intTypePromotion=1
ADSENSE

Nghiên cứu tính toán hệ số khí động học trên xe ô tô tải

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

30
lượt xem
1
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày một nghiên cứu khí động học cho xe tải bằng phần mềm chuyên dụng Hyperwork, kết quả của nghiên cứu là áp suất, vận tốc của dòng khí bao quanh xe và hệ số cản chính diện của xe, làm cơ sở cho bài toán thiết kế khung vỏ xe tải.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu tính toán hệ số khí động học trên xe ô tô tải

  1. LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Nghiên cứu tính toán hệ số khí động học trên xe ô tô tải Research calculating of truck aerodynamic coefficient Nguyễn Đình Cương, Lê Đức Thắng Email: nguyencuong1111980@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 09/7/2020 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 30/9/2020 Ngày chấp nhận đăng: 30/9/2020 Tóm tắt Nghiên cứu khí động học là một vấn đề cần thiết trong quá trình thiết kế và nghiên cứu phát triển ô tô nói chung và ô tô tải nói riêng. Trong quá trình làm việc của ô tô, ảnh hưởng khí động học có thể làm giảm hiệu suất của ô tô, tăng tiêu hao nhiên liệu hoặc ổn định chuyển động. Khi nghiên cứu khí động học ô tô, người ta thường sử dụng các ống khí động (hầm gió) để nghiên cứu khí động lực học nhằm đạt kết quả sát với thực tế. Tuy nhiên, để kết quả được như vậy thì các ống khí động phải có kích thước lớn và chi phí cho thiết bị và vận hành cao. Do đó, trong nghiên cứu phát triển, các hãng thường dùng phương pháp mô phỏng số trên cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn bằng các phần mềm chuyên dụng. Bài báo trình bày một nghiên cứu khí động học cho xe tải bằng phần mềm chuyên dụng Hyperwork. Kết quả của nghiên cứu là áp suất, vận tốc của dòng khí bao quanh xe và hệ số cản chính diện của xe, làm cơ sở cho bài toán thiết kế khung vỏ xe tải. Từ khoá: Khí động học; các hệ số cản khí động; hyperworks acusolve; virtual wind tunnel. Abstract Aerodynamic research is an essential issue in the process design of researching and developing auto- mobiles and trucks. Automotive performance, aerodynamic effects can impair its performance, increase fuel consumption, or stabilize motion. When researching automotive aerodynamics, people often use aerodynamic tunnels (wind tunnels) to study aerodynamics to achieve results close to reality. However, to achieve this result, the aerodynamic tubes must be large and cost for the equipment and high to speed. Therefore, in research and development, firms often use numerical simulation methods based on the theory of finite element method by specialized software. The paper presents an aerodynamic study for trucks using the dedicated Hyperwork software. The results of the study are the pressure, velocity of the airflow surrounding the vehicle and the main drag coefficient of the vehicle, which is the basic for the truck chassis design problem. Keywords: Aerodynamics; drag and lift coefficients; hyperworks acusolve; virtual wind tunnel. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ nghiệm. Chuyên ngành này có nhiều ứng dụng. Khí động lực học là môn học nghiên cứu về dòng Ví dụ như nó là nền tảng cho việc thiết kế máy bay, chảy của chất khí, được nghiên cứu đầu tiên bởi nghiên cứu vỏ ô tô, và ứng dụng rộng rãi trong xe George Cayley vào thập niên 1800. Giải pháp cho đua. Trong ngành ô tô, việc nghiên cứu khí động các vấn đề khí động lực học dẫn đến các tính toán đối với các loại xe con hay xe F1 bằng phần mềm về tính chất khác nhau của dòng chảy, như vận Hyperworks được thực hiện khá nhiều nhưng đối tốc, áp suất, mật độ và nhiệt độ, như là các hàm với các loại xe vận tải hay xe khách là chưa nhiều. của không gian và thời gian. Khi hiểu được các Khi nghiên cứu phân tích khí động trên xe tải cỡ tính chất này của chất khí, người ta có thể tính nhỏ cho phép đánh giá hướng dòng chảy của các toán chính xác hay xấp xỉ các lực và các mô men dòng khí phân bổ lên xe, áp suất khí xung quanh lực lên hệ thống dòng chảy. Khí động lực học sử xe. Từ đó có thể đánh giá được ảnh hưởng của nó dụng các phân tích toán học và các kết quả thực đến hiệu suất của xe hay ảnh hưởng đến các đối tượng bên ngoài trong môi trường giao thông, hay ảnh hưởng của các dòng khí đến khả năng tạo bụi Người phản biện: 1. PGS. TS. Trần Văn Như khi di chuyển trên đường. Đây chính là cơ sở trong 2. TS. Vũ Hoa Kỳ quá trình thiết kế hình dạng của xe tốt hơn [1]. Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 51
  2. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU ì¶ ¶ ¶ éæ µ ö ¶k ù Các nhà nghiên cứu đã đưa ra rất nhiều mô hình ï ( rk ) + ( r kui ) = êç µ + t ÷ ú ï ¶t ¶xi ¶x j ëêè sk ø ¶x j ûú tính toán để mô phỏng bài toán khí động học, trong ï đó có một số mô hình hay được sử dụng như được ïï+Gk + Gb - re - YM + Sk ö ¶e ù (2) mô tả tóm tắt dưới đây. í¶ (2) ¶ ¶ éæ µ ï ( re ) + ( re ui ) = êç µ + t ÷ ú Mô hình Spalart - Allmaras sk ï ¶t ¶xi ¶x j êëè ø ¶x j úû Là dạng mô hình tính toán có một phương trình ï ï +C e ( G + C G ) - C r e + S 2 chuyển đổi theo độ nhớt động học của dòng xoáy, ïî 1e k k 3e b 2e e k mô hình mô phỏng việc tạo thành các lớp của dòng Trong đó: khí mà không bị ảnh hưởng bởi chiều dài mô hình tính toán. Mô hình này thường được sử dụng để mt: Độ nhớt rối; mô phỏng điều kiện của tường bao quanh có độ Gk: Thể hiện sự phát sinh năng lượng động học rối nhớt và tính toán trong điều kiện số Reynolds nhỏ. do gradien vận tốc trung bình; Gb: Sự phát sinh năng lượng động học do sức nổi; Phương trình chuyển đổi của mô hình tính toán có dạng: YM: Thể hiện sự dãn nở biến đổi trong dòng chảy rối nén được; ¶ ¶ ( r v! ) + ( r vu ! i ) = Gv + C1e, C2e: Các hằng số (C1e= 1,44; C2e= 1,92); ¶t ¶xi C3e: Thể hiện mức độ chịu ảnh của e vào sức nổi; 1 é ¶ ì ï ¶v! ü ï ê í( µ + r v! ) ý (1) sk, se: Hệ số rối của k và e (sk=1; se=1,3); s v! ê ë ¶x j ï î ¶xj ï þ Sk, Se: Hàm do người dùng định nghĩa phụ thuộc æ ¶v! ö 2 ù + Cb 2 r ç ÷ ú - Yv + S v! điều kiện bài toán. ç ¶x ÷ ú è j ø û Mô hình k-ω Trong đó: Dựa trên nghiên cứu của tiến sỹ D.C.Wilcosx (Mỹ) Gν: Năng lượng sinh ra của độ nhớt rối; năm 1998, các nhà nghiên cứu đã đưa ra mô hình Yν: Sự biến đổi của độ nhớt rối xuất hiện gần tường; k-ω tính toán với số Reynolds nhỏ, dòng chảy nén σν và Cb2: Các hằng số; được và các dòng chảy dịch chuyển trên diện rộng. ν: Độ nhớt động học; Mô hình tính toán đưa ra tỷ lệ dịch chuyển tự do của dòng chảy theo các giá trị đo được ở các vị Sν: Thông số do người dùng định nghĩa theo điều trí xa biên, các vị trí mà có dòng trộn lẫn, các mặt kiện đầu. phẳng bao quanh hay tại tâm của dòng chảy, từ Mô hình k-e đó, tính toán và suy ra toàn bộ mô hình dòng chảy. Do đo, mô hình tính toán k-ω dùng cho mô hình Là mô hình dòng rối đơn giản nhất ở dạng hoàn mô phỏng dòng chảy có các lớp dịch chuyển tự do chỉnh với 2 phương trình mô tả được giải độc lập trên biên. dựa trên phương trình chuyển đổi của vận tốc rối và tỷ lệ chiều dài độ rối. Mô hình tính toán có đặc Phương trình chuyển đổi mô hình tính toán gồm điểm đơn giản, tiết kiệm thời gian và có độ chính hai phương trình năng lượng động học rối (k) và tỷ xác vừa phải, nhưng do tính toán cho độ rối của lệ khuếch tán riêng (ω): dòng chảy trong một khoảng rộng (Reynolds biến đổi lớn) nên mô hình này được ứng dụng rộng rãi ì¶ ¶ ¶ æ ¶k ö ï ( rk ) + ( r kui ) = çç G k ÷÷ trong việc tính toán các bài toán trong công nghiệp. ï ¶t ¶xi ¶x j è ¶x j ø Đây là mô hình tính toán bán thực nghiệm rút ra từ ï các phương trình lý thuyết kết hợp với thực nghiệm ï+Gk - Yk + S k í (3) dựa trên kinh nghiệm của người nghiên cứu. Phân ï¶ ¶ ¶ é ¶w ù tích các điểm mạnh và yếu của mô hình tính toán, ï ¶t ( rw ) + ¶x ( rwui ) = ¶x êGw ¶x ú ta lựa chọn mô hình mô phỏng sao cho phù hợp ï i j ê ë j ú û với yêu cầu đặt ra. ï +G - Y + S î w w w Mô hình này áp dụng việc giải độc lập hai phương Trong đó: trình chuyển đổi: năng lượng động học rối (k) và tỷ lệ khuếch tán (e): Gk: Thể hiện sự phát sinh năng lượng động học rối. 52 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020
  3. LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Gω: Năng lượng tổng hợp theo tỷ lệ khuếch tán riêng; DT,ij: Hàm khuếch tán độ rối; Γk , Γω : Hàm ảnh hưởng của k và ω; DL,ij: Hàm khuếch tán phân tử; Yk , Yω : Hàm tiêu tán của k và ω; Pij: Hàm ảnh hưởng của ứng suất; Sk , Sω : Giá trị do người dùng định nghĩa phụ thuộc Gij: Hàm ảnh hưởng của sức nổi; điều kiện bài toán. φij: Hàm trạng thái áp suất; Mô hình Reynolds Stress (RSM) εij: Hàm tiêu tán; Đây là mô hình rối đầy đủ nhất đang được dùng Fij: Hàm ảnh hưởng bởi độ xoay của hệ thống; để mô phỏng dòng chảy. Với giả thiết bỏ qua tính Suser: Hàm do người dùng định nghĩa theo điều kiện đẳng hướng của độ nhớt rối, mô hình tính toán bài toán. được mô phỏng gần sát với phương trình Navier- Ngoài ra, chúng ta còn có các mô hình toán học Stokes theo số Reynolds trung bình, thông qua các khác xuất phát từ phương trình tổng quát Navier phương trình chuyển đổi cùng với một hàm tiêu - Stokes như: mô hình mô phỏng xoáy tách rời tán. Do đó, với mô hình 2D mô hình RSM có 5 (DES - Detached Eddy Simulation) hay mô hình phương trình chuyển đổi và 7 phương trình chuyển mô phỏng xoáy lớn (LES - Large Eddy Simulation). đổi với mô hình 3D. Đây là các mô hình sử dụng số Reynolds rất lớn Mô hình RSM mô tả được ảnh hưởng của dòng để mô phỏng các bài toàn thực tế, tính toán theo chảy bị uốn cong, xoáy hoặc chuyển hướng đột giá trị thực tế và thông qua rất nhiều các điều kiện ngột theo một tỷ lệ tính toán chặt chẽ, nên mô tả rằng buộc, nên khối lượng tính toán theo các mô rất hiệu quả với các bài toán dòng chảy phức tạp. hình này là rất lớn (như trong khảo sát mô hình Tuy nhiên, do có nhiều biến đổi, nên việc tính toán khí động học xe container bên trên, tác giả giải với bị hạn chế bởi các giả thiết áp dụng cho mô hình mô hình hơn 200 triệu phần tử, dùng mô hình tính rất khó mô tả. Hơn nữa, với mô hình đơn giản, việc toán LES). tính toán theo mô hình RSM rất mất thời gian mà Trong bài báo này nhóm tác giả sử dụng thuật kết quả đưa ra không khác nhiều so với mô hình giải của mô hình dòng rối k - epsilon. Để đảm bảo tính toán đơn giản. Vậy mô hình tính toán RSM dòng khí chuyển động gần vỏ xe trong quá trình mô phỏng rất tốt các mô hình vô hướng như: mô mô phỏng phù hợp với dòng khí chuyển động trong hình lốc xoáy, các dạng xoáy lớn trong động cơ đốt thực tế nhóm tác giả lựa chọn điều kiện hàm tường trong, đổi hướng dòng chảy,… Non - Equilibrium Wall Functions. Mô hình chuyển đổi của RSM có dạng sau: 3. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC CỦA ¶ ¶ XE TẢI ¶t ( r ui'u 'j + !"#"$ !" ¶x ) ( r uk ui'u 'j ) Đối tượng xe được nghiên cứu trong bài báo là loại k "#"" $ Cij xe tải nhỏ Tata TT1105T (hình 1). ¶ é ' ' ' = r ui u j uk + p (d kj ui' + d ik u 'j ) ùú ¶xk êë û !""""" "#"""""" $ DT ,ij ¶ é ¶ ù é ¶ui ¶ui ù + êµ ¶xk ë ¶xk û ( ) ui'u 'j ú - r êui'uk' ë ¶xk + u 'j uk' ú (4) ¶xk û (4) !"" "#""" $ !""""#""""$ DL ,ij Pij æ ¶u ' ¶u ' ö - rb é gi u 'jq + g j ui'q ù + r ç j + i ÷ !""ë "#""" $ û ç ¶x ¶xi ÷ø !"è "#"" j $ Gij fij Hình 1. Mô hình 3D của xe tải æ ¶u ¶u ö' ' j Quá trình xây dựng mô hình và giải bài toán khí - 2µ ç i -2 rW k u 'j um' Îikm +ui'um' Î jkm + S user ç ¶x ¶x ÷÷ !"""" "#""""" $ động được thực hiện theo các bước sau: !" è"#"" k k ø $ !"""" Îij Îij "#""""" $ - Khởi động phần mềm và nhập mô hình. Fij Trong đó: - Chỉnh sửa mô hình. T: Hàm dẫn xuất thời gian cục bộ; - Chia lưới. Cij : Hàm đối lưu; - Thiết lập điều kiện biên và vận hành. Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 53
  4. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - Giải. Thông số điều kiện biên: - Xử lý kết quả. + Vận tốc: 27 m/s Thông số lưới: + Khối lượng riêng không khí: 1.225 kg/m3 + Số node 1.336.979 + Kiểu dòng chảy: Liên tục + Số phần tử 3.825.367 + Số bước lặp: 30 + Số lớp bao: 3. 4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG + Số lớp thay đổi mesh: 3. Hình 2. Mô hình lưới của xe Mô hình CAD khá lớn, do đó để giảm thiểu khối lượng tính toán, nhóm tác giả đã hiệu chỉnh lại để tăng khả năng hội tụ của bài toán [3,4,5]. Hình 5. Áp suất của dòng khí xung quanh xe a. Phân bố áp xuất xung quanh xe; b. Phân bố áp xuất theo phương x Nhận xét Áp suất cao tập trung nhiều ở khu vực chính diện đầu xe, ngoài ra tại vị trí uốn trên nóc xe cũng xuất Hình 3. Nhập mô hình phần tử hữu hạn vào phần hiện ứng suất lớn. Ứng suất nhỏ xuất hiện xung mềm Virtual Wind Tunnel AcuSolve quanh xe khi di chuyển được biểu hiện bằng màu xanh lục. Hình 6. Phân bố vận tốc của dòng chảy khí động quanh ô tô Nhận xét Ta thấy khu vực nóc xe là khu vực có sự chênh lệch về vận tốc chuyển động cũng như có các điểm tạo ra các chuyển động bất thường của dòng khí. Hình 4. Thiết lập điều kiện biên bài toán Về phía dọc thân xe, hướng chuyển động của dòng 54 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020
  5. LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC khí ở phía cản trước của xe. Dòng khí rối loạn ở Trong trường hợp này, đối với hệ số nâng của xe đăng sau tấm cản chữ U và hướng chuyển động CL = -0,05, điều đó chứng tỏ thiết kế xe có lực ép của dòng khí là hướng xuống mặt đường. xuống mặt đường lớn hơn so với lực nâng, điều này phù hợp với các dòng xe tải, do thiết kế kính chắn gió chéo và khoảng sáng gầm xe cao, nên khi di chuyển không tạo vùng áp suất cao dưới gầm xe làm tăng lực nâng. 4. KẾT LUẬN Bài báo nghiên cứu về khí động học xe tải, đã xây dựng mô hình xe tải nhỏ theo một mẫu có sẵn trên thị trường TT1105T, nhằm mục đích mô phỏng khí động học bao quanh xe tải, phân tích tính chất hội tụ của bài toán về dòng chảy để làm cơ sở cho các Hình 7. Đánh giá hệ số y+ nghiên cứu khác liên quan tới khí động học. Hệ số y+ thường được sử dụng để mô tả mức độ Bài báo đã phân tích các vùng áp suất và vận tốc thô hoặc mịn của lưới đối với một mô hình dòng khác nhau của vùng khí động tác động lên khung chảy cụ thể. Để hiểu rõ hơn, người đọc có thể tham vỏ xe tải, đó là nguyên nhân gây chính gây nên khảo về lý thuyết lớp biên dòng chảy. các tổn thất về lực cản khí động và lực nâng, ảnh Trong Virtual Wind Tunnel hỗ trợ người dùng thiết hướng tới khả năng chuyển động và ổn định của lập vùng lưới lớp biên để mô tả gần đúng nhất có xe, đặc biệt ở vùng tốc độ cao. thể sự biến động đột ngột vận tốc dòng khí bao Bài báo cùng phân tích tính hội tụ của mô hình quanh xe. thông qua việc thử nghiệm các chu trình lặp, kết quả hội tụ được khẳng định khi không có nhiều biến đổi trên các hệ số khí động đầu ra. Cụ thể đã tính toán ra hệ số cản và hệ số nâng khí động lần lượt là xấp xỉ 0,4 và -0,05, kết quả phù hợp với lý thuyết và đáng tin cậy. Việc nghiên cứu khí động học và một bài toán phức tạp, đòi hỏi nghiên cứu chuyên sâu về dòng chảy ở các trạng thái khác nhau, bước đầu bài báo chỉ dừng ở việc thiết kế một mô hình 3D hoàn thiện từ mẫu có sẵn, phân tích mô phỏng khí động học trong các điều kiện giới hạn máy móc cho phép. Trong các nghiên cứu tiếp theo, nhóm tác giả sẽ Hình 8. Đồ thị kết quả hệ số cản, hệ số nâng tính toán phát triển cải tiến mô hình cũng như ứng dụng hỗ theo số vòng lặp tính toán trợ cho các nghiên cứu khác về ổn định động lực Nhận xét học của ô tô. Để đánh giá mức độ hội tụ của bài toán, cần xét sự thay đổi của giá trị hệ số cản chính diện, hệ số nâng qua các vòng lặp. Theo đồ thị, các giá trị này TÀI LIỆU THAM KHẢO sau 30 vòng lặp không có sự thay đổi lớn. Do đó, [1] https://certification.altairuniversity.com. có thể kết luận bài toán hội tụ. [2] Trần Ích Thịnh, Ngô Như Khoa (2007), Nội dung khảo sát của bài báo là trường hợp xe đi Phương pháp phần tử hữu hạn. thẳng, lực ngang là nhỏ không đáng kể. Do đó kết [3] Hyperworks UserGuide Pascal Theissen quả mô phỏng không xét đến giá trị hệ số lực bên. (2012), Unsteady Vehicle Aerodynamics Hệ số cản khí động của xe tải Cd = 0,4 được mô in Gusty Crosswind, Doktor-Ingenieurs, phỏng trong bài toán là kết quả phù hợp với lý Technische universitat Munchen. thuyết cho các dòng xe tải có biên dạng đơn giản, với lực cản chính diện là hình vuông. Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 55
  6. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC [4] Y. E. William (2013), Investigation of crosswind [5] W.H.Hucho (1998), Aerodynamics of Road aerodynamics for road vehicles using CFD tech- Vehicles: From Fluid Mechanics to Vehicle En- nique, Eleventh International Conference of gineering, SAE International. Fluid Dynamics Alexandria, Egypt. THÔNG TIN TÁC GIẢ Nguyễn Đình Cương - Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2004: Tốt nghiệp Đại học, chuyên ngành Ô tô - máy kéo, Đại học Nông nghiệp I Hà Nội. + Năm 2009: Tốt nghiệp Thạc sĩ, chuyên ngành Cơ khí chế tạo, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. + Năm 2015: Tốt nghiệp Tiến sĩ, chuyên ngành Kỹ thuật xe, Trường Đại học Giao thông Tây Nam, Tứ Xuyên, Trung Quốc. - Tóm tắt công việc hiện tại: Phó Trưởng khoa, Giảng viên Khoa Ô tô, Trường Đại học Sao Đỏ. - Lĩnh vực quan tâm: Kết cấu ô tô, nhiên liệu, chẩn đoán ô tô, ma sát học, cơ khí ô tô. - Email: nguyencuong1111980@gmail.com. - Điện thoại: 0968900158. Lê Đức Thắng - Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2005: Tốt nghiệp Đại học, chuyên ngành Động lực tàu thủy, Trường Đại học Thủy sản Nha Trang. + Năm 2012: Tốt nghiệp Thạc sĩ, chuyên ngành Kỹ thuật Động cơ nhiệt, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. - Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên Khoa Ô tô Trường Đại học Sao Đỏ. - Các hướng nghiên cứu chính là: Nhiên liệu thay thế và khí xả động cơ. - Email: Ldt287@gmail.com. - Điện thoại: 0974123579. 56 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2