ỨNG DỤNG PHẦN mềm máy TÍNH mô PHỎNG KHÍ ĐỘNG lực học ô tô 3

Ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực từ nghiên cứu về khí động lực học của máybay, khí động lực học của ô tô, ổn định dòng chảy trong tàu thủy đến những ứng dụngrất cụ thể trong cuộc sốn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÁY TÍNH MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Người hướng dẫn: Th.S Phùng Minh Tùng Sinh viên thực hiện: Tống Duy Quốc

Nguyễn Hữu Tiến

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

Tên đề tài: Ứng dụng phần mềm máy tính mô phỏng khí động lực học ô tôSinh viên thực hiện: Tống Duy Quốc

Nguyễn Hữu Tiến

1811504210245

18DL2

KHOA CƠ KHÍ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: Th.S Phùng Minh Tùng

Sinh viên thực hiện: Tống Duy Quốc Mã SV: 1811504210130

1 Tên đề tài:

Ứng dụng phần mềm máy tính mô phỏng khí động lực học ô tô

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Không có

3 Nội dung chính của đồ án:

Xây dựng mô hình mẫu xe Tesla Cybertruck Sau đó đưa vào tính toán, môphỏng và phân tích kết quả bằng phần mềm Ansys Fluent Cơ sở lý thuyết của mô hìnhtính toán là phương trình Reynolds (RANS) với 2 phương trình bổ sung (mô hình STT

k - ω) với phương pháp giải là phương pháp thể tích hữu hạn.) với phương pháp giải là phương pháp thể tích hữu hạn

4 Các sản phẩm dự kiến

- Mô hình mẫu xe Tesla Cybertruck

- Kết quả mô phỏng khí động lực học mẫu xe Tesla Cybertruck trên phần mềmAnsys Fluent

Thủy khí động lực học có mối liên hệ chặt chẽ giữa khoa học và yêu cầu thực

tế Ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực từ nghiên cứu về khí động lực học của máybay, khí động lực học của ô tô, ổn định dòng chảy trong tàu thủy đến những ứng dụngrất cụ thể trong cuộc sống như: các loại máy khuấy, các kênh đào, đập nước, thuyềnbè,… Từ thời xa xưa, bài toán thủy tĩnh lực đẩy của Acsimet (287-212 TCN) đã gắnliền với nhiều sự kiện nổi tiếng Nhà danh họa nổi tiếng Leona Đơvanhxi (1452-1519)

đã đưa ra khái niệm về lực cản của chất lỏng và ông rất muốn biết tại sao chim lại bayđược, nhưng phải hơn 400 năm sau, Jucopxki và Kutta mới giải thích được: đó là lựcnâng L.Ơle (1707-1783) và Becnuli (1700-1782) đã đặt cơ sở lý thuyết cho thủy khíđộng lực học, nhưng người mô tả được chất lỏng thực và chất khí phải kể đến Navier(người Pháp) và Stokes (người Anh) hai ông đã tìm ra phương trình vi phân chuyểnđộng từ năm 1821 đến năm 1845 Khi nhà bác học người Đức L.Prandtl sáng lập ra lýthuyết lớp biên năm 1904, đã góp phần giải được nhiều bài toán khí động lực học.Ngày nay thủy khí động lực học đã phát triển rất rộng rãi và ứng dụng trên nhiều lĩnhvực nghiên cứu cũng như đời sống Với nền tảng cơ sở lý thuyết rộng rãi, thêm vào đó

là sự phát triển nhanh chóng của công nghệ số, các nhà nghiên cứu đã xây dựng và môphỏng được rất nhiều mô hình thủy khí động lực học sát với thực tế

Hiện nay, khí động lực học ô tô là bài toán rất phổ biến, được nghiên cứu cảbằng phương pháp thực nghiệm trong ống khí động và mô phỏng mô hình tínhtoán Với mục đích giảm lực cản khí động lực học, giảm độ ồn của gió, giảm thiểutiếng ồn phát ra và giới hạn lực nâng không mong muốn ở vùng tốc độ cao Đối vớicác loại ô tô thể thao, người ta còn thiết kế những chi tiết khí động lực học để tăng lựcnén của ô tô xuống đường và ổn định khả năng chuyển hướng của ô tô Nghiên cứu khíđộng lực học của ô tô cũng có những đặc điểm khác với máy bay như: đặc điểm hìnhdạng của ô tô gồm những mặt dốc, ô tô thì chạy trên mặt đất với vận tốc thấp hơn,chuyển động của ô tô ít bậc tự do và ít bị ảnh hưởng bởi khí động lực học hơn so vớimáy bay

Trong giới hạn đồ án này, Nhóm em đã tìm hiểu phương pháp xây dựng mô hìnhtính toán trên máy tính để mô phỏng và đưa ra các nhận xét cơ bản về sự ảnh hưởngcủa các vùng khí động lực học với mẫu xe Tesla Cybertruck Trong suốt quá trình tìmhiểu, dưới sự hướng dẫn tận tình của Th.S Phùng Minh Tùng và sự giúp đỡ của cácThầy tại Bộ môn Cơ khí Ô tô – Khoa Cơ Khí – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật –Đại học Đà Nẵng, nhóm em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp Đại học Tuy nhiên, trong

thể tránh khỏi một vài thiếu sót khi trình bày, thực hiện và phân tích kết quả môphỏng Rất mong nhận được sự góp ý, đánh giá của các Thầy trong bộ môn Cơ khí Ô

tô để đề tài của nhóm em thêm hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm em xin cam đoan rằng đề tài “Ứng dụng phần mềm máy tính mô phỏng khí động lực học ô tô” được tiến hành một cách minh bạch, công khai Mọi thứ được

dựa trên sự cố gắng cũng như sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ không nhỏ

từ Th.S Phùng Minh Tùng và các Thầy tại Bộ môn Cơ khí Ô tô – Khoa Cơ Khí –Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng

Các số liệu và kết quả nghiên cứu được đưa ra trong đồ án là trung thực và khôngsao chép hay sử dụng kết quả của bất kỳ đề tài nghiên cứu nào tương tự Nếu như pháthiện rằng có sự sao chép kết quả nghiên cứu những đề tài khác Nhóm em xin chịuhoàn toàn trách nhiệm

Sinh viên thực hiện

Nhận xét của người hướng dẫn

Nhận xét của người phản biện

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án

Lời nói đầu i

i

Lời cam đoan ii

ii

Mục lục iv

iii

Danh sách các bảng, hình vẽ vi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: Tổng quan 2

1.1 Khí động học ô tô 2

1.1.1 Khí động lực học và các thông số đặc trưng 2

1.1.2 Lực cản không khí 4

1.1.3 Cấu trúc vỏ xe và sự hình thành các vùng xoáy thấp áp 8

1.1.4 Nguồn gốc của lực cản 10

1.1.5 Sự phát triển hình dạng thân xe 16

1.2 Tình trạng nghiên cứu khí động học ô tô 20

1.2.1 Nghiên cứu lý thuyết 20

1.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm 22

1.3 Tổng quan về mô phỏng CFD và các ứng dụng công nghiệp 23

1.3.1 Tại sao lại cần đến mô phỏng CFD? 23

1.3.2 Mô phỏng CFD là gì? 24

1.3.3 Quy trình mô phỏng CFD 25

1.3.4 Các ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD 28

Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng khí động lực học Ô tô 30

2.1 Cơ sở lí thuyết khí động học 30

2.2 Mô phỏng dòng chảy không khí 30

2.2.1 Các công cụ toán học và ký hiệu quy ước 30

2.2.2 Các phương trình mô phỏng 31

2.2.3 Các thông số đặc trưng 33

2.2.4 Mô phỏng dòng chảy rối 34

2.2.5 Phương pháp số để giải bài toán khí động học 39

2.3 Mô phỏng khí động học vỏ xe bằng ANSYS – FLUENT 40

2.3.1 Giới thiệu chung về ANSYS – FLUENT 40

2.3.2 Mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe bằng FLUENT 41

Chương 3: Nghiên cứu khí động lực học mẫu xe ô tô tesla Cybertruck bằng phần mềm Ansys - Fluent 43

3.1 Phương pháp nghiên cứu 43

phỏng khí động lực học ô tô 43

3.2.1 Giới thiệu mẫu ô tô Tesla Cybertruck 43

3.2.2 Các giả thuyết và giới hạn nghiên cứu của bài toán mô phỏng 51

3.3 Xây dựng mô hình hình học, xác định vùng không gian mô phỏng 51

3.3.1 Xây dựng mô hình hình học của xe Tesla Cybertruck 51

3.3.2 Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính toán 52

3.4 Chia lưới và đặt các điều kiện ràng buộc của bài toán mô phỏng 54

3.5 Đặt các điều kiện tính toán 56

Chương 4: Phân tích kết quả mô phỏng 59

4.1 Vận tốc 59

4.2 Áp suất 62

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 67

Bảng 1.1 Một số nguyên nhân giải thích tại sao CFD được sử dụng rộng rãi? 23

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của Tesla Cybertruck 44

Hình 1.1 Các lực tác dụng lên vật nằm trong dòng chảy 2

Hình 1.2 Sự hình thành vùng xoáy áp thấp phía sau vật cản 4

Hình 1.3 Ảnh hưởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xoáy 5

Hình 1.4 Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cản 6

Hình 1.5 Hệ số cản không khí trên một số loại ô tô tải 7

Hình 1.6 Hệ số cản không khí của các loại xe thông dụng 7

Hình 1.7 Các vùng xoáy trên vỏ ô tô con 8

Hình 1.8 Phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ xe 9

Hình 1.9 Ảnh hưởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động 10

Hình 1.10 Dòng không khí xung quanh phần đầu ô tô 10

Hình 1.11 Sự phân bố áp lực phía trước ô tô 11

Hình 1.12 Sự phân bố lực cản phía trước ô tô 11

Hình 1.13 Ảnh hưởng của lực cản đến góc nghiêng của mặt trước 12

Hình 1.14 Dòng chảy xung quanh kính chắn gió 12

Hình 1.15 Các nhân tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản trên kính chắn gió 13

Hình 1.16 Sự phân bố áp suất lên kính chắn gió và cột A 13

Hình 1.17 Dòng không khí đi qua bộ tản nhiệt 14

Hình 1.18 Một số dạng ống dẫn không khí làm mát 15

Hình 1.19 Sự biểu diễn các hàm đặc trưng 17

Hình 1.20 Tối ưu hoá các chi tiết trên ô tô 17

Hình 1.21 Tối ưu hoá các chi tiết trên ô tô 18

Hình 1.22 Sự phát triển của hình dạng thân xe 19

Hình 1.24 Lịch sử phát triển của các mô hình tính toán khí động học 20

Hình 1.25 Sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí động 23

Hình 1.27 Mô hình căn bản trong mô phỏng CFD 25

Hình 1.28 Quy trình cơ bản cho người sử dụng mô phỏng CFD 26

Hình 1.29 Tóm lược về quy trình kiểm tra và kiểm nghiệm CFD 27

Hình 1.30 Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD 29

Hình 2.1 Các thành phần ứng suất trên khối chất lỏng 32

Hình 3.1 Hình ảnh Tesla Cybertruck tại buổi ra mắt 43

Hình 3.2 Ngoại thất của Tesla Cybertruck 45

Hình 3.3 Phần đầu của Tesla Cybertruck 45

Hình 3.4 Phần thân của Tesla Cybertruck 46

Hình 3.5 Phần đuôi của Tesla Cybertruck 47

Hình 3.6 Phần thùng xe phía sau của Tesla Cybertruck 47

Hình 3.7 Khoang lái của Tesla Cybertruck 48

Hình 3.8 Khoang hành khách của Tesla Cybertruck 49

Hình 3.9 Khoang hành lý cực khủng của Tesla Cybertruck 49

Hình 3.10 Khả năng vận hành của Tesla Cybertruck 50

Hình 3.11 Mô hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cybertruck 52

Hình 3.12 Mô hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cyber truck sau khi tối ưu 52

Hình 3.13 Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính toán 53

Hình 3.14 Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính toán 53

Hình 3.15 Mô hình vỏ xe Tesla Cybertruck sau khi đã được chia lưới với dạng lưới 54

Hình 3.16 Chia lưới các vùng biên của không gian mô phỏng 55

Hình 3.17 Chia lưới các phần tử nằm trong vùng không gian mô phỏng 55

Hình 3.18 Thiết lập mô hình mô phỏng “SST k-ω) với phương pháp giải là phương pháp thể tích hữu hạn.”trên phần mềm 56

Hình 3.20 Đường dòng thể hiện áp suất trong toàn bộ không gian mô phỏng 58

Hình 4.1 Vectơ vận tốc trên bề mặt vỏ xe 59

Hình 4.2 Đường dòng vận tốc trên bề mặt vỏ xe 59

Hình 4.3 Phân bố vận tốc trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe 60

Hình 4.4 Phân bố đường dòng vận tốc trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe 60

Hình 4.5 Phân bố vận tốc trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe 61

Hình 4.6 Phân bố đường dòng vận tốc trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe 61

Hình 4.7 Vectơ áp suất trên bề mặt vỏ xe 62

Hình 4.8 Đường dòng áp suất trên bề mặt vỏ xe 62

Hình 4.9 Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe 63

Hình 4.10 Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe 63

Hình 4.11 Đường dòng phân bố áp suất trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe 63

Hình 4.12 Phân bố áp suất trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe 64 Hình 4.13 Đường dòng phân bố áp suất trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe .64

-CHỮ VIẾT TẮT:

RANS Reynolds Average Navier Stokes Phương trình Reynolds trung bình hóaDNS Direct Numerical Simulation Mô phỏng trực tiếp

RSM Reynolds Stress Model Mô hình ứng suất Reynolds

FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn

CFD Computational Fluid Dynamic Phần mềm tính toán động lực học chất

lỏngLES Large Eddy Simulation Mô hình dòng rối lớn

DES Detached Eddy Simulation Mô hình dòng rối phân tách

SST Shear Stress Transport Mô hình vận tải ứng suất

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu đề tài

Xây dựng mô hình tính toán trên máy tính để mô phỏng và đưa ra các nhận xét

cơ bản về sự ảnh hưởng của các vùng khí động lực học với mẫu xe Tesla Cybertruck

2. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài được chọn là mẫu xe Tesla Cybertruck

3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết Nội dung chính là xây dựng

mô hình mẫu xe Tesla Cybertruck Sau đó đưa vào tính toán và phân tích kết quả trongphần mềm Ansys Fluent Cơ sở lý thuyết của mô hình tính toán là phương trìnhReynolds (RANS) với 2 phương trình bổ sung (mô hình STT k - ω) với phương pháp giải là phương pháp thể tích hữu hạn.) với phương phápgiải là phương pháp thể tích hữu hạn

4 Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp

Đồ án gồm các nội dung như sau:

 Tổng quan

 Xây dựng mô hình mô phỏng khí động lực học ô tô

 Nghiên cứu mô phỏng khí động lực học mẫu xê ô tô Tesla Cybertruck bằngphần mềm Ansys – Fluent

 Phân tích kết quả mô phỏng

 Kết luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Khí động học ô tô

Khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí, sự tương tác của vỏ xe với môitrường sinh ra các lực và mô men có ảnh hưởng xấu tới chất lượng vận hành của ô tô

Hệ quả trực tiếp của sự tương tác trên là lực cản không khí làm gia tăng mức tiêuthụ nhiên liệu của ô tô, đặc biệt là ở vận tốc cao do lực này tỷ lệ với bình phương củavận tốc Ngoài ra, lực nâng làm giảm khả năng bám đường, còn các mô men thì có thểgây nên hiệu ứng lật xe Đây là những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến an toànchuyển động

Để giảm tối đa những ảnh hưởng xấu nêu trên, cần có những nghiên cứu sâu vềkhí động lực học của vỏ xe ngay trong quá trình thiết kế

1.1.1 Khí động lực học và các thông số đặc trưng

Đối tượng nghiên cứu của khí động học là dòng chảy quanh một vật cản đangchuyển động bằng phương pháp Euler với hệ tọa độ gắn với vật Để đơn giản hóaphương pháp mô tả, người ta coi một vật chuyển động với vận tốc V trong môi trườngkhông khí tĩnh tương đương với vật đứng yên trong dòng khí có vận tốc V

Hình 1.1 mô tả một vật cản nằm trong dòng chảy không khí với vận tốc ở đầunguồn là U∞ Dòng chảy không khí tác dụng lên vật một lực F, được phân tích thành 2thành phần Fx (lực cản) song song với phương chuyển động của dòng khí và Fz (lựcnâng) là thành phần vuông góc với phương chuyển động Các lực này được tính nhưsau:

U∞: vận tốc chuyển động (m/s) A: là diện tích cản chính diện (m2)

Hình 1.1 Các lực tác dụng lên vậtnằm trong dòng chảy

Công thức 1.1 cho thấy hệ số Cx không có thứ nguyên, nó không đặc trưng chomột đại lượng vật lý nào mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật Đây làthông số đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu khí động học.

Công thức trên cũng cho thấy, để giảm lực cản của không khí lên vật đangchuyển động thì chỉ có cách duy nhất hợp lý là giảm hệ số Cx Bởi vì, nếu giảm A thì

sẽ giảm thể tích sử dụng làm ô tô trở nên chật chội Nếu giảm U thì tốc độ chuyểnđộng giảm làm năng suất vận chuyển giảm theo Vì vậy, tất cả các nỗ lực trong nghiêncứu khí động học ô tô ngày nay tập trung chủ yếu vào việc cải thiện hình dáng khíđộng học vỏ xe nhằm giảm thiểu Cx

Trước đây, khi ô tô chuyển động với vận tốc chưa cao, các nghiên cứu khí độnghọc chỉ quan tâm chủ yếu đến lực cản Fx do lực nâng rất nhỏ và ảnh hưởng khôngnhiều đến điều kiện chuyển động Khi ô tô chuyển động với vận tốc cao hơn, chẳnghạn như ô tô thể thao và ô tô đua thì thành phần lực này đã được quan tâm nghiên cứunhiều hơn Đối với các ô tô là đối tượng nghiên cứu của đề tài, vận tốc tối đa thườngxấp xỉ 100km/h, nên ảnh hưởng của lực nâng là không đáng kể

Trong nghiên cứu khí động học, có 2 thông số quan trọng đặc trưng dòng chảykhông khí là số Reynolds và số Mach Chúng được định nghĩa như sau:

Chỉ số “∞” trong các công thức trên thể hiện thông số được lấy ở vùng không khícách xa vật chuyển động và không chịu ảnh hưởng của vật này

Trong nghiên cứu thủy khí động lực học người ta thường dùng các thông số trên

để đánh giá trạng thái dòng chảy và làm chỉ tiêu cho các phép quy đổi tương tự Trong

đó, thông số thường dùng đối với khí động học ô tô là Re vì M thường rất bé (M<1).Còn nếu M rất lớn (trường hợp các máy bay siêu âm) thì cần sử dụng thêm một chỉtiêu tương tự khác nữa

Ngoài ra, số Reynolds thường được sử dụng để đánh giá và xác định trạng thái dòngchảy Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong các nghiên cứu khí động lực học

Trong phân loại dòng chảy khí động, khi M ≤ 0,3 dòng chảy được gọi là dòngchảy dưới âm với môi trường không chịu nén Vì vậy, trong các tính toán khí động học

ô tô, để đơn giản hóa bài toán người ta thường chấp nhận giả thiết là không khí khôngchịu nén với sai số không đáng kể (với M ≈ 0,3, sai số khoảng 5%)

1.1.2 Lực cản không khí

Lực cản của không khí có thể phân tích thành 2 thành phần: cản do ma sát Fms vàcản do chênh áp Fca, do vậy Cx cũng được chia thành hai thành phần tương ứng:

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 yếuvào hình dạng khí động lực học của vật cản Hình 1.2 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 ômlấy vật và được coi là bám vào nó cho tới điểm A Tới đây, dòng chảy tách khỏi vậtlàm 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 độchênh áp: Δp = pp = p1 - p2

Hình 1.2 Sự hình thành vùng xoáy áp thấp phía sau vật cản

F x=F ms+A Δpp (1.6)Trong đó A.Δp = pp = Fca là thành phần lực cản do chênh áp Lực này phụ thuộc chủyếu vào độ chênh áp và diện tích của vùng xoáy Phạm vi của vùng xoáy được xácđịnh bởi điểm tách dòng (điểm A trên hình 1.2) Đây là điểm mà dòng chảy bắt đầutách khỏi vật cản và là khởi đầu của vùng xoáy Các nghiên cứu cho thấy, trong mộtmôi trường xác định (có độ nhớt xác định) vị trí của điểm A phụ thuộc chủ yếu vào 2yếu tố: vận tốc dòng chảy và hình dạng của vật cản

Vận tốc của dòng chảy mà càng lớn thì điểm A càng dịch về phía trước làm diệntích vùng xoáy sẽ tăng lên và ngược lại Nếu hình dạng của vật cản là lý tưởng về mặtkhí động học thì điểm A gần như không tồn tại mà dòng chảy sẽ bao kín vật cản nhưthể hiện trên hình 1.3a Trong trường hợp này có thể coi: Fca ≈ 0, hay Fx ≈ Fms

a) F x ≈ F ms b) F x ≫ F ms

Hình 1.3 Ảnh hưởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xoáyTuy nhiên, trên thực tế phần lớn các vật (trong đó có các vỏ xe ô tô) có hình dạngkhí 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 lực học của vật Trên hình 1.3 thể hiện sựtạo thành vùng xoáy tuỳ theo hình dạng khí động học của vật cản Hình 1.3a là trườnghợp vật có dạng khí động lực học lý tưởng nên không tạo vùng xoáy và thành phần cản

do chênh áp rất nhỏ Hình 1.3b thể hiện trường hợp vật có dạng khí động lực học xấu,

ở đây lực cản do chênh áp Fca chiếm tỷ lệ lớn trong Fx

Đối với những vật có dạng khí động học tốt (cánh máy bay, cánh tua bin, chânvịt, ) thì lực cản có thể tính như sau:

với: k = 0,1 - 0,15, có nghĩa là lực cản do ma sát chiếm tỷ lệ từ 85% đến 90%.Các nghiên cứu đã khẳng định rằng, ô tô nó có hình dạng khí động học được coi

là xấu, nên chúng phải chịu lực cản khí động lực học rất lớn Trong đó, thành phần cản

do chênh áp vẫn chiếm tỷ lệ áp đảo và muốn giảm lực cản thì biện pháp duy nhất là cảithiện hình dạng khí động học vỏ xe

Như vậy, giảm C x 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 1.4 Có thể nhận thấy rằng, trong giai đoạn trước năm 1930 với nhữngchiếc ô tô có hình dáng giống xe ngựa cổ xưa, hệ số cản (trên hình ký hiệu là C w) rấtlớn (0,65 ÷ 1,0) Sau đó, vào những năm 1970, hệ số này giảm xuống gần giá trị 0,4 vàngày nay nó chỉ còn là 0,28 - 0,32 và một số loại xe đã có thể đạt được C x = 0,25 ÷0,27 Tuy nhiên, sau năm 2000, khi những chiếc ô tô gần như đã hoàn thiện về hìnhdạng khí động lực học thì việc giảm được dù chỉ 0,01 trong Cx ngày càng trở nên khókhăn hơn, nó đòi hỏi phải có nghiên cứu toàn diện hơn, sâu sắc hơn, trang thiết bị thửnghiệm hiện đại hơn cùng với những chi phí cao hơn rất nhiều Vì vậy, trong giai đoạnnày, đồ thị mô tả Cx theo thời gian gần như nằm ngang

Hình 1.4 Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cảnTrong đó:

W: lực cảnρ: khối lượng riêngV: vận tốc

A: diện tíchTrong tự nhiên, vật có hình dạng khí động học lý tưởng chính là giọt nước rơitrong không khí Nếu những chiếc ô tô cũng có hình dạng như vậy thì lực cản khí độnglực học là nhỏ nhất Trên phần dưới của hình 1.4 mô tả một số dạng vỏ xe có hệ số cảnnhỏ hơn 0,2 và thậm chí có thể đạt giá trị 0,1 Tuy nhiên, những chiếc xe với kiểu dángnhư vậy khó có thể đáp ứng được thị hiếu của người tiêu dùng hiện nay nên không thểxuất hiện phổ biến được Người ta thường chỉ gặp các dạng vỏ xe như vậy trên cácđường đua

Đối với ô tô tải, hệ số lực cản khí động thường rất lớn, có thể đạt tới xấp xỉ 1,0.Việc tối ưu hóa hình dạng khí động học của ô tô tải thường gặp nhiều khó khăn hơncác chủng loại ô tô khác do đặc thù kết cấu của nó

Trên hình 1.5 thể hiện sự phụ thuộc của hình dạng khí động học của ô tô tải cómui kín với hệ số lực cản không khí (trên hình ký hiệu là CD) Các phương án thể hiệntrên hình 1.5 cho thấy, nếu có giải pháp tạo dáng hợp lý thì có thể giảm đáng kể hệ sốcản Tuy nhiên, đối với dòng xe này hệ số cản thấp nhất vẫn xấp xỉ 0,6

Đối với ô tô chở khách, hệ số lực cản khí động lực học cũng khá lớn và thườngnằm trong khoảng từ 0,4 đến xấp xỉ 0,7 Việc tạo dáng vỏ xe để có được hệ số Cx nhỏ

có thể được thực hiện tương đối thuận tiện do vỏ xe có cấu trúc đơn giản hơn so vớicác chủng loại ô tô khác (ô tô tải và ô tô con)

Hình 1.6 Hệ số cản không khí của các loại xe thông dụngHình 1.5 Hệ số cản không khí trên một số loại ô tô tải

Tuy nhiên, đối với các nhà sản xuất thì việc tạo dáng không chỉ nhằm vào mụcđích giảm tối đa lực cản khí động mà còn phải đạt đươc tính thẩm mỹ cao Chính vìvậy, vẫn tồn tại những dạng vỏ xe có hình dáng vuông vắn, góc cạnh tiếp nhận lực cảnkhí động lớn với hệ số C x lớn hơn 0,7 Bên cạnh đó, vẫn có những chiếc ô tô khách với

vỏ xe có thể đạt tới C x xấp xỉ 0,4 và thậm chí là nhỏ hơn Hệ số cản không khí (trênhình ký hiệu là CD) của các loại xe được mô tả bằng biểu đồ trên hình 1.6

1.1.3 Cấu trúc vỏ xe và sự hình thành các vùng xoáy thấp áp

Khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí, tương tác giữa môi trường vớicấu trúc của vỏ xe tạo thành những vùng xoáy có áp suất thấp Ngoài vùng xoáy lớn ởđuôi xe như đã mô tả trên đây, còn rất nhiều vùng xoáy nhỏ trên vỏ xe góp phần tạonên lực cản khí động lực học của ô tô Muốn giảm tối đa các lực khí động lực học cầnphải tìm cách loại bỏ hoặc giảm kích thước của các vùng xoáy này

a) Các vùng xoáy trên vỏ xe b) Vùng xoáy sau đuôi xe

Hình 1.7 Các vùng xoáy trên vỏ ô tô con

Một ví dụ về sự hình thành các vùng xoáy được mô tả trên hình 1.7 Các vùngxoáy hình thành ở những nơi vỏ xe bị gấp khúc, tạo nên sự đổi hướng đột ngột củadòng chảy không khí Vùng thứ nhất trên hình 1.7a chính là phần mũi xe với dòngxoáy ngay trên nắp capo, đồng thời dòng khí đi qua két làm mát cũng sinh ra lực cảnnhất định Các vùng xoáy khác như khu vực chân kính chắn gió, góc chữ A, bánh xe,

… cũng góp phần tạo nên lực cản không khí Để giảm thiểu ảnh hưởng của chúng, cầnphải có giải pháp thiết kế hợp lý

Vùng xoáy lớn ở đuôi xe phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu và kích thước của phầnđuôi của ô tô Trên hình 1.7b mô tả 3 dạng kết cấu đuôi xe với các kiểu vùng xoáykhác nhau Nếu thiết kế đuôi xe thuôn dài về phía sau thì sẽ giảm được kích thướcvùng xoáy này, nghĩa là giảm đáng kể lực cản khí động

Để mô tả sự phận bố và nghiên cứu ảnh hưởng của các vùng xoáy thấp áp trên vỏ

xe, người ta thường sử dụng đồ thị phân bố áp suất không thứ nguyên Cp:

C p=p− p ∞

ρU2∞

2

(1.8)

Trong đó: p là áp suất tại điểm đang xét; p ∞ và U ∞ là áp suất và vận tốc tại điểm

mà các thông số của dòng chảy không bị ảnh hưởng bởi vật (thường gọi là điểmchuẩn) Trên hình 1.8 mô tả một ví dụ về sự phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ

ô tô con Có thể thấy rằng, kính chắn gió chịu áp suất động của dòng khí nên chịu ápsuất lớn hơn áp suất chuẩn, nên áp suất không thứ nguyên ở đây là dương Các vùng

có áp suất âm thường là do ảnh hưởng của các dòng xoáy Dựa trên sự phân bố áp suấtnày người ta có thể xác định được lực cản chuyển động và lực nâng tác động lên ô tô

Hình 1.8 Phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ xeNhững phân tích trên đây cho thấy, mặc dù lực cản khí động lực học được hìnhthành từ nhiều yếu tố khác nhau, yếu tố chính vẫn là sự hình thành vùng xoáy ở đuôi

xe Hình dáng, kích thước và các tính chất của vùng xoáy phụ thuộc chủ yếu kết cấuphần đầu xe và dạng khí động của thân xe.

Hình 1.9 Ảnh hưởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động

Trên hình 1.9 mô tả ảnh hưởng của hình dạng đuôi xe tới hệ số lực cản không khí(CD) cho một số dạng kết cấu cụ thể Hình 1.9a cho thấy, nếu bố trí góc nghiêng củatấm vỏ đuôi xe không hợp lý thì có thể làm tăng hệ số cản Điều này là rất đáng quantâm đối với ô tô khách, vì nó có dạng đuôi tương tự như mô tả trên hình Đa số các loại

ô tô con có cấu tạo phần đuôi như trên hình 1.9b Có thể thấy rằng, nếu tạo dáng tốt thì

Hình 1.10 Dòng không khí xung quanh phần đầu ô tô

Hình 1.11 Sự phân bố áp lực phía trước ô tôĐiểm tách dòng được tạo ra trên bề mặt thẳng đứng phía trước Vì không khíphía trước ô tô có xu hướng chạy lên trên và qua hai bên sườn xe hơn là chảy qua gầmnên nó cùng phương với phương chuyển động của ô tô Dòng chảy bị lệch đáng kể tạinút giao giữa mặt trước, capo và chắn bùn Nếu không có các biện pháp đặc biệt, dòngchảy này sẽ gây ra sự tách dòng, với kết quả là sự phân bố áp lực gần các cạnh trướccủa capo và chắn bùn ít hơn so với dòng 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 ô tô cũng ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản Điều nàyđược thể hện trên hình 1.12

Hình 1.12 Sự phân bố lực cản phía trước ô tô

Để ngăn sự tách dòng xảy ra trong thực tế do độ lệch khác nhau từ hình dạng banđầu Trong mặt cắt dọc, các thông số cần quan tâm là độ dốc của mui xe, độ dốc củacapo và bán kính góc lớn với capo Trong hình chiếu đứng là độ côn và bán kính Nếubán kính cạnh phía trước tăng lên, lực cản của các thành phần liên quan sẽ giảmnhanh Sau đó, khi đạt đến một giá trị nào đó, lực cản không đổi, sự tách dòng khôngcòn xảy ra và dòng chảy thực tế gần với dòng chảy lý tưởng Điều này có nghĩa là việc

bo tròn các cạnh trước có tác dụng ngăn sự tách dòng qua đó giảm thiểu sự đóng gópcủa 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 hòa, không có sựgiảm lực cản khi giảm độ nghiêng

Tham số thứ ba là góc nghiêng của mặt trước, ảnh hưởng của nó đối với lực cảnđược trình bày trong hình 1.13 Trong thực tế, ảnh hưởng này là nhỏ có thể do sử dụngbán kính góc trước lớn

Hình 1.13 Ảnh hưởng của lực cản đến góc nghiêng của mặt trước

Những nhân tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản trên kính chắn gió đượclàm rõ trong hình 2.10 Hai trong số chúng, độ đảo và bán kính cột A đã được phântích chi tiết hơn Bán kính cột A không chỉ liên quan đến lực cản mà còn liên quan đếntiếng ồn gió.

Khi tăng góc nghiêng kính chắn gió, lực cản sẽ giảm nhưng không nhiều Với cácgóc nghiêng lớn δ > 60 gần như không có sự cải thiện về lực cản Ngoài ra khi kínhchắn 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

ra ít áp lực ngược hơn ở phần tiếp xúc với nóc Ngoài ra khi góc nghiêng kính lớn hơn,không khí bị đẩy ra phía cột A sẽ ít hơn và vì vậy dòng xoáy tạo ra sẽ tiêu tốn ít nănglượng hơn

Hình 1.16 Sự phân bố áp suất lên kính chắn gió và cột A

Trần xe cũng là phần chịu tác động của lực cản, Hệ số cản có thể giảm bằng cáchlàm tăng độ cong của trần xe theo chiều dọc Tuy nhiên nếu độ cong quá lớn thì hệ sốcản Cd lại có thể tăng Những ảnh hưởng thuận lợi của sự tạo vòm phụ thuộc vào sựduy trì đủ độ lớn bán kính cong tại vị trí giữa kính chắn gió phía trước với trần xe vàgiữa trần xe với kính chắn gió phía sau Vì vậy các áp lực ngược tại các vị trí nàykhông 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 củachiếc xe không đổi, nếu không lực cản sẽ tăng mặc dù đã giảm hệ số cản Cd

Mặt dưới của hầu hết các gầm xe đều là các mặt nhám Thực tế là một gầm xenhẵn làm giảm lực cản một cách đáng kể Tuy nhiên sự thay đổi này sẽ phức tạp vàkhó thưc hiện

Trong ô tô có một vài đường ống dẫn khí để dẫn không khí đến bộ tản nhiệt chonước làm mát, ngoài ra không khí còn được cung cấp đến động cơ để đốt cháy nhiênliệu Không khí sạch cần được đưa vào khoang hành khách và thoát ra ngoài, phần lựctổn thất do dòng 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 dòng không khí đi qua bộ tản nhiệt là đáng kể Sựđóng góp của các ống dẫn bên trong đối với lực cản là rất nhỏ

Hình 1.17 Dòng không khí đi qua bộ tản nhiệtCác lực tạo ra bởi dòng không khí làm mát được tính toán dựa trên các định luậtbảo toàn Nếu không khí làm mát được đẩy lên phía trên, nó sẽ tạo ra áp lực ngược Vì

lí do đó mà loại ống dẫn không khí này thường được dùng trên xe đua

Lực cản tổng hợp tổng cộng do luồng không khí làm mát bao gồm hai thành phần:

- Sự tổn thất áp lực bên trong ống dẫn không khí làm mát

- Lực cản giao thoa Không khí đi qua một chiếc xe có thể làm thay đổi luồngkhông khí xung quanh thân của nó, do đó tác động đến lực cản bên ngoài Thôngthường sự giao thoa lực cản là tích cực, tuy nhiên trong một số trường hợp nó lại cóảnh hưởng tiêu cực Luồng không khí làm mát chủ yếu thay đổi dòng chảy bên dướimột chiếc xe Góc lắc ngang ở trước bánh xe tăng lên, do đó lực cản của các bánh xetăng Để làm chậm quá trình tăng của lực cản này, các nhà thiết kế đã tạo ra các lốithoát cho không khí ở bên sườn xe

Hình 1.18 Một số dạng ống dẫn không khí làm mátTuy 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 cảngiữa các hình dạng với các cửa hút và đóng luồng không khí làm mát đi vào.

Hình 1.18 đưa ra một vài dạng của ống dẫn không khí làm mát và chỉ ra ảnhhưởng của chúng đối với lực cản không khí làm mát Mục tiêu của sự khảo sát này làđạt được lượng không khí làm mát lớn nhất, biểu hiện như vận tốc vR ở két làm mátvới 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, nhưnglực cản không khí làm mát được giảm 1/2 Phiên bản C chỉ dành cho xe đua, không ápdụng cho các xe thông thường, bởi vì không khí làm mát được làm nóng sẽ đi vào cửanạp không khí sạch của khoang hành khác ở phía trước kính chắn gió

- Giai đoạn thứ hai là chỉnh sửa.

Quá trình này thường được lặp lại nhiều lần Với các máy móc phức tạp nhưđộng cơ tuốc bin hoặc máy bay quá trình lặp lại này bắt đầu với các chi tiết và kết thúcvới sản phẩm hoàn thiện Tuy nhiên việc thiết kế khí động học ô tô không thể thựchiện theo quá trình này Lý do thứ nhất là không thể phân chia thân xe thành các phầnnhỏ Lý do thứ hai là dòng không khí xung quanh ô tô vẫn chưa thể được tính toán mộtcách chính xác Quá trình hình thành một thân dạng khí động học là thực nghiệm Vớimục tiêu này, các chiến lược đã được đưa ra để nhanh chóng thực hiện được quá trìnhtối ưu Các chiến lược này phù hợp với quá trình thiết kế Các quá trình tối ưu gồm cótối ưu hóa chi tiết và tối ưu hóa hình dạng

Đa số các kết quả kiểm tra được thảo luận gần đây có thể được phân hạng bởi 3hàm đặc trưng Các hàm này liên kết hệ số cản Cd với vectơ ri mô tả hình dạng các yếu

tố riêng lẻ chẳng hạn như định nghĩa cấu hình của chúng Các vectơ ri này có thể là bánkính, chiều cao hoặc chiều dài… Có 3 loại hàm tồn tại:

- Hàm bão hòa: Một đường cong điển hình được thấy trong trường hợp bo trònmột cạnh

- Hàm nhảy: Loại này xuất hiện khi dòng chảy thay đổi đột ngột từ dạng nàysang dạng khác, chẳng hạn khi thay đổi trạng thái dòng chảy từ một chiếc đuôi lướtsang một chiếc đuôi vuông

- Hàm nhỏ nhất: Loại này luôn xuất hiện khi lực cản được tạo thành từ hai thànhphần có ảnh hưởng ngược chiều Một ví dụ điển hình của hàm này là chiều cao củatấm 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 cảcác thông số dự kiến sẽ có ảnh hưởng đến lực cản của một mô hình đã cho Do sự giaothoa giữa các chi tiết riêng lẻ, quá trình này cần được lặp lại, nhưng nếu trình tự củacác thí nghiệm được chọn để tương ứng với đường đi của dòng chảy, chẳng hạn từtrước đến sau, phần lớn các tương tác như vậy được đưa vào tính toán.

Một tính năng phố biến của cả 3 hàm là mỗi hàm có một vectơ ρi mà bất kỳ thayđổi nào sẽ không làm giảm đáng kể lực cản Vecto ρi này được gọi là tối ưu vì nó xácđịnh giá trị Cd tối ưu Các hàm được phác họa trên hình 1.19 là cơ sở cho việc xem xétthực hiện các biện pháp đề xuất kiểu dáng thân xe

Hình 1.20 Tối ưu hoá các chi tiết trên ô tôQuá trình này được gọi là tối ưu hóa chi tiết, có ưu thế trong phát triển ô tô chođến cuối những năm 1960 Nó đóng một phần quan trọng trong thiết kế các thông sốtối 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 dạngcủa một chiếc xe

Hình 1.21 Tối ưu hoá các chi tiết trên ô tôMột 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 mô hình tối ưu hóa đã trựcquan không phân biệt được với kiểu dáng mẫu Khi những hạn chế của việc duy trìkiểu dáng đã được giảm bớt, lực cản đã được giảm thậm chí nhiều hơn, trong trườnghợp cụ thể này là 33% so với mẫu ban đầu Một ví dụ khác được trình bày trong hình1.20, tuy nhiên trong trường hợp này, lực cản chỉ giảm được 13%

Với tiêu chí không có sự thay đổi trong thiết kế thì rất khó để giảm hệ số cản ởcác cạnh sắc vuông dưới 0,4 Ngày nay, chiếc lược tối ưu hóa chi tiết vẫn được ápdụng với ô tô ở những nơi mà lực cản thấp là ưu tiên thứ hai chẳng hạn như ô tô địahình, ô tô bán tải Để giảm được hệ số cản xuống dưới 0,4 thì cần sử dụng một phươngpháp 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 xeTrong 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 củathân cơ sở này là kích thước của nó không được vượt quá kính thước tổng thể của xethiết 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 ô tô nhưtrong hình 1.22 và 1.23

Hình 1.23 Sự phát triển hình dạng của ô tô từ thân cơ sở

Cũng như tối ưu hóa chi tiết, tối ưu hóa hình dạng tạo ra một tập các hàm liên kếtsửa đổi hình dạng riêng lẻ để gia tăng lực cản Hình dạng cơ bản mà kết quả có chứatất cả các yếu tố hình dạng thiết yếu của chiếc xe tiếp theo nhưng nó vẫn hoàn toàntrơn (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 mộtlần nữa chứng tỏ tầm quan trọng của chi tiết Phụ thuộc vào việc mô hình này sai khácbao nhiêu so với mẫu thiết kế, mô hình có thể trải qua sự tăng lực cản nhiều hơn nữatrong quá trình đến chiếc xe cuối cùng

1.2 Tình trạng nghiên cứu khí động học ô tô

Hiện nay, trong lĩnh vực khí động lực học ô tô thường sử dụng hai phương phápnghiên cứu khí động học ô tô: phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương phápnghiên cứu thực nghiệm

1.2.1 Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết dựa trên những phương pháp mô phỏng dòng chảy khôngkhí bao quanh ô tô dựa trên phương trình Navier – Stokes Đây là một bài toán hết sứcphức tạp và vẫn đang là mối quan tâm hàng đầu của những nhà nghiên cứu khí độnghọc trên thế giới và cho tới nay người ta chưa tìm được lời giải đầy đủ được bằngphương pháp giải tích Vì vậy, đã từ lâu các nhà nghiên cứu tập trung vào việc xâydựng các mô hình đơn giản hóa và các phương pháp giải gần đúng với sự trợ giúp củamáy tính Ngày nay, công cụ phổ biển hơn cả trong việc giải các phương trình vi phânđạo hàm riêng của bài toán khí động học ô tô là phương pháp số

Hình 1.24 Lịch sử phát triển của các mô hình tính toán khí động học

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 trìnhtrên với các giả thiết đơn giản hóa Chẳng hạn, với giả thiết chất khí không nhớtphương trình Navier - Stokes có dạng đơn giản nhất, gọi là phương trình Ơ le Trongtrường hợp vận tốc chuyển động nhỏ hơn 100 m/s (M ≤ 0,3), có thể sử dụng giả thiếtchất khí không chịu nén (ρ = const), khi đó các phương trình khí động học sẽ có dạngphương 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 toán khí độnghọc phụ thuộc vào kết cấu cụ thể và yêu cầu về độ chính xác Đối với những thiết bị cómức độ phức tạp cao (tàu vũ trụ), người ta buộc phải cố gắng giải phương trìnhNavier-Stokes đầy đủ

Đối với những trường hợp có kết cấu đơn giản hơn, bài toán được phân thành cácmức 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 bằngphương pháp sai phân hữu hạn Từ 1990 đến nay, các nhà nghiên cứu 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 Đồ án để giải bài toán khí động học vỏ

xe ô tô và sẽ được trình bày kỹ lưỡng trong chương 2

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 yêucầu 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 trênsiêu máy tính CRAY C90 cần có thời gian từ 1 đến 2 tháng Ngày nay, công nghệthông tin phát triển mạnh cả về phần cứng và phần mềm đã giúp giảm bớt khó khăncho việc giải bài toán khí động học ô tô Tuy nhiên, nó vẫn là bài toán khó đòi hỏi thờigian 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 hỗtrợ của các máy tính mạnh Tất cả các phương pháp số đang được sử dụng để giải cácphương trình vi phân mô tả dòng chảy khí động đều dựa trên việc mô tả vỏ xe trongkhông 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 phươngpháp 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: đòihỏi phải có bộ nhớ lớn; thời gian tính toán rất dài; chia lưới phức tạp trong vùng lớpbiên; xây dựng mô hình tương đối khó

Phương pháp thể tích hữu hạn có những ưu điểm: bộ nhớ ít hơn; xây dựng môhình 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 điềukiện biên không phải là điều kiện thực

Những nghiên cứu hoàn thiện vẫn đang được tiếp tục đối với cả hai phương pháptính trên và ngày càng đưa chúng xích lại gần nhau hơn Tuy nhiên, cho tới nay, đểgiải quyết các bài toán về dòng chảy nói chung, người ta vẫn thiên về phương pháp thểtích hữu hạn

Gần đây, sự phát triển của các phần mềm tính toán chuyên dụng đã mở ra khảnăng mới cho các nhà nghiên cứu khí động học ô tô để giải các bài toán ở mức độphức tạp vừa phải Chẳng hạn, Ansys Fluent cung cấp công cụ giải bài toán khí độnghọc ô tô 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 không đòi hỏi độ chính xác quá cao.Trong các nghiên cứu chuyên sâu về lý thuyết, các nhà nghiên cứu thường phải sửdụng phương pháp lập trình trực tiếp cho bài toán 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 gầnvới thực tế hơn: thử ô tô với kích thước thật, tạo được môi trường, điều kiện thử phongphú (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 vinghiên cứu

Ống khí động là thiết bị dùng trong nghiên cứu 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 vậntốc thử Ô tô thí nghiệm (hoặc mẫu thử) được gắn trên một bàn đo, đặt trong buồngthử Nếu ống khí động có kích thước đủ lớn thì người ta sử dụng vỏ xe thực để thínghiệm Còn nếu ống có kích thước nhỏ thì thay cho xe thật là mẫu thử có hình dạnghoàn toàn giống xe thật nhưng kích thước nhỏ hơn, tương thích với kích thước củabuồng thử