Sự phát triển của bất kỳ một thiết bị kỹ thuật nào thường được thực hiện qua hai giai đoạn:
- Giai đoạn thứ nhất là thiết kế tính tốn, tiếp theo là q trình thử nghiệm. - Giai đoạn thứ hai là chỉnh sửa.
Quá trình này thường được lặp lại nhiều lần. Với các máy móc phức tạp như động cơ tuốc bin hoặc máy bay quá trình lặp lại này bắt đầu với các chi tiết và kết thúc với sản phẩm hồn thiện. Tuy nhiên việc thiết kế khí động học ơ tơ khơng thể thực hiện theo q trình này. Lý do thứ nhất là khơng thể phân chia thân xe thành các phần nhỏ. Lý do thứ hai là dịng khơng khí xung quanh ơ tơ vẫn chưa thể được tính tốn một cách chính xác. Q trình hình thành một thân dạng khí động học là thực nghiệm. Với mục tiêu này, các chiến lược đã được đưa ra để nhanh chóng thực hiện được quá trình tối ưu. Các chiến lược này phù hợp với quá trình thiết kế. Các q trình tối ưu gồm có tối ưu hóa chi tiết và tối ưu hóa hình dạng.
a)Tối ưu hóa chi tiết.
Đa số các kết quả kiểm tra được thảo luận gần đây có thể được phân hạng bởi 3 hàm đặc trưng. Các hàm này liên kết hệ số cản Cd với vectơ ri mơ tả hình dạng các yếu tố riêng lẻ chẳng hạn như định nghĩa cấu hình của chúng. Các vectơ ri này có thể là bán kính, chiều cao hoặc chiều dài… Có 3 loại hàm tồn tại:
- Hàm bão hòa: Một đường cong điển hình được thấy trong trường hợp bo trịn một cạnh.
- Hàm nhảy: Loại này xuất hiện khi dòng chảy thay đổi đột ngột từ dạng này sang dạng khác, chẳng hạn khi thay đổi trạng thái dòng chảy từ một chiếc đuôi lướt sang một chiếc đuôi vuông.
- Hàm nhỏ nhất: Loại này luôn xuất hiện khi lực cản được tạo thành từ hai thành phần có ảnh hưởng ngược chiều. Một ví dụ điển hình của hàm này là chiều cao của tấm chắn phía trước.
Hình 1.19 Sự biểu diễn các hàm đặc trưng
Một chiến lược để phát triển khí động học là xác đinh các hàm Cd này cho tất cả các thơng số dự kiến sẽ có ảnh hưởng đến lực cản của một mơ hình đã cho. Do sự giao thoa giữa các chi tiết riêng lẻ, quá trình này cần được lặp lại, nhưng nếu trình tự của các thí nghiệm được chọn để tương ứng với đường đi của dòng chảy, chẳng hạn từ trước đến sau, phần lớn các tương tác như vậy được đưa vào tính tốn.
Một tính năng phố biến của cả 3 hàm là mỗi hàm có một vectơ ρi mà bất kỳ thay đổi nào sẽ không làm giảm đáng kể lực cản. Vecto ρi này được gọi là tối ưu vì nó xác định giá trị Cd tối ưu. Các hàm được phác họa trên hình 1.19 là cơ sở cho việc xem xét thực hiện các biện pháp đề xuất kiểu dáng thân xe.
Hình 1.20 Tối ưu hố các chi tiết trên ơ tơ
Q trình này được gọi là tối ưu hóa chi tiết, có ưu thế trong phát triển ô tô cho đến cuối những năm 1960. Nó đóng một phần quan trọng trong thiết kế các thơng số tối ưu thường khác rất ít so với các giá trị ban đầu họ đã chọn vì tính thẩm mỹ. Do đó
có thể giảm lực cản một cách đáng kể mà khơng làm thay đổi nhận thức về hình dạng của một chiếc xe.
Hình 1.21 Tối ưu hố các chi tiết trên ơ tơ
Một ví dụ được đưa ra trong hình 1.21. Bằng cách tối ưu hóa chỉ 5 chi tiết ở thân xe, lực cản đã giảm 21% so với giá trị ban đầu, trong khi mơ hình tối ưu hóa đã trực quan khơng phân biệt được với kiểu dáng mẫu. Khi những hạn chế của việc duy trì kiểu dáng đã được giảm bớt, lực cản đã được giảm thậm chí nhiều hơn, trong trường hợp cụ thể này là 33% so với mẫu ban đầu. Một ví dụ khác được trình bày trong hình 1.20, tuy nhiên trong trường hợp này, lực cản chỉ giảm được 13%.
Với tiêu chí khơng có sự thay đổi trong thiết kế thì rất khó để giảm hệ số cản ở các cạnh sắc vuông dưới 0,4. Ngày nay, chiếc lược tối ưu hóa chi tiết vẫn được áp dụng với ô tô ở những nơi mà lực cản thấp là ưu tiên thứ hai chẳng hạn như ơ tơ địa hình, ơ tơ bán tải. Để giảm được hệ số cản xuống dưới 0,4 thì cần sử dụng một phương pháp tiên tiến hơn, đó là tối ưu hóa hình dạng.
b)Tối ưu hóa hình dạng.
Hình 1.22 Sự phát triển của hình dạng thân xe
Trong tối ưu hóa hình dạng, sự phát triển khí động học bắt đầu với một hình dạng có hệ số cản rất thấp gọi là thân chính (thân cơ sở). Điều kiện ràng buộc duy nhất của thân cơ sở này là kích thước của nó khơng được vượt quá kính thước tổng thể của xe thiết kế, chẳng hạn như chiều dài, chiều rộng, chiều cao và phải có khe hở với mặt đất. Trong q trình phát triển thân cơ sở này đã được chuyển thành một chiếc ơ tơ như trong hình 1.22 và 1.23.
Cũng như tối ưu hóa chi tiết, tối ưu hóa hình dạng tạo ra một tập các hàm liên kết sửa đổi hình dạng riêng lẻ để gia tăng lực cản. Hình dạng cơ bản mà kết quả có chứa tất cả các yếu tố hình dạng thiết yếu của chiếc xe tiếp theo nhưng nó vẫn hồn tồn trơn (nhẵn), nó chỉ có lực cản lớn hơn một ít so với thân cơ sở. Thực tế trong quá trình từ hình dạng cơ sở đến mẫu cơ sở, sự tăng mạnh lực cản là không thể tránh khỏi một lần nữa chứng tỏ tầm quan trọng của chi tiết. Phụ thuộc vào việc mơ hình này sai khác bao nhiêu so với mẫu thiết kế, mơ hình có thể trải qua sự tăng lực cản nhiều hơn nữa trong quá trình đến chiếc xe cuối cùng.