Chƣơng 1 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
3.3. Quá trình mô phỏng số CFD thân vỏ đoàn xe chở container
Trong phần này, các đặc tính khí động lực học của đoàn xe đƣợc tính mô phỏng số thông qua phần mềm thƣơng mại Ansys – Fluent v.14.5 tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Việc tính mô phỏng số CFD, đƣợc tiến hành theo các bƣớc nhƣ đã trình bày chi tiết trong chƣơng 2 của luận văn, bao gồm các bƣớc: lập mô hình tính toán, thiết kế miền không gian tính toán, chia lƣới và đặt các điều kiện biên. Trong các bƣớc thực hiện quá trình mô phỏng số đều có ảnh hƣởng đến kết quả mô phỏng. Vì vậy việc thực hiện phải tiến hành theo các tài liệu chỉ dẫn chuyên môn do các tổ chức nghiên cứu trong nƣớc và quốc tế đã công bố và dựa trên những kinh nghiệm tính toán đã đƣợc thực nghiệm kiểm tra đã công bố kết quả [6, 7, 8, 10, 12, 16, 17, 21].
Trong tính toán mô phỏng số CFD thực hiện mô phỏng đặc tính khí động học đoàn xe chở container trong luận văn này, miền không gian đƣợc thiết kế với chiều dài 68m, chiều rộng 16m và chiều cao 8m tƣơng ứng với kích thƣớc thực của đoàn xe nhƣ đã trình bày chi tiết trong Bảng 3.1. Chia lƣới miền không gian tính toán khảo sát với kiểu lƣới không cấu trúc tứ diện thu đƣợc 4.7 triệu lƣới T. Trong tính toán mô phỏng, mô hình rối k-epsilon áp dụng cho hàm không dừng đƣợc sử dụng, các điều kiện biên vận tốc vào (velocity inlet) đặt cho đầu vào, đầu ra đặt với điều kiện biên áp suất ra (pressure outlet). Hình 3.3 và Hình 3.4 thể hiện hình ảnh miền không gian tính toán bao quanh đoàn xe chở container và hình ảnh chia lƣới chia trên bề mặt đoàn xe trong miền không gian tính toán khảo sát.
Hình 3.3 Miền không gian tính toán mô phỏng CFD
Hình 3.4 Chia lƣới trên bề mặt thân vỏ đoàn xe trong không gian mô phỏng số CFD với kiểu lƣới không cấu trúc với 4,7 triệu lƣới không cấu trúc kiểu T
Sau khi đã đƣợc thực hiện đƣợc việc chia lƣới các mô hình tính toán, các bài toán sẽ đƣợc thực hiện thiết lập các điều kiện biên, điều kiện đầu vào tƣơng ứng phù hợp với bài toán mô phỏng đặt ra. Bảng 3.2 thể hiện một số điều kiện sử dụng trong tính toán mô phỏng. Từ đây các bài toán sẽ đƣợc thực hiện tính toán trên máy tính. Cấu hình của máy tính sử dụng: Intel Core i7, 3.6GHz; RAM4Gb.
Bảng 3.2 Một số điều kiện sử dụng trong tính mô phỏng số CFD
Tên Ký hiệu Trị số Đơn vị
Điều kiện biên đầu vào, vận tốc vào Velocity
inlet 40-120 km/h
Điều kiện biên tại đầu ra, áp suất môi trƣờng bên ngoài khảo sát
Pressure
outlet 1.025 at
Khối lƣợng riêng không khí ρair 1.225 kg/m3
55
Sau khi bài toán hội tụ, thực hiện việc xử lý kết quả tính toán thu đƣợc một số kết quả mô phỏng đặc tính khí động học của đoàn xe nguyên bản ở trƣờng hợp không chở container và có chở container nhƣ sau:
Hình 3.5 và Hình 3.6 thể hiện kết quả phân bố áp suất và dòng bao quanh thân đoàn xe trong miền không gian khảo sát tại mặt cắt dọc tâm ở vận tốc khai thác 80km/h. Các kết quả thực hiện khảo sát đoàn xe ứng với tốc độ đoàn xe hoạt động trong dải vận tốc khai thác từ 40km/h đến 120 km/h.
Hình 3.6 Phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe nguyên bản NC0 ở vận tốc khai thác V=80km/h
57
Kết quả phân bố áp suất xung quanh đoàn xe cho thấy rõ sự thay đổi vận tốc và áp suất xung quanh thân xe. Thông qua việc phân tích kết quả này sẽ là nguồn dữ liệu quan trọng để trợ giúp cho việc tối ƣu hóa hình dáng hay điều khiển dòng bao quanh thân đoàn xe để có thể làm cải thiện hình dáng khí động học cho đoàn xe, giúp cải thiện đặc tính khí động học đoàn xe, giảm lực cản khí động tác đụng lên đoàn xe nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác đoàn xe.
Hình 3.7 thể hiện đồ thị lực cản khí động tổng tác động lên đoàn xe theo dải vận tốc khai thác đoàn xe, khi xe có chở và không chở theo container.
Hình 3.7 Đồ thị lực cản khí động và hệ số lực cản khí động tổng theo dải vận tốc khai thác của đoàn xe trong trƣờng hợp có chở theo container và không chở
Từ kết quả tính toán lực và hệ số lực cản khí động tác động lên đoàn xe cho thấy khi vận tốc chạy xe càng lớn thì lực cản khí động tác động lên đoàn xe càng tăng cao rõ rệt nhƣ thể hiện trên Hình 3.7. Ở dải vận tốc thấp, lực cản khí động tác động lên đoàn xe trong cả hai trƣờng hợp có hàng và không chở hàng container khác nhau không quá lớn khoảng 15% khi vận tốc nhỏ hơn 20m/s. Khi đoàn xe khai thác ở vận tốc cao lớn hơn 20m/s thì sự khác nhau về giá trị lực cản khí động tác động lên xe thể hiện rõ rệt, trong trƣờng hợp đoàn xe chở hàng lực cản khí động có thể tăng lên gấp 2 lần so với khi đoàn xe chạy không hàng ở dải vận tốc cao trên 27m/s nhƣ thể hiện trên kết quả tính toán trong đồ thị Hình 3.7.
Kết quả tính toán hệ số lực cản khí động thể hiện trên Hình 3.7 cho thấy hệ số cản khí động tổng tác động lên đoàn xe trong trƣờng hợp không hàng dao động quanh giá trị 0.8, và ở trạng thái khai thác có hàng dao động quanh giá trị 1.2. Nhƣ vậy trong hai chế độ khai thác có hàng và không hàng hệ số lực cản khí động tổng tác động lên đoàn xe khác nhau khoảng trung bình 33%.
Từ các kết quả phân tích đặc tính khí động lực học đoàn xe chở container nguyên bản trên đây cho thấy, hệ số lực cản tác động lên đoàn xe khá lớn so với các biên dạng có hình dáng hình học khí động. Những kết quả phân tích trên đây có thể là cơ sở để thực hiện việc cải thiện hình dáng khí động học cho đoàn xe nguyên bản nhằm nâng cao đặc tính khí động học cho đoàn xe, giúp giảm lực cản khí động tác động lên đoàn xe trong quá trình vận tải.