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.
Hình 2.29 Bộ truyền động phản lực tổng hợp
Khi tốc độ của phương tiện mặt đất tăng lên, thì lo ngại về việc giảm lực cản khí động học của mặt đất phương tiện giao thông. Gần đây, máy bay phản lực tổng hợp đang nổi lên như một công nghệ kiểm sốt dịng chảy chủ động cho lực cản khí động học sự giảm bớt. Park và cộng sự. [39] Thực hiện một thử nghiệm nghiên cứu tham số về phản lực tổng hợp cho lực cản khí động học giảm của mơ hình Ahmed. Mảng phản lực tổng hợp là được chế tạo bởi mười hai thiết bị truyền động phản lực tổng hợp và được lắp đặt trên hai loại mơ hình Ahmed, trong đó góc nghiêng là 25° và 35°. Các tia lửa được phát ra giữa mái nhà và phần nghiêng phía sau mặt. Góc phản lực, hệ số xung lượng và lái xe tần số đã được thay đổi để đánh giá tác động của phản lực tổng hợp mảng về lực cản khí động học. Để định lượng ảnh hưởng của tổng hợp phản lực, lực cản khí động học và áp suất bề mặt phía sau là đo lường và phân tích. Từ kết quả, tác dụng của việc tổng hợp phản lực tác động lên lực cản khí động học khác nhau tùy theo góc nghiêng của thân xe. Lực cản khí động học đã giảm cho phần thân nghiêng 25°, nhưng tăng lên cho kiểu máy 35°. Ngồi ra, góc phản lực, hệ số xung lượng và tần số lái xe ảnh hưởng đến lượng thay đổi trong lực cản khí động học. Ảnh hưởng của lực cản định kỳ từ phía sau lên lực cản hệ số sau đó được khảo sát bằng cách sử dụng hoạt động bằng điện van từ trong sơ đồ điều khiển vòng hở. Bốn khác biệt cấu hình của điều khiển dòng chảy đã được thử nghiệm: xung hình chữ nhật máy bay phản lực được căn chỉnh theo chiều kim loại hoặc trong cánh nhỏ cấu hình trên mái cuối và máy bay phản lực hình chữ nhật hoặc lớn khe hở ở đầu xiên phía sau. Đối với mỗi cấu hình, ảnh hưởng của các tham số cưỡng bức (không thứ nguyên tần số, xung lượng đưa vào) trên hệ số cản là đã
nghiên cứu, cùng với tác động của chúng đến áp suất tĩnh trên cả hai mặt nghiêng phía sau và đế dọc của mơ hình. Tùy thuộc vào loại và vị trí kích hoạt phản lực xung, lực cản tối đa giảm được để tăng động lượng bơm vào hoặc tần số xung tối ưu được xác định rõ. Giảm lực cản 30% đã đạt được, gần như tương ứng với mục tiêu cơng nghiệp Ơ tơ.
2.2.1.2 Kiểm sốt dịng chảy chủ động với chế độ thổi ổn định
Thiết kế của phần sau của một chiếc Ơ tơ có tác động lớn đến hành vi khí động học của xe. Nâng và kéo rất mạnh chịu ảnh hưởng của cấu trúc liên kết của dòng chảy trong khu vực này. Cùng hình dạng thân xe của những chiếc xe du lịch thông thường tạo ra một dòng chảy nhất thời, tách rời gây ra các lực dao động trên thân xe, đặc biệt tác động lên trục sau. Hiệu ứng này có thể độ ổn định động và sự thoải mái đáng kể. Các nghiêm cứu cho thấy, việc giảm lực nâng trục sau khi hoạt động kiểm sốt dịng chảy có thể thực hiện được với những tổn thất đánh đổi nhỏ trong lực cản màn biểu diễn. Giảm lực nâng trục sau khoảng 5% là có thể với thay đổi CD khoảng 1%. Littlewood và Passmore [40] đã điều tra ảnh hưởng thổi đều đặn được áp dụng ở nhiều góc độ khác nhau trên mái nhà cạnh sau của một chiếc xe theo phong cách hình vng cân đối được đơn giản hóa trở lại. Đo nhiệt độ dây nóng, đo cân bằng lực, bề mặt phép đo áp suất và phép đo vận tốc hình ảnh hạt (PIV) được sử dụng để điều tra tác động của việc thổi đều lên các cấu trúc đánh thức xe và các lực tác động của cơ thể. Các tiêu thụ năng lượng của máy bay phản lực ổn định đã được tính tốn và là được sử dụng để suy ra sự thay đổi lực cản khí động học. Các kết quả cho thấy rằng lợi ích tổng thể đã đạt được. Họ kết luận rằng yêu cầu đối với tốc độ dòng chảy khối lượng lớn giới hạn khả năng ứng dụng của kỹ thuật này đối với các phương tiện giao thông đường bộ. Một phương pháp tiếp cận kiểm soát luồng chủ động đã được nghiên cứu trong để giảm lực cản khí động học của một loại xe có lưng vng thơng thường. Mơ phỏng xốy lớn (LES) được thực hiện như nó vốn có phù hợp với dòng chảy phụ thuộc vào thời gian xung quanh các phương tiện có trọng tải lớn cấu trúc phù hợp. Kiểm soát luồng chủ động đã được áp dụng theo thứ tự để đạt được giảm lực cản bằng cách sử dụng thổi ổn
vào (vblow = U0) và góc thổi được thay đổi từ θ = 0° thành θ = 60°. Nó đã cho thấy rằng các kỹ thuật kiểm sốt này có thể đạt được mức tối đa kéo giảm cho phiên bản điều khiển θ = 45° khoảng 12%. Một mơ hình hình dạng phương tiện chung, thân xe Ahmed với độ nghiêng 25°, được trang bị một mảng thổi microjets ổn định 6 mm ở phía cuối của vạch phân cách giữa nóc xe và cửa sổ nghiêng phía sau. Mục tiêu của nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu quả của hoạt động này phương pháp giảm lực cản khí động học, bằng cách giảm hoặc ngăn chặn bong bóng phân tách đóng 3D nằm trên bề mặt nghiêng. Hiệu quả của phương pháp kiểm soát này là được định lượng với sự trợ giúp của các phép đo tải trọng khí động học. Những thay đổi trong trường luồng khi áp dụng kiểm soát được kiểm tra bằng cách sử dụng PIV, đo áp lực tường và hình ảnh ma sát vỏ xe. Bằng cách kích hoạt mảng microjet ổn định, hệ số cản đã giảm 9-14% và lực nâng hệ số lên đến 42%, nhưng tùy thuộc vào số Reynolds. Wassen và Thiele [41] đã nghiên cứu việc giảm lực cản của phương tiện di chuyển nhanh thông thường bằng cách áp dụng điều khiển chủ động với thổi đều đặn. Sự truyền động được áp dụng ở các cạnh phía sau của phương tiện (Hình 2.28). Hướng thổi là 90◦ hướng lên ở các cạnh nghiêng và 45◦ hướng vào trong ở các cạnh của đế thẳng đứng. Họ nhận thấy rằng cách tiếp cận này đã làm giảm tổng lực cản khí động học tăng 10,2%. Việc kiểm sốt tích cực đã ngăn chặn việc gắn lại luồng trên mặt nghiêng, dẫn đến áp suất bề mặt cao hơn đáng kể ở khu này. Đồng thời, một số tác dụng phụ là quan sát mà giảm lượng giảm lực cản. Này hiệu ứng là sự giảm áp lực lên phần thẳng đứng của trở lại, tăng áp lực ở mặt trước và tăng lực cản ma sát.
Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng một kiểm soát luồng hoạt động cung cấp một triển vọng thay thế rất tốt để giảm khí động học kéo theo phương tiện Ơ tơ. Tarakka và Simanungkalit [19] áp dụng một điều khiển dòng chảy chủ động thổi trong một van thân thích nghi mơ hình phỏng theo mơ hình Ahmed đã sửa đổi được coi là mơ hình cơ bản gần nhất của xe tải gia đình rộng rãi do hãng xe sản xuất. Nghiên cứu được thực hiện bằng phương pháp tính tốn và thực nghiệm. Các cách tiếp cận tính tốn sử dụng k − ε mơ hình nhiễu loạn tiêu chuẩn với mục tiêu xác định các đặc tính của dịng chảy trường, cường độ của nhiễu loạn và lực cản khí động học giảm xảy ra trong mơ hình thử nghiệm. Trong khi đó, phương pháp thử nghiệm đã sử dụng cảm biến lực để xác thực giảm lực cản khí động học thu được bằng tính tốn cách tiếp cận. Kết quả cho thấy việc bổ sung hoạt kiểm soát bằng cách thổi có ảnh hưởng đến các đặc điểm của trường dòng chảy, cường độ của nhiễu loạn và lực cản khí động học. Giảm lực cản khí động học gần 13,92% cho phương pháp tiếp cận tính tốn và 11,11% cho thử nghiệm cách tiếp cận. Việc giảm lực cản thu được chỉ ra rằng dịng chảy thổi có thể làm giảm hiệu quả xảy ra ở phía sau của mơ hình xe van thích nghi. Có thể áp dụng phương pháp kiểm sốt dịng chảy chủ động để giảm lực cản khí động học của xe vì nó cung cấp khả năng để sửa đổi cục bộ luồng, để loại bỏ hoặc trì hỗn việc phân tách vị trí hoặc để giảm sự phát triển của vùng tuần hồn ở phía sau cũng như các cấu trúc xoáy riêng biệt xung quanh phương tiện. Một chiếc xe tải chở khách đã được mô phỏng với một chiếc xe đã được sửa đổi hình dạng cơ thể của Ahmed bằng cách thay đổi hướng của dòng chảy từ dạng ban đầu (Ahmed Body được sửa đổi / đảo ngược). Cái này mơ hình được trang bị hút và thổi ở phía sau để kiểm tra toàn diện các sửa đổi trường áp suất xảy ra để sửa đổi dòng chảy gần tường về phía giảm lực cản khí động học. Tính tốn mơ phỏng được sử dụng là mơ hình nhiễu loạn dịng chảy k-epsilon. Trong này