Khảo sát ảnh hưởng khí động học khung vỏ ô tô tới lực cản và lực nâng ở vận tốc cao

Khảo sát ảnh hưởng khí động học khung vỏ ô tô tới lực cản và lực nâng ở vận tốc cao Khảo sát ảnh hưởng khí động học khung vỏ ô tô tới lực cản và lực nâng ở vận tốc cao Khảo sát ảnh hưởng khí động học khung vỏ ô tô tới lực cản và lực nâng ở vận tốc cao luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự hướng dẫn tận tình của TS Trần Thanh Tùng Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào Các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày 28 tháng 3 năm 2017

Giáo viên hướng dẫn

TS Trần Thanh Tùng

Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Hà

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới giáo viên

hướng dẫn chính: Tiến sĩ Trần Thanh Tùng, th y đã tận tình hướng dẫn, định

hướng, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin trân trọng cảm ơn T i ế n s ĩ D ư ơ n g N g ọ c K h á n h trong suốt

quá trình tôi thực hiện luận văn, thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện kế hoạch học tập và nghiên cứu

Xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến các thầy trong Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội với những góp ý rất thiết thực trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cơ quan của tôi đang công tác: Phòng

Kỹ thuật - Công nghệ, Binh đoàn 11/Bộ Quốc phòng đã tạo điều kiện, ủng hộ,

giúp đỡ tôi về mọi mặt trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn tới các bạn đồng nghiệp vì sự giúp đỡ thiết thực cho luận văn này

Hà Nội, ngày 28 tháng 3 năm 2017

Học viên

Nguyễn Thanh Hà

Hệ số tán xạ năng lƣợng của dòng rối -

Hệ số tán xạ năng lƣợng của dòng rối -

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 So sánh C d , C l của xe Sedan và Hatchback tại vận tốc 30 (m/s)

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của vận tốc đến hệ số C d , C l của xe Sedan

Bảng 3.3 Bảng số liệu mô tả sự thay đổi hệ số C d , C l khi thay đổi góc vát

DANH MỤC ĐỒ THỊ HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ hiệu suất của ô tô khi chạy tốc độ thấp

Hình 1.2 Sơ đồ hiệu suất của ô tô khi chạy tốc độ thấp

Hình 1.3 Lực tác dụng lên xe khi xe chuyển động

Hình 1.4 Lực tác dụng lên vật nằm trong dòng chảy

Hình 1.5 Dòng khí tác dụng lên xe khi chuyển động ở tốc độ cao

Hình 1.14 Đồ thị biến thiên hệ số cản của ô tô du lịch

Hình 1.15 Mô hình khí trôi qua cánh của cánh máy bay

Hình 1.16 Lực nâng

Hình 1.17 Dòng khí bao quanh các dạng vỏ xe khi chuyển động

Hình 1.18 Vùng xoáy phía sau khi xe chuyển động

Hình 1.19 Các vùng xoáy trên vỏ xe ô tô du lịch

Hình 1.20 Phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ xe

Hình 1.21 Ảnh hưởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động

Hình 1.22 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và tấm nóc xe với hệ

số cản không khí Hình 1.23 Ảnh hưởng của chiều cao sàn xe tới các lực khí động

Hình 3.1 Mô hình xe Hatchback

Hình 3.2 Mô hình xe Sedan

Hình 3.3 Giới hạn vùng tính toán tiêu chuẩn

Hình 3.4 Giới hạn vùng tính toán được thiết lập

Hình 3.5 Mô hình chia lưới của xe Sedan

Hình 3.6 Mô hình chia lưới xe Hatchback

Hình 3.7 Biểu đồ phân bố vận tốc của dòng khí bao quanh xe Hatchback

Hình 3.8 Biểu đồ phân bố vận tốc và áp suất của dòng khí bao quanh xe Sedan Hình 3.9 Phân bố áp suất trên xe Hatchback

Hình 3.10 Phân bố áp suất thân xe Hatchback

Hình 3.11 Phân bố áp suất trên vỏ xe Sedan

Hình 3.12 Phân bố áp suất thân xe Sedan

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của vận tốc với hệ số cản Cd

Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của vận tốc với hệ số lực nâng Cl

Hình 3.15 Đồ thị phân bố áp suất trên đường giao giữa mặt phẳng thẳng đứng với

thân xe ở v = 30m/s ở xe Sedan Hình 3.16 Chiều cao của xe Sedan

Hình 3.17 Thay đổi góc vát của xe trên mô hình 3D

MỞ ĐẦU

Hiện nay ô tô vẫn là phương tiện chính trong các phương tiện được sử dụng khi tham gia giao thông tại Việt Nam và trên thế giới, với sự phát triển về công nghệ hiện đại thì ngày càng có nhiều công trình nghiên cứu về ô tô được ứng dụng Tại Việt Nam và các nước trên thế giới, hệ thống giao thông hiện đại, hệ thống giao thông thông minh cho phép phương tiện di chuyển với tốc độ cao ngày càng

phổ biến, những tuyến đường cho phép chạy xe với vận tốc tối đa từ 120 - 200

km/h hầu như xuất hiện trên tất cả các nước, vùng lãnh thổ, từ đó rút ngắn khoảng cách giữa các vùng miền, quốc gia, các vùng lãnh thổ, cải thiện đáng kể sự chênh lệch giữa các nền kinh tế, văn hóa

Để đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả, tiết kiệm, các phương tiện nói chung và xe ô tô nói riêng khi hoạt động, đặc biệt là ở tốc độ cao cần quan tâm lưu

ý đến tác động của các yếu tố khí động Trong khuôn khổ nghiên cứu của Luận văn, trên cơ sở tính toán, khảo sát sẽ góp phần tạo cơ sở lý thuyết vững chắc để từ

đó có những đề xuất sát thực tế khắc phục những kết quả không mong muốn xảy ra Trong giai đoạn hiện nay, trước sự phát triển của khoa học kỹ thuật, cuộc sống của con người được nâng cao cả về vật chất và tinh thần, nhu cầu tham gia giao thông các phương tiện ngày càng tăng, tai nạn giao thông gia tăng, vì vậy, vấn đề an toàn khi sử dụng các phương tiện tham gia giao thông luôn được đặt ra đối với các nhà

kỹ thuật ôtô Sự chuyển động an toàn của ô tô phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái chuyển động của ôtô khi có các yếu tố khác tác động

Mục đích của luận văn:

- Nghiên cứu tổng quan về động lực học ô tô;

- Xây dựng mô hình khảo sát, đánh giá dạng khí động học vỏ xe du lịch;

- Đề xuất các giải pháp cải thiện dạng khí động học nhằm giảm thiểu lực cản

khí động tác dụng lên ô tô khi chuyển động ở tốc độ cao

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn được lựa chọn là ô tô du lịch với mẫu xe tham khảo cụ thể là ô tô du lịch MAZDA 3 (phiên bản Hatchback và phiên bản Sedan)

Phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của khí động đến lực cản, lực nâng trên mô hình vỏ xe du lịch ở vận tốc cao (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt mưa, các khe gờ trên vỏ, kính …)

Nội dung nghiên cứu

Luận văn gồm các nội dung chính như sau:

1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu;

2 Xây dựng mô hình mô phỏng khí động học vỏ xe du lịch;

3 Nghiên cứu khí động học vỏ ô tô du lịch bằng phần mềm;

4 Kết luận

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC Ô TÔ 1.1 Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam

1.1 1 Nhu cầu về ô tô hiện nay

Theo số liệu của Tổng cục Thống kê năm 2015, tại Việt Nam, sản phẩm ô tô tăng cao so với năm 2014: 54,5% Số người có nhu cầu sử dụng ô tô là 54%, theo kết quả khảo sát của Tổ chức GlobalWebIndex thì chi tiết các phương tiện thường xuyên được sử dụng tại Việt Nam: Xe ô tô cá nhân: 54%; Xe gắn máy (điện hoặc xăng): 50%; Taxi: 30%; Xe buýt: 27%; Các ứng dụng gọi xe: 17%; Chương trình chia sẻ phương tiện (Dùng chung xe): 13%; Xe ôm: 12%; Tàu hoả: 4%

Trên thế giới, qua số liệu sản xuất ô tô trên toàn cầu để đánh giá về nhu cầu ô tô trong cuộc sống con người, các số liệu mới nhất về ngành công nghiệp ô tô toàn thế giới năm 2014 hiện chưa được công bố, nhưng hãng thống kê Statista ước tính, năm

2014, số lượng xe du lịch (passenger car) dự kiến được sản xuất trên toàn thế giới vào khoảng 72 triệu chiếc Trước đó, vào năm 2013, toàn thế giới sản xuất ra 87,3 triệu ô

tô các loại, trong đó xe du lịch chiếm 65,44 triệu chiếc Với 87 triệu xe các loại sản xuất trong năm 2013, thì cứ mỗi giây toàn thế giới sản xuất ra trung bình 2,7 xe Nếu chỉ tính trung bình mỗi xe dài 5m, thì năm 2013 thế giới đã sản xuất ra một đoàn xe dài

435 nghìn km Theo Hiệp hội Các nhà sản xuất ô tô thế giới (OICA), năm 2012, toàn thế giới có khoảng 1,143 tỷ xe ô tô các loại đang lưu hành, trong đó riêng Mỹ gần 251

triệu xe Toàn châu Âu hiện có 368 triệu xe, riêng 27 quốc gia thuộc Liên minh châu

Âu và các nước thuộc Hiệp hội mậu dịch tự do châu Âu chiếm 291 triệu xe Với 1,143

tỷ xe đang lưu thông, và cũng tính trung bình mỗi xe chỉ dài 5m, thì khi toàn bộ xe trên thế giới xếp thành một hàng, chiều dài của đoàn xe này là 5,7 triệu km, tức hơn 140 lần chu vi trái đất (tham khảo tại www.Xedoisong.vn)

Qua con số trên cho thấy nhu cầu sử dụng xe ô tô phục vụ đời sống là rất cao, ô

tô vẫn là phương tiện chính hiện tại và trong thời gian dài tiếp theo

1.1.2 Định hướng phát triển

Ở Việt Nam, Thủ tướng Chính phủ đã có Quyết định số 1168/QĐ-TTg ngày 16/7/2014 về chiến lược phát triển ngành ô tô Việt Nam đến năm 2025 tầm nhìn đến năm 2035 Trong giai đoạn “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030”, Chính phủ đã nhấn mạnh tầm quan trọng của lĩnh vực sản xuất ô tô du lịch và đưa ra định hướng cụ thể: “…chú trọng phát triển các loại xe khách tầm trung và tầm ngắn,… Tập trung đầu tư cải tiến, nâng cấp công nghệ để nâng cao chất lượng sản phẩm, hoàn thiện hệ thống dịch vụ bán hàng, nâng cao năng lực cạnh tranh, đáp ứng phần lớn nhu cầu trong nước, từng bước tham gia xuất khẩu”

Tính đến thời điểm hiện tại thì châu Á vẫn là nơi sản xuất nhiều ôtô nhất trên thế giới với sự nổi lên của các quốc gia như: Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Đài Loan, Thái Lan Theo số liệu của năm 2014 tổng hợp từ 50 quốc gia thì tổng số xe hơi được sản xuất trên toàn thế giới vào khoảng 91,31 triệu chiếc, sản lượng xe của các hãng xe đến từ Nhật Bản chiếm gần 30% và dẫn đầu thế giới Số lượng xe sản xuất của top 5 quốc gia theo thứ tự lần lượt: Trung Quốc (23,72 triệu chiếc), Mỹ (11,65 triệu chiếc), Nhật Bản (9,77 triệu chiếc), Đức (6,12 triệu chiếc), Hàn Quốc (4,52 triệu chiếc) Cũng theo số liệu thống kê, tổng số xe bán ra trong năm 2014 của 85 quốc gia trên toàn thế giới vào khoảng 87,67 triệu xe Có thể chưa phải những ý tưởng mang ý nghĩa “đại cách mạng” trong ngành công nghiệp ôtô thế giới nhưng trong năm 2016 này, một số xu hướng thiết kế, chế tạo xe cũng như các hướng phát triển mới sau đây được đánh giá sẽ là những kim chỉ nam cho sự phát triển của các hãng xe lớn

1.1.3 Xu hướng công nghệ và thực trạng

Hiện nay nhiều hãng sản xuất ô tô trên thế giới đang từng bước từng bước đẩy mạnh sản xuất các mẫu xe hơi với dung tích động cơ lớn hơn nhiều so với truyền thống trước đây, vì vậy tốc độ tối đa cũng tăng lên đáng kể Xu hướng hiện nay ngoài vấn đề tiết kiệm, chất lượng tốt thì người tiêu dùng còn hướng tới yếu tố thiết kế ấn tượng và tính tiện dụng cao Vì thế, sự cạnh tranh về mức giá dần mất ý nghĩa, thay vào đó là thỏa mãn và gợi mở nhu cầu khách hàng Xe ô tô hiện nay không chỉ là phương tiện mà còn là nơi thư giãn, cảm nhận những thành tựu công nghệ, ví dụ hiển

thị hình ảnh trên kính lái HUD Head-Up Display (HUD) đang là một trong những

công nghệ được người mua xe yêu thích nhất, với chức năng biến chiếc kính chắn gió trên ô tô thành màn hình hiển thị hình ảnh một cách sống động chứ không chỉ dùng để chắn gió đơn thuần Công nghệ HUD giúp người điều khiển phương tiện theo dõi tốc

độ, hướng chuyển động, các thông số vận hành và tín hiệu cảnh báo ngay trên kính lái

mà không cần phải nhìn xuống bảng điều khiển trung tâm Ngoài ra, chức năng điều khiển bằng giọng nói và các chức năng tự động khác được số đông người sử dụng ưa chuộng Với động cơ dung tích lớn, công nghệ tự động được ứng dụng tối đa, các nhà sản xuất và người sử dụng vẫn đặt vấn đề an toàn, hiệu quả lên hàng đầu Để giải quyết những yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng đối với những chiếc xe ô tô hiện đại, một trong những vấn đề quan trọng cần được ưu tiên đầu tư nghiên cứu là tối ưu hóa dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và nâng cao tính an toàn chuyển động

1.2 Khí động lực học và các thông số đặc trưng

Khí động lực học là môn học nghiên cứu về dòng chảy của chất khí, được nghiên cứu đầu tiên bởi George Cayley Giải pháp cho các vấn đề khí động lực học dẫn đến các tính toán về tính chất khác nhau của dòng chảy, như vận tốc, áp suất, mật

độ và nhiệt độ, như là các hàm của không gian và thời gian Khi hiểu được các tính chất này của chất khí, người ta có thể tính toán chính xác hay xấp xỉ các lực và các mômen lực lên hệ thống dòng chảy

Khí động lực học sử dụng các phân tích toán học và các kết quả thực nghiệm Chuyên ngành này có nhiều ứng dụng, ví dụ như nó là nền tảng cho việc thiết kế máy bay, nghiên cứu vỏ ô tô, và ứng dụng rộng rãi trong xe đua Các vấn đề về khí động lực học được chia ra làm nhiều loại, có thể phân loại theo môi trường dòng chảy, khí động học ngoại biên và khí động học nội biên Khí động học ngoại biên là ngành nghiên cứu dòng chảy xung quanh vật rắn, môn này có các ứng dụng như tính toán lực nâng và lực kéo lên cánh máy bay, lực hãm tạo nên ở mũi tên lửa Khí động học nội biên nghiên cứu

về dòng khí qua các động cơ phản lực hay qua các ống của máy điều hòa

Một vật chuyển động qua một chất lưu (không khí, nước) bao giờ cũng phải chịu một sự cản trở nào đó, đối với chuyển động của nó Lực do chất lưu tác dụng vào vật nhất thiết làm cho chuyển động của vật bị thay đổi phần nào Chúng ta có thể nghĩ rằng lực hãm là khá lớn nếu vật chuyển động trong một chất lỏng, nước chẳng hạn, nhưng nếu chất lưu là một chất khí (không khí chẳng hạn) thì ta có thể cho rằng lực sẽ nhỏ đến mức không ảnh hưởng thực tế nào vào chuyển động của vật Tuy nhiên, như chúng ta thấy, lực mà chúng ta thường gọi là sức cản của không khí không phải bao giờ cũng có thể dễ dàng bỏ qua như vậy Sức cản của không khí là một biểu hiện của lực khí động lực - lực do không khí tác dụng vào một vật chuyển động (khi một vật chuyển động trong nước, thì lực gọi là lực thủy động lực) Những lực như vậy được quy về lực động lực vì chúng do chuyển động sinh ra, hơn nữa, lực tồn tại hoặc do vật đứng yên trong chất lưu chuyển động, cũng như do vật chuyển động trong chất lưu đứng yên: tức là lực được tạo ra bởi chuyển động tương đối

Việc phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển động của dòng chảy hay biến thiên các thuộc tính áp suất, vận tốc của ô tô khi chuyển động trong môi trường có vai trò hết sức quan trọng khi tối ưu hóa để mang lại hiệu quả cao nhất

Hình 1.1 Sơ đồ hiệu suất của ô tô khi chạy tốc độ thấp

Hình 1.2 Sơ đồ hiệu suất của ô tô khi chạy tốc độ cao

Khi ô tô chuyển động trong không khí ở tốc độ thấp thì tổn thất do tác dụng của gió chỉ khoảng 3% Khi chạy ở tốc độ cao, thì tổng hao công suất tăng tới 11% công suất truyền từ động cơ

Ô tô chuyển động sinh ra các lực cản lực nâng của không khí đối với xe ô tô Các lực này rất lớn khi xe chạy ở tốc độ cao Nó ảnh hưởng đến khả năng điều khiển của xe cũng như khả năng chuyển động của xe

Khi sử dụng phương pháp tính toán động học chất lưu CFD (Computational Fluid Dynamics) có thể giải quyết rất tốt bài toán khi xe chạy trong môi trường chất lưu có độ chính xác cao Ngày nay CFD được kết hợp cả thực nghiệm thuần túy và kết quả của lời giải số, các phương pháp này hỗ trợ nhau, bổ sung và là tiêu chuẩn để đánh giá nhau, trong đó CFD có vai trò quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu từ tính toán lý thuyết đến thiết kế công nghệ Để ứng dụng được CFD giải bài toán cụ thể là khảo sát khí động trên 2 mẫu xe Sedan và Hatchback các thay đổi của lực cản, lực nâng khi thay đổi góc thoát xe thì cần hiểu biết về lý thuyết cơ bản của CFD, các phương trình

mô tả lưu chất Từ đó ta có thể hiểu rõ và lựa chọn thuật giải phù hợp

Theo lý thuyết thì khi chuyển động, ôtô phải khắc phục nhiều loại lực cản: lực cản lăn, lực quán tính, lực ma sát và nhất là lực cản của gió khi xe lao như bay về phía trước

Hình 1.3 Lực tác dụng khi xe ô tô chuyển động

- Lực cản lăn liên quan đến chất lượng mặt đường, chất lượng săm lốp;

- Lực quán tính liên quan đến khối lượng và gia tốc của xe;

- Lực ma sát liên quan đến vật liệu, công nghệ chế tạo và dầu mỡ bôi trơn, lực

cản của gió lại liên quan đến hình dạng khí động học và tốc độ của xe Đây cũng là loại lực cản phức tạp nhất khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí, sự tương tác của vỏ xe với môi trường sinh ra các lực và mô men có ảnh hưởng xấu tới chất lượng vận hành của ô tô Hệ quả trực tiếp của sự tương tác trên là lực cản không khí làm gia tăng mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô, đặc biệt là ở vận tốc cao do lực này tỷ lệ với bình phương của vận tốc

Ngoài ra, lực nâng làm giảm khả năng bám đường, còn các mô men thì có thể gây nên hiệu ứng lật xe, đây là những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn chuyển động

Để giảm tối đa những ảnh hưởng xấu nêu trên, cần có những nghiên cứu sâu về khí động học vỏ xe ngay trong quá trình thiết kế

1.2.1 Cơ sở lý thuyết

Các lực sinh ra bởi sức cản nhớt và sức cản do hình dạng được phân bố trên toàn bộ bề mặt của vật nhúng chìm, tuy nhiên trong thực tế người ta thường cộng và quy chúng về hai thành phần: lực cản - tác dụng ngược với chiều chuyển động tương đối của vật đối với chất lưu (tức là đối song với vector vận tốc) và lực nâng - tác dụng vuông góc với một phương chuyển động, lực nâng ở đây phải được hiểu như một lực ngang hoặc hướng sang bên, có thể làm cho vật bị lệch theo phương bất kỳ nào vuông góc với vận tốc, chứ không phải như một lực hướng lên (chống lại trọng lực)

Trong khuôn khổ Luận văn này sẽ đi nghiên cứu ảnh hưởng của lực cản không khí, lực nâng khi xe chuyển động ở tốc độ cao

Đối tượng nghiên cứu của khí động học là dòng chảy quanh một vật cản đang chuyển động bằng phương pháp Ơle với hệ tọa độ gắn với vật Để đơn giản hóa phương pháp mô tả, người ta coi một vật chuyển động với vận tốc V trong môi trường không khí tĩnh tương đương với vật đứng yên trong dòng khí có vận tốc V

Hình 1.4 Lực tác dụng lên vật nằm trong dòng chảy

Lực cản không khí bao gồm hai thành phần sau đây:

- Lực cản chính diện: Lực cản này sinh ra do sự xoáy lốc của dòng khí, nói cách

khác, lực cản sinh ra bởi sự gia tăng áp suất không khí ở phía trước xe và sự giảm áp suất ở phía sau xe

- Lực cản do ma sát giữa vỏ xe và dòng khí chuyển động ở gần vỏ xe với nhau:

Do lớp không khí này tác động lên lớp không khí khác, vận tốc của các lớp không khí gần vỏ xe cao hơn so với vận tốc của lớp không khí ở xa vỏ xe, do vậy tạo nên ma sát giữa các lớp không khí Vận tốc của xe càng lớn thì khối lượng không khí tham gia vào chuyển động càng nhiều và tổng lực ma sát càng cao

Trên cơ sở thực nghiệm người ta thiết lập được công thức tính lực cản không khí như sau:

FA = 2

1

A Cd V2 (1.1)

Trong đó ρ: Khối lượng riêng không khí (ρ = 1,24 kg/m3);

A: Diện tích chính diện của ô tô;

V: Vận tốc tương đối của ô tô với không khí

Cd: Hệ số cản không khí (không thứ nguyên), Cd phụ thuộc hình dáng, chất lượng bề mặt ô tô, vỏ ô tô càng trơn nhẵn, hình dạng ô tô càng có dạng khí động học thì Cd càng nhỏ Dạng khí động học tốt nhất là dạng một giọt nước rơi tự

do trong không khí;

Hình 1.6 Hệ số cản của một số vật thể đơn giản

Trị số của Cd thấp khi xe có dạng khí động tốt, như vậy lực cản không khí cũng sẽ nhỏ hơn Về nguyên tắc, có thể xác định Cd bằng một phép đo trực tiếp với

cách làm tiêu chuẩn là đặt vật (hoặc một mô hình theo tỉ lệ thích hợp) trong một

ống thổi, để lợi dụng sự kiện là lực cản chỉ phụ thuộc vận tốc tương đối của xe và

không khí

Như phần trên đã trình bày, lực cản không khí tác động lên ô tô phụ thuộc hệ

số cản không khí Cd (phụ thuộc nhiều vào hình dạng thân xe), công thức (1.1) cho thấy hệ số Cd không có thứ nguyên, nó không đặc trưng cho một đại lượng vật lý nào mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng khí động học của xe (đây là thông số đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu khí động học) Công thức trên cũng cho thấy, để giảm lực cản của không khí lên xe đang chuyển động thì chỉ có cách duy nhất hợp lý là giảm hệ số Cd Bởi vì, nếu giảm A thì sẽ giảm thể tích sử dụng, làm ô tô trở nên chật chội, nếu giảm V thì tốc độ chuyển động giảm, làm năng suất vận chuyển giảm theo Vì vậy, tất cả các nỗ lực trong nghiên cứu khí động học ô tô ngày nay tập trung chủ yếu vào việc cải thiện hình dáng khí động học vỏ xe nhằm tối ưu hóa hình dạng khí động học của xe, giảm thiểu những tác động xấu khi xe chuyển động ở tốc độ cao

Trong thực tế, tính toán lực cản không khí cho xe hơi là điều rất khó vì thân xe

là tổng hợp của nhiều dạng vật thể đơn giản với những hệ số cản không khí khác nhau Lực cản không khí có thể phân tích thành 2 thành phần: cản do ma sát Fms và cản do chênh áp Fca, do vậy Cd cũng được chia thành 2 thành phần tương ứng

Cd = Cms + Cca (1.2) Nếu như thành phần cản do ma sát phụ thuộc chủ yếu vào độ nhám bề mặt của vỏ xe thì thành phần cản do chênh áp lại phức tạp hơn rất nhiều, nó phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng khí động học của vật cản Hình 1.7 mô tả dòng khí chảy quanh một vật cản, có thể nhận thấy rằng, ban đầu dòng chảy ôm lấy vật và được coi là bám vào nó cho tới điểm A, tại đây, dòng chảy tách khỏi vật làm xuất hiện một vùng xoáy phía sau nó, vùng xoáy này có áp suất p2 rất thấp (thường là chân

không), trong khi phía trước của vật lại chịu áp suất p1 lớn, do vậy sinh ra độ

chênh áp p:

Hình 1.7 Sự hình thành vùng xoáy áp thấp phía sau vật cản

p = p

1 - p2 (1.3) Như vậy, có thể viết:

FA = Fms + A p (1.4) Trong đó A p = Fca là thành phần lực cản do chênh áp Lực này phụ thuộc chủ yếu vào độ chênh áp và diện tích của vùng xoáy

Phạm vi của vùng xoáy được xác định bởi điểm tách dòng (điểm A trên hình 1.7), đây là điểm mà dòng chảy bắt đầu tách khỏi vật cản và là khởi đầu của vùng xoáy Các nghiên cứu cho thấy, trong một môi trường xác định (có độ nhớt xác định) vị trí của điểm A phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố: vận tốc dòng chảy và hình dạng của vật cản (vận tốc của dòng chảy mà càng lớn thì điểm A càng dịch về phía trước làm diện tích vùng xoáy sẽ tăng lên và ngược lại; còn hình dạng của vật cản

là lý tưởng về mặt khí động học thì điểm A gần như không tồn tại mà dòng chảy sẽ bao kín vật cản như thể hiện)

Hình 1.8 Trường hợp có thể coi F ca 0, hay: F A F ms

a)FA ≈ Fms b) FA >> Fms

Hình 1.9 Ảnh hưởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xoáy

Tuy nhiên, trên thực tế, phần lớn các vật (trong đó có các vỏ xe ô tô) có hình dạng khí động không thể là lý tưởng, khi đó, tương quan giữa các thành phần Fms và

Fca hoàn toàn phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật Trên hình 1.9 thể hiện

sự tạo thành vùng xoáy tuỳ theo hình dạng khí động học của vật cản: Có trường hợp vật có dạng khí động lý tưởng nên không tạo vùng xoáy và thành phần cản do chênh áp rất nhỏ, trường hợp vật có dạng khí động xấu, ở đây lực cản do chênh áp

Fca chiếm tỷ lệ lớn trong FA Đối với những vật có dạng khí động học tốt (cánh máy bay, cánh tua bin, chân vịt, ) thì lực cản có thể tính như sau:

FA = Fms (1 + k) (1.5) Với: k = 0,1 ÷ 0,15 có nghĩa là lực cản do ma sát chiếm tỷ lệ từ 85 đến 90%

Các nghiên cứu đã khẳng định rằng, muốn cải thiện tác dụng của lực cản đối với ô tô nói chung và ô tô du lịch nói riêng thì cần thay đổi hình dạng khí động học

vỏ xe Trong đó, thành phần cản do chênh áp vẫn chiếm tỷ lệ áp đảo và muốn giảm lực cản thì biện pháp duy nhất là cải thiện hình dạng khí động học vỏ xe

Hình 1.10 Hệ số cản và hình dáng khí động học

Như vậy, giảm Cd đồng nghĩa với việc cải thiện hình dạng khí động học của

ô tô Quá trình hoàn thiện dạng khí động học vỏ xe ô tô con theo lịch sử phát triển được mô tả trên hình, có thể nhận thấy rằng, trong giai đoạn trước năm 1930 với những chiếc ô tô có hình dáng giống xe ngựa cổ xưa, hệ số cản rất lớn (0,65÷1,0) Sau đó, vào những năm 1970, hệ số này giảm xuống gần giá trị 0,4 và ngày nay

nó chỉ còn là 0,28 - 0,32 và một số loại xe đã có thể đạt được Cd = 0,25 ÷ 0,27 Tuy

nhiên, sau năm 2000, khi những chiếc ô tô gần như đã hoàn thiện về hình dạng khí động học thì việc giảm được dù chỉ 0,01 trong Cd ngày càng trở nên khó khăn hơn, nó đòi hỏi phải có nghiên cứu toàn diện hơn, sâu sắc hơn, trang thiết bị thử

nghiệm hiện đại hơn cùng với những chi phí cao hơn rất nhiều Vì vậy, trong giai đoạn này, đồ thị mô tả Cd theo thời gian gần như nằm ngang

Hình 1.11 Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cản

Trong tự nhiên, vật có hình dạng khí động học lý tưởng chính là giọt nước rơi trong không khí Nếu những chiếc ô tô cũng có hình dạng như vậy thì lực cản khí động là nhỏ nhất

Hình 1.12 Một trong những dạng có hệ số cản nhỏ

Trên hình 1.12 mô tả một số dạng vỏ xe điển hình có hệ số cản nhỏ hơn 0,2

và thậm chí có thể đạt giá trị 0,1, tuy nhiên, những chiếc xe với kiểu dáng như vậy khó có thể đáp ứng được thị hiếu của người tiêu dùng hiện nay nên không thể xuất hiện phổ biến được, người ta thường chỉ gặp các dạng vỏ xe như vậy trên các đường đua

Hình 1.13 cho thấy, nếu có giải pháp tạo dáng hợp lý thì có thể giảm đáng kể

hệ số cản, hệ số cản xe du lịch có thể đạt 0,2-0,45

Hình 1.13 Hệ số cản của xe du lịch

Tuy nhiên, đối với các nhà sản xuất thì việc tạo dáng không chỉ nhằm vào mục đích giảm tối đa lực cản khí động mà còn phải đạt đƣợc tính thẩm mỹ cao Chính vì vậy, vẫn tồn tại những dạng vỏ xe có hình dáng vuông vắn, góc cạnh tiếp nhận lực cản khí động lớn với hệ số Cd lớn hơn 0,7 Các kết quả nghiên cứu về khí

động ô tô: Hệ số cản khí động giảm dần theo thời gian và ngày càng khó khăn trong

việc nghiên cứu giảm hệ số cản khí động

Hình 1.14 Đồ thị biến thiên hệ số cản của ô tô du lịch

1.2.3 Lực nâng (F L )

Lực nâng là thành phần tương tác giữa một vật và chất lưu (không khí, nước ) hướng vuông góc với phương chuyển động, lực nâng được sinh ra bởi bất kì tác dụng nào làm cho chất lưu đổi hướng khi nó chảy qua vật Nếu chất lưu thu được một thành phần vận tốc vuông góc với phương ban đầu của nó, do kết quả tương tác của nó với một vật nhúng chìm, thì vật phải tác dụng một lực vào chất lưu

để cho nó một gia tốc theo phương ấy Theo định luật Newton thứ ba (nguyên lí về tác dụng và phản tác dụng), chất lưu phải tác dụng vào vật một lực bằng ngược chiều Như vậy, nếu vật làm ngoặt chất lưu sang trái, thì vật sẽ chịu một lực đẩy sang phải Trong số các tác dụng có thể tạo ra lực đẩy, có vật có hình dạng hoặc xoay hướng bất đối xứng đối với dòng chất lưu; vật đang quay; và mặt bên của vật

gồ ghề (tức là một mặt nhẵn hơn mặt kia)

Ta xem xét một vật thắng được trọng lực và bay lên được là nhờ lực nâng khí động lực học hay còn gọi là lực nâng Là kết quả của sự chênh lệch áp suất không khí tại mặt trên và mặt dưới của vật thể khi dòng khí chuyển động chảy bao vật thể Để có lực nâng khí động lực học thì thiết diện vật thể phải không đối xứng qua trục chính và đường biên của mặt trên phải lớn hơn của mặt dưới, những vật thể có hình dạng thiết diện như vậy được gọi là có hình dạng khí động lực học Khi không khí chảy bao quanh hình khí động sẽ có lực nâng khí động lực

Để rõ hơn ta xem xét dòng khí qua cánh máy bay

Hình 1.15 Mô hình khí trôi qua cánh của cánh máy bay

Khi không khí chảy qua hình khí động là cánh, tại mặt dưới sẽ có áp suất cao hơn so với mặt trên và hệ quả là sẽ xuất hiện một lực tác động từ dưới lên vuông góc với cánh Lực nâng có độ lớn bằng diện tích cánh nhân với chênh lệch áp suất hai mặt, độ chênh lệch áp suất phụ thuộc vào hình dạng thiết diện cánh tức là phụ

thuộc vào hiệu suất khí động học của cánh, góc tấn (góc chảy của không khí tương đối với vật khí động và vận tốc dòng chảy Như vậy, khi vận tốc dòng chảy đạt đến

độ lớn nào đó thì chênh lệch áp suất (đồng nghĩa với lực nâng) sẽ đủ để thắng trọng lực và vật thể có thể bay lên được Muốn có lực nâng đủ thì vận tốc và diện tích cánh phải đủ: cánh càng rộng thì máy bay có thể cất cánh với vận tốc nhỏ hơn, ngược lại cánh càng nhỏ thì đòi hỏi vận tốc càng lớn để cất cánh Trong máy bay có cánh cố định vật thể khí động học để tạo lực nâng là đôi cánh của máy bay được gắn cố định vào thân Vận tốc ngang của máy bay (cũng đồng nghĩa với vận tốc dòng chảy bao máy bay nếu xét trong hệ quy chiếu gắn với máy bay) có được nhờ lực tác động ngang sinh ra nhờ động cơ (có thể thông qua cánh quạt hoặc dòng khí phản lực) Động cơ quay cánh quạt (hoặc phụt dòng khí phản lực) sẽ tạo phản lực đẩy máy bay chuyển động tương đối với không khí về phía trước, khi chuyển động tương đối như vậy cánh máy bay sẽ bị dòng khí chảy bao bọc xung quanh và tạo hiệu ứng lực nâng khí động lực học tác động từ dưới lên, khi vận tốc máy bay đạt đến giá trị nào đó lực nâng sẽ đủ lớn để thắng trọng lực và máy bay sẽ bay được Các cơ cấu điều khiển bay của máy bay để thực hiện các chuyển động bay: cất cánh, hạ cánh; vòng trái, phải; nghiêng cánh; nâng, hạ độ cao khi bay bằng; hướng mũi bay lên trên, xuống dưới

Tương tự như vậy, trên ô tô theo lý thuyết khí động học, khi xe

lệch áp suất tạo nên lực nâng xe lên làm giảm sức bám mặt đường của lốp

Ở tốc độ cao, lực nâng có thể tăng quá mức và gây mất ổn định 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 hơn 120 - 200 km/giờ

Khi xe chuyển động với vận tốc cao, lực nâng hay nén: Có thể cùng lúc xuất hiện ở nhiều vị trí khác nhau và tác dụng vào chuyển động của xe Cả hai loại lực này đều cần thiết cho tính năng ổn định của xe nếu chúng không vượt quá trị số cho phép Xe đua thường có dạng thân tạo nên hợp lực là lực nén giúp xe bám sát mặt đường hơn, trong khi các loại xe du lịch khác lại có hợp lực là lực nâng để giúp xe chuyển động dễ dàng hơn Trị số lực nâng sẽ lớn nhất khi dòng không khí di chuyển đến phía sau xe vì tiết diện cản gió của thân xe ở vị trí này giảm nhanh đột ngột Khi vượt quá trị số cho phép lực nâng này sẽ làm giảm khả năng bám đường của hai bánh xe sau

Hình 1.16 Lực nâng

Nếu khoảng trống gầm xe ở phía trước nhỏ hơn phía sau, khi xe di chuyển

áp thấp sẽ được tạo nên ở gầm xe phía sau tạo nên lực nén kéo xe sát xuống mặt đường Lực này giúp cho xe an toàn hơn khi đổi hướng với tốc độ cao

Có thể nói,

Tuy nhi

Theo lý thuyết động học, khi xe chạy, 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 cản nâng xe lên làm giảm sức bám mặt đường của lốp Thử nghiệm cho thấy khi xe di chuyển với tốc độ trung bình trong thành phố (35 m/ph), khoảng 25% lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ chỉ được dùng để khắc phục lực cản không khí và lực nâng là thành phần vuông góc với phương chuyển động

Trên cơ sở thực nghiệm người ta thiết lập được công thức tính lực nâng như sau :

FL = 2

Cũng như lực cản, lực cản tỷ lệ với diện tích mặt sàn xe, với bình phương vận tốc và hệ số nâng (Cl) - 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 chạy ở tốc độ cao

Trước đây, khi ô tô chuyển động với vận tốc chưa cao, các nghiên cứu khí động học chỉ quan tâm chủ yếu đến lực cản FA do lực nâng FL rất nhỏ và ảnh hưởng không nhiều đến điều kiện chuyển động Hiện nay với cơ sở hạ tầng tốt,

vận tốc tối đa xe du lịch tăng đáng kể thường xấp xỉ 120 - 200 km/h, nên ảnh

hưởng đến sự ổn định của xe, thì lực nâng cũng rất được quan tâm, nghiên cứu

1.2.4 Các thông số đặc trưng cho dòng chảy

Trong nghiên cứu khí động học, có 2 thông số quan trọng đặc trưng dòng chảy không khí là số Reynolds và số Mach Chúng được định nghĩa như sau:

Trong nghiên cứu thủy khí động lực học, người ta thường dùng các thông số trên để đánh giá trạng thái dòng chảy và làm chỉ tiêu cho các phép quy đổi tương

tự Trong đó, thông số thường dùng đối với khí động học ô tô là Re vì M thường rất

bé (M<<1) Còn nếu M rất lớn (trường hợp các máy bay siêu âm) thì cần sử dụng thêm một chỉ tiêu tương tự khác nữa

Hình 1.17 Dòng khí bao quanh các dạng vỏ xe khi chuyển động

Ngoài vùng xoáy lớn ở đuôi xe như đã mô tả trên hình 1.18, còn rất nhiều vùng

xoáy nhỏ trên vỏ xe góp phần tạo nên lực cản khí động của 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 1.19 Các vùng xoáy trên vỏ ôtô du lịch

a) Các vùng xoáy trên vỏ xe b) Vùng xoáy sau đuôi xe

Một ví dụ về sự hình thành các vùng xoáy được mô tả trên hình 1.19 Các vùng

xoáy hình thành ở những nơi vỏ xe bị gấp khúc, tạo nên sự đổi hướng đột ngột của

dòng chảy không khí Vùng thứ nhất trên hình 1.19 a chính là phần mũi xe với dòng

xoáy ngay trên nắp capot, đồng thời dòng khí đi qua két làm mát cũng sinh ra lực cản

nhất định Các vòng xoáy khác như khu vực chân kính chắn gió, góc chữ A, bánh

xe,… cũng góp phần tạo nên lực cản không khí Để giảm thiểu ảnh hưởng của chúng, cần phải có giải pháp thiết kế hợp lý

Vùng xoáy lớn ở đuôi xe phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu và kích thước của phần đuôi của ô tô Trên hình 1.19 b mô tả 3 dạng kết cấu đuôi xe với các kiểu vùng xoáy khác nhau, nếu thiết kế đuôi xe thuôn dài về phía sau thì sẽ giảm được kích thước vùng xoáy này, nghĩa là giảm đáng kể lực cản khí động

Để mô tả sự phân bố và nghiên cứu ảnh hưởng của các vùng xoáy thấp áp trên vỏ xe, người ta thường sử dụng đồ thị phân bố áp suất không thứ nguyên Cp:

C P (1.9)

Trong đó: p là áp suất tại điểm đang xét;

p∞ và U∞ là áp suất và vận tốc tại điểm mà các thông số của dòng chảy không bị ảnh hưởng bởi vật (thường gọi là điểm chuẩn)

Hình 1.20 mô tả một ví dụ về sự phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ ô

tô con Có thể thấy rằng, kính chắn gió chịu áp suất động của dòng khí nên chịu áp suất lớn hơn áp suất chuẩn, do vậy, áp suất không thứ nguyên ở đây là dương Các vùng có áp suất âm thường là do ảnh hưởng của các dòng xoáy Dựa trên sự phân

bố áp suất này người ta có thể xác định được lực cản chuyển động và lực nâng tác động lên ô tô

Hình 1.20 Phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ xe

Những phân tích trên đây cho thấy, mặc dù lực cản khí động được hình thành

từ nhiều yếu tố khác nhau, yếu tố chính vẫn là sự hình thành vùng xoáy ở đuôi xe

Hình dáng, kích thước và các tính chất của vùng xoáy phụ thuộc chủ yếu kết cấu phần đầu xe và dạng khí động của thân xe

Áp suất phía trước đạt trị số cực đại khi tiết diện cản gió của thân xe tăng nhan trước Phía sau xe, áp thấp tạo nên hiện tượng xoáy lốc

có khả năng tạo một lực nghịch chiều chuyển động của xe Xoáy lốc tạo nên do 2 kính chiếu hậu ở cửa xe cũng góp phần không nhỏ vào việc cản trở chuyển động của xe

Hình 1.21 Ảnh hưởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động

Hình 1.21 mô tả ảnh hưởng của hình dạng đuôi xe tới hệ số lực cản không khí cho một số dạng kết cấu cụ thể

Hình 1.21a cho thấy, nếu bố trí góc nghiêng của tấm vỏ đuôi xe không hợp

có góc lượn (R = 0) Nếu tiếp tục tăng bán kính góc lượn thì hệ số cản gần như không đổi

Hình 1.22 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và tấm nóc xe

với hệ số cản không khí R- bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và tấm nóc; b-

chiều rộng thân xe

Trên hình 1.23 Mô tả ảnh hưởng của cấu trúc phần đầu xe tới hệ số cản không khí

Ngoài cấu trúc phần đầu xe ảnh hưởng tới hệ số cản không khí, góc lượn giữa mặt trước vỏ xe với các thành bên và góc lượn giữa kính trước và nóc xe cũng có ảnh hưởng rất lớn đến hệ số cản không khí (Cd) Trường hợp bán kính bằng 0 (2 mặt vuông góc với nhau), hệ số cản là lớn nhất, nếu tăng dần bán kính góc lượn r thì hệ số cản Cd giảm Tuy nhiên, tới khi tỷ lệ r/b đạt giá trị khoảng 0,04 thì việc tiếp tục tăng r không còn mang lại hiệu quả nữa Một nghiên cứu khác đã cho thấy, nếu phần đầu của vỏ xe được vo tròn thì có thể giảm hệ số lực cản không khí

từ 0,76 xuống 0,42

Ngoài các yếu tố trên, chiều cao sàn xe và hình dạng không gian bên dưới sàn cũng có ảnh hưởng đáng kể đến các lực khí động Kết quả nghiên cứu thể hiện trên hình 1.23 cho thấy, lực nâng phụ thuộc rất mạnh vào yếu tố này, trong khi lực cản lại chịu ảnh hưởng ít hơn nhiều

Hình 1.23 Ảnh hưởng của chiều cao sàn xe tới các lực khí động

Như vậy, để giảm ảnh hưởng xấu của các lực khí động thì cần tạo được hình dạng vỏ xe hợp lý Điều này cần được quan tâm nghiên cứu kỹ lưỡng ngay trong quá trình thiết kế vỏ xe ô tô

1.2.6 Lý thuyết tương tự trong khí động học ô tô

Trong nghiên cứu khí động học ô tô, người ta thường gặp khó khăn do vỏ xe

có kích thước lớn Vì vậy, trong nhiều trường hợp (đặc biệt là trong nghiên cứu thực nghiệm), các nhà nghiên cứu phải dùng đến các mô hình với kích thước thu nhỏ so với vỏ xe thật Như vậy, cần xác định tính tương tự giữa vỏ xe thật và mô hình nghiên cứu

Để giải quyết vấn đề nêu trên, buộc phải sử dụng đến lý thuyết tương tự Đối với dòng chảy khí động học không nén, số Re được chọn làm tiêu chí tương tự, vì

nó bao hàm các thông số chính đặc trưng cho dòng chảy (vận tốc, kích thước và độ nhớt) Theo lý thuyết tương tự, hai dòng chảy được coi là tương tự nhau nếu chúng

có số Re bằng nhau: Ret = Rem , với Ret là số Reynolds của vỏ xe thực và Rem là

số Reynolds của mẫu nghiên cứu Như vậy, có thể viết:

t

t t t m

m m

(1.10)

Trong công thức trên, các thông số ứng với chỉ số m là của mẫu, còn các thông số ứng với t thuộc về vỏ xe thật Do các tính chất của không khí trong cả hai trường hợp là như nhau nên:

m

t t m

L

L U

Công thức trên cho thấy, để đảm bảo tính tương tự, khi giảm kích thước đi bao nhiêu lần thì phải tăng vận tốc lên bấy nhiêu lần Điều này thường không gây nhiều khó khăn cho các nghiên cứu lý thuyết, nhưng lại đặt ra những vấn đề lớn cho nghiên cứu thực nghiệm Bởi vì, nếu làm thí nghiệm với vỏ xe có kích thước thực thì ống khí động phải có kích thước rất lớn, còn nếu thử bằng mẫu có kích thước nhỏ thì lại phải tạo được dòng chảy với vận tốc rất lớn Điều này đòi hỏi quạt gió phải có công suất rất lớn cùng với hàng loạt các giải pháp kỹ thuật cần thiết để đảm bảo điều kiện dòng chảy đáp ứng các yêu cầu trong buồng thử

1.3 Một số giải pháp tăng tính ổn định của xe

1.3.1 Giảm lực cản không khí

Khi ôtô di chuyển, để khắc phục vùng xoáy lốc của không khí do sự chênh lệch áp suất lớn phía đầu xe cộng với áp suất chân không phía đuôi xe tạo thành vùng không khí nhiễu loạn, làm tăng đáng kể lực cản không khí phần đuôi sẽ được thiết kế bằng những bề mặt cong thon, có tác dụng hướng quỹ đạo chuyển động của dòng khí tuần tự thoát ra phía sau xe mà không hình thành các điểm xoáy cục bộ, phần đuôi xe sẽ được thiết kế nghiêng x

u xe giúp định hướng cho dòng khí

Ngoài ra vì lực cản không khí còn phụ thuộc vào một yếu tố ma sát giữa không khí với vỏ xe, sự nhiễu loạn ở các vị trí như lưới tản nhiệt phía trước, kính chắn gió, gương chiếu hậu, lốp xe,… Tất cả các chi tiết này sẽ được thiết kế với những đường cong mềm mại, loại bỏ các góc gấp đột ngột và làm trơn bóng bề mặt, trên thân xe có thể được thiết kế thêm các đường gờ định hướng chuyển động cho các dòng khí, lốp xe bố trí nằm về phía trong vỏ xe

1.3.2 Giảm sự tác động của lực nâng

Để có thể vừa làm giảm lực cản đồng thời giảm lực nâng có các phương án thiết kế sau:

Sử dụng cánh gió: Bằng cách gắn thêm một tấm cánh đuôi, với thiết kế

xe thoát thẳng ra phía sau mà không quẩn trở lại, vì thế, làm giảm lực nâng Nếu tăng góc độ của cánh thì có thể làm tăng lực nén

ánh gió phía sau làm tăng lực ép lên đuôi xe

Sử dụng cánh gầm: Cánh gầm là tên gọi chung của cánh hướng gió lắp phía

dưới cản trước, lắp dọc hông xe và cánh hướng gió lắp phía sau gầm xe Cánh gầm

có tác dụng làm biến đổi luồng không khí lưu động dưới gầm hướng chúng di chuyển theo những phân luồng nhất định Cánh gầm lắp đặt ở gờ của cản trước được gọi là “cản gió trước”, những tấm chắn dọc hông xe là “tấm chắn gió ngang”

lực tác dụng lên sàn xe, cánh định hướng sau giúp cho dòng không khí thoát nhanh khỏi gầm xe

Sử dụng tấm bọc gầm: Đây là giải pháp có thể giảm bớt áp lực lên bề mặt

phía dưới gầm xe Khi sử dụng các tấm bọc gầm có bề mặt nhẵn sẽ tránh được sự nhiễu loạn của không khí khi đi qua các chi tiết của động cơ và hệ thống truyền lực Đồng thời hướng luồng khí thoát nhanh khỏi gầm xe

Tạo hiệu ứng mặt đường: Khi xe di chuyển ở tốc độ cao, đặc biệt là các xe

đua, cánh đuôi là một giải pháp tốt để làm giảm lực nâng, nhưng tác dụng của nó không đáng kể khi mà một chiếc xe đua có thể tăng tốc từ 0-100km/h trong khoảng thời gian 4 giây, điều đó đòi hỏi lực nén phải đủ lớn, giữ cho những bánh xe bám chặt xuống đường Trong trường hợp này nếu sử dụng cánh gió với góc nghiêng lớn

sẽ đáp ứng được yêu cầu làm giảm lực nâng, song nó lại làm tăng hệ số cản Một giải pháp tối ưu được đưa ra là tạo hiệu ứng mặt đường bằng một đường dẫn không khí ở dưới gầm Đường dẫn không khí này khá hẹp ở phía trước và mở rộng dần về phía sau Do gầm xe gần sát 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 đầu xe rồi thoát thẳng ra phía sau khiến áp suất không khí giảm dần về phía đuôi xe làm phát sinh lực nén

Hiệu ứng mặt đường cũng có thể được tạo ra bằng một giải pháp khác, thay vì đường dẫn khí mở rộng, có thể sử dụng một quạt gió công suất lớn để tạo áp suất thấp

ở gần đuôi xe Tuy nhiên, hiệu ứng mặt đường không thích hợp cho những dòng xe phổ thông Vì các dòng xe này cần phải có gầm xe cao để thích hợp với các loại đường khác nhau và trong trường hợp này hiệu ứng mặt đường gần như mất tác dụng

1.3.3 Giảm sự tác động của lực gió ngang

Khi ôtô chuyển động trong điều kiện thời tiết thuận lợi, lực gió ngang có phương vuông góc với mặt phẳng dọc xe, độ lớn của lực này nhỏ hơn nhiều lần so với hai lực kể trên nên ảnh hưởng của nó đến khí động học của ôtô là không đáng

kể Giải pháp được đưa ra để làm giảm ảnh hường của lực gió ngang chính là sử

dụng tấm chắn dọc hông xe được gọi là “tấm chắn gió ngang” Luồng không khí tác dụng ngang xe sẽ được định hướng theo thân và đi về phía sau

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYÊT VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC

2.1 Tình hình nghiên cứu khí động học ô tô

Hiện nay, trong lĩnh vực khí động học ô tô thường sử dụng hai phương pháp nghiên cứu khí động học ô tô: phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

2.1.1 Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết dựa trên những phương pháp mô phỏng dòng chảy

không khí bao quanh ô tô dựa trên phương trình Navier-Stokes Đây là một bài

toán hết sức phức tạp và vẫn đang là mối quan tâm hàng đầu của những nhà nghiên cứu khí động học trên thế giới và cho tới nay người ta chưa tìm được lời giải đầy đủ được bằng phương pháp giải tích Vì vậy, đã từ lâu các nhà nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng các mô hình đơn giản hóa và các phương pháp giải gần đúng với sự trợ giúp của máy tính Ngày nay, công cụ phổ biển hơn cả trong việc giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng của bài toán khí động học ô

tô là phương pháp số Độ phức tạp của mô hình tính toán

Hình 2.1 Lịch sử phát triển của các mô hình tính toán khí động học

Việc giải phương trình bằng các phương pháp số cũng vô cùng phức tạp, đặc biệt là trong trường hợp dòng chảy rối Bởi vậy, người ta thường phải giải các phương trình trên với các giả thiết đơn giản hóa Chẳng hạn, với giả thiết chất khí

không nhớt phương trình Navier-Stokes có dạng đơn giản nhất, gọi là phương trình

Ơ le Trong trường hợp vận tốc chuyển động nhỏ hơn 100 m/s (M ≤ 0,3), có thể sử dụng giả thiết chất khí không chịu nén, khi đó các phương trình khí động học sẽ

có dạng phương trình Laplace và là các phương trình tuyến tính

Đồ thị minh họa trên hình 2.1 cho thấy, mức độ phức tạp của bài toán khí động học phụ thuộc vào kết cấu cụ thể và yêu cầu về độ chính xác Đối với những thiết bị có mức độ phức tạp cao (tàu vũ trụ), người ta buộc phải cố gắng giải phương trình Navier- Stokes đầy đủ

Đối với những trường hợp có kết cấu đơn giản hơn, bài toán được phân thành các mức độ phức tạp khác nhau Nếu coi ô tô có mức độ phức tạp kết cấu trung bình, thì từ năm 1980 trở về trước bài toán khí động học được giải dưới dạng phương trình Ơ le bằng phương pháp sai phân hữu hạn Từ năm 1990 đến nay, các nhà nghiên cứu khí động học ô tô giải quyết bài toán khí động học dưới dạng phương trình Reynolds trung bình hóa

Khó khăn trong việc giải bài toán khí động học bằng phương pháp số không nằm ở các vấn đề lý thuyết mà chủ yếu là do khối lượng tính toán Để giải bài toán với yêu cầu độ chính xác cao cần có mô hình chính xác, chia lưới với bước nhỏ, số lượng phần tử lớn nên đòi hỏi khối lượng các phép tính và thời gian tính toán rất lớn

Phương pháp chủ đạo để giải các phương trình vẫn là phương pháp số với sự

hỗ trợ của các máy tính mạnh Tất cả các phương pháp số đang được sử dụng để giải các phương trình vi phân mô tả dòng chảy khí động đều dựa trên việc mô tả vỏ xe trong không gian (chia lưới miền cần tính toán) và trong thời gian: tại mỗi điểm trên lưới, người ta tính toán các thông số của dòng chảy cho mỗi bước thời gian

Hiện nay, được sử dụng rộng rãi hơn cả trong tính toán khí động học là phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thể tích hữu hạn Mỗi phương pháp đều có ưu, nhược điểm riêng và vẫn đang được sử dụng song song