2.1.4. Hiệu ứng mặt đường:
Tạo một đường dẫn khơng khí ở dưới đáy chiếc xe. Đường dẫn khơng khí này khá hẹp ở phía trước và mở rộng dần về phía
sau. Phương pháp này chỉ dành cho xe đua có gầm sát mặt đường, do gầm xe gần sát mặt đường, sự kết hợp giữa đường dẫn khơng khí và mặt đường tạo thành một đường hầm gần như đóng kín. Khi chiếc xe đang chạy, khơng khí vào đường hầm từ phía mũi rồi thốt thẳng ra phía sau khiến áp suất khơng khí giảm dần về phía đi xe và như vậy sẽ phát sinh lực nén. Như vậy sự bám đường của xe sẽ tăng lên khi xe chuyển động ở tốc độ cao nhưng cũng khơng làm giảm hệ số cản khơng khí đối với xe.
2.2. Giảm lực cản khí động bằng phương pháp điều khiển dòng chảy bị động
Hệ thống điều khiển thụ động bao gồm việc sử dụng ít nhiều vật cản rời rạc, được thêm vào xung quanh hoặc trên nóc xe. Chúng có thể được chia thành hai nhóm tùy theo ảnh hưởng của chúng đối với việc kiểm sốt dịng chảy. Nhóm đầu tiên bao gồm các chướng ngại vật được định vị trên bề mặt của hình học. Nhóm thứ hai bao gồm các vật thể được đặt ở phía trên hoặc phía dưới của hình học cần được kiểm sốt.
Trong các phương pháp điều khiển dòng chảy bị động, đối với các dòng xe du lịch, việc sử dụng các bộ tạo xoáy (Vortex Generator – VG) được tập trung xem xét và nghiên cứu ứng dụng nhiều trong thực tế. Bộ tạo xốy là một bề mặt khí động học có các hình dạng như hình chữ nhật, hình tam giác và cánh tam giác (Hình 2.5) có xu hướng tạo xốy trong dịng chất lỏng. Ban đầu, bộ tạo xoáy được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, chủ yếu là để kiểm sốt q trình chuyển đổi lớp biên và trì hỗn sự tách thành lớp biên. Sau đó, các loại VG khác nhau được sử dụng trong ô tô đua để điều khiển dịng chảy qua phía dưới phương tiện, chủ yếu để tạo ra lực nâng âm và giảm lực kéo cần thiết để có hiệu suất tốt hơn.
Hình 2.4: Làm gầm ơ tơ thấp để hiệu ứng mặt đường được phát huy
Mục tiêu của bộ tạo xốy (VG) là giảm lực khí động học và để cải thiện hiệu suất nhiên liệu của xe ơ tơ. Vị trí của bộ tạo xốy từ đi cạnh của xe ảnh hưởng đến dịng chảy khơng khí qua xe. Phân tích khí động học của một chiếc xe bằng phương pháp tính tốn động lực học chất lỏng (CFD) và thực nghiệm trong đường hầm gió cho thấy sự chênh lệch áp suất giữa đầu xe và đuôi xe, được tạo ra bởi sự phân tách dòng chảy, dẫn đến lực cản. Để trì hỗn việc phân tách dịng chảy, các bộ tạo xốy VG được sử dụng, đặt tại phía sau trần xe, để tương tác với dịng chảy qua xe, từ đó làm chậm q trình phân tách dịng chảy phía sau xe.
Một loại hình dạng bộ tạo xốy VG phổ biến là hình dạng Delta (tam giác) (Hình 2.5), được phân tích bởi Gopal và cộng sự (2012) [11]. Nó đã được nhiều nhà nghiên cứu thử nghiệm và nhận thấy có hiệu quả tốt hơn cho hiệu suất khí động học trên mơ hình ơ tơ. Hình 2.6 cho thấy một nghiên cứu về việc ứng dụng bộ tạo xoáy VG Delta để giảm sức cản khí động cho xe SUV được thực hiện bởi P. N. Selvaraju và K. M. Parammasivam năm 2018 [12].
Nghiên cứu này nhằm mục đích đánh giá đặc tính khí động học của một mẫu xe SUV điển hình được gắn với bộ tạo xốy (VG) ở các vị trí khác nhau liên quan đến mép mái phía sau của xe. Các bộ tạo xốy VG nằm trên nóc xe ở vị trí khác nhau từ mép đuôi xe là 40 mm, 50 mm, 60 mm, 70 mm và 80 mm. Đối với mỗi vị trí của VG, các thí
Hình 2. 5: Bộ tạo xốy VG hình dáng Delta (tam giác)
Hình 2.6 : Mơ hình ơ tơ SUV với VG [12]
nghiệm đã được tiến hành ở mỗi tốc độ gió 14,95 m / s, 17,03 m / s, 20,71 m / s, 22,88 m / s, 24,81 m / s và 27,01 m / s. Các trường dịng chảy xung quanh mơ hình xe được quan sát ở các điều kiện tốc độ gió khác nhau. Kết quả cho thấy ở trường hợp tốc độ gió thấp hơn, VG có tác động tối thiểu đến lực cản khí động học lên thân xe. Tuy nhiên, trong trường hợp điều kiện tốc độ gió cao hơn, độ lớn của lực cản giảm đáng kể. Khi các phương tiện di chuyển với tốc độ cao hơn, ví dụ trên đường cao tốc, vị trí của VG nên thay đổi về phía thượng lưu của phương tiện do dịng chảy phân luồng sớm. Do đó, thử nghiệm được tiến hành ở các tốc độ gió và vị trí khác nhau của VG. Phương pháp mô phỏng số được thực hiện trong nghiên cứu này cung cấp các đặc tính dịng chảy xung quanh mơ hình xe cho các tốc độ gió khác nhau. Mơ hình rối k − ε đã được sử dụng để mô phỏng và xác nhận với các kết quả thực nghiệm (Hình 2.7; 2.8; 2.9). Bằng cách sử dụng dữ liệu thử nghiệm, lực cản được xác định giảm 9,04% tại vị trí VG được tối ưu hóa. Bài báo này cung cấp hiểu rõ hơn về định vị VG để nâng cao khả năng kiểm sốt phân tách dịng chảy.
Hình 2.5: Sự thay đổi của hệ số áp suất khi gió tốc độ 14,95 m / s. [12]
2.3. Giảm lực cản khí động bằng
phương pháp điều khiển dòng chảy
chủ động
Điều khiển chủ động được thực hiện bằng cách sử dụng các bộ truyền động yêu cầu một nguồn điện thường được lấy từ máy phát năng lượng chính của xe. Phần nhìn
Hình 2.6: Sự thay đổi của mức tiêu thụ năng lượng trong trường có và khơng có bộ tạo xốy
Hình 2.7: Cường độ rối xung quanh xe trường hợp khơng có và có VG
thấy được của các hệ thống này bao gồm các lỗ tròn hoặc các khe phân bố trên bề mặt xe, nơi phải kiểm sốt dịng chảy. Việc sử dụng chúng đòi hỏi hệ thống cơ học, điện từ, điện, áp điện hoặc âm thanh được đặt trong các bộ phận rỗng của xe. Trọng lượng và kích thước tổng thể của chúng phải nhỏ nhất có thể để giảm tác động của chúng đến tiêu thụ và khối lượng của xe.
Một số giải pháp kiểm soát đã được xác định, thử nghiệm và phân tích cho hàng khơng. Nó cũng giống như vậy đối với thủy động lực học và khí động học của các phương tiện giao thông đường bộ. Các giải pháp được thông qua thường bao gồm hệ thống hút hoặc thổi qua các khe hình trịn hoặc hình chữ nhật. Việc hút và thổi có thể liên tục hoặc ngắt quãng.
2.3.1. Điều khiển dòng chảy chủ động sử dụng bộ dao động chất lỏng (Fluid Oscillator) Oscillator)
Trong những năm gần đây, bộ dao động chất lỏng đã được quan tâm trở lại như bộ truyền động mới cho các mục đích kiểm sốt dòng chảy chủ động. Bộ tạo dao động chất lỏng là những thiết bị có thể phát ra một tia dao động không gian mà không cần bất kỳ bộ phận chuyển động nào. Bộ dao động chất lỏng có các ưu điểm sau : Kích thước nhỏ gọn, cấu tạo đơn giản, không chứa bất kỳ bộ phận chuyển động nào vì dao động của chúng là hồn tồn tự sinh và tự duy trì và chỉ phụ thuộc vào động lực của dịng chảy bên trong, có khả năng tạo ra động lượng cao, bảo trì thấp. Nhìn chung, các đặc tính này mang lại hệ thống truyền động mạnh mẽ và đáng tin cậy cao.
Gärtlein et al, Ostermann và cộng sự [17] đã nghiên cứu thiết kế bộ truyền động đã sử dụng. Ostermann và cộng sự kiểm tra và thảo luận các phương pháp trung bình pha khác nhau của trường dịng dao động tự nhiên.
2.3.2. Điều khiển dòng chảy chủ động với lực hút:
Harinaldi và cộng sự [19] đã nghiên cứu sử dụng các thiết bị hút dòng chảy để giảm lực cản cho một mơ hình xe đơn giản, gọi là Ahmed. Mơ hình này được trang bị ống hút ở phía sau để thay đổi áp suất của vệt hút phía sua xe. Việc nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm. Cách tiếp cận mô phỏng sử dụng một phần mềm thương mại với mơ hình rối k-epsilon tiêu chuẩn và mục tiêu là xác định các đặc tính của trường dịng chảy và giảm lực cản khí động học xảy ra trong mơ hình thử nghiệm. Phương pháp thực nghiệm sử dụng cảm biến lực để xác nhận việc giảm lực cản khí động học thu được bằng phương pháp mô phỏng. Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng lực hút ở phần sau của mơ hình xe van mang lại hiệu quả làm giảm sự hình thành xốy. Họ phát hiện ra rằng giảm lực cản khí động học là 13,86% đối với phương pháp mô phỏng và 16,32% đối với thử nghiệm.
2.3.3. Điều khiển dòng chảy chủ động sử dụng thiết bị tạo tia tổng hợp (Synthetic jet)
Bộ tạo tia tổng hợp là một thiết bị có khả năng truyền động lượng tuyến tính ra mơi trường xung quanh bằng cách luân phiên hút và đẩy chất lỏng ra khỏi khoang chứa màng chắn dao động và đã được chứng minh là một thiết bị kiểm sốt dịng chảy chủ động hữu ích. Thiết bị có trọng lượng nhẹ, nhỏ gọn và giá thành rẻ. Nó có thể dễ dàng được lắp đặt trên cánh máy bay hoặc xe tải mà không cần bất kỳ hệ thống ống dẫn chất lỏng nào. Hơn nữa, SJA có tiềm năng hoạt động hiệu quả hơn đáng kể so với các phương pháp khác ở trạng thái ổn định. Gần đây, bộ tạo tổng hợp đang nổi lên như một công nghệ kiểm sốt dịng chảy chủ động đầy hứa hẹn để giảm lực cản khí động học.
Một thiết bị tạo tia tổng hợp điển hình bao gồm một lỗ phun hoặc lỗ 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 hồn theo thời gian trong thể tích của khoang được tạo ra bởi một số cơ chế như piston dao động hoặc màng áp điện. Những thay đổi về thể tích của khoang này gây ra sự trục xuất luân phiên và hút chất lỏng qua khe với thông 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 xoáy hữu hạn vào chất lỏng 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 [21].
Một phần lớn tác động đến lực cản khí động học của xe xuất phát từ việc khơng thu hồi hoàn toàn áp suất trong vùng vệt hút, đặc biệt là trên các mơ hình xe đi vng. Bideaux và cộng sự [22] thực hiện các nghiên cứu thử nghiệm trong một đường hầm gió để kiểm sốt sự phân tách dịng chảy trên mặt sau của một mơ hình xe đơn giản (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 sau bằng các bề mặt cong mịn. Mơ hình này được trang bị một dải bộ tạo dòng tia tổng hợp ở cuối trần sau của xe để điều khiển dòng chảy với vận tốc 30 m / s dựa trên quá trình thổi định kỳ. Khi có tần số xung là 500 Hz và hệ số động lượng Cµ = 2,75x10−3 thì lực cản giảm tối đa 20%. Kourta và Leclerc [23] đã áp dụng bộ tạo dòng tia tổng hợp trên phương tiện giao thơng đường bộ. Các thí nghiệm được tiến hành trong một đường hầm gió sử dụng mơ hình Ahmed được thu nhỏ bằng 0,7 kích thước ban đầu. Hiệu quả khí động học của việc điều khiển lực cản đã được phân tích cho các số Reynolds khác nhau, cho thấy lực cản giảm lên đến 8,5% đạt được ở Re = 1,2 × 106 với trần xe phía sau nghiêng 25°. Bellman và cộng sự [24] đã mô phỏng việc giảm lực cản xe nhờ bộ tạo dòng tia tổng hợp. 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 rối k-ε hai phương trình. Ba mơ hình xe đã được xem xét trong mô phỏng này, với các dữ liệu thử nghiệm có sẵn để so sánh với kết quả mơ phỏng. Các kết quả cho thấy lực cản giảm đáng kể 10–15%, do đó, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu từ 5–7%.
Kết luận chương 2
Vấn đề giảm lực cản khí động, mặc dù đã được nghiên cứu từ hàng chục năm nay, vẫn đang tiếp tục là mối quan tâm hàng đầu với mục đích chính là giảm mức tiêu thụ nhiên liệu. Hầu hết các cơng trình nghiên cứu về giảm lực cản khí động đều nhấn mạnh việc giảm kích thước vùng xốy đi xe, vì đây là nơi sinh ra lực cản lớn nhất. Các giải pháp chính vẫn là tạo các góc nghiêng của mặt sau và 2 mặt bên cùng với các bán kính cong giữa các mặt hợp lý
Để giảm sức cản Cd của ơ tơ đặc biệt là ơ tơ điện thì có rất nhiều phương pháp khác nhau như tối ưu hình dáng của xe tuy nhiên điều này khó có thể áp dụng triệt để do nó ảnh hưởng đến khơng gian bên trong của hành khách.
Một vài phương pháp điều khiển dịng chảy chủ động và bị động khơng ảnh hưởng đến không gian bên trong của xe, nhưng vẫn cải thiện được hệ số cản Cd của ô tô. Các phương pháp này làm giảm vùng xốy lốc phía sau xe ơ tơ điều này sẽ làm giảm hệ số cản của xe ô tô.
Trong các phương pháp giảm lực cản bằng cách điều khiển dòng chảy, việc sử dụng bộ tạo xốy có nhiều lợi thế, đặc biệt là kết cấu đơn giản và đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu trong thực tế. Chính vì vậy, trong luận văn này, việc giảm lực cản cho ô tô điện sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng bộ tạo xoáy. Việc nghiên cứu được thực hiện thông qua phương pháp mô phỏng số (Chương 3) và thực nghiệm trong hầm gió (Chương 4), để đánh giá vị trí bộ tạo xốy tối ưu trên xe, cũng như đặc tính khí động của dòng chảy qua xe.
Chương 3: ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG CHO XE BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ
3.1. Phương pháp tính tốn động học lưu chất – CFD
CFD – Computational Fluid Dynamics: Đây là lĩnh vực khoa học sử dụng các
phương pháp số kết hợp với cơng nghệ mơ phỏng trên máy tính để giải quyết các bài toán liên quan đến các yếu tố chuyển động của mơi trường, đặc tính lý hóa của các q trình trong mơi trường đang xét, đặc tính sức bền của mơi trường, đặc tính nhiệt động, đặc tính động học hay đặc tính động lực học hoặc khí động lực học, đặc tính lực, hoặc đặc tính lực moment và tương tác của các môi trường với nhau....phụ thuộc vào từng đối tượng và phạm vi cụ thể của từng vấn đề, từng lĩnh vực khoa học mà CFD có thể ứng dụng được.
Những khía cạnh vật lý của bất kỳ dòng chất lỏng nào đều được kiểm soát bởi ba nguyên lý cơ bản sau:
1. Bảo toàn khối lượng.
2. F = ma (Định luật II Newton). 3. Bảo toàn năng lượng.
Những nguyên lý cơ bản này có thể biểu thị dưới dạng các số hạng của phương trình tốn học, mà dạng tổng quát nhất của chúng là những phương trình đạo hàm riêng. Tính tốn động lực học chất lỏng là thuật tốn thay thế những phương trình đạo hàm riêng chủ đạo của dòng chất lỏng bằng số và đưa những số này vào không gian và hoặc thời gian để nhận được sự mô tả số cuối cùng của trường dòng chảy đầy đủ cần quan tâm.