thể kiểm tra kết quả áp suất, vận tốc, báo cáo đồ thị… ở phần Result mà không cần phải chạy lại lần nào nữa.
3.6.5. Đánh giá sự độc lập của kết quả vào lưới
a. Tổng quan về phương pháp nghiên cứu
Hiện nay, trong lĩnh vực mô phỏng số nhằm thực hiện đo đạc, đánh giá các yếu tố khí động học bằng phần mềm mơ phỏng Ansys Fluent, thì việc thực hiện nghiên cứu, tìm ra một mơ hình lưới phù hợp với mơ hình mơ phỏng và đặc biệt phải có độ độc lập về lưới (Mesh Independent Study) là một bước rất quan trọng trong cả q trình thực hiện bài tốn.
Theo các chuyên gia, việc thực hiện nghiên cứu độ độc lập về lưới của một quá trình mơ phỏng sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả của quá trình nghiên cứu. Kết quả sau khi đã được mơ phỏng chỉ có thể đáng tin cậy sau khi được kiểm tra, đối chiếu với thực nghiệm hoặc được chia lưới với 1 lưới đã được chứng minh có độ độc lập về lưới.
b. Ý tưởng về việc thực hiện nghiên cứu Mesh Independent
Một lưới sau khi được hồn thiện được đánh giá là có độ độc lập nghĩa là các phần tử của lưới đã đạt đến trạng thái thích hợp nhất với kích thước của mơ hình mơ phỏng, cho dù chúng ta có cái thiện, gia tăng độ chính xác và số lượng phần tử thêm nữa thì kết quả cho ra hầu như khơng đổi hoặc thay đổi rất ít.
Đối với mơ hình xe, ta tiến hành thí nghiệm như sau:
Bước 1: Chia vùng không gian mô phỏng quanh xe thành 2 phần, phần không gian
lớn hơn Air (đã được tính tốn kích thước ở phần trên) và phần khơng gian nhỏ hơn CarBox (nằm trong vùng Air cho trước ).
Bước 3: So sánh, đánh giá các lưới vừa chia ở trên để xác định lưới có độ độc lập
nhằm áp dụng vào các trường hợp tính tốn sau.
Việc chia vùng khơng gian mơ phỏng làm 2 phần nhằm mục đích điều chỉnh số lượng và kích thước lưới được dễ dàng hơn, đối với trường hợp lưới thơ ta có thể chưa dùng đến vùng CarBox chỉ chia toàn bộ vùng khơng gian Air là lưới thơ với kích thước như nhau.
Cịn đối với trường hợp lưới mịn và siêu mịn, ta có thể dùng 2 vùng khơng gian Air và CarBox với kích thước phần tử khác nhau (vùng CarBox có số phần tử nhỏ hơn) để tinh chỉnh lưới cần tính tốn.
3.6.6. Kết quả quá trình nghiên cứu Mesh Independent
Mô phỏng lần lượt với lưới gồm: 4.69x105; 6.15 x 105; 9.01 x105; 1.84 x 106; 3.59 x 106; 8.43 x 106 phần tử. Kết quả cho thấy tại lưới có số phần tử 3.59x106, sự thay đổi hệ số cản Cd của xe gần như độc lập vào sự thay đổi số phần tử lưới. Vì vậy, lưới được sử dụng để mơ phỏng có số phần tử 3.59 x 106, với hệ số cản Cd của xe trong trường hợp khơng có lắp bộ tạo xốy là 0.297.
Hình 3.14: Vùng khơng gian Air (lớn, bên ngồi) và CarBox (nhỏ, bên trong) Hình 3.13: Lưới được chia làm 2 phần với kích thước phần tử khác nhau
3.6.7. Kết quả mơ phỏng
khí động học ơ tơ Nissan Leaf
Để nhận được kết quả bằng hình ảnh đối với hệ số cản Cd = 0,297 và mơ phỏng dịng khí trên xe, streamline vận tốc,… ta sử dụng phần Result ở cuối phần mềm Ansys Fluent.
Hình 3.16: Sự phân bố áp suất trên bề mặt xe Hình 3.15: Lựa chọn số phần tử lưới độc lập với hệ số Hình 3.15: Lựa chọn số phần tử lưới độc lập với hệ số
Hình 3.17: Sự phân bố vận tốc xung quanh xe
Hình 3.18: Vectơ vận tốc bao quanh mơ hình xe
Theo như kết quả mơ phỏng dịng khí đi qua ơ tơ ở hình 3.17 đến hình 3.18 ta nhận thấy áp suất phân bổ trên bề mặt xe khơng đều phía trước xe áp suất tác dụng lên bề mặt xe là lớn nhất (184 Pa) và áp suất tác dụng lên sau đuôi xe là áp suất chân không (-855 Pa). Phân bố vận tốc xung quanh xe cũng khơng đều do đó hình thành các xốy lớn phía sau xe gây cản trở chuyển động của ơ tơ điều này ta có thể quan sát qua hình 3.18 véc tơ vận tốc phía sau xe có chiều ngược với chiều chuyển động của hướng gió ban đầu.
3.7. Nghiên cứu giảm sức cản khí động của xe bằng bộ tạo xoáy
3.7.1. Bộ tạo xoáy VG
Trong nghiên cứu này, bộ tạo xoáy hình thang được lựa chọn. Điểm mạnh của bộ tạo xốy VG hình thang là nó có thiết kế khá đơn giản, có 2 mặt hình thang với 2 cạnh trước sau khác nhau về độ cao dựa vào độ dày của lớp biên, và đồng thời chính 2 cạnh này sẽ tạo ra vùng có dịng chảy xốy. Dịng xốy được tạo ra ở cạnh đầu tiên (thấp hơn) sẽ truyền thêm sự qn tính cho dịng chảy phía dưới lớp biên một cách liên tục thậm
chí sau khi dịng xốy thứ 2 được thêm vào do cạnh thứ hai (cao hơn) tạo ra. Dịng xốy từ cạnh thứ hai được tạo ra do sự chênh lệch về chiều cao giữa 2 cạnh, do đó cả 2 dịng xoáy cung cấp một cách hiệu quả một lực đè nén lên dòng chảy giúp cho dòng chảy trì hỗn việc tách thành lớp biên.
Do đó, việc bố trí các bộ tạo xốy VG thành một hàng trên xe, hướng tới dòng chảy và được đặt ở nơi tách thành lớp biên sẽ tạo ra một vùng xốy mạnh mẽ nhằm cải thiện dịng khí ở đây. Sự gia tăng lực qn tính cho dịng chảy này có thể giúp giữ dịng khí bám vào những vùng có độ dốc cao, nơi dễ xảy ra hiện tượng tách thành lớp biên.
Hình dáng của bộ tạo xốy VG khá đơn giản, tuy nhiên kích thước của các cạnh thứ nhất và thứ hai sẽ phụ thuộc vào chiều dày lớp biên, và vị trí bố trí các VG và số lượng của chúng sẽ được mô phỏng nhiều lần để đưa ra phương án thích hợp nhất.
3.7.2. Nghiên cứu lớp biên trên mơ hình Nissan Leaf
Việc nghiên cứu lớp biên trên mơ hình Nissan Leaf, cụ thể nhằm tìm ra kích thước cho bộ tạo xốy VG và để tìm ra cách bố trí cho phù hợp. Vị trí phù hợp để bố trí bộ tạo xốy được cho là ở phía đi xe, nơi mà dịng chảy chuẩn bị có sự chia tách lớp biên, chiều cao cạnh thứ hai của bộ tạo xoáy được thiết kế nhỏ hơn hoặc bằng với chiều dày lớp biên, chính vì thế nên tồn bộ bộ tạo xốy VG sẽ được thiết kế nằm ngập trong lớp biên của mơ hình, loại thiết kế này được gọi là “ Submerged trapezoidal VG”.
Giả sử dòng chảy ta đang xét là dòng chảy trên tấm phẳng, ta sử dụng chỉ số Reynolds cục bộ để tìm ra chiều dày lớp biên ở từng vị trí xét.
Rex = 𝑈.𝑥 ѵ
Trong đó :
Rex – số Reynolds cục bộ U – vận tốc của dòng chảy x – chiều dài của dòng chảy
ѵ – hệ số nhớt động học của dòng chảy
Với vận tốc đã chọn ở phần trên cho các bài tốn mơ phỏng, ta chọn vận tốc u = 20 [m/s].
Ta có hệ số nhớt động học của khơng khí ѵkk = 1.48 x 10-5.
Còn với chiều dài của dòng chảy x, ta lấy bằng chiều dài của xe rồi sau đó chia thành từng giá trị với tỷ lệ x/L khác nhau. Đối với mơ hình tỷ lệ 1:12, ta có chiều dài dòng chảy x là: x = 𝐿 12 = 3950 12 = 329,2 [mm] Suy ra: Rex = 20.0,3292 1,48.10−5 = 4,45.10 5
Sau khi đã tìm ra được số Reynolds cục bộ, ta tiếp tục tính độ dày lớp biên δ theo cơng thức sau:
𝛿 𝑥 =
5 √𝑅𝑒𝑥
Với tỷ lệ mơ hình 1:12 ứng với độ dày lớp biên δ = 2.4677 [mm]
3.7.3. Thiết kế bộ tạo xoáy VG
Với cách thiết kế “submerged trapezoidal VG”, bộ tạo xoáy nằm ngập trong lớp biên, nên ta chọn thiết kế cạnh thứ hai (cao hơn) của bộ tạo xoáy bằng với chiều dày lớp biên. Vậy ta có h2 = δ = 2.47 [mm].
Hình 3.21: Kích thước của bộ tạo xoáy VG
Sau khi xem xét chiều dày lớp biên tại từng tọa độ x/L trên thân xe, ta thấy ở phần đuôi xe chiều dày lớp biên đều lớn hơn 1 [mm], bên cạnh đó cạnh thứ nhất của bộ tạo xoáy VG phải thấp hơn cạnh thứ hai h2 = 2.47 [mm]. Nên ta chọn chiều cao của cạnh thứ nhất h1 = 1 [mm].
Về phần chiều dài l và bề rộng b ta căn cứ vào kích thước của mơ hình để chọn, với kích thước mơ hình khá nhỏ Lmơ hình = 329 [mm] và bề rộng mơ hình Bmơ hình = 133 [mm], vì thế ta chọn chiều dài của bộ tạo xốy lvg = 6 [mm] và bề rộng bvg = 4 [mm] để thuận tiện cho việc bố trí và điều chỉnh sau này.
Còn về bề dày của bộ tạo xoáy ta chọn t = 0,1 [mm] phụ thuộc vào vật liệu chế tạo đáp ứng đủ độ cứng vững mà vẫn có được độ mỏng cần thiết.
Sau khi đã tìm ra được tất cả các thơng số cần thiết, ta có thể thiết kế được bộ tạo xốy VG bằng phần mềm CAD như hình:
3.7.4. Mơ phỏng
đặc tính khí động của xe khi trang bị bộ tạo xốy
Trong phần này, ta sẽ tập trung mơ phỏng khí động học trên mơ hình Nissan Leaf kết hợp với bộ tạo xốy VG trên phần đi xe nhằm tìm ra phương án bố trí tối ưu nhất của bộ tạo xốy và nhận xét sự ảnh hưởng của bộ tạo xoáy đến việc cải thiện đặc tính khí động học cho mơ hình Nissan Leaf.
Để tìm ra phương án bố trí bộ tạo xốy VG một cách hiệu quả nhất trên mơ hình, ta tiến hành mơ phỏng trên phần mềm Ansys Fluent cho các từng trường hợp và lấy kết quả tối ưu của trường hợp đầu để tiếp tục mô phỏng tính tốn cho các trường hợp sau.
Hình 3.23: Mơ hình xe có gắn các bộ tạo xốy.
Thứ tự của từng trường hợp mô phỏng như sau:
1. Điều chỉnh vị trí của bộ tạo xốy VG ứng với mỗi giá trị y/L. Sau khi so sánh các kết quả, ta lấy giá trị y/L tối ưu nhất để tiến hành trường hợp sau.
2. Điều chỉnh khoảng cách giữa các bộ tạo xốy VG để tìm được khoảng cách tối ưu giữ các bộ tạo xốy, từ đó tiến hành trường hợp tiếp theo.
3. Điều chỉnh góc nghiêng của bộ tạo xốy ( = -50, 00, 30, 60, 90,120,150). Sau khi ta xác định được vị trí của bộ tạo xốy VG ứng với giá trị y/L tối ưu, ta tiến hành xoay các bộ tạo xốy 1 góc so với phương dọc của mơ hình để tìm được góc xoay tối ưu nhất.
a. Thay đổi vị trí đặt bộ tạo xốy VG trong q tình mơ phỏng
Ở bài tốn này với số lượng bộ tạo xốy được bố trí như trên hình 3.23 ta tiến hành mơ phỏng để tìm được vị trí tối ưu của bộ tạo xốy so phương chiều dọc của xe.
Bảng 2: Hệ số cản Cd tương ứng với vị trí bộ tạo xốy VG
y/L 0.15 0.18 0.212 0.243
Cd 0.262 0.2618 0.2635 0.2646
Cd -0.035 -0.0352 -0.0335 -0.0324
Hình 3.25: Biểu đồ thể hiện vị trí y/L ứng với hệ số cản Cd của ô tô
Kết luận: Đặt bộ tạo xốy tại vị trí y/L = 0.18 thì hệ số cản nhỏ nhất.
Việc tìm ra giá trị y/L = 0.18 là giá trị bố trí 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 ô tô ta thiết kế.
b. Thay đổi khoảng cách giữa hai bộ tạo xốy
Dựa việc tìm được vị trí tối ưu của bộ tạo xốy ở trên ta tiến hành mơ phỏng tìm hệ số cản của ô tô ứng với việc thay đổi khoảng cách giữa hai bộ tạo xoay trong dãy bộ tạo xốy để tìm được khoảng cách tối ưu giữa hai bộ tạo xoáy. Gọi khoảng cách giữa hai bộ tạo xoáy x.
Bảng 3: Sự thay đổi của hệ số cản phụ thuộc vào khoảng cách giữa các bộ tạo xoáy
x (mm) 7 10 12.5 15
Cd 0.263 0.2618 0.2602 0.2606
Cd -0.034 -0.0352 -0.0368 -0.0364
Hình 3.27:
Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa x và hệ số cản Cd
Kết luận: Dựa theo kết quả mơ phỏng ứng với các vị trí x hệ số cản Cd, thì khoảng cách giữa hai bộ tạo xoáy 12.5 mm cho hệ số cản nhỏ.
c. Thay đổi góc đặt bộ tạo xốy
Dựa trên các kết quả nghiên cứu ở trên: Đặt bộ tạo xốy tại vị trí y/L = 0.18; khoảng cách giữa hai bộ tạo xoáy là 12.5 mm. Ở mơ phỏng này ta tiến hành thay dổi góc đặt bộ tạo xốy để tìm được góc đặt tối ưu theo phương dọc của ơ tơ.
Hình 3.28: Thay đổi góc lệch của bộ tạo xoáy so với chiều dọc xe
Bảng 4: Bảng kết quả các vị trí góc xốy so với chiều dọc
(o) -5 0 3 6 9 12 15
Cd 0.262 0.26024 0.26015 0.2596 0.2592 0.25842 0.2604 Cd -0,035 -0,03676 -0,03685 -0,0374 -0,0378 -0,03858 -0,0366
Hình 3.29: Biểu đồ thể hiện góc lệch của bộ tọa xoáy so với phương dọc xe
Kết luận: đặt bộ tạo xốy theo góc 12.5 độ cho hệ số cản nhỏ nhất, có hệ số cản khơng khí là Cd = 0,2584.
3.7.5. Kết luận kết quả nghiên cứu bộ tạo xốy.
Phân tích dịng chảy của khơng khí qua xe trong trường hợp sử dụng bộ tạo xốy .
Hình 3.31:Kết quả phân bố vận tốc bao quanh xe khi sử dụng bộ tạo xoáy
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