Nghiên cứu giảm sức cản khí động cho ô tô điện bằng phương pháp điều khiển dòng chảy (tt)

Chính vì vậy, việc giảm lực cản khí động của xe ô tô điện là một trong những vấn đề rất quan trọng, được các nhà nghiên cứu, các hãng xe quan tâm, đặc biệt là các hãng xe điện... Một phư

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU GIẢM SỨC CẢN KHÍ ĐỘNG CHO Ô TÔ ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DÒNG CHẢY

Nghành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 8520116

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng – Năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS Phan Thành Long

2 PGS.TS Phạm Quốc Thái

Phản biện 1: TS Nguyễn Quang Trung

Phản biện 2: TS Nguyễn Minh Tiến

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc

sĩ (ghi ngành của học vị được công nhận) họp tại Trường Đại học Bách

khoa vào ngày 5 tháng 4 năm 2022

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách

khoa

 Thư viện Khoa Cơ Khí Giao Thông, Trường Đại học Bách khoa

- ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu đang là một trong các thách thức lớn nhất mà nhân loại đang đối mặt Để giải quyết vấn đề này, một trong các biện pháp đang được nghiên cứu và áp dụng nhiều nhất là cắt giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch, thay thế bằng các nguồn nhiên liệu sạch, nhiên liệu tái tạo Trong lĩnh vực giao thông vận tải, để giải quyết bài toán ô nhiễm môi trường này, đòi hỏi các phương tiện phải giảm lượng tiêu hao nhiên liệu hoặc phải chuyển sang một nguồn nhiên liệu khác, thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, ví dụ như ô tô điện Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, vì các phương tiện giao thông vận tải

là nguyên nhân gây ra ¼ lượng khí nhà kính cũng như là nguồn gốc chính của việc ô nhiễm môi trường không khí trong các thành phố

Ngày nay, việc phát triển và sử dụng ô tô điện đang ngày càng trở nên phổ biến, dần dần thay thế ô tô truyền thống, đặc biệt là tại các nước phát triển Tuy nhiên, một trong các vấn đề cần khắc phục để ô tô điện được sử dụng rộng rãi hơn, đó là việc kéo dài quãng đường di chuyển của

xe sau mỗi lần sạc Điều này được thực hiện chủ yếu thông qua việc nghiên cứu, cải thiện chất lượng của pin

Ngoài ra, việc giảm lực cản khí động của xe cũng giúp giảm năng lượng tiêu thụ, từ đó nâng cao quãng đường di chuyển của xe sau một lần sạc Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi xe chuyển động với tốc độ nhanh, lúc đó lực cản khí động đóng vai trò là lực cản chủ yếu của xe Chính vì vậy, việc giảm lực cản khí động của xe ô tô điện là một trong những vấn đề rất quan trọng, được các nhà nghiên cứu, các hãng xe quan tâm, đặc biệt là các hãng xe điện

Việc giảm lực cản khí động của ô tô thường được thực hiện thông qua việc tối ưu hóa hình dáng khí động của xe Điều này được thể hiện thông qua việc hình dáng của các dòng xe thay đổi dần theo thời gian, đồng thời hệ số cản của xe giảm dần Tuy nhiên, việc giảm lực cản theo phương pháp này diễn ra tương đối chậm, hệ số cản của các dòng xe chỉ thay đổi tương đối ít, vì hình dáng của xe còn phụ thuộc vào yêu cầu thẩm

mỹ và tính tiện nghi của khách hàng Một phương pháp khác giúp giảm lực cản khí động là điều khiển dòng chảy qua xe bằng cách lắp thêm một

số chi tiết nhỏ ở phía trước hoặc sau xe, hoặc lắp các bộ phun khí để tác động với dòng không khí chuyển động qua xe, từ đó giảm vùng vệt hút phía sau xe và giúp giảm lực cản khí động của xe Các phương pháp điều khiển dòng chảy này không làm thay đổi quá nhiều hình dạng xe, dễ thực hiện trong thực tế để giúp giảm lực cản khí động của xe

Chính vì vậy, tôi lựa chọn đề tài: Nghiên cứu giảm sức cản khí động cho ô tô điện bằng phương pháp điều khiển dòng chảy Trong

đó, dòng chảy qua xe được thay đổi để làm giảm sức cản khí động cho xe,

thông qua các chi tiết lắp thêm trên xe Điều này có ý nghĩa lớn với các ô

tô điện, giúp tăng hành trình di chuyển cho ô tô điện sau mỗi lần sạc, góp phần giúp ô tô điện ngày càng được sử dụng phổ biến hơn, thay thế các loại ô tô truyền thống

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thành công việc giảm sức cản khí động cho ô tô điện bằng cách điều chỉnh dòng chảy qua xe thông qua việc

lắp thêm một số bộ phận, chi tiết nhỏ trên xe

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các phương pháp giảm sức khí động, dự kiến lắp trên xe ô tô điện, nhằm giảm lực cản khí động của xe

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là các thiết bị điều chỉnh dòng chảy,

cụ thể là các bộ tạo xoáy (vortex generator), lắp trên xe ô tô điện (mẫu xe Nissan Leaf) nhằm giúp giảm lực cản khí động khoảng 5-10 % so với xe không được trang bị

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp tính toán động lực học chất lỏng (CFD)

để đánh giá các tính chất khí động học của dòng chảy bao quanh xe khảo sát, từ đó xác định hệ số cản của xe, trong hai trường hợp có trang bị và không trang bị các bộ điều khiển dòng chảy Các kết quả mô phỏng này sau đó được kiểm tra trên mô hình thu nhỏ của xe trong ống khí động

5 Bố cục đề tài

Chương 1: Tổng quan về khí động học xe ô tô và ô tô điện

- Tổng quan về khí động học xe ô tô

- Các yếu tố ảnh hưởng đến khí động học xe ô tô

- Khí động học xe ô tô điện

Chương 2: Giới thiệu về các phương pháp giảm sức cản khí động của xe ô tô

- Giảm lực cản khí động bằng tối ưu hóa hình dạng xe

- Giảm lực cản khí động bằng phương pháp điều khiển dòng chảy bị động

- Giảm lực cản khí động bằng phương pháp điều khiển dòng chảy chủ động

Chương 3: Đánh giá các phương án giảm lực cản khí động cho xe bằng phương pháp số

- Giới thiệu về phương pháp CFD và phần mềm Ansys Fluent

- Đánh giá đặc tính khí động của xe

- Đánh giá đặc tính khí động của xe trong trường hợp có trang bị bộ tạo xoáy

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm các phương án giảm sức cản khí động cho xe

- Giới thiệu về ống khí động và các thiết bị thí nghiệm

- Đánh giá tình hình khí động của mô hình xe nguyên bản

- Đánh giá tình hình khí động của mô hình xe trong trường hợp có trang bị thêm bộ tạo xoáy

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

- Kết luận

- Hướng phát triển của đề tài

6 Tổng quan tài liệu nghiên cứu

[1] P N Selvaraju and K M Parammasivam, “Empirical and

Numerical Analysis of Aerodynamic Drag on a Typical SUV Car Model

at Different Locations of Vortex Generator”, Journal of Applied Fluid

Mechanics, Vol 12, No 5, pp 1487-1496, 2019

[2] Englar R J, “Improved pneumatic aerodynamics for drag

reduction, fuel economy, safety and stability increase for heavy vehicles”,

SAE 2005 Commercial Vehicle Engineering, Congress and Exhibition, SAE Paper 2005-01-3627, Chicago, Illinois, USA

[3] McNally J, Fernandez E, Robertson G, Kumar R,

Kunihiko T, “Drag reduction on a flat-back ground vehicle with active

Industrial

Aerodynamics, Vol 145, 2015, pp 292 – 303

[4] Hui Z, Hu X, Guo P, Wang Z and Wang J, “Separation

Flow Control of a Generic Ground Vehicle Using an

SDBD Plasma Actuator”, Energies, Vol 12, 2019, pp 3805

[5] Bassem Nashaat Zakher, Mostafa El-Hadary, Andrew

Nabil Aziz, “The Effect of Vortex Generators on Aerodynamics for Sedan

Cars“, CFD Letters 11, Issue 6, 2019, pp 1-17

NỘI DUNG CUỐN LUẬN VĂN

Chương 1: Tổng quan về khí động học xe ô tô và ô tô điện 1.1 Tổng quan về khí động học xe ô tô

1.1.1 Lực cản khí động lực học đối với ô tô

1.1.2 Phân tích các thành phần của lực cản khí động học

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khí động học xe ô tô

1.2.1 Trường dòng chảy qua các vật thể có hình dạng khí động học xấu

1.2.2 Vùng chảy rối

1.2.3 Các xoáy dọc

1.3 Khí động học xe ô tô điện

1.3.1 Cấu tạo chung của ô tô điện

1.3.2 Khí động học xe điện

Kết luận chương 1

Khí động xứng đáng là một trong những công nghệ quan trọng nhất giúp tăng tốc độ và giảm lực cản cũng như lực nâng cho dòng xe hơi hiện đại

Hiệu suất khí động của xe được quyết định bởi hệ số cản (Cd) Về mặt lý thuyết, hệ số cản Cd của đĩa phẳng hình tròn là 1.0 Tuy nhiên, sau khi bổ sung thêm tác động gió xoáy xung quanh gờ thì con số này tăng lên thành 1,2 Vật có hình dạng giọt nước luôn sở hữu hiệu suất khí động lớn nhất với Cd ở mức 0,05 Trên thực tế, chúng ta không thể sản xuất một chiếc xe theo hình giọt nước nên Cd của dòng xế hiện đại điển hình hiện nay chỉ dừng ở 0,30

Bên cạnh việc vẫn phải đảm bảo những công dụng thiết yếu của ô

tô như vận tải hàng hóa, vận chuyển hành khách … thì hình dáng bên ngoài ô tô vẫn phải đảm bảo để hệ số cản phù hợp với chức năng của loại

ô tô đó Trong chương này chúng ta nhận thấy hình dáng bên ngoài của ô

tô có vai trò rất quan trọng đối với việc giảm hệ số cản Cd hình dáng phía trước, và đặc biệt là phía sau ô tô Các vùng xoáy được hình thành phía sau ô tô sẽ gây ra lực cản lớn đối với ô tô, do đó chỉ một thay đổi nhỏ phía sau xe thì hệ số cản của xe cũng đã thay đổi nhiều Ngoài ra hệ số cản phụ thuộc vào động bóng của bề mặt và các góc cạnh của ô tô

Trong chương này chúng ta cũng đã tìm hiểu kết cấu ô tô điện, hình dáng ô tô điện, chúng ta nhận thấy hình dáng ô tô điện cũng tuân theo các quy tắc thiết kế như ô tô truyền thống để có được hệ số cản khí động học

là nhỏ nhất Do đó những nghiên cứu thành công về khí động học đối với

ô tô truyền thống đều được ứng dụng cho xe điện Vì vậy, nếu cải thiện được hình dạng khí động học của ô tô điện sẽ giảm thiểu lực cản khí động của nó thì có thể tiết kiệm năng lượng rất lớn, đồng thời nâng cao tuổi thọ của Pin, nâng cao quãng đường xe chạy sau mỗi lần sạc đầy

Chương 2: Giới thiệu về các phương pháp giảm sức cản khí động của xe ô tô

2.1 Giảm lực cản khí động bằng tối ưu hóa hình dạng xe

2.1.1 Cánh đuôi

2.1.2 Cánh gầm

2.1.3 Gầm xe trơn nhẵn

2.1.4 Hiệu ứng mặt đường

2.2 Giảm lực cản khí động bằng phương pháp điều khiển dòng chảy bị động

2.3 Giảm lực cản khí động bằng phương pháp điều khiển dòng chảy chủ động

2.3.1 Điều khiển dòng chảy chủ động sử dụng bộ dao động chất lỏng (Fluid Oscillator)

2.3.2 Điều khiển dòng chảy chủ động với lực hút:

2.3.3 Điều khiển dòng chảy chủ động sử dụng thiết bị tạo tia tổng hợp (Synthetic jet)

Kết luận chương 2

Vấn đề giảm lực cản khí động, mặc dù đã được nghiên cứu từ hàng chục năm nay, vẫn đang tiếp tục là mối quan tâm hàng đầu với mục đích chính là giảm mức tiêu thụ nhiên liệu Hầu hết các công trình nghiên cứu

về giảm lực cản khí động đều nhấn mạnh việc giảm kích thước vùng xoáy đuôi xe, vì đây là nơi sinh ra lực cản lớn nhất Các giải pháp chính vẫn là tạo các góc nghiêng của mặt sau và 2 mặt bên cùng với các bán kính cong giữa các mặt hợp lý

Để giảm sức cản Cd của ô tô đặc biệt là ô tô điện thì có rất nhiều phương pháp khác nhau như tối ưu hình dáng của xe tuy nhiên điều này khó có thể áp dụng triệt để do nó ảnh hưởng đến không gian bên trong của hành khách

Một vài phương pháp điều khiển dòng chảy chủ động và bị động không ảnh hưởng đến không gian bên trong của xe, nhưng vẫn cải thiện được hệ số cản Cd của ô tô Các phương pháp này làm giảm vùng xoáy lốc phía sau xe ô tô điều này sẽ làm giảm hệ số cản của xe ô tô

Trong các phương pháp giảm lực cản bằng cách điều khiển dòng chảy, việc sử dụng bộ tạo xoáy có nhiều lợi thế, đặc biệt là kết cấu đơn giản và đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu trong thực tế Chính vì vậy, trong luận văn này, việc giảm lực cản cho ô tô điện sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng bộ tạo xoáy Việc nghiên cứu được thực hiện thông qua phương pháp mô phỏng số (Chương 3) và thực nghiệm trong hầm gió (Chương 4), để đánh giá vị trí bộ tạo xoáy tối ưu trên xe, cũng như đặc tính khí động của dòng chảy qua xe

Chương 3: Đánh giá các phương án giảm lực cản khí động cho xe bằng phương pháp số

3.1 Phương pháp tính toán động học lưu chất – CFD

3.2 Những phương trình cơ bản của phương pháp tính toán động học lưu chất – CFD

3.2.1 Phương trình chủ đạo cho động lực học chất lỏng

3.2.2 Lớp biên

3.3 Ưu điểm và hạn chế của phương pháp tính toán động học lưu chất – CFD

3.3.1 Ưu điểm của phương pháp CFD

3.3.2 Hạn chế của phương pháp CFD

3.4 Trình tự giải bài toán động học lưu chất – CFD

3.5 Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent

3.5.1 Các ứng dụng và khả năng giải quyết bài toán của Ansys

Fluent

3.5.2 Nguyên lý giải quyết trong phần mềm ANSYS Fluent

3.5.3 Các mô hình rối sử dụng trong phần mềm Ansys Fluent

3.5.4 Các bộ giải sẵn có trong Ansys Fluent

3.5.5 Các thuật toán và phương pháp nội suy trong Fluent

3.6 Mô phỏng đặc tính khí động học của xe tham chiếu bằng phương pháp CFD

3.6.1 Mô hình xe tham chiếu

3.6.2 Xác định vùng không gian mô phỏng

3.6.3 Xây dựng mô hình lưới mô phỏng

3.6.4 Thiết lập các thông số mô phỏng:

3.6.5 Đánh giá sự độc lập của kết quả vào lưới

3.6.6 Kết quả quá trình nghiên cứu Mesh Independent

3.6.7 Kết quả mô phỏng khí động học ô tô Nissan Leaf

3.7 Nghiên cứu giảm sức cản khí động của xe bằng bộ tạo xoáy

3.7.1 Bộ tạo xoáy VG

3.7.2 Nghiên cứu lớp biên trên mô hình Nissan Leaf

3.7.3 Thiết kế bộ tạo xoáy VG

3.7.4 Mô phỏng đặc tính khí động của xe khi trang bị bộ tạo xoáy 3.7.5 Kết luận kết quả nghiên cứu bộ tạo xoáy

Kết luận chương 3

Đây là chương quan trọng nhất của luận văn Trong chương này chúng ta đi tìm hiểu cách thiết kế bộ tạo xoáy để giảm hệ số cản của ô tô điện (ứng dụng là ô tô điện Nissan Leaf) Để nghiên cứu được thuận lợi trong chương 3 giới thiệu phương pháp số để mô phỏng các kết quả thiết

kế để tìm ra được phương án thiết kế tối ưu, làm giảm sức cản gió của ô

tô là lớn nhất

Trong chương 3 giới thiệu phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) Dựa trên những phương trình cơ bản của động học chất lưu như phương trình chủ đạo của động học chất lỏng, ưu nhược điểm của phương pháp động học lưu chất Để giải bài toán vi phân phức tạp ta sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để tính toán sau đó phần mềm sẽ mô phỏng kết quả nghiên cứu bằng hình ảnh trực quan, chúng ta có thể dễ dàng quan sát và đưa ra kết luận của việc nghiên cứu là hiệu quả hay không hiệu quả Và từ những kết quả chạy phần mềm tính toán ta tiến hành làm mô hình và thử trong phòng thí nghiệm và so sánh kết quả thực

tế với thí nghiệm để đưa ra một kết quả chính xác nhất

Một số kết quả đạt được của chương 3:

3.6.3 Thiết kế bộ tạo xoáy VG

Với cách thiết kế “submerged trapezoidal VG”, bộ tạo xoáy nằm ngập trong lớp biên, nên ta chọn thiết kế cạnh thứ hai (cao hơn) của bộ tạo xoáy bằng với chiều dày lớp biên Vậy ta có h2 = δ = 2.47 [mm]

Hình 3.21: Kích thước của bộ tạo xoáy VG Sau khi xem xét chiều dày lớp biên tại từng tọa độ x/L trên thân xe, ta thấy ở phần đuôi

xe chiều dày lớp biên đều lớn hơn 1 [mm], bên cạnh đó cạnh thứ nhất của

bộ tạo xoáy VG phải thấp hơn cạnh thứ hai h2 = 2.47 [mm] Nên ta chọn chiều cao của cạnh thứ nhất h1 = 1 [mm]

Về phần chiều dài l và bề rộng b ta căn cứ vào kích thước của mô hình để chọn, với kích thước mô hình khá nhỏ Lmô hình = 329 [mm] và

bề rộng mô hình Bmô hình = 133 [mm], vì thế ta chọn chiều dài của bộ tạo xoáy lvg = 6 [mm] và bề rộng bvg = 4 [mm] để thuận tiện cho việc bố trí và điều chỉnh sau này

Còn về bề dày của bộ tạo xoáy ta chọn t = 0,1 [mm] phụ thuộc vào vật liệu chế tạo đáp ứng đủ độ cứng vững mà vẫn có được độ mỏng cần thiết

3.6.5 Kết luận kết quả nghiên cứu bộ tạo xoáy

Phân tích dòng chảy của không khí qua xe trong trường hợp sử dụng

bộ tạo xoáy VG