Một chiến lược để phát triển khí động học là xác đinh các hàm Cd này cho tất cả các thơng số dự kiến sẽ có ảnh hưởng đến lực cản của một mơ hình đã cho. Do sự giao thoa giữa các chi tiết riêng lẻ, quá trình này cần được lặp lại, nhưng nếu trình tự của các thí nghiệm được chọn để tương ứng với đường đi của dòng chảy, chẳng hạn từ trước đến sau, phần lớn các tương tác như vậy được đưa vào tính tốn.
Một tính năng phố biến của cả 3 hàm là mỗi hàm có một vectơ ρi mà bất kỳ thay đổi nào sẽ không làm giảm đáng kể lực cản. Vecto ρi này được gọi là tối ưu vì nó xác định giá trị Cd tối ưu. Các hàm được phác họa trên hình 1.19 là cơ sở cho việc xem xét thực hiện các biện pháp đề xuất kiểu dáng thân xe.
Hình 1.20 Tối ưu hố các chi tiết trên ơ tơ
Quá trình này được gọi là tối ưu hóa chi tiết, có ưu thế trong phát triển ơ tơ cho đến cuối những năm 1960. Nó đóng một phần quan trọng trong thiết kế các thơng số tối ưu thường khác rất ít so với các giá trị ban đầu họ đã chọn vì tính thẩm mỹ. Do đó
có thể giảm lực cản một cách đáng kể mà khơng làm thay đổi nhận thức về hình dạng của một chiếc xe.
Hình 1.21 Tối ưu hố các chi tiết trên ơ tơ
Một ví dụ được đưa ra trong hình 1.21. Bằng cách tối ưu hóa chỉ 5 chi tiết ở thân xe, lực cản đã giảm 21% so với giá trị ban đầu, trong khi mơ hình tối ưu hóa đã trực quan khơng phân biệt được với kiểu dáng mẫu. Khi những hạn chế của việc duy trì kiểu dáng đã được giảm bớt, lực cản đã được giảm thậm chí nhiều hơn, trong trường hợp cụ thể này là 33% so với mẫu ban đầu. Một ví dụ khác được trình bày trong hình 1.20, tuy nhiên trong trường hợp này, lực cản chỉ giảm được 13%.
Với tiêu chí khơng có sự thay đổi trong thiết kế thì rất khó để giảm hệ số cản ở các cạnh sắc vuông dưới 0,4. Ngày nay, chiếc lược tối ưu hóa chi tiết vẫn được áp dụng với ô tô ở những nơi mà lực cản thấp là ưu tiên thứ hai chẳng hạn như ô tơ địa hình, ơ tơ bán tải. Để giảm được hệ số cản xuống dưới 0,4 thì cần sử dụng một phương pháp tiên tiến hơn, đó là tối ưu hóa hình dạng.
b) Tối ưu hóa hình dạng.
Hình 1.22 Sự phát triển của hình dạng thân xe
Trong tối ưu hóa hình dạng, sự phát triển khí động học bắt đầu với một hình dạng có hệ số cản rất thấp gọi là thân chính (thân cơ sở). Điều kiện ràng buộc duy nhất của thân cơ sở này là kích thước của nó khơng được vượt q kính thước tổng thể của xe thiết kế, chẳng hạn như chiều dài, chiều rộng, chiều cao và phải có khe hở với mặt đất. Trong q trình phát triển thân cơ sở này đã được chuyển thành một chiếc ơ tơ như trong hình 1.22 và 1.23.
Cũng như tối ưu hóa chi tiết, tối ưu hóa hình dạng tạo ra một tập các hàm liên kết sửa đổi hình dạng riêng lẻ để gia tăng lực cản. Hình dạng cơ bản mà kết quả có chứa tất cả các yếu tố hình dạng thiết yếu của chiếc xe tiếp theo nhưng nó vẫn hồn tồn trơn (nhẵn), nó chỉ có lực cản lớn hơn một ít so với thân cơ sở. Thực tế trong quá trình từ hình dạng cơ sở đến mẫu cơ sở, sự tăng mạnh lực cản là không thể tránh khỏi một lần nữa chứng tỏ tầm quan trọng của chi tiết. Phụ thuộc vào việc mơ hình này sai khác bao nhiêu so với mẫu thiết kế, mơ hình có thể trải qua sự tăng lực cản nhiều hơn nữa trong quá trình đến chiếc xe cuối cùng.
1.2. Tình trạng nghiên cứu khí động học ơ tơ
Hiện nay, trong lĩnh vực khí động lực học ơ tơ thường sử dụng hai phương pháp nghiên cứu khí động học ơ tơ: phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.
1.2.1. Nghiên cứu lý thuyết
Nghiên cứu lý thuyết dựa trên những phương pháp mơ phỏng dịng chảy khơng khí bao quanh ơ tơ dựa trên phương trình Navier – Stokes. Đây là một bài tốn hết sức phức tạp và vẫn đang là mối quan tâm hàng đầu của những nhà nghiên cứu khí động học trên thế giới và cho tới nay người ta chưa tìm được lời giải đầy đủ được bằng phương pháp giải tích. Vì vậy, đã từ lâu các nhà nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng các mơ hình đơn giản hóa và các phương pháp giải gần đúng với sự trợ giúp của máy tính. Ngày nay, cơng cụ phổ biển hơn cả trong việc giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng của bài tốn khí động học ơ tơ là phương pháp số.
Việc giải phương trình bằng các phương pháp số cũng vô cùng phức tạp, đặc biệt là trong trường hợp dòng chảy rối. Bởi vậy, người ta thường phải giải các phương trình trên với các giả thiết đơn giản hóa. Chẳng hạn, với giả thiết chất khí khơng nhớt phương trình Navier - Stokes có dạng đơn giản nhất, gọi là phương trình Ơ le. Trong trường hợp vận tốc chuyển động nhỏ hơn 100 m/s (M ≤ 0,3), có thể sử dụng giả thiết chất khí khơng chịu nén (ρ = const), khi đó các phương trình khí động học sẽ có dạng phương trình Laplace và là các phương trình tuyến tính.
Đồ thị minh họa trên hình 1.10 cho thấy, mức độ phức tạp của bài tốn khí động học phụ thuộc vào kết cấu cụ thể và yêu cầu về độ chính xác. Đối với những thiết bị có mức độ phức tạp cao (tàu vũ trụ), người ta buộc phải cố gắng giải phương trình Navier-Stokes đầy đủ.
Đối với những trường hợp có kết cấu đơn giản hơn, bài toán được phân thành các mức độ phức tạp khác nhau. Nếu coi ơ tơ có mức độ phức tạp kết cấu trung bình, thì từ 1980 trở về trước bài tốn khí động học được giải dưới dạng phương trình Ơ le bằng phương pháp sai phân hữu hạn. Từ 1990 đến nay, các nhà nghiên cứu khí động học ơ tơ giải quyết bài tốn khí động học dưới dạng phương trình Reynolds trung bình hóa. Phương pháp này cũng sẽ được sử dụng trong Đồ án để giải bài tốn khí động học vỏ xe ơ tơ và sẽ được trình bày kỹ lưỡng trong chương 2.
Khó khăn trong việc giải bài tốn khí động học bằng phương pháp số khơng nằm ở các vấn đề lý thuyết mà chủ yếu là do khối lượng tính tốn. Để giải bài tốn với u cầu độ chính xác cao cần có mơ hình chính xác, chia lưới với bước nhỏ, số lượng phần tử lớn nên địi hỏi khối lượng các phép tính và thời gian tính tốn rất lớn. Chẳng hạn, vào giữa những năm 1990, để giải bài tốn khí động học ơ tơ với độ chính xác cao trên siêu máy tính CRAY C90 cần có thời gian từ 1 đến 2 tháng. Ngày nay, công nghệ thông tin phát triển mạnh cả về phần cứng và phần mềm đã giúp giảm bớt khó khăn cho việc giải bài tốn khí động học ơ tơ. Tuy nhiên, nó vẫn là bài tốn khó địi hỏi thời gian tính tốn rất lớn, đặc biệt là trong điều kiện khơng có máy tính đủ mạnh.
Phương pháp chủ đạo để giải các phương trình vẫn là phương pháp số với sự hỗ trợ của các máy tính mạnh. Tất cả các phương pháp số đang được sử dụng để giải các phương trình vi phân mơ tả dịng chảy khí động đều dựa trên việc mô tả vỏ xe trong không gian (chia lưới miền cần tính tốn) và trong thời gian: tại mỗi điểm trên lưới, người ta tính tốn các thơng số của dịng chảy cho mỗi bước thời gian.
Hiện nay, được sử dụng rộng rãi hơn cả trong tính tốn khí động học là phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thể tích hữu hạn. Mỗi phương pháp đều có ưu, nhược điểm riêng và vẫn đang được sử dụng song song.
Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm: độ chính xác cao; các điều kiện biên là điều kiện thực; việc chia lưới linh hoạt. Nhưng nó cũng có những nhược điểm: địi hỏi phải có bộ nhớ lớn; thời gian tính tốn rất dài; chia lưới phức tạp trong vùng lớp biên; xây dựng mơ hình tương đối khó.
Phương pháp thể tích hữu hạn có những ưu điểm: bộ nhớ ít hơn; xây dựng mơ hình đơn giản hơn; thời gian tính tốn ngắn hơn so với phương pháp phần tử hữu hạn. Nhược điểm của phương pháp này là: việc tạo lưới khơng được chuẩn hóa và các điều kiện biên khơng phải là điều kiện thực.
Những nghiên cứu hoàn thiện vẫn đang được tiếp tục đối với cả hai phương pháp tính trên và ngày càng đưa chúng xích lại gần nhau hơn. Tuy nhiên, cho tới nay, để giải quyết các bài tốn về dịng chảy nói chung, người ta vẫn thiên về phương pháp thể tích hữu hạn.
Gần đây, sự phát triển của các phần mềm tính tốn chun dụng đã mở ra khả năng mới cho các nhà nghiên cứu khí động học ơ tơ để giải các bài toán ở mức độ phức tạp vừa phải. Chẳng hạn, Ansys Fluent cung cấp cơng cụ giải bài tốn khí động học ơ tơ bằng phương pháp thể tích hữu hạn. Đây là giải pháp tương đối đơn giản, nhưng rất hiệu quả cho các nghiên cứu ứng dụng khơng địi hỏi độ chính xác q cao. Trong các nghiên cứu chuyên sâu về lý thuyết, các nhà nghiên cứu thường phải sử dụng phương pháp lập trình trực tiếp cho bài tốn phần tử (hoặc thể tích) hữu hạn đầy đủ, có tính xác thực cao.
1.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện chủ yếu trong thiết bị chuyên dùng gọi là ống khí động. Hiện nay, các ống khí động đã tạo được điều kiện thử ngày càng gần với thực tế hơn: thử ơ tơ với kích thước thật, tạo được môi trường, điều kiện thử phong phú (thay đổi nhiệt độ, áp suất, tạo mưa, nắng, ...) và đặc biệt là các thiết bị đo hiện đại đã cho phép thực hiện những thí nghiệm với độ chính xác cao và mở rộng phạm vi nghiên cứu.
Ống khí động là thiết bị dùng trong nghiên cứu thực nghiệm khí động học ơ tơ. Nó là một ống khí với buồng thử có tiết diện được thu hẹp lại nhằm mục đích tăng vận tốc thử. Ơ tơ thí nghiệm (hoặc mẫu thử) được gắn trên một bàn đo, đặt trong buồng thử. Nếu ống khí động có kích thước đủ lớn thì người ta sử dụng vỏ xe thực để thí nghiệm. Cịn nếu ống có kích thước nhỏ thì thay cho xe thật là mẫu thử có hình dạng hồn tồn giống xe thật nhưng kích thước nhỏ hơn, tương thích với kích thước của buồng thử.
Buồng thử Xe (mẫu) thí nghiệm
Bàn đo 6 thành phần
Hình 1.25 Sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí động
Ống khí động được trang bị một quạt hút có cơng suất đủ lớn để tạo được vận tốc thử cần thiết với điều kiện có dịng chảy tương tự như khi ơ tơ chuyển động trong mơi trường khơng khí. Dịng khí đi qua vỏ xe thí nghiệm sẽ tạo nên các lực và mô men tác động lên thân xe. Các lực và mô men này được đo bằng nhiều phương pháp khác nhau. Ngày nay, phổ biến hơn cả là bàn đo 6 thành phần như mơ tả trên hình vẽ. Thiết bị đo gồm các cảm biến đo lực và mơ men, có khả năng đo được các lực và mô men theo cả 3 phương x, y và z.
1.3. Tổng quan về mô phỏng CFD và các ứng dụng công nghiệp
1.3.1. Tại sao lại cần đến mô phỏng CFD?
CFD (Computational Fluid Dynamics): Tính tốn động lực học chất lưu, các vấn đề về khí động học trong kỹ thuật, mơ phỏng tác động của dịng chảy nhiệt trong các q trình. Đây là một giải pháp được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực, nghiên cứu thực tiễn như: xây dựng các cơng trình đập thủy điện, thiết kế các hệ thống thơng gió, khảo sát khí tượng, cũng như thử nghiệm các phương tiện, khí tài quân sự-trinh sát, khảo sát các dịng chảy của vật liệu trong khn… Giúp đánh giá được những tác động của các yếu tố ngoại cảnh (thực tế) lên các đối tượng khảo sát. Do đó hiện nay CFD được sử dụng rất rộng rãi trên rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống.
Bảng 1.1 Một số nguyên nhân giải thích tại sao CFD được sử dụng rộng rãi?
Sự ưu việt của mô phỏng CFD Tiết kiệm thời gian
- Tốc độ tính tốn mơ phỏng đã và đang được cải thiện đáng kể
- Hệ thống tiêu chuẩn cho mơ phỏng CFD hồn thiện
- Sự hoàn thiện của lý thuyết mô phỏng CFD
- Rút ngắn thời gian khi giải quyết vấn đề bằng cách dùng mô phỏng để xác định nguyên nhân vấn đề
- Rút ngắn đáng kể q trình thiết kế và thương mại hóa sản phẩm bằng mô phỏng
- Nhiều tiềm năng ứng dụng trong kỉ nguyên internet vạn vật (loT) và kỹ thuật số song song (Digital Twin)
Tiết kiệm chi phí Tối ưu hố về phát triển bền vững
- Sử dụng ít thí nghiệm, thiết bị phân tích đo lường cho cơng việc nghiên cứu và thiết kế
- Giúp quá trình & thiết bị hoạt động hiệu quả, tiêu tốn ít nguyên vật liệu và năng lượng
- Giúp quá trình & thiết bị hoạt động hiệu quả và ổn định hơn, cho ra sản phẩm tốt hơn
- Giúp cải thiện tính an tồn và bảo vệ mơi trường
Nói riêng về ứng dụng của CFD trong lĩnh vực IoT thì gần đây nhiều tập đoàn lớn như General Electric, Azure, Siemens, IBM, Cisco, Oracle, QiO Technologies, Dassault Systems, ANSYS, hay Bosch đã sử dụng rộng rãi mô phỏng CFD kết hợp với IoT như một công cụ tạo ra lượng lớn dữ liệu (big data) cho các mơ hình máy học
(machine learning), qua đó tạo thành một ngành mới có tên là ngành kỹ thuật số song
song (Digital Twin).
1.3.2. Mơ phỏng CFD là gì?
Mơ phỏng CFD (cịn được gọi là Mơ phỏng động lực học dịng chảy) là một nhánh của cơ học chất lưu (fluid mechanics) sử dụng phương pháp số và cấu trúc dữ liệu nhằm phân tích và giải quyết các bài toán liên quan đến chuyển động của chất lưu. Kết quả mô phỏng thu được giúp ta hiểu sâu về bản chất của dịng chảy và các tác động của nó tới q trình khảo sát. Để thực hiện các mơ phỏng CFD thì chúng ta có thể sử dụng các phần mềm mô phỏng thương mại (commercial code) như FLUENT, CFX của Ansys, STAR-CCM+ của Siemens, hay các phần mềm mã nguồn mở (open- source code) như OpenFOAM.
Vào những năm 1922, Lewis Fry Richardson (1881-1953) đã đặt nền móng đầu tiên cho CFD. Tuy nhiên, mãi đến năm 1967 thì những mơ hình CFD 3 chiều (3D) đầu tiên cho mô phỏng cánh máy bay mới được cơng bố. Kể từ đó CFD được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu của NASA và Boeing. Nền móng cơ bản của hầu hết các vấn đề CFD đó là phương trình Navier-Stokes vốn dùng để định nghĩa các dịng chảy đơn pha (khí hoặc lỏng, nhưng khơng đồng thời khí và lỏng). Từ nền móng đó, bằng việc giả sử đơn giản hóa các thành phần của phương trình Navier-Stokes ta có các phương trình khác như phương trình Euler, dịng Stokes, dòng Fanno, dòng Rayleigh, v.v. Hoặc ngược lại, bằng việc bổ sung các khái niệm như “nhiệt độ hạt” – năng lượng dao
động của hạt rắn (granular temperature – solids fluctuating energy) thì các hệ đa pha khí-rắn được giải gần giống như dòng liên tục.
Cho đến ngày nay, các vấn đề cơ bản của CFD nếu phân loại theo dạng mơ hình tốn học thì bao gồm:
- Các dịng chảy cơ bản và dịng chảy rối bên trong và ngồi vật thể - Dòng phản ứng đốt cháy
- Dòng nén được - Truyền nhiệt
- Dịng đa pha có hạt phân tán trong pha liên tục - Dòng đa pha liên tục và bề mặt phân riêng pha
- Tương tác qua lại giữa dòng chảy và vật thể chịu tác động - Dòng đa cấu tử