Chương 3. ĐÁNH GIÁ LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM
3.2 Tính toán xác định vùng không gian mô phỏng
Vùng không gian mô phỏng là vùng không gian bao quanh vật thể, được giới hạn trong quá trình mô phỏng. Việc lựa chọn các kích thước của vùng không gian này được thực hiện sao cho bài toán mô phỏng sát với điều kiện vận hành thực tế nhằm đạt được kết quả có độ chính xác và độ tin cậy cao đồng thời khối lượng tính toán (nhu cầu về dung lượng bộ nhớ, cấu hình máy tính, thời gian tính toán, …) là tối thiểu.
Trong tự nhiên, không khí chuyển động quanh vật thể đứng yên hoặc vật thể chuyển động và đương nhiên, vùng không gian quanh vật thể đó sẽ có giới hạn ở vô cùng (hay nói cách khác là không có giới hạn). Khi mô phỏng trên máy tính, ta không thể lựa chọn một vùng không gian có giới hạn ở vô cùng để thực hiện tính toán vì sẽ không có máy tính nào đủ mạnh để có thể thực hiện được điều này (cấu hình, bộ nhớ đệm của máy tính là hữu hạn).
Trên thực tế, vùng không khí bao quanh vật thể chịu sự nhiễu động với các vùng chảy rối, vùng chảy tầng,… phân bố một cách ngẫu nhiên. Nhưng càng xa vật thể thì không khí chuyển động càng ổn định hơn và đến một khoảng cách nào đó đủ lớn thì có thể xem như dòng chuyển động của không khí là dòng chảy tầng và không chịu ảnh hưởng của vật thể cũng như chuyển động của nó. Đây chính là cơ sở để xác định kích thước của vùng không gian mô phỏng. Nghĩa là, vùng không gian mô phỏng được giới hạn bởi các mặt phẳng mà ở đó dòng chảy không khí là dòng chảy tầng và không chịu ảnh hưởng của vật thể cũng như chuyển động của nó.
Tuy nhiên, cũng không thể lựa chọn một vùng không gian quá lớn để thực hiện mô phỏng vì sẽ dẫn đến lãng phí tài nguyên của máy tính, tăng thời gian mô phỏng mà độ chính xác, hiệu quả mô phỏng không được cải thiện thêm nhiều. Bởi vậy, cần
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 34
phải xác định được các kích thước nhỏ nhất của vùng không gian giới hạn bao quanh vật thể để thực hiện mô phỏng sao cho nó không ảnh hưởng tới kết quả tính toán.
Vì vậy, khi bắt đầu thực hiện mô phỏng, xác định kích thước của vùng không gian mô phỏng này thực sự là một khó khăn. Tuy nhiên, với kích thước mô hình vỏ xe ô tô du lịch và đặc điểm của dòng khí bao quanh vỏ xe, theo kinh nghiệm mô phỏng được đưa ra trong tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm ANSYS-FLUENT [4], vùng không gian bao quanh vỏ xe ban đầu được lựa chọn để mô phỏng khảo nghiệm là hình hộp chữ nhật có các kích thước trong khoảng xác định trên hình 3.2 và 3.3
Hình 3.2 Hình chiếu bằng kích thước mô phỏng
Hình 3.3 Hình chiếu đứng kích thước mô phỏng Trong đó: a là chiều rộng của xe
b là chiều dài xe h là chiều cao của xe
Chiều dài vùng không gian mô phỏng phía trước đầu xe tính từ đầu xe có độ lớn gấp 5 lần chiều dài toàn bộ của xe và chiều dài vùng không gian mô phỏng phía sau đuôi xe tính từ điểm cuối đuôi xe có độ lớn gấp 10 lần chiều dài toàn bộ của xe.
Chiều dài phía trước miền tính toán phải đủ cho lượng không khí đi vào nhằm tạo áp suất cao, phía sau mô hình thì chiều dài phải đủ lớn để dòng không khí thoát ra và có thể tạo xoáy lốc hoặc tạo các vệt hút ở phía sau đuôi ô tô như ô tô di chuyển thực tế trên đường.
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 35
Miền giới hạn tính toán mô phỏng được giới hạn trong không gian ống tunnel giả định tạo thành bởi hình hộp có các kích thước lần lượt như sau:
- Chiều rộng vùng không gian mô phỏng có độ lớn:
11.B = 11.60 = 660 [mm] = 0,66 [m]
Chiều cao vùng không gian mô phỏng có độ lớn:
6.H +15 = 6.50+15= 315 [mm] = 0,315 [m]
Chiều dài vùng không gian mô phỏng có độ lớn:
16.L = 16.150 = 2400 [mm] = 2,4 [m].
- Chiều dài vùng không gian mô phỏng phía trước tính từ đầu xe có độ lớn:
5.L = 5.150 = 750 [mm] = 0,75 [m].
- Chiều dài vùng không gian mô phỏng phía sau tính từ đuôi xe có độ lớn:
10.L = 10.150 = 1500 [mm] = 1,5 [m].
Để đánh giá mức độ chính xác của việc lựa chọn vùng không gian mô phỏng FLUENT đưa ra tiêu chí cụ thể là: trong quá trình chạy mô hình để giải bài toán không có hiện tượng dòng chảy ngược, tức là dòng vào vùng không gian mô phỏng - inlet bị xoáy ngược ra hoặc dòng ra khỏi vùng không gian mô phỏng - outlet bị quay ngược vào được thể hiện trên hình 3.4.
Hình 3.4 Một số dạng dòng chảy ngược
Cách thức để lựa chọn vùng không gian mô phỏng hợp lý là quan sát các trường vận tốc để xác định độ mượt của dòng, giới hạn không gian các xoáy để từ đó thu nhỏ không gian mô phỏng. So sánh kết quả tính toán cho không gian mô phỏng ban đầu và không gian đã thu nhỏ phải có sự sai khác là tối thiểu.
Để xác định vùng không gian mô phỏng, dòng chảy ngược được coi là tiêu chí then chốt và cũng dễ xác định nhất. Trong quá trình tính toán, nếu xuất hiện dòng chảy ngược gây ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng, ANSYS FLUENT sẽ tự động đưa ra cảnh báo. Khi đó người lập trình buộc phải tiến hành lựa chọn lại vùng không gian tính toán.
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 36