Chương 2 : Xây dựng mô hình mơ phỏng khí động lực họ cƠ tơ
3.2. Giới thiệu mẫ uô tô Tesla Cybertruck và một số giả thuyết của bài mô
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 tị mị. 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” khơng 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 khơng thể xun thủng. Đó là nhờ cấu tạo từ thép khơng rỉ siêu cứng Ultra-Hard 30X Cold-Rolled có khả năng loại bỏ các vết nứt nhỏ và sự ăn mịn.
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 khơng 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 hơng, 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 đi của Tesla Cybertruck
Đi xe khơng 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 xun suốt tồn 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 khơng 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 hịa nào.
Vơ 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 khơng 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 khơng 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 cịn 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 khơng 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. Khơng những vậy, góc tới và góc thốt 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 cịn hứa hẹn mang đến những trải nghiệm êm ái nhờ được trang bị hệ thống treo khí nén. Đặc biệt, hệ thống treo này cịn 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 tốn mơ phỏng
Khi thực hiện mơ phỏng, để phù hợp với khả năng tính tốn của máy tính nhưng vẫn đảm bảo được tính đúng đắn, độ tin cậy và sự tương thích của bài tốn nghiên cứu với thực tế, Đồ án sử dụng các giả thiết sau đây:
- Mơ hình vỏ xe tuyệt đối cứng, khơng xảy ra sự biến dạng của vỏ xe trong suốt q trình mơ phỏng.
- Bỏ qua quá trình trao đổi nhiệt giữa vỏ xe và khơng 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 dịng khí tại đầu vào của khơng gian mơ phỏng có hướng song song với trục dọc của xe, thổi theo hướng từ đầu xe tới đi xe và có giá trị khơng đổi trong q trình mơ phỏng (⃗Vkk=const).
- Vận tốc khơng khí tại bề mặt vỏ xe và bề mặt giới hạn của vùng không gian mô phỏng bằng 0 m/s.
- Khơng 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 mơ hình hình học, xác định vùng khơng gian mơ 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 mơ 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
Inlet Outlet
Opening Opening
Opening
Wall – No slip
Hình 3.43 Xác định vùng khơng gian mơ phỏng và miền tính tốn
tốn khơng bị ảnh hưởng bởi vùng trên và 2 bên, dưới cùng là mặt phẳng tiếp giáp với 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 không 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 không gian mô phỏng là 586889.
Hình 3.47 Chia lưới các phần tử nằm trong vùng khơng 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 không gian mô phỏng chuyển động ổn định (khơng cịn ảnh hưởng của hiện tượng xốy 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 - không 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 không 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 tốn 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 mơ 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