Nghiên cứu thiết kế chế tạo phương tiện thu gom rác vn sweeper 01 trong khuôn viên trường học

Nghiên cứu thiết kế chế tạo phương tiện thu gom rác vn sweeper 01 trong khuôn viên trường học Nghiên cứu thiết kế chế tạo phương tiện thu gom rác vn sweeper 01 trong khuôn viên trường học Nghiên cứu thiết kế chế tạo phương tiện thu gom rác vn sweeper 01 trong khuôn viên trường học 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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

THIẾT KẾ CHẾ TẠO, ỐNG KHÍ ĐỘNG VÒNG KÍN CỠ NHỎ

VÀ HỆ THỐNG CÂN KHÍ ĐỘNG SÁU THÀNH PHẦN

Sinh viên thực hiện: BIỆN VĂN THỌ

Đà Nẵng – Năm 2019

TÓM TẮT

Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Thuận

và báo cáo các kết quả đo đạc Các tính toán được lấy dựa theo phương pháp thiết kế

của J B.Barlow: “Low-Speed Wind Tunnel Testing” (tái bản lần 3) Các thành phần tính

toán thiết kế của đường ống bao gồm buồng thử, các ống phân kì, các ống chuyển hướng dòng, ống gom tăng tốc dòng, buồng ổn định và quạt Tốc độ gió tối đa qua buồng thử

dự kiến 20 – 30 m/s Sau khi hoàn thành, đường ống có thể dùng để đo các thành phần khí động của các mô hình với kích thước chắn khoảng 15x20 cm, các giá trị cần đo thu được nhờ cân khí động 6 thành phần cùng các cảm biến và chương trình xử lí (bằng Arduino) Các kết quả tiêu biểu có thể thu được như hệ số cản của các biên dạng đơn giản và các mô hình xe, hệ số nâng của các dạng cánh (airfoil), các thành phần mô men tác dụng lên vật thể đặt trong dòng chảy Cụ thể với ô tô, một số đặc điểm khí động học như phân bố áp suất, vận tốc được phân tích trong nghiên cứu này Các lực khí động học tác động lên mô hình xe hơi được tính toán và so sánh với giá trị mô phỏng được và từ các tác giả khác Một số thay đổi ở hình dáng đuôi xe cho thấy sự thay đổi phân bố vận tốc, áp suất lên xe, từ đó ảnh hưởng đáng kể đến hệ số cản và một ít hệ số nâng Qua đó,

ta có thể cải thiện hình dáng khí động học của xe

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Biện Văn Thọ Số thẻ sinh viên: 103150163

Lớp: 15C4A, 15C4B Khoa: Cơ khí Giao thông Ngành: Kỹ thuật Cơ khí

1 Tên đề tài đồ án:

Thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần (Mô phỏng, so sánh, kiểm nghiệm các kết quả giữa mô phỏng và đo đạc bằng ống khí động)

2 Đề tài thuộc diện: ☒ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Vận tốc tối đa của dòng khí qua buồng thử < 40m/s

Kích thước buồng thử 0.4 x 0.6 x 1.0( m)

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Chương 1: Tổng quan về các thành phần lực khí động tác dụng lên phương tiện 1.1 Lực cản khí động

1.2 Lực nâng khí động học

1.3 Lực bên của không khí

1.4 Mô men liệng (roll)

1.5 Mô men rẽ hướng (yaw)

1.6 Mô men chúc - ngóc (pitch)

Chương 2: Tổng quan, giới thiệu về đường ống khí động

2.1 Giới thiệu tổng quan về đường ống khí động

2.2 Các điều kiện tương đồng của thí nghiệm

2.3 Một số đường ống khí động trong thực tế

Chương 3: Tính toán thiết kế ống khí động

3.1 Tổng quan về các thành phần của ống khí động, kích thước và công dụng của chúng

7.1 Mô phỏng dòng chảy, phân bố vận tốc áp suất, trên mô hình xe Ahmed bằng phần mềm Ansys Workbench

7.2 Mô phỏng dòng chảy, phân bố vận tốc áp suất, rên xe mô hình Ahmed thực nghiệm bằng phần mềm Ansys Workbench

7.3 Mô phỏng dòng chảy, phân bố vận tốc áp suất, trên xe mô hình DrivAer bằng phần mềm Ansys Workbench

7.4 Mô phỏng dòng chảy, phân bố áp suất, trên mô hình xe DrivAer thực nghiệm bằng mô hình Ansys Workbench

2 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

Bản vẽ mô hình ô tô DrivAer (fastback) (01A3)

Bản vẽ mô hình ô tô DrivAer (estateback) (01A3)

Bản vẽ mô hình ô tô DrivAer (notchback) (01A3)

Họ tên người hướng dẫn: Phan Thành Long

3 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 02/09/2019

Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần

LỜI NÓI ĐẦU

Gần đây, khái niệm "Cách mạng Công nghiệp 4.0" được nhắc đến nhiều trên truyền thông và mạng xã hội Cùng với đó là những hứa hẹn về cuộc "đổi đời" của các doanh nghiệp tại Việt Nam nếu đón được làn sóng này Và các doanh nghiệp ô tô cũng không ngoại lệ, với sự phát triển của nhiều nhà máy lắp ráp ô tô như Trường Hải, Toyota, Ford… Đặc biệt, sự ra đời của Vinfast đã ghi danh Việt Nam trên bản đồ ngành công nghiệp chế tạo xe hơi thế giới Điều này buộc những kỹ sư trong ngành ô tô phải tích cực nghiên cứu, tìm tòi, học hỏi những công nghệ mới, cũng như thiết kế, cải tạo những

ô tô cũ để phù hợp với nhu cầu hiện nay Ngày nay, khi một mẫu xe mới ra đời, điều mà rất nhiều người quan tâm là kiểu dáng và sự tiết kiệm nhiên liệu, góp phần bảo vệ môi trường Do đó, việc thiết kế ra một mẫu xe có kiểu dáng bắt mắt, hình dáng khí động học tốt là điều rất cần thiết

Mặc dù hiện nay việc mô phỏng các quá trình cơ học – thủy khí trở nên chính xác

và dễ dàng hơn bao giờ hết, việc có một thiết bị thí nghiệm trực quan như đường ống khí động vẫn là cần thiết Trong đồ án này, em trình bày quá trình tính toán thiết kế đường ống khí động cỡ nhỏ vòng kín, có thể đo các thành phần khí động của các phương tiện (vật thể) phục vụ cho giảng dạy và thí nghiệm

Trong quá trình nghiên cứu, đánh giá, em không thể tránh khỏi sai sót Vì vậy, rất mong được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô giáo và các bạn

Để hoàn thành đồ án này, trước hết em xin tỏ lòng biết ơn đến TS Phan Thành Long đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án

Em chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Thủy khí cũng như Kỹ thuật Tàu thủy đã cho phép, tạo điều kiện cũng như cung cấp cơ sở vật chất, các trang thiết bị cần thiết để chúng em có thể thực hiện đồ án này

Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS Phan Thành Long cùng toàn thể quý thầy cô giáo trong khoa Cơ khí Giao thông cũng như các bạn đã giúp

đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện Đồ án này

Nhóm sinh viên thực hiện

Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần

CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài tốt nghiệp của tôi Đề tài này hoàn thành sau quá trình nghiên cứu, tính toán của tôi Các số liệu, hình vẽ sử dụng trong đồ án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định Nếu không đúng như trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về đề tài

Sinh viên thực hiện

Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần

MỤC LỤC

TÓM TẮT

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ v

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THÀNH PHẦN LỰC KHÍ ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN PHƯƠNG TIỆN 3

1.1 Lực cản khí động 3

1.2 Lực nâng khí động học 4

1.3 Lực bên của không khí 5

1.4 Mô men liệng (roll) 6

1.5 Mô men rẽ hướng (yaw) 6

1.6 Mô men chúc - ngóc (pitch) 7

Chương 2: TỔNG QUAN, GIỚI THIỆU VỀ ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG 8

2.1 Giới thiệu tổng quan về đường ống khí động 8

2.1.1 Công dụng của đường ống khí động 8

2.1.2 Lịch sử của ống khí động 8

2.1.3 Phân loại: 9

2.2 Các điều kiện tương đồng của thí nghiệm 10

2.3 Một số đường ống khí động trong thực tế: 11

2.3.1 Đường hầm khí động National Transonic Facility 11

2.3.2 National Full-scale Aerodynamic Complex (NAFC) 12

Chương 5: CHẾ TẠO VÀ LẮP GHÉP ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG 14

5.1 Buồng thử 14

5.2 Các ống phân kì 15

5.3 Ống chuyển hướng 16

5.4 Quạt 18

5.5 Buồng ổn định (tổ ong) 19

5.6 Nón phễu 21

Chương 7: MÔ PHỎNG, SO SÁNH, KIỂM NGHIỆM CÁC KẾT QUẢ GIỮA MÔ PHỎNG VÀ ĐO ĐẠC BẰNG ỐNG KHÍ ĐỘNG 22

7.1 Mô phỏng dòng chảy, phân bố vận tốc áp suất, trên mô hình xe Ahmed bằng phần mềm Ansys Workbench 22

7.1.1 Giới thiệu mô hình 22

7.1.2 Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu của bài toán mô phỏng 23

Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần

7.1.3 Tính toán, thiết lập các thông số bài toán mô phỏng trên phần mềm Ansys

Workbench 23

7.1.4 Kết quả mô phỏng 38

7.2 Mô phỏng dòng chảy, phân bố vận tốc áp suất, trên mô hình xe Ahmed thực nghiệm bằng phần mềm Ansys Workbench 41

7.2.1 Giới thiệu mô hình 41

7.2.2 Tính toán xác định vùng không gian mô phỏng 41

7.2.3 Xây dựng mô hình lưới mô phỏng 42

7.2.4 Tính toán, thiết lập các thông số bài toán mô phỏng trên phần mềm Ansys Workbench 43

7.2.5 Kết quả mô phỏng 44

7.3 Mô phỏng dòng chảy, phân bố vận tốc áp suất, trên mô hình xe DrivAer bằng phần mềm Ansys Fluent 47

7.3.1 Giới thiệu mô hình 47

7.3.2 Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu của bài toán mô phỏng 47

7.3.3 Tính toán, thiết lập các thông số bài toán mô phỏng trên phần mềm Ansys Workbench 48

7.3.4 Kết quả mô phỏng 54

7.4 Mô phỏng dòng chảy, phân bố vận tốc áp suất, trên mô hình xe DrivAer thực nghiệm bằng phần mềm Ansys Workbench 56

7.4.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 56

7.4.2 Tính toán xác định vùng không gian mô phỏng 57

7.4.3 Xây dựng mô hình lưới mô phỏng 58

7.4.4 Tính toán, thiết lập các thông số bài toán mô phỏng trên phần mềm Ansys Workbench 61

7.4.5 Kết quả mô phỏng 62

KẾT LUẬN 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 67

Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Danh sách các bảng:

BẢNG 2.1 Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới của mô hình ô tô

BẢNG 7.1 Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới của mô hình Ahmed

BẢNG 7.2 Bảng giá trị các hằng số của mô hình k-ω SST

BẢNG 7.3 Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới của mô hình Ahmed thực nghiệm BẢNG 7.4 Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới của mô hình DrivAer

BẢNG 7.5 Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới của mô hình DrivAer thực nghiệm

Danh sách hình vẽ:

HÌNH 1.1 Lực cản tác dụng lên phía đầu của xe

HÌNH 1.2 Hình dạng cánh máy bay chịu tác dụng lực nâng

HÌNH 1.3 Máy bay cánh nhờ lực nâng

HÌNH 1.4 Lực bên tác dụng lên tàu cao tốc

HÌNH 1.5 Lực bên tác động lên ô tô lúc chạy qua vùng có gió ngang

HÌNH 1.6 Trục Roll được thể hiện trên ô tô

HÌNH 1.7 Sơ đồ minh họa lực tác dụng của momen yaw

HÌNH 1.8 Thay đổi momen ngóc (Pitch) trên máy bay

HÌNH 2.1: Một chiếc xe với kích thước thật được đặt trong đường hầm khí động

HÌNH 2.2: Ứng dụng của đường ống khí động trong các lĩnh vực khác

HÌNH 2.3: Ống khí động loại hở

HÌNH 2.4: Ống khí động loại vòng kín

HÌNH 2.5: Góc nhìn từ trên cao và bên trong National Transonic Facility

HÌNH 2.6: Bên trong một buồng thử tại NAFC

HÌNH 2.7: Góc nhìn từ trên cao của khu phức hợp

HÌNH 5.1 Mặt trước của buồng thử được làm trong suốt, dạng cửa có thể mở lên/xuống HÌNH 5.2 Phần đáy của buồng thử cùng với cơ cấu cân khí động

HÌNH 5.3 Buồng thử cùng với các thiết bị đo đạc và mẫu thử bên trong

HÌNH 5.4 Ống phân kì trong quá trình chế tạo

HÌNH 5.5 Ống phân kì sau khi hoàn thiện

HÌNH 5.6 Các tấm xương được cắt theo biên dạng và khung xương được ghép từ nhiều tấm xương

HÌNH 5.7 Các cánh nắn dòng sau khi đã hoàn thiện

HÌNH 5.8 Ở các mép gắp các pát chữ L để định vị vào trong ống chuyển hướng

HÌNH 5.9 Các cánh được định vị trong phần vỏ ống chuyển hướng

HÌNH 5.10 Mặt nối vuông – tròn vào quạt

HÌNH 5.11 Quạt

HÌNH 5.12 Các sóng tole

HÌNH 5.13 Các sóng tole

Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần

HÌNH 5.14 Cấu trúc tổ ong và buồng ổn định sau khi hoàn thành

HÌNH 5.15 Nón phễu sau khi hoàn thành

HÌNH 7.8 Đồ thị thể hiện giá trị biên y+ ứng với các trạng thái dòng chảy [34]

HÌNH 7.9 Mô hình lưới mô phỏng

HÌNH 7.10 Chế độ mô phỏng

HÌNH 7.11 Giá trị mô phỏng chất khí

HÌNH 7.12 Điều kiện biên vào (Inlet-velocity)

HÌNH 7.13 Điều kiện biên ra (Outlet-pressure)

HÌNH 7.14 Thiết lập phương pháp giải

HÌNH 7.15 Cài đặt Run Calculation

HÌNH 7.16 Hệ số cản mô hình ô tô ở vận tốc 30 m/s

HÌNH 7.17 Trường phân bố áp suất trên bề mặt mô

HÌNH 7.18 Trường phân bố áp suất tại mặt cắt dọc đối xứng của mô

HÌNH 7.19 Trường phân bố vận tốc tại mặt cát dọc đói xứng của mô hình ô tô số lực cản Cd

HÌNH 7.20 Đường dòng bao quanh mô hình

HÌNH 7.21 Mô hình xe Ahmed thử nghiệm

HÌNH 7.22 Giới hạn vùng tính toán mô phỏng được thiết lập

HÌNH 7.23 Mô hình lưới mô phỏng như hình

HÌNH 7.24 Hệ số cản mô hình ô tô ở vận tốc 30 m/s

HÌNH 7.25 Trường phân bố áp suất trên bề mặt mô hình ô tô

HÌNH 7.26 Trường phân bố áp suất tại mặt cắt dọc đối xứng của mô hình ô tô

HÌNH 7.27 Trường phân bố vận tốc tại mặt cắt dọc đối xứng của mô hình ô tô

HÌNH 7.28 Đường dòng bao quanh mô hình

HÌNH 7.29 Xe DrivAer

HÌNH 7.36 Sự khác nhau giữa các mẫu xe DrivAer

F-Fastback; E-Estate back; N-Notchback

HÌNH 7.37 Mô hình 3D xe DrivAer

HÌNH 7.30 Giới hạn vùng tính toán mô phỏng được thiết

HÌNH 7.31 Đồ thị thể hiện giá trị biên y+ ứng với các trạng thái dòng chảy [34]

HÌNH 7.32 Mô hình lưới mô phỏng 3D

HÌNH 7.33 Các mô hình lưới mô phỏng

HÌNH 7.34 Trường phân bố áp suất trên bề mặt mô hình ô tô

HÌNH 7.35 Trường phân bố áp suất tại mặt cắt dọc đối xứng của mô hình ô tô

HÌNH 7.36 Trường phân bố vận tốc tại mặt cắt dọc đối xứng của mô hình ô tô

HÌNH 7.37 Đường dòng bao quanh mô hình

HÌNH 7.38 Xe DrivAer thực nghiệm

HÌNH 7.39 Mô hình 3D xe DrivAer thực nghiệm

Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần

HÌNH 7.41 Hệ số cản mô hình ô tô ở vận tốc 30 m/s

HÌNH 7.42 Trường phân bố áp suất trên bề mặt mô hình ô tô

HÌNH 7.43 Trường phân bố áp suất tại mặt cắt dọc đối xứng của mô hình ô tô

HÌNH 7.44 Trường phân bố vận tốc tại mặt cắt dọc đối xứng của mô hình ô tô

HÌNH 7.45 Đường dòng bao quanh mô hình

Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:

Q (m3/s) Lưu lượng dòng chảy trong đường ống

PLT (kW) Công suất lý thuyết của quạt

PTT (kW) Công suất thực tế của quạt

P (m) Chu vi ướt của đoạn ống

 (-) Hiệu suất của quạt

Re (-) Trị số Reynold của dòng chảy

DH (m) Đường kính thủy lực của đoạn ống tương ứng

 (kg/m3) Khối lượng riêng của không khí ở điều kiện phòng

v (m/s) Vận tốc dòng chảy

p (Pa) Áp suất

Ma (-) Số Mach của dòng chảy

A1-i (m2) Diện tích mặt cắt đầu vào của buồng thử

A1-o (m2) Diện tích mặt cắt đầu ra của buồng thử

b1-i (m) Bề rộng đầu vào buồng thử

b1-o (m) Bề rộng miệng ra buồng thử

h1-i (m) Chiều cao miệng vào buồng thử

h1-o (m) Chiều cao miệng ra buồng thử

L1 (m) Chiều dài buồng thử

A2-i (m2) Diện tích miệng vào ống phân kì thứ nhất

A2-o (m2) Diện tích miệng ra ông phân kì thứ nhất

AR2 (-) Tỉ số tiết diện đầu ra/vào của ống phân kì thứ nhất

b2-i (m) Bề rộng đầu vào ống phân kì thứ nhất

b2-o (m) Bề rộng đầu ra ống phân kì thứ nhất

h2-i (m) Chiều cao đầu vào ống phân kì thứ nhất

h2-o (m) Chiều cao đầu ra ống phân kì thứ nhất

L2 (m) Độ dài ống phân kì thứ nhất

2

 (độ) Góc tạo bởi thành ống phân kì thứ nhất với phương ngang

b3(4)-i (m) Bề rộng miệng vào ống chuyển hướng nhỏ

b3(4)-o (m) Bề rộng miệng ra ống chuyển hướng nhỏ

h3(4)-i (m) Chiều cao đầu vào ống chuyển hướng nhỏ

h3(4)-o (m) Chiều cao đầu ra ống chuyển hướng nhỏ

A3 (m2) Diện tích miệng ống chuyển hướng nhỏ

n3 (cái) Số lượng cánh nắn dòng trong ống chuyển hướng nhỏ

b5 (m) Bề rộng ống chuyển tiếp vuông – tròn lắp vào quạt

h5 (m) Chiều cao ống chuyển tiếp vuông – tròn lắp vào quạt

Đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần

A6-o (m2) Diện tích miệng ra ông phân kì thứ hai

AR6 (-) Tỉ số tiết diện đầu ra/vào của ống phân kì thứ hai

b6-i (m) Bề rộng đầu vào ống phân kì thứ hai

b6-o (m) Bề rộng đầu ra ống phân kì thứ hai

h6-i (m) Chiều cao đầu vào ống phân kì thứ hai

h6-o (m) Chiều cao đầu ra ống phân kì thứ hai

L6 (m) Độ dài ống phân kì thứ hai

6

 (độ) Góc tạo bởi thành ống phân kì thứ hai với phương ngang

b7(8)-i (m) Bề rộng miệng vào ống chuyển hướng lớn

b7(8)-o (m) Bề rộng miệng ra ống chuyển hướng lớn

h7(8)-i (m) Chiều cao đầu vào ống chuyển hướng lớn

h7(8)-o (m) Chiều cao đầu ra ống chuyển hướng lớn

A7 (m2) Diện tích miệng ống chuyển hướng lớn

n7: (-) Số lượng cánh nắn dòng trong ống chuyển hướng lớn

b10 (m) Bề rộng buồng ổn định

h10 (m) Chiều cao buồng ổn định

L10: (m) Chiều dài buồng ổn định

b11-i (m) Bề rộng đầu vào nón phễu

b11-o (m) Bề rộng đầu vào nón phễu

h11-i (m) Chiều cao đầu vào nón phễu

h11-o (m) Chiều cao đầu ra nón phễu

L11 (m) Chiều dài đoạn ống phễu

MỞ ĐẦU

I MỤC ĐÍCH LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

Hiện nay việc mô phỏng các quá trình cơ học – thủy khí trở nên chính xác và dễ dàng tiếp cận hơn bao giờ hết Dù vậy, việc có một thiết bị thí nghiệm trực quan như đường ống khí động vẫn là cần thiết Trong đồ án này, em trình bày quá trình tính toán thiết kế đường ống khí động cỡ nhỏ vòng kín, có thể đo các thành phần khí động của các phương tiện (vật thể) phục vụ cho giảng dạy và thí nghiệm

II MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

- Có được cái nhìn tổng quan về khí động học ô tô nói chung

- Giới thiệu công dụng, cấu tạo, chức năng của ống khí động

- Giới thiệu phương pháp và kết quả mô phỏng bằng ANSYS Fluent

- Tính toán thiết kế một đường ống khí động vòng kín cỡ nhỏ

- Chế tạo cân khí động 6 thành phần và đo các thành phần khí động

- Mô phỏng khí động học ô tô bằng ANSYS Fluent

- Chế tạo cân khí động 6 thành phần cùng chương trình đo

- Các công cụ như M.Excel, Arduino, AutoCAD, ANSYS, CATIA,

2 Về thực nghiệm:

- Chế tạo đường ống khí động vòng kín cỡ nhỏ

- Mô hình thu nhỏ của các loại xe

- Chế tạo cân khí động 6 thành phần dùng cho mô hình thí nghiệm

V CẤU TRÚC ĐỒ ÁN

Đồ án tốt nghiệp gồm 7 chương như sau:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THÀNH PHẦN LỰC KHÍ ĐỘNG TÁC

DỤNG LÊN PHƯƠNG TIỆN

Chương 2: TỔNG QUAN, GIỚI THIỆU VỀ ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG

Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ỐNG KHÍ ĐỘNG

Chương 4: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ DÒNG CHẢY TRONG

ỐNG KHÍ ĐỘNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD

Chương 5: CHẾ TẠO VÀ LẮP GHÉP ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG

Chương 6: MÔ PHỎNG, SO SÁNH, KIỂM NGHIỆM CÁC KẾT QUẢ GIỮA

MÔ PHỎNG VÀ ĐO ĐẠC BẰNG ỐNG KHÍ ĐỘNG

Chương 7: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐO

Trong quá trình nghiên cứu, đánh giá, em không thể tránh khỏi sai sót Vì vậy, rất mong được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô giáo và các bạn

Lực cản trong khí động học được xác định bằng công thức:

CD: hệ số cản không khí, nó phụ thuộc vào hình dạng vật thể

A: Diện tích cản chính diện của vật thể (ô tô) (m2)

FD: Lực cản (N)

v: Tốc độ của vật thể (ô tô, máy kéo…) (m/s)

: Khối lượng riêng chất lỏng (không khí) (kg/m3)

Hình 1.1 Lực cản tác dụng lên phía đầu của xe

Từ thực tế thông thường chúng ta đi xe máy hoặc xe đạp lúc chạy bình thường hoặc chậm, thì lực cản không khí tác dụng không đáng kể, nhưng khi chúng ta tăng tốc

Vì vậy lực cản không khí là một yếu tố rất quan trong quá trình chế tạo ra một ô

tô, máy bay Để được cho ra một ô tô người ta phải tính toán và kiểm tra nhiều thứ trước

và kiểm tra lực cản khí động cũng là một việc hết sức cần thiết phải thực hiện

Nếu bề mặt tiết diện nhận gió F của vật di chuyển càng lớn thì lực cản càng lớn theo (1-1) Do vậy ở ô tô, máy bay hay tàu hỏa người ta thường chế tạo phần đầu nhọn sau đó tăng dần tiết diện về đuôi Điều này giúp cho những phương tiện như chúng giảm được tiết diện mà gió tác dụng lên nhằm giảm lực cản không khí đáng kể

1.2 Lực nâng khí động học

Lực nâng sinh ra do sự chênh lệch áp suất ở phía trên và phía dưới tạo, ở phía dưới

áp suất cao hơn ở phía trên nên vô tình nó đã tạo ra lưc nâng

Một vật di chuyển trong môi trường không khí có hình dạng hình giọt nước, tiêu biểu như cánh máy bay, ô tô… luôn luôn có lực nâng

Tương tự lực cản, lực nâng được tính theo công thức:

Với FLlà lực nâng (N) và CL là hệ số nâng tương ứng

Hình 1.2 Hình dạng cánh máy bay chịu tác dụng lực nâng Xem hình 1.2 ta thấy tốc độ phía trên cánh máy bay nhanh hơn phía dưới cánh và đối lập với điều này áp suất lại tạo ra phía dưới cao hơn phía trên cánh Chính sự chênh lệch áp suất này đã tạo nên một lực từ phía dưới cánh lên trên cánh Hay còn gọi là lực nâng

Có một điều đặc biệt nữa những hình dạng giọt nước như thế này nó giảm được lực cản đáng kể, vì dòng chảy không khí phía sau cánh bị rối ít nên vùng chân không ở sau đuôi ít hơn những hình hạng khí động học xấu khác như hình vuông, cầu…

Hình 1.3 Máy bay cánh nhờ lực nâng

1.3 Lực bên của không khí

Lực bên xuất hiện khi ô tô, máy bay, tàu cao tốc…qua vùng trống có gió ngang thổi mạnh vào bề mặt hông của vật thể di chuyển

Nếu lưc nâng mạnh có thể gây tác động nguy hiểm đến các phương tiện như ô tô,

xe máy, xe đạp… Trường hợp nguy hiểm nó có thể làm quay đầu hoặc thổi lật xe ô tô,

xe máy…

Hình 1.4 Lực bên tác động lên ô tô lúc chạy qua vùng có gió ngang

Lực ngang cũng một thanh phần rất quan trọng, nên người ta thường phải thí nghiệm để đánh giá và để giải quyết các vấn đề ô tô thường gặp phải gió ngang nhằm tránh xảy ra trường hợp lật hay xoay xe, rất nguy hiểm

Hình 1.5 Lực bên tác dụng lên tàu cao tốc

1.4 Mô men liệng (roll)

Momen liệng được tạo ra từ một lực và khoảng cách làm cho một vật có xu hướng

liệng, nghĩa là quay quanh trục của nó

Trong động lực học của xe, momen liệng có thể tích là tích của ba đại lượng:

- Khối lượng xe tăng đột ngột, phần khối lượng được hỗ trợ bởi hệ thống treo

- Bất cứ gia tốc bên nào mà xe gặp phải, thông thường là qua một khúc cua

- Khoảng cách dọc giữa trục lăn và trọng tâm của nó

Trong phương tiện hai trục như ô tô và một số xe tải trục lăn của nó là đường thẳng nối hai tâm cuộn của mỗi trục

Hình 1.6 Trục Roll được thể hiện trên ô tô

1.5 Mô men rẽ hướng (yaw)

Momen rẽ hướng yaw là một chuyển động xung quanh trục pháp tuyến của một vật

làm thay đổi hướng của nó đang di chuyển, sang trái hoặc sang phải theo hướng di chuyển của nó Tốc độ rẽ của ô tô, máy bay, đạn là vận tốc góc của vòng quay này hoặc

tốc độ đổi góc quay của người lái Nó thường được đo bằng mỗi giây hoặc radian mỗi

giây

Hình 1.7 Sơ đồ minh họa lực tác dụng của momen yaw

Sơ đồ minh họa một chiếc xe bốn bánh, trong đó trục trước cách trọng tâm xe là b,

trục sau là b Thân xe chỉ theo hướng có góc θ trong khi nó đang di chuyển theo hướng

có góc ψ Nói chung những điểu này không giống nhau Các lốp xe ở khu vực của điểm

tiếp xúc theo hướng di chuyển , nhưng trung tâm được lien kết với than xe, với tay lái

Các lốp xe biến dạng khi chúng xoay để phù hợp với sự lien kết, và tạo ra lực bên

1.6 Mô men chúc - ngóc (pitch)

Trong khí động học, momen ngóc trên một chiếc máy bay là momen được tạo ra bởi

lực khí động tác dụng vào máy bay làm nó quay lên hoặc xuống quanh trục tâm của nó,

hay là cánh máy bay Momen ngóc trên cánh máy bay là một phần của tổng hợp lực phải

cân bằng bằng cách sử dụng lực nâng trên bộ ổn định ngang Tổng quát hơn, một momen

ngóc bất kì được tạo ra khi tác dụng lực lên trục ngang của nó đang chuyển động

Hình 1.8 Thay đổi momen ngóc (Pitch) trên máy bay

Chương 2: TỔNG QUAN, GIỚI THIỆU VỀ ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG

2.1 Giới thiệu tổng quan về đường ống khí động

2.1.1 Công dụng của đường ống khí động

Đường ống khí động là thiết bị dùng để nghiên cứu dòng chảy của chất lỏng qua các bề mặt cũng như sự tương tác của những bề mặt này với dòng chảy Các bề mặt này thường là mô hình (với tỉ lệ thu nhỏ hoặc tỉ lệ thực) của những vật thể/phương tiện cần thiết kế hoặc kiểm tra Kết quả của những thí nghiệm này mô phỏng một cách chính xác khí động học của các phương tiện/vật thể trong quá trình làm việc thực tế

Hình 2.1 Một chiếc xe với kích thước thật được đặt trong đường hầm khí động

2.1.2 Lịch sử của ống khí động

Những đường ống khí động đầu tiên được chế tạo từ hơn 100 năm trước, bắt đầu

từ đường ống do Francis Wenham thiết kế xây dựng năm 1871 Những đường ống được chế tạo tiếp sau đó và cho đến tận một thời gian dài sau này chỉ được sử dụng cho một mục đích duy nhất là thiết kế và kiểm nghiệm khí động học cho máy bay Tuy nhiên, từ nửa sau TK XX, việc nghiên cứu và tối ưu khí động học đã mở rộng sang các lĩnh vực khác như công nghiệp ô tô, xây dựng, giáo dục,…

Đứng trên quan điểm vật lý, người ta nhận ra rằng kiểu thiết kế phần đuôi vuông vức như những chiếc xe ngựa hoàn toàn “phản khoa học” Khi chiếc xe di chuyển, phần đuôi hình vuông sẽ tạo nên một vùng chân không do hình thành dòng không khí chuyển động hỗn loạn và xoáy Áp suất lớn phía đầu, cộng với áp suất chân không phía đuôi xe

sẽ tăng cường đáng kể lực cản không khí, làm chiếc xe phải sinh nhiều công hơn Để khắc phục trở ngại đó, phần đuôi được thiết kế lại bằng những nét vuốt thon theo quỹ

đạo chuyển động, khiến dòng khí tuần tự thoát ra phía sau xe mà không hình thành bất

cứ điểm xoáy cục bộ nào Từ đó đến nay ngành công nghiệp xe hơi đã tiến 1 bước rất dài Tất cả các kiểu xe ngày nay điều chú trọng đến khí động lực học và điều đó đã khiến cho xe hao ít nhiên liệu hơn xưa Do vậy, các đường ống khí động được chế tạo ngày một nhiều và thiết kế được cải tiến, tối ưu dần theo thời gian

Hình 2.2 Ứng dụng của đường ống khí động trong các lĩnh vực khác

2.1.3 Phân loại:

Dựa trên tốc độ dòng chảy, ta có thể phân các đường ống khí động thành các loại:

- Đường ống khí động tốc độ thấp, với 0 < Ma < 0.8

- Đường ống với vận tốc cận âm, 0.8 < Ma < 1.2

- Đường ống với vận tốc vượt âm, 1.2 < Ma < 5

- Đường ống với vận tốc siêu âm, Ma > 5

Hoặc cũng có thể phân loại theo môi chất làm việc:

- Đường ống với môi chất là nước

- Đường ống với môi chất là không khí

- Đường ống với môi chất là Hidro, Helium, …

Tuy nhiên phổ biến hơn cả là cách phân loại theo hình dáng: đường ống khí động dạng hở và đường ống khí động dạng vòng kín (lưu thông tuần hoàn)

Đường ống khí động dạng vòng hở (Open circuit wind tunnel) có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, chi phí chế tạo và xây dựng thấp; kèm theo các nhược điểm là chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, gió tại khu vực bố trí, tiêu tốn nhiều năng lượng, tiếng ồn lớn, …

Do đó các đường ống dạng này chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực giáo dục hoặc nghiên cứu ở các trường đại học

Khác với đường ống dạng hở, đường ống loại vòng kín có các bộ phận để chuyển hướng dòng khí, khiến chúng lưu thông tuần hoàn trong ống kín, nhờ đó mà năng lượng tiêu tốn để vận hành ít hơn, độ ồn thấp hơn cũng như không bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh

Hình 2.3 Ống khí động loại hở

Hình 2.4 Ống khí động loại vòng kín

Khi thiết kế chế tạo một ống khí động, các yếu tố cần quan tâm đến thường là:

- Tốc độ dòng chảy tại khu vực thử đạt trị số mong muốn, chất lượng dòng chảy đồng đều, ổn định, ít nhiễu loạn

- Tỉ lệ thu nhỏ của mô hình có thể đặt được vào khu vực thử

- Độ chính xác của kết quả thu được

- Cân bằng giữa kích thước và chi phí chế tạo

2.2 Các điều kiện tương đồng của thí nghiệm

Trong hầu hết các trường hợp, đường ống khí động và mẫu thử được chế tạo theo

tỉ lệ thu nhỏ so với nguyên mẫu Vì vậy sự tương tác giữa dòng chảy với mẫu thử và sự tương tác trong thực tế là không giống nhau

Do đó, để kết quả thu được là chính xác và có ý nghĩa, cần phải thỏa mãn các

“điều kiện tương tự” (đồng dạng) cho thí nghiệm Các “tương tự” này bao gồm “tương

tự hình học”, “tương tự động học” và “tương tự động lực học” Chúng liên quan đến các đại lượng không thứ nguyên sau:

- Số Reynold, biểu thị độ lớn tương đối giữa ảnh hưởng gây bởi lực quán tính và

lực ma sát trong (tính nhớt) lên dòng chảy

- Số Mach, biểu hiện tỉ số giữa vận tốc chuyển động của vật thể trong một môi

trường nhất định (hoặc vận tốc tương đối của dòng vật chất) đối với vận tốc âm thanh trong môi trường đó Trong khí động lực học, số Mach đặc trưng cho mức độ chịu nén của dòng chất khí chuyển động

- Số Froude, đặc trưng cho tương quan giữa tác động của lực quán tính và trọng

lực đối với dòng chảy

Đại lượng cuối cùng – số Froude thường chỉ được xét tới trong các thí nghiệm

“động”, nghĩa là với mẫu thử chuyển động tương đối trong khu vực thử Còn trong trường hợp mô hình thí nghiệm được gắn cố định trong buồng thử, trị số Reynold và số Mach đóng vai trò quyết định Nếu điều kiện thí nghiệm và điều kiện thực tế có cùng số Reynold và số Mach (cùng với điều kiện đồng dạng về hình học), ta gọi chúng “tương

tự động lực học” với nhau Nghĩa là “sự phân bố và tỉ lệ về cường độ của các loại lực tác dụng lên hai kết cấu thực và mô hình là như nhau”

Giả sử số Reynold trong thí nghiệm cần phải giống với trong thực tế, nghĩa là:

2.3 Một số đường ống khí động trong thực tế:

2.3.1 Đường hầm khí động National Transonic Facility

Cơ sở thí nghiệm National Transonic Facility sử dụng một đường ống khí động cận âm vòng kín, sử dụng khí ni tơ đông lạnh áp suất cao để mô phỏng các quá trình vận hành của các máy bay một cách chính xác nhất Các mẫu thử nghiệm thậm chí có thể chỉ nhỏ bằng 1/15 so với kích cỡ thực của máy bay

Những phương tiện hàng không được thử nghiệm tại đây có thể kể đến Boeing

777, Boeing 767, các tàu con thoi và tên lửa đẩy, máy bay ném bomb B-2, máy bay

F-18 Hornet,…

Hình 2.5 Góc nhìn từ trên cao và bên trong National Transonic Facility

2.3.2 National Full-scale Aerodynamic Complex (NAFC)

National Full-scale Aerodynamic Complex tại trung tâm nghiên cứu NASA Ames (NASA Ames Research Center) còn được biết đến như là đường hầm khí động lớn nhất thế giới, được hoàn thành vào năm 1987, nó có thể thử nghiệm những máy bay với kích thước nguyên bản, thậm chí những máy bay lớn như Boeing 737

Hình 2.6 Bên trong một buồng thử tại NAFC

Hình 2.7 Góc nhìn từ trên cao của khu phức hợp

Chương 5: CHẾ TẠO VÀ LẮP GHÉP ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG

Sau khi tính toán thiết kế và kiểm tra đặc tính dòng chảy bằng phương pháp CFD, Kết quả cho thấy thiết kế ống khí động như vậy là hợp lý, vì vậy sẽ tiến hành chế tạo và lắp đặt ống khí động này tại Phòng thí nghiệm Thủy khí

5.1 Buồng thử

Như đã trình bày ở các phần trước, buồng thử được làm dạng hộp chữ nhật với 4 thanh thép V chạy dọc để đỡ kính Hai mặt V hai đầu giúp lắp ghép buồng thử vào đầu

ra nón thu và đầu vào ống phân kì nhỏ

Mặt trước buồng thử làm dạng cửa trong suốt, có thể mở lên/xuống Mặt trên, mặt đáy và mặt hông còn lại làm bằng kính trong suốt dày 4mm Mặt đáy còn được khoét lỗ

để đặt cân khí động 6 thành phần

Hình 5.1 Mặt trước của buồng thử được làm trong suốt, dạng cửa có thể mở lên/xuống

Hình 5.2 Phần đáy của buồng thử cùng với cơ cấu cân khí động

Hình 5.3 Buồng thử cùng với các thiết bị đo đạc và mẫu thử bên trong

Chi tiết về mô hình xe, cân khí động 6 thành phần và chương trình đo cùng các loại cảm biến sẽ được trình bày trong những phần sau

Hình 5.5 Ống phân kì sau khi hoàn thiện

5.3 Ống chuyển hướng

Với các ống chuyển hướng, ta bắt đầu chế tạo từ các cánh hướng dòng Phần khung xương của các cánh được làm bằng bìa formex dày, các xương gắn liên kết với nhau nhờ 4 xương liên kết Bên ngoài khung xương là các tấm tole bọc kín

Hình 5.6 Các tấm xương được cắt theo biên dạng và khung xương được ghép từ nhiều

tấm xương

Hình 5.7 Các cánh nắn dòng sau khi đã hoàn thiện

Hình 5.8 Ở các mép gắp các pát chữ L để định vị vào trong ống chuyển hướng

Hình 5.9 Các cánh được định vị trong phần vỏ ống chuyển hướng

Ở các mép đầu của cánh ta gắn các pát chữ L (định vị vào cánh bằng rivet) Các pát chữ L này giúp cố định vị trí của các cánh nắn dòng trong đường ống cũng như tăng

độ cứng vững cho các ống chuyển hướng

5.4 Quạt

Quạt được dẫn động từ động cơ điện 3 pha, dẫn động thông qua dây đai Tốc độ của quạt có thể điều chỉnh được thông qua bộ biến tần Ở 2 mặt quạt ta làm các ống nối để chuyển từ tiết diện tròn sang tiết diện chữ nhật và ngược lại

Quạt sử dụng là loại quạt hướng trục dùng trong công nghiệp, dẫn động bằng động cơ điện ba pha qua cơ cấu dây đai Quạt có công suất 2 kW cùng lưu lượng tối đa đạt 39600 m3/h

Hình 5.10 Mặt nối vuông – tròn vào quạt

Hình 5.11 Quạt Tốc độ gió (tốc độ của động cơ điện) được điều khiển thông qua biến tần 3 pha Biến tần này điều khiển tần số dòng điện đưa vào động cơ, thông qua đó gián tiếp làm thay đổi tốc độ quay của quạt

Hình 5.12 Biến tần sử dụng để thay đổi tốc độ quạt

5.5 Buồng ổn định (tổ ong)

Cấu trúc tổ ong được chế tạo bằng cách dập các dải tole thành dạng sóng Giữa các lớp sóng tole được chèn 1 dải tole phẳng để tạo thành tiết diện mong muốn

Hình 5.12 Các sóng tole

Hình 5.13 Các sóng tole

Hình 5.14 Cấu trúc tổ ong và buồng ổn định sau khi hoàn thành

Chương 7: MÔ PHỎNG, SO SÁNH, KIỂM NGHIỆM CÁC KẾT QUẢ

GIỮA MÔ PHỎNG VÀ ĐO ĐẠC BẰNG ỐNG KHÍ ĐỘNG

7.1 Mô phỏng dòng chảy, phân bố vận tốc áp suất, trên mô hình xe Ahmed bằng phần mềm Ansys Workbench

7.1.1 Giới thiệu mô hình

Mô hình xe Ahmed có hình dạng bên ngoài tương tự như những chiếc xe bus, xe chở khách hiện có Mặc dù hình học tương đối đơn giản, dòng không khí xung quanh

nó vẫn giữ một số tính năng chính gần giống với những chiếc xe thật cùng loại Hình dạng chi tiết của mô hình được thể hiện trên Hình 7.1 Chiều dài (L), chiều cao (H) và chiều rộng (W) của mô hình xe Ahmed lần lượt là 1044mm, 338mm và 389mm

Hình 7.1 Xe Ahmed

Để mô hình hóa và mô phỏng động lực học ô tô ta sử dụng gói Fluid Flow (Fluent) trong Ansys Workbench và phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình là Catia P3 V5R21

Trình tự tính toán tổng quan như trên hình 7.2

Bước 1 (Geometry): Xây dựng mô hình trên Catia sau đó đưa vào Workbench

thực hiện mô phỏng

Bước 2 (Meshing): Chia lưới mô hình

Bước 3 (Setup): Chọn mô hình tính toán, thiết lập khai báo điều kiện biên trong

Fluent

Bước 4 (Solution): Thực hiện thiết lập và tính toán trong Fluent

Bước 5 (Results): Kết xuất kết quả trong CFD-Post

Hình 7.2 Trình tự mô phỏng động lực học trong Fluid Flow (Fluent)

7.1.2 Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu của bài toán mô phỏng

Khi thực hiện mô phỏng, để phù hợp với khả năng tính toán của máy tính nhưng vẫn đảm bảo được tính đúng đắn, độ tin cậy và sự tương thích của bài toán nghiên cứu với thực tế, đồ án sử dụng các giả thiết sau đây:

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

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

- Vận tốc dòng khí tại đầu vào của không gian mô phỏng có hướng song song với trục dọc của xe, thổi theo hướng từ đầu xe tới đuôi xe và có giá trị không đổi trong quá trình mô phỏng (vkk = const)

- Vận tốc không khí tại bề mặt vỏ xe và bề mặt giới hạn của vùng không gian mô phỏng bằng 0 [m/s] (điều kiện biên không trượt)

7.1.3 Tính toán, thiết lập các thông số bài toán mô phỏng trên phần mềm Ansys

Workbench

7.1.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng

Ansys Fluent sử dụng các mô hình phẳng (2D) và mô hình không gian (3D) trong

Trong đại đa số các bài toán khí động học, người ta sử dụng mô hình 3D Mô hình loại này có những ưu điểm sau:

- Mô tả được đúng bản chất vật lý của mô hình và chất lưu

- Mô tả chi tiết các thông số của dòng chảy trong toàn bộ khu vực mô phỏng

- Áp dụng được cho mọi dạng mô hình hình học

Tuy nhiên, mô hình 3D có nhược điểm lớn là số lượng phần tử lớn dẫn đến yêu cầu cấu hình máy tính mạnh, thời gian mô phỏng dài, tốn chi phí hơn nhiều so với mô hình 2D

Với những phân tích trên đây, để thực hiện việc mô phỏng dòng khí chuyển động bao quanh vỏ xe Ahmed đáp ứng yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy cao sinh viên đã lựa chọn mô hình mô phỏng dạng 3D

Mô hình 3D ô tô mô phỏng được xây dựng dựa trên các thông số kích thước cơ bản ở trên bằng phần mềm Catia P3 V5R21

Hình 7.3 Mô hình 3D xe Ahmed

7.1.3.2 Tính toán xác định vùng không gian mô phỏng

Vùng không gian mô phỏng là vùng không gian bao quanh vật thể, được giới hạn trong quá trình mô phỏng Việc lựa chọn các kích thước của vùng không gian này được thực hiện sao cho bài toán mô phỏng sát với điều kiện vận hành thực tế nhằm đạt được kết quả có độ chính xác và độ tin cậy cao đồng thời khối lượng tính toán (nhu cầu về dung lượng bộ nhớ, cấu hình máy tính, thời gian tính toán, …) là tối thiểu Trong tự nhiên, không khí chuyển động quanh vật thể đứng yên hoặc vật thể chuyển động và đương nhiên, vùng không gian quanh vật thể đó sẽ có giới hạn ở vô cùng (hay nói cách khác là không có giới hạn) Khi mô phỏng trên máy tính, ta không thể lựa chọn một vùng không gian có giới hạn ở vô cùng để thực hiện tính toán vì sẽ không có máy tính nào đủ mạnh để có thể thực hiện được điều này (cấu hình, bộ nhớ đệm của máy tính là hữu hạn) Trên thực tế, vùng không khí bao quanh vật thể chịu sự nhiễu động với các vùng chảy rối, vùng chảy tầng,… phân bố một cách ngẫu nhiên Nhưng càng xa vật thể thì không khí chuyển động càng ổn định hơn và đến một khoảng cách nào đó đủ lớn thì

có thể xem như dòng chuyển động của không khí là dòng chảy tầng và không chịu ảnh hưởng của vật thể cũng như chuyển động của nó Đây chính là cơ sở để xác định kích

thước của vùng không gian mô phỏng Nghĩa là, vùng không gian mô phỏng được giới hạn bởi các mặt phẳng mà ở đó dòng chảy không khí là dòng chảy tầng và không chịu ảnh hưởng của vật thể cũng như chuyển động của nó

Tuy nhiên, cũng không thể lựa chọn một vùng không gian quá lớn để thực hiện

mô phỏng vì sẽ dẫn đến lãng phí tài nguyên của máy tính, tăng thời gian mô phỏng mà

độ chính xác, hiệu quả mô phỏng không được cải thiện thêm nhiều Bởi vậy, cần phải xác định được các kích thước nhỏ nhất của vùng không gian giới hạn bao quanh vật thể

để thực hiện mô phỏng sao cho nó không ảnh hưởng tới kết quả tính toán Vì vậy, khi bắt đầu thực hiện mô phỏng, xác định kích thước của vùng không gian mô phỏng này thực sự là một khó khăn Tuy nhiên, với kích thước mô hình và đặc điểm của dòng khí bao quanh vỏ xe, theo kinh nghiệm mô phỏng được đưa ra trong tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm Ansys Fluent [31], vùng không gian bao quanh vỏ xe ban đầu được lựa chọn để mô phỏng khảo nghiệm là hình hộp chữ nhật có các kích thước trong khoảng xác định trên hình 7.4

- Chiều rộng có độ lớn từ 6 đến 8 lần chiều rộng toàn bộ của xe

- Chiều cao có độ lớn từ 2 đến 4 lần chiều cao toàn bộ của xe

- Chiều dài vùng không gian mô phỏng có độ lớn từ 3 đến 5 lần chiều dài toàn bộ của xe Chiều dài phía trước miền tính toán phải đủ cho lượng không khí đi vào nhằm tạo áp suất cao, phía sau mô hình thì chiều dài phải đủ lớn để dòng không khí thoát ra

và có thể tạo xoáy lốc hoặc tạo các vệt hút ở phía sau đuôi ô tô như ô tô di chuyển thực

tế trên đường Chiều dài vùng không gian mô phỏng phía trước đầu xe có độ lớn từ 2 đến 3 lần chiều dài toàn bộ của xe và chiều dài vùng không gian mô phỏng phía sau đuôi

xe có độ lớn từ 3 đến 5 lần chiều dài toàn bộ của xe

Hình 7.4 Giới hạn vùng không gian mô phỏng tiêu chuẩn của mô hình ô tô

Miền giới hạn tính toán mô phỏng được giới hạn trong không gian ống không khí giả định tạo thành bởi hình hộp có các kích thước lần lượt như sau:

- Chiều rộng vùng không gian mô phỏng có độ lớn:

Cách thức để lựa chọn vùng không gian mô phỏng hợp lý là quan sát các trường vận tốc để xác định độ mượt của dòng, giới hạn không gian các xoáy để từ đó thu nhỏ không gian mô phỏng So sánh kết quả tính toán cho không gian mô phỏng ban đầu và không gian đã thu nhỏ phải có sự sai khác là tối thiểu Để xác định vùng không gian mô phỏng, dòng chảy ngược được coi là tiêu chí then chốt và cũng dễ xác định nhất Trong quá trình tính toán, nếu xuất hiện dòng chảy ngược gây ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng, Ansys Fluent sẽ tự động đưa ra cảnh báo Khi đó người lập trình buộc phải tiến

Hình 7.5 Một số dạng dòng chảy ngược

hành lựa chọn lại vùng không gian tính toán Do mô hình khảo sát có tính đối xứng qua mặt phẳng thẳng đứng, ta sử dụng thuộc tính đối xứng của phần mềm để khảo sát mô hình 1/2 nhằm giảm khối lượng tính toán nhưng vẫn đảm bảo được độ chính xác được thể hiện trên hình 7.6

Hình 7.6 Giới hạn vùng tính toán mô phỏng được thiết lập

7.1.3.3 Tính toán xây dựng mô hình lưới mô phỏng

a Đánh giá lựa chọn kiểu phần tử lưới

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 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

Tính chất của bài toán mô phỏng ở đây được hiểu là dạng bài toán mô phỏng (mô hình mô phỏng dòng chảy rối hay dòng chảy tầng; mô hình nghiên cứu hiện tượng, quá trình cần mô phỏng chi tiết hay mô hình nghiên cứu công nghiệp,…) Từ tính chất của bài toán, người thực hiện phải dự kiến được phương pháp mô phỏng, từ đó xác định phương pháp chia lưới và chọn kiểu loại lưới phù hợp Điều này rất quan trọng và có ảnh hưởng quyết định đến độ chính xác và tin cậy của kết quả mô phỏng

Độ chính xác cần thiết của kết quả mô phỏng bao gồm độ chính xác và mức độ hội

tụ của kết quả Để đạt được độ chính xác đảm bảo yêu cầu thì kích thước, mật độ, kiểu dạng lưới cần chọn phù hợp Lưới càng mịn, kích thước phần tử lưới càng nhỏ thì kết quả mô phỏng càng chính xác Tuy nhiên số lượng phần tử phải đảm bảo sự phù hợp với cấu hình của máy tính Nếu số lượng phần tử quá nhiều thì yêu cầu cấu hình máy