Cải thiện độ chính xác của lưới
Sau khi đã xác định được kiểu lưới, ta tiến hành chia lưới cho mơ hình bằng các lệnh Sizing và Inflation để tăng độ chính xác cho mơ hình tính tốn.
Mesh Sizing : Ta chia vùng không gian mô phỏng ra làm 2 phần được gọi là Air (vùng khơng gian đã tính tốn ở phần trên ) và CarBox ( vùng không gian con nằm trong Air nhằm chia lưới mịn hơn).
Đối với vùng không gian Air, ta chọn kích thước của lưới ứng với kích thước mặc định của phần mềm, còn đối với vùng chia lưới mịn CarBox ta chọn kích thước lưới nhỏ hơn là 10 [mm].
Inflation : Ta sử dụng lệnh Inflation giúp định rõ lớp biên của mơ hình mơ phỏng để gia tăng độ chính xác của kết quả, ta chọn số lớp tối đa là 5.
Sau khi đã tùy chỉnh xong lưới, ta đánh giá chất lượng của lưới để mơ phỏng bằng 2 thơng số đó là Skewness (độ lệch lạc của lưới) và Orthogonal (độ trực giao của lưới). Việc kiểm tra chất lượng lưới sẽ được tiến hành ở các phần sau, khi ta tiến hành kiểm tra độ độc lập của lưới để tạo ra một mơ hình lưới phù hợp với bài tốn mơ phỏng với các mơ hình xe khác nhau.
3.6.4. Thiết lập các thông số mô phỏng:
Trong phần Solver lựa chọn bộ giải dựa trên áp suất Pressure-Based và thuật toán độc lập Absolute cùng với phương pháp Transient như trong hình:
Thiết lập mơ hình mơ phỏng
Mơ hình rối k-ω SST (Vận chuyển ứng suất biến ngang): Mơ hình rối k-ω thực hiện tính tốn ở lớp biên gần thường tốt hơn so với mơ hình rối k-ε và áp dụng thành cơng cho dịng với sự đối nghịch của gradient áp suất, nhưng vẫn có vấn đề phân phối với phân chia áp suất. Đa số các bất lợi của tiêu chuẩn rối k-ω là độ nhạy của phương trình ω là quá mạnh với các giá trị ω trong dòng tụ do bên ngoài lớp biên, mặc dù gần tường là mạnh hơn. Nhưng sự sai sót này ngăn cản mơ hình rối k-ω thay thế mơ hình rối k-ε. Điều này dẫn đến sự phát triển mơ hình rối ứng suất cắt (SST) k-ω.
Bảng 1: Bảng giá trị các hằng số của mơ hình k-ω SST
Thơng số Giá trị Thông số Giá trị
k,1 1,176 ∞ 1 ,1 2,0 0 1/9 k,2 1,0 𝛽∞∗ 0,09 ,1 1,168 R 8 a1 0,31 Rk 6 i,1 0,075 R 2,95 i,2 0,0828 * 1,5 𝛼∞∗ 1 Mto 0,25 Hình 3.9: Lựa chọn chế độ mô phỏng
Vậy nên ta lựa chọn mơ hình rối k-ω SST để giải quyết bài tốn một cách phù hợp và chính xác nhất.
Lựa chọn vật chất khảo sát
Trong phần Materials chọn
khí lý tưởng (air) là dạng vật chất khảo sát với những giá trị mặc định được thể hiện trong hình, cịn đối với những phần rắn ta sử dụng vật chất alluminium để đạt được độ cứng cần thiết.
Thiết lập điều kiện biên đầu vào
Ta tiến hành thiết lập cho 2 điều kiện vào là Inlet – Velocity (vận tốc đầu vào) và
Outlet – Pressure (áp suất đầu ra) cho mơ hình, cịn những phần cịn lại được thiết lập
mặc định như Symmetry, Wall, … Điều kiện đầu vào (Inlet): Vận tốc vào v = 20 [m/s].
Vì khơng biết rõ về các mức độ hỗn loạn trong mơ phỏng của mình, nên có thể sử dụng các giá trị sau của cường độ rối (turbulent intensities) 1% -5% và tỉ lệ độ nhớt rối
(turbulent viscosity ratio) 1 - 10.
Điều kiện đầu ra (Outlet): Áp suất ra P = 0 [Pa]
Hình 3.11: Thiết lập phương pháp giải Hình 3.10: Các thơng số cơ bản của chất lỏng khảo sát Hình 3.10: Các thông số cơ bản của chất lỏng khảo sát
Cường độ rối từ 1 - 5% và tỷ lệ độ nhớt từ 1-10.
Lựa chọn thiết lập phương án giải
Trong phần Solution Methods tiến hành thiết lập các bộ giải và thuật toán giải như đã phân tích trong các mục trên ta chọn giải thuật tốn COUPLED để tính các thơng số của xe mơ hình.
Bên cạnh đó, ta chọn các phương pháp Second Order để cho ra kết quả chính xác hơn với bài tốn mơ phỏng khí động học.
Điều chỉnh các bước thời gian và cho chạy tính tốn
Để bắt đầu chạy chương trình tính tốn, ta phải chọn số vịng lặp (Number of Time Steps) và bước của mỗi vòng lặp.
Đối với số vòng lặp, sau khi tiến hành nhiều tính tồn trên mơ hình nhận ra được rằng sau khoảng 50~70 vịng lặp thì hệ số cản Cd đã khơng cịn biến thiên nữa và đã xấp xỉ bằng hằng số. Vì thế để tiết kiệm bộ nhớ của máy tính và rút gọn thời gian tính tốn ta chọn số vịng lặp Number of Time Step = 100.
Còn đối với giá trị của Time Step Size, là giá trị thời gian sau mỗi lần mô phỏng ra kết quả, nghĩa là cứ sau mỗi giá trị của Time Step thì sẽ báo cáo kết quả một lần, ta chọn Time Step Size bằng 0,02 [s] để có thể đánh giá sự thay đổi của hệ số cản Cd một cách chính xác hơn.
Sau khi đã khai báo, thiết lập đầy đủ các thông tin, ta tiến hành mô phỏng xác định hệ số cản Cd (Calculate).
Thời gian chạy của chương trình phụ thuộc nhiều vào số lượng phần tử lưới, số lượng vịng lặp, bộ nhớ của máy,… vì vậy để tiết kiệm thời gian và bộ nhớ, ta cần phải khai báo một cách chính xác các thơng số. Sau khi chương trình đã chạy hồn tất, ta có
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 q 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 hoàn 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 khơng 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 không gian mô 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 q trình nghiên cứu Mesh Independent
Mơ 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 ngoài) 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 ô tô 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 xốy 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 dịng chảy giúp cho dịng 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 xoáy 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.
Cịn 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 dịng 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 xốy 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 xoáy lvg = 6 [mm] và bề rộng bvg = 4 [mm] để thuận tiện cho việc bố trí và điều chỉnh sau này.
Cịn về bề dày của bộ tạo xốy 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 xoáy 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 mô phỏng trên phần mềm Ansys Fluent cho các từng trường hợp và lấy kết quả tối ưu của trường hợp đầu để tiếp tục mơ 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 xoáy, 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.