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

Nội dung đề tài đi vào nghiên cứu khí động học đối với ô tô, các yếu tố ảnh hưởng đến khí động học của ô tô, từ đó nghiên cứu bộ tạo xoáy lắp trên ô tô để giảm sức cản gió của ô tô mà hi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG 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

LUẬN VĂN THẠC SĨ THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG 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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Nguyễn Ngọc Phương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

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

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH vi

PHỤ LỤC BẢNG BIỂU ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài: 1

2 Mục tiêu nghiên cứu: 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

4 Phương pháp nghiên cứu: 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc của luận văn: 2

7 Tổng quan tài liệu nghiên cứu: 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC XE Ô TÔ VÀ Ô TÔ ĐIỆN 5

1.1 Tổng quan về khí động học xe ô tô: 5

1.1.1 Lực cản khí động lực học đối với ô tô 5

1.1.2 Phân tích các thành phần của lực cản khí động học 7

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khí động học xe ô tô 9

1.2.1 Trường dòng chảy qua các vật thể có hình dạng khí động học xấu 9

1.2.2 Vùng chảy rối 11

1.2.3 Các xoáy dọc 16

1.3 Khí động học xe ô tô điện 16

1.3.1 Cấu tạo chung của ô tô điện: 16

1.3.2 Khí động học xe điện: 17

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 20

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM SỨC CẢN KHÍ ĐỘNG CỦA XE Ô TÔ 21

2.1 Giảm lực cản khí động bằng tối ưu hóa hình dạng xe 21

2.1.1 Cánh đuôi: 21

2.1.2 Cánh gầm: 22

2.1.3 Gầm xe trơn nhẵn: 22

2.1.4 Hiệu ứng mặt đường: 23

2.2 Giảm lực cản khí động bằng phương pháp điều khiển dòng chảy bị động 23 2.3 Giảm lực cản khí động bằng phương pháp điều khiển dòng chảy chủ động 26

2.3.1 Điều khiển dòng chảy chủ động sử dụng bộ dao động chất lỏng (Fluid Oscillator) 27

2.3.2 Điều khiển dòng chảy chủ động với lực hút: 28

2.3.3 Điều khiển dòng chảy chủ động sử dụng thiết bị tạo tia tổng hợp (Synthetic jet) 28

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 31

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG CHO XE BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ 32

3.1 Phương pháp tính toán động học lưu chất – CFD 32

3.2 Những phương trình cơ bản của phương pháp tính toán động học lưu chất – CFD 32

3.2.1 Phương trình chủ đạo cho động lực học chất lỏng 32

3.2.2 Lớp biên 35

3.3 Ưu điểm và hạn chế của phương pháp tính toán động học lưu chất – CFD 37 3.3.1 Ưu điểm của phương pháp CFD 37

3.3.2 Hạn chế của phương pháp CFD 37

3.4 Trình tự giải bài toán động học lưu chất – CFD 37

3.5 Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent 39

3.5.1 Các ứng dụng và khả năng giải quyết bài toán của Ansys Fluent 40

3.5.2 Nguyên lý giải quyết trong phần mềm ANSYS Fluent 40

3.5.3 Các mô hình rối sử dụng trong phần mềm Ansys Fluent 40

3.5.4 Các bộ giải sẵn có trong Ansys Fluent 44

3.5.5 Các thuật toán và phương pháp nội suy trong Fluent 44

3.6 Mô phỏng đặc tính khí động học của xe tham chiếu bằng phương pháp CFD 46

3.6.1 Mô hình xe tham chiếu 46

3.6.2 Xác định vùng không gian mô phỏng 47

3.6.3 Xây dựng mô hình lưới mô phỏng 49

3.6.4 Thiết lập các thông số mô phỏng: 52

3.6.5 Đánh giá sự độc lập của kết quả vào lưới 55

3.6.6 Kết quả quá trình nghiên cứu Mesh Independent 56

3.6.7 Kết quả mô phỏng khí động học ô tô Nissan Leaf 57

3.7 Nghiên cứu giảm sức cản khí động của xe bằng bộ tạo xoáy 58

3.7.1 Bộ tạo xoáy VG 58

3.7.2 Nghiên cứu lớp biên trên mô hình Nissan Leaf 59

3.7.3 Thiết kế bộ tạo xoáy VG 61

3.7.4 Mô phỏng đặc tính khí động của xe khi trang bị bộ tạo xoáy 62

3.7.5 Kết luận kết quả nghiên cứu bộ tạo xoáy 66

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 68

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM SỨC CẢN KHÍ ĐỘNG CHO XE 69

4.1 Giới thiệu về ống khí động và các thiết bị thí nghiệm 69

4.1.1 Buồng thử 70

4.1.2 Ống phân kì 71

4.1.3 Ống chuyển hướng 71

4.1.4 Quạt: 71

4.1.5 Buồng ổn định 72

4.1.6 Nón phễu 72

4.2 Đánh giá đặc tính khí động của xe nguyên bản 72

4.3 Đánh giá đặc tính khí động của xe trong trường hợp có trang bị bộ tạo xoáy 74

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 76

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 77

1 Kết luận 77

2 Hướng phát triển của đề tài 77

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

TÓM TẮT NGHIÊN CỨU GIẢM SỨC CẢN KHÍ ĐỘNG CHO Ô TÔ ĐIỆN BẰNG

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DÒNG CHẢY

Học viên: Nguyễn Ngọc Phương Chuyên ngành: Cơ khí động lực

Tóm tắt: Có nhiều phương pháp giúp giảm sức cản khí động học của ô tô Các phương pháp điều khiển dòng chảy không làm thay đổi quá nhiều hình dạng xe, dễ thực hiện trong thực tế Nội dung đề tài đi vào nghiên cứu khí động học đối với ô tô, các yếu

tố ảnh hưởng đến khí động học của ô tô, từ đó nghiên cứu bộ tạo xoáy lắp trên ô tô để giảm sức cản gió của ô tô mà hiện này một số hãng xe đang áp dụng Phần mềm ANSYS FLUENT được sử dụng trong nghiên cứu để giải bài toán động học không khí bao quanh

xe khi xe chuyển động Bộ tạo xoáy sau khi nghiên cứu từ phần mềm ANSYS FLUENT

sẽ gắn lên mô hình xe điện, sau đó đưa mô hình ô tô có gắn bộ tạo xoáy đó vào ống khí động của nhà trường Kết quả thí nghiệm sẽ cho chúng ta thấy tác dụng của bộ tạo xoáy

và hiệu quả của phần mềm ANSYS FLUENT

Từ khóa: Bộ tạo xoáy, khí động học ô tô, bộ phun khí, điều khiển dòng chảy qua

xe ô tô

RESEARCH TO REDUCING AERODYNAMIC RESISTANCE FOR

ELECTRIC CARS BY FLOW CONTROL METHOD

Abstract: There are many methods to help reduce the aerodynamic resistance of cars The flow control methods do not change the vehicle shape too much, easy to implement in practice The content of the topic goes into the study of aerodynamics for cars, the factors affecting the aerodynamics of cars, from which to study the vortex generators installed on cars to reduce the wind resistance of cars that currently exist This is applied by some car companies The ANSYS FLUENT software is used in the research to solve the problem of air dynamics surrounding the vehicle when the vehicle

is in motion The vortex generator, after studying from ANSYS FLUENT software, will

be attached to the electric vehicle model, then put the car model with that vortex generator attached to the house's aerodynamic pipe The experimental results will show

us the effect of the vortex generator and the efficiency of the ANSYS FLUENT software

Keywords: Vortex generator, automotive aerodynamics, air injector, flow control through cars

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Các thành phần lực cản tác dụng lên ô tô, khi ô tô chuyển động 5 Hình 1.2: Dòng chảy xung quanh xe và sự phân bố áp suất 6 Hình 1.3: Phân bố áp suất và mô hình đường dòng trên một hình trụ tròn với số Reynolds khác nhau 7 Hình 1.4: Dòng chảy lý tưởng qua hình trụ tròn 7 Hình 1.5: Hệ số cản của tấm phẳng và cánh như một hàm của số Reynolds (theo Schlichting & Gersten) 8 Hình 1.6: Phân tích tổng lực cản khí động học thành lực cản, bộ tản nhiệt và lực cản ma sát (tỷ lệ phần trăm) cho các hình dạng cơ thể khác nhau (phân tích

CFD) 9 Hình 1.8: a) vùng chảy rối hình thành ở một bên, không tuần hoàn; b) hình thành

cả hai bên, tuần hoàn; c) đối xứng quay hình xoắn ốc 10 Hình 1.7: Hai loại phân tách dòng chảy 10 Hình 1.9: Sơ đồ dòng chảy qua bậc; a) sự hình thành lớp tách và dòng chảy tuần hoàn trong vùng xoáy ngược; b) mô hình tương ứng của áp suất tĩnh ở vùng xoáy ngược 11 Hình 1.10: Sự phân tách hai mặt hoặc sự phân tách cạnh ở đáy của một cơ thể hai chiều, sơ đồ: a) trường dòng chảy; b) phân bố áp suất trên trục X 12 Hình 1.11: Sơ đồ sự hình thành của một vòng xoáy ở đáy của một vật thể lăng trụ theo dòng chảy dọc và sự xuất hiện của sự trào lên 13 Hình 1.12: Trường dòng chảy, được đo bằng PIV, đằng sau khối hình chữ nhật trong dòng chảy dọc, theo Khalighi et al: a) ảnh chụp các vectơ vận tốc và

đường chuyển động quay bằng nhau; b) mô hình hóa đường dòng; c) trường dòng chảy trung bình theo thời gian phía sau cùng một cơ sở, nhưng được trang

bị bằng tấm chắn 14 Hình 1.13: Sơ đồ sự cuộn lại của các lớp cắt ở các cạnh nghiêng và hình thành một cặp xoáy dọc; ở trên, biên dạng áp suất trên bề mặt nghiêng [18] 15

Hình 1.14: Cấu tạo của một chiếc ô tô điện 16

Hình 1.15: Mái để năng lượng mặt trời cho xe điện 17

Hình 1.16: Xe điện: Tại thị trường Mỹ, Tesla Model S 2021 18

Hình 1.17: Xe Toyota Camry 2.0G dùng nhiên liệu xăng 19

Hình 2.1: Dạng cánh đuôi xe 21

Hình 2.2: Lắp thêm cánh ở phía đầu gầm xe 22

Hình 2.3: Lắp cản gió phía trước ô tô đua 22

Hình 2.4: Làm gầm ô tô thấp để hiệu ứng mặt đường được phát huy 23

Hình 2.7: Sự thay đổi của hệ số áp suất khi gió tốc độ 14,95 m / s [12] 25

Hình 2.8: Sự thay đổi của mức tiêu thụ năng lượng trong trường có và không có bộ tạo xoáy 26

Hình 2.9: Cường độ rối xung quanh xe trường hợp không có và có VG 26

Hình 2.10: Nguyên lý làm việc của bộ dao động chất lỏng [17] 27

Hình 2.14: Bộ tạo dòng tia tổng hợp [20] 29

Hình 2.15: Thiết bị tạo tia tổng hợp 30

Hình 3.1: Thành lập phương trình vi phân chuyển động của dòng lưu chất 32

Hình 3.2: Biểu diễn lớp biên 35

Hình 3.3: Hình chiếu đứng của kích thước thật mô hình (H = 1,27m; W=1,6m) 46

Hình 3.4: Hình chiếu cạnh của kích thước thật mô hình L = 3,95m 47

Hình 3.5: Khoảng cách từ các mặt inlet, outlet của hình hộp chữ nhật bao quanh xe theo chiều dọc xe 48

Hình 3.6: Chiều cao và ½ chiều rộng khối hộp bao quanh xe 48

Hình 3.7: Chọn lưới tứ diện Tetrahedrons 50

Hình 3.8: Thông số đánh giá chất lượng của lưới 51

Hình 3.9: Lựa chọn chế độ mô phỏng 52

Hình 3.10: Các thông số cơ bản của chất lỏng khảo sát 53

Hình 3.11: Thiết lập phương pháp giải 53

Hình 3.12: Tiến hành chạy mô phỏng số 54

Hình 3.13: Lưới được chia làm 2 phần với kích thước phần tử khác nhau 56

Hình 3.14: Vùng không gian Air (lớn, bên ngoài) và CarBox (nhỏ, bên trong) 56 Hình 3.15: Lựa chọn số phần tử lưới độc lập với hệ số cản Cd của xe 57

Hình 3.16: Sự phân bố áp suất trên bề mặt xe 57

Hình 3.17: Sự phân bố vận tốc xung quanh xe 58

Hình 3.18: Vectơ vận tốc bao quanh mô hình xe 58

Hình 3.19: Hình dạng của bộ tạo xoáy hình thang 59

Hình 3.20: Công thức tính chiều dày lớp biên 60

Hình 3.21: Kích thước của bộ tạo xoáy VG 61

Hình 3.22: Bộ tạo xoáy VG 62

Hình 3.23: Mô hình xe có gắn các bộ tạo xoáy 62

Hình 3.24: Vị trí bộ tạo xoáy so với chiều dọc xe 63

Hình 3.25: Biểu đồ thể hiện vị trí y/L ứng với hệ số cản Cd của ô tô 64

Hình 3.26: Thay đổi khoảng cách x giữa hai bộ tạo xoáy 64

Hình 3.27: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa x và hệ số cản Cd 65

Hình 3.28: Thay đổi góc lệch của bộ tạo xoáy so với chiều dọc xe 65

Hình 3.29: Biểu đồ thể hiện góc lệch của bộ tọa xoáy so với phương dọc xe 66

Hình 3.30:Kết quả phân bố áp suất trên thân xe khi sử dụng bộ tạo xoáy 66

Hình 3.31:Kết quả phân bố vận tốc bao quanh xe khi sử dụng bộ tạo xoáy 67

Hình 3.32: Kết quả phân tích đường dòng chảy quanh xe khi sử dụng bộ tạo xoáy 67

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2: Bảng giá trị các hằng số của mô hình k-ω SST 52 Bảng 3: Hệ số cản Cd tương ứng với vị trí bộ tạo xoáy VG 63 Bảng 4: Sự thay đổi của hệ số cản phụ thuộc vào khoảng cách giữa các bộ tạo xoáy 64 Bảng 5: Bảng kết quả các vị trí góc xoáy so với chiều dọc 65

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 bộ tạo xoáy lắp thêm trên trần

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 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để đánh giá hệ số cản khí động lực học của ô tô, kết quả nghiên cứu vừa kiểm nghiệm lại sai số giữ mô phỏng trên máy tính

và kết quả thực nghiệm Nếu sai số nhó thì phần mềm có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nghiên cứu các loại phương pháp cải thiện khí động lực học của xe với chi phí nghiên cứu thấp, tiết kiệm thời gian Đồng thời nếu bộ tạo xoáy làm giảm hệ số cản của

ô tô thì có thể được ứng dụng ngay trên xe đang lưu hành ngoài xã hội Do đó đề tài có

ý nghĩa thực tiễn rất cao

6 Cấu trúc của luận văn:

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

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 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

- 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

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 khác

Và 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

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

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm phương án giảm sức cản khí động cho xe điện bằng bộ tạo xoáy giới thiệu về ống khí động và các thiết bị thí nghiệm

- Đánh giá đặc tính khí động của xe nguyên bản

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

Từ kết quả của phần mềm mô phỏng khí động lực học CFD trong chương 3, với chương 4 thì ta tiến hành kiểm nghiệm thực tế bằng cách sử mô hình xe Nissan Leaf với

tỷ lệ thu nhỏ 1:12 và đưa vào ống khí động để đánh giá bộ tạo xoáy

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

- Kết luận

- Hướng phát triển của đề tài

7 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,

[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

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

Hình 1.1: Các thành phần lực cản tác dụng lên ô tô, khi ô tô chuyển động

Như hình 1.1 ta thấy khi ô tô chuyển động trên đường ngoài sức cản lăn, sức cản lên dốc thì không khí xung quanh ô tô cũng tạo nên những sức cản cho ô tô như lực cản dọc xe, lực nâng xe, lực nén trước kính lái xe

Lực cản khí động học được hiểu là thành phần lực theo hướng dòng chảy tác động lên vật thể Trong các thí nghiệm ở dải tốc độ cận âm, lực cản khí động tỷ lệ thuận với khối lượng riêng của môi trường dòng chảy (ở đây là không khí ρL), vận tốc dòng chảy

và diện tích hình chiếu đứng theo hướng dòng chảy của vật thể Với những liên kết này, lực cản khí động có thể được hình thành như công thức dưới:

L - Khối lượng riêng không khí [kg/m3], L = 1,25 [kg/m3]

v∞ - Vận tốc chuyển động của dòng không khí hoặc của xe [m/s]

A - Diện tích mặt cắt ngang của xe [m2]

2 ,

2

L tot S

2

2

D D

L

F C

Và CD là một hàm của các tham số không thứ nguyên khác như số Reynolds (Re),

số Mach (Ma), số Froude (Fr), độ nhám tương đối của bề mặt (ε/l) và hình dáng vật thể.[2]

2

2

S p L

do có sự tách dòng ở phía sau ô tô

tả như thành phần áp suất (bởi sự

phân tách dòng chảy và lực nâng)

như hình trụ tròn (xem hình 1.3) hoặc hình cầu, sự gia tăng áp suất trong diện tích phần

mở rộng của vật thể là lớn nhất, cao đến mức xảy ra

hiện tượng tách dòng Kết quả là sự phân bố áp suất

trên vật thể không đối xứng, dẫn đến lực cản lớn

Ở mặt trước của hình trụ, sự phân bố áp suất

của các trường hợp b) và c) về cơ bản khớp với sự

phân bố áp suất của dòng chảy lý tưởng Tuy nhiên,

ở mặt sau của hình trụ có áp suất âm đáng kể do sự

phân tách dòng chảy trong trường hợp dòng chảy

thực Do đó, sự phân bố áp suất trở nên không đối

xứng so với trục y Tổng các thành phần lực theo

hướng dòng chảy do sự phân bố áp suất là lực cản áp suất

Hình 1.4: Dòng chảy lý tưởng qua hình trụ tròn Hình 1.3: Phân bố áp suất và mô hình đường dòng trên một hình trụ tròn với số Reynolds khác nhau

Các điều kiện tương tự được xác định đối với phía trước và phía sau của một chiếc

ô tô: Khi áp suất trong dòng chất lỏng không nhớt và nhớt gần như giống hệt nhau ở phía trước - nếu như giả định ở đây, không có sự phân tách nào xảy ra ở điểm này - thì

có sự khác biệt đáng kể ở phía sau Và chúng là lý do tại sao tích phân áp suất khác không Như đã nêu ở trên, sự khác biệt về áp suất giữa dòng chảy lý tưởng và dòng chảy thực là nguyên nhân gây ra lực cản - chứ không phải áp lực lên “bề mặt có dòng dừng”

ở phía trước, như đôi khi được công nhận

Đối với thành phần lực cản do ma sát Dòng có vận tốc không lớn, khi ở trong lớp biên có chế độ chảy thành lớp, chất lỏng chảy quanh vật đều đặn (không bị đứt ra) Các đường dòng có dạng giống như trong trường hợp chảy lượn của chất lỏng lý tưởng Ðể thí dụ ta xét sự chảy quanh quả cầu Trường hợp chất lỏng lý tưởng (xem hình 1.4), tổng các áp lực lên mặt quả cầu bằng không do sự đối xứng của các đường dòng Cũng do nguyên nhân đó tổng các áp lực vuông góc với mặt cầu cũng sẽ bằng không cả trong trường hợp chất lỏng nhớt chảy thành lớp quanh quả cầu Có nghĩa là lực do chất lỏng tác dụng vào quả cầu là lực ma sát, chính xác hơn, là lực tổng hợp của các lực ma sát đặt vào mỗi phần tử mặt cầu Ứng suất phụ thuộc vào gradien vận tốc, gradien vận tốc lại phụ thuộc vào chiều dày của lớp biên Lớp biên mỏng nhất ở các điểm A và B Vì vậy gradien vận tốc và do đó cả ứng suất sẽ có giá trị lớn nhất ở các điểm C và D và nhỏ nhất ở các điểm A và B Và hướng của lực ma sát thì hướng theo dòng chảy

Nếu không có sự phân tách dòng chảy, lực cản ma sát vẫn là phần chiếm ưu thế trong tổng lực cản của một vật thể có dáng thuôn Trong trường hợp của tấm mỏng, hoàn

Hình 1.5: Hệ số cản của tấm phẳng và cánh như một hàm của số Reynolds

(theo Schlichting & Gersten)

toàn có lực ma sát lên cả hai mặt của tấm Hình 1.5 cho thấy hệ số cản Cd thay đổi theo

số Reynolds khi thực hiện trên tấm mỏng

Nếu chúng ta coi rằng lớp biên ở vùng phía trước của tấm mỏng là chảy tầng và lớp biên chảy rối chỉ ở vùng phía sau, chúng ta thu được đồ thị như hình 1.5 Người ta thấy rằng, ở lớp biên chảy rối, lực cản ma sát lớn hơn nhiều so với lớp biên chảy tầng Điều này là do các gradient vận tốc lớn hình thành trong đường dòng rối Hình 1.5 cũng cho thấy độ nhám của bề mặt càng làm tăng lực cản ma sát Ở đây, hệ số cản hoạt động độc lập với số Reynolds Nói chung, có thể giả định rằng một chiếc xe có thành phần lực cản áp suất từ 80 đến 90%, trong khi biên dạng cánh máy bay có thành phần lực cản

ma sát xấp xỉ 95%

Thành phần ma sát của lực cản đối với xe du lịch là nhỏ, điều đó được thể hiện trên hình 1.6 Kết quả cung cấp trong hình ảnh này được đánh giá trên cơ sở kết quả tính toán động lực học chất lỏng (CFD) Việc mô phỏng động lực học chất lỏng cung cấp khả năng phân tích các thành phần ma sát và áp suất, bởi vì cả áp suất và ứng suất cắt đều được tính toán ở mỗi phần tử bề mặt

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

Dòng chảy xung quanh một chiếc ô tô tương tự như dòng chảy xung quanh thân vật thể có hình dạng khí động học xấu Một mặt, nó bị ảnh hưởng bởi dòng chảy trên các diện tích bề mặt thân ô tô, dẫn đến sự phát triển của lực ma sát nhớt Mặt khác, sẽ

Hình 1.6: Phân tích tổng lực cản khí động học thành lực cản, bộ tản nhiệt và lực cản

ma sát (tỷ lệ phần trăm) cho các hình dạng cơ thể khác nhau (phân tích CFD)

xảy ra hiện tượng tách lớp, dẫn đến tổn thất áp suất lớn, đặc biệt là ở phía sau và gầm

xe Từ những thí nghiệm có thể quan sát thấy hai loại phân tách dòng chảy:

Dòng chảy tách ra trên các

cạnh vuông góc với hướng của

dòng chảy Hình thành các xoáy

cuộn lại, trục của chúng thường

song song với đường phân tách

Phần lớn động năng của chúng bị

tiêu tán bởi sự trộn lẫn hỗn loạn

Do đó, kiểu phân tách đầu tiên này đôi khi được chỉ định là gần như hai chiều Phía sau

sự phân tách này hình thành một vùng thể tích được bao quanh bởi các dòng chảy tầng thường được gọi là vùng “trống” Bên trong vùng trống, dòng chảy có thể đang lưu thông, hướng chảy vào bề mặt của đuôi ô tô thậm chí ngược hướng của dòng chảy bên ngoài

Hình 1.7: a) vùng chảy rối hình thành ở

một bên, không tuần hoàn; b) hình

thành cả hai bên, tuần hoàn; c) đối

xứng quay hình xoắn ốc

Hình 1.8: Hai loại phân tách dòng chảy

Loại phân tách thứ hai là phân tách tự nhiên ba chiều Tại các cạnh xung quanh mà

không khí chảy theo một góc, luồng không khí tạo thành các xoáy theo

lượng

1.2.2 Vùng chảy rối

Nếu dòng chảy phân tách tại

chảy chính, có thể phân biệt ba dạng, như thể hiện bằng sơ đồ trong hình 1.8 Vùng chảy rối do đó được hình thành là:

- Không tuần hoàn

- Tuần hoàn

- Xoáy vòng / hình xoắn ốc

Chúng ta sẽ xem xét dòng chảy qua bậc có chiều cao h được thể hiện trong hình 1.9a Tại điểm S, lớp biên tách khỏi bề mặt của vật thể và chuyển thành lớp tách Lớp tách này bắt đầu gắn lại tại điểm R Một vùng chảy rối khép kín hình thành, trong đó dòng chảy lưu thông

Bằng cách kết hợp với dòng chảy bên ngoài gần như không bị trộn lẫn, lớp tách sẽ

mở rộng (dòng (1)) Dòng (2) là một dòng được tính trung bình theo thời gian; nó bao quanh vùng rối đặc trưng bởi các dòng chảy ngược Ở đây, dòng (3) biểu thị ranh giới giữa dòng chảy thuận và dòng chảy ngược Ở hạ lưu của R, một lớp biên lại hình thành; chiều dài giãn (tức là khoảng cách di chuyển theo dòng bên trong cho đến khi trạng thái cân bằng được thiết lập lại trong lớp biên) khá lớn (x = 0 tại R)

Theo Prandtl, sự phân tách dòng chảy xảy ra (theo hai chiều) khi đáp ứng các tiêu chí sau:

0

p x

tuần hoàn trong vùng xoáy ngược; b)

mô hình tương ứng của áp suất tĩnh ở

vùng xoáy ngược

Tại điểm S của sự phân tách,

gradient áp suất là dương, nghĩa là, lớp

biên chảy theo sự gia tăng áp suất, biên

dạng vận tốc của lớp biên có phương

tiếp tuyến vuông góc, và do đó, ứng

suất cắt của tường tại S bằng không

Nếu điểm S bây giờ đưa ra tại một mép

cạnh, như được minh họa, thì các đặc

tính được mô tả bởi các phương trình

(1-6) đến (1-8) không áp dụng

Gradient áp suất có thể là bất kỳ giá trị

nào, thậm chí là âm Biên dạng dòng

chảy có dạng là lớp biên có độ lớn

“bình thường” và ứng suất cắt của

tường khác không Đối với kiểu tách

biệt này được gọi là tách lớp biên

Biểu đồ áp suất xảy ra phía sau

của bậc (được chỉ ra trong hình 1.10b) là điển hình cho kiểu xoáy ngược này, và các đặc tính phổ quát của nó, như đã đề cập, được sử dụng để xây dựng các mô hình chảy rối trên lý thuyết Bắt đầu từ áp suất cơ bản, áp suất đi qua một điểm cực tiểu bằng phẳng

và sau đó tăng lên bằng với áp suất môi trường xung quanh Trên ô tô, sự tách lớp biên với vùng chảy rối không theo chu kỳ có thể xảy ra ở tất cả các mép "đầu", cũng như ở mép sau của mái, nhiều nhất ở xe chở khách và chở hàng hóa

Vùng chảy rối tuần hoàn được thể hiện dưới dạng giản đồ trong hình 1.11a Vật thể hai chiều có xu hướng thuôn về phía sau; ở góc phía trên được bo tròn vào phần đuôi với độ cong tăng dần, trong khi phần phía dưới được thu nhỏ cạnh dần rồi kết thúc tại mép cạnh

Ở phía trên, dòng chảy tách ra tại điểm SO; ở mặt dưới, sự phân tách xảy ra tại điểm SU Ở hạ lưu của SU và SO, các lớp biên chuyển tiếp sang các lớp tách tự do Các lớp này gặp nhau tại điểm R, một điểm tự do, do đó nó bao quanh vùng rối Trong vùng rối này, hai xoáy ngược chiều hình thành, có thể luân phiên theo chu kỳ, như trong một đường xoáy Kármán Dòng phân tách hình thành ở bên phải R, mở rộng về phía hạ lưu

và dần dần cân bằng hoàn toàn

Hình 1.10: Sự phân tách hai mặt hoặc sự phân tách cạnh ở đáy của một cơ thể hai chiều, sơ đồ: a) trường dòng chảy; b) phân bố áp suất trên trục X

Ví dụ, sự phân tách tuần hoàn xảy ra ở thanh ăn ten của ô tô Việc phân tách ở đuôi

xe các phương tiện vuông vức như xe buýt, xe container, xe khách không phải là định

kỳ mà có tính chất ngẫu nhiên; chi tiết được cung cấp trong phần vùng rối không ổn định

Vùng chảy rối tuần hoàn có

thể được chuyển đổi thành chảy

rối không tuần hoàn bằng cách

đưa một tấm phẳng vào vùng rối,

song song với trục X Điều này

ngăn cản sự trao đổi chéo giữa hai

dòng xoáy; áp suất ở mặt cuối tăng

lên và lực cản giảm xuống

Sự phân tách với các xoáy

dòng chảy chéo cũng xảy ra trong

các cấu hình đối xứng quay, nghĩa

là, nếu dòng chảy quan sát được

mở rộng về mặt khái niệm vào chiều thứ ba Ví dụ đơn giản là hình thức của một đĩa tròn hoặc hình nón Như minh họa trong hình 1.3c, tính trung bình theo thời gian, một xoáy vòng hình thành mà từ đó, theo cách tuần hoàn, các xoáy tự do tách ra và “trôi đi”

về phía sau theo hình xoắn ốc Loại phân tách này cũng có thể được thấy trên các hình dạng không lệch quá nhiều so với đối xứng quay, chẳng hạn như gương chiếu hậu, nhưng cũng được tính trung bình theo thời gian, trên các vật thể vuông vức

Hình 1.11: Sơ đồ sự hình thành của một vòng xoáy ở đáy của một vật thể lăng trụ theo dòng chảy dọc và sự

xuất hiện của sự trào lên

Bằng cách xem xét mô hình

dòng chảy, áp suất và vận tốc cho

đến nay được tính trung bình

theo thời gian, hiện tượng "tách

lớp biên" đã được coi như thể nó

là một quá trình ổn định Tuy

nhiên, đó không phải là thực tế

Hiện tượng không ổn định

được biết đến nhiều nhất trong

quá trình phân tách là đường

xoáy Kármán (là một dạng lặp

lại của các xoáy, gây ra bởi một

quá trình được gọi là sự đổ xoáy,

gây ra sự phân tách không ổn

định của dòng chảy chất lỏng

xung quanh các vật thể có khí

động học xấu Nó được đặt theo

tên của kỹ sư và nhà động lực

học chất lỏng Theodore von

Kármán), hình thành đằng sau

một hình trụ tròn trong một dòng

chảy ngang Số Strouhal, số

không thứ nguyên mô tả các cơ

chế dòng dao động, đối với hình

mảng dày trong dòng chảy dọc

(với cạnh bo tròn), một hình nêm và trường hợp đặc biệt của nó là tấm mỏng có cạnh dài theo dòng chảy ngang Trên các vật thể này, số Strouhal, mà các xoáy chảy luân phiên, không phụ thuộc vào số Reynolds, bởi vì sự phân tách của dòng chảy được cố định ở mép cạnh

Hình 1.12: Trường dòng chảy, được đo bằng PIV, đằng sau khối hình chữ nhật trong dòng chảy dọc, theo Khalighi et al: a) ảnh chụp các vectơ vận tốc và đường chuyển động quay bằng nhau; b) mô hình hóa đường dòng; c) trường dòng chảy trung bình theo thời gian phía sau cùng một cơ sở, nhưng được trang bị bằng tấm

chắn

Dòng chảy trong vùng rối không chỉ không ổn định trong trường hợp tuần hoàn

mà còn trong trường hợp không theo chu kỳ; Các dao động vận tốc u u' / lên đến 50%

đã được đo Điều này cũng đúng với trường hợp ba chiều, mà Duell và George đã nghiên cứu trên vật thể được thể hiện trong hình 1.12 Đây là một hình lăng trụ có đầu tròn được đặt xuôi theo dòng chảy, nằm gần mặt sàn và được gắn cố định với sàn

Hai vòng xoáy ngược chiều, có thể được nhìn thấy trong phần chảy rối, tạo thành một vòng xoáy lớn được tính trung bình theo thời gian Các xoáy nhỏ hình thành trong vùng trống hình vòng tròn phát ra từ mép cạnh Chúng rời ra ở tần số không thứ nguyên

Sr = 1,157 và phát triển theo hướng dòng chảy bằng cách tiếp nhận chất lưu từ dòng chảy bên ngoài, trong khi tần số của chúng giảm đi Tại điểm hội tụ tự do R, nơi các lớp cắt từ mọi phía kết hợp với nhau, các dòng xoáy tách ra theo chu kỳ khỏi vùng trống và chuyển tiếp sang rối Mỗi khi vùng trống thu nhỏ sang trái, điểm hội tụ tự do sẽ nhảy sang trái một lượng Δx: Sau đó, áp suất trong vùng trống tăng lên và buộc lớp tách ở bên phải trở lại vị trí ban đầu

của nó - và chu kỳ lại bắt đầu

Do đó, vùng rối thực hiện một

sự đột biến ở tần số f trong dòng

xoáy thoát ra khỏi vùng trống

Số Strouhal liên quan được

Duell và George đo từ phổ của

chụp nhanh của dòng chảy với

mức trung bình theo thời gian,

như được thực hiện bởi

Khalighi và cộng sự Ảnh chụp

mặt cắt song song với mặt đất

của họ, được chụp bằng phương

pháp đo vận tốc hình ảnh hạt

(PIV), được thể hiện trong hình

1.13a Sự xoáy cục bộ đã được tính toán từ trường vectơ vận tốc được hiển thị ở đó và được nhập dưới dạng các đường đơn lẻ trên trường vectơ Có thể thấy rõ sự tập trung của chuyển động xoáy trong lớp chảy tầng cũng như tính tuần hoàn của nó, cho thấy sự hình thành của các xoáy rời rạc Ảnh chụp nhanh của mẫu sắp xếp hợp lý được tính từ

Hình 1.13: Sơ đồ sự cuộn lại của các lớp cắt ở các cạnh nghiêng và hình thành một cặp xoáy dọc; ở trên, biên

dạng áp suất trên bề mặt nghiêng [18]

trường vectơ được tái tạo trong hình 1.12b Để so sánh, hình 1.12c cho thấy mô hình hóa đường dòng trung bình theo thời gian, được tạo ra từ 200 ảnh chụp nhanh PIV Vùng tuần hoàn có thể nhận biết rõ ràng

Nếu một tấm chắn được gắn với đáy của một khối hình chữ nhật (gắn xung quanh), khối tuần hoàn sẽ di chuyển xuống phía dưới, như có thể thấy trong Hình 1.12 d Biên

độ dao động giảm, áp suất cơ bản tăng và lực cản của vật thể giảm

1.2.3 Các xoáy dọc

Sự phân tách cũng xảy ra ở các cạnh nghiêng ở phía sau, như trong hình 1.13 Các lớp chảy tầng chảy về phía sau từ hai hướng tách rời nhau và cuộn lại tạo thành các lốc xoáy Các vị trí ưu tiên cho sự hình thành của chúng là các cạnh nghiêng (xem hình 1.13) Trục của các xoáy này chủ yếu định hướng theo phương dọc Có thể giả định rằng lượng luân chuyển trong chúng phụ thuộc vào các điều kiện hình học, chủ yếu vào độ nghiêng của đường (cạnh) mà chúng tách khỏi đường bao

Trên các bề mặt mà chúng tiếp cận, các xoáy dọc này tạo ra áp suất âm lớn với các đỉnh rõ rệt, như có thể thấy trong hình 1.13 từ sự phân bố áp suất trên mặt phẳng nghiêng được vẽ lên trên Với áp suất âm lớn ở mặt nghiêng sau dẫn đến lực cản và lực nâng cao

ở trục sau

1.3 Khí động học xe ô tô điện

1.3.1 Cấu tạo chung của ô tô điện:

Thay vì sử dụng động cơ truyền thống thì khoang động cơ đốt trong được thay thế bằng động cơ điện

Ắc quy phụ:Trong một chiếc xe truyền động điện, nguồn ắc quy phụ cung cấp năng lượng cho các thiết bị trên xe hoạt động

Hình 1.14: Cấu tạo của một chiếc ô tô điện

charger: Lấy nguồn điện

AC được cung cấp qua

cổng sạc và biến đổi

chúng thành nguồn DC để

sạc cho ắc quy Bộ phận

này theo dõi các thông số

của ắc quy như điện áp,

dòng, nhiệt độ và trạng

thái sạc

Bộ điều khiển điện

tử công suất (Power

Bộ ắc quy kéo: Lưu trữ điện để cung cấp cho motor

Truyền động (điện) – Transmission (electric): Biến đổi mô men từ động cơ điện truyền đến bánh xe chủ động của ô tô, sao cho phù hợp với chế độ tải của ô tô

Thông qua cấu tạo kết cấu bên trong của xe điện ta nhận thấy kết cấu không gian cho người sử dụng được bố trí giống như xe truyền thống

1.3.2 Khí động học xe điện:

Hiệu quả khí động học của một chiếc xe được xác định bởi hệ số cản (Cd) của nó Nói một cách đơn giản, hệ số cản là ảnh hưởng của hình dạng chiếc xe đối với sức cản của không khí khi xe chạy Ngày nay, bất kể một chiếc xe ô tô nào thì các nhà sản xuất luôn nghiên cứu tìm giải pháp tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường…nhưng

Hình 1.15: Mái để năng lượng mặt trời cho xe điện

vẫn đáp ứng được nhu cầu cần thiết đối với ô tô Ví dụ ô tô tải thiên về chở hàng nên chạy chậm do đó các nhà sản xuất ít quan tâm đến hình dáng khí động học của ô tô mà tập trung vào kết cấu sao cho ô tô đảm bảo độ bền khi có tải như chở hàng nặng… Tuy nhiên đối với các xe du lịch, xe cỡ nhỏ phục vụ cho nhu cầu đi lại của con người thì yêu cầu hình dáng động học khắt khe hơn, làm sao xe có khả năng giảm sức

cản do sức gió, sức cản của không khí

Như chúng ta đã biết xe điện có nhược điểm là quãng đường xe bị hạn chế sau mỗi lần sạc đầy, để xe tiếp tục đi tiếp ta phải mất một khoảng thời gian dài để tiến hành sạc lại điện cho xe

Nhược điểm này muốn khắc phục hiện này các nhà khoa học đã nghiên cứu nhiều biện pháp cải thiện cấu tạo của pin, tìm ra chất mới làm pin sao cho khả năng lưu trữ lớn và tiết kiệm pin Bên cạnh đó các nhà khoa học nghiên cứu rút ngắn thời gian sạc cho xe điện hoặc hỗ trợ sạc không dây cho xe điện (tương lai xe ô tô điện chạy trên cung đường có bố trí các thiết bị sạc không dây, giúp cho ô tô vừa chạy, vừa sạc, sau quãng đường đó người sử dụng phải trả một khoảng khí cho việc sạc đó)

Hình 1.16: Xe điện: Tại thị trường Mỹ, Tesla Model S 2021

Bên cạnh cạnh việc cải thiện nguồn động lực của ô tô, thì người ta vẫn phải tiếp

tục nghiên cứu các biện pháp cải thiện khí động học của vỏ xe điện, đồng thời ứng dụng

các thành tựu nghiên cứu khí động học trước đó trên xe sử dụng năng lượng truyền thống

cho xe điện Thậm trí việc cải thiện hình dáng động học của vỏ xe điện được các nhà

sản xuất quan tâm nhiều hơn

Qua quan sát trên hình 1.16 và hình 1.17 ta nhận xét hình dáng động lực học của

ô tô điện và ô tô sử dụng năng lượng truyền thống gần như là giống nhau

Hình 1.17: Xe Toyota Camry 2.0G dùng nhiên liệu xăng

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

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

Sau phần đuôi xe thì đầu xe là nơi sinh ra lực cản đáng kể và được quan tâm nghiên cứu nhiều Trong đó mối quan tâm lớn nhất thuộc về góc nghiêng của kính chắn gió và góc lượn giữa kính chắn gió với tấm nóc xe Ngoài ra, phần mũi xe cùng với dòng khí

đi qua két làm mát cũng được đầu tư nghiên cứu

Ngoài các vùng đuôi xe và đầu xe là mối quan tâm nghiên cứu truyền thống, các nhà khoa học gần đây đã quan tâm nhiều hơn đến các yếu tố khác như gầm xe, bánh xe

và các nếp gấp trên các mặt bên của vỏ xe Khi các mô hình nghiên cứu đã trở nên ngày càng hoàn thiện, khu vực bánh xe và gầm xe cùng nhận được sự quan tâm nhiều hơn Mối quan tâm lớn thứ hai của các nhà nghiên cứu khí động học trong những năm gần đây là giảm các lực và mô men gây mất ổn định chuyển động Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc giảm lực nâng,

giảm các mô men và xem xét các trường

hợp có gió ngang

Để cải thiện tính năng khí động học,

giảm thiểu hệ số cản Cd, người ta thường

dùng các biện pháp sau đây:

2.1.1 Cánh đuôi:

Như chúng ta đã nghiên cứu ở

chương 1 thì việc gắn thêm một tấm cản

vào đuôi phía sau có thể giảm không gian

vùng xoáy do đó giảm được lực cản

Cánh có tác dụng hướng phần lớn luồng không khí trên mui xe thoát thẳng ra phía sau mà không quẩn trở lại, vì thế, làm giảm lực lực cản Khi đó, chỉ có một luồng không khí rất nhỏ chạy ra phía sau và quẩn dưới đuôi cánh Như vậy cánh đã làm giảm đáng

kể sự nhiễu loạn không khí xuất hiện ở chiếc xe không có dạng cánh

Hình 2.1: Dạng cánh đuôi xe

2.1.2 Cánh gầm:

Cánh gầm là tên gọi chung của cánh hướng gió

lắp phía dưới cản trước và cánh hướng gió lắp dọc

hông xe Cánh gầm lắp phía dưới mũi xe có tác dụng

làm biến đổi luồng không khí lưu động phía dưới

gầm xe Chúng ta thường gọi cánh gầm lắp đặt ở gờ

đáy của cản trước là “cản gió trước” Và những tấm

chắn dọc hông xe là “tấm chắn gió ngang” Để hiểu

tác dụng của chúng, trước hết chúng ta hãy phân tích

luồng không khí ở mặt dưới sàn xe

Luồng không khí ở phía dưới sàn xe luôn là điều không mong muốn Có nhiều bộ phận như động cơ, hộp số, trục lái và vài bộ phận khác phơi trần dưới đáy xe Chúng sẽ ngăn cản luồng không khí, đó không chỉ là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn làm tăng lực cản mà nó còn làm chậm luồng không khí và tăng lực nâng theo nguyên lý Bernoulli Cánh gầm và cánh cản

ngang được sử dụng để giảm

luồng không khí bên dưới bằng

cách hướng không khí đi qua

những mặt bên cạnh của xe Kết

quả là chúng làm giảm bớt lực

cản và lực nâng do luồng không

khí phía dưới sinh ra Nói

chung, cánh cản ngang càng

thấp thì hiệu quả càng cao

Chính vì thế mà ta nhìn thấy

những chiếc xe đua có cánh

gầm và cánh cản ngang gần sát với mặt đường Tuy nhiên với phương pháp này khó áp dụng cho những chiếc xe phổ thông vì ô tô đua di chuyển trên những cung đường đạt tiêu chuẩn cao không có gồ ghề Trong khi việc ô tô phổi thông di chuyển trên những cung đường có địa hình, mặt đường khác nhau do đó nếu gầm ô tô quá thấp có thể đầu

mặt đường, sự kết hợp giữa đường dẫn

không khí và mặt đường tạo thành một

đường hầm gần như đóng kín Khi chiếc xe

đang chạy, không khí vào đường hầm từ

phía mũi rồi thoát thẳng ra phía sau khiến

áp suất không khí giảm dần về phía đuôi xe

và như vậy sẽ phát sinh lực nén Như vậy

sự bám đường của xe sẽ tăng lên khi xe

chuyển động ở tốc độ cao nhưng cũng

không làm giảm hệ số cản không khí đối với xe

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

Hệ thống điều khiển thụ động bao gồm việc sử dụng ít nhiều vật cản rời rạc, được thêm vào xung quanh hoặc trên nóc xe Chúng có thể được chia thành hai nhóm tùy theo ảnh hưởng của chúng đối với việc kiểm soát dòng chảy Nhóm đầu tiên bao gồm các chướng ngại vật được định vị trên bề mặt của hình học Nhóm thứ hai bao gồm các vật thể được đặt ở phía trên hoặc phía dưới của hình học cần được kiểm soát

Trong các phương pháp điều khiển dòng chảy bị động, đối với các dòng xe du lịch, việc sử dụng các bộ tạo xoáy (Vortex Generator – VG) được tập trung xem xét và nghiên cứu ứng dụng nhiều trong thực tế Bộ tạo xoáy là một bề mặt khí động học có các hình dạng như hình chữ nhật, hình tam giác và cánh tam giác (Hình 2.5) có xu hướng tạo xoáy trong dòng chất lỏng Ban đầu, bộ tạo xoáy được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, chủ yếu là để kiểm soát quá trình chuyển đổi lớp biên và trì hoãn sự tách thành lớp biên Sau đó, các loại VG khác nhau được sử dụng trong ô tô đua để điều khiển dòng chảy qua phía dưới phương tiện, chủ yếu để tạo ra lực nâng âm và giảm lực kéo cần thiết để có hiệu suất tốt hơn

Hình 2.4: Làm gầm ô tô thấp để hiệu ứng mặt

đường được phát huy

Mục tiêu của bộ tạo xoáy (VG) là giảm lực khí động học và để cải thiện hiệu suất nhiên liệu của xe ô tô Vị trí của bộ tạo xoáy từ đuôi cạnh của xe ảnh hưởng đến dòng chảy không khí qua xe Phân tích khí động học của một chiếc xe bằng phương pháp tính toán động lực học chất lỏng (CFD) và thực nghiệm trong đường hầm gió cho thấy sự chênh lệch áp suất giữa đầu xe và đuôi xe, được tạo ra bởi sự phân tách dòng chảy, dẫn đến lực cản Để trì hoãn việc phân tách dòng chảy, các bộ tạo xoáy VG được sử dụng, đặt tại phía sau trần xe, để tương tác với dòng chảy qua xe, từ đó làm chậm quá trình phân tách dòng chảy phía sau xe

Một loại hình dạng bộ tạo xoáy VG phổ biến là hình dạng Delta (tam giác) (Hình 2.5), được phân tích bởi Gopal và cộng sự (2012) [11] Nó đã được nhiều nhà nghiên cứu thử nghiệm và nhận thấy có hiệu quả tốt hơn cho hiệu suất khí động học trên mô hình ô tô Hình 2.6 cho thấy một nghiên cứu về việc ứng dụng bộ tạo xoáy VG Delta để giảm sức cản khí động cho xe SUV được thực hiện bởi P N Selvaraju và K M Parammasivam năm 2018 [12]

Nghiên cứu này nhằm mục đích đánh giá đặc tính khí động học của một mẫu xe SUV điển hình được gắn với bộ tạo xoáy (VG) ở các vị trí khác nhau liên quan đến mép mái phía sau của xe Các bộ tạo xoáy VG nằm trên nóc xe ở vị trí khác nhau từ mép đuôi

xe là 40 mm, 50 mm, 60 mm, 70 mm và 80 mm Đối với mỗi vị trí của VG, các thí

Hình 2 5: Bộ tạo xoáy VG hình dáng

Delta (tam giác)

Hình 2.6 : Mô hình ô tô SUV với VG

[12]

nghiệm đã được tiến hành ở mỗi tốc độ gió 14,95 m / s, 17,03 m / s, 20,71 m / s, 22,88

m / s, 24,81 m / s và 27,01 m / s Các trường dòng chảy xung quanh mô hình xe được quan sát ở các điều kiện tốc độ gió khác nhau Kết quả cho thấy ở trường hợp tốc độ gió thấp hơn, VG có tác động tối thiểu đến lực cản khí động học lên thân xe Tuy nhiên, trong trường hợp điều kiện tốc độ gió cao hơn, độ lớn của lực cản giảm đáng kể Khi các phương tiện di chuyển với tốc độ cao hơn, ví dụ trên đường cao tốc, vị trí của VG nên thay đổi về phía thượng lưu của phương tiện do dòng chảy phân luồng sớm Do đó, thử nghiệm được tiến hành ở các tốc độ gió và vị trí khác nhau của VG Phương pháp

mô phỏng số được thực hiện trong nghiên cứu này cung cấp các đặc tính dòng chảy xung quanh mô hình xe cho các tốc độ gió khác nhau Mô hình rối k − ε đã được sử dụng để mô phỏng và xác nhận với các kết quả thực nghiệm (Hình 2.7; 2.8; 2.9) Bằng cách sử dụng dữ liệu thử nghiệm, lực cản được xác định giảm 9,04% tại vị trí VG được tối ưu hóa Bài báo này cung cấp hiểu rõ hơn về định vị VG để nâng cao khả năng kiểm soát phân tách dòng chảy

Hình 2.5: Sự thay đổi của hệ số áp suất khi gió

tốc độ 14,95 m / s [12]

Hình 2.6: Sự thay đổi của mức tiêu thụ năng lượng trong

trường có và không có bộ tạo xoáy

Hình 2.7: Cường độ rối xung quanh xe trường hợp không có và có VG

thấy được của các hệ thống này bao gồm các lỗ tròn hoặc các khe phân bố trên bề mặt

xe, nơi phải kiểm soát dòng chảy Việc sử dụng chúng đòi hỏi hệ thống cơ học, điện từ, điện, áp điện hoặc âm thanh được đặt trong các bộ phận rỗng của xe Trọng lượng và kích thước tổng thể của chúng phải nhỏ nhất có thể để giảm tác động của chúng đến tiêu thụ và khối lượng của xe

Một số giải pháp kiểm soát đã được xác định, thử nghiệm và phân tích cho hàng không Nó cũng giống như vậy đối với thủy động lực học và khí động học của các phương tiện giao thông đường bộ Các giải pháp được thông qua thường bao gồm hệ thống hút hoặc thổi qua các khe hình tròn hoặc hình chữ nhật Việc hút và thổi có thể liên tục hoặc ngắt quãng

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

Oscillator)

Trong những năm gần đây, bộ dao động chất lỏng đã được quan tâm trở lại như bộ truyền động mới cho các mục đích kiểm soát dòng chảy chủ động Bộ tạo dao động chất lỏng là những thiết bị có thể phát ra một tia dao động không gian mà không cần bất kỳ

bộ phận chuyển động nào Bộ dao động chất lỏng có các ưu điểm sau : Kích thước nhỏ gọn, cấu tạo đơn giản, không chứa bất kỳ bộ phận chuyển động nào vì dao động của chúng là hoàn toàn tự sinh và tự duy trì và chỉ phụ thuộc vào động lực của dòng chảy bên trong, có khả năng tạo ra động lượng cao, bảo trì thấp Nhìn chung, các đặc tính này mang lại hệ thống truyền động mạnh mẽ và đáng tin cậy cao

Gärtlein et al, Ostermann và cộng sự [17] đã nghiên cứu thiết kế bộ truyền động

đã sử dụng Ostermann và cộng sự kiểm tra và thảo luận các phương pháp trung bình pha khác nhau của trường dòng dao động tự nhiên

Hình 2.8: Nguyên lý làm việc của bộ dao động chất lỏng [17]

2.3.2 Điều khiển dòng chảy chủ động với lực hút:

Harinaldi và cộng sự [19] đã nghiên cứu sử dụng các thiết bị hút dòng chảy để giảm lực cản cho một mô hình xe đơn giản, gọi là Ahmed Mô hình này được trang bị ống hút ở phía sau để thay đổi áp suất của vệt hút phía sua xe Việc nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm Cách tiếp cận mô phỏng sử dụng một phần mềm thương mại với mô hình rối k-epsilon tiêu chuẩn và mục tiêu là xác định các đặc tính của trường dòng chảy và giảm lực cản khí động học xảy ra trong mô hình thử nghiệm Phương pháp thực nghiệm sử dụng cảm biến lực để xác nhận việc giảm lực cản khí động học thu được bằng phương pháp mô phỏng Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng lực hút ở phần sau của mô hình xe van mang lại hiệu quả làm giảm sự hình thành xoáy Họ phát hiện ra rằng giảm lực cản khí động học là 13,86% đối với phương pháp mô phỏng và 16,32% đối với thử nghiệm

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

Bộ tạo tia tổng hợp là một thiết bị có khả năng truyền động lượng tuyến tính ra môi trường xung quanh bằng cách luân phiên hút và đẩy chất lỏng ra khỏi khoang chứa màng chắn dao động và đã được chứng minh là một thiết bị kiểm soát dòng chảy chủ động hữu ích Thiết bị có trọng lượng nhẹ, nhỏ gọn và giá thành rẻ Nó có thể dễ dàng được lắp đặt trên cánh máy bay hoặc xe tải mà không cần bất kỳ hệ thống ống dẫn chất lỏng nào Hơn nữa, SJA có tiềm năng hoạt động hiệu quả hơn đáng kể so với các phương pháp khác ở trạng thái ổn định Gần đây, bộ tạo tổng hợp đang nổi lên như một công nghệ kiểm soát dòng chảy chủ động đầy hứa hẹn để giảm lực cản khí động học

Một thiết bị tạo tia tổng hợp điển hình bao gồm một lỗ phun hoặc lỗ phản lực đối diện với một bên bởi một khoang kín khác và được gắn ở phía bên kia với bề mặt động chất lỏng Sự thay đổi tuần hoàn theo thời gian trong thể tích của khoang được tạo ra bởi một số cơ chế như piston dao động hoặc màng áp điện Những thay đổi về thể tích của khoang này gây ra sự trục xuất luân phiên và hút chất lỏng qua khe với thông lượng khối lượng tịnh bằng không (ZNMF) Quá trình này thường đi kèm với việc tạo ra một dòng xoáy ở các cạnh của lỗ / khe truyền động lượng và xoáy hữu hạn vào chất lỏng xung quanh Sự tương tác của các cấu trúc xoáy này với trường dòng chảy bên ngoài có thể gây ra sự bất ổn định và tăng cường sự trộn lẫn trong dòng chảy bên ngoài [21]

Một phần lớn tác động đến lực cản khí động học của xe xuất phát từ việc không thu hồi hoàn toàn áp suất trong vùng vệt hút, đặc biệt là trên các mô hình xe đuôi vuông Bideaux và cộng sự [22] thực hiện các nghiên cứu thử nghiệm trong một đường hầm gió

để kiểm soát sự phân tách dòng chảy trên mặt sau của một mô hình xe đơn giản (thân

xe Ahmed với tỷ lệ 0,7 và góc dốc là 35°) Phần sau của thân xe Ahmed đã được sửa đổi bằng cách thay đổi góc cạnh sắc nét giữa mái và cửa sổ sau bằng các bề mặt cong mịn Mô hình này được trang bị một dải bộ tạo dòng tia tổng hợp ở cuối trần sau của xe

để điều khiển dòng chảy với vận tốc 30 m / s dựa trên quá trình thổi định kỳ Khi có tần

số xung là 500 Hz và hệ số động lượng Cµ = 2,75x10−3 thì lực cản giảm tối đa 20% Kourta và Leclerc [23] đã áp dụng bộ tạo dòng tia tổng hợp trên phương tiện giao thông đường bộ Các thí nghiệm được tiến hành trong một đường hầm gió sử dụng mô hình Ahmed được thu nhỏ bằng 0,7 kích thước ban đầu Hiệu quả khí động học của việc điều khiển lực cản đã được phân tích cho các số Reynolds khác nhau, cho thấy lực cản giảm lên đến 8,5% đạt được ở Re = 1,2 × 106 với trần xe phía sau nghiêng 25° Bellman và cộng sự [24] đã mô phỏng việc giảm lực cản xe nhờ bộ tạo dòng tia tổng hợp Các mô phỏng số được thực hiện bằng cách sử dụng phương trình Reynolds-Averaged-Stokes không ổn định (URANS) kết hợp với mô hình rối k-ε hai phương trình Ba mô hình xe

đã được xem xét trong mô phỏng này, với các dữ liệu thử nghiệm có sẵn để so sánh với kết quả mô phỏng Các kết quả cho thấy lực cản giảm đáng kể 10–15%, do đó, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu từ 5–7%

Hình 2.9: Bộ tạo dòng tia tổng hợp [20]