a) Phương pháp mô phỏng trong FLUENT
FLUENT thực hiện mô phỏng và tính toán khí động học bằng phương pháp thể tích hữu hạn dựa trên các phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình bảo toàn động lượng và phương trình bảo toàn năng lượng để mô phỏng và giải các bài toán khí động học ô tô.
FLUENT giải quyết bài toán khí động học bằng phương pháp thể tích hữu hạn với trình tự thực hiện như sau:
- Xác định mục đích cần giải quyết của bài toán; - Xác định vùng không gian mô phỏng (domain); - Xây dựng mô hình hình học;
- Tạo lưới (rời rạc hóa vùng không gian tính toán); - Xác định và thiết lập các điều kiện biên của bài toán; - Chạy chương trình mô phỏng;
- Kết xuất và xử lý kết quả.
b) Các dạng mô hình mô phỏng dòng chảy rối trong FLUENT
Như đã trình bày trên đây, FLUENT cung cấp rất nhiều mô hình để giải quyết nhiều dạng bài toán khác nhau về chất lỏng và chất khí.
Đối với bài toán dòng chảy rối, FLUENT cung cấp các mô hình sau: - Mô hình “Spalart-Allmaras”
- Mô hình “k -ε” (“Standard k -ω”, “Renormalization-group (RNG) k -ε”, “Realizable k -ε”)
- Mô hình “k -ω” (“Standard k -ω”, “Shear-stress transport (SST) k -ω”) - Mô hình “v2 - f”
- Mô hình “Reynolds stress model (RSM)” - Mô hình “Detached eddy simulation (DES)” - Mô hình “Large eddy simulation (LES)”
Trong 7 mô hình trên, 5 mô hình đầu thuộc dạng mô hình RANS, 2 mô hình cuối cùng là dạng mô hình mô phỏng phức tạp hơn loại mô hình RANS và có thể tiệm cận được với dạng mô hình mô phỏng trực tiếp DNS.
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC MẪU XE Ô TÔ TESLA CYBERTRUCK BẰNG PHẦN MỀM ANSYS - FLUENT 3.1. Phương pháp nghiên cứu
Đồ án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết. Nội dung chính là xây dựng mô hình mẫu xe Tesla Cybertruck. Sau đó đưa vào tính toán và phân tích kết quả trong phần mềm Ansys Fluent. Cơ sở lý thuyết của mô hình tính toán là phương trình Reynolds (RANS) với 2 phương trình bổ sung (mô hình STT k - ω) với phương pháp giải là phương pháp thể tích hữu hạn.
3.2. Giới thiệu mẫu ô tô Tesla Cybertruck và một số giả thuyết của bài môphỏng khí động lực học ô tô phỏng khí động lực học ô tô
3.2.1. Giới thiệu mẫu ô tô Tesla Cybertruck
Tesla Cybertruck chiếc bán tải chạy điện đầu tiên trên thế giới đã chính thức trình làng vào ngày 21/11/2019. Trong khi đó 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 tò mò. Do đó, nhóm em đã quyết định chọn Tesla Cybertruck là đối tượng nghiên cứu của đề tài.
a) Thông số kỹ thuật
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của Tesla Cybertruck
Thông số kỹ thuật Tesla Cybertruck
Số chỗ ngồi 06
Kiểu xe Bán tải
Kích thước DxRxC 5885 x 2030 x 1905 mm Tải trọng 1,6 – 6,35 tấn
Động cơ 1 động cơ, 2 động cơ, 3 động cơ Pham vi hoạt động 402 - 805 km Tăng tốc 0-100km/h 2.9 - 6.5 giây Tốc độ tối đa 177 - 210 km/h Hệ thống treo Khí nén Khoảng sáng gầm xe 406 mm b) Giá bán
Theo thông tin trên trang web chính thức của Tesla (https://www.tesla.com/cybertruck), Cybertruck sẽ đến tay khách hàng vào cuối năm 2021. Riêng bản 3 động cơ phải đến cuối năm 2020 mới ra mắt.
Cybertruck có tổng cộng 3 phiên bản với giá bán như sau: - Cybertruck bản 1 động cơ: 39.900 USD
- Cybertruck bản 2 động cơ: 49.900 USD - Cybertruck bản 3 động cơ: 69.900 USD
c) Ngoại thất – Thiết kế đến từ tương lai
Đúng như tên gọi của mình, Cybertruck sở hữu diện mạo cực “dị” không khác gì một chiếc xe trong các bộ phim khoa học viễn tưởng. Cybertruck có kích thước tổng thể dài x rộng x cao lần lượt là 5885 x 2030 x 1905 mm.
Hình 3.32 Ngoại thất của Tesla Cybertruck
Bộ khung gầm mà Cybertruck sử dụng được Elon Musk giới thiệu là gần như không thể xuyên thủng. Đó là nhờ cấu tạo từ thép không rỉ siêu cứng Ultra-Hard 30X Cold-Rolled có khả năng loại bỏ các vết nứt nhỏ và sự ăn mòn.
Đầu xe
Hình 3.33 Phần đầu của Tesla Cybertruck
Phần đầu xe trông như những mảng khối có bề mặt trơn nhẵn ghép lại với nhau. Bạn sẽ không thể tìm thấy những chi tiết cơ bản nhất của một chiếc xe như logo, bộ lưới tản nhiệt hay hốc hút gió.
Điểm nhấn đáng chú ý nhất là dải đèn pha LED màu trắng trải dài hết phần đầu xe. Chi tiết này giúp Cybertruck không thể nào bị nhầm lẫn với bất kỳ mẫu bán tải nào khác. Đồng thời mang đến hiệu năng chiếu sáng vượt trội nhờ tiết diện cực rộng. Thân xe
Hình 3.34 Phần thân của Tesla Cybertruck
Nhìn từ bên hông, Cybertruck có cấu tạo khá đơn giản với nửa trên là hình tam giác trong khi nửa dưới là hình chữ nhật.
Kính xe hai bên của Cybertruck được tạo thành từ các lớp kính siêu cường lực có độ dày 3mm kết hợp cùng các tấm polymer composite lên đến 9 mm. Từ đó, kính xe có thể hấp thụ, đổi hướng của các lực tác động bên ngoài và đặc biệt là khả năng chống đạn được Tesla tự hào quảng cáo.
Tuy nhiên tại buổi ra mắt, sau 2 lần thử thử nghiệm đập kính, kính xe đều vỡ đã khiến Elon Musk cảm thấy “muối mặt”. Do đó, khả năng chống đạn của Cybertruck cần được hoàn thiện và kiểm chứng lại trong thời gian tới.
Hình 3.35 Phần đuôi của Tesla Cybertruck
Đuôi xe không khác gì một chiếc hộp phẳng, vuông vức với điểm nhấn duy nhất là cụm đèn hậu LED trải dài tương tự đèn pha phía trước.
Hình 3.36 Phần thùng xe phía sau của Tesla Cybertruck
Có thể thấy, thiết kế gồm nhiều mảng ốp phẳng phiêu được Tesla áp dụng xuyên suốt toàn bộ chiếc xe. Có thể về mặt thị giác, thiết kế này chưa thực đẹp mắt nhưng về tính khí động học, Cybertruck được các chuyên gia đánh giá rất cao.
d) Nội thất – Tối giản đến không tưởng
Tương tự nhưng ngoại thất, khoang cabin của Cybertruck cũng có thiết kế tối giản đến không tưởng với cấu hình 6 ghế ngồi phân đều trên 2 dãy.
Khoang lái
Hình 3.37 Khoang lái của Tesla Cybertruck
Dựa vào hình ảnh mà Tesla cung cấp, khoang lái của Cybertruck có thiết kế rất đơn giản. Bề mặt táp lô chỉ xuất hiện màn hình cảm ứng khủng kích thước 17 inch mà không hề xuất hiện bất kỳ nút bấm hay cửa gió điều hòa nào.
Vô lăng của Cybertruck có cấu trúc rất đặc biệt với 2 chấu kiểu chiếc xe trong bộ phim Knight Rider 2000. Người dùng sẽ phải tốn khá nhiều thời gian để tập làm quen với chiếc vô lăng mới này.
Đa số những mẫu bán tải truyền thống đều có cấu trúc 2 ghế ngồi cho hàng ghế trước thì Cybertruck đi ngược lại hoàn toàn với 3 ghế ngồi. Tuy nhiên, khi không cần sử dụng, người dùng có thể gập ghế giữa xuống để biến nó thành bệ tỳ tay.
Khoang hành khách
Hình 3.38 Khoang hành khách của Tesla Cybertruck
Trần xe của hàng ghế thứ 2 khá thấp do phần mái được vuốt theo hình tam giác. Bù lại không gian để chân khá rộng rãi và lưng ghế có độ nghiêng lớn tạo sự thoải mái cho hành khách. Bên dưới hàng ghế thứ 2 còn được bổ sung một khoang chứa đồ tiện lợi.
Khoang hành lý
Cybertruck có khoang hành lý cực khủng với dung tích tiêu chuẩn lên đến 2.832 lít cho phép người dùng chất đồ thoải mái. Đi kèm còn có tấm che cường lực cứng cáp.
e) Động cơ
Tesla Cybertruck có tổng cộng 3 phiên bản gồm một động cơ, 2 động cơ và 3 động cơ. Đầu tiên là phiên bản một động cơ có phạm vị hoạt động 402 km cùng khả năng tăng tốc từ 0-100km/h trong 6,5 giây trước khi đạt tốc độ tối đa 177 km/h.
Kế đến là phiên bản sử dụng 2 động cơ có khả năng di chuyển quãng đường 482 km với khả năng tăng tốc từ 0-100km/h trong 4,5 giây. Tốc độ tối đa đạt 193 km/h. Cuối cùng là phiên bản mạnh mẽ nhất sử dụng 3 động cơ có phạm vi hoạt động lên đến 805 km. Phiên bản này có thể tăng tốc từ 0-100km/h chỉ trong 2.9 giây, thành tích không khác gì một siêu xe thể thao. Tốc độ tối đa xe có thể đạt lên tới 210 km/h.
f) Vận hành – Mạnh mẽ như siêu bán tải
Theo lời giới thiệu từ Elonmusk, mẫu bán tải Cybertruck có khảng năng vượt đại hình cực tốt nhờ khoảng sáng gầm cao tới 406 mm. Không những vậy, góc tới và góc thoát của xe lần lượt là 35 độ và 28 độ, thông số lý tưởng cho một mẫu xe chuyên off- road.
Hình 3.40 Khả năng vận hành của Tesla Cybertruck
Dù là mẫu bán tải chạy điện nhưng tải trọng của Cybertruck đều khiến tất cả mọi người kinh ngạc, lên tới 6,35 tấn ở bản mạnh nhất.
Để minh họa cho sức mạnh khủng khiếp của Cybertruck, CEO Elon Musk đã trình chiếu một video tại buổi lễ ra mắt hôm 21/11. Video này ghi lại cảnh “so găng” giữa Cybertruck và siêu bán tải bán chạy nhất nước Mỹ- Ford F-150. Hiển nhiên, phần thắng thuộc về Tesla Cybertruck.
Bên cạnh đó, Cybertruck còn hứa hẹn mang đến những trải nghiệm êm ái nhờ được trang bị hệ thống treo khí nén. Đặc biệt, hệ thống treo này còn cho phép nâng và hạ gầm 100 mm giúp xe có thể thích nghi ở nhiều địa hình khác nhau.
3.2.2. Các giả thuyết và giới hạn nghiên cứu của bài toán mô phỏng
Khi thực hiện mô phỏng, để phù hợp với khả năng tính toán của máy tính nhưng vẫn đảm bảo được tính đúng đắn, độ tin cậy và sự tương thích của bài toán nghiên cứu với thực tế, Đồ án sử dụng các giả thiết sau đây:
- Mô hình vỏ xe tuyệt đối cứng, không xảy ra sự biến dạng của vỏ xe trong suốt quá trình mô phỏng.
- Bỏ qua quá trình trao đổi nhiệt giữa vỏ xe và không khí.
- Bề mặt vỏ xe là bề mặt nhẵn, gầm xe được bọc phẳng (không xét đến các yếu tố khác của xe như gương chiếu hậu, gạt mưa, các gân, gờ, khe rãnh, hốc bánh xe, ăng ten, tay nắm cửa, …).
- Vận tốc dòng khí tại đầu vào của không gian mô phỏng có hướng song song với trục dọc của xe, thổi theo hướng từ đầu xe tới đuôi xe và có giá trị không đổi trong quá trình mô phỏng .
- Vận tốc không khí tại bề mặt vỏ xe và bề mặt giới hạn của vùng không gian mô phỏng bằng 0 m/s.
- Không xét đến bán kính cong của kính chắn gió phía trước và kính phía sau xe (coi kính chắn gió phía trước và kính phía sau xe là các mặt phẳng).
3.3. Xây dựng mô hình hình học, xác định vùng không gian mô phỏng
3.3.1. Xây dựng mô hình hình học của xe Tesla Cybertruck
Sau khi tham khảo kích thước thực tế và mô hình tham khảo trên thư viện GrabCAD, mô hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cybertruck được xây dựng bằng phần mềm CAD 3D Solidworks phiên bản 2021.
Hình 3.41 Mô hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cybertruck
Tuy nhiên, để tối ưu quá trình tính toán mô phỏng, tiết kiệm thời gian tính toán của phần mềm cũng như phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất của sinh viên, mô 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 hoá quá trình chia lưới và tính toán của phần mềm Ansys – Fluent.
Hình 3.42 Mô hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cyber truck sau khi tối ưu
3.3.2. Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính toán
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 không gian mô 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 không khí thổi vào và vuông góc với mặt phẳng Inlet, biên Outlet là vùng không khí chảy ra, các biên trên và 2 bên xe là biên mở Opening để các giá trị tính toán không bị ảnh hưởng bởi vùng trên và 2 bên, dưới cùng là mặt phẳng tiếp giáp với
Inlet Outlet
Opening Opening
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 toán mô 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 mô đun Fluent (Fluent with Meshing) để chia lưới cho bài toán mô phỏng khí động lực học xe Tesla Cybertruck.
Hình 3.45 Mô 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 thông số của dòng 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 toán mô phỏng. Tuy nhiên, nếu cứ duy trì bước chia như vậy trong toàn bộ không gian tính toán thì số lượng phần từ và khối lượng tính toán sẽ cực lớn, vượt quá khả năng xử lý của máy tính thông 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 mô 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 không gian mô 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 không gian mô phỏng, kích thước lưới lớn nhất là 300mm với hệ số phát triển lưới là 1.2, tổng số phần tử nằm trong vùng không gian mô phỏng là 586889.
Hình 3.47 Chia lưới các phần tử nằm trong vùng không gian mô phỏng
Sau khi đã có được mô hình chia lưới, sinh viên tiến hành gán đặt các thuộc tính (điều kiện ràng buộc) cho mô hình (như đã trình bày ở Chương 2), bao gồm:
- Thuộc tính của không khí: khối lượng riêng của không khí là 1,225 kg/m3, độ nhớt động học là 1,7894.10-5 (kg.m/s-1).
- Vận tốc dòng khí tại đầu vào (tại vị trí mặt cắt ngang của vùng không gian mô phỏng mà tại đó ANSYS-FLUENT bắt đầu thực hiện việc tính toán mô phỏng).
- Giá trị vận tốc dòng khí tại đầu vào này do người dùng tự lựa chọn và hoàn toàn xác định, có thể coi vận tốc này tương đương vận tốc dòng khí ổn định ở ∞ (V∞).
- Áp suất không khí tại đầu ra của vùng không gian mô phỏng. Khi dòng khí tại đầu ra của vùng không gian mô phỏng chuyển động ổn định (không còn ảnh hưởng