Luận án Tiến sĩ Cơ khí động lực: Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:180

Thêm vào BST

Báo xấu

259
lượt xem 51
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Xây dựng mô hình khảo sát, đánh giá dạng khí động học vỏ xe ô tô khách và đề xuất các giải pháp cải thiện dạng khí động học nhằm giảm thiểu lực cản khí động tác dụng lên ô tô.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Cơ khí động lực: Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam

BỘ 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
BỘ 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
LỜI 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 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận án PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan PGS.TS Hồ Hữu Hải Tô Hoàng Tùng
LỜI 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
MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ii DANH MỤC CÁC BẢNG iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ iv MỞ ĐẦU 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3 1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển trong lĩnh vực sản 3 xuất ô tô khách 1.1.1 Nhu cầu về ô tô khách 3 1.1.2 Định hướng phát triển 4 1.1.3 Thực trạng và nhu cầu nâng cao chất lượng 4 1.2 Khí động học ô tô 5 1.2.1 Khí động lực học và các thông số đặc trưng 6 1.2.2 Lực cản không khí 7 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 1.3.1 Nghiên cứu lý thuyết 19 1.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm 21 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 28 đề nghiên cứu 1.5 Nội dung của luận án 30 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 30 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 30 1.5.3 Đối tượng nghiên cứu 31 1.5.4 Phạm vi nghiên cứu 31 1.4.5 Nội dung nghiên cứu 31 Kết luận chương 1 32 Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE 33 KHÁCH
2.1 Cơ sở lý thuyết khí động học 33 2.1.1 Các phương trình cơ bản 33 2.1.2 Mô phỏng dòng chảy không khí 33 2.1.2.1 Các công cụ toán học và ký hiệu quy ước 33 2.1.2.2 Các phương trình mô phỏng 35 2.1.2.3 Các thông số đặc trưng 36 2.1.2.4 Mô phỏng dòng chảy rối 38 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 2.3.2 Mô hình 3D vỏ xe khách 49 2.3.3 Xác định v ng không gian mô phỏng 50 2.3.4 Chia lưới 52 2.3.5 Các ràng buộc và điều kiện tính toán 56 2.3.6 Phương pháp tính toán lực khí động 56 Kết luận chương 2 58 Chương 3 NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ Ô TÔ KHÁCH BẰNG PHẦN 59 MỀM ANSYS - FLUENT 3.1 Phương pháp nghiên cứu 59 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 3.5 Đặt các điều kiện tính toán 64 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
3.7.2 Góc nghiêng kính hậu 76 3.7.3 Góc vát hai thành bên ở phía đuôi xe 79 3.7.4 Lựa chọn sơ bộ các góc vát 82 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 Kết luận chương 3 109 Chương 4 NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH TRONG ỐNG 110 KHÍ ĐỘNG 4.1 Mục đích và phương pháp nghiên cứu 110 4.1.1 Mục đích 110 4.1.2 Vấn đề nghiên cứu 110 4.1.3 Phương pháp nghiên cứu 113 4.2 Thí nghiệm trong ống khí động 114 4.2.1 Trang thiết bị thí nghiệm 114 4.2.2 Thí nghiệm trong ống khí động 122 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 127 chia lưới 4.3.2 Đặt điều kiện, mô phỏng và phân tích kết quả 128 Kết luận chương 4 134 KẾT LUẬN 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO 137 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN PHỤ LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Tên gọi Đơn vị Fx Lực khí động theo phương dọc N Fz Lực khí động theo phương ngang N 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 Diện tích cản chính diện m2  Khối lượng riêng của không khí kg/m3 U∞ Vận tốc dòng khí ở vô cùng m/s Re Số Reynolds - M Số Mach -  Hệ số độ nhớt động lực N.s/m2 a Vận tốc truyền âm trong không khí m/s Fms Lực cản do ma sát N Fca Lực cản do chênh áp N p Áp suất Pa Cp Hệ số áp suất không thứ nguyên - L Thông số hình học đặc trưng m  Độ nhớt động học của không khí m2/s  ijt Ten-sơ ứng suất của dòng rối - 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 - i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký tự Nguồn gốc Chú giải Bộ linh kiện hoàn chỉnh (sử dụng để lắp CKD Complete Knock Down 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 Phần mềm tính toán động lực học chất CFD Computational Fluid Dynamic 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 ii
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 iii
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 iv
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 v
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 vi
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 vii
MỞ ĐẦU Trong những năm cuối của thế kỷ XX, đầu thế kỷ XXI, cùng với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, nhu cầu vận chuyển hành khách tăng cao rõ rệt, trong đó có nhu cầu vận chuyển hành khách bằng đường bộ. Bên cạnh đó, cơ sở hạ tầng, đường sá giao thông cũng đã có những bước chuyển mình, phát triển rất tích cực. Một số tuyến đường cao tốc đã được xây dựng nhằm nâng cao tốc độ di chuyển của các phương tiện tham gia giao thông nói chung và phương tiện vận tải hành khách nói riêng. Để đáp ứng được 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 nhìn đến năm 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035”, trong đó lĩnh vực sản xuất ô tô khách nhận được sự quan tâm đặc biệt. Hiện nay, có một số doanh nghiệp đầu tư sản xuất và lắp ráp ô tô khách từ 24 - 80 chỗ phục vụ giao thông công cộng. Các doanh nghiệp lớn có Vinamotor, Cơ khí ô tô Đà Nẵng, Trường Hải và SAMCO. Ngoài ra còn có các liên doanh như Daewoo, Hino và Mercedes-Benz cũng sản xuất một số loại ô tô chở khách cỡ lớn. Mặc d đã có sự đầu tư về công nghệ và đạt được một số thành tựu trong sản xuất, nhưng nhìn vào thực trạng thì có thể thấy các cơ sở lắp ráp xe hiện nay đều chỉ là lắp ráp dựa trên các bộ 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, tuy nhiên chất lượng còn ở mức độ hạn chế. 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 chưa nhận được sự quan tâm đầu tư của các nhà sản xuất. Trước tình hình trên, để những chiếc ô tô khách Việt Nam 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 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. Từ thực tế trên, nghiên cứu sinh đã thực hiện luận án Tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam”. Luận án là một công trình nghiên cứu sâu đầu tiên về khí động học ô tô ở Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu của 1
Luận án góp phần từng bước tạo ra một cơ sở lý thuyết vững chắc cho sự phát triển lâu dài của ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam. Mục đích của luận án: Xây dựng mô hình khảo sát, đánh giá dạng khí động học vỏ xe ô tô khách và đề xuất các giải pháp cải thiện dạng khí động học nhằm giảm thiểu lực cản khí động tác dụng lên ô tô. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của Luận án được lựa chọn là ô tô khách cỡ lớn với mẫu xe tham khảo cụ thể là ô tô khách 51 chỗ của Trường Hải THACO KB120LSI. Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu về lực cản khí động với tiêu chí đánh giá là hệ số cản Cx và các yếu tố ảnh hưởng đến nó trên mô hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt mưa, các khe gờ trên vỏ, kính, …). Nội dung nghiên cứu Luận án gồm các nội dung chính như sau: 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2. Xây dựng mô hình mô phỏng khí động học vỏ xe khách 3. Nghiên cứu khí động học vỏ ô tô khách bằng phần mềm ANSYS - FLUENT 4. Nghiên cứu khí động học vỏ xe khách trong ống khí động 5. Kết luận. 2
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản xuất ô tô khách 1.1.1 Nhu cầu về ô tô khách Trong những năm gần đây, c ng với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, nhu cầu về vận tải hành khách đã tăng mạnh. Những nguyên nhân chính dẫn đến nhu cầu bức thiết này là: tốc độ đô thị hóa cao đòi hỏi hệ thống giao thông công cộng tại các thành phố lớn phải nhanh chóng đáp ứng; sự phát triển kinh tế làm tăng nhu cầu đi lại của người dân; hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông ngày càng được mở rộng và nâng cao về chất lượng. Mạng lưới giao thông đường bộ Việt Nam đã phát triển khá nhanh trong những năm qua với tổng chiều dài khoảng 211.496 km, trong đó đường quốc lộ có 16.514 km, chiếm 7,8%; đường tỉnh lộ có 37.671 km, chiếm 17,81%; đường giao thông nông thôn 157.311 km, chiếm 74,39%. Mật độ đường tính trên diện tích lãnh thổ là 0,639 km/km2, trên số dân là 2,356 km/1000 người (theo thông tin trên website của Tổng cục Thống kê https://gso.gov.vn). Đặc biệt, trong những năm gần đây, nhiều tuyến đường cao tốc đã được đưa vào sử dụng với vận tốc tối đa cho phép từ 100 km/h đến 120 km/h. Các thống kê cũng cho thấy, khối lượng vận chuyển hàng hóa và hành khách trên đường bộ tăng khá nhanh. Tốc độ tăng trưởng bình quân về hàng hóa là 12,315%/năm, về hành khách là 10,29%/năm. Tốc độ tăng trưởng của xe cơ giới là 24,26%/năm (theo thông tin trên website của Tổng cục Thống kê https://gso.gov.vn). So với các nước trong khu vực, cường độ vận tải hàng hóa trên đường bộ Việt Nam đạt mức trung bình, nhưng vận tải hành khách đạt mức cao. Tất cả những yếu tố trên đã tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực vận tải hành khách. Theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam, tính từ năm 2000 đến hết tháng 4 năm 2015, trong cả nước có 105.667 ô tô chở khách được sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu phục vụ cho nhu cầu đi lại của người dân, trong đó ô tô sản xuất, lắp ráp trong nước chiếm tỷ trọng lớn về số lượng (90.952 chiếc, chiếm 86%). Tuy nhiên, mức độ đáp ứng của các cơ sở sản xuất trong nước vẫn đang còn rất khiêm tốn cả về số lượng và chất lượng. 3
1.1.2 Định hướng phát triển Trước tình hình trên, trong tháng 7/2014 Thủ tướng 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 nhìn đến năm 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035”, trong đó lĩnh vực sản xuất ô tô khách nhận được sự quan tâm đặc biệt. Theo quy hoạch của Chính phủ, tới năm 2025 các nhà sản xuất trong nước phải đáp ứng được 92% nhu cầu ô tô khách với sản lượng là 29.102 chiếc. Ngoài ra, Chính phủ cũng đặt mục tiêu xuất khẩu cho ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, cụ thể đối với ô tô khách là 5.000 chiếc vào năm 2020 và 10.000 chiếc vào năm 2030. Trong “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030”, Chính phủ đã nhấn mạnh tầm quan trọng của lĩnh vực sản xuất ô tô khách và đưa ra định hướng cụ thể: “…chú trọng phát triển các loại xe khách tầm trung và tầm ngắn,… Tập trung đầu tư cải tiến, nâng cấp công nghệ để nâng cao chất lượng sản phẩm, hoàn thiện hệ thống dịch vụ bán hàng, nâng cao năng lực cạnh tranh, đáp ứng phần lớn nhu cầu trong nước, từng bước tham gia xuất khẩu”. Có thể thấy rằng, nhiệm vụ đặt ra cho các nhà sản xuất ô tô khách Việt Nam là rất nặng nề và cần phải tập trung mọi nguồn lực để thực hiện. 1.1.3 Thực trạng và nhu cầu nâng cao chất lượng Hiện nay chúng ta có một số doanh nghiệp đầu tư sản xuất và lắp ráp ô tô khách từ 24 - 80 chỗ, phục vụ giao thông công cộng. Các doanh nghiệp lớn có Vinamotor, Cơ khí ô tô Đà nẵng, Trường Hải và SAMCO. Ngoài ra còn có các liên doanh như Daewoo, Hino và Mercedes-Benz cũng sản xuất một số loại ô tô chở khách cỡ lớn. Các sản phẩm của Vinamotor (công ty cơ khí ô tô 1-5, công ty 3-2, ...) rất đa dạng, cơ sở này đã sản xuất và lắp ráp các chủng loại ô tô khách từ 24 chỗ ngồi, 34, 45, 60, 80 chỗ ngồi với việc nhập khẩu các bộ linh kiện CKD từ Hàn Quốc và Trung Quốc. Tính năng kỹ thuật của các sản phẩm của Vinamotor được trình bày ở phần phụ lục 1, đều thể hiện là những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đạt chất lượng và công ty đã sản xuất và tiêu thụ hàng chục nghìn xe, phục vụ đắc lực cho yêu cầu giao thông công cộng ở các thành phố và các loại hình vận tải hành khách khác. 4
Các công ty ô tô Đà Nẵng và Trường Hải đã sản xuất và lắp ráp các ô tô khách cỡ 24 - 45 chỗ ngồi với sản lượng hàng năm bán ra từ 500 - 1000 xe các loại. Đó là những cơ sở sản xuất rất có tín nhiệm tại thị trường miền Trung. Tổng công ty SAMCO (Sài Gòn) sản xuất và lắp ráp các loại ô tô khách cỡ 24 - 45 chỗ ngồi và thử nghiệm sản xuất vỏ xe cỡ lớn 80 chỗ theo công nghệ của hãng Mercedes- Benz. Đây là một doanh nghiệp lớn đang có đà phát triển. Các xe do SAMCO sản xuất lắp ráp có tính năng kỹ thuật khá cao vì đều có nguồn gốc từ xe cơ bản của hãng Isuzu (Nhật bản) nên có sức cạnh tranh lớn, đặc biệt là ở thị trường phía Nam. Hai hãng liên doanh là Daewoo và Mercedes-Benz đều sản xuất các loại xe chở khách tiên tiến, rất được ưa chuộng ở các thành phố như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh. Đó là những xe có chất lượng cao, có sức cạnh tranh lớn về chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Mặc d đã có được những thành tựu đáng kể như trên, nhìn vào thực trạng thì có thể thấy tất cả các doanh nghiệp sản xuất ô tô chở khách trên đây thực chất chỉ là các cơ sở lắp ráp xe dựa trên các bộ 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. Với mức đầu tư về chất xám và trang thiết bị còn khiêm tốn, chất lượng của các sản phẩm của các cơ sở lắp ráp trong nước còn ở mức độ hạn chế. Tuy nhiên, đây là nguồn cung cấp ô tô chở khách chủ yếu cho thị trường trong nước hiện nay nhờ có ưu thế về giá thành. Như vậy, có thể thấy rằng vỏ xe ô tô khách trong nước vẫn được chế tạo theo công nghệ lạc hậu. 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 chưa nhận được sự quan tâm đầu tư của các nhà sản xuất. Trước tình hình trên, để những chiếc ô tô khách Việt Nam 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 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 Khí động học 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. 5
Hệ quả trực tiếp của sự tương tác trên là lực cản không khí làm gia tăng mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô, đặc biệt là ở vận tốc cao do lực này tỷ lệ với bình phương của vận tốc. Ngoài ra, lực nâng làm giảm khả năng bám đường, còn các mô men thì có thể gây nên hiệu ứng lật xe. Đây là những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn chuyển động. Để giảm tối đa những ảnh hưởng xấu nêu trên, cần có những nghiên cứu sâu về khí động học vỏ xe ngay trong quá trình thiết kế. 1.2.1 Khí động lực học và các thông số đặc trưng Đối tượng nghiên cứu của khí động học là dòng chảy quanh một vật cản đang chuyển động bằng phương pháp Ơ le với hệ tọa độ gắn với vật. Để đơn giản hóa phương pháp mô tả, người ta coi một vật chuyển động với vận tốc V trong môi trường không khí tĩnh tương đương với vật đứng yên trong dòng khí có vận tốc V. Hình 1.1 mô tả một vật cản nằm trong dòng chảy không khí với vận tốc ở đầu nguồn là U. Dòng chảy không khí tác dụng lên vật một lực F, được phân tích thành 2 thành phần Fx (lực cản) song song với phương chuyển động của dòng khí và Fz (lực nâng) là thành phần vuông góc với phương chuyển động. Các lực này được tính như sau: U 2 Fz F Fx  C x A (1.1) 2 U U 2 Fx Fz  C z A (1.2) 2 Hình 1.1- Các lực tác dụng lên vật nằm trong dòng chảy Trong đó: Fx là lực cản; Fz là lực nâng; Cx và Cz là các hệ số; - khối lượng riêng không khí; U- vận tốc chuyển động (m/s); A là diện tích cản chính diện (m2). Công thức 1.1 cho thấy hệ số Cx không có thứ nguyên, nó không đặc trưng cho một đại lượng vật lý nào mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật. Đây là thông số đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu khí động học. Công thức trên cũng cho thấy, để giảm lực cản của không khí lên vật đang chuyển động thì chỉ có cách duy nhất hợp lý là giảm hệ số Cx. Bởi vì, nếu giảm A thì sẽ giảm thể tích sử dụng làm ô tô trở nên chật chội. Nếu giảm U thì tốc độ chuyển động giảm làm năng suất vận chuyển giảm theo. Vì vậy, tất cả các nỗ lực trong nghiên cứu khí động học ô tô ngày nay tập trung chủ yếu vào việc cải thiện hình dáng khí động học vỏ xe nhằm giảm thiểu Cx. 6