2.6.1. Ảnh hƣởng của vận tốc xe đến phân bố áp suất
Để đánh giá ảnh hưởng của vận tốc đến lực cản ta lần lượt mô phỏng xe chạy trong dải vận tốc từ 30 km/h đến 130 km/h. Chính xác hơn là tại các điểm 30 km/h, 40km.h, 50 km/h, 60 km/h, 80 km/h, 100 km/h và 130 km/h. Thông qua mô phỏng ta xác định phân bố áp suất, xoáy và hệ số lực nâng lực cản tại đó. Dưới đây là một số kết quả mô phỏng.
Thiết lập điều kiện biên cho bài toán:
Inlet (biên đầu vào) U1 = 30 km/h U2= 40 km/h U3= 50 km/h U4= 60 km/h U5= 80 km/h U6= 100 km/h U7= 130 km/h P = 1 at, T = 291K Outlet (biên đầu ra) Gadient (U, P, T) = 0
Wall Đoạn nhiệt, không trượt
Điều kiện ban đầu U, P = 1at ; T = 291K Độ nhớt động học của không khí μ = 18.1μPa s
Hằng số khí R = 0.714286 J/kgK
Kết quả bài toán thu được như sau:
Hình 2.11: Trường phân bố áp suất trong trường hợp xe chạy với vận tốc 30 km/h (trái) và 40 km/h (phải)
Hình 2.12: Trường phân bố áp suất trong trường hợp xe chạy với vận tốc 50 km/h (trái) và 60 km/h (phải)
Hình 2.13: Trường phân bố áp suất trong trường hợp xe chạy với vận tốc 80 km/h (trái) và 100 km/h (phải)
Hình 2.14: Trường phân bố áp suất trong trường hợp xe chạy với vận tốc 130 km/h
Qua kết quả thu được như trình bày trong hình từ 2.11 đến 2.13 ta dễ dạng nhận thấy, phân bố áp suất phía trên của xe luôn lớn hơn áp suất phía dưới. Điều này thể hiện khi xa chạy trên đường luôn có lực ép xe xuống lòng đường. Mặt khác, khi quan sát ta cung có thể nhận xét rằng, với tốc độ càng lớn thì phân bố áp suất phía trên càng tăng. Phía dưới thì sự tăng áp không được thể hiện rõ do khoảng cánh giữa xe và lòng đường là tương đối nhỏ.
2.6.2. Ảnh hƣởng của tốc độ xe đến phân bố đƣờng dòng bao quanh ô tô
Hình 2.15: Phân bố vận tốc của dòng bao quanh xe ở trường hợp vận tốc 30 km/h (trái) và 40 km/h (phải)
Hình 2.16: Phân bố vận tốc của dòng bao quanh xe ở trường hợp vận tốc 50 km/h (trái) và 60 km/h (phải)
Hình 2.17: Phân bố vận tốc của dòng bao quanh xe ở trường hợp vận tốc 80 km/h (trái) và 100 km/h (phải)
Hình 2.18: Phân bố vận tốc của dòng bao quanh xe ở trường hợp vận tốc 130 km/h.
Qua phân bố vận tốc quanh xe, ta có thể quan sát được sự thay đổi giá trị về vận tốc của dòng. Vận tốc của dòng khí sẽ giảm khi đến đầu mũi xe, tuy nhiên việc giảm này sẽ lớn hơn rất nhiều ở phía đuôi xe. Điều này giải thích cho việc sinh sinh
lực cản của xe (theo phương trình Becnuli). Sự giảm vận tốc, thực chất là tạo các xoáy của dòng được thể hiện rõ hơn ở các hình dưới đây:
Hình 1.19: Rối sau ô tô chạy với vận tốc 30 km/h (trái) và 40 km/h (phải)
Hình 2.20: Rối sau ô tô chạy với vận tốc 50 km/h (trái) và 60 km/h (phải)
Hình 2.22: Rối sau ô tô chạy với vận tốc 130 km/h
2.6.3. Ảnh hƣởng của vận tốc đến hệ số CP
Việc xác định hệ số áp suất Cp của xe là cơ sở cho việc xác định các hệ số lực cản và lực nâng của xe. Các hình dưới đây thể hiện phân bố hệ số Cp trên và dưới của xe trong các trường hợp nghiên cứu.
Hình 2.23: Biểu đồ hệ số áp suất 30 km/h
Hình 2.25: Biểu đồ hệ số áp suất 50 km/h
Hình 2.26: Biểu đồ hệ số áp suất 60 km/h
Hình 2.27: Biểu đồ hệ số áp suất 80 km/h
Hình 2.29: Biểu đồ hệ số áp suất 130 km/h
2.6.4. Ảnh hƣởng của tốc độ đến lực cản, lực nâng
Qua quá trình mô phỏng ta thu được kết quả như sau:
V (km/h) 30 40 50 60 80 100 130 m/s 8.34 11.12 13.9 16.68 22.24 27.8 36.14 Sx (m2) 4.8 4.8 4.8 4.8 4.8 4.8 4.8 Sy (m2) 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 ro (kg/m3) 1.225 1.225 1.225 1.22 1.22 1.22 1.22 Fx (N) 22.39 45.44 70.075 96.09 167.24 258.23 424.68 Fy (N) -12.10 -28.18 -49.57 -74.44 -142.26 -229.78 -394.96 CL -0.059 -0.077 -0.087 -0.091 -0.097 -0.101 -0.102 CD 0.375 0.428 0.422 0.402 0.39 0.389 0.379
Bảng 2.2: Hệ số lực nâng, lực cản tính toán dựa trên các trường hợp mô phỏng
Hình 2.31: Biểu đồ hệ số lực cản
Nhìn vào biểu đồ hệ số lực cản cho thấy khi xe đi ở vận tốc 40km/h thì hệ số lực cản của xe là lớn nhất. Do đó, với dòng xe này không nên đi với vận tốc 40km/h.
Qua những kết quả thu được cho thấy hệ số cản CD của xe nằm trong khoảng cho phép trong dải vận tốc mô phỏng với vận tốc đi trong nội thành hệ số cản là lớn nhất. Hệ số cản giảm khi vận tốc tăng hơn 60 km/h ứng với trường hợp ô tô đi trên đường cao tốc, như vậy loại xe này phù hợp hơn với di chuyển tốc độ cao.
2.7 Mô phỏng với trƣờng hợp đuôi xe thay đổi
Trong trường hợp này sẽ nghiên cứu về những biến đổi của xe sau khi thay biên dạng đuôi sau xe.
Hình 2.32:Hình ảnh đuôi xe sửa đổi để nghiên cứu ảnh hưởng của đuôi đến đặc tính khí động xe
Đuôi xe sẽ được thay đổi ở một số những góc khác nhau để kiểm tra ảnh hưởng của đuôi xe đến đặc tính khí động của xe. Lấy chuẩn với trường hợp đuôi xe
Phần đuôi xe được thay đổi
nguyên hình dáng từ đó sẽ thay đổi hình dạng đuôi xe bằng cách hạ đường nối xuống các góc tương ứng là 5 độ, 10 độ và 15 độ so với trường hợp đuôi chuẩn. Dưới đây là những kết quả thu được.
Điều kiện biên thiết lập cho bài toán như sau: Inlet (biên đầu vào) U= 40Km/h
P = 1 at, T = 291K Outlet (biên đầu ra) Gadient (U, P, T) = 0
Wall Đoạn nhiệt, không trượt
Điều kiện ban đầu U=40km/h; P = 1at ; T = 291K Độ nhớt động học của không khí μ = 18.1μPa s
Hằng số khí R = 0.714286 J/kgK
Bảng 2.3: Điều kiện biên thiết lập cho bài toán
2.7.1. Phân bố áp suất bao quanh ô tô:
a: Trường hợp nối thẳng b: Trường hợp giảm 5 độ
c: Trường hợp giảm 10 d: Trường hợp giảm 15 độ
Hình2.33: Phân bố áp suất bao quanh ô tô theo các trường hợp khác nhau
a: Trường hợp nối thẳng b: Trường hợp giảm 5 độ
b: Trường hợp giảm 10 d: Trường hợp giảm 41 độ
Hình 2.34: Đường dòng bao quanh ô tô
2.7.3. Rối sau ô tô
c: Trường hợp giảm 10 d: Trường hợp giảm 41 độ
Hình 2.35: Rối sau ô tô
2.7.4. Biểu đồ phân bố áp suất trên đƣờng bao quanh ô tô tại mặt cắt nghiên cứu
a: Trường hợp nối thẳng b: Trường hợp giảm 5 độ
c: Trường hợp giảm 10 d: Trường hợp giảm 15 độ
Hình 2.36: phân bố áp suất trên đường bao quanh ô tô tại mặt cắt nghiên cứu
2.7.5. Ảnh hƣởng của tốc độ đến hệ số lực cản, lực nâng trong trƣờng hợp đuôi xe thay đổi
Góc nghiêng Thông số
Nối thẳng Giảm 5 độ Giảm 10 độ Giảm 15 độ
V (km/h) 40 40 40 40 m/s 11.12 11.12 11.12 11.12 Sx (m) 4.8 4.8 4.8 4.8 Sy (m) 1.4 1.4 1.4 1.4 ro (kg/m^3) 1.225 1.225 1.225 1.225 Fx 45.3145 40.1553 41.7431 43.3257 Fy -24.1638 -34.0043 -35.45 -37.6202 CL -0.0664673 -0.0935355 -0.0975122 -0.1034818 CD 0.42735962 0.37870337 0.3936778 0.4086033
Bảng 2.4: Hệ số lực cản tích theo dữ liệu mô phỏng
Hình 2.37: Hệ số lực cản so với các góc thay đổi của đuôi xe
Hình 2.38: Hệ số lực nâng so với các góc thay đổi của đuôi xe
Ở trường hợp này mô phỏng được thiết lập ở những giá trị vận tốc, áp suất là như nhau. Qua đó đưa ra được hình dạng đuôi xe tốt nhất ở trong mốc vận tốc đó
Theo kết quả của mô phỏng phần đuôi xe ta đưa ra được dạng đuôi xe có hệ số cản tốt hơn rất nhiều và góc thay đổi tối ưu nhất với trường hợp xe di chuyển trong đô thị là giảm 5 độ so với dạng đuôi xe cơ bản.
CHƢƠNG 3: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ LỰC NÂNG, LỰC CẢN BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
3.1 Tìm hiểu về trang thiết bị phục vụ thí nghiệm 3.1.1. Tìm hiểu về ống khí động ở phòng thí nghiệm 3.1.1. Tìm hiểu về ống khí động ở phòng thí nghiệm
Ống khí động AF 6116 đã được trang bị cho quá trình học tập, nghiên cứu của giảng viên, sinh viên Viện cơ khí động lực, bởi sự hợp tác giữa Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học ENSMA (Pháp). Dưới đây là hình ảnh tổng quan và những đặc tính chính của ống khí động AF 6116: Hình 3.1: Ống khí động AF 6116 (Đặt ở nhà T – ĐHBK HN) Những đặc tính chính của ống là: Dạng ống: Ống hở. Kích thước tổng: 7110 x 1600 x 2250 mm. Tốc độ dòng khí trong ống: 0 – 38 m/s (137 km/h).
Thay đổi vận tốc dòng liên tục từ 0 38 m/s bằng cách thay đổi vận tốc quay của quạt thông qua bộ biến tần thể hiện bằng bảng điều khiển.
Số Mach 0,1.
Đặc tính buồng thử:Dạng kín, diện tích mặt cắt: 400 x 500 mm, chiều dài: 1000 mm.
Buồng thử được làm hoàn toàn trong suốt, có thể đặt vào đó các mẫu thử nhỏ, bên cạnh đó còn có các lỗ đo áp suất trước và sau buồng thử, bộ hiển thị áp suất, ống Pito…Ống khí động được gắn trên một khung đỡ có thể di chuyển và có khóa
để cố định ở trong phòng thí nghiệm.
Các thành phần cấu tạo chi tiết của ống khí động AF6116 gồm có: Ống dẫn vào (convergent), buồng thử nghiệm, bộ phận là đều dòng, ống ra, quạt hút....
Phần ống dẫn dòng (Intake section – Convergent)
Phần này được thiết kế để tăng tốc dòng khí, để dòng khí qua tiết diện đạt chất lượng cao nhất, và được ngăn bằng lưới sắt để ngăn không cho vật thể lạ bị hút vào. Trong phần dẫn dòng còn lắp thêm tấm tổ ong làm suôn đều dòng khí trước khi vào buồng thử. Kích thước chính:
Tiết diện vào: 1100 x 1300 mm
Tiết diện làm tĩnh (calm): 800 x 1000 mm
Tiết diện ra: 400 x 500 mm
Chiều dài: 1560 mm
Hình 3.2:Tiết diện đầu vào với lưới tổ ong dạng lục giác
Phần làm thẳng
Theo các kết quả thực nghiệm mới nhất thu được từ các ống khí động, đoạn làm thẳng nên đặt trước buồng thử để tránh hiện tượng xoáy có thể ảnh hưởng đến đo lường trong buồng thử.
Hình 3.3: Đoạn làm thẳng trước khi vào buồng thử
Buồng thử
Được thiết kế bằng vật liệu trong suốt để có thể quan sát dễ dàng các mẫu thử bên trong từ bên trên, phía dưới và bên cạnh. Có các cửa ở phía bên để lắp đặt mẫu. Mặt trên, dưới và hai bên có thể tháo ra dễ dàng khi cần thiết.
Hình 3.4: Buồng thử bằng vật liệu trong suốt
Mặt kiểm tra có gẵn các lỗ đo áp suất và ống Pito. Kích thước buồng thử:
Rộng: 400 mm
Cao: 500 mm
Phần ống loe
Tạo chất lượng dòng khí trong buồng thử ra tốt nhất khi phần loe có góc mở nhỏ (tránh hiện tượng giảm áp đột ngột). Các kích thước chính:
Đầu vào hình chữ nhật: 400 x 500 mm
Đầu ra hình tròn có đường kính:
D = 1000 mm, chiều dài: 2880 mm
Hình 3.5: Phần ống loe
Quạt hướng trục (Axial fan): Quạt được sử dụng để đưa dòng khí vào trong ống, là quạt có cánh kép (được lắp trên 2 motor điện khác nhau và quay ngược chiều nhau), vật liệu nhẹ, cân bằng tĩnh và động tốt.
Đặc điểm chính:
Đường kính 1m.
Lưu lượng lớn nhất: 7,6 m3 /s.
Áp suất đầu ra: 450 Pa.
Motor điện: Hai động cơ 3 pha, công suất 8 KW.
Hình 3.6: Hai quạt hướng trục quay ngược chiều nhau
Phần ống ra
Được lắp ở đầu ra của ống khí động, được làm loe ra để giảm vận tốc gió thoát ra ngoài môi trường.
Các kích thước chính:
Đường kính đầu vào: R = 1000 mm
Đường kính đầu ra: R = 1600 mm
Chiều dài: 370 mm
Có lưới bảo vệ
Vận tốc dòng khí ra Max: 3,7 m/s
Hình 3.7: Phần ống ra
Các bộ phận, trừ buồng thử, đều được chế tạo bằng thép không gỉ và được hàn nối cẩn thận.Các mối nối được đảm bảo kín, không cho không khí lọt qua.Các mặt bên trong và bên ngoài ống khí động đều được sơn cẩn thận.
Hình 3.8: Phần giá đỡ ống khí động
Đặc biệt mặt trong được sơn nhẵn đảm bảo giảm tối đa độ nhám bề mặt, giảm tổn thất áp suất xuống mức tối thiểu.Toàn bộ phần ống được đỡ bằng các khung đỡ chữ nhật chắc chắn
Hộp điều khiển điện
Bao gồm:
Công tắc tổng.
Núm thay đổi tần số điện để thay đổi tốc độ quay của quạt, nhằm có được sự thay đổi liên tục vận tốc dòng khí khi qua buồng thử.
Màn hình hiển thị kỹ thuật số.
Hình 3.9: Hộp điều khiển điện
3.1.2 Lực kế Loadcell Mavin
Trong nghiên cứu xác định lực nâng, lực cản của xe, thiết bị được sử dụng trực tiếp trong luận văn này là Loadcell Mavin. Loadcell mavin có hình hộp, bằng nhôm, 2 mặt có dán cảm biến điện mạch cầu. Có 4 dây điện dẫn ra: 2 dây tín hiệu (dây trắng, dây xanh), 2 dây nguồn (dây đỏ, dây đen). Khi có tác dụng lực lên loadcell theo hướng vuông góc sẽ làm thay đổi hiệu điện thế ra và qua đó có thể xác định được giá trị của lực thông qua biểu thức dưới đây:
F = U *2410 (3.1)
Trong đó: F là lực tác dụng (N)
Hình 3.10: Loadcell Mavin
Cần khẳng định rằng, việc lựa chọn giải đo của loadcell là hết sức quan trọng nó quyết định tính chính xác của phép đo. Nếu giải đo quá rộng thì sẽ dẫn đến sai số lớn và giải đo quá hẹp thì có thể sẽ không phủ hết các trường hợp nghiên cứu. Với giới hạn nghiên cứu của đề tài, việc bố trí đó lực cản lực nâng của xe như đã tính toán mô phỏng ở trên thì giá trị của các lực này biến đổi:
- Lực cản Fc biến đổi từ 0.3153 đến 1.326583 (N) - Lực nâng Fn biến đổi từ 0.163402 đến 0.208122 (N)
Ta có thể lựa chọn giải đo của loadcell nằm trong phạm vị từ 0 đến 2 (N). Loadcell phù hợp được lựa chọn có giải đo từ 0 đến 6 (N) phù hợp với yêu cầu.
3.1.3 Thiết bị thu Agilent
Thiết bị Agilent là thiết bị thu thập dữ liệu với 36 kênh hiện có tại bộ môn KT HKVT được sử dụng nhằm thu thập tín hiệu đo của loadcell sử dụng nêu trên. Tín hiệu điện từ loadcell gửi về, thiết bị này sẽ thu nhận và xử lý. Sau đó thiết bị xuất ra file dữ liệu. Hình 3.11 thể hiện thiết bị được sử dụng trong thí nghiệm.
Thiết bị thu Agilent có thể điều khiển được bằng 2 cách: Điều khiển trực tiếp trên máy bằng các nút hoặc điều khiển bằng máy tính. Điều khiển bằng máy tính thì phải cài đặt thư viện, driver phù hợp với win, ta có thể dowload trên trang web của Agilent.
3.1.4 Mô hình xe phục vụ thí nghiệm
Mô hình thực nghiệm được xây dựng dựa trên mô hình thu nhỏ của xe BMW X6 có kích thước bằng 1/11 kích thước xe thật:
Chiều dài của xe: 44 cm Chiều cao của xe: 14 cm Chiều rộng của xe: 16 cm
3.2 Sơ đồ đo khí động ô tô
Mục tiêu ở đây là tính toán được hệ số cản khí động của xe. Nguyên tắc ở đây