6. Cấu trúc đồ án
4.2.3 Thiết lập điều kiện đầu và điều kiện biên
Bước tiếp theo, tôi thiết lập điều kiện đầu và điều kiện biên của bài toán trong môi trường không khí ở nhiệt độ 25C. Khi xe di chuyển với tốc độ cao, sẽ bắt đầu chịu ảnh hưởng của sức cản không khí, cần có các thiết lập phù hợp với thực tế để đánh giá tính khí động của phương tiện.
Ta giả sử rằng xe đang di chuyển với một tốc độ nhất định (khoảng tốc độ 40 – 100 km/h), trong phần mềm mô phỏng nên tôi giải quyết bài toán này bằng cách cho gió đi vào khối hộp bao quanh xe, vì xe đứng yên và không khí thổi vào nên có thể xem xe đang di chuyển so với không khí. Như vậy nếu xét vận tốc tương đối giữa xe so với không khí thì xe đang di chuyển với vận tốc (40 km/h – 100 km/h).
Điều kiện biên của bài toán (boundary condition), tôi đặt giả thiết gió sẽ đi vào từ mặt trước – Inlet và đi ra ở mặt sau của khối hộp – Outlet. Mặt đáy của khối hộp tôi chọn chế độ tường cứng – Wall, tức là xem như mặt đường, còn các mặt còn lại thì sẽ được để hở để không khí tự do di chuyển qua các bề mặt này – Opening.
Hình 4.18: Thiết lập đường đi của không khí trong CFX-Pre
Đối với điều kiện ban đầu của bài toán (first condition) tại thời điểm t0=0, với điều kiện ta xét ở đây là điều kiện không khí lý tưởng ở nhiệt độ 25C. Tôi chọn tốc độ gió đi vào khối hộp lần lượt là 40 km/h và 100 km/h. Các thông số về điều kiện đầu được thể hiện qua bảng 2.
Nhiệt độ không khí 25C Áp suất không khí 1 atm Tốc độ gió 40 - 100 km/h
Bảng 4.5: Các điều kiện ban đầu của bài toán
Ở bước tiếp theo phần mềm sẽ dựa vào các điều kiện ta đặt ra, hệ thống tiến hành tính toán và giải các phương trình vi phân với số lượng vòng lặp tôi đặt ra là 500 vòng để đảm bảo độ chính xác cao và tính hội tụ của kết quả. Kết quả của bài toán được nêu ra ở phần tiếp theo.
4.2.4 Kết quả mô phỏng
Trong phạm vi của nghiên cứu này, tôi tập trung phân tích sức cản của không khí lên bề mặt vỏ xe mà không tập trung vào nhiệt độ gây ra do ma sát giữa VX và không khí. Tôi đánh giá tính khí động học hai trường hợp, xe di chuyển với tốc độ 40 km/h và xe di chuyển với tốc độ 100 km/h.
Trước tiên, sẽ đánh giá áp suất không khí gây ra trên bề mặt vỏ xe dưới tác dụng của gió khi tiếp xúc với bề mặt xe ở vận tốc cao. Sau đó, tôi đánh giá sự thay đổi của tốc độ gió xung quanh vỏ xe sau khi xảy ra tiếp xúc để đánh giá sức cản của không khí lên bề mặt của xe. Cuối cùng là kết quả của lực ghì (down force) và lực kéo (drag force) mà không khí gây ra trên bề mặt xe, từ đó đánh giá chung về tính khí động học của thiết kế đã đưa ra.
a. Trường hợp 1: Tốc độ không khí 40 km/h
Trường hợp 1, ta xét tốc độ di chuyển của xe là 40 km/h, tốc độ tối đa di chuyển trong phố của các phương tiện xe gắn máy. Đầu tiên, ta xét áp suất không khí gây ta trên bề mặt vỏ xe ở tốc độ 40 km/h. Hình 35 là áp suất không khí gây ra trên bề mặt của vỏ xe. Dựa vào thang màu chỉ thị giá trị áp suất, ta nhận thấy thấy rằng áp suất tại phần mũi xe đạt giá trị cực đại (màu cam đỏ) với giá trị 1.015e+05 Pa, còn tại các vị trí khác trên xe sắc màu xanh lá chiếm chủ đạo với giá trị áp suất vào khoảng 1.013e+05 Pa, ngoài ra còn một số vị trí có màu xanh dương với giá trí 1.011e+05 Pa.
Hình 4.19: Áp suất bề mặt vỏ xe tại vận tốc 40 km/h
Các phân tích trên cho ta thấy rằng tại vị trí đầu xe, áp suất sẽ cao hơn so với các vị trí còn lại, có thể giải thích đơn giản rằng, ở đầu xe sẽ là vị trí đầu tiên tiếp xúc với không khí, khi di chuyển với tốc độ cao mũi xe sẽ là phần tiếp xúc với không khí trước tiên và nhiều nhất, nơi đây sẽ là nơi có áp suất cao hơn so với các vị trí còn lại của xe.
Sau đó, ta sử dụng các đường Stream Line để đánh giá áp suất của không khí xung quanh VX. Ta nhận thấy rằng các khối không khí khi di chuyển trên bề mặt xe có dải màu vàng xanh, biểu thị khoảng giá trị áp suất từ 1.010e+05 Pa đến 1.013e+05 Pa, riêng vùng tiếp xúc với đầu vỏ xe ta nhận thấy các vệt màu đỏ cam với áp suất1.015e+05 Pa, giải thích cho hiện tượng này cũng tương tự như diễn giải hình 4.20, ở các vị trí bắt đầu tiếp xúc với xe, áp suất không khí tăng dần lên, đến khi đi qua khỏi vị trí này thì giá trị bắt đầu giảm dần về giá trị áp suất khí quyển ban đầu (1 atm tương đương 1.0e+05 Pa).
Hình 4.20: Streamline áp suất không khí trên bề mặt vỏ xe tại tốc độ 40 km/h
Tiếp theo là kết quả và đánh giá về sự biến thiên của vận tốc không khí ở xung quanh vỏ xe, Hình 4.21 là hai mặt cắt dọc và ngang của khối không khí xung quanh xe, bản màu thể hiện sự thay đổi tốc độ của các lớp không khí này. Tại nơi không khí có tốc độ cao hơn sẽ gây ra sức cản lớn hơn lên VX.
Hình 4.21: Tốc độ không khí xung quanh xe khi di chuyển với tốc độ 40 km/h
Dựa vào thang màu ta nhận thấy rằng những vị trí có màu cam đỏ trên nóc xe và ở phần tiếp xúc với mặt đất của bánh xe với tốc độ gió vào khoảng 1.535e+01 m/s(tức 55.26 km/h), tốc độ gió thấp nhất nằm ở đuôi xe đạt giá trị 0 km/h. Dựa vào đây ta có thể thấy được tác động của gió lên vỏ xe, những nơi hiển thị màu đỏ cam là nơi chịu sức cản không khí lớn nhất, còn các vị trí có màu vàng thì ít chịu lực cản hơn và vùng màu xanh dương hầu như không bị chịu sức cản của không khí. Hình 4.22 thể hiện rõ hơn sức cản của không khí lên bề mặt vỏ xe bằng hình ảnh các đường Streamline chạy dọc bề mặt của vỏ xe.
Hình 4.22: Streamline của không khí khi xe di chuyển với vận tốc 40 km/h
b. Trường hợp 2: Tốc độ không khí 100 km/h
Trường hợp 2, ta giả sử cho xe di chuyển với tốc độ 100 km/h, trên thực tế động cơ Honda 100 CC dù có tốc độ lớn nhất mà nhà sản xuất đưa ra là 140 km/h nhưng việc sử dụng phương tiện gắn máy ở vận tốc 100 km/h cũng là điều hiếm gặp ở những người lái xe thông thường, nhưng vì mục đích mô phỏng nên tôi giả sử xe đang di chuyển với tốc độ này để đánh giá tác động của không khí lên bề mặt xe trong điều kiện làm việc gắt gao nhất.
Trong trường hợp 2, ta xét áp suất không khí gây ta trên bề mặt vỏ xe ở tốc độ 100 km/h. Hình 4.23 là áp suất không khí gây ra trên bề mặt của vỏ xe. Dựa vào thang màu chỉ thị giá trị áp suất, tương tự như ở trường hợp 1 ta nhận thấy rằng áp suất tại phần mũi xe đạt giá trị cực đại (màu cam đỏ) với giá trị 1.025e+05 Pa cao hơn so với trường hợp 1 với giá trị 1.015e+05 Pa, còn tại các vị trí khác trên xe sắc màu xanh lá chiếm chủ đạo với giá trị áp suất vào khoảng 1.011e+05 Pa (cao hơn so với trường hợp 1), ngoài ra còn một số vị trí có màu xanh dương đạt giá trị 9.964e+05 Pa.
Hình 4.23: Áp suất bề vỏ xe ở tốc độ 100km/h
Các phân tích trên cho ta thấy rằng tại vị trí đầu xe, áp suất sẽ cao hơn so với các vị trí còn lại, có thể giải thích đơn giản rằng, ở đầu xe sẽ là vị trí đầu tiên tiếp xúc với không khí, khi di chuyển với tốc độ cao mũi xe sẽ là phần tiếp xúc với không khí trước tiên và nhiều nhất, nơi đây sẽ là nơi có áp suất cao hơn so với các vị trí còn lại của xe.
Sau đó, ta sử dụng các đường Stream Line để đánh giá áp suất của không khí xung quanh VX. Ta nhận thấy rằng các khối không khí khi di chuyển trên bề mặt xe có dải màu vàng xanh, biểu thị giá trị áp suất vào khoảng 9.964e+04 Pa đến 1.025e+05 Pa riêng vùng tiếp xúc với đầu vỏ xe ta nhận thấy các vệt màu đỏ cam, giải thích cho hiện tượng này cũng tương tự như Hình 4.24, ở các vị trí bắt đầu tiếp xúc với xe, áp suất không khí tăng dần lên, đến khi không khí đi qua khỏi vị trí này thì giá trị bắt đầu giảm lần về lại áp suất khí quyển ban đầu (1 atm tương đương 1.0e+05 Pa).
Hình 4.24: Streamline áp suất không khí trên bề mặt vỏ xe tại tốc độ 100 km/h
Mặt khác, ở trường hợp 2, nhìn chung mặt bằng giá trị áp suất cao hơn so với trường hợp 1, lý giải là do trong trường hợp này xe di chuyển với tốc độ 100km/h cao hơn so với trường hợp trước.
Tiếp theo sẽ là đánh giá của tôi về vận tốc không khí ở xung quanh vỏ xe, Hình 4.25 là hai mặt cắt dọc và ngang của khối không khí xung quanh xe, bảng màu thể hiện sự thay đổi tốc độ của các lớp không khí này. Những nơi có giá trị vận tốc không khí cao hơn sẽ gây ra sức cản lớn hơn lên chuyển động của xe.
Hình 4.25: Tốc độ không khí quanh xe khi di chuyển với tốc độ 100 km/h
Dựa vào thang màu ta nhận thấy rằng những vị trí có màu cam đỏ trên nóc xe và ở phần tiếp xúc với mặt đất của bánh xe với tốc độ gió vào khoảng 3.858e+01 m/s (tức 138.9 km/h), tốc độ gió thấp nhất nằm ở đuôi xe đạt giá trị 0 km/h. Dựa
vào đây ta có thể thấy được tác động của gió lên vỏ xe, những nơi hiển thị màu đỏ cam là nơi chịu sức cản không khí lớn nhất, còn các vị trí có màu vàng thì ít chịu lực cản hơn và vùng màu xanh hầu như không bị chịu sức cản của không khí.
Mặt khác, ở trường hợp 2, nhìn chung mặt bằng giá trị vận tốc không khí cao hơn so với trường hợp 1, lý giải là do trong trường hợp này xe di chuyển với tốc độ 100km/h cao hơn so với trường hợp trước. Hình 4.26 thể hiện rõ hơn sức cản của không khí lên bề mặt vỏ xe bằng hình ảnh các đường Streamline chạy dọc bề mặt của vỏ xe.
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
Ở phần này sẽ tiến hành đánh giá và so sánh về ĐBD, ứng suất cực đại khi chịu tải của hai thiết kế đã được nêu ra trước đó. Từ những so sánh trên, suy ra được những thiết kế tối ưu hơn để tiến hành gia công KX. Tiếp theo là so sánh về sự thay đổi thiết kế khung xe, điểm tối ưu mà thiết kế sau mang lại nhằm tăng cường hiệu quả khí động học cho xe.