CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.2. Khí động học của ô tô
1.2.2. Lực cản không khí
Lực cản của không khí có thể phân tích thành 2 thành phần: cản do ma sát Fms và cản do chênh áp Fca, do vậy Cd cũng được chia thành hai thành phần tương ứng:
Cd =Cms+Cca (1.5)
Nếu như thành phần cản do ma sát phụ thuộc chủ yếu vào độ nhám bề mặt của vỏ xe thì thành phần cản do chênh áp lại phức tạp hơn rất nhiều. Nó phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng khí động học của vật cản. Hình 1.7 mô tả dòng khí với vận tốc U∞ và áp suất p∞ chảy quanh một vật cản. Có thể nhận thấy rằng, ban đầu dòng chảy ôm lấy vật và được coi là bám vào nó cho tới điểm A. Tới đây, dòng chảy tách khỏi vật làm xuất hiện một vùng xoáy phía sau nó, vùng xoáy này có áp suất p2 rất thấp (thường là chân không), trong khi phía trước của vật lại chịu áp suất p1 lớn, do vậy sinh ra độ chênh áp: ∆p = p1- p2
Hình 1.7- Sự hình thành vùng xoáy áp thấp phía sau vật cản
Như vậy có thể viết: Fx =Fms+ A p. (1.6)
Trong đó A.∆p = Fca là thành phần lực cản do chênh áp. Lực này phụ thuộc chủ yếu vào độ chênh áp và diện tích của vùng xoáy. Phạm vi của vùng xoáy được xác định bởi điểm tách dòng (điểm A trên hình 1.7). Đây là điểm mà dòng chảy bắt đầu tách khỏi vật cản và là khởi đầu của vùng xoáy. Các đề tài cho thấy, trong một môi trường xác định (có độ nhớt xác định) vị trí của điểm A phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố: vận tốc dòng chảy và hình dạng của vật cản.
Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản trên dòng xe du lịch ( Honda City ) bằng phần mềm Ansys - Fluent
SVTH: Lê Sĩ Quân GVHD: ThS. Nguyễn Quang Trung 12
Vận tốc của dòng chảy mà càng lớn thì điểm A càng dịch về phía trước làm diện tích vùng xoáy sẽ tăng lên và ngược lại. Nếu hình dạng của vật cản là lý tưởng về mặt khí động học thì điểm A gần như không tồn tại mà dòng chảy sẽ bao kín vật cản như thể hiện trờn hỡnh 1.8a. Trong trường hợp này cú thể coi: Fca ằ 0, hay: Fx Fms
a)- Fx ≈ Fms b)- F >> Fms
Hình 1.8- Ảnh hưởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xoáy
Tuy nhiên, trên thực tế phần lớn các vật (trong đó có các vỏ xe ô tô) có hình dạng khí động không thể là lý tưởng. Khi đó, tương quan giữa các thành phần Fms và Fca hoàn toàn phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật. Trên hình 1.8 thể hiện sự tạo thành vùng xoáy tuỳ theo hình dạng khí động học của vật cản. Hình 1.8a là trường hợp vật có dạng khí động lý tưởng nên không tạo vùng xoáy và thành phần cản do chênh áp rất nhỏ. Hình 1.8b thể hiện trường hợp vật có dạng khí động xấu, ở đây lực cản do chênh áp Fca chiếm tỷ lệ lớn trong Fx.
Như vậy, để giảm Cd đồng nghĩa với việc cải thiện hình dạng khí động học của ô tô.
Quá trình hoàn thiện dạng khí động học vỏ xe ô tô con theo lịch sử phát triển được mô tả trên hình 1.9 . Có thể nhận thấy rằng, trong giai đoạn trước năm 1930 với những chiếc ô tô có hình dáng giống xe ngựa cổ xưa, hệ số cản (trên hình ký hiệu là Cw) rất lớn (0,65
÷ 1,0). Sau đó, vào những năm 1970, hệ số này giảm xuống gần giá trị 0,4 và ngày nay nó chỉ còn là 0,28 ÷ 0,32 và một số loại xe đã có thể đạt được Cd = 0,25 ÷ 0,27 . Tuy nhiên, sau năm 2000, khi những chiếc ô tô gần như đã hoàn thiện về hình dạng khí động học thì việc giảm được dù chỉ 0,01 trong Cd ngày càng trở nên khó khăn hơn, nó đòi hỏi phải có đề tài toàn diện hơn, sâu sắc hơn, trang thiết bị thử nghiệm hiện đại hơn với những chi phí cao hơn rất nhiều. Vì vậy, trong giai đoạn này, đồ thị mô tả Cd theo thời gian gần như nằm ngang.
Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản trên dòng xe du lịch ( Honda City ) bằng phần mềm Ansys - Fluent
SVTH: Lê Sĩ Quân GVHD: ThS. Nguyễn Quang Trung 13
Trong tự nhiên, vật có hình dạng khí động học lý tưởng chính là giọt nước rơi trong không khí. Nếu những chiếc ô tô cũng có hình dạng như vậy thì lực cản khí động là nhỏ nhất. Trên phần dưới của hình 1.9 mô tả một số dạng vỏ xe có hệ số cản nhỏ hơn 0,2 và thậm chí có thể đạt giá trị 0,1. Tuy nhiên, những chiếc xe với kiểu dáng như vậy khó có thể đáp ứng được thị hiếu của người tiêu dùng hiện nay nên không thể xuất hiện phổ biến được. Người ta thường chỉ gặp các dạng vỏ xe như vậy trên các đường đua.
Hình 1.9 Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cản [6]
1.3. TÌNH HÌNH ĐỀ TÀI KHÍ ĐỘNG HỌC Ô TÔ
Hiện nay, trong lĩnh vực khí động học ô tô thường sử dụng hai phương pháp đề tài khí động học ô tô: phương pháp đề tài lý thuyết và phương pháp đề tài thực nghiệm.
1.3.1 Đề tài lý thuyết
Đề tài lý thuyết dựa trên những phương pháp mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh ô tô dựa trên phương trình Navier - Stokes . Đây là một bài toán hết sức phức tạp và vẫn đang là mối quan tâm hàng đầu của những nhà đề tài 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 đề tài tập trung vào việc xây dựng các mô hình đơn giản hóa và các phương pháp giải gần đúng với sự trợ giúp của máy tính. Ngày nay, công cụ phổ biến hơn cả trong việc giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng của bài toán khí động học ô tô là phương pháp số.
Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản trên dòng xe du lịch ( Honda City ) bằng phần mềm Ansys - Fluent
SVTH: Lê Sĩ Quân GVHD: ThS. Nguyễn Quang Trung 14
Hình 1.10- Lịch sử phát triển của các mô hình tính toán khí động học [7]
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 không 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 không 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 [7] cho thấy, mức độ phức tạp của bài toán 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 ô tô có mức độ phức tạp kết cấu trung bình, thì từ 1980 trở về trước bài toán khí động học được giải dưới dạng phương trình Ơ le bằng phương pháp sai phân hữu hạn. Từ 1990 đến nay, các nhà đề tài khí động học ô tô giải quyết bài toán khí động học dưới dạng phương trình Reynolds trung bình hóa. Phương pháp này cũng sẽ được sử dụng trong đò án để giải bài toán khí động học vỏ xe ô tô du lịch.
Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản trên dòng xe du lịch ( Honda City ) bằng phần mềm Ansys - Fluent
SVTH: Lê Sĩ Quân GVHD: ThS. Nguyễn Quang Trung 15
Khó khăn trong việc giải bài toán khí động học bằng phương pháp số không nằm ở các vấn đề lý thuyết mà chủ yếu là do khối lượng tính toán. Để giải bài toán với yêu cầu độ chính xác cao cần có mô hình chính xác, chia lưới với bước nhỏ, số lượng phần tử lớn nên đòi hỏi khối lượng các phép tính và thời gian tính toán rất lớn. Chẳng hạn, vào giữa những năm 1990, để giải bài toán khí động học ô tô với độ chính xác cao [8] 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 toán khí động học ô tô. Tuy nhiên, nó vẫn là bài toán khó đòi hỏi thời gian tính toán rất lớn, đặc biệt là trong điều kiện không 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 mô tả dòng chảy khí động đều dựa trên việc mô tả vỏ xe trong không gian (chia lưới miền cần tính toán) và trong thời gian: tại mỗi điểm trên lưới, người ta tính toán các thông số của dòng chảy cho mỗi bước thời gian.
Hiện nay, được sử dụng rộng rãi hơn cả trong tính toán 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 [8].
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: đòi hỏi phải có bộ nhớ lớn; thời gian tính toán rất dài; chia lưới phức tạp trong vùng lớp biên;
xây dựng mô hình tương đối khó.
Phương pháp thể tích hữu hạn có những ưu điểm: đòi hỏi bộ nhớ ít hơn; xây dựng mô hình đơn giản hơn; thời gian tính toán ngắn hơn so với phương pháp phần tử hữu hạn. Nhược điểm của phương pháp này là: việc tạo lưới không được chuẩn hóa và các điều kiện biên không phải là điều kiện thực.
Những đề tài 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 toán về dòng chảy nói chung, người ta vẫn thiên về phương pháp thể tích hữu hạn.
Gần đây, sự phát triển của các phần mềm tính toán chuyên dụng đã mở ra khả năng mới cho các nhà đề tài khí động học ô tô để giải các bài toán ở mức độ phức tạp vừa phải. Chẳng hạn, Fluent (ANSYS) cung cấp công cụ giải bài toán khí động học ô tô bằng phương pháp thể tích hữu hạn. Đây là giải pháp tương đối đơn giản, nhưng rất hiệu quả cho các đề tài ứng dụng không đòi hỏi độ chính xác quá cao. Trong các đề tài chuyên
Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản trên dòng xe du lịch ( Honda City ) bằng phần mềm Ansys - Fluent
SVTH: Lê Sĩ Quân GVHD: ThS. Nguyễn Quang Trung 16
sâu về lý thuyết, các nhà đề tài thường phải sử dụng phương pháp lập trình trực tiếp cho bài toán phần tử (hoặc thể tích) hữu hạn đầy đủ, có tính xác thực cao.
1.3.2. Đề tài thực nghiệm
Đề tài 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 ô tô 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 đề tài.
Ống khí động (hình 1.11) là thiết bị dùng trong đề tài thực nghiệm khí động học ô tô. Nó là một ống khí với buồng thử có tiết diện được thu hẹp lại nhằm mục đích tăng vận tốc thử. Ô tô 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. Còn nếu ống có kích thước nhỏ thì thay cho xe thật là mẫu thử có hình dạng hoàn toàn giống xe thật nhưng kích thước nhỏ hơn, tương thích với kích thước của buồng thử.
Hình 1.11- Sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí động
Ống khí động được trang bị một quạt hút có công suất đủ lớn để tạo được vận tốc thử cần thiết với điều kiện có dòng chảy tương tự như khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí. Dòng 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 mô tả trên hình vẽ. Thiết bị đo
Đánh giá ảnh hưởng biên dạng thân xe đến lực cản trên dòng xe du lịch ( Honda City ) bằng phần mềm Ansys - Fluent
SVTH: Lê Sĩ Quân GVHD: ThS. Nguyễn Quang Trung 17
gồm các cảm biến đo lực và mô men, có khả năng đo được các lực và mô men theo cả 3 phương x, y và z.
Để đảm bảo điều kiện thử nghiệm tương thích với điều kiện thực tế, ống khí động phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau :
• Dòng khí trong khoang thử phải là dòng chảy tầng;
• Sai lệch vận tốc so với vận tốc ổn định không vượt quá ≤ 0,5%:
(1.7)
• Sai lệch về hướng của vận tốc theo các phương dọc và thẳng đứng không được vượt quá ± 0,5o;
• Hệ số độ rối không vượt quá 0,5%:
(1.8) Trong đó: u là vận tốc trung bình của dòng rối.