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 ta dựa vào công thức tính lực cản và lực nâng của xe:
FD = CD 2 2 1 AV (3.2) Ta đã biết 1 số thông số như mật độ không khí ρ, vận tốc trong trường hợp thí nghiệm v, lực cản chính diện S. Từ đó, nếu tính được lực cản FD thì ta sẽ dễ dàng xác định được hệ số lực cản CD.
Tương tự như vậy từ công thức tính lực nâng, ta hoàn toàn có thể tính được hệ số lực nâng nếu như đo được lực nâng.
Ở đây ta phải thiết kế 2 sơ đồ thí nghiệm, một sơ đồ xác định lực cản và một sơ đồ xác định lực nâng.
Sơ đồ xác định lực cản:
Sơ đồ xác định lực nâng:
Hình 3.14: Mô hình đo lực nâng thiết kế bằng solidwork
Để quá trình đo đạc có thể thu được các kết quả chính xác nhất thì việc xây dựng bộ gá cho loadcel và gắn lắp mô hình cần phải đảm bảo các yêu cầu:
- Bộ gá loadcell phải cứng vững, đủ chắc chắn nếu không khi có gió hệ thống sẽ rất rung và không đo được.
- Bộ gá loadcell phải được gá đặt sao cho hình dáng của nó không ảnh hưởng đáng kể tới lớp biên khí động của xe.
- Mô hình xe được làm bằng nhựa do đó nhựa sẽ biến dạng đàn hồi gây rung lắc mô hình.Tại vị trí bắt xe với bộ gá, cần tiến hành làm khung phía bên trong để tạo cứng cho vị trí gá đặt.
- Khối lượng của xe cũng ảnh hưởng tới rung động của xe. Nếu mô hình xe nhẹ quá, rung động sẽ nhiều hơn. Do đó có thể tăng trọng lượng bằng cách cho thêm vật vào bên trong xe.
- Vị trí treo xe cũng phải gần với đầu của loadcell, nếu không sẽ gây momen làm biến dạng loadcell dẫn tới kết quả không chính xác.
3.3 Phƣơng pháp đo khí động ô tô
Khi tiến hành đo lực cản, bản thân loadcell và bộ gá xe đã sinh ra lực cản khi có dòng khí chạy qua. Do đó ta phải tiến hành đo lực cản của cả hệ thống (FHT)và lực cản của riêng loadcell + bộ gá (Fgá). Sau đó kết quả của lực cản xe chính là hiệu của lực cản của cả hệ thống trừ đi lực cản của loadcell + bộ gá.
Bước 1: Kết nối và khởi động Agilent, máy tính.
Bước 2: Khởi động phần mềm datalogger, sau đó chọn kênh kết nối, trong phần configuration, có thể chọn tín hiệu đo từ kênh đã kết nối (điện áp hoặc điện trở), chọn sai số.
Bước 3: Tiến hành đo giá trị điện áp của loadcell khi chưa bật ống khí động
Hình 3.15: Tín hiệu điện áp khi chưa bật ống khí động
Bước 4: Bật ống khí động, chỉnh vận tốc gió ở tốc độ cần đo, giá trị điện áp trên Agilent bắt đầu thay đổi so với ban đầu.
Ví dụ: Trên hình 3.16 khi chưa bật ống khí động thì số lần máy lấy mẫu từ 1- 600 là giai đoạn ổn định, tín hiệu điện có giá trị nhỏ. Khi bật ống khí động giá trị điện áp bắt đầu tăng lên. Khoảng lấy mẫu từ 600-800 là giai đoạn đang điều chỉnh tốc độ quạt gió tín hiệu thay đổi nhiều. Từ 800-1100 là giai đoạn giá trị điện áp đi vào ổn định.
Hình 3.16: Đồ thị giá trị điện áp trong quá trình đo Bước 5: Lưu kết quả dưới dạng file exel.
Bước 6: Tháo xe và tiến hành đo lực cản của bộ gá (Chỉ làm với thí nghiệm đo lực cản).
3.4 Xử lý kết quả thí nghiệm
Do giới hạn vận tốc trong ống khí động nên thí nghiệm này chỉ trình làm với các vận tốc v=30; 40; 50; 60 km/h
3.4.1. Kết quả thí nghiệm đo lực cản
Đối với thí nghiệm đo lực cản, do bộ gá và loadcell cũng có cản do đó kết quả lực cản đo được khi treo xe là lực cản tổng cộng của cả hệ thống. Muốn xác định được lực cản của riêng ô tô ta phải xác định được lực cản của cả hệ thống và lực cản của bộ loadcell.
FD=FHT - FGá (3.3) Giả sử giá trị điện áp khi chưa bật ông khí động là U0
Giá trị điện áp khi bật ống khí động là U Khi đó giá trị điện áp chênh lệch là ΔU=U-U0 Giá trị lực đo được sẽ là: Fđo=2410 x ΔU
Nếu treo ô tô, Fđo chính là lực cản của cả hệ thống. Nếu tháo ô tô Fđo chính là lực cản của bộ gá.
Ở vận tốc là 30km/h (tức 8,3m/s) ta thu được kết quả như sau:
Hình 3.18: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của cả hệ thống ở vận tốc 30km/h
Đại lƣợng Trạng thái Lực cản của cả hệ thống (N) Lực cản của loadcell + bộ gá (N) Khi chưa bật ống khí động 1.5761 1.5905 Khi bật ống khí động 2.1333 1.8321 Chênh lệch 2 trạng thái bật và không bật ống khí động 0.5572 0.2422
Vậy lực cản của ô tô là: FD = FHT (cả hệ thống) - FGá (bộ gá)= 0.3153 (N) Từ công thức: FD = CD 2
2 1
AV
dễ dàng suy ra CD =0.3336
Tương tự với những giá trị vận tốc 40km/h, 50km/h, 60km/h ta cũng dễ dàng xác định được hệ số lực cản như trên. Các kết quả đo thực tế của các trường hợp này được trình bày trong phụ lục.
Tổng hợp kết quả về lực cản của các trường hợp nghiên cứu được trình bày trong bảng kết quả mô phỏng thực nghiệm:
V (km/h) 30 40 50 60
m/s 8.34 11.12 13.9 16.68
CD 0.3336 0.434 0.374 0.3480
Bảng 3.1: Kết quả thực nghiệm hệ số lực cản với các vận tốc khác nhau của xe
Với mô phỏng bảng 2.2 chương 2 ta có bảng mô phỏng lý thuyết về lực cản như sau:
V (km/h) 30 40 50 60
m/s 8.34 11.12 13.9 16.68
CD 0.3755118 0.4285875 0.4229612 0.4027941
Hình 3.20: Đồ thị hệ số lực cản mô phỏng và thực nghiệm
Hình 3.20 thể hiện việc so sánh kết quả thu được từ mô phỏng số và thực nghiệm đối với hệ số lực cản khí động của xe. Ta có thể nhận thấy rằng, kết quả thu được từ hai phương pháp này là tương đối tương đồng. Đặc biệt, khi xe hoạt động ở vận tốc 40 km/h ở cả hai phương pháp ta cùng thu được hệ số lực cản là lớn nhất với giá trị khoảng 0.43.
3.4.2. Kết quả thí nghiệm đo lực nâng
Hình 3.21: Mô hình đo lực nâng thực tế
Khi đo lực nâng thì ảnh hưởng của bộ gá và loadcell gần như không có, do đó lực nâng sẽ được tính theo công thức:
Khi vận tốc là 30km/h (tức 8,3m/s)
Hình 3.22: Đồ thị giá trị điện áp và lực nâng quy đổi của hệ thống ở vận tốc 30km/h
- Giá trị lực đo được khi chưa bật ống khí động: 16.30947 (N) - Giá trị lực đo được khi bật ống khí động: 16.47288 (N)
- Giá trị lực chênh lệch giữa 2 trạng thái (lực nâng ô tô): FL = 0.163402 (N) Tương tự với những giá trị vận tốc 40km/h, 50km/h, 60km/h ta cũng dễ dàng xác định được hệ số lực nâng như trên. Các kết quả đo thực tế của các trường hợp này được trình bày trong phụ lục.
Tổng hợp kết quả về lực nâng của các trường hợp nghiên cứu được trình bày trong bảng 3.1:
V (km/h) 30 40 50 60
m/s 8.34 11.12 13.9 16.68
CL -0.0628 -0.05735 - 0.03184 - 0.01985
Bảng 3.2: Kết quả thực nghiệm hệ số lực nâng với các vận tốc khác nhau của xe Theo bảng 2.2 mô phỏng lý thuyết ở chương 2 chúng tôi có:
V (km/h) 30 40 50 60
m/s 8.34 11.12 13.9 16.68
CL -0.05917939 -0.07752625 -0.08727242 -0.09100963
Hình 3.23: Đồ thị hệ số lực nâng tìm được theo phương pháp mô phỏng và thực nghiệm
Đối với hệ số lực nâng khí động, khi tốc độ của xe nằm trong khoảng 30-40 km/h thì ở cả hai phương pháp thực nghiệm và mô phỏng, kết quả thu được là khá tương đồng. Tuy nhiên, khivận tốc lớn hơn thì sự sai khác của hệ số lực nâng là tương đối lớn.
3.5 Đánh giá kết quả thí nghiệm
Việc xem xét, đánh giá chi tiết sai số của kết quả thực nghiệm cũng như của phương pháp số trong nghiên cứu là rất cần thiết. Tuy nhiên, trong khuôn khổ của nghiên cứu này, đánh giá sai số chỉ được xem xét trong giới hạn ở sai số tương đối giữa hai phương pháp đã được tiến hành.