Hình 3.32: Kết quả phân tích đường dịng chảy quanh xe khi sử dụng bộ tạo xoáy
Sau khi nghiên cứu vai trị của bộ tạo xốy đối với mơ hình ơ tơ ta có những nhận xét sau:
Bộ tạo xốy được thiết kế phụ thuộc vào kiểu dáng, kích thước của từng loại ơ tơ khác nhau
Vị trí, khoảng cách và góc lệch của bộ tạo xốy được đặt trên xe có vai trị rất quan trọng đối với việc giảm hệ số cản của ơ tơ mỗi vị trí, khoảng cách, góc lệch cho ra hệ số cản khác nhau. Do đó để xác định chính xác các thơng số ngày thì người thiết kế cần phải có một lượng thời gian để tính tốn, mơ phỏng tìm ra được vị trí tối ưu của bộ tạo xốy.
Đối với mơ hình xe Nissan Leaf sau khi nghiên cứu, xác định được kích thước bộ tạo xốy và các vị trí, góc lệch của bộ tạo xốy và khoảng cách các bộ tạo xốy thì qua hình ảnh mơ phỏng (hình 3.30 đến hình 3.32) so với kết quả mơ phỏng của mơ hình Nissan Leaf khi khơng sử dụng bộ tạo xốy (hình 3.16 đến hình 3.18) thì kết quả rất khả
quan, vùng vệt hút phía sau ơ tơ giảm hẳn, từ đó làm cho sự chênh lệch áp suất giảm, dẫn đến giảm sức cản khí động của xe..
Kết luận chương 3
Đây là chương quan trọng nhất của luận văn. Trong chương này chúng ta đi tìm hiểu cách thiết kế bộ tạo xốy để giảm hệ số cản của ơ tơ điện (ứng dụng là ô tô điện Nissan Leaf). Để nghiên cứu được thuận lợi trong chương 3 giới thiệu phương pháp số để mô phỏng các kết quả thiết kế để tìm ra được phương án thiết kế tối ưu, làm giảm sức cản gió của ơ tơ là lớn nhất.
Trong chương 3 giới thiệu phương pháp tính tốn động lực học lưu chất (CFD). Dựa trên những phương trình cơ bản của động học chất lưu như phương trình chủ đạo của động học chất lỏng, ưu nhược điểm của phương pháp động học lưu chất. Để giải bài toán vi phân phức tạp ta sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để tính tốn sau đó phần mềm sẽ mơ phỏng kết quả nghiên cứu bằng hình ảnh trực quan, chúng ta có thể dễ dàng quan sát và đưa ra kết luận của việc nghiên cứu là hiệu quả hay không hiệu quả. Và từ những kết quả chạy phần mềm tính tốn ta tiến hành làm mơ hình và thử trong phịng thí nghiệm và so sánh kết quả thực tế với thí nghiệm để đưa ra một kết quả chính xác nhất.
Sau khi lắp các bộ tạo xốy và mơ phỏng trên phần mềm ANSYS Fluent thì hệ số cản của ơ tơ mơ hình đã giảm được tối đa 12,9% (y/L = 0.18, x=12.5 mm; = 12.5o )
Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM SỨC CẢN KHÍ ĐỘNG CHO XE
4.1. Giới thiệu về ống khí động và các thiết bị thí nghiệm
Ống khí động tại phịng thí nghiệm Thủy khí, khoa Cơ khí Giao thơng, Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng là một ống khí động vịng kín (tuần hồn), cỡ nhỏ, tốc độ thấp.
Hình 4.1: Ống khí động vịng kín, cỡ nhỏ, tốc độ thấp tại phịng thí nghiệm Thủy khí
Nhìn chung, một ống khí động dưới âm dạng kín có các thành phần được mơ tả như sau:
Hình 4.2: Sơ đồ bố trí chung của ống khí động
1 – Buồng thử; 2 – Ống phân kì I; 3, 4 – Ống chuyển hướng nhỏ;5 – Quạt; 6 – Ống phân kì II; 7, 8 – Ống chuyển hướng lớn; 9 – Phần nối; 10 – Buồng ổn định; 11 – Nón phễu;
4.1.1. Buồng thử
Buồng thử là nơi đặt mơ hình xe thử nghiệm cũng như nơi lắp đặt các thiết bị quan sát, đo đạc. Phần đầu vào của buồng thử được nối với cuối ống phễu (11), đầu ra của buồng thử là đầu vào của ống phân kì (2). Mặt bên của buồng thử có thể làm cửa kính hoặc mica. Kích thước buồng thử cũng như vận tốc dịng khí đi qua buồng thử quyết định
kích thước của các chi tiết khác cũng như kích thước hình học tổng thể của đường ống nói chung.
Tiết diện mặt cắt ngang của buồng thử có thể là hình chữ nhật, hình vng, hình trịn, lục giác, bát giác,…. Tuy
nhiên qua nhiều thí nghiệm và thực tế cho thấy ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt đến tổn thất cột áp là khơng đáng kể, vì vậy có thể lựa chọn hình dạng mặt cắt sao cho chi phí phù hợp và chế tạo đơn giản. Trong hầu hết các trường hợp thực tế, buồng thử có dạng hình hộp chữ nhật với chiều dài gấp đôi bề rộng (hoặc cao).
Bên trong buồng thử, ta đặt các thiết bị đo đạc như cân khí động 6 thành phần, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến vận tốc gió,… Mặt bên của buồng thử, ở phía thuận tiện (mặt phía ngồi) ta làm một cửa sổ, có thể dễ dàng tiếp cận mẫu thử cũng như hiệu chỉnh các thiết bị đo đạc.
Hình 4.5: Ống phân kì Hình 4.3: Buồng thử của ống khí
4.1.2. Ống phân kì
Là phần ống được lắp ngay phía sau buồng thử. Ống có tiết diện tăng dần theo chiều dài, nhằm phục hồi cột áp tĩnh của dịng chảy thơng qua việc giảm cột áp động (giảm vận tốc dịng chảy), nhờ đó giảm được tổn thất (do lực cản tỉ lệ với bình phương vận tốc). Với sơ đồ ống khí động thiết kế, ta sử dụng 2 ống phân kì: một ống đặt ngay sau buồng thử và một ống khác lớn hơn đặt sau quạt. Nhờ đó, vận tốc dịng khí được giảm xuống trước khi đi qua các đoạn chuyển hướng (giảm được tổn thất).
Kích thước đầu vào của ống chính là kích thước
của buồng thử (do ống được gắn ngay sau buồng thử). Do vậy trong hầu hết các trường hợp, mặt cắt ngang của ống là hình chữ nhật/hình vng.
Đối với cả 2 ống phân kì, góc khơng được lớn hơn 3~4° và tỉ số AR < 2.5 – 3 để tránh hiện tượng tách thành lớp biên chảy rối ở phía cuối ống. Góc càng lớn, hiện
tượng tách lớp biên xảy ra càng mạnh, gây ra biến động áp suất tác dụng ngược lại phía buồng thử, làm giảm độ đồng đều áp suất và vận tốc.
4.1.3. Ống chuyển hướng
Trong đường ống khí động dạng vịng kín, các ống chuyển hướng là bộ phận giúp làm chuyển hướng dịng chảy một góc 900, giúp dịng khí có thể lưu thơng tuần hồn. Do vậy ta sử dụng 4 ống chuyển hướng: 2 ống kích thước nhỏ và 2 ống kích thước lớn.
Bên trong các ống này có lắp các cánh nắn dịng. Số lượng, kích thước và biên dạng của các cánh
quyết định tổn thất cột áp động của dịng khí khi chuyển hướng.
4.1.4. Quạt:
Quạt là nguồn động lực giúp dịng khí lưu thơng tuần hồn trong đường ống, khắc phục tổn thất dọc qua các bộ phận.
Hình 4.7: Buồng ổn định với cấu trúc tổ ong Hình 4.6: Quạt
Quạt được dẫn động từ động cơ điện 3 pha, dẫn động thông qua dây đai. Tốc độ của quạt có thể điều chỉnh được thơng qua bộ biến tần. Ở 2 mặt quạt ta làm các ống nối để chuyển từ tiết diện tròn sang tiết diện chữ nhật và ngược lại.
Quạt sử dụng là loại quạt hướng trục dùng trong công nghiệp, dẫn động bằng động cơ điện ba pha qua cơ cấu dây đai. Quạt có cơng suất 2 kW cùng lưu lượng tối đa đạt 39600 m3/h.
4.1.5. Buồng ổn định
Buồng ổn định, chứa bộ hướng dòng và các lưới bên trong, được đặt ở phía đầu đường ống. Nó có tác dụng loại bỏ các nhiễu loạn vận tốc theo phương không trùng với phương của dòng chảy, bằng cách đưa dòng chảy qua một cấu trúc dạng tổ ong. Cấu trúc tổ ong này chia dòng chảy vào nhiều ống nhỏ đặt xếp chồng lên nhau phương của dịng chảy, có tác dụng “duỗi” thẳng dịng khí, loại bỏ các nhiễu loạn cũng như xốy lốc. Tiết diện cắt ngang của các ống này có thể là hình trịn, vng hoặc lục giác.
4.1.6. Nón phễu
Là bộ phận được đặt phía trước của buồng thử, sau các lưới lọc và bộ hướng dịng, có tác dụng:
- Tăng tốc độ dịng khí mà khơng gây ra rối loạn, nhờ đó có thể bố trí các lưới lọc và bộ hướng dịng ở vùng có vận tốc thấp, giảm được sức cản và tổn thất năng lượng.
- Làm giảm sự không đồng đều về tốc độ của dòng chảy. Từ đó tạo được dịng chảy ổn định, đồng nhất, ít dao động tại buồng thử.
Ngồi các bộ phận kể trên, cịn có những đoạn ống nối phụ khác nhằm đảm bảo ràng buộc hình học giữa các bộ phận.
Những đoạn này gồm đoạn nối giữa 2 ống chuyển hướng nhỏ với nhau, đoạn nối giữa 2 ống chuyển hướng lớn với nhau, và đoạn nối từ ống chuyển hướng lớn với buồng ổn định.
4.2. Đánh giá đặc tính khí động của xe nguyên bản
Dựa vào kích thước mơ hình đã được nghiên cứu lựa chọn như ở mục 3.5 của chương 3. Ở chương này ta tiến hành kiểm tra sức cản khí động lực học của ơ tơ bằng
thiết bị ống khí động và các thiết bị thí nghiệm của trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng. Các bước thực hiện như sau:
Bước 1: In 3D mơ hình xe thu nhỏ Nissan Leaf đã được mơ phỏng chạy trong phần mềm ANSYS
Bước 2: Tiến hành đo lực cản khơng khí do giá đỡ (đồ gá) ơ tơ mơ hình gây ra trong đường ống khí động khi khơng có mơ hình xe. Phương pháp đo là đo 3 lần và lấy trung bình.
Bước 3: Tiến hành đo lực cản khơng khí của mơ hình ơ tơ (khi khơng có bộ tạo xốy) lúc lắp trên giá đỡ. Tương tự ta đo 3 lần lực cản, mỗi lần trừ đi lực cản trung bình của đồ gá. Áp dụng công thức
𝐶𝑑 = 2. 𝐹𝐷 ρ𝐿. 𝐴. v∞2 Trong đó:
FD - Lực cản khí động của xe sau khi đã trừ lực cản do đồ gá gây ra [N]. L - Khối lượng riêng khơng khí [kg/m3], L = 1,25 [kg/m3].
v∞ - Vận tốc chuyển động của dịng khơng khí hoặc của xe v∞=20,2 [m/s]. A - Diện tích mặt cắt ngang của xe, A=0,0141 [m2].
CD - Hệ số cản khí động của ơ tơ
Bước 4: Ta lặp lại đo như ở bước 3, tuy nhiên mơ hình có gắn thêm bộ tạo xốy với kích thước đã được nghiên cứu như ở chương 3
Kết quả của thí nghiệm thu được:
Bước 1: Đo hệ thống gá đặt (khơng có xe)
STT Điện áp (V) Vận tốc (m/s) Lực cản (N)
1 10 20,2 0,571
2 10 20,2 0,569
3 10 20,2 0,572
Hình 4.9: Kiểm tra khí động học của xe ơ tơ Nissan Leaf khi chưa có lắp bộ tạo xốy thiết kế ở chương 3
Bước 2: Đo hệ thống gồm gá đặt + xe khơng có bộ tạo xốy
STT Điện áp (V) Vận tốc (m/s) Lực cản tổng (N) Lực cản xe (N) Hệ số cản Cd 1 10 20,2 1,717 1,146 0,319 2 10 20,2 1,707 1,136 0,316 3 10 20,2 1,704 1,133 0,315
Hệ số cản trung bình lên xe trong trường hợp khơng có bộ tạo xốy: 0,317 Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ số cản khí động lực học của xe: Cd = 0,317
4.3. Đánh giá đặc tính khí động của xe trong trường hợp có trang bị bộ tạo xoáy
Theo kết quả mơ phỏng của lực cản khí động lực học của ơ tơ ở mục 3.6.4 của chương 3 thì vị trí y/L = 0.18 là giá trị để bố trí bộ tạo xốy VG tối ưu nhất đồng nghĩa với việc vị trí bố trí bộ tạo xốy tốt nhất là càng về cuối đi xe, cụ thể là càng gần nơi dịng chất lưu xảy ra hiện tượng tách lớp biên, nhưng bên cạnh đó vị trí này cịn phụ thuộc vào hình dáng của xe ơ tơ ta thiết kế.
Hình 4.10: Đo lực cản của ơ tơ khi lắp bộ tạo xoáy VG
Kết quả đo lực cản của ơ tơ ở vị trí gá đặt bộ tạo xốy tại vị trí y/L = 0.18
STT Điện áp (V) Vận tốc (m/s) Lực cản tổng (N) Lực cản xe (N) Hệ số cản Cd 1 10 20,2 1,619 1,048 0,292 2 10 20,2 1,609 1,038 0,289 3 10 20,2 1,613 1,042 0,290
Hệ số cản trung bình lên xe trong trường hợp có bộ tạo xốy: 0,290 Kết luận bộ tạo xốy: Như vậy với cùng một điều kiện thí nghiệm thì hệ số cản của mơ hình xe điện được giảm đáng kể (khoảng 8,5%) khi có bộ tạo xốy.
Hệ số cản trong các trường hợp Tính tốn bằng phần mềm ANSYS FLUENT Kết quả thí nghiệm thực tế Sai số giữa phần mềm tính tốn và thực tế
Có bộ tạo xốy (Cd) 0,2584 0,29 12%
Giảm hệ số cản khí động học của
xe 12,9% 8,5% 34%
Sự sai khác kết quả giữa mô phỏng bằng phần mềm và thực nghiệm một số lý do như sau: Mơ hình mơ phỏng là lý tưởng, trong mơ phỏng khơng có đồ gá ơ tơ, trong khi đó điều kiện thực nghiệm trên mơ hình bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, sai số của các thiết bị đo, sai số giữa các lần tháo xe mơ hình để lắp gắn các bộ tạo xốy, tỷ số chắn trên mơ hình thực nghiệm nhỏ, làm tăng ảnh hưởng của thành buồng thử lên mơ hình, dẫn đến tăng hệ số cản…Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cũng cho thấy xu hướng giảm hệ số cản khi sử dụng các bộ tạo xoáy. Như vậy việc sử dụng phần mềm để mơ phỏng, tính tốn bộ tạo xốy cho ô tô là rất kinh tế và tiết kiệm thời gian cho các nhà nghiên cứu.
Kết luận chương 4
Từ kết quả của phần mềm mơ phỏng khí động lực học CFD trong chương 3, với chương 4 thì ta tiến hành kiểm nghiệm thực tế bằng cách sử mơ hình xe Nissan Leaf với tỷ lệ thu nhỏ 1:12 và đưa vào ống khí động để đánh giá bộ tạo xốy.
Kết quả: Hệ số cản khơng khí do mơ hình có bộ tạo xốy gây ra là 0,29 Vậy khi có bộ tạo xốy hệ số cản của ơ tơ giảm được 8,5%.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 1. Kết luận
Từ kết quả nghiên cứu khí động lực học đối với ơ tơ dựa trên phần mềm mơ phỏng khí động lực học (CFD) và thực hiện thí nghiệm thực tế trên mơ hình xe Nissan Leaf. Kết quả thí nghiệm cho thấy bộ tạo xốy giúp xe giảm được 8,5% hệ số cản khí động lực học cho xe. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi xe thí nghiệm là xe điện do đó góp phần kéo dài quãng đường xe chạy, như vậy đã gián tiếp góp phần cải thiện ơ nhiễm mơi trường.
2. Hướng phát triển của đề tài
Do thời gian nghiên cứu thực hiện đề tài trong hồn cảnh rất khó khăn, tình hình dịch bệnh do covid diễn biến phức tạp, khó khăn trong việc đi lại để thực hiện nhiệm vụ được giao. Chính điều đó phần nào ảnh hưởng đến tiến độ, thời gian thực hiện đề tài.
Nếu trong thời gian tới đề tài tiếp tục được nghiên cứu sẽ nghiên cứu thực nghiệm nhiều trường hợp lắp đặt bộ tạo xoáy khác nhau để so sánh với mô phỏng, sử dụng thêm các phương pháp giảm sức cản khác, ví dụ bằng phương pháp điều khiển dịng chảy chủ động như sử dụng bộ dao động chất lỏng, bộ truyền động hút và thổi dao động; điều khiển dòng chảy chủ động với lực hút; điều khiển dòng chảy chủ động sử dụng thiết bị tạo tia tổng hợp….để việc cải thiện hệ số cản trên ô tơ điện sẽ có nhiều kết quả khả quan hơn.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TS. Lương Ngọc Lợi (2008), Cơ học thủy khí ứng dụng, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[2] PGS.TS. Hoàng Đức Liên (2007), Giáo trình Kỹ thuật thủy khí, Trường Đại
học Nông nghiệp Hà Nội, Hà Nội.
[3] Thomas Schuetz, Lothar Krüger, Manfred Lentzen, Chapter 4 Aerodynamic
Forces and Their Influence on Passenger Vehicles, from SAE International by Larry
Glover, Friday, January 04, 2019.
[4] Angelina I. Heft, Thomas Indinger, Nikolaus A.Adams, Experimental and Numerical Investigation ò the Nissan Leaf Model, Proceedings of the ASME 2012
Fluids Engineering Summer Meeting, July 8-12.
[5] Thomas Frank, Benadikt Gerlicher, Juan Abanto, Nissan Leaf – Aerodynamic
Investigation for a New Realistic Generic Car Model using ANSYS CFD, ASWC, October 2013.
[6] Max Varney, Martin Passmore, Felix Wittmeier, Timo Kuthada, Experimental