Chƣơng 1 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
4.1. Ảnh hƣởng của hình dáng thân vỏ đến đặc tính khí động học đồn xe
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. Q trình thực hiện các bƣớc tính tốn mô phỏng số CFD với bộ chƣơng trình tính tốn mô 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 dòng 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 đoàn 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 đoàn 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 toàn, 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 dịng bao quanh đồn 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 xoáy 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 đồn 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 đồn xe. Sự khác nhau này có thể làm thay đổi lực khí động tác động lên đồn xe.
69
4.1.3. Kết quả so sánh lực cản khí động tác động lên thân đoàn xe
Trong phần này, lực cản khí động tác động lên đồn xe khảo sát sẽ đƣợc tính tốn từ kết quả mơ 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 CN0 đến CN6 ở vận tốc khai thác 80km/h.
Hình 4.13 Lực cản khí động tác động lên đoàn xe tại vận tốc khai thác 80km/h
Kết quả tính tốn mơ phỏng lực cản khí động tác động lên đồn xe cho thấy việc cải thiện hình dáng khí động thân xe giúp lực cản giảm đi từ 10% đến 38% tổng lực cản khí động so với ban đầu. Mẫu cải tiến CN3 có lực cản nhỏ nhất so với các mẫu còn lại. Kết quả này cho thấy việc cải thiện hình dáng thân vỏ xe giúp giảm lực cản khí động đáng kể cho đoàn xe và phù hợp với những kết quả phân tích trƣờng phân bố áp suất, dịng bao quanh đồn xe nhƣ đã khảo sát ở các phần trên.
Bảng 4.1 thể hiện kết quả tính tốn mơ phỏng lực cản khí động, chi tiết các thành phần lực cản khí động và hệ số cản khí động tác động lên thân vỏ đồn xe trong quá trình khảo sát ở cùng điều kiện tính tốn mơ phỏng giống nhau.
Bảng 4.1 Lực cản khí động tác động lên đồn xe No No Các thành phần lực cản khí động, Rx (N) Các thành phần hệ số lực cản khí động, Cx Rp Rf RT Cp Cf CT CN0 3342.413 101.551 3443.968 1.1108 0.0338 1.1446 CN1 2580.654 109.294 2689.949 0.8576 0.0363 0.8939 CN2 2314.139 133.531 2447.670 0.7691 0.0444 0.8135 CN3 2037.192 126.594 2163.791 0.6772 0.0421 0.7193 CN4 3092.717 116.702 3209.421 1.0278 0.0388 1.0666 CN5 2547.732 122.633 2670.365 0.8467 0.0408 0.8874 CN6 2448.590 119.992 2568.582 0.8137 0.0399 0.8536
Trong đó các thành phần lực cản khí động tác động lên thân vỏ đồn xe bao gồm: thành phần lực cản gây ra bởi áp suất dịng tác động lên thân vỏ đồn xe Rp; thành phần lực cản gây ra do ma sát giữa tồn bộ bề mặt tiếp xúc với dịng bao quanh thân vỏ đồn xe và dịng chảy Rf; Tổng hợp các thành phần này là lực cản khí động tác động lên thân vỏ đồn xe trong quá trình khảo sát RT.
Từ kết quả tính tốn lực cản và các hệ số lực cản khí động tƣơng ứng tác động lên đoàn xe ở vận tốc khảo sát thể hiện trên Bảng 4.1 cho thấy rõ mức giảm hệ số cản khí động tác động lên thân vỏ đoàn xe. Từ hệ số lực cản khí động trên 1 đối với hình dáng thân vỏ đồn xe ngun bản đã có thể cải thiện giảm hệ số lực cản khí động tổng thể tác động lên đoàn xe xuống tới 0.7, giảm đƣợc khoảng trên 30% lực cản so với ban đầu.
Kết quả phân tích trƣờng phân bố áp suất, trƣờng dịng bao quanh thân vỏ đoàn xe và kết quả tính tốn mơ phỏng số lực cản khí động tác động lênn đồn xe nhƣ đã trình bày trên cho thấy rõ ảnh hƣởng của hình dáng thân vỏ đồn xe đến các đặc tính khí động. Trên cơ sở thiết kế tối ƣu hình dáng khí động học đồn xe có thể giúp cải thiện các đặc tính khí động cho đồn xe hiện đang khai thác thực tế cũng nhƣ là căn cứ trong thiết kế khí động học cho thân vỏ đồn xe mới với các đặc tính khí động học tốt nhất trong điều kiện khai thác xe. Nghiên cứu giúp giảm lực cản tác động lên đồn xe chính là giúp giảm tiêu hao nhiên liệu, nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác cho đồn xe trong q trình vận tải.
71
4.2. Ảnh hƣởng của khoảng cách tƣơng đối giữa container 20 feet và cabin đến đặc tính khí động học đồn xe đến đặc tính khí động học đồn xe
4.2.1. Mơ hình đồn xe khảo sát
Trong phần này, việc nghiên cứu ảnh hƣởng của khoảng cách tƣơng đối giữa container và cabin của đồn xe chở container đƣợc thực hiện. Vị trí đặt container 20 feet trên rơ móc so với canbin của đồn xe ảnh hƣởng đến các đặc tính khí động lực đồn xe đƣợc thực hiện dựa trên cơ sở so sánh, phân tích các kết quả mơ phỏng số đồn xe trong 3 trƣờng hợp bố trí container 20 feet khác nhau khi vận chuyển hàng hóa của đồn xe. Hình 4.14 thể hiện mơ hình tính tốn mơ phỏng số của 3 trƣờng hợp xếp container 20 feet của đồn xe với các vị trí khác nhau tƣơng ứng CN7, CN8 và CN9. Bảng 4.2 thể hiện tỷ số khoảng cách tƣơng ứng của đoàn xe trong các trƣờng hợp khảo sát.
Hình 4.14 Mơ hình đồn xe chở container 20 feet với các vị trí đặt container 20 feet khác nhau, CN7, CN8, CN9
Bảng 4.2 Khoảng cách tƣơng đối giữa container 20 feet và cabin xe
TT Khoảng cách tƣơng đối, d Đơn vị
CN7 7.416 m
CN8 4.419 m
CN9 1.423 m
4.2.2. Một số kết quả so sánh phân bố áp suất và dịng bao quanh đồn xe
Trên cơ sơ tính tốn mơ phỏng số khảo sát các đặc tính khí động lực học tác động lên đồn xe tƣơng ứng với các mơ hình nhƣ đã trình bày ở trên Hình 4.14. Trong nghiên cứu này, các mơ hình đƣợc khảo sát với cùng một vận tốc khai thác tƣơng ứng của xe là 80 km/h. Sau q trình tính tốn mơ phỏng số thu đƣợc một số kết quả mơ phỏng đƣợc thể hiện trên các Hình 4.15, 4.16, 4.17, 4.18.
73
75
Hình 4.15, 4.16 và 4.17 thể hiện kết quả phân bố áp suất bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc tâm và mặt cắt chiếu bằng của đồn xe khi thay đổi vị trí xếp container 20 feet trên rơ móc. Sự thay đổi này làm biển đổi phân bố áp suất bao quanh đoàn xe rõ rệt, diện tích các vùng nhiễu động bao quanh đồn xe thay đổi giảm giảm dần tại khe hở giữa container và cabin khi giảm khoảng cách tƣơng đối giữa chúng. Từ kết quả này có thể cho thấy lực khí động tác động lên đồn xe sẽ thay đổi tùy theo vị trí của container 20 feet trên rơ móc đồn xe. Sự ảnh hƣởng của khoảng cách tƣơng đối này đến dịng bao quanh đồn xe đƣợc thể hiện trong kết quả phân bố dịng bao quanh đồn xe, thể hiện trên các Hình 4.18, 4.19 và Hình 4.20.
77
Hình 4.20 Phân bố vận tốc dịng bao quanh đồn xe tại mặt cắt bằng z=2.5m
Kết quả thể hiện phân bố vận tốc dịng bao quanh đồn xe trên các Hình 4.18 đến Hình 4.20 cho thấy rõ sự thay đổi vùng nhiễu động dịng bao quanh đồn xe khi thay đổi khoảng cách tƣơng đối giữa cabin và container. Kết quả này cho thấy có thể lực cản khí động tác động lên đồn xe sẽ thay đổi theo.
4.2.3. Kết quả tính tốn lực cản khí động tác động lên đồn xe
Trong phần này, các thành phần lực cản khí động tác động lên đồn xe trong các trƣờng hợp khảo sát đƣợc tính tốn và so sánh với nhau. Hình 4.18 thể hiện kết quả tính lực cản khí động tác động lên đồn xe ở vận tốc khai thác 80km/h. Kết quả cho thấy việc thay đổi vị trí container 20 feet đã làm thay đổi lực cản tác động lên đoàn xe. Đối với trƣờng hợp xếp container gần cabin nhất tƣơng ứng với khi bố trí container tại vị trí CN9 giúp giảm đƣợc lực cản khí động tác động lên thân vỏ đồn xe.
Hình 4.21 Các thành phần lực cản khí động tác động lên đồn xe tại vận tốc khai thác 80km/h
79
Hình 4.21 thể hiện kết quả so sánh lực cản khí động tác động lên đồn xe trong các trƣờng hợp xe không chở container, xe chở container 40 feet và xe chở container 20 feet ở vị trí CN9. Kết quả so sánh chi tiết đƣợc thể hiện trong Bảng 4.3.
Bảng 4.3 Hệ số lực cản khí động và cơng suất tiêu hao tƣơng ứng của đồn xe Phƣơng án chở container Cx Pw, CV %Pw
Không chở container 0.724 48.33 -52.9
20 feet, CN9 1.100 98.55 -3.9
40 feet, CN0 1.145 102.55 0.0
Từ kết quả thể hiện trên đồ thị Hình 4.21 và Bảng 4.3 cho thấy, hệ số lực cản khí động tác động lên đồn xe trong các trƣờng hợp chở hàng tƣơng đối xấp xỉ 1. Tuy nhiên có sự khác biệt rõ rệt về cơng suất tiêu hao trong các trƣờng hợp xe chở theo container và xe khơng chở theo container. Trong trƣờng hợp đồn xe chở container 20 feet cơng suất tiêu hao của đồn xe chỉ thay đổi khoảng 4% so với trƣờng hợp khi xe chở container 40 feet. So với trƣờng hợp đồn xe khơng chở hàng thì lực cản khí động tác động lên đồn xe giảm đi khoảng 53% so với khi chơ hàng. Sự thay đổi lực cản khí động tác động lên đồn xe này có thể một phần thay đổi do sự thay đổi về diện tích mặt hứng gió của đồn xe khi chở hàng và khi khơng chở hàng, tuy nhiên có thể thấy rõ đƣợc sự khác biệt khi so sánh các trƣờng vận tốc, phân bố áp suất bao quanh đoàn xe trong các trƣờng hợp khảo sát tƣơng ứng. Kết quả so sánh lực cản khí động học tác động lên đồn xe tƣơng ứng phù hợp với các kết quả phân bố vận tốc dòng và phân bố áp suất bao quanh đoàn xe đã khảo sát.
4.3. Kết luận chƣơng 4
Trong chƣơng này, nghiên cứu ảnh hƣởng của hình dáng thân vỏ đồn xe đến đặc tính khí động lực học đồn xe đƣợc trình bày chi tiết. Thơng qua cơ sở lý thuyết, phƣơng pháp và cơng cụ tính tốn mô phỏng số CFD đã trình bày trong các chƣơng trƣớc, tác giả thực hiện việc nghiên cứu ảnh hƣởng của hình dáng thân vỏ đồn xe đến đặc tính khí động lực học đồn xe.
Trên cơ sở phân tích kết quả tính tốn mơ phỏng số CFD và so sánh kết quả tính tốn mơ phỏng số CFD giữa một số mơ hình hình dáng thân vỏ đoàn xe thay đổi khác nhau, những yếu tố ảnh hƣởng đến đặc tính khí động lực học thân
vỏ đồn xe đƣợc đƣa ra. Từ cơ sở đó, việc hƣớng tới hình dáng khí động lực học thân vỏ đồn xe tối ƣu hóa về lực cản khí động đã đƣợc tác giả đƣa ra.