NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MUI GIÓ ĐẾN LỰC CẢN
KHÔNG KHÍ TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ TẢI CHUYỂN ĐỘNG THẲNG
RESEARCH ON THE EFFECT OF WIND GUSTS ON DRAG FORCE
OF TRUCKS IN STRAIGHT-LINE MOTION
ThS. Lê Minh Đức*
Trường Đại học Hòa Bình
*Tác giả liên hệ: lmduc@daihochoabinh.edu.vn
Ngày nhận:
Ngày nhận bản sửa:
Ngày duyệt đăng:
Tóm tắt
Mui gió ô tô tải, thường xuất hiện nhiều trên những chiếc xe hiệu năng cao và
tốc độ lớn, được thiết kế nhằm giảm lực cản chính diện của không khí lên ô tô tải khi
xe chuyển động với tốc độ cao, nhất là với những ô tô tải có kích thước bao lớn.
Những năm gần đây, với điều kiện đường sá và chất lượng phương tiện đã được nâng
lên dẫn đến tốc độ lưu thông của xe trên đường được nâng cao cho nên rất cần quan
tâm đến lực cản không khí tác dụng lên xe. Nghiên cứu này sẽ tiến hành mô phỏng,
đánh giá ảnh hưởng của mui gió đến lực cản không khí nhằm tìm ra hình dáng phù
hợp, giảm hệ số cản không khí lên xe khi chuyển động thẳng. Từ đó làm cơ sở cho
những nghiên cứu mở rộng sau này.
Từ khóa: Mui gió, khí động học, lực cản chính diện, hệ số cản không khí.
ABSTRACT
Truck wind deflectors, commonly featured on high-performance, high-speed
trucks, are designed to reduce the frontal aerodynamic drag acting on trucks,
particularly those with larger dimensions. In recent years, improvements in road
conditions and vehicle quality have led to increased driving speeds, making
aerodynamic drag an even more critical factor. This study simulates and evaluates the
impact of wind deflectors on aerodynamic drag with the goal of identifying an optimal
design that minimizes the drag coefficient during straight-line motion. This finding has
the potential to catalyze further exploration and development in future studies.
Keywords: Wind deflector; computational fluid dynamics (CFD); drag force; drag
coefficient.
1. GIỚI THIỆU
Hiệu suất sử dụng nhiên liệu, khả năng tăng tốc, bám đường và tính năng ổn định
của những chiếc xe tốc độ cao bị ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố khí động học. Trong đó
lực cản của gió liên quan đến kích thước, hình dáng khí động học, kết cấu vỏ xe và tốc
độ chuyển động. Đây là loại lực cản phức tạp cần phải nghiên cứu làm giảm thiểu tối
đa khi ô tô chuyển động, nhằm tăng hiệu suất và giảm tối đa tiêu hao nhiên liệu.
Lực khí động học bao gồm : Lực nâng có phương vuông góc với vectơ vận tốc,
chiều hướng lên trên; Lực cản cùng phương ngược chiều với vectơ vận tốc; Lực nén
cùng phương ngược chiều với lực nâng có tác dụng làm tăng tải trọng trên các bánh xe
từ đó giúp tăng độ bám đường của lốp.
Hình 1. Các lực tác dụng lên ô tô trong dòng chảy
Vậy nếu giả thiết dòng chảy không khí tác dụng lên ô tô một lực F, được phân thành
2 thành phần Fx (Lực cản) và Fz (Lực nâng) được xác định theo công thức (1) và (2).
Cho thấy, để giảm lực cản của không khí lên ô tô đang chuyển động thì chỉ có thể
giảm hệ số lực cản Cx.
Trong nghiên cứu khí động học, có 2 thông số quan trọng đặc trưng dòng chảy
không khí là số Reynolds, công thức (3) và số Mach, công thức (4):
𝐹𝑥=𝐶𝑥𝐴ρ𝑈∞
2
2
(1)
𝐹𝑧=𝐶𝑧𝐴ρ𝑈∞
2
2
(2)
Trong đó,
Fx: Lực cản (N);
Fz: Lực nâng (N);
ρ: Mật độ không khí (kg/m3);
U∞: Vận tốc chuyển động (m/s);
Cx: Hệ số lực cản;
Cz: Hệ số lực nâng;
A: Diện tích cản chính diện (m2).
Số Reynolds:
𝑅𝑒=ρ∞𝑈∞𝐿
∞
(3)
Trong đó,
Số Mach:
𝑀=𝑈∞
𝑎∞
(4)
Trong đó,
Chỉ số “∞” trong các công thức trên thể hiện thông số được lấy ở vùng không khí
cách xa vật chuyển động và không chịu ảnh hưởng của vật này.
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 Cx cũng được chia thành hai thành phần trong công thức
(5)
𝐶𝑥=𝐶𝑚𝑠+𝐶𝑐𝑎
(5)
Nếu như thành phần cản do ma sát phụ thuộc chủ yếu vào độ nhám bề mặt của vỏ
xe thì thành phần cản do chênh áp lại phức tạp hơn rất nhiều. Nó phụ thuộc chủ yếu
vào hình dạng khí động học của vật cản. Như vậy, giảm Cx đồng nghĩa với việc cải
thiện hình dạng khí động học của ô tô.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Phương trình tổng quát về khí động học
Phương trình Navier-Stokes được sử dụng để mô tả dòng chảy của chất lỏng không
chịu nén [1], được viết dưới dạng một hệ gồm 3 phương trình: phương trình bảo toàn
khối lượng, phương trình bảo toàn động lượng và phương trình bảo toàn năng lượng.
Các nghiên cứu về khí động học ô tô đã chỉ ra rằng, dòng khí bao quanh ô tô là dòng
chảy dưới âm với M < 0.3, nên có thể chấp nhận giả thiết là chất khí không chịu nén
[2]. Khi đó, bài toán khí động học chỉ còn lại hai phương trình: phương trình bảo toàn
khối lượng và phương trình bảo toàn động lượng. Các phương trình này có thể được
viết dưới nhiều dạng khác nhau. Dưới dạng véc tơ, các phương trình mô tả khí động
học ô tô dưới dạng véc tơ được viết như sau:
Phương trình bảo toàn khối lượng:
𝑑𝑖𝑣 𝑢
󰇍
=0
(6)
Phương trình bảo toàn động lượng:
𝑑𝑢
󰇍
𝑑𝑡=𝐹 −1
𝑔𝑟𝑎𝑑𝑝+𝑣Δ𝑢
󰇍
(7)
Trong đó,
𝑢
󰇍
: Vận tốc;
ρ: Khối lượng riêng của không khí;
p: Áp suất;
𝐹 : Lực thể tích;
ν: Độ nhớt động học của không khí
2.2. Hệ phương trình mô tả dòng chảy
Hệ phương trình (8) mô tả dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe ô tô
{𝑑𝑖𝑣 𝑢
󰇍
=0
𝑑𝑢
󰇍
𝑑𝑡=𝐹 −1
𝑔𝑟𝑎𝑑𝑝+𝑣Δ𝑢
󰇍
(8)
Khai triển (8) trong hệ tọa độ đề các viết gọn lại dưới dạng ten sơ được hệ phương
trình (9)
{𝑖𝑢𝑖=0
𝑖𝑢𝑖+𝑢𝑗𝑗𝑢𝑖=−1
𝑖𝑝+𝑣𝑗2𝑢𝑖
(9)
Nếu thay các thành phần vận tốc và áp suất trên vào phương trình (9) sẽ thu được
các phương trình ở dạng trung bình hóa [3]. Các phương trình này còn được gọi là
phương trình Reynolds Navier – Stokes (RANS) trung bình hóa
iui
+uj
jui
=−1
ip+1
j(ij−ui,uj,
)
(10)
Mô hình shear-stress transport k-omega [4] được chọn để mô phỏng dòng chảy rối
bao quanh vỏ xe tải. Như vậy hệ phương trình sẽ gồm phương trình (10) và 2 phương
trình bổ sung sau.
𝑡𝑘+𝑢𝑗
𝑗𝑘=𝑗(𝑘𝑖𝑘)+𝐺𝑘
−𝑌𝑘+𝑆𝑘
(11)
𝑡+𝑢𝑗
𝑗=𝑗(𝑖)+𝐺−𝑌+𝐷+𝑆
(12)
Trong đó,
𝐺𝑘
: Đặc trưng cho sự hình thành động năng do gradient vận tốc;
𝐺: Đặc trưng cho sự hình thành dòng rối;
𝑘: Đặc trưng cho sự khuếch tán của k;
: Đặc trưng cho sự khuếch tán của ;
𝑌𝑘: Đặc trưng cho sự tán xạ của k trong dòng chảy;
𝑌: Đặc trưng cho sự tán xạ của trong dòng chảy;
𝐷: Đặc trưng cho sự khuếch tán chéo;
𝑆𝑘 và 𝑆: thông số do người sử dụng lựa chọn [5]
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Mô hình xe tải thực hiện tính toán
Mô hình xe tải được sử dụng trong nghiên cứu này là mẫu xe FOTON - THACO
OLLIN500.E4-CS lắp thùng kín, có kích thước bao lớn tốc độ cao vận chuyển hàng
hóa đường dài là đối tượng phù hợp với nghiên cứu. Mô hình vỏ xe là tuyệt đối cứng,
không xảy ra sự biến dạng của vỏ xe trong suốt quá trình mô phỏng. Bỏ qua quá trình
trao đổi nhiệt giữa vỏ xe và không khí. Bề mặt vỏ xe là bề mặt nhẵn bỏ qua gương
chiếu hậu, gạt mưa, các gân, gờ, khe rãnh, ăng ten, tay nắm cửa,…. Vận tốc dòng khí
tải đầu vào của không gian mô phỏng có hướng song song với trục dọc của xe, thổi từ
đầu xe tới đuôi xe và có giá trị không đổi trong quá trình mô phỏng. Vận tốc không khí
tại bề mặt vỏ xe và bề mặt giới hạn của vùng không gian mô phỏng bằng 0 m/s.
(a)
(b)
Hình 2. Mô hình xe FOTON - THACO OLLIN500.E4-CS (a) không lắp mui gió, (b)
lắp mui gió
3.2. Phương pháp nhiên cứu
Nghiên cứu thực hiện phương pháp tính toán Động lực học chất lưu CFD với
phương trình RANS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên nguyên lý [5].
Đây là một trong những phương pháp được sử dụng để giải các phương trình đạo hàm
riêng và được ứng dụng nhiều trong các bài toán động lực học chất lỏng. Phân chia
miền chất lỏng, khí thành các vùng thể tích riêng biệt, sau đó giải phương trình RANS
và các định luật bảo toàn trong mỗi ô lưới tính toán, độ chính xác của mô phỏng chủ
yếu được xác định bởi chất lượng lưới được chia và các mô hình dòng rối. Mô hình
dòng chảy rối shear-stress transport k-omega được sử dụng để thực hiện tính toán.
Miền không gian tính toán là vùng không gian bao quanh vật thể được giới hạn bởi
những thông số được tính toán trong quá trình mô phỏng. Miền tính toán cần phải có
kích thước cụ thể và đủ lớn được giới hạn bởi các mặt phẳng để đảm bảo dòng không
khí không bị tác động bởi mô hình nghiên cứu và không lọt khí ra bên ngoài. Tuy
nhiên, ta cũng không thể lựa chọn miền quá rộng và lớn dẫn đến làm lãng phí tài
nguyên máy tính, tăng lượng thời gian mô phỏng.