Chương 3. ĐÁNH GIÁ LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM
3.5 Mô phỏng đặc tính khí động học của mô hình xe Sunny nguyên bản trên ANSYS FLUENT
3.5.1 Mô hình tính toán và các thông số
Mô hình trong mô phỏng là mô hình 3D với ô tô được chọn là cho tính toán là xe N I S S A N S U N N Y với các thông số như bảng sau 3.7 và kích thước mô hình thể hiện ở hình 3.8:
Bảng 3.6 Thông số xe SUNNY
Thứ tự Thông số Gía trị
1 Chiều dài toàn bộ (mm) 4425
2 Chiều rộng toàn bộ (mm) 1695
3 Chiều cao toàn bộ (mm) 1500
4 Chiều dài cơ sở (mm) 2590
5 Hệ số cản khi động học Cd 0.31
6 Góc cơ động phía trước (độ) 17
7 Góc cơ động phía sau (độ) 11
Hình 3.8 Mặt cắt mô hình xe SUNNY thu nhỏ dùng mô phỏng
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 45
Để mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô tô ta sử dụng gói Fluid Flow (Fluent) trong môi trường Workbench của Ansys fluent và phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình là Catia V5R21.
Trình tự tính toán tổng quan như trên hình 3.9
. Hình 3.9 Trình tự mô phỏng động lực học trong Fluid Flow (Fluent)
Bước 1 (Geometry): Xây dựng mô hình trên Catia sau đó đưa vào Workbench thực hiện mô phỏng.
Bước 2 (Meshing): Chia lưới mô hình.
Bước 3 (Setup): Chọn mô hình tính toán, thiết lập khai báo điều kiện biên trong Fluent.
Bước 4 (Solution): Thực hiện thiết lập và tính toán trong Fluent.
Bước 5 (Results): Kết xuất kết quả trong CFD-Post.
3.5.1.1 Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu của bài toán mô phỏng
Khi thực hiện mô phỏng, để phù hợp với khả năng tính toán của máy tính nhưng vẫn đảm bảo được tính đúng đắn, độ tin cậy và sự tương thích của bài toán nghiên cứu với thực tế, Đồ án sử dụng các giả thiết sau đây:
- Mô hình vỏ xe là tuyệt đối cứng, không xảy ra sự biến dạng của vỏ xe trong suốt quá trình mô phỏng.
- Bỏ qua quá trình trao đổi nhiệt giữa vỏ xe và không khí.
- Bề mặt vỏ xe là bề mặt nhẵn, gầm xe được bọc phẳng (không xét đến các yếu tố khác của xe như cần gạt mưa, các gân, gờ, khe rãnh, hốc bánh xe, ăng ten, tay nắm cửa,…).
- Vận tốc dòng khí tại đầu vào của không gian mô phỏng có hướng song song với trục dọc của xe, thổi theo hướng từ đầu xe tới đuôi xe và có giá trị không đổi trong quá trình mô phỏng (vkk = const).
- Vận tốc không khí tại bề mặt vỏ xe và bề mặt giới hạn của vùng không gian mô phỏng bằng 0 [m/s].
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 46
3.5.1.2 Thiết lập các thông số và tiến hành mô phỏng bài toán trên ansys fluent
❖ Chọn chế độ 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 ổn định theo thời gian Steady trong hộp thoại General của Fluent như trong hình 3.10
Hình 3.10 Chế độ mô phỏng
❖ Chọn mô hình mô phỏng và thiết lập cài đặt để xuất dữ liệu hệ số cản Trong phần Viscous model lựa chọn mô hình rối Transition SST với những thiết lập mặc định như trong hình 3.11.
Hình 3.11 Mô hình mô phỏng
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 47
❖ Chọn dạng vật chất khảo sát
Trong phần Materials chọn khí lý tưởng (air) là dạng vật chất khảo sát với những giá trị mặc định.
❖ Thiết lập các điều kiện biên
Điều kiện biên vào (Inlet-velocity):
Vận tốc vào v = 22 [m/s] = 80 [ km/h].
Cường độ rối I = 5 [%].
Chiều dài đặc trưng rối L = 1 [m].
Điều kiện biên ra (Outlet-pressure):
Áp suất ra p = 0 [Pa].
Cường độ rối I = 5 [%].
Chiều dài đặc trưng rối L = 1 [m].
❖ Thiết lập phương pháp giải
Trong phần Solution methods tiến hành thiết lập các bộ giải và thuật toán giải như đã phân tích và được thể hiện trong hình 3.12
Hình 3.12 Thiết lập phương pháp giải
❖ Thiết lập phương pháp giải và chạy chương trình mô phỏng bài toán Trong phần Run Calculation ta tiến hành thiết lập các thông số để giải bài toán được thể hiện trong hình 3.13 với số lần tính là 1000 lần.
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 48
Hình 3.13 Cài đặt thông số tính toán
Sau khi cài đặt hoàn tất, sinh viên tiến hành cho chạy bài toán mô phỏng và phân tích các kết quả đạt được sau khi quá trình giải bài toán kết thúc.
3.5.2 Kết quả mô phỏng trên xe nguyên bản
Cho chương trình chạy với 5000 lần lặp.Bài toán sẽ ổn định với hệ số cản Cd
= 0.37
Hình 3.14 Hệ số cản Cd của ô tô khi chạy với vận tốc 22m/s
Nhìn vào biểu đồ phân bố áp suất thì phần mặt cản chính diện của ô tô luôn là vị trí có áp suất lớn nhất, tiếp đó và vùng tiếp giáp của nắp ca bô xe và kính chắn gió phía trước, chính những vùng có áp suất này ngăn cản ô tô chuyển động về phía trước. Hơn
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 49
nữa, sự chênh lệch áp suất ở phía trước và phía sau cũng thể hiện trên hình vẽ 3.15. Phân bố vùng áp suất cao nằm cách đuôi xe một khoảng cách xa và có hai khu vực rõ rệt, phần áp suất thấp lại lại ngay đuôi xe.
Hình 3.15 Phân bố áp suất lên miền tính toán ở vận tốc 22 m/s
Hình 3.16 Vận tốc dòng không khí phía sau đuôi xe.
Hình 3.16 thể hiện rõ cường độ xoáy của dòng không khí phía sau đuôi xe.Dòng không khí khi ra khỏi đuôi xe sẽ có hiện tượng tách dòng khí, do phần đuôi xe bị kết thúc đột ngột, hoặc một phần do sự tách thành lớp biên xảy ra trước đó, áp suất tại điểm
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 50
tách rời sẽ giảm xuống, làm cho một số dòng khí không đi ra phía sau mà ngược lại lại có hướng xoáy vào đuôi xe, khi đi vào đuôi xe bị chặn lại. Chính những dòng không khí này đã làm cho ô tô luôn có xu hướng bị kéo về phía sau.
Hình 3.17 Hiện tượng tách dòng không khí
Hiện tượng tách rời lớp biên được thể hiện ở hình 3.17. Điểm bắt đầu tách rời lớp biên là phần tiếp giáp ở trần xe và đuôi xe, biên dạng ô tô ở khu vực này có dạng tiếp tuyến nên các dòng khí tách ra ít. Tại vị trí biên dạng đuôi xe thay đổi đột ngột thì hiện tượng tác dòng khí này thể hiện càng rõ rệt.
Khi ô tô vận hành trên đường thì luồng không khí thứ nhất sẽ đi từ mũi xe lên phía trần xe và kéo dài phía sau đuôi xe, luồng không khí thứ hai sẽ đi xuống phía dưới gầm xe và ra sau đuôi xe. Hai dòng không khí này sẽ gặp nhau ở phía đuôi xe và tạo thành hiện tượng xoáy làm cho ô tô luôn có xu hướng bị kéo về phía sau, làm tăng hệ số lực cản Cd.
Từ các kết quả mô phỏng, chúng ta có thể nhận thấy rằng một trong những vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính khí động học của xe ô tô (lực cản, lực nâng), chính là sự tách thành lớp biên, cũng như sự hình thành các xoáy phía sau đuôi xe. Chính vì vậy, trong thiết kế ô tô thì các nhà thiết kế luôn luôn chú ý đến điều này. Để giảm sự xoáy phía sau ô tô thì có rất nhiều phương án nhưng một số phương án để giảm lực cản Cd tốt nhất là lắp thêm bộ tạo xoáy cho ô tô, thay đổi góc cơ động phía trước và sau của ô tô và tăng góc phía sau đuôi xe để hướng dòng không khí khi ra khỏi đuôi xe đi thẳng về phía sau xa dọc theo chiều dài của xe, hạn chế tồn tại vùng xoáy sau đuôi. Phần sau của chương này sẽ trình bày các kết quả mô phỏng dành cho các mô hình xe đã thực hiện các bước cải tiến như đã nêu trên.
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 51