Khóa luận cơ điện và công trình, nghiên cứu đặc tính khí động học vỏ xe bằng phần mềm solidwworks flow simulation

Tình hình nghiên cứu khí động học ô tô hiện nay 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 chấ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

KHOA CƠ ĐIỆN & CÔNG TRÌNH

&

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE BẰNG PHẦN

MỀM SOLIDWORKS FLOW SIMULATION

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ

i

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, với tư cách là tác giả của khóa luận, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy giáo hướng dẫn Trần Công Chi - trường Đại học Lâm nghiệp, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi tận tình và chu đáo trong suốt thời gian thực hiện luận văn, để tôi có thể hoàn thành khóa luận này

Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể Thầy, Cô giáo của Khoa Cơ điện và Công trình, trường Đại học Lâm Nghiệp đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức, giúp đỡ tôi suốt thời gian học tập và đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình hoành thành khóa luận này

Hà Nội, ngày 07 tháng 5 năm 2020

Sinh viên

Trần Trung Anh

ii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU iv

DANH MỤC CÁC HÌNH v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2

1.1 Tổng quan về tình hình phát triển ngành ô tô hiện nay 2

1.1.1 Tình hình trên thế giới 2

1.1.2 Tình hình phát triển tại Việt Nam 5

1.2 Tình hình nghiên cứu khí động học ô tô 9

1.2.1 Tình hình nghiên cứu khí động học ô tô hiện nay 9

1.2.2 Các hướng nghiên cứu chính khí động học vỏ xe ô gần đây 12

1.4 Mục tiêu, phạm vi, nội dung, phương pháp nghiên cứu 13

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu 13

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 13

1.4.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 14

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC 15 2.1 Cơ sở lý thuyết khí động lực học 15

2.1.1 Các phương trình cơ bản 15

2.1.2 Mô phỏng dòng chảy không khí 16

2.1.3 Các dạng mô hình mô phỏng dòng chảy rối 18

2.2 Mô phỏng khí động học vỏ xe bằng phần mềm Solidworks Flow Simulation 23

2.2.1 Phần mềm SolidWorks 23

iii

2.2.2 Module Solidworks flow simulation 25

2.3 Mô hình khí động học vỏ xe trong SFS 26

2.3.1 Xây dựng mô hình 3D vỏ xe 26

2.3.2 Vùng không gian mô phỏng 27

2.3.3 Chia lưới 29

2.3.4 Các ràng buộc và điều kiện tính toán 29

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ Ô TÔ BẰNG PHẨN MỀM SOLIDWOKS FLOW SIMULATION 31

3.1 Phương pháp nghiên cứu 31

3.2 Các thông số đầu vào và một số giả thiết của bài toán mô phỏng 31

3.2.1 Lựa chọn các thông số của xe 31

3.2.2 Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu của bài toán mô phỏng 32

3.3 Xây dựng mô hình hình học của xe khảo sát 33

3.4 Mô phỏng và tính toán khí động học vỏ xe cơ sở 36

3.4.1 Các bước thiết lập các thông số mô phỏng 36

3.4.2 Xác định vùng không gian mô phỏng và tiến hành phân tích 37

3.5 Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu tới khí động học vỏ xe ô tô 42

3.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng kính trước 43

3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng kính sau 46

KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO

𝜀 Hệ số tán xạ năng lượng của dòng rối -

𝜔 Hệ số tán xạ năng lượng của dòng rối -

v

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Chiếc xe hơi sản xuất công nghiệp đầu tiên năm 1894 bởi Carl Benz

[1] 2

Hình 1.2 Doanh số 10 thương hiệu bán nhiều xe nhất thế giới năm 2019 [3] 4

Hình 1.3 Doanh số bán hàng các thương hiệu ô tô năm 2019 [8] 7

Hình 2.1 Các thành phần ứng suất trên khối chất lỏng 18

Hình 2.2 Các modul của chức năng CAD trong Solidworks 24

Hình 2.3 Phân tích truyền nhiệt, thông gió và điều hòa không khí bằng module HVAC 25

Hình 3.1 Xe ô tô con tham khảo (Suzuki vitara) 32

Hình 3.2 Sử dụng công cụ sketch picture vẽ biên dạng hình chiếu đứng 33

Hình 3.3 Tạo khối từ biên dạng hình chiếu đứng 33

Hình 3.4 Sử dụng công cụ sketch picture vẽ biên dạng hình chiếu bằng 34

Hình 3.5 Tạo khối từ biên dạng hình chiếu bằng 34

Hình 3.6 Sử dụng công cụ sketch picture vẽ biên dạng hình chiếu cạnh 34

Hình 3.7 Tạo khối từ biên dạng hình chiếu cạnh 35

Hình 3.8 Hoàn thiện một số chi tiết phụ 35

Hình 3.9 Mô hình 3D vỏ xe tham khảo Suzuki vitara 36

Hình 3.10 Tạo project mô phỏng 36

Hình 3.11 Thiết lập các thông số môi trường 37

Hình 3.12 kích thước của vùng không gian mô phỏng 37

Hình 3.13 Mô hình vỏ xe sau khi đã được chia lưới 38

Hình 3.14 Phân bố quỹ đạo dòng chảy không khí 39

Hình 3.15 Phân bố áp suất trên các bề mặt 39

vi

Hinh 3.16 Phân bố áp suất tại mặt phẳng dọc đối xứng của mô hình xe khảo sát

39

Hinh 3.17 Phân bố vận tốc tại mặt phẳng dọc đối xứng của mô hình xe khảo sát 40

Hinh 3.18 Phân bố vận tốc tại mặt phẳng ngang của mô hình xe khảo sát 40

Hình 3.19 Lực cản chính diện theo hai phương X, Y 41

Hình 3.20 Diện tích cản chính diện 41

Hình 3.21 Các thông số khảo sát khí động học vỏ xe 43

Hình 3.22 Ảnh hưởng của góc nghiêng kính chắn gió phía trước đến hệ số cản Cd 44

Hình 3.23 Phân bố góc nghiêng kính chắn gió bằng 30ͦ 45

Hình 3.24 Phân bố góc nghiêng kính chắn gió bằng 45ͦ 45

Hình 3.25 Ảnh của góc nghiêng kính chắn gió phía sau đến hệ số Cd 46

Hình 3.26 Phân bố hóc nghiêng kính chắn gió 40 ͦ 47

Hình 3.27 Phân bố góc nghiêng kính chắn gió 55ͦ 47

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Giá trị Cd phụ thuộc vào góc nghiêng kính chắn gió phía trước khi 𝜷

= 45 ͦ 44 Bảng 3.2 Giá trị Cd phụ thuộc vào góc nghiêng kính sau khi 𝜶 =30ͦ 46

1

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây với công cuộc Công nghiệp hóa- hiện đại hóa,

số lượng phương tiện tham gia giao thông cũng tăng lên theo thời gian đặc biệt

là những dòng xe con Bên cạnh đó, cơ sở hạ tầng, đường xá giao thông cũng đã

có những bước phát triển tích cực Một số tuyến đường cao tốc được xây dựng nhằm nâng cao tốc độ di chuyển của các phương tiện

Để đám ứng nhu cầu thực tế, trong tháng 7/2014 Chính phủ đã ban hành 2 văn bản quan trọng là “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhiền đến 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhiền đến năm 2035”, trong đó lĩnh vực sản xuất ô tô con được nhận nhiều sự quan tâm đặc biệt

Hiện nay, có một số doanh nghiệp đầu tư sản xuất lắp ráp Mặc dù đã có

sự đầu tư về công nghệ và đạt được một số thành tựu trong sản xuất,nhưng nhìn chung vào thực trạng các cơ sở lắp ráp đều dựa trên các bộ phận phụ tùng nhập khẩu Phần công việc thực hiện trong nước là sản xuất khung vỏ với các công nghệ hàn, sơn và lắp ráp nội thất, tuy nhiên chất lượng còn ở mức hạn chế Vấn

đề nghiên cứu, tối ưu hóa kết cấu của vỏ xe nhằm nâng cao các chỉ tiêu kỹ thuật vận hành của ô tô chưa nhận được sự quan tâm đầu tư của các nhà sản xuất

Trước những tình trên, để có thể cạnh tranh được với ô tô nhập khẩu thì cần phải có đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao Một trong những vấn đề cần được ưu tiên 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

Từ nhu cầu thực tiễn trên, được sự đồng ý của Khoa Cơ điện và công trình, Bộ môn Kỹ thuật cơ khí và dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Công Chi, tôi tiến hành thực hiện chuyên đề "Nghiên cứu đặc tính khí động học vỏ xe bằng phần mềm Solidworks flow simulation”

2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về tình hình phát triển ngành ô tô hiện nay

Hình 1.1 Chiếc xe hơi sản xuất công nghiệp đầu tiên năm 1894

bởi Carl Benz [1]

Không lâu sau, ô tô đã dành được sự quan tâm của biết bao nhiêu nhà khoa học, bác học vĩ đại Họ miệt mài nghiên cứu ngày đêm để không ngừng cải tiến nó về cả hình thức lẫn chất lượng: từ những chiếc xe thuở ban đầu thô sơ, kồng kềnh và xấu xí ngày càng trở nên nhỏ nhẹ hơn và sang trọng hơn Không lâu sau ô tô trở nên phổ biến, với những ưu điểm nổi trội về tốc độ di chuyển

3

cao, cơ động, không tốn sức và vô số những tiện ích khác, ô tô đã trở thành phương tiện hữu ích, không thể thiếu của người dân các nước công nghiệp phát triển và là một sản phẩm công nghiệp có ý nghĩa kinh tế quan trọng ở tất cả các quốc gia trên thế giới

Thời điểm đánh dấu ô tô bắt đầu được chú ý đưa vào sản xuất hàng loạt thành phương tiện di chuyển là năm 1892 tại Chicago Ở đây người ta chứng kiến một chiếc xe ôtô có 4 bánh, hệ thống đánh lửa bằng điên, bộ bơm dầu tự động, đạt vận tốc khoảng 20 km/h Tuy Đức là đất nước đầu tiên đưa ô tô vào sản xuất hàng loạt nhưng Mỹ mới là nơi chứng kiến công nghiệp xe hơi lên ngôi Trong bối cảnh ngành còn sơ khai, người dẫn đất nước cờ hoa chỉ hào hứng vào những chiếc xe hơi xa hoa, đắt tiền mang thương hiệu Cadillac, Pascal thì xuất hiện một nhân vật đi ngược xu hướng, đó là Henry Ford Người sau này trở thành nhân vật tên tuổi nhất nền công nghiệp xe hơi Mỹ Ford đã sử dụng dây chuyền lắp ráp di động và phân chia công việc từng phần cho các công nhận, từ đó tạo ra rất nhiều xe hơi giá rẻ chỉ 1.000 USD Ông trở nên nổi tiếng

và giàu có nhanh chóng Các hãng khác lợi dụng xu hướng mà Ford tạo ra để phát triển thị trường Cuối cùng Mỹ tạo dựng 3 hãng lớn nhất là Ford, General Motor và Chrysler Cùng với châu Âu và châu Mỹ, tại châu Á cũng có một đất nước nổi lên là Nhật Bản Chiếc xe đầu tiên của Nhật Bản có tên Takkuri, do Uchiyama Komanosuke, kỹ sư ô tô đầu tiên của xứ mặt trời mọc sản xuất vào năm 1907 Tuy nhiên, số lượng ít, giá thành cao khiến xe Nhật không thể cạnh tranh được với xe nhập từ Mỹ [2]

Chính vì thế, theo lịch sử ngành công nghiệp ô tô thế giới, năm đầu tiên của thế kỷ 20-năm 1901, trên toàn thế giới đã có 621 nhà máy sản xuất ô tô xe máy, trong đó 112 ở Vương quốc Anh, 11 ở Italy, 35 ở Đức, 167 ở Pháp, 215 ở

Mỹ và 11 nước khác Tuy nhiên, mốc thời gian đánh dấu sự ra đời chính thức của ngành công nghiệp ô tô phải kể đến năm 1910 khi ông Henry Ford-Người sáng lập ra tập đoàn Ford Motor nổi tiếng, bắt đầu tổ chức sản xuất ô tô hàng loạt trên qui mô lớn

4

Hình 1.2 Doanh số 10 thương hiệu bán nhiều xe nhất thế giới năm 2019 [3]

Gần đây, sau nhiều năm tăng trưởng, các nhà sản xuất ô tô trên toàn cầu đang phải đối mặt với những thách thức mới, bắt đầu với dấu hiệu chững lại của thị trường này trong năm 2019 Cuộc chiến thương mại giữa Mỹ và Trung Quốc

đã kéo lùi tăng trưởng kinh tế toàn cầu năm nay, và như một hệ quả tất yếu của

sự giảm tốc đó, người tiêu dùng trên khắp thế giới tỏ ra ngần ngại hơn với việc rút hầu bao để sắm ôtô mới Chẳng hạn như từ đầu năm đến nay, nhu cầu ôtô tại Trung Quốc - thị trường xe lớn nhất thế giới - đã giảm 11%, trở thành nhân tố lớn nhất đóng góp vào sự sụt giảm của thị trường xe toàn cầu Ngoài sự giảm tốc mạnh của kinh tế Trung Quốc do thương chiến với Mỹ, việc Bắc Kinh cắt giảm trợ cấp cho xe chạy điện cũng là lý do quan trọng khiến doanh số thị trường xe nước này trượt dài Theo số liệu của Hiệp hội Xe hơi Trung Quốc (CPCA), doanh số xe hơi ở nước này trong tháng 10 giảm 6% so với cùng kỳ năm ngoái,

5

còn 1,87 triệu xe Đây là tháng giảm doanh số thứ 16 trong vòng 17 tháng của thị trường xe hơi Trung Quốc Duy chỉ có tháng 6 chứng kiến doanh số tưng do các đại lý giảm mạnh giá bán xe để đẩy hàng tồn kho [4]

Kinh tế Đức - nền kinh tế đầu tàu của khu vực Eurozone - đã mấp mé bờ vực suy thoái Hôm thứ Ba, hãng xe Đức Audi công bố cắt giảm 7.500 nhân viên Tại Mỹ, các hãng xe lớn như General Motors (GM), Ford và Honda đều đã phải cắt giảm sản lượng xe do thị trường yếu đi Fitch dự báo toàn thị trường ôtô

Mỹ sẽ chứng kiến mức giảm doanh số 2% trong năm nay, còn 16,9 triệu xe

Ngoài sự giảm tốc kinh tế toàn cầu, các yếu tố như mối lo về ô nhiễm môi trường do xe chạy dầu diesel gây ra, và sự phổ biến của dịch vụ chia sẻ xe cũng gây sức ép lên nhu cầu tiêu thụ ôtô

1.1.2 Tình hình phát triển tại Việt Nam

Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam là ngành sinh sau đẻ muộn, ra đời sau các nước trong khu vực từ 40-50 năm Tuy nhiên, Nhà nước Việt Nam, với mục đích thu hút đầu tư và xây dựng một ngành công nghiệp ô tô để theo kịp các nước trong khu vực, cho nên gần 15 năm qua, kể từ khi ra đời vào năm 1992 đến nay, ngành công nghiệp ô tô của Việt Nam được coi là ngành trọng điểm và là ngành luôn luôn được ưu đãi nhất trong số các ngành công nghiệp Sự ưu ái rất đặc biệt này thể hiện qua những chính sách thuế quan của Bộ Tài chính, với chính sách thuế ưu đãi về tỷ lệ nội địa hóa, thuế nhập khẩu cho linh kiện lắp ráp

và thuế thu nhập doanh nghiệp [5]

Tính đến hết năm 2018, cả nước có 358 doanh nghiệp sản xuất liên quan đến ô tô, trong đó có 50 doanh nghiệp lắp ráp ô tô, 45 doanh nghiệp sản xuất khung gầm, thân xe, thùng xe, 214 doanh nghiệp sản xuất linh kiện, phụ tùng ô

tô, v.v Có nhiều hãng lớn có hoạt động sản xuất, lắp ráp trong nước (Toyota, Hyundai, Kia, Mazda, Honda, GM, Chevrolet, Ford, Mitsubishi, Nissan, Suzuki, Lsuzu, Mercedes-Benz, Hino) đáp ứng khoảng 70% nhu cầu xe dưới 9 chỗ trong nước [6]

6

Nhu cầu ô tô tại Việt Nam đang tăng mạnh, một khảo sát cho thấy chiều 10/10/2019, Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô Việt Nam(VAMA) công bố doanh số bán hàng của các đươn vị thành viên trong thánh 9/2019 đạt 27.767 xe các loại, tăng 29% so với tháng trước Trong tổng doanh số trên, có 20.916 xe du lịch, tăng 37%, 6.532 xe thương mại tăng 10%; và 319 xe chuyên dụng, tăng 10% só với tháng trước

Thị trường ô tô Việt đang hình thành cuộc đua của 4 ông lớn Ngoài 3 hãng quen thuộc là THACO, Toyota và TC MOTOR, VinFast đang nổi lên như một thế lực mới trên thị trường ô tô Việt Nam Dẫn đầu về doanh số bán hàng vẫn là tập đoàn THACO - Trường Hải với tổng 53.657 xe được bán ra THACO cũng dẫn đầu với 31,3 thị phần của VAMA Tuy có doanh số dẫn đầu nhưng THACO lại đang có doanh số sụt giảm đáng kể so với cùng kỳ năm 2018 Ở thời điểm này năm trước, THACO bán ra tới 57.906 xe và chiếm tới 40,4% thị phần của VAMA Mazda hiện vẫn là nhãn hiệu độc lập có doanh số tốt nhất của THACO với 20.160 xe được bán ra Mazda hiện cũng đang có tỷ lệ tăng trưởng khoảng hơn 7% so với cùng kỳ năm ngoái

Đứng sau Mazda là thương hiệu Hàn Quốc - KIA với 16.496 xe bán ra sau 7 tháng đầu năm 2019 Nửa đầu 2019 cũng là quãng thời gian TMV liên tiếp điều chỉnh các chính sách sản phẩm cũng như bán hàng của mình Điều chỉnh đáng chú ý nhất là việc chuyển từ nhập khẩu (CBU) về lắp ráp trong nước (CKD) đối với mẫu SUV 7 chỗ ăn khách nhất Fortuner Tuy nhiên, sau khi chuyển sang CKD giá bán của Fortuner tăng đôi chút khiến làm giảm sút sức cạnh tranh của mẫu SUV này Đứng sau THACO vẫn là cái tên quen thuộc Toyota Việt Nam (TMV) khi liên doanh này bán ra tới 44.405 xe trong 7 tháng đầu 2019 Đáng chú ý, sau 7 tháng đầu năm doanh số của TMV tăng manh tới 28% so với cùng kỳ Nhiều mẫu xe của Toyota liên tiếp gặt hái thành công trong những tháng vừa qua của năm 2019 Chỉ riêng mẫu sedan Vios đã bán ra tới gần 15.000 xe, Vios cũng đang là mẫu xe bán chạy nhất trên thị trường kể từ đầu

7

năm Những mẫu xe như Fortuner, Innova hay Camry vẫn liên tục duy trì được

vị thế của mình trong phân khúc [7]

Hình 1.3 Doanh số bán hàng các thương hiệu ô tô năm 2019 [8]

VinFast mới bắt đầu giao xe ô tô vào giữa tháng 6/2019, thời điểm khánh thành nhà máy, công ty này cho biết đã có 10.000 đơn đặt hàng ô tô Công ty TNHH Sản xuất và Kinh doanh VinFast vừa chính thức công bố số liệu bán hàng năm 2019 với 17.214 đơn đặt hàng ô tô và 50.000 đơn đặt hàng xe máy điện Đây có thể xem là những tín hiệu tích cực của nhà sản xuất ô tô, xe máy của Việt Nam VinFast cho biết đã sản xuất được hơn 15.300 ô tô với ba dòng sản phẩm Fadil, Lux A2.0 và Lux SA2.0; 45.118 xe máy điện với các dòng Ludo, Impes và Klara S - phiên bản nâng cấp thay thế cho dòng xe Klara Tỉ lệ thực hiện đơn hàng đang đạt khoảng 90% [8]

Trong thời gian qua Quốc hội, Chính phủ cũng đã thông qua và ban hành các cơ chế, chính sách ưu đãi cho ngành SX, LR ô tô tại các pháp luật về đầu tư, thuế (xuất nhập khẩu, thu nhập doanh nghiệp, tiêu thụ đặc biệt), tín dụng, tiền thuê đất nhằm hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho ngành sản xuất, lắp ráp

ô tô trong nước phát triển Tập trung huy động hiệu quả mọi nguồn lực từ các thành phần kinh tế trong nước và từ bên ngoài để phát triển, tái cơ cấu ngành

8

công nghiệp theo hướng hiện đại Chú trọng đào tạo nguồn nhận lực công nghiệp có kỹ năng, có kỷ luật, có năng lực sáng tạo Ưu tiên phát triển và chuyển giao công nghệ đối với các ngành, các lĩnh vực có lợi thế cạnh tranh và công nghệ hiện đại, tiên tiến ở một số lĩnh vực chế biến nông, lâm, thủy sản, điện tử, viễn thông, năng lượng mới và tái tạo, cơ khí chế tạo và hóa dược Điều chỉnh phân bố không gian công nghiệp hợp lý nhằm phát huy sức mạnh liên kết giữa các ngành, vùng, địa phương để tham gia sâu vào chuỗi giá trị toàn cầu

Hình 1.4 Bên trong nhà máy VinFast

Trước đó, phát biểu tại lễ khai mạc triển lãm Vietnam AutoExpo 2019, Thứ trưởng Bộ Công Thương Đỗ Thắng Hải cũng cho biết, Chính phủ Việt Nam chủ trương phát triển ngành ô tô Việt Nam trở thành ngành công nghiệp quan trọng của đất nước đáp ứng tối đa nhu cầu thị trường nội địa về các loại xe tải,

xe khách thông dụng và các xe chuyên dụng Phấn đấu trở thành nhà cung cấp linh kiện, phụ tùng và một số cụm chi tiết có giá trị cao trong chuỗi sản xuất công nghiệp ô tô thế giới góp phần tăng trưởng kinh tế và thúc đẩy sự phát triển các ngành công nghiệp khác Đây là mục tiêu chung quy hoạch phát triển ngành mô tô VN đến năm 2020 tầm nhìn 2030

Dự báo đến năm 2030 Việt Nam có từ 466.000 đến 863.000 xe ô tô mới gia nhập thị trường; đến năm 2020 số lượng xe máy cũng sẽ đạt khoảng 36 triệu

9

chiếc Mặt khác, cơ sở hạ tầng ngày càng được cải thiện cũng là những yếu tố thuận lợi giúp các doanh nghiệp ô tô, xe máy và công nghiệp phụ trợ phát triển Với dự báo và những yếu tố trên, có thể nói ngành công nghiệp, thị trường ô tô,

xe máy và công nghiệp hỗ trợ tại Việt Nam còn rất nhiều tiềm năng để các doanh nghiệp tham gia đầu tư sản xuất, kinh doanh [6]

Tuy nhiên, phần lớn các nhà máy tại Việt Nam chủ yếu chỉ lắp ráp dựa trên các phụ tùng nhập khẩu Phần công việc chính được thực hiện trong nước là sản xuất khung vỏ với các công nghệ hàn, sơn và lắp ráp nội thất nhưng chất lượng còn ở mức độ hạn chế Nếu Việt Nam không làm chủ thiết kế, công nghệ cốt lõi, làm chủ sản phẩm thương mại, không làm chủ những công đoạn quan trọng này thì chỉ đơn giản là công ty lắp ráp Do đó, các vấn đề nghiên cứu, tối

ưu hóa kết cấu của vỏ xe nhằm nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật vận hành của ô tô cần được quan tâm đầu tư Để những chiếc ô tô Việt Nam có thể cạnh tranh được với ô tô nhập khẩu, cần đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao, trong đó vấn đề quan trọng hàng đầu 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 Tình hình nghiên cứu khí động học ô tô

1.2.1 Tình hình nghiên cứu khí động học ô tô hiện nay

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 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

Lĩnh vực tính toán lực cản xe ô tô nói chung đã có một số tác giả trong nước và quốc tế quan tâm nghiên cứu [9-11] Trước đây, khi công cụ hỗ trợ tính toán chưa phát triển, thì việc tính toán xác định lực cản khí động xe ô tô chủ yếu dựa trên kết quả thực nghiệm mô hình tại các phòng thử nghiệm khí động lực

10

học ô tô Trên cơ sở kết quả tổng hợp của rất nhiều thử nghiệm sẽ thu được các công thức thực nghiệm hay giá trị hệ số lực cản khí động tương ứng cho từng loại xe ô tô khác nhau Tuy nhiên hiện nay, với sự phát triển mạnh của các công

cụ, phương tiên hỗ trợ tính toán số ra đời, tính toán động lực học chất lỏng CFD (Computation Fluid Dynamic) đã trở thành công cụ hữu dụng trong việc ước lượng, dự đoán lực cản khí động tác động lên xe ô tô CFD đã trở thành công cụ phổ biến được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng làm phương tiện hỗ trợ nghiên cứu đắc lực

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về khí động học tiếp tục tập trung vào việc hoàn thiện các mô hình tính toán lý thuyết và phương pháp thí nghiệm sao cho các điều kiện tính toán và thử nghiệm ngày càng gần sát hơn so với thực tế

Trong nghiên cứu lý thuyết vấn đề lớn nhất vẫn là nâng cao dần mức độ phức tạp của bài toán nhằm giải được phương trình Navier - Stokes ở cấp độ cao hơn Nếu như trước đây, các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải phương trình Ơ le với mô hình phẳng [12] Tuy nhiên, vấn đề đang được quan tâm giải quyết hiện nay là phương trình Reynolds trung bình hóa cho dòng chảy rối (Reynolds Average Navier Stokes - RANS) Những công bố gần đây đây cho thấy phương trình Reynolds cho dòng rối vẫn đang tiếp tục là công

cụ chính của các nhà nghiên cứu khí động học ô tô [13-15]

R K Petkar và các đồng tác giả đã công bố kết quả nghiên cứu lý thuyết, trong đó sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng bằng ANSYS FLUENT để đưa ra các giải pháp giảm lực cản không khí đối với ô tô đua [16] Một số tác giả khác cũng đã sử dụng thành công phần mềm này để mô phỏng và tính toán khí động học vỏ xe ô tô, như Manan Desai (2008) [17] , Levin (2012) [15]

Vấn đề giảm lực cản khí động, mặc dù đã được nghiên cứu từ hàng chục năm nay, vẫn đang tiếp tục là mối quan tâm hàng đầu với mục đích chính

là giảm mức tiêu thụ nhiên liệu Các giải pháp giảm lực cản khí động đều tập trung chủ yếu vào việc giảm sự xuất hiện các vùng xoáy hoặc giảm kích thước

11

của chúng Hầu hết các công trình nghiên cứu về giảm lực cản khí động đều nhấn mạnh việc giảm kích thước vùng xoáy đuôi xe, vì đây là nơi sinh ra lực cản lớn nhất Các giải pháp chính vẫn là tạo các góc nghiêng của mặt sau và hai mặt bên cùng với các bán kính cong giữa các mặt hợp lý [15, 17, 18]

Đầu xe cũng là nơi sinh ra lực cản đáng kể và được quan tâm nghiên cứu nhiều Trong đó mối quan tâm lớn nhất thuộc về góc nghiêng của kính chắn gió

và góc lượn giữa kính chắn gió với tấm nóc xe [13, 19] Ngoài ra, phần mũi xe c

ng với dòng khí đi qua két làm mát cũng được đầu tư nghiên cứu [19]

Các nhà khoa học gần đây đã quan tâm nhiều hơn đến các yếu tố khác như gầm xe, bánh xe và các nếp gấp trên các mặt bên của vỏ xe Gần đây, khi các mô hình nghiên cứu đã trở nên ngày càng hoàn thiện, khu vực bánh xe và gầm xe cùng nhận được sự quan tâm nhiều hơn

Tại Việt Nam, một số nghiên cứu liên quan đến khí động học vỏ xe đã được thực hiện Tác giả Tô Hoàng Tùng (2016) sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS - Fluent để nghiên cứu khí động học vỏ xe ô tô khách cỡ lớn sản xuất tại Việt Nam Bài toán được xây dựng dựa trên phương trình Navier - Stokes đơn giản hóa dạng RANS với giả thiết chất khí không chịu nén kết hợp với các

mô hình dòng rối nhớt [20]

Tác giả Lã Trung Sơn (2016) đã nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng thân vỏ đến đặc tính khí động học của đoàn xe chở container Tác giả tiến hành

mô hình hóa các mô hình đoàn xe chở container, thiết kế bài toán tính mô phỏng

số khảo sát đặc tính khí động học cho đoàn xe chở container và sau đó thực hiện các công việc để mô phỏng số CFD trên máy tính [9]

Tác giả Đặng Tiến Phúc cùng đồng nghiệp (2018) đã nghiên cứu đặc tính khí động lực học xe buýt được lắp ráp tại Việt Nam thông qua phân tích phân bố trường vận tốc và áp suất bằng phần mềm thương mại CFD với phương trình RANS kết hợp mô hình rối Realizable Kết quả nghiên cứu được thể hiện thông qua các hình ảnh và giá trị mô phỏng tính toán, đồng thời giúp hiểu rõ hơn đặc tính khí động lực học quanh mô hình xe buýt [21]

12

Tác giả Nguyễn Anh Ngọc cùng đồng nghiệp (2019) đã nghiên cứu cải thiện đặc tính khí động học thân vỏ xe ô tô điện HaUI-EV2 bằng phần mềm CFD trong Ansys Các thông số quan trọng để đánh giá chất lượng khí động lực học thân vỏ xe bao gồm hệ số cản chính diện, lực nâng và dòng chảy không khí tác động lên thân vỏ xe Từ đó, đề xuất một số thay đổi hình dáng kết cấu phía trước của thân vỏ xe để cải thiện đặc tính cản [22]

Mặc dù tình hình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến khí động học ô tô được quan tâm nghiên cứu đã từ rất lâu và cho tới bây giờ đây vẫn là một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính trong lĩnh vực sản xuất ô tô, tại Việt Nam các công trình nghiên cứu được công bố và ứng dụng còn rất hạn chế Vì vậy, việc nghiên cứu khí động học vỏ xe, nhằm cải thiện chất lượng khí động học của nó

là một vấn đề cần thiết đối với các nhà sản xuất ô tô Việt Nam

1.2.2 Các hướng nghiên cứu chính khí động học vỏ xe ô gần đây

Để cải thiện tính năng khí động học, giảm thiểu hệ thống cản Cd, người ta thường dùng các biện pháp sau:

Cánh đuôi: Vào đầu những năm 60, các kỹ sư của Ferrari đã khám phá ra rằng, bằng cách gắn thêm một tấm cản (chúng ta gọi đơn giản là Cánh) vào đuôi phía sau, lực nâng có thể giảm đáng kể hoặc thậm chí phát sinh lực nén Trong khi đó, lực cản chỉ tăng một lượng rất nhỏ

+Cánh có tác dụng hướng phần lớn luồng không khí trên mui 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 thậm chí tới 100kg Khi đó, chỉ có một luồng không khí rất nhỏ chạy ra nghía sau và quẩn dưới đuôi cánh Như vậy cánh đã làm giảm đáng kể sự nhiễu loạn không khí xuất hiện ở chiếc xe và đã loại trừ được lực nâng, xe chỉ còn chịu lực cản

Cánh gầm: Cánh gầm là tên gọi chung của cánh hướng gió lắp phái dưới cản trước và cánh hướng gió lắp dọc hông xe Cánh gầm lắp phía dưới mũi xe có tác dụng làm biến đổi luồng không khí lưu thông phía dưới gầm xe Chúng ta thường gọi cánh gầm lắp đặt ở gờ đáy của cản trước là “cản gió trướ” và những

+ Cánh gầm và cánh cản ngang được sử dụng để giảm luồng không khí bên dưới bằng cách hướng không khí đi qau những mặt bên cạnh của xe Kết quả là chúng làm giảm bớt lực cản và lực nâng do luồng không khí phía dưới sinh ra Cánh cản ngang càng thấp thì hiệu quả càng cao

Gầm xe trơn nhẵn: chúng ta cũng có thể giảm bớt ảnh hưởng của luồng không khí phía dưới bằng cách làm cho gầm xe trở lên trơn nhẵn để tránh được

sự nhiễu loạn và lực nâng

1.4 Mục tiêu, phạm vi, nội dung, phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là phân tích, đánh giá đặc tính khí động lực học tác động lên thân vỏ xe Thông qua các kết quả tính toán mô phỏng, đề xuất một số giải pháp làm giảm lực cản khí động lực cản khí động lực học tác động lên thân vỏ xe nhằm góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và tốc độ di chuyển

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

Trong các nghiên cứu về đặc tính khí động lực học nói chung, các phương pháp nghiên cứu thường được sử dụng cho đến nay gồm: phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mô hình trong các phòng thử nghiệm khí động học và phương pháp tính toán lý thuyết thuần túy Bên cạnh đó, phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết với thực nghiệm mô hình cũng được các nhà nghiên cứu sử dụng Ngày nay, với sự phát triển của khoa học tính toán số và công cụ máy tính, phương pháp nghiên cứu sử dụng công cụ mô phỏng số đã được áp

Trên cơ sở nghiên cứu tài liệu, lý thuyết khí động học và tính toán mô phỏng, tiến hành mô hình hóa vỏ xe, thiết kế bài tính toán mô phỏng số khảo sát đặc tính khí động học cho vỏ xe và sau đó thực hiện các công việc để mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm Solidworks flow simulation Kết quả thu được từ

mô phỏng số được đánh giá và phân tích thông qua so sánh kết quả tính toán giữa các mô hình với nhau dựa trên kinh nghiệm tính toán và tài liệu nghiên cứu

1.4.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn là thân vỏ xe con, nghiên cứu giảm lực cản khí động lực học tác động lên đoàn xe nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế

và tốc độ di chuyển

15

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

2.1 Cơ sở lý thuyết khí động lực học

2.1.1 Các phương trình cơ bản

Để mô tả dòng chảy của môi chất bất kỳ một cách đầy đủ người ta thường

sử dụng phương trình Navier-Stokes, được viết dưới dạng một hệ gồm 3 phương trình: phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình bảo toàn khối lượng và phương trình bảo toàn năng lượng

Các nghiên cứu về khí động học ô tô đã chỉ ra rằng, dòng khí bao quanh ô

tô là dòng chảy dưới âm với M< 0.3, nên có thể chấp nhận giả thiết là chất khí không chịu nén Khi đó, bài toán khí động học chỉ còn lại hai phưởng trình: phương trình bảo toàn khối lượng và phương trình bảo toàn động lượng Các phương trình này có thể được viết dưới dạng khác nhau Dưới dạng véc-tơ, các phương trình mô tả khí động học ô tô dưới dạng véc-tơ được viết như sau

Phương trình bảo toàn khối lượng:

Phường trình bảo toàn động lượng:

𝑢⃗ là vận tốc;

𝜌 là khối lượng riêng của không khí;

p là áp suất;

16

2.1.2 Mô phỏng dòng chảy không khí

2.1.2.1 Các công cụ toán học và ký hiệu quy ước

Các phương trình vi phân mô tả dòng chảy không khí dưới dạng khai triển thường rất cồng kềnh, nên người ta thường sử dụng các cánh viết khác nhau nhằm rút gọn nó

Trong đó 𝑖 , 𝑗 , 𝑘⃗ là các véc- tơ đơn vị

Đôi với các véc-tơ vân tốc u trong hệ tọa độ Đề Các (x,y,z) với các thành phần theo các phương tương ứng là u, v, w ta sử dụng kí hiệu u (hoặc 𝑢⃗ ):

⃗⃗⃗

𝑘𝜕

𝜕𝑧 𝑤

b) Các kí hiệu quy ước:

Các phương trình đạo hàm riêng viết dưới dạng khai triển thường rất dài, nên trong khóa luận sử dụng cách viết gọn, các kí hiệu quy ước sau (2.8):

𝜕𝑗𝑢𝑖-đạo hàm riêng của thành phần thứ I của u theo tọa độ j;

a) Phương trình bảo toàn khối lượng

Với các ký hiệu quy ước trên đây, phương trình 2.1 được viết dưới dạng khai triển trong hệ tọa độ Đề Các như sau:

b) Phương trình bảo toàn động lượng

Bằng cách chiếu phương trình 2.2 xuống các trục tọa độ (x, y, z) thu được 3 phương trình:

𝜕𝑝

𝜕𝑥+ 𝑣 (

𝜕 2 𝑢

𝜕𝑝

𝜕𝑦+ 𝑣 (

𝜕 2 𝑣

𝜕𝑥2 +𝜕

2 𝑣

𝜕𝑦2 +𝜕

2 𝑣

𝜕𝑝

𝜕𝑥+ 𝑣 (

𝜕 2 𝑤

𝜕𝑡𝑢𝑖 + 𝑢𝑗𝜕𝑗𝑢𝑖 = −1

𝜌𝜕𝑖𝑝 +

1

18

Hình 2.1 Các thành phần ứng suất trên khối chất lỏng

Như vậy, để mô tả dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe ô tô, ta có hệ phương trình:

2.1.3 Các dạng mô hình mô phỏng dòng chảy rối

Do các thông số của dòng chảy rối biến thiên liên tục, nên để mô tả một thông số a bất kỳ của nó, người ta giả thiết như sau:

̅̅̅̅̅̅̅ ) (2.19) Trong phương trình trên, ta thấy xuất hiện thêm một ẩn số là 𝜌𝑢,

𝑖𝑢′ 𝑗

̅̅̅̅̅̅̅ đặc trưng cho ứng suất của dòng rối Để tiện cho việc sử dụng, người ta ký hiệu ứng suất của dòng rối là 𝜏𝑖𝑗𝑡 khi đó:

𝜏𝑖𝑗𝑡 = −𝜌𝑢,

𝑖𝑢′ 𝑗

̅̅̅̅̅̅̅ (2.20)

a) Các mô hình dòng rối nhớt

Các mô hình sử dụng giả thiết để mô tả 𝜏𝑖𝑗𝑡 thông qua một biến dạng và độ nhớt dòng rối 𝜇𝑡 được gọi là mô hình dòng rối nhớt Ứng suất nhớt được mô tả như sau:

𝜏𝑖𝑗𝑡 = 𝜇𝑡𝜕𝑗𝑢̅ 𝑖 (2.21)

Khi đó phương trình động lượng có dạng:

𝜕𝑡𝑢̅ + 𝑢𝑖 ̅ 𝜕𝑗 𝑗𝑢̅ = −𝑖 𝜌1𝜕𝑖𝑝̅ +1𝜌𝜕𝑗(𝜇 + 𝜇𝑡)𝜕𝑗𝑢̅ 𝑖 (2.22) Tùy theo cách mô tả 𝜇𝑡mà đưa ra các mô hình dòng chảy rối khác nhau Các mô hình này thường được phân biệt theo số phương trình cần thiết để mô tả

𝜇𝑡 Dưới đây là một số mô hình điển hình

 Mô hình với 0 phường trình

Độ nhớt dòng rối được mô tả thông qua các thông số của dòng chảy như sau:

𝜇𝑡 = 𝜌𝑙𝑚2 |𝜕𝑦𝑢̅(𝑦)| (2.23)

Với 𝑙𝑚: độ dài đặc trưng của dòng rối

Đây là loại mô hình đơn giản nhất, nó không sử dụng thêm phương trình

bổ sung nào để mô tả 𝜇𝑡 Chính vì vậy, mà mô hình có tên là “mô hình với 0 phương trình”

20

Mặc dù đơn giản, nhưng mô hình dòng chảy rối nhớt với 0 phương trình hầu như không được sủ dụng trong nghiên cứu khí động học ô tô, do nó giả thiết dòng rối là môi trường đồng nhất và điều này hoàn toàn không phù hợp với thực

tế dòng chảy bao quanh vỏ xe ô tô

 Mô hình với 1 phương trình

Đại diện điển hình của mô hình này là mô hình PrandtKolmogorov Độ nhớt dòng rối được mô tả thông qua động năng k của nó:

𝜇𝑡 = 𝐶𝜇𝐿√𝑘 (2.24) Với:

𝐶𝜇là hệ số

L là độ dài đặc trưng của dòng rối

Như vậy, trong mô hình xuất hiện thêm một ẩn số là k Để giải được hệ phương trình, buộc phải đưa thêm vào mô hình một phương trình mô tả động năng của dòng rối thông qua các thông số của dòng chảy Vì vậy, mô hình này

được gọi là “mô hình với một phương trình”

Động năng của dòng rối được mô tả bằng phương trình sau:

𝜕𝑡𝑘 + 𝑢̅ 𝜕𝑗 𝑗𝑘 = 𝜕𝑖(𝑣𝑡𝜕𝑖𝑘) − 𝑃𝑡 −𝑘3 2𝐿⁄ (2.25)

Với: 𝑃𝑡 = −𝑢,

𝑖𝑢, 𝑗

ô tô

21

 Mô hình với 2 phương trình

Đại diện điển hình của mô hình với hai phương trình là mô hình k – 𝜀 tiêu

chuẩn Ở đây, độ nhớt dòng chảy rối được mô tả thông qua 2 thông số là động

năng k và hệ số tán xạ năng lượng của dòng rối :

𝜇𝑡 = 𝐶𝜇𝑘𝜀2 (2.26)

Trong đó hệ số 𝐶𝜇 được coi là hằng số đặc trưng của mô hình Với cách

mô tả độ nhớt của dòng rối như trên, mô hình này có tên gọi là mô hình k - 𝜀

Như vậy, để giải được bài toán khí động học trong mô hình này cần bổ

sung thêm 2 phương trình Các phương trình bổ sung gồm các phương trình mô

tả động năng k và phương trình hệ số tán xạ năng lượng của dòng chảy rối 𝜀

Trong các mô hình dòng rối nhớt, đây là mô hình hoàn thiện hơn cả và có

thể được sử dụng ngay cả trong các trường hợp dòng chảy Ưu điểm của mô

hình k – 𝜀 là mô tả tương đối đầy đủ và chính xác quá trình vận tải năng lượng

(k) trong dòng chảy rối có tính đến sự mất mát do ma sat nhớt Mức độ tổn hao

động năng do ma sát được đánh giá thông qua hệ số tán xạ 𝜀

Cho tới nay, mô hình k – 𝜀 vẫn đang là mô hình được sử dụng phổ biến

hơn cả trong nghiên cứu khí động học ô tô Do được sử dụng nhiều, nên có khá

nhiều dạng biến thể khác nhau

Mặc dù được sử dụng rộng rãi như đã nêu trên, mô hình k - 𝜀 cũng có

những hạn chế nhất định:

- Mô hình này chấp nhận giả thiết rằng dòng rối là đẳng hướng

- 𝜀 không xác định trên biên (vỏ xe)

- Mô hình tạo nên nguông động năng dòng rối trên vỏ với sự có mặt của

áp suất nghịch