2.2 Thiết kế và thiết bị
2.2.1 Giảm lực kéo khí động học
Giá nhiên liệu tăng nhanh và quy định của khí nhà xanh để kiểm soát sự nóng lên tồn cầu mang lại áp lực lên các kỹ sư thiết kế để nâng cao các thiết kế hiện tại của chiếc xe sử dụng các khái niệm về khí động học để nâng cao hiệu quả của phương tiện. Mức tiêu hao nhiên liệu do lực cản khí động học tiêu thụ hơn một nửa của chiếc xe năng lượng. Do đó, chương trình giảm kéo là một trong những chương trình cách tiếp cận thú vị để phục vụ vấn đề này. Lực cản khí động học bao gồm hai thành phần chính: lực cản ma sát và lực cản áp suất . Lực cản áp suất chiếm hơn 80% tổng lực cản và nó phụ thuộc nhiều vào hình dạng của xe do sự phân tách lớp ranh giới khỏi bề mặt cửa sổ phía sau và hình thành vùng đánh thức phía sau xe. Địa điểm của sự phân tách xác định kích thước của vùng đánh thức và do đó, nó xác định giá trị của lực cản khí động học. Theo Hucho [36], lực cản khí động học của đường xe chịu trách nhiệm về một phần lớn nhiên liệu của xe tiêu thụ và đóng góp tới 50% tổng lượng xe tiêu hao nhiên liệu ở tốc độ đường cao tốc. Giảm lực cản khí động học cung cấp một giải pháp rẻ tiền để cải thiện tiết kiệm nhiên liệu và do đó tối ưu hóa hình dạng để có lực cản thấp trở thành một phần thiết yếu của quá trình thiết kế xe tổng thể. Người ta thấy rằng 40% lực cản là tập trung ở phía sau của hình học [37]. Kiểm sốt phân tách dịng chảy là mối quan tâm chính trong động lực học chất lỏng cơ bản cũng như trong các kỹ thuật khác nhau ứng dụng. Nhiều kỹ thuật đã được khám phá để kiểm sốt sự phân tách dịng chảy bằng cách ngăn chặn nó hoặc bằng cách giảm tác dụng của nó. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng thụ động với các thiết bị điều khiển chủ động ổn định hoặc khơng ổn định (ví dụ: máy bay phản lực tổng hợp, kích thích âm thanh). Trong số các các chiến lược được sử dụng trong kiểm sốt khí động học, thông thường kỹ thuật điều khiển thụ động, bao gồm việc sửa đổi hình dạng của xe hoặc gắn các thiết bị bổ trợ để giảm lực cản khí động học, dường như dễ thực hiện nhất nhưng tiếc là nó chỉ dành riêng cho ứng dụng cụ thể. Quá hạn thích hợp hơn với nhiều loại ứng dụng kiểm sốt dịng chảy chủ động.
2.2.1.1 Kiểm sốt dịng chảy chủ động với các tia khí
Một phần lớn tác động đến lực cản khí động học của một chiếc xe là do khơng thu hồi được hồn tồn áp suất trong vùng phục hồi áp suất. Có thể đạt được mức độ phục hồi áp suất cơ bản thông qua việc tối ưu hóa hình dạng của xe. Một nhà khí động học Ơ tơ để thực hiện các thay đổi hình dạng đáng kể bị hạn chế bởi nhiều yếu tố như kiểu dáng, công thái học và khả năng chịu tải. Các cơng nghệ điều khiển dịng chảy chủ động cho thấy tiềm năng tạo ra các sửa đổi trường dịng chảy mà khơng cần thay đổi hình dạng bên ngồi và đã nhận được nhiều sự quan tâm trong những năm trước đây trong ngành hàng không và gần đây là trong ngành công nghiệp Ơ tơ. Các nghiên cứu thử nghiệm trong một đường hầm gió để kiểm sốt sự phân tách dòng chảy trên cửa sổ phía sau của một hình dạng phương tiện thơng thường (thân xe Ahmed với tỷ lệ 0,7 và góc dốc là 35°). Phần sau của thân xe Ahmed đã được sửa đổi bằng cách thay đổi góc cạnh sắc nét giữa mái và cửa sổ phía sau bằng các bề mặt cong mượt mà. Mơ hình này được trang bị một dải phản lực xung ở cuối mái để điều khiển dòng chảy với vận tốc 30 m/s dựa trên quá trình thổi định kỳ. Kết quả này khẳng định tầm quan trọng của phản lực xung trong việc giảm lực cản khí động học của xe. Một thiết bị truyền động phản lực tổng hợp điển hình bao gồm một lỗ phun hoặc một mạch phản lực đối diện với một bên bởi một khoang kín khác và được gắn ở phía bên kia với bề mặt động chất lỏng. Sự thay đổi tuần hoàn theo thời gian trong thể tích của khoang được tạo ra bởi một số cơ chế như một piston dao động hoặc một màng áp điện (Hình 2.26). Những thay đổi về thể tích của khoang này gây ra sự phóng và thu hồi vào luân phiên của dịng chảy qua khe với thơng lượng khối lượng tịnh bằng khơng (ZNMF). Q trình này thường đi kèm với việc tạo ra một dịng xốy ở các cạnh của lỗ / khe truyền động lượng và lực xốy hữu hạn vào dịng chảy xung quanh. Sự tương tác của các cấu trúc xoáy này với trường dịng chảy bên ngồi có thể gây ra sự bất ổn định và tăng cường sự trộn lẫn trong dịng chảy bên ngồi. Một số mơ phỏng số của dịng phản lực tổng hợp cũng đã được báo cáo trong tài liệu. Kourta và Leclerc [38] đã áp dụng điều khiển luồng phản lực tổng hợp trên luồng đánh thức phương tiện giao thơng đường bộ. Các thí nghiệm được tiến hành trong một đường hầm gió sử dụng cơ thể
Ahmed có kích thước 0,7 so với kích thước ban đầu. Bộ truyền động phản lực tổng hợp (Hình 2) được phát triển bằng cách sử dụng phép tương tự cơ điện với sự trợ giúp của Mơ hình phần tử gộp. Hiệu quả khí động học của việc kiểm soát lực cản đã được phân tích cho các số Reynolds khác nhau, Giảm lực kéo lên đến 8,5% đạt được ở Re = 1,2 × 106 với cửa sổ phía sau nghiêng 25°. Bellman và cộng sự, [6] đã sử dụng một vài thiết bị truyền động phản lực dao động, được gọi là thiết bị truyền động phản lực tổng hợp ở mặt sau của phương tiện mặt đất. Các mô phỏng số được thực hiện bằng cách sử dụng phương trình Reynolds-Averaged-Stokes khơng ổn định (URANS) kết hợp với mơ hình nhiễu loạn k-ε hai phương trình có thể thực hiện được. Máy phát điện lưới có bán trên thị trường GAMBIT và bộ giải CFD FLUENT đã được sử dụng cho các mơ phỏng. Ba cấu hình xe mặt đất chung đã được xem xét trong các mơ phỏng của chúng; dữ liệu thử nghiệm có sẵn cho các cấu hình này mà khơng có và có kiểm sốt luồng hoạt động để so sánh. Các nghiên cứu này đã chứng minh rõ ràng rằng các kỹ thuật kiểm sốt dịng chảy chủ động có thể được sử dụng để giảm đáng kể lực cản khí động học của các phương tiện mặt đất trong khoảng 10-15%, do đó, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu từ 5–7%.
Hình 2.28 (a) Sơ đồ mặt cắt của cấu hình máy bay phản lực được sử dụng trong thử
nghiệm (khơng quy mơ). Hình bầu dục gạch ngang chỉ ra gần đúng vùng của thiết bị truyền động phản lực được mơ hình hóa trong các tính tốn hiện tại.