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

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, tĕng 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 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. 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 mô men lực lên hệ thống dòng chảy. Khí động lực học sử dụng các phân tích toán học và các kết quả thực nghiệm. Chuyên ngành này có nhiều ứng dụng. Ví dụ như nó là nền tảng cho việc thiết kế máy bay, nghiên cứu vỏ ô tô, và ứng dụng rộng rãi trong xe đua. Trong ngành ô tô, việc nghiên cứu khí động đối với các loại xe con hay xe F1 bằng phần mềm Hyperworks được thực hiện khá nhiều nhưng đối với các loại xe vận tải hay xe khách là chưa nhiều. Khi nghiên cứu phân tích khí động trên xe tải cỡ nhỏ cho phép đánh giá hướng dòng chảy của các dòng khí phân bổ lên xe, áp suất khí xung quanh xe. Từ đó có thể đánh giá được ảnh hưởng của nó 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 nĕng tạo bụi khi di chuyển trên đường. Đây chính là cơ sở trong quá trình thiết kế hình dạng của xe tốt hơn [1]. Người phản biện: 1. PGS. TS. Trần Văn Như 2. TS. Vũ Hoa Kỳ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 52 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU Các nhà nghiên cứu đã đưa ra rất nhiều mô hình tính toán để mô phỏng bài toán khí động học, trong đó có một số mô hình hay được sử dụng như được mô tả tóm tắt dưới đây. Mô hình Spalart - Allmaras Là dạng mô hình tính toán có một phương trình chuyển đổi theo độ nhớt động học của dòng xoáy, mô hình mô phỏng việc tạo thành các lớp của dòng khí mà không bị ảnh hưởng bởi chiều dài mô hình tính toán. Mô hình này thường được sử dụng để mô phỏng điều kiện của tường bao quanh có độ nhớt và tính toán trong điều kiện số Reynolds nhỏ. Phương trình chuyển đổi của mô hình tính toán có dạng: ( ) ( ) 2 2 1 ( ) i v i v j j b v v j v vu Gt x vvx x vC Y Sxr r r µ rs ¶ ¶ + = +¶ ¶ é ì ü¶ ¶ï ï +ê í ý¶ ¶ï ïê î þë ùæ ö¶ ú+ - +ç ÷ç ÷¶ úè ø û ! ! ! ! !! ! Trong đó: G ν: Nĕng lượng sinh ra của độ nhớt rối; Yν: Sự biến đổi của độ nhớt rối xuất hiện gần tường; σν và Cb2: Các hằng số; ν: Độ nhớt động học; Sν: Thông số do người dùng định nghĩa theo điều kiện đầu. Mô hình k-e Là mô hình dòng rối đơn giản nhất ở dạng hoàn chỉnh với 2 phương trình mô tả được giải độc lập dựa trên phương trình chuyển đổi của vận tốc rối và tỷ lệ chiều dài độ rối. Mô hình tính toán có đặc điểm đơn giản, tiết kiệm thời gian và có độ chính xác vừa phải, nhưng do tính toán cho độ rối của dòng chảy trong một khoảng rộng (Reynolds biến đổi lớn) nên mô hình này được ứng dụng rộng rãi trong việc tính toán các bài toán trong công nghiệp. Đây là mô hình tính toán bán thực nghiệm rút ra từ các phương trình lý thuyết kết hợp với thực nghiệm dựa trên kinh nghiệm của người nghiên cứu. Phân tích các điểm mạnh và yếu của mô hình tính toán, ta lựa chọn mô hình mô phỏng sao cho phù hợp với yêu cầu đặt ra. Mô hình này áp dụng việc giải độc lập hai phương trình chuyển đổi: nĕng lượng động học rối (k) và tỷ lệ khuếch tán (e): Trong đó: m t : Độ nhớt rối; G k : Thể hiện sự phát sinh nĕng lượng động học rối do gradien vận tốc trung bình; G b : Sự phát sinh nĕng lượng động học do sức nổi; Y M : Thể hiện sự dãn nở biến đổi trong dòng chảy rối nén được; C1e, C2e: Các hằng số (C1e= 1,44; C2e= 1,92); C3e: Thể hiện mức độ chịu ảnh của e vào sức nổi; s k , s e : Hệ số rối của k và e (s k =1; s e =1,3); S k , S e : Hàm do người dùng định nghĩa phụ thuộc điều kiện bài toán. Mô hình k-ω Dựa trên nghiên cứu của tiến sỹ D.C.Wilcosx (Mỹ) nĕm 1998, các nhà nghiên cứu đã đưa ra mô hình k-ω tính toán với số Reynolds nhỏ, dòng chảy nén được và các dòng chảy dịch chuyển trên diện rộng. Mô hình tính toán đưa ra tỷ lệ dịch chuyển tự do của dòng chảy theo các giá trị đo được ở các vị trí xa biên, các vị trí mà có dòng trộn lẫn, các mặt phẳng bao quanh hay tại tâm của dòng chảy, từ đó, tính toán và suy ra toàn bộ mô hình dòng chảy. Do đo, mô hình tính toán k-ω dùng cho mô hình mô phỏng dòng chảy có các lớp dịch chuyển tự do trên biên. Phương trình chuyển đổi mô hình tính toán gồm hai phương trình nĕng lượng động học rối (k) và tỷ lệ khuếch tán riêng (ω): ( ) ( ) ( ) ( ) i k i j j k k k i i j j kk kut x x x G Y S ut x x x G Y S w w w w r r wrw rw ì æ ö¶ ¶ ¶ ¶ + = Gï ç ÷ç ÷¶ ¶ ¶ ¶ï è øï + - +ïí é ù¶ ¶ ¶ ¶ï + = Gê úï¶ ¶ ¶ ¶ê úë ûïï+ - +î (3) Trong đó: G k : Thể hiện sự phát sinh nĕng lượng động học rối. (1) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 1 3 2 (2) t i i j k j k b M k t i i j k j k b kk kut x x x G G Y S ut x x x C G C G C Sk ke e e e µr r µ s re µ ere re µ s e er ì é ùæ ö¶ ¶ ¶ ¶ + = +ï ê úç ÷¶ ¶ ¶ ¶ê úï è øë ûï + + - - +ïïí é ùæ ö¶ ¶ ¶ ¶ + = +ï ê úç ÷¶ ¶ ¶ ¶ï ê úè øë ûïï+ + - +ïî (2) LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 53Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 Gω: Nĕng lượng tổng hợp theo tỷ lệ khuếch tán riêng; Γ k , Γω : Hàm ảnh hưởng của k và ω; Y k , Yω : Hàm tiêu tán của k và ω; S k , Sω : Giá trị do người dùng định nghĩa phụ thuộc điều kiện bài toán. Mô hình Reynolds Stress (RSM) Đây là mô hình rối đầy đủ nhất đang được dùng để mô phỏng dòng chảy. Với giả thiết bỏ qua tính đẳng hướng của độ nhớt rối, mô hình tính toán được mô phỏng gần sát với phương trình Navier- Stokes theo số Reynolds trung bình, thông qua các phương trình chuyển đổi cùng với một hàm tiêu tán. Do đó, với mô hình 2D mô hình RSM có 5 phương trình chuyển đổi và 7 phương trình chuyển đổi với mô hình 3D. Mô hình RSM mô tả được ảnh hưởng của dòng chảy bị uốn cong, xoáy hoặc chuyển hướng đột ngột theo một tỷ lệ tính toán chặt chẽ, nên mô tả rất hiệu quả với các bài toán dòng chảy phức tạp. Tuy nhiên, do có nhiều biến đổi, nên việc tính toán bị hạn chế bởi các giả thiết áp dụng cho mô hình rất khó mô tả. Hơn nữa, với mô hình đơn giản, việc tính toán theo mô hình RSM rất mất thời gian mà kết quả đưa ra không khác nhiều so với mô hình tính toán đơn giản. Vậy mô hình tính toán RSM mô phỏng rất tốt các mô hình vô hướng như: mô hình lốc xoáy, các dạng xoáy lớn trong động cơ đốt trong, đổi hướng dòng chảy, Mô hình chuyển đổi của RSM có dạng sau: Trong đó: T: Hàm dẫn xuất thời gian cục bộ; C ij : Hàm đối lưu; DT,ij: Hàm khuếch tán độ rối; DL,ij: Hàm khuếch tán phân tử; Pij : Hàm ảnh hưởng của ứng suất; G ij : Hàm ảnh hưởng của sức nổi; φ ij : Hàm trạng thái áp suất; εij : Hàm tiêu tán; Fij : Hàm ảnh hưởng bởi độ xoay của hệ thống; S user : Hàm do người dùng định nghĩa theo điều kiện bài toán. Ngoài ra, chúng ta còn có các mô hình toán học khác xuất phát từ phương trình tổng quát Navier - Stokes như: mô hình mô phỏng xoáy tách rời (DES - Detached Eddy Simulation) hay mô hình mô phỏng xoáy lớn (LES - Large Eddy Simulation). Đây là các mô hình sử dụng số Reynolds rất lớn để mô phỏng các bài toàn thực tế, tính toán theo giá trị thực tế và thông qua rất nhiều các điều kiện rằng buộc, nên khối lượng tính toán theo các mô hình này là rất lớn (như trong khảo sát mô hình khí động học xe container bên trên, tác giả giải với mô hình hơn 200 triệu phần tử, dùng mô hình tính toán LES). Trong bài báo này nhóm tác giả sử dụng thuật giải của mô hình dòng rối k - epsilon. Để đảm bảo dòng khí chuyển động gần vỏ xe trong quá trình mô phỏng phù hợp với dòng khí chuyển động trong thực tế nhóm tác giả lựa chọn điều kiện hàm tường Non - Equilibrium Wall Functions. 3. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC CỦA XE TẢI Đối tượng xe được nghiên cứu trong bài báo là loại xe tải nhỏ Tata TT1105T (hình 1). Hình 1. Mô hình 3D của xe tải Quá trình xây dựng mô hình và giải bài toán khí động được thực hiện theo các bước sau: - Khởi động phần mềm và nhập mô hình. - Chỉnh sửa mô hình. - Chia lưới. - Thiết lập điều kiện biên và vận hành. ( ) ( ) ( ) ( ) ij ,ij ,ij ij ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' (4) T L i j k i j k C i j k kj i ik j k D i i i j i k j k k k k k D P i j j i u u u u ut x u u u p u ux u uu u u u u ux x x x g u g u r r r d d µ r rb q q ¶ ¶ +¶ ¶ ¶ é ù= + +ê úë û¶ é ù é ù¶ ¶¶ ¶ + - +ê ú ê ú¶ ¶ ¶ ¶ë û ë û é ù- +ë !"#"$ !""#""$ !"""""#""""""$ !"""#"""$!""""#""""$ ij ij ij ij ij ' ' '' ' ' ' ' us2 2 j i j i G ji k j m ikm i m jkm er k k F u u x x uu u u u u Sx x f r µ r Î Î æ ö¶ ¶ + +ç ÷ç ÷û ¶ ¶è ø æ ö¶¶- - W Î + Î +ç ÷ç ÷¶ ¶è ø !"""#"""$ !""#""$ !""""#"""""$!""#""$!""""#"""""$ (4) NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 54 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 - Giải. - Xử lý kết quả. Thông số lưới: + Số node 1.336.979 + Số phần tử 3.825.367 + Số lớp bao: 3. + 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 tĕng khả nĕng hội tụ của bài toán [3,4,5]. Hình 3. Nhập mô hình phần tử hữu hạn vào phần mềm Virtual Wind Tunnel AcuSolve Hình 4. Thiết lập điều kiện biên bài toán Thông số điều kiện biên: + Vận tốc: 27 m/s + Khối lượng riêng không khí: 1.225 kg/m3 + Kiểu dòng chảy: Liên tục + Số bước lặp: 30 4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 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 hiện ứng suất lớn. Ứng suất nhỏ xuất hiện xung 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. Về phía dọc thân xe, hướng chuyển động của dòng LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 55Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 khí ở phía cản trước của xe. Dòng khí rối loạn ở đĕng sau tấm cản chữ U và hướng chuyển động của dòng khí là hướng xuống mặt đường. Hình 7. Đánh giá hệ số y+ Hệ số y+ thường được sử dụng để mô tả mức độ thô hoặc mịn của lưới đối với một mô hình dòng chảy cụ thể. Để hiểu rõ hơn, người đọc có thể tham khảo về lý thuyết lớp biên dòng chảy. Trong Virtual Wind Tunnel hỗ trợ người dùng thiết lập vùng lưới lớp biên để mô tả gần đúng nhất có thể sự biến động đột ngột vận tốc dòng khí bao quanh xe. Hình 8. Đồ thị kết quả hệ số cản, hệ số nâng tính toán theo số vòng lặp tính toán Nhận xét 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 sau 30 vòng lặp không có sự thay đổi lớn. Do đó, có thể kết luận bài toán hội tụ. Nội dung khảo sát của bài báo là trường hợp xe đi thẳng, lực ngang là nhỏ không đáng kể. Do đó kết quả mô phỏng không xét đến giá trị hệ số lực bên. Hệ số cản khí động của xe tải C d = 0,4 được mô phỏng trong bài toán là kết quả phù hợp với lý thuyết cho các dòng xe tải có biên dạng đơn giản, với lực cản chính diện là hình vuông. Trong trường hợp này, đối với hệ số nâng của xe C L = -0,05, điều đó chứng tỏ thiết kế xe có lực ép 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 tĕng 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 nghiên cứu khác liên quan tới khí động học. Bài báo đã phân tích các vùng áp suất và vận tốc khác nhau của vùng khí động tác động lên khung vỏ xe tải, đó là nguyên nhân gây chính gây nên các tổn thất về lực cản khí động và lực nâng, ảnh hướng tới khả nĕng chuyển động và ổn định của xe, đặc biệt ở vùng tốc độ cao. Bài báo cùng phân tích tính hội tụ của mô hình 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 phát triển cải tiến mô hình cũng như ứng dụng hỗ trợ cho các nghiên cứu khác về ổn định động lực học của ô tô. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://certification.altairuniversity.com. [2] Trần Ích Thịnh, Ngô Như Khoa (2007), Phương pháp phần tử hữu hạn. [3] Hyperworks UserGuide Pascal Theissen (2012), Unsteady Vehicle Aerodynamics in Gusty Crosswind, Doktor-Ingenieurs, Technische universitat Munchen. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 56 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 [4] Y. E. William (2013), Investigation of crosswind aerodynamics for road vehicles using CFD tech- nique, Eleventh International Conference of Fluid Dynamics Alexandria, Egypt. [5] W.H.Hucho (1998), Aerodynamics of Road Vehicles: From Fluid Mechanics to Vehicle En- gineering, SAE International. 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. THÔNG TIN TÁC GIẢ 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.