Chương 2 : Xây dựng mơ hình mơ phỏng khí động lực họ cƠ tơ
3.3. Xây dựng mơ hình hình học, xác định vùng không gian mô phỏng
3.3.1. Xây dựng mơ hình hình học của xe Tesla Cybertruck
Sau khi tham khảo kích thước thực tế và mơ hình tham khảo trên thư viện GrabCAD, mơ hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cybertruck được xây dựng bằng phần mềm CAD 3D Solidworks phiên bản 2021.
Hình 3.41 Mơ hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cybertruck
Tuy nhiên, để tối ưu q trình tính tốn mơ phỏng, tiết kiệm thời gian tính tốn của phần mềm cũng như phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất của sinh viên, mơ hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cybertruck đã được xử lý tối ưu các chi tiết phức tạp bằng phần mềm Femap và NX Siemens để đơn giản hố q trình chia lưới và tính tốn của phần mềm Ansys – Fluent.
Hình 3.42 Mơ hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cyber truck sau khi tối ưu
3.3.2. Xác định vùng không gian mơ phỏng và miền tính tốn
Với phương pháp luận như đã trình bày trong Chương 2 về vấn đề xác định vùng không gian mô phỏng, sinh viên đã tiến hành xác định vùng không gian mô phỏng xe Tesla Cybertruck như sau:
Vùng không gian mô phỏng được xác định như trong Hình 3.13 và 3.14 là một hình hộp chữ nhật. Các giá trị L, V, H lần lượt là chiều dài, chiều rộng và chiều cao của xe Tesla Cybertruck. Biên trên cùng cách phần cao nhất của vỏ xe 3H, biên phía trước cách phần đầu xe 2L, biên sau cách phần cuối xe 5L và biên 2 bên cách 2 mép xe 3V. Vì vậy kích thước vùng khơng gian mơ phỏng là: 8L x 7V x 4H
Tương ứng với các biên là các điều kiện biên như trong Hình 3.13 và 3.14, Inlet là vùng cho khơng khí thổi vào và vng góc với mặt phẳng Inlet, biên Outlet là vùng khơng khí chảy ra, các biên trên và 2 bên xe là biên mở Opening để các giá trị tính tốn khơng bị ảnh hưởng bởi vùng trên và 2 bên, dưới cùng là mặt phẳng tiếp giáp với
InletOutlet
OpeningOpening
Opening
Wall – No slip
các bánh xe trong thực tế là mặt đường nên trong mô phỏng được lựa chọn là vùng tường với điều kiện không trơn trượt (Wall - No slip).
3.4.Chia lưới và đặt các điều kiện ràng buộc của bài tốn mơ phỏng
Như đã trình bày ở Chương 2, sau khi phân tích cơ sở lý thuyết của khí động lực học, nhóm em quyết định chọn mơ đun Fluent (Fluent with Meshing) để chia lưới cho bài tốn mơ phỏng khí động lực học xe Tesla Cybertruck.
Hình 3.45 Mơ hình vỏ xe Tesla Cybertruck sau khi đã được chia lưới với dạng lưới Với những phần tử nằm sát bề mặt vỏ xe, kích thước lưới tiêu chuẩn là 50mm với hệ số phát triển lưới là 1.2, tổng số phần tử là 25606. Sở dĩ kích thước phần tử lưới ở sát bề mặt vỏ xe được chọn như vậy vì ở khu vực lớp biên, các thơng số của dịng chảy thay đổi rất nhanh trong không gian nên cần được mô tả một cách chi tiết để đảm bảo được độ chính xác của kết quả tính tốn mơ phỏng. Tuy nhiên, nếu cứ duy trì bước chia như vậy trong tồn bộ khơng gian tính tốn thì số lượng phần từ và khối lượng tính tốn sẽ cực lớn, vượt quá khả năng xử lý của máy tính thơng thường. Vì vậy, kích thước của phần tử ở vùng biên phải đủ nhỏ, đủ mịn để đảm bảo độ chính xác của kết quả mơ phỏng, nhưng ở các vùng xa biên bước lưới được chọn phải thưa dần để có được số lượng phần tử phù hợp với khả năng xử lý của máy tính.
Hình 3.46 Chia lưới các vùng biên của không gian mô phỏng
Những phần tử nằm ở vùng biên của khơng gian mơ phỏng, kích thước lưới nhỏ nhất là 50mm và lớn nhất là 300mm với hệ số phát triển lưới là 1.2, tổng số phần tử là 108510.
Đối với các phần tử nằm trong vùng khơng gian mơ phỏng, kích thước lưới lớn nhất là 300mm với hệ số phát triển lưới là 1.2, tổng số phần tử nằm trong vùng khơng gian mơ phỏng là 586889.
Hình 3.47 Chia lưới các phần tử nằm trong vùng không gian mơ phỏng
Sau khi đã có được mơ hình chia lưới, sinh viên tiến hành gán đặt các thuộc tính (điều kiện ràng buộc) cho mơ hình (như đã trình bày ở Chương 2), bao gồm:
- Thuộc tính của khơng khí: khối lượng riêng của khơng khí là 1,225 kg/m3, độ nhớt động học là 1,7894.10-5 (kg.m/s-1).
- Vận tốc dịng khí tại đầu vào (tại vị trí mặt cắt ngang của vùng khơng gian mơ phỏng mà tại đó ANSYS-FLUENT bắt đầu thực hiện việc tính tốn mơ phỏng).
- Giá trị vận tốc dịng khí tại đầu vào này do người dùng tự lựa chọn và hồn tồn xác định, có thể coi vận tốc này tương đương vận tốc dịng khí ổn định ở ∞ (V∞).
- Áp suất khơng khí tại đầu ra của vùng khơng gian mơ phỏng. Khi dịng khí tại đầu ra của vùng khơng gian mơ phỏng chuyển động ổn định (khơng cịn ảnh hưởng của hiện tượng xoáy của dịng khí) thì áp suất tại đó có thể xác định bằng áp suất khí quyển (áp suất của mơi trường xung quanh).
- Thuộc tính của bề mặt mơ hình vỏ xe và mặt đường: lựa chọn thuộc tính “wall - no slip” nghĩa là dạng “tường - khơng trượt”, đảm bảo tính chất của bề mặt vỏ xe phù hợp với giả thiết khơng biến dạng và có ma sát nhớt giữa dịng khí và bề mặt vỏ xe.
- Thuộc tính của các thành giới hạn vùng khơng gian mô phỏng Opening: lựa chọn thuộc tính “Specified Shear” để loại bỏ ảnh hưởng của tường bao lên dịng khí tác động lên vỏ xe.
3.5.Đặt các điều kiện tính tốn
Như đã trình bày ở Chương 2, sau khi phân tích cơ sở lý thuyết của khí động lực học, mơ hình được chọn để giải quyết bài tồn là mơ hình mơ phỏng “SST k-ω”
Hình 3.48 Thiết lập mơ hình mơ phỏng “SST k-ω”trên phần mềm
Với mơ hình mơ phỏng “SST k-ω” đã lựa chọn, sinh viên đã xác định và gán đặt một số thuộc tính cần thiết cho bài toán như sau:
- Lựa chọn đơn vị của các đại lượng trong q trình tính tốn mơ phỏng: Kích thước: mm
Vận tốc: m/s Áp suất: N/m2
- Lựa chọn điểm bắt đầu thực hiện mô phỏng: lựa chọn vùng khơng gian mà từ đó bài tốn mơ phỏng bắt đầu lấy dữ liệu để nội suy ra các thông số của vùng không gian lân cận. Trong Đồ án, khu vực này được lựa chọn là mặt phía trước của vùng khơng gian mơ phỏng, nơi khơng khí được xem là bắt đầu chuyển động vào vùng không gian mô phỏng đó với vận tốc và hướng ổn định do người dùng gán đặt. Việc lựa chọn như vậy đảm bảo sự ổn định của thông số ban đầu, giúp cho việc mô phỏng được thuận lợi hơn.
- Lựa chọn vận tốc dịng khí tại điểm bắt đầu thực hiện mơ phỏng: vận tốc của dịng khí tại điểm bắt đầu mơ phỏng là 30 m/s (tương đương với 108 km/h). Việc lựa chọn vận tốc này nhằm đảm bảo mục đích vận tốc dịng khí đủ lớn để tạo ra ảnh hưởng đáng kể của lực cản khí động tới chuyển động của xe.
- Kết quả tính tốn được thể hiện dưới dạng hình ảnh: hình ảnh phân bố vận tốc, áp suất, đường dịng bao quanh vỏ xe.
Sau khi hoàn tất các bước đặt điều kiện và ràng buộc, sinh viên bắt đầu thực hiện q trình tính tốn mơ phỏng với vận tốc dịng khí là 30m/s, kết quả mơ phỏng được thể hiện ở từ hình 3.19 – 3.20.
CHƯƠNG 4:PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG4.1.Vận tốc 4.1.Vận tốc
Hình 4.49 Vectơ vận tốc trên bề mặt vỏ xe
Hình 4.50 Đường dịng vận tốc trên bề mặt vỏ xe
Các vectơ vận tốc và đường dòng thể hiện vận tốc trên bề mặt vỏ xe được sắp xếp hợp lý, thể hiện được được sự thay đổi vận tốc khơng khí trên bề mặt vỏ xe. Điều này được thể hiện trên Hình 4.1 và Hình 4.2.
Hình 4.51 Phân bố vận tốc trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe
Hình 4.3 thể hiện sự phân bố vận tốc trong mặt phẳng đối xứng dọc của xe cho thấy sự phân tách dịng chảy xảy ra ở phía trước nhưng ngay sau khi dòng chảy tự gắn lại. Các hiệu ứng dòng chảy cục bộ xảy ra xung quanh xe tải, điều này cân bằng các hiệu ứng cục bộ xảy ra ở nửa trước của xe. Mặt khác, phía sau xe, tức là ngay phía sau khoang hành lý là nơi có thể quan sát thấy hầu hết các nhiễu động dự kiến (như thường thấy ở hầu hết các xe ơ tơ).
Hình 4.52 Phân bố đường dịng vận tốc trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe Hình 4.4 cho thấy đường dịng bao quanh vỏ xe chỉ rõ những nơi hình thành xốy thấp áp có ảnh hưởng lớn đến lực cản khí động lực học. Loại bỏ được hoặc giảm kích thước của những vùng xoáy này đồng nghĩa với việc giảm hệ số cản C .
Hình 4.53 Phân bố vận tốc trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe
Hình 4.54 Phân bố đường dòng vận tốc trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe
Các hình chiếu bằng ở hình 4.5 và 4.6 cũng cho thấy sự hình thành các xốy có kích thước khá lớn tại các vùng tiếp giáp giữa mặt đầu của xe với các thành bên và vùng phía đi xe với các thành bên của vỏ xe.
4.2.Áp suất
Hình 4.55 Vectơ áp suất trên bề mặt vỏ xe
Hình 4.56 Đường dịng áp suất trên bề mặt vỏ xe
Hình 4.7 và 4.8 miêu tả các vectơ áp suất và đường dòng thể hiện áp suất trên bề mặt vỏ xe được sắp xếp hợp lý, cho thấy được sự thay đổi áp suất khơng khí trên bề mặt vỏ xe.
Hình 4.57 Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe
Hình 4.58 Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe
Các hình 4.9, 4.10 và 4.11 cho thấy ở phía trước của xe, khơng khí bị đẩy đi dẫn đến vùng áp suất cao và tạo ra lực cản. Trên vỏ xe tồn tại những vùng có áp suất dương, những vùng áp suất âm và các xốy thấp áp. Chính sự chênh áp này là yếu tố cơ bản để tạo nên lực cản khí động lực học.
Hình 4.60 Phân bố áp suất trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe
Hình 4.61 Đường dịng phân bố áp suất trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe Các hình chiếu bằng ở hình 4.12 và 4.13 cũng cho thấy sự hình thành các vùng xốy thấp áp xung quanh vỏ xe. Các vùng xoáy thấp áp này ảnh hưởng xấu đến khí động lực học của vỏ xe.
KẾT LUẬN
1. Đồ án đã sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS - Fluent để nghiên cứu khí động học vỏ xe Tesla Cybertruck. Bài tốn được xây dựng dựa trên phương trình Navier - Stokes đơn giản hóa dạng RANS với giả thiết chất khí khơng chịu nén kết hợp với các mơ hình dịng rối nhớt.
Trên cơ sở mơ hình tính tốn được lựa chọn là “SST k - ”, nhóm em đã xây dựng được mơ hình mơ phỏng vỏ xe Tesla Cybertruck trong Fluent để tính tốn các thơng số của dịng chảy khơng khí bao quanh vỏ xe.
2. Kết quả mơ phỏng, tính tốn khí động lực học của mơ hình vỏ xe Tesla Cybertruck khá tốt. Tuy nhiên, các hình ảnh về phân bố áp suất, vận tốc và đường dòng bao quanh vỏ xe cho thấy còn khá nhiều khiếm khuyết trên vỏ xe cần được cải thiện để giảm lực cản khí động lực học.
Khí động lực học rất quan trọng đối với xe điện và với thiết kế của Tesla Cybertruck khiến nó trở thành một trường hợp khí động lực học gây tị mị. Hình dạng hình hộp của Tesla Cybertruck khơng có đường cong, chỉ là các đường thẳng với mặt trước của Tesla Cybertruck nghiêng về một điểm ngay trên tựa đầu của ghế trước, nơi nó giao nhau với một đường nghiêng dài hơn về phía sau.
3. Các kết quả nghiên cứu của đề tài đã hình thành một phương trình đánh giá khí động học lực học của vỏ xe ơ tơ, hồn tồn khả thi trong điều kiện Việt Nam. Nếu được tiếp tục hoàn thiện, đây có thể là một cơng cụ hiệu quả giúp cho các nhà thiết kế cải thiện và hướng tới tối ưu hóa dạng khí động lực học của vỏ xe nhằm giảm thiểu lực cản khơng khí trong q trình chuyển động. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, vì giảm lực cản đồng nghĩa với việc giảm mức tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải độc hại ra môi trường.
4. Dựa trên các kết quả nghiên cứu của đề án, sinh viên đề xuất một số hướng nghiên cứu phát triển như sau:
- Hồn thiện mơ hình tính tốn: bổ sung thêm các gương chiếu hậu, mô tả các gờ, khe cửa, hốc bánh xe, mô tả bánh xe đang quay, mô tả chuyển động tương đối giữa vỏ xe và mặt đường…
- Nghiên cứu ảnh hưởng của lực nâng, ảnh hưởng của gió ngang tới tính ổn định chuyển động của ơ tơ, đặc biệt là đối với các ơ tơ có chiều cao lớn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] “Thủy khí động lực học ứng dụng” – GS.TSKH.Vũ Duy Quang, Nhà xuất bản xây dựng 2006.
[2] Nguyen Van Thang, Ha Tien Vinh, Bui Dinh Tri, Nguyen Duy Trong (2018).
Numerical simulation of airflow around vehicle models. Vietnam Journal of Science and Technology.
[3] T.Cebeci, J.RShao, F. Kafyeke, E. Laurendeau (2005). Computational Fluid Dynamics for Engineers. Springer.
[4] Laurent Dumas (2008). CFD-based Optimization for Automotive Aerodynamics. Université Pierre et Marie Curie.
PHỤ LỤC