Cơ khí động lực Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam

Từ thực tế trên, nghiên cứu sinh ñã thực hiện luận án Tiến sĩ với ñề tài: “Nghiên cứu cải thiện dạng khí ñộng học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam”.. Mục ñích, ñối tượng, phạm vi và nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Tô Hoàng Tùng

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN DẠNG KHÍ ðỘNG HỌC

VỎ XE KHÁCH LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí ñộng lực

Mã số: 62520116

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ðỘNG LỰC

Công trình ñược hoàn thành tại

Trường ðại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan

PGS.TS Hồ Hữu Hải

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Bang

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Nhật Chiêu

Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Trà

Luận án ñược bảo vệ trước Hội ñồng ñánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường ðại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ðHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Hiện nay, nhu cầu vận chuyển hành khách bằng ñường bộ tại Việt Nam ngày càng tăng cao, cơ sở hạ tầng, ñường sá giao thông phát triển rất tích cực, tốc ñộ di chuyển của các phương tiện vận tải hành khách cũng ñược nâng lên

rõ rệt Do ñó, lĩnh vực sản xuất ô tô khách nhận ñược sự quan tâm ñặc biệt của Chính phủ

Tại Việt Nam, có một số doanh nghiệp ñầu tư sản xuất và lắp ráp ô tô khách từ 24 - 80 chỗ phục vụ giao thông công cộng nhưng các cơ sở lắp ráp

xe hiện nay ñều chỉ lắp ráp dựa trên các bộ phụ tùng nhập khẩu Phần công việc chính ñược thực hiện trong nước là sản xuất khung vỏ với các công nghệ hàn, sơn và lắp ráp nội thất nhưng chất lượng còn ở mức ñộ hạn chế Vấn ñề nghiên cứu, tối ưu hóa kết cấu của vỏ xe nhằm nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật vận hành của ô tô chưa ñược quan tâm ñầu tư ðể những chiếc ô tô khách Việt Nam có thể cạnh tranh ñược với ô tô nhập khẩu, cần ñầu tư chiều sâu, ñặc biệt là ñầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao, trong ñó vấn ñề quan trọng hàng ñầu cần ñược ưu tiên ñầu tư nghiên cứu là tối ưu hóa dạng khí ñộng học vỏ xe nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và nâng cao tính an toàn chuyển ñộng

Từ thực tế trên, nghiên cứu sinh ñã thực hiện luận án Tiến sĩ với ñề tài:

“Nghiên cứu cải thiện dạng khí ñộng học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam”

Luận án là một công trình nghiên cứu sâu ñầu tiên về khí ñộng học ô tô

ở Việt Nam Các kết quả nghiên cứu của Luận án góp phần từng bước tạo ra một cơ sở lý thuyết vững chắc cho sự phát triển lâu dài của ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam

2 Mục ñích, ñối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu

Mục ñích của luận án:

Xây dựng mô hình khảo sát, ñánh giá dạng khí ñộng học vỏ xe ô tô khách và ñề xuất các giải pháp cải thiện dạng khí ñộng học nhằm giảm thiểu lực cản khí ñộng tác dụng lên ô tô

ðối tượng nghiên cứu:

ðối tượng nghiên cứu của Luận án ñược lựa chọn là ô tô khách cỡ lớn với mẫu xe tham khảo cụ thể là ô tô khách 51 chỗ của Trường Hải THACO KB120LSI

Phạm vi nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu về lực cản khí ñộng với tiêu chí ñánh giá

là hệ số cản Cx và các yếu tố ảnh hưởng ñến nó trên mô hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt mưa, các khe gờ trên vỏ, kính, …)

Nội dung nghiên cứu

Luận án gồm các nội dung chính như sau:

1 Tổng quan về vấn ñề nghiên cứu

2 Xây dựng mô hình mô phỏng khí ñộng học vỏ xe khách

3 Nghiên cứu khí ñộng học vỏ ô tô khách bằng phần mềm ANSYS - FLUENT

4 Nghiên cứu khí ñộng học vỏ xe khách trong ống khí ñộng

5 Kết luận

Trên cơ sở bám sát mục ñích, ñối tượng, phạm vi và các nội dung nghiên cứu trên, NCS ñã triển khai thực hiện luận án với các nội dung ñược trình bày trong bốn chương và phần kết luận

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

Trong chương này, luận án thực hiện các nội dung:

- Khảo sát, ñánh giá chung về lĩnh vực sản xuất ô tô khách, công nghệ sản xuất vỏ xe khách tại Việt Nam hiện nay, từ ñó xác ñịnh ñược vị trí, vai trò và tầm quan trọng của vấn ñề nghiên cứu của luận án trong thực tế tại Việt Nam

- Nghiên cứu chung về khí ñộng học và khí ñộng học ô tô cũng như tìm hiểu về xu hướng nghiên cứu, các công trình nghiên cứu về khí ñộng học ô tô hiện nay trên thế giới, xác ñịnh các khó khăn trong quá trình thực hiện nghiên cứu, từ ñó lựa chọn ñược phương pháp, ñối tượng, phạm vi và nội dung

nghiên cứu phù hợp cho luận án, ñặc biệt trong ñiều kiện khó khăn của Việt Nam hiện nay

Qua quá trình nghiên cứu, luận án nhận thấy các xu hướng nghiên cứu gần ñây của các tác giả trên thế giới vẫn tập trung vào việc giải quyết những vấn ñề chính của khí ñộng học bằng nghiên cứu lý thuyết hoặc thực nghiệm như sau:

+ Giảm lực cản khí ñộng nhằm cải thiện tính năng ñộng lực học của ô tô

và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu

+ Giảm tối ña các lực và mô men gây mất ổn ñịnh chuyển ñộng nhằm nâng cao tính an toàn chuyển ñộng, ñặc biệt là ñối với các loại ô tô có tốc ñộ cao hay trong trường hợp gặp gió ngang lớn (bão)

+ Tận dụng dòng chảy không khí ñể thông gió trong khoang xe, cải thiện khả năng làm mát ñộng cơ và các cơ cấu phanh của ô tô trong quá trình chuyển ñộng

+ Giảm ñộ ồn khí ñộng do tương tác giữa dòng chảy không khí với vỏ xe Trong nghiên cứu lý thuyết, vấn ñề lớn nhất vẫn là nâng cao dần mức ñộ phức tạp của bài toán nhằm giải ñược phương trình Navier - Stokes ở cấp ñộ cao hơn Nếu như trước ñây, các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn ñể giải phương trình Ơ le với mô hình phẳng [5] thì ngày nay, vấn ñề ñang ñược quan tâm giải quyết là phương trình Reynolds trung bình hóa cho dòng chảy rối (Reynolds Average Navier Stokes - RANS) Trong ñó

mô hình với 2 phương trình bổ sung (phổ biến hơn cả là mô hình k - ε) ñược

sử dụng rộng rãi nhất Những công bố gần ñây nhất (từ 2008 - 2012) cho thấy phương trình Reynolds cho dòng rối vẫn ñang tiếp tục là công cụ chính của các nhà nghiên cứu khí ñộng học ô tô [5, 24, 27, 31, 40, 62, …]

Các phần mềm chuyên dụng cũng ñược sử dụng ngày càng nhiều hơn trong các nghiên cứu lý thuyết Chẳng hạn, gần ñây nhất, R K Petkar (3/2014) cùng các ñồng tác giả ñã công bố kết quả nghiên cứu lý thuyết, trong ñó sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng bằng ANSYS FLUENT

ñể ñưa ra các giải pháp giảm lực cản không khí ñối với ô tô ñua [56] Những

công trình khác cũng cho thấy nhiều nhà nghiên cứu ñã sử dụng thành công phần mềm này ñể mô phỏng và tính toán khí ñộng học vỏ xe ô tô, như Manan Desai (2008) [46], Chalmers (2012) [31], …

Các công trình nghiên cứu ñã công bố gần ñây cũng cho thấy, việc giải phương trình Navier - Stokes ở mức cao hơn nữa chưa ñược ñặt ra ñối với khí ñộng học ô tô [5] do mức ñộ phức tạp cao của bài toán ñòi hỏi phải có công cụ

hỗ trợ mạnh, thời gian thực hiện mô hình và thời gian tính toán rất lớn cùng với các chi phí cao hơn nhiều

Trong nghiên cứu thực nghiệm, vấn ñề ñang ñược quan tâm hơn cả là hoàn thiện ñiều kiện thử nghiệm sao cho gần với thực tế hơn nhằm nâng cao

ñộ chính xác và ñộ tin cậy của các kết quả ño Mặc dù ống khí ñộng tương thích với kích thước thực của ô tô ñược cho là ñáng tin cậy và cho kết quả chính xác hơn, nhưng cho tới nay người ta vẫn phải sử dụng các ống khí ñộng với các mô hình thu nhỏ vì lý do tài chính [46]

Sau khi ñã phân tích, ñánh giá, luận án lựa chọn:

+ Phương pháp nghiên cứu: kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm Nội dung chính của phần nghiên cứu lý thuyết là xây dựng mô hình không gian vỏ xe ô tô khách và ñưa vào tính toán khảo sát trong phần mềm Fluent (ANSYS) Cơ sở lý thuyết của mô hình tính 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

Phần nghiên cứu thực nghiệm sử dụng ống khí ñộng ñể thực hiện một số thí nghiệm mang tính kiểm chứng Do ñiều kiện trong nước không có ống khí ñộng ñủ lớn, Luận án sẽ sử dụng mẫu thu nhỏ của vỏ xe ñể thí nghiệm Mục ñích chính của các thí nghiệm là xác ñịnh lực cản và hệ số cản không khí tác ñộng lên vỏ xe ñể ñối chiếu với kết quả tính toán bằng mô hình mô phỏng trong cùng ñiều kiện như nhau

+ ðối tượng nghiên cứu: ðối tượng nghiên cứu của Luận án ñược lựa chọn là ô tô khách cỡ lớn với mẫu xe tham khảo cụ thể là ô tô khách 51 chỗ của Trường Hải THACO KB120LSI

+ Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu về lực cản khí ñộng với tiêu chí ñánh giá là hệ số cản Cx và các yếu tố ảnh hưởng ñến nó trên mô hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt mưa, các khe gờ trên

Phương trình liên tục:

0

=

u div (2.1)

Phương trình bảo toàn ñộng lượng:

u gradp F

dt

du

∆ +

ðây là một hệ phương trình khép kín (4 phương trình và 4 ẩn số) gồm các phương trình ñạo hàm riêng nên việc giải quyết bài toán thường rất phức tạp Hơn nữa, dòng chảy bao quanh vỏ xe là dòng rối, nên các nhà nghiên cứu thường sử dụng phương trình Reynolds Navier - Stokes trung bình hóa (Reynolds Average Navier Stokes, viết tắt là RANS) Bằng cách mô tả các thông số a bất kỳ của dòng chảy bằng tổng của hai thành phần: thành phần không biến ñộng a (là giá trị trung bình của a) và thành phần biến ñộng a’,

các thông số của dòng chảy ñược mô tả:

i i

'

p p

Trong phương trình trên, ρ u 'iu 'j ñặc trưng cho ứng suất nhớt của dòng rối và thường ñược gọi là ứng suất Reynolds, ký hiệu ten sơ ứng suất của dòng rối là τij t:

ñể mô tả µt Trên cơ sở các yêu cầu của bài toán và khả năng tính toán của máy tính hiện có, NCS ñã lựa chọn loại mô hình “hai phương trình” ñể mô phỏng và tính toán khí ñộng học vỏ xe khách

2.2 Mô phỏng khí ñộng học vỏ xe bằng ANSYS - FLUENT

NCS ñã sử dụng mô ñun FLUENT trong phần mềm chuyên dụng ANSYS ñể mô phỏng, tính toán và khảo sát dòng khí bao quanh vỏ xe trong nghiên cứu của luận án Mô hình tính toán ñược lựa chọn là “SST k - ω”

ðể giải bài toán, NCS ñã xây dựng mô hình 3D, lựa chọn vùng không gian mô phỏng, chia lưới, ñặt các ñiều kiện biên và ràng buộc tính toán và cuối cùng là tiến hành chạy chương trình, xuất và xử lý kết quả

Kết quả tính toán ñược xuất ra dưới dạng số liệu gồm các lực và mô men theo 3 phương và các hình ảnh về phân bố áp suất, vận tốc và ñường dòng Từ giá trị lực cản tính ñược, người ta xác ñịnh hệ số cản Cx theo công thức:

A V

3.1 Phương pháp nghiên cứu

Phần này trình bày việc mô phỏng, tính toán và khảo sát hình dạng khí ñộng học vỏ xe ô tô chở khách bằng phần mềm ANSYS - FLUENT nhằm ñưa ra các ñề xuất cải thiện hợp lý nhất Tiêu chí cơ bản ñể ñánh giá là hệ số cản không khí Cx Các nội dung cơ bản ñã thực hiện như sau:

- Lựa chọn một mẫu xe khách lắp ráp trong nước là THACO KB120LSI (hình 3.2) làm xe cơ sở Tiến hành mô phỏng khí ñộng học vỏ xe cơ sở này, phân tích ñánh giá chất lượng khí ñộng học của nó

- Sử dụng mô hình cơ sở dạng hộp chữ nhật (hình 3.1) ñể khảo sát ảnh hưởng của các thông số hình học tới các tính chất khí ñộng học của nó nhằm ñưa ra các giải pháp cải thiện

- Trên cơ sở kết cấu của vỏ xe tham khảo và các kết quả khảo sát trên, lựa chọn các thông số hình học ñể tạo nên vỏ xe mới với hệ số cản khí ñộng nhỏ nhất mà vẫn ñảm bảo ñược các yêu cầu cốt yếu ñối với vỏ xe khách (không gian sử dụng, bố trí nội thất và trang thiết bị, tính thẩm mỹ, …)

- Khảo sát ñánh giá mô hình vỏ xe mới ñược lựa chọn trên ñây và so sánh với vỏ xe cơ sở

ðể thực hiện mô phỏng và tính toán bằng ANSYS, NCS ñã sử dụng phần mềm ANSYS (có bản quyền) và hệ thống máy tính mạnh của Trung tâm Phát triển và Ứng dụng Phần mềm công nghiệp (DASI), Trường ðHBK

Hà Nội ðồng thời, NCS cũng nhận ñược các ý kiến tư vấn về chuyên môn của các chuyên gia phần mềm giàu kinh nghiệm của DASI

Hình 3.1 - Các thông số khảo sát của biên dạng vỏ xe

ðể khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới lực cản khí ñộng, NCS ñã chọn mô hình cơ sở là một hình hộp chữ nhật (hình 3.1) ðồng thời, chấp nhận bỏ qua các chi tiết nhỏ như gương chiếu hậu của xe, các gân, gờ, khe hở của vỏ xe, hốc bánh xe và các chi tiết nhỏ khác liên quan ñến vỏ xe như gạt mưa, ăng ten, tay nắm cửa, …

Các thông số khảo sát (xem hình 3.1) bao gồm:

- Góc nghiêng của kính chắn gió phía trước (α);

- Góc nghiêng của kính phía sau (β);

- Góc vát hai thành bên ở phía ñuôi (γ);

- Bán kính góc lượn giữa nóc xe và hai thành bên (R1);

- Bán kính góc lượn giữa kính phía sau và nóc (R2);

- Bán kính góc lượn giữa thành sau (gồm cả kính phía sau) và hai thành bên (R3);

- Bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc (R4);

- Bán kính góc lượn giữa thành trước (gồm cả kính chắn gió) và hai thành bên (R5)

3.2 Mô phỏng, khảo sát, ñánh giá chất lượng khí ñộng học của vỏ xe khách cơ sở

Hình 3.2 - Xe ô tô khách tham khảo (THACO KB120LSI)

6000 12000

Thông số kích thước bao của vỏ xe khách ñược lấy theo mẫu xe THACO KB120LSI ñược lắp ráp tại Công ty cổ phần ô tô Trường Hải với các kích thước như trên hình 3.2

Các giả thiết của bài toán mô phỏng:

- Mô hình vỏ xe là tuyệt ñối cứng, không xảy ra sự biến dạng của vỏ xe trong suốt quá trình mô phỏng

- Bỏ qua quá trình trao ñổi nhiệt giữa vỏ xe và không khí

- Bề mặt vỏ xe là bề mặt nhẵn, gầm xe ñược bọc phẳng (không xét ñến các yếu tố khác như gương chiếu hậu, gạt mưa, các gân, gờ, khe rãnh, hốc bánh xe, ăng ten, tay nắm cửa, …)

- Vận tốc dòng khí tại ñầu vào của không gian mô phỏng có phương song song với trục dọc của xe, hướng từ ñầu xe tới ñuôi xe và có giá trị không ñổi trong quá trình mô phỏng (


- Vận tốc không khí tại bề mặt vỏ xe và bề mặt giới hạn của vùng không gian mô phỏng bằng 0 m/s

- Không xét ñến bán kính cong của kính chắn gió phía trước và kính phía sau xe (coi kính chắn gió phía trước và kính phía sau xe là các mặt phẳng)

Sau khi xây dựng mô hình theo các giả thiết trên, lựa chọn không gian

mô phỏng, chia lưới, gán ñặt các ñiều kiện biên và thực hiện mô phỏng, ANSYS-FLUENT sẽ cho các kết quả dưới các dạng hình ảnh (phân bố áp suất, phân bố vận tốc, ñường dòng bao quanh vỏ xe), ñồ thị, bảng giá trị số Với vỏ xe cơ sở, sau khi mô phỏng luận án thu ñược các kết quả dưới dạng hình ảnh và bảng số, có thể ví dụ như một số kết quả sau:

Bảng 3.1-Giá trị hệ số lực cản, lực và mô men theo các phương

Hình 3.7 - Phân bố áp suất trên

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới khí ñộng học

Các kết quả cho thấy, ñối với dạng vỏ xe khảo sát, các thông số góc nghiêng của kính chắn gió phía trước α, bán kính góc lượn R4, R5 là các thông số ảnh hưởng nhiều nhất tới hệ số cản Cx (hình 3.15, 3.40, 3.47), các thông số còn lại ảnh hưởng không ñáng kể tới hệ số Cx này (ví dụ như hình

3.20) So sánh các hình ảnh về sự thay ñổi phân bố áp suất xung quanh vỏ xe

và giá trị áp suất là một trong những bằng chứng giúp giải thích ñược sự thay ñổi các giá trị lực cản Fx, dẫn ñến có sự thay ñổi Cx như vậy (Ví dụ như các hình 3.16, 3.17, các hình 3.45, 3.46 và các hình 3.51, 3.52 giải thích cho sự thay ñổi của Cx ở các hình 3.15, 3.40 và 3.47 tương ứng)

00.20.40.60.811.2