(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần

Trong đồ án này, em sử dụng các phần mềm mô phỏng cũng như các mô hình thử nghiệm thực tế để tìm hiểu tác động của dòng không khí lên một số mẫu xe, từ đó so sánh, đưa ra những kết luận.

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: Nguyễn Văn Đức Số thẻ sinh viên: 103150033

Lớp: 15C4A 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 ( Phần thiết kế chế tạo cân khí động sáu thành phần)

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 6: Thiết kế và chế tạo các thiết bị đo

6.1 Giới thiệu về trang thiết bị đo

6.2 Thiết kế cân khí động sáu thành phần

6.3 Thiết bị đo áp suất

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

- Bản vẽ ống phân kỳ nối giữa ống chuyển hướng và tổ ong (01A3)

6 Họ tên người hướng dẫn: TS Phan Thành Long

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

Đà Nẵng, ngày 18 tháng 12 năm 2019

Trưởng Bộ môn ……… Người hướng dẫn

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

Trong đồ án này, em sử dụng các phần mềm mô phỏng cũng như các mô hình thử nghiệm thực tế để tìm hiểu tác động của dòng không khí lên một số mẫu xe, từ đó so sánh, đưa ra những kết luận

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

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

CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài tốt nghiệp của tôi và được hướng dẫn bởi thầy giáo

TS Phan Thành Long Đề tài này hoàn thành sau quá trình nghiên cứu, tính toán của tôi

Các kết quả được trình bày trong đồ án này đều trung thực, khách quan và chưa từng được bảo vệ

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

MỤC LỤC

TÓM TẮT ii

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii

LỜI NÓI ĐẦU v

CAM ĐOAN vi

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

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) 7

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 11

2.3 Một số đường ống khí động trong thực tế: 12

2.3.1 Đường hầm khí động National Transonic Facility 12

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 20

5.6 Nón phễu 22

Chương 6: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐO 23

6.1 Giới thiệu về trang thiết bị đo 23

6.2 Thiết kế cân khí động sáu thành phần 24

6.2.1 Giới thiệu chung 24

6.2.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động cân khí động sáu thành phần 25

6.2.3 Thiết kế cân khí động sáu thành phần 26

6.2.4 Phân tích và tính lực, momen 29

6.2.5 Cảm biến lực loadcell 30

6.2.6 Nguyên lí hoạt động của loadcell 32

6.2.7 Mạch chuyển đổi HX711 33

6.2.8 Mắc dây nối cảm biến loadcell 34

6.2.9 Chương trình đo cân khí động sáu thành phần 34

6.2.10 Biến tần Schneider Altivar 312 39

6.2.11 Cảm biến đo vận tốc gió PCE TA-30 40

6.2.12 Mẫu thí nghiệm 42

6.2.11 Mô tả thí nghiệm 44

6.2.12 Kết quả thí nghiệm 45

6.3 Thiết bị đo áp suất 50

6.3.1 Áp kế đa ống 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

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

BẢNG 6.1 Kết quả đo trên xe Ahmed

BẢNG 6.2 Kết quả đo trên xe DrivAer

BẢNG 6.3 Kết quả đo áp suất

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 động lên ô tô lúc chạy qua vùng có gió ngang

HÌNH 2.6 Bên trong một buồng thử tại NAFC

HÌNH 2.7 Góc nhìn từ trên cao của khu phức hợp

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 Biến tần dùng để thay đổi tốc độ quạt

HÌNH 5.13 Các sóng tole

HÌNH 5.14 Các sóng tole

HÌNH 5.15 Cấu trúc tổ ong và buồng ổn định sau khi hoàn thành

HÌNH 5.16 Nón phễu sau khi hoàn thành

HÌNH 5.17 Tổng quan đường ống sau khi hoàn thành

HÌNH 6.1 Các trang thiết bị đo

HÌNH 6.2 Kích thước cơ bản buồng thử và giá đỡ

HÌNH 6.3 Cân khí động sáu thành phần

HÌNH 6.4 Cấu tạo cân khí động sáu thành phần

HÌNH 6.5 Kích thước cơ bản xe mô hình Ahmed

HÌNH 6.6 Kích thước cơ bản tam giác và các thanh đỡ

HÌNH 6.7 Kích thước cơ bản hình tròn chắn

HÌNH 6.9 Phần dưới cân khí động sáu thành phần

HÌNH 6.10 Phân tích lực tác dụng lên mẫu thử

HÌNH 6.11 Sắp xếp lực trên các loadcell

HÌNH 6.12 Cấu tạo bên ngoài loadcell

HÌNH 6.13 Cấu tạo bên trong loadcell

HÌNH 6.14 Cấu tạo các điện trở bên trong loadcell

HÌNH 6.15 Sơ đồ mạch điện trở loadcell

HÌNH 6.16 Sơ đồ nối dây loadcell

HÌNH 6.17:Mạch chuyển đổi HX711

HÌNH 6.18 Sơ đồ nối dây loadcell

HÌNH 6.19 Nối mạch cân khí động sáu thành phần

HÌNH 6.20 Biến tần Schneider Altivar 312

HÌNH 6.21: Sơ đồ khối hoạt động của biến tần

HÌNH 6.22: Máy đo gió PCE – TA30

HÌNH 6.23 Mẫu thí nghiệm

HÌNH 6.24 Kích thước mẫu thí nghiệm xe Ahmed

HÌNH 6.25 Kích thước cơ bản xe mô hình DrivAer

HÌNH 6.26: Các kết quả đo với vận tốc khác nhau được ghi nhận trên máy tính

HÌNH 6.27: Đồ thị biến thiên lực cản xe Ahmed

HÌNH 6.28 Kết quả đo trên xe DrivAer

HÌNH 6.29 Biến thiên lực cản theo vận tốc xe mô hình DrivAre

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:

Q: Lưu lượng dòng chảy trong đường ống

PLT: Công suất lý thuyết của quạt

PTT: Công suất thực tế của quạt

: Hiệu suất của quạt

Re: Trị số Reynold của dòng chảy

DH: Đường kính thủy lực của đoạn ống tương ứng

: Khối lượng riêng của không khí ở điều kiện phòng

v: Vận tốc dòng chảy

Ma: Số Mach của dòng chảy

R: Là điện trở strain gauge (Ω)

L: Là chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)

S: Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2)

ρ: Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge

M [Nm]: Mô men quay của tuốc bin

ρ [kg/m3]: khối lượng riêng của không khí

Q1 [m3/s]: Lưu lượng không khí chảy qua các cánh gió của thiết bị

R1, R2 [m]: Đường kính trong và đường kính ngoài của prôfin cánh

N [W]: Công suất tạo ra của tuabin do tác dụng của dòng khí chảy qua

ω [rad/s]: Vận tốc góc của trục tuốc bin

n: số vòng quay của trục tuốc bin

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,

2 Về thực nghiệm:

- Chế tạo đường ống khí động vòng kín cỡ nhỏ

- Mô hình thu nhỏ của các loại xe

- Chương trình đo đạc bằng Arduino

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

V CẤU TRÚC ĐỒ ÁN

Đồ án tốt nghiệp gồm 8 chương như sau:

Chương 1: CÁC THÀNH PHẦN LỰC KHÍ ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

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: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐO

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

ra ma sát giữa không khí với bề mặt của chúng Đo đó sẽ phát sinh lực cản không khí, được kí hiệu là P

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 1.5 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 độ lên lực cản tăng lên gấp bình phương lần, theo (1-1)

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 1.6 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 1.7 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 1.8 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 1.9 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 tang 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 tiệng 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 trai 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

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 2 mặt V 2 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

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 5.13 Các sóng tole

Hình 5.14 Các sóng tole

Hình 5.15 Cấu trúc tổ ong và buồng ổn định sau khi hoàn thành