CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 12.2022
148
KHOA H
ỌC
KHẢO SÁT LƯU LƯỢNG DÒNG KHÍ QUA ỐNG NẠP ĐỘNG CƠ 1NZ-FE BẰNG PHẦN MỀM CFD- ANSYS
A SURVEY ON AIR FLOW INTAKE OF THE 1 NZ- FE BY CFD- ANSYS SOFTWAVE Phan Văn Dương1,*, Lương Văn Tuân2, Hoàng Văn Hữu2, Nguyễn Đức Mạnh3, Chu Vương Hoàng4, Phạm Minh Hiếu5 TÓM TẮT Những năm gần đây, ngành công nghiệp chế tạo ô tô đang tr
ên đà phát
triển mạnh mẽ. Để một chiếc xe ô tô có thể chạy ổn định, bền bỉ, hiệu suất cao
là
sự tổng hợp của nhiều yếu tố như: h
ệ thống đánh lửa, hệ thống treo, hệ thống
nạp khí, hệ thống điện,… Bài báo trình bày kết quả khảo sát lưu lượng d
òng khí
qua ống nạp động cơ 1NZ-FE bằng phần mềm CFD- Ansys. M
thông số đặc trưng đường ống nạp để đưa ra giải pháp tối ưu cải thi
ện hiệu quả
làm việc của hệ thống nạp. Từ khóa: Ansys-CFD; mô phỏng khí động học; lưu lượng ống nạp. ABSTRACT
In recent years, the automobile manufacturing industry is on the rise. In
order for a car to run stably, enduringly and with high efficiency,
it affects many
factors such as ignition system, suspension system, air intake system, electric
system,... This paper present survey results of the air flow through the 1NZ-
FE
engine inlet pipe using CFD-
Ansys software. The purpose of surveying the
charac
teristics of the intake pipe to provide the optimal solution to improve the
working efficiency of the filling system. Keywords: Ansys-CFD; aerodynamic simulation; flow of intake pipe. 1Lớp Kỹ thuật Ô tô 03 - K13, Khoa Công nghệ Ô tô, Trư
ờng Đại học Công nghiệp
Hà Nội 2Lớp Kỹ thuật Ô tô 02 - K15, Khoa Công nghệ Ô tô, Trư
ờng Đại học Công nghiệp
Hà Nội 3Lớp Kỹ thuật Ô tô 01 - K14, Khoa Công nghệ Ô tô, Trư
ờng Đại học Công nghiệp
Hà Nội 4Lớp Kỹ thuật Ô tô 03 - K 15, Khoa Công nghệ Ô tô, Trư
ờng Đại học Công nghiệp
Hà Nội 5Khoa Công nghệ Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: phanduopn@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Khí động lực học là môn học nghiên cứu về dòng chảy của chất khí, được nghiên cứu đầu tiên bởi George Cayley vào thập niên 1800. "Khí động học" là một nhánh của động lực học chất lưu nghiên cứu chuyển động của không khí, đặc biệt là khi nó tương tác với một đối tượng di chuyển. Khí động học đã thường được sử dụng đồng nghĩa với khí động lực, với sự khác biệt là khí động lực áp dụng đối với dòng chảy nén. Tìm hiểu về sự chuyển động của không khí (thường được gọi là một trường dòng chảy) xung quanh một đối tượng cho phép tính toán các lực, mô men lực tác động lên đối tượng [1]. 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. Việc sử dụng khí động học thông qua phân tích toán học, xấp xỉ thực nghiệm và gió đường hầm thử nghiệm là cơ sở khoa học. Ngoài ra, ta có thể hiểu đơn giản rằng luồng gió các phân tử trong không khí chính là khí động học. Lưu lượng khí nạp được coi là một trong những phần quan trọng của nghiên cứu trong nghiên cứu và phát triển ô tô ngày nay. Một đường ống nạp được thiết kế tốt có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của động cơ. Thiết kế đường ống nạp có ảnh hưởng đáng kể hiệu suất của động cơ khi lượng không khí nạp vào có thể trực tiếp làm tăng quá trình đốt cháy. Bên trong động cơ, công suất đầu ra và hiệu suất thể tích phụ thuộc nhiều vào lượng khí nạp vào động cơ. Với thể tích không khí cao được đưa vào xi lanh, nhiều nhiên liệu hơn có thể được thêm vào buồng đốt, do đó, điều này sẽ dẫn đến sự gia tăng của áp suất đỉnh, điều này sẽ đổi lại sẽ nâng cao hiệu suất tổng thể của động cơ [2]. Hệ thống nạp đóng vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp hoà khí cho chu trình làm việc của động cơ cũng như đưa sản phẩm cháy trong mỗi chu trình ra ngoài, đảm bảo yêu cầu nạp đầy và thải sạch của động cơ [3]. Nó có ảnh hưởng rất lớn đến công suất động cơ và mức độ ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ. Vì vậy yêu cầu khi nghiên cứu về hệ thống nạp là phải đặt nó trong mối quan hệ với các hệ thống khác của động cơ. Trên thế giới đã có nhiều đề tài, công trình nghiên cứu, bài báo khoa học có liên quan đến lưu lượng khí nạp của động cơ. Công trình nghiên cứu của nhóm tác giả Mahmoud A, Mashkour tốc độ dòng khí hiệu quả trong việc lựa chọn đường kính ống nạp phù hợp [4]. Nghiên cứu của Mohd Faisal Hushim cùng các cộng sự đã chỉ ra rằng luồng không khí lưu lượng dòng khí thay đổi theo các góc của đường ống nạp khác nhau [5]. Những công trình khác cũng cho thấy nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng thành công phần mềm này để mô phỏng và tính toán khí động học,
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 12.2022 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
149
như Tadeusz Stolarski [6], Priyadarsini [7],… Hay một số công trình nghiên cứu thực nghiệm khác như [8, 9] cũng đã công bố các kết quả nghiên cứu khí động học, ảnh hưởng của biên dạng ống nạp tới hiệu suất của động cơ. Qua đó, đã cho thấy mối quan tâm rất lớn về nghiên cứu cũng như ứng dụng phần mềm tính toán vào việc thiết kế tối ưu khí động học cho đường ống nạp. Kết hợp dựa trên cơ sở lí thuyết và sử dụng phần mềm ANSYS - FLUENT để mô phỏng, tính toán và khảo sát lưu lượng dòng khí qua ống nạp động cơ 1NZ-FE nhằm tối ưu hóa hiệu quả làm việc của động cơ, giúp tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và khí xả cho động cơ. 2. PHƯƠNG PHÁP THẢO LUẬN 2.1. Các phương pháp nghiên cứu khí động học Hiện nay, trong lĩnh vực khí động học ô tô thường sử dụng hai phương pháp nghiên cứu khí động học ô tô: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Đối với phương pháp nghiên cứu bằng lý thuyết khó khăn trong việc nghiên cứu khí động học thân vỏ xe nằm ở mức độ phức tạp của bài toán lý thuyết dựa trên phương trình Navier - Stokes. Kể cả đối với những mô hình đã được đơn giản hóa, khối lượng tính toán cần thực hiện là rất lớn đòi hỏi phải có công cụ tin học đủ mạnh cả về phần mềm và phần cứng. Đối với phương pháp thực nghiệm sự thiếu thốn về cơ sở vật chất, trang thiết bị thí nghiệm cũng là một khó khăn không nhỏ đối với các nhà khoa học. Đối với các cơ sở giáo dục hay viện nghiên cứu việc đầu tư xây dựng các phòng thí nghiệm hiện đại giường như là không thể. Ngày nay, trong nghiên cứu khí động học thân vỏ ô tô thường áp dụng cả hai phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết với sự trợ giúp của các phần mền ANSYS để xây dựng các mô hình mô phỏng thí nghiệm với tỉ lệ phù hợp. Phần nghiên cứu thực nghiệm sẽ lựa chọn kích thước mô hình, ống khí động và so sánh đánh giá kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết đồng dạng và thứ nguyên. 2.2. Cơ sở lý thuyết khí động học Để mô tả dòng chảy của môi chất bất kỳ một cách đầy đủ người ta 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. Với các nghiên cứu dòng khí chảy trong đường nạp của động cơ hút khí tự nhiên là dòng chảy dưới âm M < 0,3 [10], nên chấp nhận giả thiết là chất khí không chịu nén. Khi đó giải quyết bài toán chỉ còn hai phương trình: phương trình liên tục và phương trình bảo toàn động lượng. Dưới dạng vector, các phương trình được viết như sau: Phương trình liên tục: divu
= 0 (1) Phương trình bảo toàn động lượng: 

= F
−
grad p + vΔu
(2) Trong đó u
là vận tốc; ρ là khối lượng riêng của không khí, p là áp suất; F
là lực thể tích; v là độ nhớt động học của không khí. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Quy trình mô phỏng Đối tượng mô phỏng: đường ống nạp của động cơ 1NZ- FE với các kích thước: dài 364 (mm); đường kính đầu vào 52 (mm); chiều dày ống 2,5 (mm) 3.2. Tiến hành thiết lập các thông số mô phỏng Quy trình thực hiện bao gồm - Xây dựng mô hình 3D - Thực hiện chia lưới tính toán - Thiết lập các điều kiện tính toán - Thực hiện tính toán và xuất kết quả Đối với bài toán mô phỏng dòng khí chảy trong ống nạp động cơ 1NZ- FE thì việc kết hợp hai phương pháp chia lưới: polyhedral kết hợp với inflation layers đạt kết quả chính xác nhất. Việc chia lưới polyhedral sẽ giảm được số lượng phần tử lưới đáng kể so với hai loại lưới còn lại là: tetrahedral, hexahedral. Điều đó giúp tối giản số phương trình tính toán tại từng phần tử đồng nghĩa với việc thời gian chạy mô phỏng sẽ tối ưu hơn Hình 1. Số lượng phần tử với cùng 1 bài toán Hình 2.Thời gian chạy với cùng 1 bài toán
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 12.2022
150
KHOA H
ỌC
Hình 3. Kết quả chia lưới Lựa chọn vận tốc dòng khí tại điểm bắt đầu thực hiện mô phỏng: vận tốc của dòng khí tại điểm bắt đầu mô phỏng là 35m/s (tương đương với 126km/h). Vận tốc mô phỏng phù hợp với vận tốc không khí nạp thực tế của ống nạp. 3.3. Kết quả mô phỏng Hình 4. Kết quả phân bố áp suất tại thành ống Hình 5. Đường biểu diễn dòng chảy trong ống , Hình 5. Kết quả véc tơ biểu diễn đường đi dòng chảy Như trên hình 4 cho thấy phần màu đỏ là nơi có áp suất cao còn màu xanh là nơi có áp suất thấp và sự phân bố áp suất không đồng đều do vị trí và thứ tự của các ống trong mỗi trường hợp khác nhau. Phương di chuyển của dòng khí (hình 6) có xu hướng đi từ nơi có áp suất cao tới nơi có áp suất thấp tại cửa ra của ống nạp và tại những góc cong đột ngột xuất hiện những dòng xoáy cũng chính những dòng xoáy này gây ra lực cản cục bộ cản trở chuyển động của dòng khí. 3.4. So sánh đánh giá Bảng 1. Bảng kết quả vận tốc trung bình đầu ra (Outlet) của các ống nạp Ống 1 Ống 2 Ống 3 Ống 4 Vận tốc trung bình đầu ra của ống nạp (m/s) 76,2497 76.,0083 76,5467 76,6166 Đánh giá Đạt Đạt Đạt Đạt Vận tốc trung bình đầu ra của cả 4 ống có giá trị tương đồng nhau và bằng 76m/s phù hợp với tốc độ trung bình của môi chất đi qua xupap của động cơ xăng trong phạm vi 50 - 80m/s. 3.5. Phương pháp tối ưu Hình 7. Kết quả khi thay đổi phương cổ nạp so với trục Oz Hình 7 cho thấy việc thay đổi phương đầu vào ống nạp có ảnh hưởng đến vận tốc dòng khí. So sánh giữa 3 trường hợp ta có thể kết luận, khi phương cổ hút và bình tích áp thẳng hàng sẽ cho vận tốc dòng khí tăng 29.,65% và lưu lượng tăng 27,28% so với kết quả ban đầu. 4. KẾT LUẬN Đề tài đã ứng dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS-FLUENT để mô phỏng và tính toán được vận tốc trung bình đầu ra các đường ống nạp vtb = 76,24m/s, đối tượng mà đề tài lựa chọn là tương đối hợp lý so với thông số mà các nhà sản xuất công bố.
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 12.2022 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
151
Sau khi hiệu chỉnh và khảo sát lại kết quả vận tốc trung bình đầu ra của đường ống nạp thì nhận được vtb = 98,86m/s (hiệu quả hơn so với thiết kế ban đầu của động cơ lên tới 29%) giúp cho trong quá trình nạp của động cơ được nạp đầy và nhanh hơn, giúp cho xe vận hành với công suất lớn và ổn định hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Vogel-Verlag, Würzburg, 1981. Aerodynamik des Automobils. [2]. Loong Y.K., Salim, S.M., 2013. Experimentation and Simulation on the Design of Intake Manifold Port on Engine Performance. [3]. Nguyễn Tất Tiến, 1970. Nguyên lý động cơ đốt trong. Nhà xuất bản Giáo dục. [4]. Mashkour M.A., 2012. Naturally Aspirated Internal Combustion Engine. Journal of Applied Sciences, 12(2), pp.161-167. [5]. Hushim M.F., Alimin A.J., Razali M.A., Mohammed A.N., Sapit A., Carvajal J.C.M, 2015. Air flow behaviour on different intake manifold angles for small 4-stroke PFI retrofit kit system. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, pp.1-7. [6]. Tadeusz Stolarski. Y. Nakasone, S. Yoshimoto, 2007. Engineering Analysis with ANSYS Software. [7]. Priyadarsini I., 2016. Flow analysis of intake manifold using computational fluid dynamics. International Journal of Engineering and Advanced Research Technology, 2(1), pp.1-5. [8]. Singla S., Sharma M.S., Gangacharyulu D., 2015. Study of design improvement of intake manifold of internal combustion engine. International Journal of Engineering Technology, Management and Applied Sciences. [9]. Hamilton L.J., Cowart J., Rozich, J., 2009. The Effects of Intake Geometry on SI Engine Performance. SAE Technical Paper. [10]. M. Laurent Burgade, 1996. Aerodynamique Automobile: Approche numerique et experimentale. PSA Peugeot-Citroen, session 1995-1996.