Bài viết trình bày phương pháp và một số kết quả tính toán xác định lực cản khí động trên vỏ ô tô du lịch bằng phần mềm Ansys để tìm hiểu ảnh hưởng xấu đến chất lượng làm việc của ô tô khi ô tô chuyển động trên đường.
Trang 1LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Nghiên cứu lực cản khí động học của xe du lịch
bằng phần mềm Ansys
Study on the force of aerodynamic drag of sedan
Đỗ Tiến Quyết
Email: gvsd87@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 9/10/2018 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 24/3/2019
Ngày chấp nhận đăng: 28/3/2019
Tóm tắt
Lực cản khí động tác dụng lên vỏ xe du lịch chuyển động với vận tốc cao tiêu thụ một phần đáng kể công suất của động cơ Đây là một trong những nguyên nhân làm gia tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và
ô nhiễm môi trường Bài báo trình bày phương pháp và một số kết quả tính toán xác định lực cản khí động trên vỏ ô tô du lịch bằng phần mềm Ansys
Từ khóa: Ansys; xe du lịch; khí động lực học; lực cản khí động học; hệ số cản khí động học
Abstract
The force of aerodynamic drag on the body of sedan which are moving at high velocity, consuming a significant share of the engine capacity This is one of the reasons which increase the fuel consumption and environmental pollution The research paper presents the methodology and calculation results to determine the aerodynamic drag on the sedan body with the Ansys software
Keywords: Ansys; sedan; aerodynamics; aerodynamic drag; aerodynamic drag coefficient.
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Khi ô tô chuyển động trên đường, sự tương tác
giữa vỏ xe và môi trường không khí xung quanh
có ảnh hưởng xấu đến chất lượng làm việc của
ô tô
Lực cản không khí chính diện làm tăng tổng lực
cản chuyển động của ô tô, từ đó làm gia tăng mức
tiêu hao nhiên liệu của ô tô, đặc biệt là ở vận tốc
cao do lực cản này tỉ lệ với bình phương vận tốc
chuyển động của ô tô
Theo lý thuyết, lực cản khí động được xác định
theo công thức:
ρ 2
D
1
D = AC v
2
trong đó:
D: lực cản khí động;
A: diện tích cản chính diện;
CD: hệ số cản;
ρ: khối lượng riêng không khí;
v: vận tốc dòng khí
Khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí, tương tác giữa môi trường và cấu trúc của vỏ xe tạo thành những vùng xoáy có áp suất thấp Ngoài vùng xoáy lớn ở đuôi xe, còn rất nhiều vùng xoáy nhỏ trên vỏ xe góp phần tạo nên lực cản khí động
ô tô Muốn giảm tối đa các lực khí động cần phải tìm cách loại bỏ hoặc giảm kích thước của các vùng xoáy này
Hình 1 Các vùng xoáy trên vỏ xe ô tô du lịch [1]
Người phản biện: 1 PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan
2 TS Nguyễn Đình Cương
(1)
Trang 2NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Theo lý thuyết khí động học, khi xe du lịch chuyển
động, luồng không khí phía trên mui xe di chuyển
với quãng đường dài hơn luồng không khí phía
bên dưới gầm xe, phía trước nhanh hơn phía sau
nên theo nguyên lý Bernoulli, vận tốc khác nhau
của dòng khí sẽ phát sinh chênh lệch áp suất tạo
nên lực nâng xe lên làm giảm sức bám mặt đường
của lốp Cũng như lực cản, lực nâng tỷ lệ với diện
tích mặt sàn xe, với bình phương vận tốc và hệ
số nâng (C L) - hệ số này phụ thuộc hình dạng của
xe Ở tốc độ cao, lực nâng có thể tăng quá mức
và gây ảnh hưởng rất xấu đến sự chuyển động
của xe Lực nâng tập trung chủ yếu ở phía sau,
nếu lực nâng quá lớn, các bánh xe phía sau sẽ
bị trượt, và như vậy rất nguy hiểm, nhất là khi xe
chạy ở tốc độ cao Trên xe du lịch, để giảm giá
trị lực nâng mà không ảnh hưởng quá nhiều đến
lực cản, các nhà chế tạo đã lắp một cánh gió phía
đuôi xe [2] Lực nâng khí động được xác định theo
công thức:
ρ 2 L
1
L = AC v
2
trong đó:
L: lực nâng khí động;
CL: hệ số lực nâng
Hình 2. Xe Formula Mazda có sử dụng cánh đuôi [5]
2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY
KHÔNG KHÍ BAO QUANH VỎ XE BẰNG ANSYS
Để mô tả dòng chảy rối bao quanh vỏ xe, phần
mềm Ansys Fluent sử dụng phương trình Reynolds
Navier - Stokes trung bình hóa (Reynolds Average
Navier Stokes, viết tắt là RANS):
(3)
Trong các phương trình trên, các thành phần vận
tốc theo ba phương u i và áp suất chất lỏng p được
mô tả như sau:
Với u, p là giá trị trung bình và u',p' là thành phần biến động của vận tốc và áp suất
Để mô tả ứng suất của dòng rối τt ρu ui′ ′j
ij= - ,người
ta sử dụng các mô hình khác nhau tuỳ theo yêu cầu cụ thể của bài toán ANSYS – Fluent cũng cung cấp nhiều mô hình để giải bài toán này Vì kết cấu vỏ xe du lịch là phức tạp, dòng khí khi đi qua vỏ xe thường xuất hiện dòng ngược Do đó, các nhà nghiên cứu khí động học ô tô thường sử dụng mô hình k− ε Realizable với điều kiện hàm tường là Non - Equilibrium Wall Functions
3 TÍNH TOÁN LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT
3.1 Xây dựng mô hình 3D
Để xây dựng mô hình 3D trong nghiên cứu khí động học ô tô, các nhà nghiên cứu thường sử dụng các phần mềm thông dụng trong thiết kế CAE như: Solid Works, Catia, Avacus, Sau đó,
mô hình 3D sẽ được đưa vào trong môi trường Ansys Tuy nhiên, trong Ansys cũng hỗ trợ modul Design Modeler cũng rất mạnh để thiết kế các mô hình 3D
Trong bài báo này, tác giả sử dụng Design Modeler trong Ansys Fluent để thiết kế mô hình 3D với xe tham khảo là xe Pagani Zonda C12 Mô hình này thỏa mãn điều kiện là mô hình dạng Solid đặc, không rỗng
Hình 3 Mô hình 3D của xe du lịch
Do thiết kế mô hình 3D là đối xứng theo phương dọc, do đó trong quá trình tính toán chỉ sử dụng 1/2 mô hình bằng lệnh Symmetry trong quá trình
mô phỏng Bằng cách này sẽ làm giảm không gian tính toán, từ đó sẽ làm giảm thời gian tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác của bài toán [5]
3.2 Chia lưới mô hình
Chia lưới thực chất là việc rời rạc hóa vùng không gian mô phỏng thành các phần tử để thực hiện việc tính toán gần đúng bằng phương pháp số (trong
∂iu = 0i
-i u′
u = u +
′
p = p + p
(4) 2
p
Trang 3LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Fluent là phương pháp thể tích hữu hạn) Việc
chọn kiểu lưới, số lượng phần tử, kích thước
lưới, mật độ lưới phụ thuộc vào các yếu tố sau:
tính chất của bài toán mô phỏng, độ chính xác
cần thiết của kết quả mô phỏng, cấu hình máy
tính hiện có và thời gian để thực hiện mô phỏng
bài toán
Với mô hình 3D hiện nay, các dạng phần tử cơ
bản đang được sử dụng để hình thành nên lưới
là phần tử tứ diện (tetrahedral), phần tử dạng lăng
trụ (prisms), phần tử dạng kim tự tháp (piramids),
phần tử dạng lục diện (hexahedral) và phần tử đa
diện Do bề mặt vỏ xe du lịch là phức tạp (có nhiều
bề mặt nhỏ với độ cong khác nhau) nên bài báo sử
dụng lưới tứ diện để đảm bảo khả năng đáp ứng
với các mô hình có cấu trúc phức tạp [4]
Các thông số lưới của mô hình được thể hiện
trong bảng 1 Hình ảnh chia lưới của mô hình
được minh họa trên hình 4
Hình 4 Lưới trong vùng không gian mô phỏng của
Ansys Fluent
Bảng 1 Các thông số lưới của mô hình
Kiểu lưới Tet 4 và Wed 6
Số nút 522160
Số phần tử 1517141
Độ lệch chuẩn 0,25977
Chỉ số Aspect 4,4946
Chỉ số trực giao 0,7379
3.3 Thiết lập thuật giải, điều kiện biên
Để tính toán các lực khí động tác động lên vỏ xe
trong quá trình chuyển động, trong phần mềm
Ansys mô phỏng bằng cách coi xe là cố định và có
một nguồn gió thổi vào xe có giá trị vận tốc giống
vận tốc chuyển động của xe trong điều kiện thực
tế Trong bài báo này, giá trị vận tốc được chọn là
120 km/h
Do vận tốc chuyển động dòng khí không quá lớn
nên mô phỏng được chọn trên cơ sở “Áp suất”
với một số thông số cơ bản như sau: Để kết quả
bài toán mô phỏng phù hợp với bài toán vật lý,
trong Ansys Fluent yêu cầu kết quả tính toán phải
hội tụ Nếu kết quả không hội tụ hoặc hội tụ trong thời gian quá lâu thì phải thiết lập lại các bước: chia lưới, chọn vùng không gian tính toán, thiết lập thuật giải thậm chí có thể còn phải sửa lại mô hình 3D [3] Sau khi mô phỏng, kết quả đã hội tụ tại vòng lặp 320 như hình 5 Kết quả hội tụ chứng
tỏ quá trình chia lưới trong quá trình mô phỏng đã đáp ứng được những yêu cầu theo hướng dẫn của Ansys Fluent [5]
Bảng 2 Cài đặt thuật giải
Processing Option Serial Pressure – Velocity Coupling Scheme Coupled
Solver
Gradient Least Squares Cell Based Pressure Standard
Momentum First Order Upwind Turbulent Kinetic Energy First Order Upwind Turbulent Dissipation Rate First Order Upwind Iteration First Order Upwind for 10000 Iterations
Hình 5. Đồ thị kết quả hội tụ
3.4 Kết quả tính toán mô phỏng
Kết quả tính toán mô phỏng được thể hiện trong các hình 5, 6, 7
Hình 6 Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối
xứng dọc của xe
Trang 4NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Hình 6 cho thấy trên vỏ xe tồn tại những vùng có
áp suất dương, những vùng áp suất âm và các
xoáy thấp áp Chính sự chênh áp này là yếu tố cơ
bản để tạo nên lực cản khí động
Hình 7 Vectơ vận tốc tại mặt phẳng đối xứng dọc
của xe
Các hình ảnh về vectơ vận tốc tại mặt phẳng đối
xứng dọc của xe trên hình 7 chỉ rõ những nơi hình
thành xoáy thấp áp có ảnh hưởng lớn đến lực cản
khí động Loại bỏ được hoặc giảm kích thước của
những vùng xoáy này đồng nghĩa với việc giảm hệ
số cản CD
Cùng với các dữ liệu hình ảnh áp suất, vận tốc ở
trên, việc mô phỏng dòng khí chuyển động bao
quanh vỏ xe du lịch còn tính ra được hệ số cản,
hệ số nâng trên xe Cụ thể, hệ số cản không khí
CD= 0,35, CL= 0,16
4 KẾT LUẬN
Với phương pháp tính toán trên đây, có thể thấy rằng kết cấu vùng đầu xe, đuôi xe có ảnh hưởng lớn đến lực cản khí động tác dụng lên vỏ xe Các kết quả nghiên cứu có thể giúp cho các nhà thiết kế cải thiện kết cấu của vỏ xe du lịch nhằm giảm thiểu lực cản khí động mà không gây ảnh hưởng lớn đến không gian sử dụng cũng như tính thẩm mỹ của nó
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] W.H Hucho (1988), Aerodynamics of Road Vehicles:
From Fluid Mechanics to Vehicle Engineering, SAE
International, 1988
[2] W Kieffera (2005), CFD study of section
characteristics of Formula Mazda race car wings, 2005.
[3] M Laurent Burgade, Aérodynamique Automobile:
Approche numérique et expérimentale, PSA
Peugeot-Citroen, session 1995 -1996.
[4] Tô Hoàng Tùng (2016), Nghiên cứu cải thiện dạng
khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam, Luận
án tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2006.
[5] Introduction to ANSYS Fluent (2012), Release 14.5,
November 15, 2012.
Đỗ Tiến Quyết
- Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu); + Năm 2010: Tốt nghiệp Đại học chuyên ngành ô tô và xe chuyên dụng Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội + Năm 2014: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Cơ khí động lực, chuyên ngành ô tô và xe chuyên dụng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
+ Năm 2017 đến nay: Nghiên cứu sinh ngành Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
- Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên, khoa Ô tô, Trường Đại học Sao Đỏ
- Lĩnh vực quan tâm: Khí động học ô tô, Động lực học ô tô
- Email: gvsd87@gmail.com
- Điện thoại: 0968568115
THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ
![Hình 1. Các vùng xoáy trên vỏ xe ô tô du lịch [1] - Nghiên cứu lực cản khí động học của xe du lịch bằng phần mềm Ansys](https://123doc.top/img.php?url=https%3A%2F%2F123docz.com%2Fimage%2Fdoc_normal.png)