❖ Quy trình thực hiện
Quy trình mô phỏng khí động học của vỏ xe được hiện theo 6 bước như hình vẽ : + Bước 1: Lựa chọn phương pháp mô phỏng
+ Bước 2: Xây dựng mô hình + Bước 3: Chia lưới
+ Bước 4: Thiết lập điều kiện tính toán + Bước 5: Thiết lập phương pháp tính toán + Bước 6: Lấy kết quả
Hình 4.55: Quy trình thực hiện mô phỏng vỏ xe. 4.3.3.1. Phương pháp mô phỏng
Nhóm sử dụng Ansys Fluent để mô phỏng khí động học qua đó đánh giá tính năng khí động học của xe.
Ansys fluent được lập trình theo các phương trình cơ bản của dòng chất lỏng. Đó là các phương trình Navie- Stock, Becnuli hay Euler. Các thông số trong cài đặt chính giúp chúng ta khép kín được các ràng buộc để ansys tính toán. Ansys fluent chứa các phần chúng chúng ta có thể thiết kế mô hình 2D, 3D hoặc chuyển đổi từ các phần mềm khác vô cùng linh hoạt. Ở
60 đây ta sử dụng bản thiết kế mô hình xe sinh thái từ Solidwork để mô phỏng. Trong module này, các thông số như môi chất( độ nhớt, chế độ chảy, khối lượng riêng...), điều kiện vào, ra( vận tốc, nhiệt độ, áp suất...) được cài đặt nhằm mô phỏng một cách gần nhất với thực tế, giúp kết quả được khách quan hóa.
4.3.3.2. Xây dựng mô hình
❖ Mô hình 3D:
Mô hình 3D là mẫu vỏ xe đã được thiết kế như trên:
Hình 4.56: Mẫu vỏ xe 3D.
❖ Chèn mô hình tính toán vào ansys fluent từ solidworks.
Muốn tính toán, trước hết ta nhập file mô hình từ solidworks sang ansys fluent, file này phải được lưu dưới dạng step.
61
Hình 4.57: Đưa mô hình vỏ xe vào Ansys.
❖ Tạo miền tính toán:
Miền tính toán là vùng không gian bao quanh vật thể được giới hạn trong quá trình mô phỏng. Miền tinh toán phải có kích thước đủ lớn được giới hạn bởi các mặt phẳng để đảm bảo dòng không khí không chịu ảnh hưởng của mô hình khảo sát. Tuy nhiên cũng không thể lựa chọn miền tính toán quá lớn dẫn đến làm lãng phí tài nguyên máy tính, tăng thời gian mô phỏng tính toán. Nhóm tiến hành xây dựng miền tính toán với các thông số được mô tả ở hình sau.
62
4.3.3.3. Chia lưới
Chia lưới chính là rời rạc hóa vùng không gian mô phỏng thành các phần tử để thực hiện tính toán gần đúng bằng phương pháp số. Trong bài nghiên cứu này sẽ sử dụng phương pháp chia lưới tam giác với thuật toán Patch Independent là thuật toán chia lưới từ trong ra ngoài và chú trọng vào miền môi chất phía trong. Miền tính toán được chia lại với kích thước của phần tử lưới ở vùng biên và gần mô hình phân tích phải đủ nhỏ để đảm bảo chất lượng lưới chia, trong khi các vùng xa vùng biên và mô hình phân tích kích thước của phần tử lưới lớn hơn nhằm tiết kiệm tài nguyên của máy tính cũng như thời gian tính toán.
Hình 4.59: Chia lưới.
❖ Đánh giá chất lượng lưới
Bảng 4.19: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng lưới.
Chất lượng lưới Xuất xắc Rất tốt Tốt
skewness 0-0.25 0.25-0.5 0.5-0.8
63
skewness 0.8-0.94 0.94-0.97 0.97-1
Hình 4.60: Chất lượng của lưới.
Giá trị Skewness average = 0,2457, Skewness Max = 0,93663
Lưới có thể dung để tính toán.
4.3.3.4. Thiết lập điều kiện tính toán
❖ Chọn lưu chất tính toán:
Lưu chất ở đây là không khí với khối lượng riêng không khí là 1,225(kg/m3), độ nhớt động học của không khí là 1,7894 x10-5.
64
Hình 4.61: Chọn lưu chất tính toán.
❖ Thiết lập điều kiện biên
Vận tốc đầu vào là 10 m/s và áp suất đầu ra bằng 0.
65
Hình 4.63: Thiết lập điều kiện đầu ra. 4.3.3.5. Thiết lập phương pháp tính toán
❖ Lựa chọn thuật toán:
66
Hình 4.64: Lựa chọn thuật toán.
❖ Chọn hướng của lực cản tác dụng lên xe
Lực cản có chiều ngược chiều chuyển động của xe .
67
❖ Chạy mô phỏng
Chạy mô phỏng với 100 lần lặp.
68
4.3.3.6. Kết quả
❖ Lực cản và hệ số cản
Độ lớn hệ số cản và lực cản sau khi mô phỏng thu được là: Lực cản: 1.27 N.
Hệ số cản: 0.0419.
❖ Phân bố vận tốc của không khí theo thời gian Mặt cắt dọc:
Hình 4.67: Phân bố vận tốc của không khí theo thời gian qua mặt cắt dọc.
Thang màu sắc từ xanh da trời đến màu cam thể hiện độ lớn vận tốc tại những vùng khác nhau quanh mô hình. Tại vùng đầu xe luôn có vận tốc nhỏ hơn ở những vùng khác do dòng khí khi di chuyển đến vùng này sẽ xuất hiện một điểm đình trệ (stagnation point). Ngay tại điểm đình trệ vận tốc dòng khí bằng không và dòng khí sẽ chia làm hai phần, một phần đi dọc theo phía trên xe và một phần đi dọc theo phía dưới xe. Bên cạnh đó, biên dạng xe thay đổi (các góc bo tròn, góc nghiêng) dẫn đến sự phân bố vận tốc tại những vùng đó cũng thay đổi. Vùng sau đuôi xe hình thành xoáy thấp áp ảnh hưởng đến lực cản khí động của xe.
69
❖ Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe
Hình 4.68: Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe.
Hình thể hiện sự phân bố áp suất trên xe. Thang màu sắc từ xanh da trời đến màu cam thể hiện độ lớn áp suất tại những vùng khác nhau quanh mô hình. Tại phía trước mô hình luôn có áp suất lớn hơn ở những vùng khác trên mô hình do sự tách rời của dòng khí, chính sự chênh áp này là yếu tố cơ bản tạo nên lực cản khí động khi ô tô di chuyển về phía trước. Sự chênh áp càng lớn thì lực cản khí động càng tăng.
4.3.3.7. Đánh giá kết quả
Từ các kết quả nhận được sau quá trình mô phỏng trên, nhóm nhận thấy:
+ Tại tốc độ 10 m/s, tốc độ lớn nhất trong mô phỏng, lực cản và hệ số cản gió của xe là nhỏ.
+ Xét trên biểu đồ phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe, vùng đầu xe chịu áp suất cao nhất nhưng cũng rất rất nhỏ (60,56 Pa) so với sức căng của sợi thủy tinh là hơn 3 GPa hay cường độ kéo của keo EPOXY khi đông cứng là hơn 35 MPa.
70 Từ các nhận định trên, nhóm nhận thấy mẫu vỏ xe này đảm bảo yêu cầu về hệ số cản, tính an toàn khi vận hành nên có thể đưa vào chế tạo.
4.4. Kết quả đạt được
71
72
73
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1. Kết luận
Với đề tài “Thiết kế và chế tạo khung và thân vỏ xe 03 bánh tiết kiệm nhiên liệu”, nhóm nghiên cứu đã hoàn thành những nhiệm vụ sau:
+ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công khung và thân vỏ xe 03 bánh đạt các yêu cầu thiết kế, hệ số cản nhỏ và khối lượng nhẹ, trong khi vẫn đảm bảo độ cứng vững và góp phần vào hiệu quả tiêu hao nhiên liệu của xe.
+ Trong quá trình thực hiện đề tài, sinh viên tích lũy kiến thức môn học Ứng dụng máy tính trong mô phỏng và thiết kế ô tô , vật liệu học,... , đồng thời có cơ hội để liên kết kiến thức từ nhiều môn và đào sâu tìm tòi nhiều kiến thức mới.
5.2. Hướng phát triển đề tài
Do nghiên cứu với quy mô nhỏ và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế nên đề tài vẫn còn nhiều hạn chế và một số vấn đề vẫn chưa thể giải quyết được như: chưa thể xác định hệ số cản không khí thực tế, chưa thể tính bền thực tế mà chỉ có thể dựa vào mô phỏng. Ngoài ra đề tài này nhóm chỉ tập trung nghiên cứu khung xe và vỏ xe chưa tập trung nhiều vào việc nghiên cứu cải tiến động cơ vì yêu cầu thời gian dài và kinh phí cao.
Đó là những tồn tại còn hạn chế và cũng là nền tảng và cơ sở để nhóm có thể nghiên cứu hoàn thiện hơn nữa ví dụ như: nghiên cứu cải tạo động cơ,…Việc nghiên cứu xe tiết kiệm nhiên liệu mang ý nghĩa tích cực trong việc tiết kiệm nguồn tài nguyên và bảo vệ môi trường và định hướng cho nhiều sinh viên tìm được đam mê trong lĩnh vực của họ. Vì thế rất hy vọng nhận được sự ủng hộ nhiều hơn từ phía nhà trường, khoa CKĐ và các đơn vị tổ chức,... để nhóm có thể hoàn thiện tốt hơn trong tương lai.
74
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bùi Thanh Huyền, Bức tranh năng lượng thế giới-VnGG.
[2] Quy định cuộc thi EMC. https://www.honda.com.vn/xe-may/emc/rule.
[3] Đặng Quý. Lý thuyết Ô tô. Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh. [4] Heisler,H. (2002), Vehicle Body Aerodynamics. Advanced Vehicle Technology. [5] GS.TS.Trần Văn Địch, PGS.TS.Ngô Trí Phúc. Sổ tay thép thế giới. Nhà suất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2006.