Trên hình 1.9 mơ tả ảnh hưởng của hình dạng đi xe tới hệ số lực cản khơng khí (CD) cho một số dạng kết cấu cụ thể. Hình 1.9a cho thấy, nếu bố trí góc nghiêng của tấm vỏ đi xe khơng hợp lý thì có thể làm tăng hệ số cản. Điều này là rất đáng quan tâm đối với ơ tơ khách, vì nó có dạng đi tương tự như mơ tả trên hình. Đa số các loại ơ tơ con có cấu tạo phần đi như trên hình 1.9b. Có thể thấy rằng, nếu tạo dáng tốt thì sẽ giảm được đáng kể lực cản khí động lực học.
1.1.4. Nguồn gốc của lực cản
Lực cản thường xuất hiện ở các vị trí phần đầu, kính chắn gió, cột A, đi, gầm, nóc, bánh xe…
a) Phần đầu
Phần đầu ơ tơ có thể xem như một khối vng. Dịng khơng khí xung quanh khối này được mơ tả trên hình 1.10. Để đơn giản, dịng khơng khí làm mát đi vào ơ tơ được giả thiết là bị chặn lại.
Hình 1.11 Sự phân bố áp lực phía trước ơ tơ
Điểm tách dịng được tạo ra trên bề mặt thẳng đứng phía trước. Vì khơng khí phía trước ơ tơ có xu hướng chạy lên trên và qua hai bên sườn xe hơn là chảy qua gầm nên nó cùng phương với phương chuyển động của ơ tơ. Dịng chảy bị lệch đáng kể tại nút giao giữa mặt trước, capo và chắn bùn. Nếu khơng có các biện pháp đặc biệt, dòng chảy này sẽ gây ra sự tách dòng, với kết quả là sự phân bố áp lực gần các cạnh trước của capo và chắn bùn ít hơn so với dịng lý tưởng (hình 1.11). Do đó áp lực dòng chảy ở phần đầu xe lớn hơn ở dòng chảy lý tưởng và một thành phần của lực cản được tạo ra. Hình dạng của phần đầu ơ tơ cũng ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản. Điều này được thể hện trên hình 1.12
Để ngăn sự tách dịng xảy ra trong thực tế do độ lệch khác nhau từ hình dạng ban đầu. Trong mặt cắt dọc, các thông số cần quan tâm là độ dốc của mui xe, độ dốc của capo và bán kính góc lớn với capo. Trong hình chiếu đứng là độ cơn và bán kính. Nếu bán kính cạnh phía trước tăng lên, lực cản của các thành phần liên quan sẽ giảm nhanh. Sau đó, khi đạt đến một giá trị nào đó, lực cản khơng đổi, sự tách dịng khơng còn xảy ra và dòng chảy thực tế gần với dịng chảy lý tưởng. Điều này có nghĩa là việc bo trịn các cạnh trước có tác dụng ngăn sự tách dịng qua đó giảm thiểu sự đóng góp của phần thân phía trước đối với lực cản.
Tham số hình học thứ hai cần quan tâm là góc nghiêng của mui xe. Tác dụng của độ nghiêng trên mui xe đối với lực cản cũng chịu ảnh hưởng bão hịa, khơng có sự giảm lực cản khi giảm độ nghiêng.
Tham số thứ ba là góc nghiêng của mặt trước, ảnh hưởng của nó đối với lực cản được trình bày trong hình 1.13. Trong thực tế, ảnh hưởng này là nhỏ có thể do sử dụng bán kính góc trước lớn.
Hình 1.13 Ảnh hưởng của lực cản đến góc nghiêng của mặt trước
b) Kính chắn gió và cột A
Sơ đồ của dịng chảy xung quanh kính chắn gió được hiển thị trong hình 1.14. Sự tách dịng xuất hiện ở ba vị trí khác nhau.
Những nhân tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản trên kính chắn gió được làm rõ trong hình 2.10. Hai trong số chúng, độ đảo và bán kính cột A đã được phân tích chi tiết hơn. Bán kính cột A khơng chỉ liên quan đến lực cản mà cịn liên quan đến tiếng ồn gió.
Khi tăng góc nghiêng kính chắn gió, lực cản sẽ giảm nhưng khơng nhiều. Với các góc nghiêng lớn δ > 60 gần như khơng có sự cải thiện về lực cản. Ngồi ra khi kính chắn gió có góc nghiêng lớn sẽ gây ra một số vấn đề liên quan đến khả năng quan sát và nhiệt độ cao trong buồng lái.
Hình 1.15 Các nhân tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản trên kính chắn gióGóc nghiêng kính chắn gió ảnh hưởng gián tiếp đến lực cản. Góc nghiêng lớn tạo Góc nghiêng kính chắn gió ảnh hưởng gián tiếp đến lực cản. Góc nghiêng lớn tạo ra ít áp lực ngược hơn ở phần tiếp xúc với nóc. Ngồi ra khi góc nghiêng kính lớn hơn, khơng khí bị đẩy ra phía cột A sẽ ít hơn và vì vậy dịng xốy tạo ra sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn.
c) Trần xe
Trần xe cũng là phần chịu tác động của lực cản, Hệ số cản có thể giảm bằng cách làm tăng độ cong của trần xe theo chiều dọc. Tuy nhiên nếu độ cong quá lớn thì hệ số cản Cd lại có thể tăng. Những ảnh hưởng thuận lợi của sự tạo vòm phụ thuộc vào sự duy trì đủ độ lớn bán kính cong tại vị trí giữa kính chắn gió phía trước với trần xe và giữa trần xe với kính chắn gió phía sau. Vì vậy các áp lực ngược tại các vị trí này khơng lớn và độ chênh lệch áp suất tương ứng nhỏ.
Tuy nhiên khi thiết kế độ cong của trần xe phải đảm bảo diện tích mặt trước của chiếc xe khơng đổi, nếu không lực cản sẽ tăng mặc dù đã giảm hệ số cản Cd.
d) Gầm xe
Mặt dưới của hầu hết các gầm xe đều là các mặt nhám. Thực tế là một gầm xe nhẵn làm giảm lực cản một cách đáng kể. Tuy nhiên sự thay đổi này sẽ phức tạp và khó thưc hiện.
e) Lực cản từ dịng khơng khí qua một chiếc xe.
Trong ơ tơ có một vài đường ống dẫn khí để dẫn khơng khí đến bộ tản nhiệt cho nước làm mát, ngồi ra khơng khí cịn được cung cấp đến động cơ để đốt cháy nhiên liệu. Khơng khí sạch cần được đưa vào khoang hành khách và thoát ra ngồi, phần lực tổn thất do dịng chảy đi qua những ống dẫn riêng biệt sẽ tạo ra lực cản. Tuy nhiên với ô tô chỉ các lực cản phụ gây ra bởi dịng khơng khí đi qua bộ tản nhiệt là đáng kể. Sự đóng góp của các ống dẫn bên trong đối với lực cản là rất nhỏ.
Hình 1.17 Dịng khơng khí đi qua bộ tản nhiệt
Các lực tạo ra bởi dịng khơng khí làm mát được tính tốn dựa trên các định luật bảo tồn. Nếu khơng khí làm mát được đẩy lên phía trên, nó sẽ tạo ra áp lực ngược. Vì lí do đó mà loại ống dẫn khơng khí này thường được dùng trên xe đua.
Lực cản tổng hợp tổng cộng do luồng khơng khí làm mát bao gồm hai thành phần: - Sự tổn thất áp lực bên trong ống dẫn khơng khí làm mát
- Lực cản giao thoa. Khơng khí đi qua một chiếc xe có thể làm thay đổi luồng khơng khí xung quanh thân của nó, do đó tác động đến lực cản bên ngồi. Thơng thường sự giao thoa lực cản là tích cực, tuy nhiên trong một số trường hợp nó lại có ảnh hưởng tiêu cực. Luồng khơng khí làm mát chủ yếu thay đổi dịng chảy bên dưới một chiếc xe. Góc lắc ngang ở trước bánh xe tăng lên, do đó lực cản của các bánh xe tăng. Để làm chậm quá trình tăng của lực cản này, các nhà thiết kế đã tạo ra các lối thốt cho khơng khí ở bên sườn xe.
Hình 1.18 Một số dạng ống dẫn khơng khí làm mát
Tuy nhiên, trong thực tế hai thành phần của lực cản thường không tách biệt nhau. Tổng của cả hai thành phần được xác định bằng phép đo sự khác biệt trong lực cản giữa các hình dạng với các cửa hút và đóng luồng khơng khí làm mát đi vào.
Hình 1.18 đưa ra một vài dạng của ống dẫn khơng khí làm mát và chỉ ra ảnh hưởng của chúng đối với lực cản khơng khí làm mát. Mục tiêu của sự khảo sát này là đạt được lượng khơng khí làm mát lớn nhất, biểu hiện như vận tốc vR ở két làm mát với lực cản phụ nhỏ nhất. Sự tối ưu này đạt được với biển thể C. Trong biến thể này,
hầu như các vận tốc tương tự vR thì đạt được như trong phiên bản tiêu chuẩn A, nhưng lực cản khơng khí làm mát được giảm 1/2. Phiên bản C chỉ dành cho xe đua, không áp dụng cho các xe thông thường, bởi vì khơng khí làm mát được làm nóng sẽ đi vào cửa nạp khơng khí sạch của khoang hành khác ở phía trước kính chắn gió.
1.1.5. Sự phát triển hình dạng thân xe
Sự phát triển của bất kỳ một thiết bị kỹ thuật nào thường được thực hiện qua hai giai đoạn:
- Giai đoạn thứ nhất là thiết kế tính tốn, tiếp theo là quá trình thử nghiệm. - Giai đoạn thứ hai là chỉnh sửa.
Quá trình này thường được lặp lại nhiều lần. Với các máy móc phức tạp như động cơ tuốc bin hoặc máy bay quá trình lặp lại này bắt đầu với các chi tiết và kết thúc với sản phẩm hồn thiện. Tuy nhiên việc thiết kế khí động học ơ tơ khơng thể thực hiện theo quá trình này. Lý do thứ nhất là không thể phân chia thân xe thành các phần nhỏ. Lý do thứ hai là dịng khơng khí xung quanh ơ tơ vẫn chưa thể được tính tốn một cách chính xác. Q trình hình thành một thân dạng khí động học là thực nghiệm. Với mục tiêu này, các chiến lược đã được đưa ra để nhanh chóng thực hiện được q trình tối ưu. Các chiến lược này phù hợp với quá trình thiết kế. Các quá trình tối ưu gồm có tối ưu hóa chi tiết và tối ưu hóa hình dạng.
a) Tối ưu hóa chi tiết.
Đa số các kết quả kiểm tra được thảo luận gần đây có thể được phân hạng bởi 3 hàm đặc trưng. Các hàm này liên kết hệ số cản Cd với vectơ ri mơ tả hình dạng các yếu tố riêng lẻ chẳng hạn như định nghĩa cấu hình của chúng. Các vectơ ri này có thể là bán kính, chiều cao hoặc chiều dài… Có 3 loại hàm tồn tại:
- Hàm bão hịa: Một đường cong điển hình được thấy trong trường hợp bo tròn một cạnh.
- Hàm nhảy: Loại này xuất hiện khi dòng chảy thay đổi đột ngột từ dạng này sang dạng khác, chẳng hạn khi thay đổi trạng thái dịng chảy từ một chiếc đi lướt sang một chiếc đuôi vuông.
- Hàm nhỏ nhất: Loại này luôn xuất hiện khi lực cản được tạo thành từ hai thành phần có ảnh hưởng ngược chiều. Một ví dụ điển hình của hàm này là chiều cao của tấm chắn phía trước.
Hình 1.19 Sự biểu diễn các hàm đặc trưng
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 không 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 vng 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 ơ 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 quá 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 ô tô: 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 vơ cùng phức tạp, đặc biệt là trong trường hợp dòng chảy rối. Bởi vậy, người ta thường phải giải các phương trình