Cải tiến, nâng cấp bộ thí nghiệm ống khí động và xây dựng các bài thí nghiệm xác định lực cản khí động

Ống khí động sẽ có thể được dùng để thí nghiệm với các vật thể, mô hìnhvới nhiều hình dáng khác nhau, mô hình ô tô, cánh máy bay, tua bin gió… Phương pháp của nhóm để thực hiện việc nghi

mục đích đó, nhóm chúng em thực hiện đề tài tốt nghiệp: “Cải tiến, nâng cấp bộ thí nghiệm ống khí động và xây dựng các bài thí nghiệm xác định lực cản khí động”

Với đề tài này, mục tiêu của nhóm là thiết kế, xây dựng được bộ thí nghiệm hoànchỉnh để tiến hành thí nghiệm trên ống khí động Bộ thí nghiệm sẽ xác định được cáclực khí động như lực cản, lực nâng tác dụng lên vật thể và hiển thị kết quả bằng mànhình LCD Ống khí động sẽ có thể được dùng để thí nghiệm với các vật thể, mô hìnhvới nhiều hình dáng khác nhau, mô hình ô tô, cánh máy bay, tua bin gió…

Phương pháp của nhóm để thực hiện việc nghiên cứu với đề tài là thiết kế bộ môhình thí nghiệm điều khiển và hiển thị bằng điện tử, tiến hành thí nghiệm với các môhình, xác định các lực cản khí động và so sánh với các thông số thực tế Nhóm cũngđọc thêm các tài liệu nước ngoài phục vụ cho việc nghiên cứu của mình

Cấu trúc đồ án tốt nghiệp gồm hai phần: Mô hình nâng cấp và thuyết minh Mô hìnhđược chia làm hai phần: Bộ đế ru lô để mô phỏng mặt đường và chuyển động quay củabánh xe, Bộ điều khiển góc nghiêng cánh máy bay Thuyết minh cũng được xây dựng

từ hai phần của mô hình, tuy nhiên sẽ có thêm phần xây dựng các thí nghiệm để xácđịnh lực cản khí động

Chương 1 MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Trong hoạt động sống của mình, có nhiều lĩnh vực con người phải giải quyết bàitoán về các lực tác dụng lên vật ngập trong chất lỏng chuyển động Từ việc xác địnhlực cản gió tác dụng khi ô tô di chuyển để xác định tính năng động lực Xác định lựcnâng tác dụng lên một biên dạng cánh trong quá trình thiết kế, chế tạo máy bay v.v.Việc đặt các thiết bị đo đạc lên một phương tiện đang di chuyển để đánh giá, khảo sátcác lực tác động lên bề mặt là rất khó khăn và nguy hiểm Để giải quyết các bài toánnày con người cần phải có một công cụ để tạo ra nguồn gió và phải điều khiển đượcnguồn gió này để phục vụ cho quá trình nghiên cứu, tính toán của mình

Trong ống khí động là một thiết bị được sử dụng để tạo ra một dòng khí nhân tạochảy qua một vật thể đứng yên để xác định các lực khí động tác dụng lên vật thể vàphân bố áp suất trên bề mặt của vật thể này để mô phỏng các trường hợp thực tế Ốngkhí động đưa ra một giải pháp nhanh chóng, thuận tiện, kinh tế và chính xác trong hoạtđộng nghiên cứu khí động học

Vấn đề quan trọng nhất đối với ống khí động đó là khả năng tạo ra một trường dòngchảy có vận tốc đều đi qua vật thể cần thí nghiệm, bảo đảm tính hiệu quả và chi phíhoạt động cần thiết Trong đồ án này, nhóm chúng em đã thiết kế, xây dựng các môhình cải tiến trên nền ống khí động đã có sẵn để phục vụ tốt hơn và chính xác hơn choviệc nghiên cứu khí động học và thực hiện một số thí nghiệm trực tiếp trên ống khíđộng này để xác định được lực cản khí động và phân bố áp suất lên bề mặt vật thể.Ống khí động được dùng để thí nghiệm có tiết diện buồng đo là hình vuông vớichiều dài mỗi cạnh là 36,4 cm và chiều dài của buồng đo là 72 cm Chiều dài tổng thểcủa ống khí động là 3,7 m Vận tốc gió lớn nhất đi qua buồng đo là 25 m/s Trong đềtài này, nhóm chúng em đưa ra các giải pháp và nâng cấp ống khí động đã có theohướng tự động hóa Bên cạnh đó chúng em cũng thực hiện các thí nghiệm trên ống khíđộng bằng những bộ nâng cấp

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ ỐNG KHÍ ĐỘNG

Thông tin thực nghiệm phục vụ cho việc giải quyết các vấn đề khí động học và thủyđộng lực học có thể đạt được bằng nhiều cách từ thí nghiệm bay, kiểm tra thả, xe tênlửa; đường hầm nước, cánh tay xoắn, ống sốc, bàn nước, mô hình bay, kiểm tra đường

bộ, dãy đạn đạo; và còn rất nhiều các phương pháp khác dẫn đến một danh sách gầnnhư vô tận Mỗi cách thức, thiết bị có tính năng ưu việt riêng và không một thiết bị nào

có thể được gọi là "tốt nhất" Ống khí động được thiết kế và sử dụng như một phươngpháp hữu hiệu để thực hiện các thí nghiệm về khí động học Việc sử dụng ống khíđộng tiết kiệm cả chi phí và công sức chế tạo cũng như việc thí nghiệm cũng trở nên

dễ dàng hơn Các quốc gia và các ngành công nghiệp của thế giới hỗ trợ nghiên cứukhí động học, trong đó thí nghiệm với các đường hầm gió hay ống khí động là mộtmục tiêu chính, theo nhu cầu, khả năng và mong muốn của họ Ở nhiều quốc gia, cómột tổ chức nghiên cứu quốc gia riêng biệt nhằm gia tăng các hoạt động của các dịch

vụ hỗ trợ cho việc nghiên cứu này Có rất nhiều nghiên cứu và phát triển khí động họcđược thực hiện bởi các tập đoàn vì mục đích dân dụng trong việc phát triển máy bay, ô

tô, phương tiện đường biển và các cấu trúc kiến trúc Điển hình là đại diện bởi cácthành viên của Hiệp hội Thử nghiệm Khí động học cận âm Subsonic (SATA)

Ống khí động ra đời cách đây gần 100 năm, nhưng tới bây giờ vẫn là công cụ rấthữu ích cho các nhà nghiên cứu khí động Mặc dù trong thế giới ngày nay đã có rấtnhiều phương pháp thay thế để nghiên cứu các đặc tính của dòng khí tác động lên cácvật thể bay như các phương pháp mô phỏng số sử dụng máy vi tính, nhưng vẫn chưathể loại bỏ hoàn toàn tác dụng của ống khí động Thông thường trong những côngđoạn cuối nghiên cứu khí động vật thể bay vẫn được kiểm tra lại bằng việc làm thínghiệm trong ống khí động Cơ cấu của ống thổi khí rất chi là đơn giản, bao gồm mộtống tạo luồng, bên trong lắp đặt hệ thống cánh quạt gió, và bên ngoài thì đặt các thiết

bị cân đong đo đếm mà người ta gọi là Cân khí động Hiện đại hơn nữa thì có thêm các

hệ thống Cân điện tử sử dụng các cảm biến điện trở, các tín hiệu từ cảm biến đượcchuyển tới các máy vi tính để chế biến thành các đồ thị phụ thuộc lực khí động, mômen, … vào các trạng thái đặt vật thí nghiệm Như vậy là tiện hơn rất nhiều so vớitrước đây khi phải dùng bút để ghi ghi chép chép các thông số hiển thị trên các đồng

hồ đo, hoặc trên các vạch cân rồi thống kê lại mà vẽ đồ thị

Tùy thuộc vào chức năng, kiểu dáng của mình mà ống khí động được chia thành cácloại: ống dưới âm, cận âm, siêu thanh, ống khép kín, ống hở, ống tạo luồng ổn định,không ổn định, ống có thể thay đổi mật độ không khí, ống thì không

Hình 2.1 Mô hình máy bay X-48 đang được thí nghiệm trong ống khí động, trung

tâm nghiên cứu Langley NASA, Hampton, Virginia, Hoa KỳKhông chỉ có mục đích là “thổi” các vật thể bay mà ống khí động còn giúp conngười “thổi” bất kỳ vật gì chịu tác động các lực đáng kể sinh ra bởi không khí Sựcạnh tranh giữa các nhà chế tạo xe đua ngày nay cũng rất khốc liệt, để nhích xa vànhanh hơn đối thủ một chút xíu thôi cũng là vấn đề cần công nghệ hóa, các ô tô đuachạy với tốc độ lớn thường chịu ảnh hưởng lớn bởi các lực khí động, mà quan trọngnhất là lực cản, con người đã chứng minh rằng lực cản rất có ích cho cuộc sống, nhưngchỉ cần giảm đi một vài phần trăm lực cản thì cũng đã cho ra đời một dòng sản phẩmmới, tiết kiệm nhiên liệu một cách đáng kể và tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm.Cho nên ta cũng không cần ngạc nhiên khi các xưởng chế tạo thay phiên nhau đưanhững chiếc xe đua của mình vào ống thổi để tìm cách tối ưu hóa kiểu dáng khí động

Hình 2.2 Mô hình xe đua Pagani Zonda F đang được thí nghiệm trong ống khí động.Hiện đại hơn người ta còn đưa cả một thành phố, một khu đô thị vào ống thổi Giờđây có ống khí động ta sẽ biết được các luồng gió di chuyển thế nào giữa các tòa nhà,không khí trong lành giúp tốt cho sức khỏe con người Không chỉ dừng lại ở đó, việcđưa các tòa nhà cao tầng vào ống thổi khí ta có thể kiểm tra được tòa nhà đó chịu đựng

được những cơn bão cấp mấy, làm tiền đề cho các nhà cấu trúc nghiên cứu cấu trúc tòanhà.

Hình 2.3 Mô hình trường Đại học kiến trúc TP HCM ứng dụng khí động học sẽ

được xây dựng tại quận 9Không chỉ được áp dụng cho thủy khí, kiến trúc, xây dựng, ống khí động còn có thểđược áp dụng cho thể thao Có lẽ sẽ có người hỏi thêm rằng, làm sao mà những vậnđộng viên nhảy dù họ có thể làm được các động tác nhào lộn, bay lượn như chim trênbầu trời, rồi họ lại ghép thành vòng đẹp tròn đẹp mắt, việc đó làm rất là khó thế mà họlàm được, họ đã tập luyện rất công phu mới biểu diễn được như vậy Nơi họ luyện tập

là một ống khí động cỡ lớn, các cánh quạt tạo gió tạo ra luồng gió thổi lên phía trên

Hình 2.4 Các vận động viên đang tập luyện với ống khí động

2.1 Các loại ống khí động chính

Như đã giải thích ở trên, ống khí động hay hầm gió được mô tả như một mô hình,thiết bị mô phỏng lại diễn biến của dòng khí hay chất lỏng theo điều kiện gần giốngnhất với điều kiện thực tế Các mô hình, vật mẫu sẽ được đặt vào một khu vực gọi làbuồng đo, thông thường buồng đo được làm trong suốt để có thể quan sát được dòngkhí đi qua vật thể thí nghiệm

Có nhiều loại ống khí động khác nhau với các trang bị để thí nghiệm cũng khácnhau Tuy nhiên một hầm gió cơ bản cần có những phần và trang bị như buồng nắndòng, buồng hút, buồng đo, ống khuếch tán và quạt gió Các hầm gió lớn và hiện đạicòn được trang bị thêm các cảm biến, phiến hướng dòng, khu vực điều khiển, cameraghi hình…

Hình 2.5 Mô hình ống khí động cơ bảnỐng khí động nhìn chung được phân loại theo tốc độ dòng khí trong buồng đo hayphân loại theo hướng chuyển động của dòng khí Có hai loại ống khí động chính và haicấu hình thử nghiệm cơ bản Tuy nhiên, có rất nhiều các biến thể về đặc trưng cụ thểcủa các ống khí động khác nhau Hai loại cơ bản là ống khí động kín và ống khí động

hở Không khí chảy qua một ống khí động mạch hở đi theo một con đường thẳng từ lốivào qua buồng nắn dòng tới buồng đo tiếp theo là ống khuếch tán, phần quạt và đầu racủa dòng không khí Ống khí động có thể có buồng đo không có phần bao rắn (dòngkhí hở hoặc loại Eiffel) hoặc phần bao rắn (dòng khí kín hoặc kiểu National PhysicalLaboratory (NPL)) Hình 2.6 cho thấy sơ đồ của một ống khí động loại hở với mộtdòng khí kín

Hình 2.6 Sơ đồ khu vực thí thí nghiệm với ống khí động loại hở, Diamler-Benz

Aerospace Airbus, Bremen, ĐứcKhông khí trong một ống khí động kín, kiểu Prandtl hoặc kiểu Gottingen, tuần hoànliên tục không hoặc ít có sự trao đổi với không khí bên ngoài Một ví dụ của một ống

khí động mạch kín được thể hiện trong hình 2.7 Đại đa số các ống khí động mạch kín

có một đường không khí trở lại duy nhất, tuy nhiên các biến thể đã cho ra ống khíđộng với nhiều đường quay lại Ống khí động loại kín có thể có phần kiểm tra đónghoặc mở, và một số đã được xây dựng mà có thể chạy bằng phần thử nghiệm mở hoặcđóng, nếu cần cho một chương trình thử nghiệm cụ thể Như với bất kỳ thiết kế kỹthuật nào, có ưu điểm và nhược điểm với cả ống khí động hở và ống khí động kín Nóichung, loại ống khí động được quyết định dựa trên chi phí sẵn có và mục đích thínghiệm

Hình 2.7 Hầm gió loại kín, Defense Establishment Research Agency @ERA,

1 Nếu đặt trong một căn phòng, tùy thuộc vào tỷ lệ của ống khí động và căn phòng,

sẽ cần có một màng che để lọc không khí trước khi vào ống

2 Với một kích thước và tốc độ, ống khí động sẽ cần nhiều năng lượng hơn để vậnhành, đặc biệt là trong các thí nghiệm nâng cao

3 Nhìn chung, ống khí động loại hở thường ồn khi làm việc, cần có các biện phápcách âm hoặc khử rung.

Vì giá thành ban đầu để xây dựng không cao, ống khí động loại hở thường đượcdùng cho các trường đại học nơi mà các thí nghiệm chỉ phục vụ cho các môn học, họcphần và việc nghiên cứu nâng cao là chưa cần thiết

- Ống khí động loại kín

+ Ưu điểm

1 Thông qua phiến dẫn dòng và các tấm chắn, chất lượng dòng không khí đượckiểm soát Phần quan trọng nhất phụ thuộc vào các hoạt động thí nghiệm và ảnh hưởngcủa điều kiện thời tiết

2 Cần ít năng lượng hơn đối với một buồng đo và vận tốc gió cụ thể Điều này rấtquan trọng trong các thí nghiệm dài ngày (hai hoặc ba lần một ngày, năm đến sáu ngàymột tuần)

3 Làm việc êm, ít gây ra tiếng ồn

+ Nhược điểm

1 Giá thành cao hơn rất nhiều do giá của ống tuần hoàn và phiến dẫn dòng

2 Bị ảnh hưởng bởi điều kiện làm sạch nếu thí nghiệm với động cơ đốt trong haydòng khói để quan sát

3 Nếu phải thí nghiệm dài ngày, ống khí động cần phải có bộ trao đổi không khíhoặc các phương pháp khác để làm mát

Bên cạnh đó còn có các loại ống khí động như:

- Ống khí động dưới âm và cận âm (dòng khí chuyển động với tốc độ…)

+ Ống khí động V/STOL: có kích thước lớn nhưng tốc độ dòng khí chỉ cần nhỏ + Ống khí động quay: máy bay có xu hướng quay khi đứng yên trên không Ốngkhí động này dùng để mô phỏng hiện tượng đó

- Ống khí động cho ô tô, gồm có:

+ Ống khí động mô phỏng dòng chảy ngoài

+ Ống khí động mô phỏng thời tiết: ống khí động này dùng để đánh giá hoạtđộng của hệ thống cửa, hệ thống phanh…dưới các điều kiện thời tiết khác nhau Hầuhết các nhà sản xuất ô tô lớn có hệ thống ống khí động kiểu này

- Ống khí động dùng để đo tiếng ồn của dòng chảy.

2.2 Các cách đo đạc

Tốc độ dòng khí và áp suất được đo bằng nhiều cách khác nhau trong ống khí động.Vận tốc dòng khí qua buồng đo được xác định bằng phương pháp Bernoulli Hướng đicủa dòng khí xung quanh vật thể có thể xác định bằng cách đặt một búi chỉ lên bề mặtkhí động Để quan sát dòng chảy này có thể dùng một mũi nhỏ và đẩy khói hoặc bongbóng khí qua mũi vào dòng chất lưu

Các lực khí động tác dụng lên mô hình thường được đo bằng cảm biến đo lực, cảmbiến kết nối với mô hình thông qua thanh hoặc dây Sự phân bố áp suất qua mô hìnhthí nghiệm thường được đo bằng cách khoan nhiều lỗ nhỏ dọc theo chiều chuyển độngcủa dòng chất lưu sau đó dùng hệ thống ống nước để đo áp suất ở các lỗ Tuy nhiên

ngày nay người ta đã có phương pháp Sơn chịu áp, ở phương pháp này người ta sơn

một lớp sơn đặc biệt lên bề mặt cần đo, áp suất tại điểm đo càng cao, chất huỳnhquang trền bề mặt càng tối Một phương pháp khác để đo sự phân bố áp suất là dùngmột dãy các các cảm biến, kết nối với nhau thành một dây đai Dây này sau đó đượcgắn vào bề mặt cần đo và gửi tín hiệu để hiển thị sự phân bố

Các đặc trưng khí động học của mô hình thực tế và mô hình thí nghiệm có thể hoàntoàn khác nhau Tuy nhiên chúng ta có thể xem xét các quy luật tương đồng để đánhgiá sự khác biệt của các đặc trưng khí động học này

2.3 Các thông số quan trọng cho sự tương đồng

Tiến hành thí nghiệm với mô hình vật thể là hoạt động chủ yếu của hầu hết các ốngkhí động Tuy nhiên vì mô hình vật thể đã được thu nhỏ theo một tỷ lệ nào đó nênchúng ta cần xem xét sự ảnh hưởng của sự thu nhỏ này và các thông số quan trọng liênquan Với mục đích đó, cần xem xét các hệ số vô hướng xuất hiện trong các phươngtrình thủy khí Các hệ số này được chọn tùy theo mục đích của bài thí nghiệm, tuynhiên hầu hết chúng ta cần xem xét các hệ số và yếu tố sau:

- Sự tương đồng kích thước: tất cả các kích thước của mô hình thí nghiệm phảitương đồng và là bản thu nhỏ theo một tỷ lệ nào đó của mô hình thật

- Số Mach: tỷ số giữa tốc độ dòng khí so với tốc độ âm thanh của mô hình thínghiệm và mô hình thật phải giống nhau (có cùng số Mach giữa hai mô hình khôngnhất thiết là sẽ có cùng tốc độ dòng khí)

- Số Reynolds: tỷ số giữa lực quán tính và độ nhớt Tỷ số này khó để thỏa mãn với

mô hình thí nghiệm và điều này dẫn đến một sự cải tiến trong ống khí động để có thểthay đổi độ nhớt của dòng chảy, bù cho sự tỷ lệ của mô hình

- Số Froude: tỷ số giữa lực quán tính dòng chảy và ngoại lực (trong nhiều trườnghợp ngoại lực này do trọng lực sinh ra)

Khi một vật thể di chuyển trong chất lỏng, các lực tác dụng tăng dần vì độ nhớt củachất lỏng, tính đàn hồi, quán tính và trọng lực Các lực này được thể hiện trực tiếp quacác thuật ngữ khác nhau trong phương trình Navier-Stokes

lượng không khí này là kl 3 , trong đó l là chiều dài của vật thể và k là hằng số cho dạng

của vật thể Từ đó chúng ta có thể viết:

Lực quán tính

3

.l Vt

Lực đàn hồi = p.l2 (2.6)Vận tốc âm thanh a liên hệ với áp suất và khối lượng riêng theo công thức a2 = p

Phương trình cuối cùng có một căn bậc 2 Trong thí nghiệm ống khí động, sốFroude là một tham số quan trọng cho tính tương đồng và chỉ được dùng cho các thínghiệm động lực trong đó mô hình di chuyển và có tác dụng của lực khí động Trongcác thí nghiệm mà mô hình đứng yên trong khi thu thập số liệu, hệ số Reynolds và sốMach là tham số tương đồng quan trọng Nếu thí nghiệm ở mô hình có cùng hệ sốReynolds và số Mach như mô hình thực tế thì khi đó cả hai giống nhau về mặt khíđộng học Các phương trình vô hướng cho các thành phần vận tốc của chất lỏng, hệ số

áp suất, khối lượng riêng, độ nhớt và nhiệt độ sẽ như nhau đối với mô hình thí nghiệm

và mô hình thực tế Do đó lực và các hệ số mô men của dòng chảy cũng sẽ như nhau Với các điều kiện này, các lực lấy từ mô hình thí nghiệm quan hệ trực tiếp với các

lực trên mô hình thực tế bằng cách nhân thêm với các hệ số lực một lượng 1 V l2 2

2ρ∞ ∞

Mô men lấy từ mô hình thí nghiệm quan hệ trực tiếp với các lực trên mô hình thực tế

bằng cách nhân thêm với các hệ số mô men một lượng 1 2 3

V l

2ρ∞ ∞ Trong thực tế khó cóthể kết hợp cả hệ số Reynolds và số Mach vào mô hình thực tế trong một thí nghiệmvới mô hình nhỏ Vì vậy cần lựa chọn một thông số quan trọng nhất Việc kết hợp sốMach thường được áp dụng cho các phương tiện bay vì với các phương tiện bay vớitốc độ cao số Mach được xem là thông số quan trọng nhất Và ngược lại với cácphương tiện bay ở tốc độ thấp Rất nhiều thí nghiệm với ống khí động tỏ ra nhạy cảm

và bị ảnh hưởng bởi hệ số Reynolds Mặc dù việc kết hợp là khó khăn nhưng ống khíđộng vẫn là một trong những công cụ hữu hiệu nhất cho các thí nghiệm về khí độnghọc

Thực tế, từ quan hệ giữa mô hình thí nghiệm và mô hình thực tế, lực tác động trênmột bề mặt thực tế, là một hàm theo hệ số Reynolds, không đổi nếu dòng chảy, nhiệt

độ của nó và áp suất dòng tự do là không đổi Điều này có thể được thấy qua mộtthành phần lực Ví dụ lực cản, ta có:

Điều này cho thấy lực cản đối với một bề mặt nhất định với chiều dài khoảng 3m

và di chuyển với tốc độ 30 km/h bằng lực cản với cũng bề mặt đó với chiều dài 0,3m

di chuyển với tốc độ 300 km/h, nếu nhiệt độ chất lưu và áp suất không đổi Hay lựccản trên một mô hình xe tải bằng 1/8 mô hình thật ở tốc độ 300 km/h sẽ như lực cảnvới mô hình thật ở tốc độ 37 km/h.

2.4 Ống khí động và các dụng cụ được sử dụng trên ống khí động

2.4.1 Cấu tạo của ống khí động thí nghiệm

Ống khí động thí nghiệm là loại hầm hở, buồng đo kín và bao gồm các thành phần

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo ống khí động thí nghiệm

1 Buồng nắn dòng 2 Buồng hút 3 Buồng đo 4 Ống khuếch tán 5 Quạt gió

- Buồng nắn dòng

Đây là khu vực đầu tiên không khí đi qua ống khí động Buồng nắn dòng có tácdụng loại bỏ ảnh hưởng của các luồng gió bên ngoài,nắn thẳng dòng khí đi qua ốngkhí động để làm giảm các nhiễu động đan xen nhau của dòng khí tốc độ cao Cácnhiễu động này làm giảm sự chính xác khi mô phỏng dòng chảy qua vật thể khi quabuồng đo

- Buồng hút

Khu vực thứ hai dòng khí đi qua ống khí động là buồng hút Buồng hút có nhiệm vụhút một lưu lượng lớn không khí với vận tốc thấp bên ngoài và tăng tốc độ dòng khílên cao và hướng nó vào buồng đo

- Buồng đo

Sau khi đi qua buồng nắn dòng và buồng hút, dòng khí đã được nắn thẳng, đồngdạng và có vận tốc mong muốn sẽ đi vào buồng đo, nơi đặt mô hình thí nghiệm vàthiết bị mô phỏng dòng chảy Các cảm biến lực để xác định lực cản, lực nâng khí động

sẽ được gắn vào mô hình để xác định các ảnh hưởng dòng khí tác động lên nó

- Ống khuếch tán

Sau khi ra khỏi buồng đo, dòng khí sẽ đi qua ống khuếch tán Nhiệm vụ của ốngkhuếch tán là giảm tốc độ của dòng khí trước khi đi vào quạt gió để thoát ra ngoàihoặc tuần hoàn trở lại

- Quạt gió

Là quạt hướng trục, có công suất 2,2 kW Quạt gió có nhiệm vụ cung cấp nănglượng cho dòng khí để đi qua ống khí động để đạt được tốc độ lớn nhất tại buồng đo là

>25 m/s

Biến tần Schneider Altivar 312

Nhiệm vụ của biến tần

Vì quạt gió của ống khí động được sử dụng được dẫn động bởi động cơ điện ba phakhông đồng bộ Do đó, biến tần được sử dụng để thay đổi tốc độ động cơ, từ đó thayđổi vận tốc gió đi qua ống khí động đây là một thiết bị không thể thiếu đối với ốngkhí động vì một trong những yêu cầu đối với ống khí động là điều khiển được vận tốcdòng không khí đi qua vật thể thí nghiệm

Hình 2.9 Biến tần Schneider Altivar 312Nguyên lý hoạt động của biến tần

Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiềubằng phẳng Sau đó, điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện ápxoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạn này được thực hiện thông qua hệ IGBT(transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung

(PWM) Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần sốchuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ

và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ

Hình 2.10 Sơ đồ khối hoạt động của biến tần

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần sốtuỳ theo bộ điều khiển nghịch lưu Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rấtcao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiệnđại Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của biến tần Schneider Altivar 312

Nhiệt độ hoạt động tối đa 750C

Máy đo vận tốc gió PCE TA-30

Nhiệm vụ của máy đo vận tốc gió

Trên ống khí động được thiết kế và xây dựng, máy đo vận tốc gió có nhiệm vụ đovận tốc gió đi qua buồng đo và xác định phân bố của trường vận tốc trên trên tiết diệncủa buồng đo Từ đây tạo nên cơ sở để xác định được các lực khí động tác dụng lênvật thể

Hình 2.11 Máy đo vận tốc gió

Nguyên lý hoạt động của máy đo vận tốc gió

Cảm biến đo vận tốc gió được sử dụng cho ống khí động là loại đo kiểu cánh quạt.Làm việc dựa trên nguyên lý hoạt động của loại tuốc bin phản lực loại hướng trục.Đầu dò cảm biến được đặt vuông góc với dòng chảy không khí Khi dòng chảy nàychảy qua các cánh gió của thiết bị, lực khí động sẽ tác động lên các gió và tạo ra mộtmomen quay M làm quay trục của nó Vì tuabin phản lực cũng thuộc loại máy thủylực cánh dẫn nên phương trình cơ bản của tuabin phản lực cũng được suy ra từphương trình cơ bản của máy thủy lực cánh dẫn

M = ρQ (c cos R1 1 α1 1−c cos2 α2R )2 (2.13)

N M= ω (2.14)

Trong đó:

- M [Nm]: Mô men quay của tuốc bin

- ρ [kg/m3]: khối lượng riêng của không khí

- Q1 [m3/s]: Lưu lượng không khí chảy qua các cánh gió của thiết bị

- R1, R2 [m]: Đường kính trong và đường kính ngoài của prôfin cánh

- N [W]: Công suất tạo ra của tuabin do tác dụng của dòng khí chảy qua

- ω [rad/s]: Vận tốc góc của trục tuốc bin

Công suất N của tuốc bin tạo ra sẽ được dùng để khắc phục cản lực cản của tuốc bin

và làm tuốc bin quay với vận tốc góc ω Các lực cản của tuốc bin phụ thuộc vào kếtcấu hình học và thông số kỹ thuật của nó Giá trị lực cản này sẽ ảnh hưởng đến độnhạy và tính chính xác của thiết bị đo và đây là các thông số chuẩn của nhà sản xuấtthiết bị

Dùng thiết bị đo số vòng quay n thiết bị sẽ xác định được vận tốc góc ω của trụctuốc bin Qua đó thiết bị xác định được lưu lượng gió Q1 chảy qua tuốc bin Cuối cùngthiết bị sẽ xác định được vận tốc gió V∞ nhờ công thức:

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của máy đo vận tốc gió PCE TA-30

Cảm biến đo lực CAS BCA-50L

Nhiệm vụ của cảm biến đo lực

Nhiệm vụ của cảm biến đo lực là để đo lực khí động do dòng chảy không khí tácdụng lên vật thể thí nghiệm Trên ống khí động được thiết kế, lực khí động được xácđịnh là lực cản chính diện Được tạo thành do lực cản ma sát và lực cản hình dạng.Lực cản chính diện có phương song song với dòng chảy, có chiều ngược với chiều củadòng chảy

Hình 2.12 Cảm biến đo lực CAS BCA-50L

Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo lực

Cảm biến đo lực được sử dụng trên ống khí động thiết kế là loại cảm biến màngđiện trở Đây là loại cảm biến lực hiện đại nhất với độ chính xác và ổn định rất cao.Trên màng điện trở của cảm biến được dán 4 miếng điện trở biến dạng Điện trở biếndạng là loại linh kiện điện tử mà điện trở của nó sẽ thay đổi khi bị biến dạng do ngoạilực bên ngoài tác động vào Nó lợi dụng tính chất vật lý là điện trở của vật dẫn thayđổi theo chiều dài và đường kính của vật dẫn:

R l

S

Trong đó:

- R [Ω]: Điện trở của dây dẫn

- ρ: Điện trở xuất của dây dẫn

- l [m]: Chiều dài dây dẫn

- S [m2]: Tiết diện dây dẫn

Khi điện trở biến dạng bị căng ra trong giới hạn đàn hồi của nó, nó trở nên hẹp hơn

và dài hơn (tăng l và giảm S), giá trị điện trở của nó tăng lên Ngược lại, khi điện trởbiến dạng bị nén lại, nó sẽ rộng ra và thu ngắn lại (tăng S và giảm l), điều này làmgiảm giá trị điện trở của nó Hoạt động của điện trở biến dạng được minh họa ở hìnhdưới:

Hình 2.13 Hoạt động của màng điện trở biến dạng

- A: Trạng thái nghỉ của màng điện trở

- B: Khi màng điện trở bị kéo, điện trở nó tăng lên

- C: Khi màng điện trở bị nén, điện trở nó giảm xuống

Ở hình 2.13 ta thấy, trên màng điện trở sẽ được dán 4 miếng điện trở biến dạngthẳng hàng với nhau Với cách sắp xếp như vậy thì khi có lực tác dụng lên cảm biến sẽ

có 2 điện trở chịu kéo (điện trở tăng lên) là Rb, Rcvà 2 điện trở chịu nén (điện trở giảm

xuống) là Ra và Rd 4 điện trở được mắc theo mạch cầu Wheastone Ở trạng thái tĩnhkhông có lực tác dụng, các điện trở biến dạng ở trạng thái nghỉ, giá trị điện trở tĩnh củachúng giữ cho mạch cầu Wheastone cân bằng Điện áp ra Vout = 0V.

Khi có lực tác dụng lên màng, nó làm màng bị biến dạng, các điện trở bị biến dạngtheo làm cho điện trở của chúng thay đổi Điều này làm mất cân bằng trên mạch cầuWheastone, sự mất cân bằng của mạch cầu tạo nên một giá trị điện áp ra Vout > 0được xác định bằng công thức:

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của cảm biến đo lực CAS BCA-50L

Điện áp ngưỡng ra tối đa [2mV] 2Nhiệt độ hoạt động [0C] -20 ÷ +70

Cảm biến đo áp suất không khí MPXHZ6400A

Cảm biến MPXHZ6400A là cảm biến tích hợp on-chip, mạch Op-Amp lưỡng cực

và mạng điện trở màng mỏng để cung cấp tín hiệu đầu ra cao và có thể bù nhiệt Cácyếu tố như hình thức nhỏ và độ tin cậy cao của tích hợp on-chip làm cho cảm biến ápsuất một sự lựa chọn hợp lý và có tính kinh tế cho các nhà thiết kế hệ thống

Cảm biến MPXHZ6400A là một trong những cảm biến áp suất silicon tiên tiếnnhất, nguyên khối với tín hiệu điều hòa Bộ cảm biến này kết hợp các kỹ thuật cắtmicromét tiên tiến, mạ kẽm màng mỏng và chế biến bán dẫn lưỡng cực để cung cấp tínhiệu đầu ra analog chính xác cao, tỉ lệ với áp suất áp dụng

Hình 2.14 Sơ đồ khối mạch nội bộ được tích hợp trên một chip cảm biến áp suất

Tính năng, đặc điểm hoạt động

• Cải thiện độ chính xác ở nhiệt độ cao

• Có các cỡ nhỏ và siêu nhỏ

• Sai số tối đa 1.5% trong khoảng từ 0 ºC đến 85ºC

• Lý tưởng cho các vi xử lý hoặc các hệ thống dựa trên vi điều khiển

• Nhiệt độ bù từ -40°C đến + 125 °C

• Bao bì bề mặt bền bỉ (PPS)

Bảng 2.4 Tính năng hoạt động cảm biến MPXHZ6400A

Bảng 2.5 Đặc tính hoạt động (VS = 5.0 Vdc, TA = 25°C, khoảng nhiệt độ hoạt động

0oC-85oC)

Điện áp bù áp suất tối thiểu

1 Thiết bị thuộc hệ mét theo dải hoạt động này

2 Điện áp bù áp suất tối thiểu được định nghĩa là điện áp đầu ra ở áp suất định mứctối thiểu

3 Điện áp ra tối đa (VFSO) được định nghĩa là điện áp đầu ra ở áp suất định mức tốiđa

4 Độ chính xác là độ lệch của ngõ ra thực từ ngõ ra danh nghĩa trên toàn bộ dải ápsuất và dải nhiệt độ (là bao nhiêu phần trăm của khoảng ở 25 C) do tất cả các nguồnlỗi bao gồm:

- Độ tuyến tính: Độ lệch đầu ra từ mối quan hệ đường thẳng với áp suất trong phạm

vi áp suất quy định

- Nhiệt độ Hysteresis: Độ lệch đầu ra ở bất kỳ nhiệt độ trong phạm vi nhiệt độ hoạtđộng, sau khi nhiệt độ được tuần hoàn đến và từ các điểm nhiệt độ hoạt động tối thiểuhoặc tối đa

- Áp suất Hysteresis: Độ lệch đầu ra ở bất kỳ áp suất nào trong phạm vi quy định,khi áp suất này được tuần hoàn đến và từ áp suất định mức tối thiểu hoặc tối đa, ở 25 °C

- TcSpan: Độ lệch đầu ra ở nhiệt độ từ 0°C đến 85°C, tương đối là 25 °C

- TcOffset: Độ lệch đầu ra với áp suất định mức tối thiểu áp dụng, trong khoảngnhiệt độ từ 0°C đến 85°C, so với 25°C

- Thay đổi giá trị danh nghĩa: Sự thay đổi từ các giá trị danh nghĩa, cho Offset hoặcFull Spale Span, như bao nhiêu phần trăm của VFSS, ở 25 °C

6 Thời gian phản hồi được định nghĩa là thời gian để thay đổi gia tăng điện áp đi từ10% đến 90% giá trị cuối cùng của nó khi phải chịu sự thay đổi áp suất

7 Thời gian khởi động được định nghĩa là thời gian cần thiết cho sản phẩm để đáp ứngđiện áp đầu ra quy định sau khi áp suất đã được ổn định

Hình 2.15 Mạch ứng dụng điển hình (hoạt động của nguồn ra)

Hình 2.16 Tín hiệu đầu ra cảm biến (Volts) tương ứng với áp suất đầu vào Các đường cong đầu ra tối thiểu và tối đa điển hình được hiển thị để hoạt động trên phạm vi nhiệt độ từ 0 đến 85 ° C Đầu ra sẽ bão hòa bên ngoài phạm vi áp suất được đánh giá

Công thức chuyển đổi:

Giá trị chuyển đổi thông thường: Vout=Vs x (0,002421 x P – 0,00842) ±

(sai số áp suất) x (nhiệt độ) x 0,002421 x Vs

Công thức chuyển đổi:

Giá trị chuyển đổi thông thường: Vout=Vs x (0,002421 x P – 0,00842) ±

(sai số áp suất) x (nhiệt độ) x 0,002421 x Vs

Hình 2.17 Bảng sai số nhiệt độ

Từ bảng trên ta thấy, cảm biến hoạt động tốt nhất trong khoảng từ 0°C-85°C, ngoàikhoảng nhiệt độ này, sai số về nhiệt độ là rất lớn và bội số tăng lên theo một đườngtuyến tính với các hệ số góc là 3 và 1,75

Hình 2.18 Bảng sai số áp suất(Sai số áp suất là ±5,5 kPa ở mọi nhiệt độ)

Kích thước cảm biến

2.4.2 Các hạn chế và phương pháp cải tiến ống khí động

Ống khí động đã có là ống khí động loại hở, dùng để đo đạc và thí nghiệm đơn giảnvới các mô hình có kích thước nhỏ Áp suất dòng khí tác dụng lên vật thể được đobằng một bộ đo áp suất bằng cột chất lỏng Tuy nhiên qua một thời gian sử dụng, bộ

đo áp suất không cho kết quả hoặc cho kết quả không chính xác Bên cạnh đó ống khíđộng còn có các hạn chế như sau:

- Số vật mẫu, mô hình thí nghiệm không nhiều

- Không có quy trình hoàn chỉnh để tiến hành thử nghiệm và xử lý số liệu.

- Không thực hiện được các bài thí nghiệm phức tạp, nâng cao

- Không tự động hóa điều khiển và hiển thị kết quả số

Để khắc phục điều đó, nhóm chúng em đã thiết kế và xây dựng các bộ thí nghiệm

để nâng cấp theo hướng tự động hóa đo đạc và hiển thị áp suất bằng các thiết bị điện

tử Cụ thể như sau:

- Chế tạo các vật mẫu thường gặp để thực hiện các thí nghiệm cơ bản

- Xây dựng quy trình thí nghiệm hoàn chỉnh, có thể phục vụ cho việc thí nghiệmcủa sinh viên

- Thiết kế bộ đế ru lô điều khiển bằng điện tử để thí nghiệm dòng khí chảy qua xe,kết quả được hiển thị trực tiếp lên màn hình điện tử

- Thiết kế bộ đỡ và xoay cánh máy bay giúp đo lực cản và lực nâng tác dụng lênbiên dạng cánh theo các góc tấn khác nhau

Chương 3 NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÁC DỤNG LÊN CÁC VẬT THỂ

THÔNG THƯỜNG

3.1 Giới thiệu về các vật cản

Ở phần này, các vật thể được đặt vào buồng đo để đo lực cản tác dụng Các vật thểđược xây dựng sao cho có kích thước phù hợp với kích thước buồng đo và được giữ cốđịnh bằng một thanh sắt để bắt vào cảm biến đo lực cản

Lực cản tácdụng lêncảm biến(kg)

Lực cảntác dụnglên đĩatròn (N)

Hệ sốcản củađĩa tròn

Nhận xét: Giá trị hệ số cản trung bình sau khi đo đạc và tính toán là 1,11 Thamkhảo với giá trị hệ số cản của đĩa tròn trên Internet Cd =1,17 ta thấy số liệu khá sát với

lý thuyết Sau khi thí nghiệm để xác định hệ số cản theo tốc độ gió của vật thể hình đĩaphẳng ta thấy hệ số cản thay đổi khi ta thay đổi tốc độ gió tuy nhiên sự thay đổi nàykhông lớn

3.2.2 Thí nghiệm đo lực cản với vật thể hình trụ đứng

Bảng 3.2 Lực cản và hệ số cản tác dụng lên vật thể hình trụ đứng

Tần số

(Hz)

Vận tốc gió(m/s)

Lực cản tácdụng lên cảmbiến và vật thể(kg)

Lực cản tácdụng lêncảm biến(kg)

Lực cảntác dụnglên đĩatròn (N)

Hệ sốcản củađĩa tròn

Hình 3.5 Đồ thị hệ số cản của vật thể hình trụ đứng theo tốc độ gió

Nhận xét: Giá trị hệ số cản trung bình sau khi đo đạc và tính toán là 0,668 Thamkhảo giá trị hệ số cản của vật cản hình trụ đứng trên Wikipedia Cd= 0,82 Ta thấy hệ sốcản thực tế nhỏ hơn

3.2.3 Thí nghiệm đo lực cản với vật thể hình cầu

Bảng 3.3 Lực cản và hệ số cản tác dụng lên vật thể hình cầu

Tần số

(Hz)

Vận tốc gió(m/s)

Lực cản tácdụng lên cảmbiến và vật thể(kg)

Lực cản tácdụng lêncảm biến(kg)

Lực cảntác dụnglên đĩatròn (N)

Hệ sốcản củađĩa tròn

Hình 3.6 Đồ thị hệ số cản của vật thể hình cầu theo tốc độ gió

Nhận xét: Giá trị hệ số cản trung bình sau khi đo đạc và tính toán là 0,499 Thamkhảo giá trị hệ số cản của vật cản hình cầu trên Wikipedia Cd = 0,47 ta thấy giá trị thực

tế đo đạc và lý thuyết xấp xỉ nhau Sau khi thí nghiệm để xác định hệ số cản theo tốc

độ gió của vật thể hình đĩa phẳng ta thấy hệ số cản thay đổi theo xu hướng giảm khi tathay đổi tốc độ gió tuy nhiên sự thay đổi này không lớn

3.3 Xây dựng quy trình thí nghiệm

Mục đích của bài thí nghiệm là xác định được lực cản tác dụng lên vật thể khi thayđổi vận tốc gió Với mỗi tần số của biến tần ta có một vận tốc gió khác nhau Bài thínghiệm được thực hiện theo các bước như sau:

- Chuẩn bị thí nghiệm:

+ Chuẩn bị máy đọc lực cản CAS, cắm dây tín hiệu vào máy đọc

+ Chuẩn bị máy đo gió PCE TA-30

+ Bật Aptomat quạt gió

- Tiến hành thí nghiệm:

+ Xoay núm vặn theo chiều kim đồng hồ để điều chỉnh tăng tần số biến tần.+ Đưa đầu đo của máy đo gió vào trong buồng đo

+ Ghi lại giá trị vận tốc gió tại các tần số cần đo: 10, 15, 20, 25, 30 Hz…

+ Ghi lại giá trị lực cản tác dụng lên cảm biến khi không có vật thể trên máy đọcCAS

+ Xoay núm vặn ngược chiều kim đồng hồ về vị trí 0 Hz

+ Lắp thanh sắt vào vật thể hình cầu và vật thể hình trụ đứng Siết chặt đai ốc để

cố định thanh sắt vào vật thế

+ Lắp đế giữ vật thể vào cảm biến đo lực cản bằng hai vít M6

+ Xoay núm vặn để điều chỉnh tăng tần số biến tần

+ Ghi giá trị lực cản tác dụng lên vật thể và cảm biến trên máy đọc CAS

- Xử lý số liệu:

+ Lập bảng số liệu gồm có tần số biến tần, vận tốc gió, lực cản tác dụng lên vậtthể và cảm biến, lực cản tác dụng lên cảm biến, lực cản tác dụng lên vật thể, hệ số cản.+ Tính toán giá trị hệ số cản

+ Vẽ đồ thị thể hiện sự thay đổi của hệ số cản vào vận tốc gió

+ Rút ra nhận xét và kết luận

Chương 4 THIẾT KẾ BỘ ĐẾ RU LÔ ĐỂ THÍ NGHIỆM DÒNG CHẢY QUA

từ đi ra khỏi lớp chất lỏng và đạt đến vận tốc của dòng chất lỏng bên ngoài Lớp chấtlỏng này nhanh chóng thay đổi vận tốc tiếp tuyến và độ dày của nó (δ) được gia tăngdọc theo chiều dài tấm phẳng Lớp biên tồn tại với nhiều hình dạng phức tạp

Hình 4.1 Lớp biên trên xe bề mặt vỏ ô tô

Độ dày của lớp biên trên xe ô tô du lịch chạy với tốc độ 100 km/h có thể là vài mm

ở phía trước xe và vài cm ở phía sau Độ dày của lớp biên càng lớn, tổn thất do ma sátcàng cao Hơn nữa, khi độ dày lớp biên tăng lên cao có thể dẫn đến hiện tượng táchthành dòng chảy, kết quả là làm tăng thêm sức cản và làm giảm lực bám đường tạo rabởi đuôi gió ô tô

Lớp biên có thể là chảy tầng hoặc chảy rối Thông thường là dòng chảy tầng sau đó

từ từ chuyển sang chảy rối

Hình 4.2 Sự biến đổi độ dày của lớp biên dọc theo một đĩa phẳng

Như trên hình, ta thấy rằng, trong một môi trường ổn định, lớp biên ban đầu là chảytầng sau đó khi chiều dài dòng chảy tăng nó chuyển thành chảy rối Sự dao động vậntốc (cả về hướng và độ lớn) của dòng chảy rối làm cho độ dày lớp biên ngày một giatăng Do đó tổn thất động lượng ở khu vực này cũng lớn hơn

Trong khái niệm ảnh hưởng của tốc độ đến ma sát, độ dày lớp biên sẽ giảm nếu vận

tốc không khí tăng lên Điều này là vì động lượng của dòng khí tự do lớn hơn rất nhiều

so với động lượng mất mát gần bề mặt bởi độ nhớt Do đó hệ số ma sát bề mặt sẽ giảm

nếu tốc độ xe tăng lên Điều này được khẳng định bởi kết quả của thí nghiệm về ma sát

bề mặt trên hình dưới đây, trong trường hợp này tấm phẳng được đặt trong dòng chất

lỏng chuyển động thẳng

Hình 4.3 Giá trị hệ số ma sát bề mặt trong lớp biên chảy tầng và

chảy rối so với chỉ số Reynolds

Có thể thấy hệ số C

f

giảm cả trong hai trường hợp chảy tầng và chảy rối, trong khi

đó chỉ số Reynold tăng Trong trường hợp này, hệ số C

f

trong dòng chảy tầng được

xem là thấp hơn (đôi lúc là từ 4-5 lần so với trong dòng chảy rối) vì vậy với mục đích

làm giảm sức cản do ma sát, dòng chảy tầng được xem xét nhiều hơn

4.1.3 Sự chuyển đổi sang chảy rối và bong bóng chảy tầng

Như đã đề cập ở trên, dòng chảy tầng là vô cùng cần thiết nếu chúng ta muốn giảmlực cản ma sát bề mặt Tuy nhiên nếu bề mặt ô tô có nhiều đoạn có độ cong lớn, sựtách thành có thể xảy ra

Một trường hợp điển hình có thể được mô tả như trên Hình 4.4, dòng chảy ban đầutrước ô tô là dòng chảy tầng tuy nhiên vì qua một bề mặt có độ cong lớn dòng chảytầng này bắt đầu tách ra, sau đó lại trở về lại dòng chảy Sự trở lại này thông thường làkết quả của việc lớp biên chuyển thành chảy rối vì sự nhiễu loạn Sự tách thành bị giánđoạn vì một lượng lớn động lượng đã được chuyển đi trong dòng chảy rối Sự táchthành này gọi là tách thành chảy tầng và dòng chảy đi cùng với nó gọi là bong bóngchảy tầng

Hình 4.4 Bong bóng chảy tầng và sự chuyển đổi từ lớp biên chảy

tầng sang lớp biên chảy rối

Có ba lý do cho hiện tượng này:

- Thứ nhất vì dòng chảy tầng rất nhạy, dòng chảy có thể bị tách hoàn toàn nếukhông có sự trở về

- Thứ hai vì bong bóng chảy tầng xuất hiện trong khoảng hệ số Reynolds thấp (1042.105) và có thể biến mất nếu tốc độ xe tăng lên Điều này có thể gây ra sự sai lệch lớnnếu tiến hành thí nghiệm quan sát dòng chảy và xử lý số liệu khí động học khi sự sosánh phải được thực hiện ở nhiều dải tốc độ khác nhau

Cuối cùng, có thể gây ra sự nhiễu loạn để chuyển dòng chảy tầng thành chảy rối.Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một máy phát tạo ra lốc xoáy hoặcđặt một vật giấy xù xì trên đoạn muốn xảy ra sự chuyển tiếp Vì dòng chảy rối có xuhướng giữ nguyên trạng thái chảy rối của mình, một vài lợi ích của việc giảm sức cảnkhi tách thành dòng chảy có thể thu được nhờ sử dụng cách thức này

4.1.4 Phương trình Bernoulli

Biên dạng vỏ của một chiếc xe đang di chuyển làm cho dòng khí thay đổi cả vềhướng lẫn tốc độ Sự chuyển động này của không khí gần vỏ xe tạo ra một sự phân bốvận tốc, sự phân bố này tạo ra sức cản khí động học cho phương tiện Sức cản này cóthể chia ra thành hai nhân tố chính Đầu tiên là lực cắt (ma sát bề mặt) được tạo ra từlớp biên có độ nhớt tác dụng theo phương tiếp tuyến bề mặt Thứ hai là áp lực khôngkhí, nó tác dụng vuông góc với bề mặt, tạo ra cả lực nâng và lực cản Áp lực này được

tạo ra chủ yếu từ vận tốc dòng khí bên ngoài lớp biên như tốc độ Vo trong Hình 4.1

(tốc độ dòng khí tại chân lớp biên bằng 0)

Phương trình Bernoulli mô tả mối quan hệ giữa tốc độ dòng khí và áp suất Phươngtrình có thể được áp dụng cho dòng khí di chuyển qua vỏ ô tô hoặc cánh máy bay Tạibất kỳ điểm nào trên chiều dài của dòng khí, ta luôn có mối quan hệ giữa áp suất tĩnh

p, khối lượng riêng ρ và tốc độ V như sau:

Để hiểu được sự quan trọng của phương trình, chúng ta xem xét dòng khí qua một

chiếc xe di chuyển với vận tốc V ∞ như hình

Người lái xe cũng sẽ nhìn thấy dòng khí chuyển động đến anh ta với vận tốc V ∞ Vìchiếc xe sẽ làm biến dạng dòng khí, tốc độ dòng khí sẽ tăng ở gần vỏ ô tô Chúng ta cóthể viết phương trình Bernoulli cho một điểm ở xa vô cùng, một trong ba điểm vôcùng ở bên trái, điểm thứ hai là điểm A:

1.1, 22.302

(Áp suất khí quyển là 1atm=101325N/m2)

Cả hai nhân tố sinh ra sức cản phụ thuộc vào tốc độ dòng khí gần bề mặt vỏ xe (bênngoài lớp biên) Vì vậy để hiểu rõ hơn về lực cản khí động chúng ta cần tìm ra mốiquan hệ giữa hình dạng vỏ xe ô tô với tốc độ dòng khí Một kết luận quan trọng có thểrút ra từ phương trình Bernoulli là để tạo được lực giữ xe dưới mặt đường (downforce)

chúng ta cần tạo dòng khí chuyển động nhanh hơn ở mặt dưới so với mặt trên Việcnày sẽ làm áp suất ở mặt dưới giảm đi và sẽ tạo được lực giữ xe dưới mặt đường.Cánh gió của xe hoạt động đúng theo nguyên tắc này Hơn nữa, từ phương trìnhBernoulli vận tốc di chuyển của xe có thể được tính toán bằng cách đo áp suất.

Hệ số áp suất Cp đặc trưng cho áp suất dòng khí tác dụng lên bề mặt bất kỳ Để làm

Cp không liên quan đến vận tốc người ta xây dựng được công thức sau:

1 2

2

p

p p C

Trong đó: p là áp suất ở điểm đo

p∞ là áp suất của dòng khí tự do

1 2

2ρV∞ là áp suất động lực

Trong phương trình trên ta sẽ có sự phân bố áp suất không phụ thuộc vào vận tốc xe

và theo lý thuyết sự phân bố áp suất này trên ô tô, theo Cp, sẽ không đổi cho tất cả vận

tốc (ví dụ V∞= 100, 150, 200 km/h)

Giả sử ta có một chiếc xe đang chạy trên đường như hình

Đầu tiên, ở điểm hãm, điểm B, vận tốc của dòng khí bằng 0, chúng ta có Cp=1 Tiếp

theo, tại điểm không bị nhiễu loạn A, p = p∞, ta có Cp=0 (hay V=V∞) Tương tự, nếu

vận tốc tại điểm đo lớn hơn vận tốc của dòng khí tự do V∞thì Cp về giá trị âm Vậy ta

có bảng sau:

Vị trí Vận tốc dòng khí Cp

4.1.6 Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ ô tô

Ví dụ về dòng khí chuyển động qua một vật thể hình bán nguyệt Kết quả của thínghiệm được biểu diễn trên hình, vận tốc và áp suất dòng khí được biểu diễn dọc theođường tâm của của vật thể hình bán nguyệt, góc quay θ biểu diễn độ lớn góc ở tâm

của vật thể Ở phía trước của vật thể, gần mặt dất tồn tại một điểm hãm (V=0 và hệ số

áp suất Cp=1) và tại điểm cao nhất của vận tốc V thì hệ số áp suất Cp đạt giá trị cực

tiểu

Hình 4.5 Vận tốc dòng khí và hệ số áp suất khi đi qua vật thể hình bán nguyệt

Vì vật thể có cấu trúc đối xứng nên sẽ có một điểm hãm thứ hai ở phía sau Vậy ta

có thể kết luận rằng vận tốc dòng khí sẽ tăng nếu độ dày (hoặc độ cao của vật thể tăng)

và tương tự như vậy áp suất sẽ giảm theo như phương trình Bernoulli

- Theo như phân tích ở trên, khi một dòng khí chuyển động thẳng bị thay đổi hướngbởi một mặt lõm, tốc độ dòng khí giảm xuống và áp suất tăng lên Còn khi dòng khí bịthay đổi hướng bởi một mặt lồi, tốc độ của nó tăng lên và áp suất sẽ giảm xuống

Hình 4.6 Sự thay đổi hệ số áp suất Cp theo biên dạng vỏ xe

Vì vậy nhìn vào hình trên ta thấy biên dạng vỏ xe ảnh hưởng thế nào đến sự phân

bố áp suất không khí lên nó Sự phân bố áp suất có nhiều nét tương đồng với sự phân

bố áp suất của dòng khí đi qua hình bán nguyệt Ở phía trước, có một điểm hãm và

Cp=1, bề mặt vỏ xe có dạng lõm Cp tiếp tục giảm cho tới giá trị âm, bề mặt vỏ xe có

dạng lồi Ở điểm thấp nhất của kính chắn gió, tốc độ dòng khí giảm xuống và áp suấttăng trở lại Vận tốc dòng khí tiếp tục tăng lên cho đến khi vượt qua đỉnh xe (mặt lồi),tại đây đo được áp suất cực tiểu Từ đỉnh xe trở về sau, quá trình đảo ngược Tuy nhiên

áp suất tại đuôi xe không thể cho Cp=1, điều này bởi dòng khí bị tách ra ở phía sau xe.

4.1.7 Mô phỏng mặt đường

Sự cần thiết phải mô phỏng một mặt đường di chuyển trong ống khí động là rất cầnthiết cho việc đo đạc và kiểm tra Trước khi đưa ra các giải pháp cho vấn đề này,chúng ta cần chứng minh rằng nó là một vấn đề cần khắc phục Điều này có thể đượcchứng minh qua bằng hình dưới Như chúng ta có thể thấy có một sư khác biệt đáng kểcủa lớp biên trong điều kiện trên xe đang di chuyển trên đường và xe đặt trong hầmgió Như đã trình bày ở trên, trong lớp biên tốc độ không khí ở gần bề mặt vật thểđứng yên di chuyển chậm dần đến mức 0

Hình 4.7 Các dạng của lớp biên khi phương tiện di chuyển trên đường (A) và khiphương tiện được đặt đứng yên trong một hầm gió với tường và sàn (B)

Trong hình A, có một sự thiếu hụt ở gần bề mặt xe trong biểu đồ tốc độ giữa xe vàđường (vòng tròn trên cùng)

Trong hầm gió, so với dòng không khí, sàn của hầm là vật thể đứng yên và dù khikhông có xe đặt lên để kiểm tra lớp biên vẫn tồn tại trên bề mặt sàn Điều này được chỉ

rõ ở vòng tròn phía trước của hình B Khi có xe mô hình đặt trong hầm gió, biểu đồ tốc

độ phía dưới xe (hình tròn bên phải) là kết quả của hai lớp biên, một được tạo thành từsàn của hầm gió và một từ bề mặt của xe thí nghiệm

Câu hỏi được đặt ra: Độ dày của lớp biên này là bao nhiêu và mức độ ảnh hưởngcủa lớp biên này đến kết quả thí nghiệm khí động học là bao nhiêu?

Hình 4.8 Đo độ dày của lớp biên trong hầm gió của hãng GM

Hình trên mô tả độ dày của lớp biên trong hầm gió nguyên bản của hãng GM δ95 là

độ dày lớp biên ở 95% vận tốc đạt được bên ngoài lớp biên Dữ liệu cho thấy cho dùlắp đặt một đường hút lớp biên phía trước xe mô hình, độ dày lớp biên vẫn là 0,1 m.Nếu thí nghiệm với một xe tải với độ cao xe là 0,6 m với vận tốc 200 km/h thì sẽkhông có vấn đề gì với lớp biên Nhưng với một chiếc xe đua có khoảng cách gầm xevới mặt đường từ 0,05-0,1 m thì sẽ không thể để xác định được sự ảnh hưởng của mặtđường

Sau đây là một vài cách giải quyết cho vấn đề này

- Cách thứ nhất là nâng xe mô hình lên khỏi lớp biên của mặt đường

Vấn đề của ý tưởng này là sự ảnh hưởng lớn của khoảng cách giữa gầm xe và sàn

Vì vậy cách này thường ít được sử dụng Một biến thể của phương pháp này đó là tạomột mặt phẳng rồi nâng mặt phẳng lên cao cùng với xe

Hình 4.9 Xe mô hình được nâng lên khỏi mặt đườngTrong trường hợp này, xe được nâng lên và khoảng hở phía dưới bánh xe được phủmột lớp bọt Cách này được xem là đơn giản nhất và được sử dụng rộng rãi trong cácống khí động cỡ nhỏ ở các trường đại học

- Cách thứ hai là lắp đặt một ống hút phía trước xe mô hình Ống hút sẽ loại bỏ lớpbiên vì vậy lớp biên mới hình thành phía dưới xe sẽ mỏng hơn rất nhiều Vì sự đơngiản mà ý tưởng này được sử dụng rộng rãi ở hầm gió lớn Để hiệu quả, độ dày của lớpbiên mới hình thành sau ống hút không được vượt quá 10% độ cao gầm xe

Hình 4.10 Lắp đặt ống hút phía trước xeMột biến thể của phương pháp đặt ống hút là lắp đặt một đĩa hút với các khoảng hở

ở dưới gầm xe Phương pháp này được cho là một trong những giải pháp tối ưu, nhưngnhược điểm của nó là khá phức tạp và đắt tiền

Hình 4.11 Lắp đặt đĩa hút phía dưới xeMột ví dụ của cách lắp đặt này đó là hầm gió của hãng Porche Hầm gió kín, đượclắp đặt một đĩa hút phía dưới, thêm vào đó là một ống hút được đặt phía trước mô hìnhthí nghiệm

Hình 4.12 Mô hình hầm gió của hãng Porche