Chƣơng 1 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
3.2. Mơ hình đồn xe chở container sử dụng trong nghiên cứu
Trong luận văn này, hình dáng thân vỏ đồn xe chở container 40 feet đƣợc sử dụng trong nghiên cứu. Hình dáng thân vỏ đồn xe chở container 40 feet với loại đầu kéo đƣợc lấy theo hình dáng của loại đầu kéo đồn xe chở container thơng dụng ở nƣớc ta hiện nay nhƣ HD700; HD900; HD1000 do tập đoàn Hyundai sản xuất. Bảng 3.1 thể hiện một số kích thƣớc chủ yếu của đầu kéo và container 40 feet. Hình dáng đồn xe sử dụng trong nghiên cứu đƣợc mơ hình hóa trong khơng gian 3 chiều thể hiện trên Hình 3.2.
Bảng 3.1 Thơng số kích thƣớc cơ bản của đoàn xe chở container
Thứ tự Tên Trị số Đơn vị
Chiều dài cơ sở 4350 mm
Kích thƣớc bao Dài 6685 mm Rộng 2495 mm Cao 3130 mm Vệt bánh xe Trƣớc 2040 mm Sau 1850 mm Phần nhô của xe Trƣớc 1495 mm Sau 840 mm Kích thƣớc mooc xƣơng Dài 12245 mm Rộng 2480 mm Cao 1500 mm Kích thƣớc container 40 feet Dài 12190 mm Rộng 2440 mm Cao 2590 mm Kích thƣớc container 20 feet Dài 6060 mm Rộng 2440 mm Cao 2590 mm
Hình 3.2 Mơ hình đồn xe chở container 40 feet ngun bản, sử dụng trong nghiên cứu, mơ hình CN0
53
3.3. Q trình mơ phỏng số CFD thân vỏ đồn xe chở container
Trong phần này, các đặc tính khí động lực học của đồn xe đƣợc tính mơ phỏng số thông qua phần mềm thƣơng mại Ansys – Fluent v.14.5 tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Việc tính mơ 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 mơ hình tính tốn, thiết kế miền khơng gian tính tốn, chia lƣới và đặt các điều kiện biên. Trong các bƣớc thực hiện q trình mơ phỏng số đều có ảnh hƣởng đến kết quả mơ 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 tốn đã đƣợc thực nghiệm kiểm tra đã công bố kết quả [6, 7, 8, 10, 12, 16, 17, 21].
Trong tính tốn mơ phỏng số CFD thực hiện mô phỏng đặc tính khí động học đồn 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 đồn xe nhƣ đã trình bày chi tiết trong Bảng 3.1. Chia lƣới miền khơng gian tính tốn khảo sát với kiểu lƣới không cấu trúc tứ diện thu đƣợc 4.7 triệu lƣới T. Trong tính tốn mơ phỏng, mơ 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 khơng gian tính tốn bao quanh đồn xe chở container và hình ảnh chia lƣới chia trên bề mặt đồn xe trong miền khơng gian tính tốn khảo sát.
Hình 3.3 Miền khơng gian tính tốn mơ phỏng CFD
Hình 3.4 Chia lƣới trên bề mặt thân vỏ đồn xe trong khơng gian mơ 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 mơ hình tính tốn, các bài tốn sẽ đƣợc thực hiện thiết lập các điều kiện biên, điều kiện đầu vào tƣơng ứng phù hợp với bài tốn mơ phỏng đặt ra. Bảng 3.2 thể hiện một số điều kiện sử dụng trong tính tốn mơ phỏng. Từ đây các bài tốn sẽ đƣợc thực hiện tính tốn 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 mơ 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 khơng khí ρair 1.225 kg/m3
55
Sau khi bài toán hội tụ, thực hiện việc xử lý kết quả tính tốn thu đƣợc một số kết quả mơ phỏng đặc tính khí động học của đồn xe nguyên bản ở trƣờng hợp khơng 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 đồn xe trong miền khơng 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 dịng bao quanh đồn xe ngun 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 đồn xe để có thể làm cải thiện hình dáng khí động học cho đồn xe, giúp cải thiện đặc tính khí động học đồn xe, giảm lực cản khí động tác đụng lên đoàn xe nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác đồn xe.
Hình 3.7 thể hiện đồ thị lực cản khí động tổng tác động lên đồn xe theo dải vận tốc khai thác đồn xe, khi xe có chở và khơng 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 đồn xe trong trƣờng hợp có chở theo container và khơng chở
Từ kết quả tính tốn lực và hệ số lực cản khí động tác động lên đồn 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 đồn xe trong cả hai trƣờng hợp có hàng và khơng 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 đồn xe chở hàng lực cản khí động có thể tăng lên gấp 2 lần so với khi đồn xe chạy khơng hàng ở dải vận tốc cao trên 27m/s nhƣ thể hiện trên kết quả tính tốn trong đồ thị Hình 3.7.
Kết quả tính tốn 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 khơng hàng hệ số lực cản khí động tổng tác động lên đồn 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 đồn xe ngun bản nhằm nâng cao đặc tính khí động học cho đồn xe, giúp giảm lực cản khí động tác động lên đồn xe trong quá trình vận tải.
3.4. Kết luận chƣơng 3
Trong chƣơng này, trên cơ sở phân tích tổng hợp tài liệu liên quan đến đồn xe chở hàng thơng dụng hiện này ở nƣớc ta, mơ hình đồn xe chở container sử dụng trong nghiên cứu đã đƣợc đƣa ra. Từ hình dáng đồn xe thực tế, mơ hình đồn xe sử dụng trong nghiên cứu đã đƣợc mơ hình hóa thơng qua cơng cụ thiết kế, mô phỏng chuyên dụng. Đây là bƣớc đầu tiên trong q trình tính tốn mơ phỏng số cần thực hiện.
Trong chƣơng này, q trình tính tốn mơ phỏng số đặc tính khí động lực học đồn xe chở container đƣợc thực hiện và trình bày chi tiết cụ thể. Những vấn đề liên quan, cần chú ý trong q trình tính tốn mơ phỏng đƣợc đề cập đến. Từng bƣớc thực hiện quá trình mơ phỏng số đặc tính khí động lực học đồn xe và thực hiện việc mơ phỏng đặc tính khí động lực học đồn xe nguyên bản đƣợc
59
Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA HÌNH DÁNG THÂN VỎ ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒN XE
4.1. Ảnh hƣởng của hình dáng thân vỏ đến đặc tính khí động học đồn xe
Nghiên cứu ảnh hƣởng của hình dáng đến các đặc tính khí động lực đồn xe chở container thơng qua sử dụng chƣơng trình tính tốn mơ phỏng số CFD đƣợc thực hiện theo các bƣớc, trình tự nhƣ đã trình bày trong các chƣơng trƣớc của luận văn. Trong phần này một số ảnh hƣởng của hình dáng thân vỏ đồn xe đến các đặc tính khí động lực học đồn xe đƣợc thực hiện gồm hai phần nhƣ sau: - Phần thứ nhất, thực hiện việc cải tiến hình dáng khí động cho đồn xe
nguyên bản đã khảo sát CN0 bằng việc bố trí thêm các tấm che chắn trên nóc cabin và thân xe nhằm tạo ra các biên dạng khí động cho xe để thay đổi dòng bao quanh và phân bố áp suất trên thân xe để làm giảm lực khí động tác động lên xe, thực hiện việc cải tiến hình dáng này thu đƣợc các mơ hình tƣơng ứng có ký hiệu bao gồm CN1; CN2; CN3 (Hình 4.1- Hình 4.3).
- Phần thứ 2, nhằm cải tiến hình dáng khí động học cho thân vỏ đoàn xe nguyên bản, thực hiện đề xuất một số thay đổi hình dáng đồn xe ban đầu CN0 bằng việc gắn thêm các profile cánh khí động trên nóc cabin xe và phía trƣớc mũi xe để thực hiện việc điều khiển dịng bao quanh thân đồn xe và nhằm thay đổi phân bố áp suất tác động lên thân xe, bao quanh đoàn xe để giảm lực cản khí động cho đồn xe, thực hiện việc này gồm có các mơ hình ký hiệu CN4; CN5; CN6 (Hình 4.4 – Hình 4.6).
4.1.1. Mơ hình đồn xe chở container khảo sát
Trên Hình 4.1 đến Hình 4.6 thể hiện mơ hình các đồn xe với thân vỏ mới đƣợc cải tiến từ mơ hình thân vỏ đồn xe nguyển bản ban đầu. Thơng số cơ bản của đoàn xe đƣợc giữ nguyên, không thay đổi so với bộ thông số cơ bản của đồn xe ngun bản đã trình bày trong bảng dữ liệu thơng số cơ bản của đồn xe Bảng 3.1 (chƣơng 3). Từ các hình dáng thân vỏ đồn xe này, sẽ thực hiện việc tính tốn mơ phỏng số CFD cho từng mơ hình đồn xe tƣơng ứng để thực hiện việc so sánh, đánh giá các đặc tính khí động lực học tác động lên thân vỏ đoàn xe trong điều cùng điều kiện khảo sát. Quá trình thực hiện các bƣớc tính tốn mơ phỏng số CFD với bộ chƣơng trình tính tốn mơ phỏng số Ansys-Fluent
v.14.5 đƣợc thực hiện theo các bƣớc đã đƣợc giới thiệu chi tiết trong các chƣơng trƣớc của luận văn. Trong luận văn này tác giả đi sâu phân tích ảnh hƣởng của hình dáng thân vỏ đồn xe đến các đặc tính khí động học của đồn xe.
Hình 4.1 Hình dáng đồn xe cải tiến CN1
61
Hình 4.3 Hình dáng đồn xe cải tiến CN3
Hình 4.5 Hình dáng đồn xe cải tiến CN5
63
4.1.2. Kết quả so sánh về phân bố áp suất và dịng bao quanh thân đồn xe
Sau q trình tính tốn mơ phỏng số thực hiện với các mơ hình khảo sát, thu đƣợc một số kết quả tính tốn đặc tính khí động lực học tác động lên đồn xe. Trong phần này đặc tính khí động học nhƣ phân bố áp suất, dịng bao quanh đồn xe ở vận tốc khai thác 80km/h đƣợc thể hiện và so sánh với nhau. Hình 4.7 và Hình 4.8 thể hiện kết quả phân bố áp suất bao quanh đồn xe trong miền khơng gian khảo sát.
Hình 4.8 Phân bố áp suất bao quanh đồn xe tại mặt cắt dọc tâm Kết quả phân bố áp suất bao quanh thân đoàn xe tại mặt cắt dọc tâm các hình dáng đồn xe khảo sát CN1-CN6 cho thấy rõ ràng sự ảnh hƣởng của thay đổi hình dáng đến đặc tính khí động học này của đồn xe. Trên các kết quả cho thấy rõ sự khác nhau giữa phân bố áp suất tại các vùng bao quanh đoàn xe và đặc biệt rõ ràng tại vùng phân bố áp suất bao quanh đoàn xe ở khu vực tiếp giáp cabin xe và container phía sau. So với hình dáng thân đồn xe ban đầu, với hình dáng thân xe cải tiến CN1-CN6 vùng nhiễu động áp suất tại phía trƣớc đỉnh container hầu nhƣ đã bị thu hẹp hoàn tồn, kết quả thể hiện trên Hình 4.7 và 4.8. Kết quả này cho thấy có thể dự đốn đƣợc lực cản khí động học tác động lên đồn xe có thể đƣợc cải thiện giảm đi so với hình dáng đồn xe ngun bản CN0 ban đầu.
65
Hình 4.9 và Hình 4.10 thể hiện kết quả phân bố dịng bao quanh đồn xe trong miền không gian khảo sát tại vận tốc khai thác 80km/h.
Hình 4.9 Phân bố vận tốc dịng bao quanh đồn xe tại mặt cắt dọc tâm miền khơng gian tính tốn, CN0-CN3
Hình 4.10 Phân bố vận tốc dịng bao quanh đồn xe tại mặt cắt dọc tâm miền khơng gian tính tốn, CN4-CN6
Kết quả phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe cho thấy sự khác nhau rõ rằng giữa các đoàn xe. Kết quả này cho thấy ảnh hƣởng của hình dáng đến phân bố vận tốc dịng bao quanh đồn xe. Từ kết quả cho thấy tại các khu vực phía sau đồn xe, khu vực giữa cabin và container có hình thành khu vực dịng xốy với mức độ khác nhau tƣơng ứng với mỗn hình dáng đồn xe khảo sát. Sự hình thành dịng xốy này có thể ảnh hƣởng khơng tốt đến đặc tính khí động lực học cho đồn xe, có thể gây ra tăng lực cản khí động tác động lên đồn xe trong q trình khai thác đồn xe. Với các hình dáng đồn xe CN2 và CN3 vùng nhiễu động dịng và xốy tại khu vực kẹp giữa cabin và container khơng tồn tại do có sự cải tiến hình dáng tại khu vực này. Có thể việc che chắn này sẽ giúp các hình
67
Hình 4.11 thể hiện kết quả phân bố áp suất trên bề mặt của đoàn xe khi thay đổi hình dáng.
Hình 4.12 Phân bố áp suất trên bề mặt thân đoàn xe
Kết quả này cho thấy rõ sự thay đổi áp suất trên bề mặt thân xe khi có sự thay đổi hình dáng xe. Diện tích các vùng phân bố áp suất thay đổi rõ ràng trên các hình dáng thân đồn xe khác nhau cho thấy rõ sự ảnh hƣởng của hình dáng đến đặc tính này của đoàn xe. Sự khác nhau này có thể làm thay đổi lực khí động tác động lên đoàn xe.
69
4.1.3. Kết quả so sánh lực cản khí động tác động lên thân đồn xe
Trong phần này, lực cản khí động tác động lên đồn xe khảo sát sẽ đƣợc tính tốn từ kết quả mô phỏng số CFD, đồng thời các kết quả tính tốn lực cản khí động tác động lên đồn xe khảo sát với các thay đổi hình dáng hình học đƣợc so sánh với nhau để làm rõ mức độ ảnh hƣởng của hình dáng thân vỏ đồn xe đến các đặc tính khí động lực học đồn xe. Hình 4.13 thể hiện kết quả tính tốn mơ phỏng số lực cản khí động tác động lên đồn xe với các hình dáng thay đổi từ