i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Fy Lực khí động theo phương thẳng đứng N Cx Hệ số cản khí động theo phương dọc - Cz Hệ số cản khí động theo phương ngang - a Vận tốc truyền âm trong không khí m
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TÔ HOÀNG TÙNG
NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN DẠNG KHÍ ĐỘNG HỌC
VỎ XE KHÁCH LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội - 2016
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TÔ HOÀNG TÙNG
NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN DẠNG KHÍ ĐỘNG HỌC
VỎ XE KHÁCH LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
MÃ SỐ: 62520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1 PGS.TS NGUYỄN TRỌNG HOAN
2 PGS.TS HỒ HỮU HẢI
Hà Nội - 2016
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan và PGS.TS Hồ Hữu Hải Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám
ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình
Hà Nội, ngày tháng năm 2016
Giáo viên hướng dẫn
PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan
Giáo viên hướng dẫn
PGS.TS Hồ Hữu Hải
Tác giả luận án
Tô Hoàng Tùng
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới người hướng dẫn chính: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan - thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, định hướng và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án này với sự tận tâm, trách nhiệm, sáng suốt và khoa học cao
Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Hồ Hữu Hải trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án, với vai trò là người hướng dẫn, thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện các kế hoạch học tập và nghiên cứu
Tôi rất cám ơn và trân trọng sự hợp tác, hỗ trợ của Trung tâm Phát triển và Ứng dụng Phần mềm công nghiệp (DASI), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (nay là Viện nghiên cứu Quốc tế về Khoa học và Kỹ thuật tính toán), trực tiếp là PGS.TS Nguyễn Việt Hùng và các cộng sự
Xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể cán bộ, nhân viên Phòng thí nghiệm khí động học của Viện Kỹ thuật quân sự Phòng không - Không quân
Xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến các thầy của Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội với những góp ý rất thiết thực trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cơ quan tôi đang công tác: Phòng Chất lượng xe
cơ giới, Cục Đăng kiểm Việt Nam đã tạo điều kiện, ủng hộ, giúp đỡ tôi về mọi mặt trong quá trình tôi theo học Nghiên cứu sinh
Xin gửi lời cảm ơn tới các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp vì sự giúp đỡ thiết thực cho luận án này
Xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới gia đình tôi, những người đã luôn bên cạnh tôi, động viên, chia sẻ những khó khăn và là động lực để tôi hoàn thành luận án
Hà Nội, ngày tháng năm 2016
Nghiên cứu sinh
Tô Hoàng Tùng
Trang 5MỤC LỤC
Trang
1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển trong lĩnh vực sản
1.1.3 Thực trạng và nhu cầu nâng cao chất lượng 4
1.2.1 Khí động lực học và các thông số đặc trưng 6
1.2.3 Cấu trúc vỏ xe và sự hình thành các vùng xoáy thấp áp 12 1.2.4 Lý thuyết tương tự trong khí động học ô tô 18 1.3 Tình hình nghiên cứu khí động học ô tô 19
1.3.3 Các hướng nghiên cứu chính gần đây 25 1.4 Công nghệ sản xuất vỏ ô tô khách ở Việt Nam và tính cấp thiết của vấn
Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE
Trang 62.1 Cơ sở lý thuyết khí động học 33
2.1.2.1 Các công cụ toán học và ký hiệu quy ước 33
2.1.2.5 Phương pháp số để giải bài toán khí động học 44 2.2 Mô phỏng khí động học vỏ xe bằng ANSYS - FLUENT 45 2.2.1 Giới thiệu chung về ANSYS - FLUENT 45 2.2.2 Mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe bằng FLUENT 46 2.2.2.1 - Phương pháp mô phỏng trong FLUENT 46 2.2.2.2 - Các dạng mô hình mô phỏng dòng chảy rối trong FLUENT 47 2.3 Mô hình khí động học vỏ xe khách trong FLUENT 47
2.3.1 Hệ phương trình mô tả dòng chảy 47
2.3.3 Xác định v ng không gian mô phỏng 50
2.3.5 Các ràng buộc và điều kiện tính toán 56 2.3.6 Phương pháp tính toán lực khí động 56
Chương 3 NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ Ô TÔ KHÁCH BẰNG PHẦN
3.2 Các thông số đầu vào và một số giả thiết của bài toán mô phỏng 61 3.2.1 Lựa chọn các thông số của vỏ xe khách 61 3.2.2 Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu của bài toán mô phỏng 61 3.3 Xây dựng mô hình hình học, xác định vùng không gian mô phỏng 62 3.4 Chia lưới và đặt các điều kiện ràng buộc của bài toán mô phỏng 63
3.6 Mô phỏng và tính toán khí động học vỏ xe cơ sở 65 3.7 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới khí động học vỏ xe 72 3.7.1 Góc nghiêng kính chắn gió phía trước của xe 72
Trang 73.7.2 Góc nghiêng kính hậu 76 3.7.3 Góc vát hai thành bên ở phía đuôi xe 79
3.7.5 Bán kính góc lượn giữa nóc xe và hai thành bên của xe 82 3.7.6 Bán kính góc lượn giữa kính hậu và nóc xe 85 3.7.7 Bán kính góc lượn giữa thành sau và hai thành bên của xe 86 3.7.8 Bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe 89 3.7.9 Bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên của xe 93 3.7.10 Lựa chọn dạng mô hình hoàn chỉnh, tính toán khảo sát và đánh giá 98 3.7.11 Đánh giá kết quả tính toán mô phỏng 103 3.7.12 So sánh vỏ xe tham khảo và vỏ xe cải thiện 104
Chương 4 NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH TRONG ỐNG
4.1 Mục đích và phương pháp nghiên cứu 110
4.3 Mô phỏng thí nghiệm trong ống khí động 127 4.3.1 Xây dựng mô hình hình học, chọn vùng không gian mô phỏng và
4.3.2 Đặt điều kiện, mô phỏng và phân tích kết quả 128
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
PHỤ LỤC
Trang 8i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Fy Lực khí động theo phương thẳng đứng N
Cx Hệ số cản khí động theo phương dọc -
Cz Hệ số cản khí động theo phương ngang -
a Vận tốc truyền âm trong không khí m/s
Độ nhớt động học của không khí m2/s
t ij
k Động năng của dòng rối J/kg (m2/s2)
Hệ số tán xạ năng lượng của dòng rối -
Hệ số tán xạ năng lượng của dòng rối -
Trang 9ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CKD Complete Knock Down Bộ linh kiện hoàn chỉnh (sử dụng để lắp
ráp ô tô) RANS Reynolds Average Navier Stokes Phương trình Reynolds trung bình hóa DNS Direct Numerical Simulation Mô phỏng trực tiếp
RSM Reynolds Stress Model Mô hình ứng suất Reynolds
FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn
CFD Computational Fluid Dynamic Phần mềm tính toán động lực học chất
lỏng LES Large Eddy Simulation Mô hình dòng rối lớn
DES Detached Eddy Simulation Mô hình dòng rối phân tách
SST Shear Stress Transport Mô hình vận tải ứng suất
Trang 10iii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Giá trị hệ số lực cản, lực và mô mem theo các phương
Bảng 3.2 Giá trị Cx phụ thuộc vào góc nghiêng kính chắn gió phía trước
Bảng 3.3 Giá trị Cx phụ thuộc vào góc nghiêng kính hậu
Bảng 3.4 Giá trị Cx phụ thuộc vào góc vát 2 thành bên phía đuôi xe
Bảng 3.5 Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lượn giữa nóc xe và hai thành bên của xe Bảng 3.6 Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lượn giữa kính phía sau và nóc xe Bảng 3.7 Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lượn giữa thành sau và hai thành bên xe Bảng 3.8 Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lượn giữa kính chắn gió phía trước và
nóc xe Bảng 3.9 Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lượn giữa thành trước (bao gồm cả
kính chắn gió phía trước) và hai thành bên của xe Bảng 3.10 Sự phụ thuộc của hệ số Cx vào bán kính góc lượn giữa nóc xe và kính chắn
gió phía trước Bảng 3.11 Lực cản Fx và hệ số cản Cx của mô hình vỏ xe cải thiện
Bảng 3.12 Các thông số của mô hình xe khách tham khảo và mô hình cải thiện của luận án Bảng 4.1 Một số phương án lựa chọn tỷ lệ thu nhỏ mẫu thử
Bảng 4.2 Kết quả thí nghiệm
Bảng 4.3 Kết quả tính toán lực cản khí động ở vận tốc 29 m/s
Bảng 4.4 Kết quả tính toán lực cản khí động ở vận tốc 25 m/s
Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm và kết quả tính toán mô phỏng mô hình tỷ lệ 1:40 trong
ống khí động
Trang 11iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Các lực tác dụng lên lực nằm trong dòng chảy
Hình 1.2 Sự hình thành vùng xoáy áp suất phía sau vật
Hình 1.3 Ảnh hưởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xoáy
Hình 1.4 Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cản
Hình 1.5 Hệ số cản không khí trên một số loại ô tô tải
Hình 1.6 Hệ số cản không khí của các loại xe thông dụng
Hình 1.7 Các vùng xoáy trên vỏ ô tô con
Hình 1.8 Phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ xe
Hình 1.9 Phân bố áp suất dọc theo thân ô tô chở khách
Hình 1.10 Ảnh hưởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động
Hình 1.11 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và tấm nóc xe với hệ số
cản không khí Hình 1.12 Ảnh hưởng của cấu trúc phần đầu xe tới hệ số cản không khí
Hình 1.13 Ảnh hưởng hình dáng đầu xe tới lực cản khí động
Hình 1.14 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa mặt đầu và mặt bên của vỏ ô tô khách
tới lực cản khí động Hình 1.15 Ảnh hưởng của chiều cao sàn xe tới các lực khí động
Hình 1.16 Lịch sử phát triển của các mô hình tính toán khí động học
Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí động
Hình 2.1 Các thành phần ứng suất trên khối chất lỏng
Hình 2.2 Mô hình vỏ xe khách dạng 3D
Hình 2.3 Các kích thước của không gian mô phỏng lần đầu
Hình 2.4 Ví dụ về một số dạng dòng chảy ngược
Hình 2.5 Các dạng phần tử lưới trong mô hình mô phỏng 3D
Hình 2.6 So sánh về cấu trúc của lưới tứ diện và lưới lục diện
Hình 2.7 So sánh về số lượng phần tử và chất lượng lưới của lưới tứ diện và lưới lục diện Hình 2.8 Hình ảnh chia lưới trong vùng không gian tính toán vỏ xe khách
Hình 3.1 Các thông số khảo sát của biên dạng vỏ xe
Hình 3.2 Xe ô tô khách tham khảo (THACO KB120LSI)
Hình 3.3 Kích thước của vùng không gian mô phỏng
Trang 12v
Hình 3.4 Mô hình vỏ xe khách sau khi đã được chia lưới với dạng lưới Hexa
Hình 3.5 Mô hình 3D vỏ xe khách tham khảo THACO KB120LSI
Hình 3.6 Chia lưới vùng không gian mô phỏng
Hình 3.7 Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe
Hình 3.8 Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối xứng dọc của xe
Hình 3.9 Phân bố áp suất trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe
Hình 3.10 Phân bố vận tốc tại mặt phẳng đối xứng dọc của vỏ xe
Hình 3.11 Phân bố vận tốc tại mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe
Hình 3.12 Đường dòng tại mặt phẳng trung tuyến dọc của vỏ xe
Hình 3.13 Đường dòng tại mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe
Hình 3.14 Hệ số phân bố áp suất Cp trên bề mặt vỏ xe tại mặt phẳng trung tuyến dọc của xe Hình 3.15 Ảnh hưởng của góc nghiêng kính chắn gió phía trước đến hệ số cản Cx
Hình 3.16 Phân bố áp suất khi góc nghiêng kính chắn gió bằng 0o
Hình 3.17 Phân bố áp suất khi góc nghiêng kính chắn gió bằng 40o
Hình 3.18 Đường dòng bao quanh vỏ xe khi góc nghiêng kính chắn gió bằng 0o
Hình 3.19 Đường dòng bao quanh vỏ xe khi góc nghiêng kính chắn gió bằng 40o
Hình 3.20 Ảnh hưởng của góc nghiêng kính phía sau xe đến hệ số cản Cx
Hình 3.21 Phân bố áp suất khi góc nghiêng kính sau bằng 0o
Hình 3.22 Phân bố áp suất khi góc nghiêng kính sau bằng 45o
Hình 3.23 Đường dòng khi góc nghiêng kính hậu bằng 10o
Hình 3.24 Đường dòng khi góc nghiêng kính hậu bằng 45o
Hình 3.25.a Ảnh hưởng của góc vát 2 thành bên phía sau xe đến hệ số cản Cx
Hình 3.25.b Ảnh hưởng của góc vát 2 thành bên phía sau xe đến hệ số cản Cx
Hình 3.26 Đường dòng khi góc vát hai thành bên bằng 4o (khoảng cách 2,5 m)
Hình 3.27 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa nóc và hai thành bên của xe tới hệ số
cản Cx Hình 3.28 Đường dòng khi không có góc lượn giữa nóc và hai thành bên
Hình 3.29 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa nóc và hai thành bên là 1250 mm Hình 3.30 Đường dòng khi không có góc lượn giữa nóc và hai thành bên
Hình 3.31 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa nóc và hai thành bên là 1250 mm Hình 3.32 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa kính phía sau và nóc xe tới hệ số cản Cx
Trang 13vi
Hình 3.33 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa thành sau và hai thành bên của xe tới hệ
số cản Cx
Hình 3.34 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa thành sau và hai thành bên là 200 mm Hình 3.35 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa thành sau và hai thành bên là 1000 mm Hình 3.36 Phân bố áp suất khi không có góc lượn giữa thành sau và hai thành bên
Hình 3.37 Phân bố áp suất khi góc lượn giữa thành sau và hai thành bên là 1000 mm Hình 3.38 Phân bố áp suất khi không có góc lượn giữa thành sau và hai thành bên
Hình 3.39 Phân bố áp suất khi góc lượn giữa thành sau và hai thành bên là 1000 mm Hình 3.40 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe tới hệ số cản Cx
Hình 3.41 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 0 mm
Hình 3.42 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 200 mm Hình 3.43 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 400 mm Hình 3.44 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 2000 mm Hình 3.45 Phân bố áp suất khi không có góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe
Hình 3.46 Phân bố áp suất khi góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe bằng 2000 mm Hình 3.47 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa thành trước và hai thành bên tới hệ số
cản Cx
Hình 3.48 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên là 0 mm Hình 3.49 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên là 250 mm Hình 3.50 Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên là 1250 mm Hình 3.51 Phân bố áp suất khi không có góc lượn giữa thành trước và hai thành bên
Hình 3.52 Phân bố áp suất khi góc lượn giữa thành trước và hai thành bên bằng 1250 mm Hình 3.53 Vùng lựa chọn các bán kính góc lượn
Hình 3.54 Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe
Hình 3.55 Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối xứng dọc của xe
Hình 3.56 Phân bố vận tốc tại mặt phẳng trung tuyến dọc của xe
Hình 3.57 Đường dòng trong mặt phẳng trung tuyến dọc của xe
Hình 3.58 Hệ số phân bố áp suất CP trên bề mặt vỏ xe tại mặt phẳng trung tuyến dọc của
xe Hình 3.59 Đồ thị Fx theo vận tốc chuyển động của dòng khí
Hình 3.60 Giá trị Cx tại các vận tốc chuyển động của dòng khí khác nhau
Hình 3.61 Phân bố áp suất Cp trên bề mặt vỏ xe trong mặt phẳng thẳng đứng
Hình 3.62 Đường dòng bao quanh các vỏ xe
Trang 14vii
Hình 4.1 Sơ đồ ống khí động và kết nối thiết bị thí nghiệm
Hình 4.2 Đường ống dẫn hướng dòng khí
Hình 4.3 Động cơ và thiết bị điều khiển động cơ
Hình 4.4 Sơ đồ bố trí mẫu xe thí nghiệm và các cảm biến trong khoang thử
Hình 4.5 Các kích thước cơ bản của buồng thử
Hình 4.6 Thiết bị và các cảm biến đo vận tốc dòng khí
Hình 4.7 Cân khí động 6 thành phần
Hình 4.8 Thiết bị chuyển đổi và xử lý tín hiệu vận tốc dòng khí
Hình 4.9 Bộ phận hiển thị kết quả
Hình 4.10 Mẫu thí nghiệm và giá gá đặt
Hình 4.11 Gá đặt mẫu thí nghiệm trên thiết bị đo trong khoang thử
Hình 4.12 Mô phỏng dòng chảy không khí qua tấm sàn
Hình 4.13 Kết quả thí nghiệm với vận tốc dòng khí 20m/s
Hình 4.14 Quy luật biến thiên lực cản theo vận tốc
Hình 4.15 Mô hình mẫu thí nghiệm và giá gá đặt
Hình 4.16 Chia lưới vùng không gian mô phỏng
Hình 4.17 Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối xứng dọc của vật thí nghiệm
Hình 4.18 Phân bố áp suất trong mặt phẳng chính diện của vật thí nghiệm
Hình 4.19 Phân bố vận tốc trong mặt phẳng đối xứng dọc của vật thí nghiệm
Hình 4.20 Đường dòng trong mặt phẳng đối xứng dọc của vật thí nghiệm
Hình 4.21 So sánh lực cản theo kết quả tính toán mô phỏng và thực nghiệm
Hình 4.22 So sánh Cx theo kết quả tính toán mô phỏng và thực nghiệm
