
Hình 3.23 Lực cản không khí của xe con
Trong phương pháp mô phỏng số CFD, ngoài việc tính toán được lực cản không khí tổng hợp chúng ta còn có thể xác định được các thành phần lực cản không khí: thành phần lực cản do áp suất và thành phần lực cản do ma sát nhớt. Hình 3.24 biểu thị đồ thị các lực cản thành phần của lực cản không khí của xe con thu được trong mô phỏng số.
64
Hình 3.24Các lực cản thành phần của lực cản không khíxe con
Hình 3.25 là đồ thị lực nâng của xe buýt thu được trong kết quả mô phỏng số. Trong hình vẽ này, trục tung biểu thị giá trị lực nâng xe [N] tương ứng với vận tốc chuyển động của xe trên trục hoành [m/s]. Kết quả mô phỏng về lực nâng cho ta thấy thành phần lực nâng rất bé so với trọng lượng của xe. Ví dụ, khi xe chạy với tôc độ lớn nhất theo thiết kế là 33,33 m/s (tương đương với 120 km/h) thì lực nâng xe là 242N. So với trọng lượng của xe là 10500N thì giá trị lực nâng không ảnh hưởng đến độ bồng bềnh của xe, hay nói cách khác xe có độ bám đường và ổn định cao trong quá trình di chuyển.
65
66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết Luận
Phương pháp mô phỏng số trong tính toán lực cản không khí ô tô là phương pháp nghiên cứu hiện đại và phổ biến trên thế giới, tuy nhiên lại là phương pháp khá mới mẻ ở Việt Nam. Phương pháp này giúp ta tiết kiệm được thời gian và kinh phí so với phương pháp nghiên cứu lý thuyết truyền thống kết hợp với thực nghiệm.
Trong phương pháp nghiên cứu sử dụng mô phỏng số ta thu được các hình ảnh phân bố vận tốc, áp suất, cường độ xoáy... của dòng khí bao quanh xe sẽ cho ta cái nhìn trực quan sinh động về hiện tượng vật lý của dòng chảy bao quanh thân xe. Từ đó giúp ta đánh giá được một cách tổng thể về đặc tính khí động của hình dáng vỏ thân xe, đặc biệt là các khu vực tạo dòng xoáy, để từ đó có những thiết kế phù hợp hơn cho các mẫu xe.
Đối với mẫu xe buýt, xe con đã khảo sát trong nghiên cứu này, kết quả mô phỏng chỉ ra rằng có ba vùng tạo xoáy xung quanh vỏ thân xe. Vùng tạo xoáy lớn nhất chính là phía đuôi xe. Điều đó có thể được lý giải là do có sự giảm diện tích đột ngột tại vùng đuôi nên quá trình di chuyển của dòng khí bao quanh xe đến đây bị thay đổi hướng đột ngột và tạo sự lộn xộn hướng, đó chính là nguyên nhân của sự hình thành xoáy.
Lợi thế của phương pháp mô phỏng số so vói phương pháp tính toán lý thuyết truyền thống đó là với một vỏ thân xe ô tô được tạo thành từ nhiều bề mặt phức tạp khác nhau thì việc giải bài toán lớp biên của dòng khí bao quanh thân xe sẽ gặp rất nhiều khó khăn, trong khi đó với phương pháp mô phỏng số, phần mềm CFD đã giải quyết phần việc tính toán đó giúp ta. Một lợi thế nữa đó là phương pháp mô phỏng số không những tính được lực cản không khí toàn phần mà ta còn tính được các thành phần của lực cản không khí: thành phần cản do áp suất và thành phần cản do ma sát nhớt.
Kết quả mô phỏng số và tính toán lý thuyết truyền thống có chút chênh lệch nhau như đã thể hiện trong Hình 3.17 và Hình 3.23. Tuy nhiên mức chênh lệch nhau không đáng kể (khoảng 2-3%) nên hoàn toàn chấp nhận được. Nguyên nhân của sự
67
chênh lệch nhau có thể là do trong tính toán lý thuyết truyền thống ta coi hệ số cản không khí là hằng số không đổi CA = 0.35 ( đối với xe con) và CA = 0.65 ( đối với xe bus) cho tất cả các vận tốc khác nhau của xe còn trong mô phỏng số hệ số cản không khí này là thay đổi theo các vận tốc khác nhau của xe do phần mềm tự xác định.
Đối với các nhà sản xuất, chế tạo cần đặc biệt chú ý đến hình dáng phía đầu xe, mép kính chắn gió, phần đuôi xe các điểm mà phân bố áp suất lên là lớn cần chú ý thiết kế hình dáng khí động học thật tốt để giảm lực cản không khí nhằm tăng hiệu suất của động cơ.
Kiến nghị
Do giới hạn về thời gian làm luận văn cao học, giới hạn về tốc độ xử lý của máy tính cá nhân, đề tài mới chỉ dừng lại ở khảo sát lực cản khí động của 2 mẫu xe phổ biến là xe con (sedan) và xe buýt. Thực tế ngày nay còn rất nhiều hình dạng xe như:hatchback, các xe thể thao, xe đua...mà tác giả chưa có điều kiện để thực hiện tiếp mô phỏng số.
Kiến nghị tiếp tục nghiên cứu về mô phỏng số các mẫu xe phức tạp hơn khi có điều kiện về thời gian và máy tính có cấu hình cao hơn.
68
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Võ Văn Hường, Nguyễn Tiến Dũng, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hoàng Phúc, 2014, “Động lực học ô tô”, NXB giáo dục Việt Nam.
[2] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng, 2005, “Lý Thuyết Ô tô Máy Kéo”, NXB khoa học kỹ thuật
[3] Dr. Abdulhassan A. K. & Dr. Abdessamed K. W., 2011, “Experimental Determination of Drag Coefficient on Different Automobiles Geometry”, Eng. & Tech. Journal, Vol.29, pp.3043-3057.
[4] Upendra S. R., July 2012, “Methods of Reducing Vehicle Aerodynamic Drag”, The ASME 2012 Summer Heat Transfer Conference, Puerto Rico, USA.
[5] Gilhaus A., July 1981, “The main parameters determining the aerodynamic drag of buses”, Colloque Construire avec le vent, Vol.2, Centre Scientifique et Technique du Bâtiment, Nantes.
[6] Nakayama Y., 2000, “Introduction to Fluid Mechanics”, Butterworth- Heinemann, MA 01801-2041.
[7] Chainani. A, Perera. N, July 2008, “CFD Investigation of Airflow on a Model Radio Control Race Car”, Proceedings of the World Congress on Engineering 2008, Vol II, London, U.K.
[8] Darko D., Drazan K., Marija Z., Zeljko I., Tomislav B., November 2010, “CFD analysis of concept car in order to improve aerodynamics”, International Scientific and Expert Conference TEAM 2010, Kecskemot.