Khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí, tương tác giữa môi trường với cấu trúc vỏ xe tạo thành những vùng xoáy có áp suất thấp.Ngoài những vùng xoáy lớn ở đuôi xe, còn rất nhiều
Trang 1ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM SỨC
CẢN KHÍ ĐỘNG CHO XE Ô TÔ DU LỊCH
Sinh viên thực hiện: THÁI DUY SƠN
Đà Nẵng – Năm 2019
Trang 2
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I Thông tin chung:
1 Họ và tên sinh viên: THÁI DUY SƠN Số thẻ SV: 103140111
2 Về kết quả giải quyết các nội dung nhiệm vụ yêu cầu của đồ án: (điểm tối đa là 4đ)
……… .……… ………
3 Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp: (điểm đánh giá tối đa là 2đ)
……… .……… ………
4 NCKH: (nếu có bài báo khoa học hoặc ĐATN là đề tài NCKH: cộng thêm 1đ)
……… .……… ………
5 Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
……… .……… ………
Trang 3III Tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: (điểm đánh giá tối đa 1đ)
……… .………
Trang 4ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I Thông tin chung:
1 Họ và tên sinh viên: THÁI DUY SƠN Số thẻ SV: 103140111
2 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM SỨC CẢN
KHÍ ĐỘNG CHO XE Ô TÔ DU LỊCH
3 Người phản biện: LÊ MINH ĐỨC Học hàm/ học vị: TIẾN SĨ
II Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp
TT Các tiêu chí đánh giá Điểm tối
đa
Điểm trừ Điểm còn
lại
1 Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp,
giải quyết đủ nhiệm vụ đồ án được giao 80
1a Hiểu và vận dụng được kiến thức Toán và Khoa học
1b Hiểu và vận dụng được kiến thức cơ sở và chuyên
1c Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm mô
1d Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngoài
1e Có kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giải quyết vấn
Tổng điểm đánh giá (theo thang 100)
Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẽ)
Trang 51 Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
………
………
………
………
2 Ý kiến khác: ………
………
………
………
3 Đề nghị: Được bảo vệ đồ án/ Bổ sung thêm để bảo vệ/ Không được bảo vệ ………
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019
Người phản biện
Trang 6ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
CÂU HỎI PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I Thông tin chung:
1 Họ và tên sinh viên: THÁI DUY SƠN Số thẻ SV: 103140111
2 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM SỨC CẢN
KHÍ ĐỘNG CHO XE Ô TÔ DU LỊCH
3 Người phản biện: LÊ MINH ĐỨC Học hàm/ học vị: TIẾN SĨ
II Các câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời
1 ………
………
………
………
………
2 ………
………
………
………
………
III Đáp án: (người phản biện ghi vào khi chấm và nộp cùng với hồ sơ bảo vệ) 1 ………
………
………
………
………
………
2 ………
………
………
………
Trang 8ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
PHIẾU NHẬN XÉT BẢO VỆ & CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I Thông tin chung:
2.Tên đề tài: Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô
tô du lịch
II Nhận xét về tình hình bảo vệ và chấm đồ án tốt nghiệp:
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019
Trang 9ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I.Thông tin chung:
1.Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VĂN MINH Số thẻ SV: 103140097
……… .……… ……… 3.Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp: (điểm đánh giá tối đa là 2đ)
……… .……… ……… 4.NCKH: (nếu có bài báo khoa học hoặc ĐATN là đề tài NCKH: cộng thêm 1đ)
……… .……… ……… 5.Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
……… .……… ………
Trang 10III.Tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: (điểm đánh giá tối đa 1đ)
……… .………
Trang 11ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I Thông tin chung:
1 Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VĂN MINH Số thẻ SV: 103140097
2 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM SỨC CẢN
KHÍ ĐỘNG CHO XE Ô TÔ DU LỊCH
3 Người phản biện: LÊ MINH ĐỨC Học hàm/ học vị: TIẾN SĨ
II Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp
TT Các tiêu chí đánh giá Điểm tối
đa
Điểm trừ Điểm còn
lại
1 Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp,
giải quyết đủ nhiệm vụ đồ án được giao 80
1a Hiểu và vận dụng được kiến thức Toán và Khoa học
1b Hiểu và vận dụng được kiến thức cơ sở và chuyên
1c Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm mô
1d Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngoài
1e Có kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giải quyết vấn
Tổng điểm đánh giá (theo thang 100)
Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẽ)
Trang 124 Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
………
………
………
………
5 Ý kiến khác: ………
………
………
………
6 Đề nghị: Được bảo vệ đồ án/ Bổ sung thêm để bảo vệ/ Không được bảo vệ ………
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019
Người phản biện
Trang 13ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
CÂU HỎI PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I Thông tin chung:
1 Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VĂN MINH Số thẻ SV: 103140097
2 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM SỨC CẢN
KHÍ ĐỘNG CHO XE Ô TÔ DU LỊCH
3 Người phản biện: LÊ MINH ĐỨC Học hàm/ học vị: TIẾN SĨ
II Các câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời
1 ………
………
………
………
………
2 ………
………
………
………
………
III Đáp án: (người phản biện ghi vào khi chấm và nộp cùng với hồ sơ bảo vệ) 1 ………
………
………
………
………
………
………
2 ………
………
………
Trang 14………
………
………
………
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019
Người phản biện
Trang 15ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
PHIẾU NHẬN XÉT BẢO VỆ & CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I Thông tin chung:
1.Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Minh Lớp: 14C4B
2.Tên đề tài: Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô
tô du lịch
II Nhận xét về tình hình bảo vệ và chấm đồ án tốt nghiệp:
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019
Trang 16Khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí, tương tác giữa môi trường với cấu trúc vỏ xe tạo thành những vùng xoáy có áp suất thấp.Ngoài những vùng xoáy lớn ở đuôi xe, còn rất nhiều vùng xoáy nhỏ trên nắp vỏ xe góp phần tạo nên lực cản khí động.Để khắc phục và hạn chế lực cản cho xe ô tô, một trong những biện pháp tối ưu là cải thiện hình dạng khí động học của xe
Trong đồ án này sẽ trình bày 4 phương án cải thiện hình dạng khí động học của xe bao gồm thay đổi góc cơ động phía trước, thay đổi góc cơ động phía sau, thay đổi góc nghiêng đuôi xe và lắp thêm bộ tạo xoáy cho ô tô
Các phương án này sẽ được mô phỏng xây dựng trên phần mềm ANSYS FLUENT qua các bước như xây dựng mô hình, chia lưới, thiết lập các điều kiện biên
và chạy bài toán để đưa ra kết quả hệ số cản cho các mô hình tương ứng
Chế tạo mô hình in 3D để tiến hành đo thực nghiệm lực cản của các mô hình trên ống khí động, từ đó so sánh với kết quả mô phỏng và thưc tế để rút ra kết luận
Trang 17ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1 Thái Duy Sơn 103140111 14C4B Kỹ thuật cơ khí
2 Nguyễn Văn Minh 103140097 14C4B Kỹ thuật cơ khí
1 Tên đề tài đồ án:
“Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch”
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:
- Số liệu về các kích thước cơ bản của xe NISSAN SUNNY
- Hệ số cản không khí của xe SUNNY
4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
a Phần chung
1 Thái Duy Sơn
- Tổng quan về lực cản khí động học
- Giới thiệu về phương pháp mô phỏng CFD
- Giới thiệu phần mềm ANSYS FLUENT
- Thiết kế mô hình 3D xe SUNNY ban đầu
- Mô phỏng và đánh giá lực cản trên xe ban đầu
- Giới thiệu về ống khí động
- Đo thực nghiệm trên ống khí động với xe ban đầu
2 Nguyễn Văn Minh
b Phần riêng
1 Thái Duy Sơn
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình giảm lực cản xe bằng cách thay đôi góc nghiêng đuôi xe
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình giảm lực cản xe bằng cách thay đổi góc cơ động phía sau
- Mô phỏng, đánh giá lực cản các mô hình thiết kế trên ANSYS FLUENT, so sánh với xe ban đầu
- Đo thực nghiệm và đánh giá các mô hình thiết kế trên ống khí động
Trang 182 Nguyễn Văn Minh
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình giảm lực cản xe bằng cách thay đổi góc cơ động phía trước
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình giảm lực cản xe bằng bộ tạo xoáy
- Mô phỏng, đánh giá lực cản các mô hình thiết kế trên ANSYS FLUENT, so sánh với xe ban đầu
- Đo thực nghiệm và đánh giá các mô hình thiết kế trên ống khí động
5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
a, Phần chung
1 Thái Duy Sơn - Bản vẽ kết cấu mô hình xe SUNNY ban đầu (A3)
- Đồ thị lực cản trên xe ban đầu (A3)
- Trường áp suất phân bố trên bề mặt xe ban đầu (A3)
2 Nguyễn Văn Minh
b, Phần riêng
TT Họ tên sinh viên Nội dung
1 Thái Duy Sơn - Bản vẽ kết cấu mô hình xe thay đôi góc nghiêng đuôi
2 Nguyễn Văn Minh - Bản vẽ kết cấu mô hình xe có bộ tạo xoáy (A3)
- Bản vẽ kết cấu mô hình xe thay đôi góc cơ động phía trước (A3)
- Đồ thị lực cản của mô hình có bộ tạo xoáy (A3)
- Đồ thị lực cản của mô hình xe thay đôi góc cơ động phía trước (A3)
- Trường áp suất phân bố trên bề mặt xe trong 2 mô hình (A3)
Trang 196 Họ và tên người hướng dẫn Nội dung
7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 25/ 02/ 2019
8 Ngày hoàn thành đồ án: 03/ 06/ 2019
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019
Trưởng Bộ môn KT Ô tô – Máy động lực Người hướng dẫn
Trang 20i
LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời kỳ sơ khai của ngành công nghiệp ôtô, đặc tính khí động học của
xe thường chỉ đóng vai trò thứ yếu so với những vấn đề kỹ thuật, kinh tế khác Tuy nhiên, trong bối cảnh nguồn năng lượng thế giới ngày càng khan hiếm như hiện nay, đồng thời vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng tăng cao thì việc thiết kế hình dáng khí động học hợp lý nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng hiệu suất của phương tiện cơ giới tham gia giao thông đường bộ là một trong những vấn đề cấp thiết Tuy nhiên, khi đánh giá đặc tính khí động học của xe, một vấn đề khó khăn đặt ra là sự phức tạp của dòng chảy bao quanh xe Trong thực tế, đây là dòng chảy ba chiều, có hình thành lớp biên chảy rối, xuất hiện điểm tách thành lớp biên và vệt hút phía sau xe Ngoài ra,
sự phức tạp của dòng chảy này còn phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng của xe Chính
vì vậy việc nghiên cứu các yếu tố từ hình dạng ảnh hưởng đến đặc tính khí động học của xe, từ đó đưa ra các đánh giá về lực cản, sự phân bố trường áp suất và vận tốc của chất lỏng trên thân xe, sự hình thành các xoáy, trên cơ sở đó đề xuất các phương pháp cải tiến để nâng cao tính năng khí động học của xe, giảm lực cản, giúp tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với môi trường là một hướng đi chính trong việc nghiên cứu về khí
động học của xe ô tô hiện nay.Từ lý do trên chúng em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM SỨC CẢN KHÍ ĐỘNG CHO XE Ô TÔ
DU LỊCH”
Để hoàn thành tốt đề tài này, Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Phan Thành Long cùng toàn thể các 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.Trong quá trình thực hiện đồ án không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019
Sinh viên thực hiện
Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh
Trang 21ii
CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp là thành quả từ sự nghiên cứu hoàn thiện
thực tế, trên cơ sở các số liệu thực tế và được thực hiện theo sự chỉ dẫn của giáo viên
hướng dẫn.Các số liệu và tài liệu tham khảo đã được trích dẫn nguồn gốc rõ ràng heo
đúng quy định liêm chính học thuật của Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.Mọi
sao chép không hợp lệ và vi phạm quy định tôi xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà
trường và pháp luật
Đà Nẵng, Ngày 26 tháng 05 năm 2019
Sinh viên thực hiện
Thái Duy Sơn Nguyễn Văn Minh
Trang 22iii
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT x Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC TRÊN XE Ô TÔ 1 1.1 Tổng quan về khí động học ô tô khi chuyển động và các thông số đặc trưng 1
1.1.1 Khái niệm cơ bản và các thông số đặc trưng về khí động học 11.1.2 Các phương trình cơ bản về khí động học 1
1.2 Các thành phần lực khí động hình thành trên ô tô khi chuyển động 2
1.2.1 Các thành phần lực cản trên ô tô khi chuyển động 21.2.1.1 Lực cản lăn 21.2.1.2 Lực cản lên dốc 31.2.1.3 Lực cản không khí 31.2.1.4 Lực quán tính của ô tô 41.2.2Các thành phần lực khí động hình thành trên ô tô khi chuyển động 51.2.2.1 Thành phần lực cản khí động 51.2.2.2 Thành phần lực nâng khí động 6
1.3 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến khí động học trên ô tô 6
1.3.1 Ảnh hưởng của hệ số cản đến tính năng động lực học của ô tô 61.3.2 Dòng khí chuyển động phía trên ô tô 81.3.3 Dòng khí chuyển động bên dưới xe 81.3.4 Sự phân bố áp suất trên ô tô 91.3.5 Những biện pháp giảm sức cản khí động cho ô tô 111.3.5.1 Thay đổi góc cơ động của ô tô 111.3.5.2 Thay đổi góc nghiêng đuôi xe 121.3.5.3 Thay đổi góc cơ động phía trước 121.3.5.4 Thiết kế bộ tạo xoáy cho ô tô 13
Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG CFD
(Computational Fluid Dynamics) 14 2.1 Tổng quan về phương pháp mô phỏng CFD 14
Trang 23iv
2.2 Phương trình cơ bản của phương pháp mô phỏng CFD 15
2.2.1 Cơ sở lí thuyết 152.2.2 Mô hình hóa dòng chất lưu 152.2.2.1 Mô hình thể tích kiểm soát hữu hạn (quan điểm Euler) 162.2.2.2.Mô hình phần tử chất lỏng vô cùng bé (quan điểm lagrange) 172.2.3 Phương trình cơ bản 172.2.3.1 Phương trình đối với dòng nhớt 172.2.3.2 Phương trình đối với dòng không nhớt 182.2.4 Điều kiện lớp biên 202.2.4.1 Khái niệm lớp biên 202.2.4.2 Điều kiện biên của lớp biên 20
2.3 Chương trình giải quyết bài toán bằng phương pháp mô phỏng CFD 21 2.4 Ưu điểm và hạn chế của phương pháp mô phỏng CFD 23
2.4.1 Ưu điểm của phương pháp CFD 232.4.2 Hạn chế của phương pháp CFD 23
2.5 Giới thiệu về phần mềm ANSYS FLUENT 24
2.5.1 Các ứng dụng và khả năng giải quyết của ANSYS Fluent 242.5.2 Nguyên lý giải quyết trong phần mềm ANSYS Fluent 252.5.3 Hai bộ giải sẵn có trong ANSYS Fluent và các phương pháp nội suy 252.5.3.1 Bộ giải dựa trên áp suất 252.5.3.2 Bộ giải dựa trên mật độ 252.5.3.3 Các phương pháp nội suy cho toán hạng đối lưu 262.5.3.4 Các phương pháp nội suy Gradients 262.5.3.5 Các phương pháp nội suy cho áp suất 272.5.4 Các mô hình rối sử dụng trong ANSYS FLUENT 272.5.4.1 Mô hình rối Standard k− (SKE) 272.5.4.2 Mô hình rối Realizable k − (RKE) 282.5.4.3 Mô hình rối Reynolds Stress Model (RSM) 292.5.4.4 Mô phỏng xoáy lớn (LES) 292.5.4.5 Mô hình Standard k − (SKW) 29
Trang 24v
2.5.4.6 Mô hình Shear Stress Transport k - ω (SSTKW) 292.5.4.7 Mô hình RNG k − (RNG) 302.5.5 Lựa chọn mô hình rối 30
Chương 3 ĐÁNH GIÁ LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM ANSYS
FLUENT 32 3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 32 3.2 Tính toán xác định vùng không gian mô phỏng 33 3.3 Tính toán xây dựng mô hình lưới mô phỏng 36
3.3.1 Đánh giá lựa chọn kiểu phần tử lưới 363.3.2 Tính toán độ chính xác CFD với độ phân giải lưới chính xác 37
3.4 Thiết lập các điều kiện biên 41
3.4.1 Thiết lập các điều kiện biên 413.4.1.1 Điều kiện biên vận tốc vào 423.4.1.2 Điều kiện biên áp suất ra 423.4.1.3 Điều kiện biên thành 423.4.1.4 Điều kiện biên đối xứng 433.4.1.5 Các điều kiện biên 43
3.5 Mô phỏng đặc tính khí động học của mô hình xe Sunny nguyên bản trên
ANSYS FLUENT 44
3.5.1 Mô hình tính toán và các thông số 443.5.1.1 Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu của bài toán mô phỏng 453.5.1.2 Thiết lập các thông số và tiến hành mô phỏng bài toán trên ansys fluent 463.5.2 Kết quả mô phỏng trên xe ansys nguyên bản 48
3.6 Mô phỏng đặc tính khí động học của xe khi thay đổi góc cơ động trước trên ANSYS FLUENT 51
3.7 Mô phỏng đặc tính khí động học của xe khi thay đổi góc đuôi xe trên ANSYS FLUENT 54
3.8 Mô phỏng đặc tính khí động học của xe khi thay đổi góc cơ động phía sau xe trên ANSYS FLUENT 57 3.9 Mô phỏng đặc tính khí động học của xe khi lắp thêm bộ tạo xoáy trên
ANSYS FLUENT 60
Trang 25vi
3.10 Nhận xét và kết luận 63 Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC
CỦA MÔ HÌNH 64 4.1 Giới thiệu thiết bị thí nghiệm và mô hình thí nghiệm 64
4.1.1 Ống khí động 644.1.2 Biến tần T-VERTER N2- SERIES 664.1.3 Cảm biến đo vận tốc gió PCE TA-30 674.1.4 Cảm biến đo lực CAS BCA-50L 69
4.2 Thiết lập mô hình đo lực cản không khí tác động lên ô tô mô hình 72
4.2.1 Diện tích cản chính diện của ô tô thí nghiệm 724.2.2 Thiết lập các điều kiện ban đầu 724.2.2.1 Vị trí lắp đặt ống khí động thí nghiệm 724.2.2.2 Đo vận tốc theo giá trị điều khiển của bộ biến tần 73
4.3 Nghiên cứu, đo đạc và thực nghiệm với các ô tô mô hình 75
4.3.1 Đo lực cản chính diện tác dụng lên ô tô mô hình nguyên bản 754.3.2 Đo lực cản chính diện tác dụng lên ô tô mô hình thay đổi góc đuôi 774.3.3 Đo lực cản chính diện tác dụng lên ô tô mô hình thay đổi góc cơ động phía
trước 784.3.4 Đo lực cản chính diện tác dụng lên ô tô mô hình có gắn thêm bộ tạo xoáy 804.3.5 Đo lực cản chính diện tác dụng lên ô tô mô hình thay đổi góc cơ động phía sau 81
4.4 Kết luận 83 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 84 5.1 Kết luận 84 5.2 Hướng phát triển đề tài 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85
Trang 26vii
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình 1.1 Dòng khí động học trên ô tô khi chuyển động
Hình 1.2 Thành phần lực tác dụng trên ô tô khi chuyển động
Hình 1.3: Ảnh hưởng của hệ số cản Cd đối với tốc độ và công suất động cơ
Hình 1.4:Ảnh hưởng của hệ số cản Cd đến thời gian tăng tốc của ô tô
Hình 1.5: Lực cản và lực nâng theo chiều dài xe
Hình 1.6: Sự phân bố áp suất trên ô tô
Hình 1.7: Sự liên quan giữa góc cơ động phía sau với hệ số cản
Hình 1.8: Ảnh hưởng của góc đến hệ số cản Cd
Hình 1.9: Bộ tạo xoáy trên ô tô
Hình 1.10 :Không khí qua xe trước và sau khi có bộ tạo xoáy
Hình 2.1 Mô hình thể tích kiểm soát hữu hạn
Hình 2.2 Mô hình phần tử chất lỏng vô cùng bé
Hình 3.1 Mô hình 3D ô tô
Hình 3.2 Hình chiếu bằng kích thước mô phỏng
Hình 3.3 Hình chiếu đứng kích thước mô phỏng
Hình 3.4 Một số dạng dòng chảy ngược
Hình 3.5 Các dạng phần tử lưới
Hình 3.6 Đồ thị thể hiện giá trị biên thành y+ ứng với các trạng thái dòng chảy khác nhau
Hình 3.7 Mặt cắt thể hiện các phần tử bên trong xe mô hình chia lưới
Hình 3.8 Mặt cắt mô hình xe SUNNY thu nhỏ dùng mô phỏng
Hình 3.9 Trình tự mô phỏng động lực học trong Fluid Flow (Fluent)
Hình 3.10 Chế độ mô phỏng
Hình 3.11 Mô hình mô phỏng
Hình 3.12 Thiết lập phương pháp giải
Hình 3.13 Cài đặt thông số tính toán
Hình 3.14 Hệ số cản Cd của ô tô khi chạy với vận tốc 22m/s
Hình 3.15 Phân bố áp suất lên miền tính toán ở vận tốc 22 m/s
Trang 27viii
Hình 3.16 Vận tốc dòng không khí phía sau đuôi xe
Hình 3.17 Hiện tượng tách dòng không khí
Hình 3.18 Ô tô đã thay đổi góc cơ động phía trước
Hình 3.19 Hệ số lực cản của ô tô khi thay đổi góc cơ động phía trước
Hình 3.20 Phân bố áp suất trên xe thay đổi góc cơ động trước
Hình 3.21 So sánh sự phân bố áp suất trên xe nguyên bản và xe thay đổi góc cơ động trước
Hình 3.22 Vận tốc dòng không khí phía sau đuôi xe
Hình 3.23 So sánh vận tốc dòng không khí phía sau đuôi xe nguyên bản và xe thay đổi góc trước
Hình 3.24 Xe ô tô sau khi thay đổi góc đuôi
Hình 3.25 Hệ số lực cản của ô tô khi thay đổi góc nghiêng đuôi xe
Hình 3.26 Phân bố áp suất trên xe thay đổi góc đuôi
Hình 3.27 So sánh sự phân bố áp suất trên xe nguyên bản và xe thay đôi góc nghiêng đuôi sau
Hình 3.28 Vận tốc dòng không khí phía sau đuôi xe
Hình 3.29 So sánh vận tốc dòng khí ở đuôi xe nguyên bản với xe thay đổi góc đuôi Hình 3.30 Hiện tượng tách dòng không khí
Hình 3.31 Mô hình xe mô phỏng
Hình 3.32 Hệ số cản của xe khi nâng góc cơ động phía sau
Hình 3.33 Phân bố áp suất trên xe thay đổi góc cơ động sau
Hình 3.34 So sánh sự phân bố áp suất trên xe nguyên bản và xe thay đổi góc cơ động sau
Hình 3.35 Vận tốc dòng không khí phía sau đuôi xe
Hình 3.36 Xe mô phỏng có lắp thêm bộ tạo xoáy
Hình 3.37 Mô hình 3D bộ tạo xoáy trên xe mô phỏng
Hình 3.38 Hệ số Cd của xe mô phỏng có bộ tạo xoáy
Hình 3.39 Phân bố áp suất trên xe có bộ tạo xoáy
Hình 3.40 So sánh sự phân bố áp suât trên xe nguyên bản và xe có bộ tạo xoáy
Hình 3.41 Vận tốc dòng xoáy phía sau đuôi xe
Hình 3.42 Mặt cắt dọc vận tốc dòng khí sau khi qua bộ tạo xoáy
Hình 3.43 Hiện tượng tách dòng không khí
Hình 4.1 Sơ đồ cấu tạo ống khí động thí nghiệm
Hình 4.2 : Biến tầnT-VERTER N2- SERIES
Hình 4.3 Sơ đồ khối hoạt động của biến tần
Hình 4.4 Máy đo gió PCE – TA30
Trang 28ix
Hình 4.5 cảm biến đo lực CAS – BCA 50L
Hình 4.6 Hoạt động của màng điện trở biến dạng
Hình 4.1: cấu tạo của lực kế kiểu màng điện trở
Hình 4.8 Mô hình xe Sunny nguyên bản gắn trên ống khí động
Hình 4.9 Đồ thị vận tốc gió qua buồng đo
Hình 4.10 Gía trị lực cản của xe nguyên bản theo vận tốc gió
Hình 4.11 Mô hình xe Sunny thay đổi góc đuôi gắn trên ống khí động
Hình 4.12 Gía trị lực cản của xe thay đổi góc đuôi theo vận tốc gió
Hình 4.13 Mô hình xe sunny thay đổi góc trước gắn trên ống khí động
Hình 4.14 Gía trị lực cản của xe thay đổi góc trước theo vận tốc
Hình 4.15 Mô hình xe sunny có bộ tạo xoáy gắn trên ống khí động
Hình 4.16 Gía trị lực cản thay đổi theo vận tốc gió của xe có bộ tạo xoáy
Hình 4.17 Mô hình xe ô tô thay đổi góc cơ động phía sau gắn trên ống khí động
Hình 4.18 Lực cản của xe theo vận tốc khí khi thay đổi góc cơ động phía sau
Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật cơ bản của xe Nisan Sunny
Bảng 3.2 Thông số xe mô phỏng
Bảng 3.3 Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới của các mô hình
Bảng 3.4 Điều kiện biên vận tốc vào
Bảng 3.5 Điều kiện biên áp suất ra
Bảng 3.6 Thông số xe SUNNY
Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của biến tần T-VERTER N2- SERIES
Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của máy đo vận tốc gió PCE TA-30
Bảng 4.3 Thông số kĩ thuật của đầu ra cảm biến đo lực
Bảng 4.4 Gía trị vận tốc gió theo giá trị điều khiển của biến tần
Bảng 4.5 Gía trị lực và hệ số cản của xe mô hình nguyên bản
Bảng 4.6 Gía trị lực và hệ số cản của xe thay đổi góc đuôi
Bảng 4.7 Gía trị lực và hệ số cản của xe thay đổi trước
Bảng 4.8 Gía trị lực và hệ số cản của xe có thêm bộ tạo xoáy
Bảng 4.9 Gía trị lực và hệ số cản của xe thay đổi góc cơ động phía sau
Bảng 4.10 Hệ số cản của ô tô với các biên dạng khác nhau khi mô phỏng
Bảng 4.11 Hệ số cản trung bình của ô tô với các biên dạng khác nhau khi thực
nghiệm trên ống khí động
Trang 30Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC TRÊN XE Ô TÔ
1.1 Tổng quan về khí động học ô tô khi chuyển động và các thông số đặc trưng
1.1.1 Khái niệm cơ bản và các thông số đặc trưng về khí động học
Hình 1.1 Dòng khí động học trên ô tô khi chuyển động 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
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 có các ứng dụng như tính toán lực nâng và lực kéo lên cánh máy bay, lực cản tạo nên ở ô tô khi chuyển động Khí động học nội biên nghiên cứu về dòng khí qua các động cơ phản lực hay qua các ống của máy điều hòa
1.1.2 Các phương trình cơ bản về khí động học
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 (còn gọi là phương trình liên tục), phương trình bảo toàn động lượng và phương trình bảo toàn năng lượng
Trang 31Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 2
Dưới dạng véc tơ, các phương trình mô tả khí động học ô tô dưới dạng véc tơ được viết như sau:
1.2 Các thành phần lực khí động hình thành trên ô tô khi chuyển động
1.2.1 Các thành phần lực cản trên ô tô khi chuyển động
Hình 1.2 Thành phần lực tác dụng trên ô tô khi chuyển động
1.2.1.1 Lực cản lăn
Khi ô tô chuyển động sẽ có lực cản lăn Pf1 tác dụng lên các bánh xe trước và
Pf2 tác dụng lên các bánh xe sau theo hướng song song với mặt đường và ngược với chiều chuyển động của ô tô (hình 1.2) Lực cản lăn tác dụng tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường
Lực cản lăn sinh ra là do có sự biến dạng của lốp, do sự tạo thành vết bánh xe trên mặt đường và do sự tiếp xúc giữa lốp với mặt đường Như vậy lực cản lăn bao gồm cả ngoại lực và nội ma sát trong lốp
Để đơn giản trong tính toán, người ta coi lực cản lăn là ngoại lực tác dụng lên bánh xe khi ô tô chuyển động và được xác định theo công thức [5]:
Trang 32Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 3
1 1 1
Z f P
Z f P
f
f
(1-3) Trong đó:
f1, f2 - Hệ số cản lăn tương ứng ở bánh xe trước và bánh xe sau
Lực cản lăn Pf của ô tô sẽ là:
1.2.1.2 Lực cản lên dốc
Khi ôtô chuyển động lên dốc thì lực thành phần Gsin của trọng lượng ôtô sẽ
cản lại sự chuyển động Lực thành phần này được gọi là lực cản lên dốc, ký hiệu là Pi
và có giá trị như sau [5]:
D,T - Các kích thước của đường dốc
Khi góc dốc nhỏ dưới 50 có thể xem i = tg sin và lúc đó lực cản lên dốc có dạng:
Trường hợp ôtô chuyển động xuống dốc thì lực Pi sẽ cùng chiều chuyển động của ôtô và lúc đó lực Pi trở thành lực hỗ trợ cho chuyển động của ô tô
1.2.1.3 Lực cản không khí
Khi ô tô chuyển động sẽ có lực cản không khí P tác dụng tai tâm của diện tích cản chính diện của ô tô, tâm này cách mặt đường một độ cao h Thực nghiệm chứng
tỏ rằng lực cản không khí của ô tô có thể xác định bằng biểu thức sau [5]:
Trong đó:
K - Hệ số cản không khí, nó phụ thuộc vào hình dạng của ô tô và chất lượng
bề mặt vỏ xe, phụ thuộc vào mật độ không khí, Ns2/m2
F - Diện tích cản chính diện của ô tô, m2
Vo - Vận tốc tương đối của ô tô và không khí, m/s
Vận tốc tương đối của ô tô Vo là Vo = V Vg (1-9)
Với
V là vận tốc của ô tô
Trang 33Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 4
Vg là vận tốc của không khí
Dấu (+) khi vận tốc của ô tô và không khí ngược chiều nhau, dấu (-) khi vận tốc của ô tô và không khí cùng chiều Tích số KF còn được gọi là nhân tố cản không khí, ký hiệu là W (Ns2/m2)
B - chiều rộng cơ sở của xe
Bo - chiều rộng lớn nhất của ô tô
Ho - chiếu cao lớn nhất của ô tô
1.2.1.4 Lực quán tính của ô tô
Khi ô tô chuyển động không ổn định (lúc tăng tốc hoặc lúc giảm tốc) sẽ xuất hiện lực quán tính Lực quán tính Pj gồm các thành phần sau:
Lực quán tính Pj là:
Pj = Pj' + Pj'' (1-13) Lực quán tính Pj' được xác định như sau:
Pj' = j g
j - gia tốc tịnh tiến của ô tô
Nếu bỏ qua ảnh hưởng của các chi tiết quay của hệ thống truyền lực (do mô men của chúng nhỏ) thì lực quán tính Pj'' được tính như sau:
r
I i
I
b
b t
t e
Ie - Mômen quán tính của bánh đà động cơ và các chi tiết chuyển động quay khác của động cơ quy dẫn về trục khuỷu
Ib - Mômen quán tính của bánh xe
Trang 34Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 5
it - Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực
t - Hiệu suất của hệ thống truyền lực
I g
G
b
b t
t e
I i
I
b
b t
t e
I
b
b t
t e
- hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng vận động quay của ô tô
Để đơn giản thì được tính theo công thức 2-26
1.2.2 Các thành phần lực khí động hình thành trên ô tô khi chuyển động
1.2.2.1 Thành phần lực cản khí động
Lực cản khí động là lực cản sinh ra khi chuyển động của ôtô và nó phụ
thuộc rất lớn vào hình dáng khí động học của ôtô Lực cản này gồm hai thành phần:
Áp suất cao phía trước và áp suất thấp phía sau, hai thành phần này tạo ra hiện tượng xoáy làm xuất hiện lực ngược chiều chuyển động của vật thể Để đánh giá chất lượng khí động của ôtô người ta dựa vào hệ số Cd gọi là hệ số lực cản
Trang 35Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 6
Lực cản của 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 hai thành phần tương ứng:
1.2.2.2 Thành phần lực nâng khí động
Lực nâng khí động là không khí bị nén ở phía trước xe dãn nở dần khi di chuyển về phía sau tạo nên áp thấp hay lực nâng xe dọc theo bề mặt của thân xe 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
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
1.3 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến khí động học trên ô tô
1.3.1 Ảnh hưởng của hệ số cản đến tính năng động lực học của ô tô
Lực cản tỷ lệ với hệ số cản, diện tích mũi xe và bình phương vận tốc của phương tiện Nghĩa là một chiếc xe hơi di chuyển với vận tốc 193km/giờ phải thắng một lực cản gấp bốn lần lực cản của chiếc xe đó khi di chuyển ở tốc độ 97km/giờ
Vì vậy, vận tốc tối đa của xe sẽ sản sinh ra lực cản tối đa Nếu chúng ta muốn nâng tốc độ tối đa của chiếc Ferrari Testarossa từ 290km/giờ lên 322km/giờ như chiếc Lamborghini Diablo, mà không thay đổi hình dạng của xe thì chúng ta phải nâng công suất của nó từ 390 mã lực lên 535 mã lực Còn nếu chúng
ta bỏ ra nhiều thời gian cho việc nghiên cứu hình dạng khí động học của xe thì có thể làm giảm hệ số cản Cd của nó từ 0.36 xuống 0.29.[1]
Trang 36Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 7
Hình 1.3: Ảnh hưởng của hệ số cản Cd đối với tốc độ và công suất động cơ
Nhìn vào đồ thị ở hình 1.3 và cùng một loại xe, ta nhận thấy rằng với hệ số cản
Cd = 0.25 và xe chạy với vận tốc 160km/h thì chỉ cần công suất động cơ là 30Kw nhưng cùng với chiếc xe đó, khi mà hệ số cản Cd = 0.45 thì cần một công suất hơn 50Kw Liên quan đến thời gian tăng tốc của động cơ Ở hình 1.4 thì với hệ số cản Cd= 0.25 để tăng tốc lên 120 km/h cần một khoảng thời gian là khoảng 17s trong khi đó với hệ số cản
Cd =0.45 thì thời gian để tăng tốc lên 120 km/h chiếc xe đó cần 20s
Hình 1.4:Ảnh hưởng của hệ số cản Cd đến thời gian tăng tốc của ô tô
Trang 37Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 8
Khi mà diện tích cản chính diện không thay đổi thì hình dáng của ô tô là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến hệ số cản Cd Khi ô tô chuyển động trên đường có 2 dòng không khí di chuyển ngược chiều với ô tô, tạo ra ma sát với biên dạng ô tô và tạo ra các lực di
chuyển ngược chiều với chiều chuyển động của ô tô Chính lực này sẽ tạo ra sức cản với ô
tô
1.3.2 Dòng khí chuyển động phía trên ô tô
Khi ô tô chuyển động thì dòng khí này sẽ đi từ đầu xe men theo nắp che khoang động cơ đi lên trần xe và thoát ra về phía sau Điều này thể hiện ở hình vẽ dưới, nhưng khi dòng không khí đi đến phía đuôi xe thì tùy hình dáng phía sau đuôi xe thì dòng khí này có thể thoát thẳng về phía sau hoặc nó sẽ chuyển động xoáy ngược trở lại ở phần đuôi xe Phía trên là biên dạng một đuôi xe có tiết diện thay đổi đột ngột, ta nhận thấy rằng khi dòng khí đi vào sau đuôi xe thì vùng này sẽ có áp suất thấp làm các dòng khí sẽ có hiện tượng tách rời lớp biên, một phần sẽ thoát thẳng về phía sau và phần còn lại sẽ chuyển động xoáy ở phía đuôi xe
Fastback (dạng đuôi lướt: Từ những năm 1960, các kỹ sư chế tạo xe đua đã thực
sự coi trọng hình dạng khí động học của xe Họ đã khám phá ra rằng, nếu giảm bớt độ dốc phía sau của xe xuống 20 độ hoặc thấp hơn, thì luồng khí sẽ xuôi theo đường mui xe một cách trơn tru và làm giảm đáng kể lực cản Họ gọi thiết kế kiểu này là “fastback” Do
đó, nhiều mẫu xe đua như chiếc Porsche 935/78 “Moby Dick” đã kéo dài và hạ thấp phần đuôi quá mức tưởng tượng
Với một chiếc xe dạng sedan hay hatchback, luồng không khí sẽ quẩn lại ở phía cuối mui xe do sự hạ thấp đột ngột của phía sau mui xe tạo ra một vùng áp suất thấp, vì vậy, tạo ra sự nhiễu loạn không khí phía sau mui xe Sự nhiễu loạn này luôn gây tác dụng xấu đối với hệ số cản
Nếu góc của mui xe phía sau càng dựng đứng, thì luồng không khí sẽ thay đổi càng đột ngột gây ảnh hưởng rất xấu tới sự ổn định ở tốc độ cao
1.3.3 Dòng khí chuyển động bên dưới xe
Dòng khí chuyển động bên dưới gầm là điều mà các nhà thiết kế không hề mong muốn Có nhiều bộ phận, ví dụ như động cơ, hộp số, trục lái, cầu xe v.v để lộ ra bên dưới gầm xe, đó không chỉ là nguyên nhân làm tăng lực cản do tạo nên những vùng xoáy của dòng khí mà còn làm chậm dòng khí bên dưới, khiến lực nâng tăng lên
Lực nâng : Theo lý thuyết khí 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
Trang 38Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 9
khí sẽ phát sinh chênh lệch áp suất tạo nên lực nâng xe lên làm giảm sức bám mặt đường của lốp như hình 1.5
Hình 1.5: Lực cản và lực nâng theo chiều dài xe
Cũng như lực cản, lực nâng 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 khi xe chạy ở tốc độ cao hơn 200km/giờ
Ngoài việc dòng không khí phía dưới gầm xe, khi chuyển động tạo xoáy lốc với các bộ phận như động cơ, hộp số và tạo ra lực nâng gây nguy hiểm cho xe thì khi thoát ra phía đuôi xe nó cũng sẽ có hiện tượng tách rời lớp biên và tạo chuyển động xoáy cộng hưởng với dòng không khí phía trên tạo ra một lực cản lớn hơn
Vì vậy, việc cùng một lúc đạt được hệ số cản và hệ số nâng tối ưu là rất khó khăn Tuy nhiên, người ta đã nghiên cứu rất công phu và đã tìm ra một số giải pháp tối ưu để giảm lực cản và lực nâng xuống mức thấp nhất và phù hợp với các kiểu loại xe
1.3.4 Sự phân bố áp suất trên ô tô
Đối với ô tô thì việc phân bố áp suất lên suốt chiều dài ô tô có liên quan đến
hệ số cản Cd, biết được sự phân bố áp suất thì ta có thể điều chỉnh được biên dạng
ô tô nhằm có được hệ số cản nhỏ nhất phù hợp với kiểu loại ô tô
Sự phân bố áp suất trên ô tô được thể hiện trên hình vẽ 1.6
Trang 39Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 10
Hình 1.6: Sự phân bố áp suất trên ô tô
Trục hoành là tỉ số x/L biểu diễn vị trí của các điểm trên biên dạng
Trục tung là hệ số áp suất Cp với giá trị âm hướng lên
Khi dòng chảy bị đổi hướng do một bề mặt lõm, vận tốc giảm xuống và áp suất tăng lên; ngược lại khi dòng chảy đổi hướng bởi một bề mặt lồi, vận tốc sẽ tăng lên và áp suất giảm xuống
Ngay phía trước mũi xe, hệ suất áp suất Cp = 1, tại đây có một điểm với (p
= p∞, V = 0) Vì biên dạng lồi của nắp capo, dòng chảy trên nó tăng tốc và hệ số
áp suất giảm xuống giá trị Cp = -0,5 Tại chân của kính chắn gió, dòng chảy giảm tốc
độ lần nữa (mặt lõm) và áp suất tăng lên, giá trị hệ số áp suất tại đây xấp xỉ Cp = 0,5 Khi dòng khí chảy qua kính chắn gió thì vận tốc dòng chảy tăng lên lại và Cp cũng giảm xuống tương ứng Với chiều dài và độ lồi khá lớn của mui xe, áp suất bé nhất đạt được tại đây xấp xỉ Cp = -1,8 Phía sau xe, trình tự này diễn ra ngược lại với mức độ thấp hơn (do sự khác biệt của phía trước và phía sau xe) Tuy nhiên, áp suất của phía đuôi xe thì không đạt được giá trị Cp = 1, bởi vì phía sau xe còn xảy ra
sự phân tách dòng chảy
Sự phân bố áp suất ở phía sau của xe cũng được biểu diễn trên hình1.6
Và ở đây cũng vậy, áp suất phía sau chiếc xe không khôi phục lại mức áp suất Cp =
1 vì sự phân tán dòng chảy Áp suất phía sau chiếc xe thấp hơn phía trước tạo nên lực cản hình dạng và đây cũng là kết quả của sự phân tách dòng chảy ở phía đuôi xe
Trang 40Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 11
1.3.5 Những biện pháp giảm sức cản khí động cho ô tô
Cải thiện tính năng khí động học cho ô tô khi diện tích cản chính diện của ô
tô không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể thì việc xử lý dòng không khí phía trên và phía dưới sàn xe là biện pháp chủ yếu Để cải thiện tính năng khí động học, giảm thiểu hệ số cản Cd, người ta thường dùng các biện pháp sau đây:
1.3.5.1 Thay đổi góc cơ động của ô tô
Góc cơ động là một tính năng đánh giá tính cơ động trong các điều kiện hoạt động của ô tô Đối với một số xe có khoảng sáng gầm xe lớn cùng với tính năng cơ động cao thì việc hạn chế dòng không khí đi vào phía dưới sàn xe là một điều rất khó Vì vậy, một
số hãng sản xuất ô tô cũng như các phòng thí nghiệm đã cải tiến các góc cơ động này một cách hợp lý nhằm tạo cho dòng không khí phía dưới sàn xe nhanh chóng thoát ra ngoài nhằm mục đích giảm lực cản và lực nâng cho xe
Hình 1.7: Sự liên quan giữa góc cơ động phía sau với hệ số cản Khi thiết kế góc cơ động phía sau hợp lý thì hệ số cản của ô tô sẽ giảm, điều này
sẽ được thực hiện bởi các phòng thí nghiệm hoặc dùng các phần mềm mô phỏng nhằm
có thể điều chỉnh được góc cơ động Ở hình vẽ 1.7, khi góc cơ động phía sau bằng 0 thì