Nghiên cứu tính toán lực cản khí động của xe khách thông qua mô phỏng số CFD

ác dụng lên vỏ ô tô khách chuyển động với vận tốc cao chiếm hầu hết tổng thành phần lực cản tác động lên xe, làm tiêu thụ một phần đáng kể công suất của động cơ. Đây là một trong những nguyên nhân làm gia tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Bài báo trình bày phương pháp và một số kết quả tính toán xác định lực cản khí động trên vỏ ô tô khách thông qua mô phỏng số CFD. Thông qua kết quả tính toán mô phỏng có thể là cơ sở quan trọng để ứng dụng trong nghiên cứu tối ưu thiết kế khí động học vỏ xe khách cũng như giúp vận hành khai thác xe tốt nhất. Từ khóa: Xe khách; lực cản khí động; công suất; tiêu thụ nhiên liệu; CFD. Abstract Aerodynamic drag acting on bus at high speed is almost of the total drag, it takes a large amount engine power for the bus transportation. These is one of reasons which increases the fuel consumption and air pollution. In this paper, authors present a study on computated aero dynamic drag acting on a bus by using a commercial CFD code. The results of research may be useful for optimal bus design and safety of bus transportation. Keywords: Bus; aerodynamic drag; engine power; fuel consumption; CFD. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Khi ô tô chuyển động trên đường, sự tương tác giữa xe và không khí xung quanh là phạm vi nghiên cứu của khí động học. Nghiên cứu khí động học góp phần rất lớn vào sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô, vì vậy đã từ lâu các nhà khoa học đã nghiên cứu vấn đề khí động học trên ô tô nhằm giải quyết những vấn đề chính sau: - Giảm lực cản khí động nhằm cải thiện tính năng động lực học của ô tô và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu. - Giảm tối đa các lực và mômen gây mất ổn định chuyển động nhằm nâng cao tính an toàn chủ động, đặc biệt là đối với các loại ô tô có tốc độ cao hay trong trường hợp gặp gió ngang lớn. - Tận dụng dòng chảy không khí để thông gió trong khoang xe, cải thiện khả năng làm mát động cơ và các cơ cấu phanh của ô tô trong quá trình chuyển động. - Giảm độ ồn khí động do tương tác giữa dòng chảy không khí với vỏ xe [1]. Ô tô khách đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam để vận chuyển hành khách trên những tuyến đường dài, trong đó ô tô lắp ráp trong nước chiếm tỷ trọng cao. Do có kích thước lớn, loại ô tô này chịu lực cản khí động rất lớn, đặc biệt là khi chuyển động trên đường quốc lộ hoặc đường cao tốc với vận tốc cao. Theo lý thuyết, lực cản khí động được xác định theo công thức: (1) Trong công thức trên, khối lượng riêng của không khí ρ là thông số không thể thay đổi. Để giảm lực cản, nếu giảm diện tích cản chính diện A thì không 58 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 gian sử dụng bị giảm, còn nếu giảm vận tốc V thì sẽ làm giảm năng suất vận chuyển. Vì vậy, giải pháp duy nhất để giảm lực cản không khí là tạo hình dạng khí động học tối ưu để có được hệ số cản Cx nhỏ nhất. Để giảm Cx cần có những nghiên cứu sâu cả về lý thuyết và thực nghiệm nhằm xác định được các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó đề xuất các giải pháp cải thiện kết cấu phù hợp [3]. Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện chủ yếu trong thiết bị chuyên dụng gọi là ống khí động. Hiện nay, các ống khí động đã tạo được điều kiện thử ngày càng gần với thực tế hơn: thử ô tô với kích thước thật, tạo được môi trường, điều kiện thử phong phú (thay đổi nhiệt độ, áp suất, tạo mưa, nắng,...) và đặc biệt là các thiết bị đo hiện đại đã cho phép thực hiện những thí nghiệm với độ chính xác cao và mở rộng phạm vi nghiên cứu. Ống khí động (hình 1) là thiết bị dùng trong nghiên cứu thực nghiệm khí động học ô tô. Nó là một ống khí với buồng thử có tiết diện được thu hẹp lại nhằm mục đích tăng vận tốc thử. Ô tô thí nghiệm (hoặc mẫu thử) được gắn trên một bàn đo, đặt trong buồng thử. Nếu ống khí động có kích thước đủ lớn thì người ta sử dụng vỏ xe thực để thí nghiệm. Còn nếu ống có kích thước nhỏ thì thay cho xe thật là mẫu thử có hình dạng hoàn toàn giống xe thật nhưng kích thước nhỏ hơn, tương thích với kích thước của buồng thử. Thông thường thì mẫu thử được chế tạo bằng gỗ hoặc plastic (hình 2) [2]. Hình 1. Sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí động [3] Hình 2. Mô hình vật mẫu bằng plastic trong ống khí động [2] Nghiên cứu lý thuyết dựa trên những phương pháp mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh ô tô dựa trên phương trình Navier - Sokes. Đây là một bài toán hết sức phức tạp và vẫn đang là mối quan tâm hàng đầu của những nhà nghiên cứu khí động trên thế giới. Cho tới ngày nay người ta vẫn chưa tìm được lời giải đầy đủ được bằng phương pháp giải tích. Vì vậy, đã từ lâu các nhà nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng các mô hình đơn giản hóa và các phương pháp giải gần đúng có độ chính xác cao với sự trợ giúp của máy tính [4, 5]. Do đó nhóm tác giả đã sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS - FLUENT 18.1 để mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe và từ đó tính toán xác định hệ số cản Cx. Đây là công cụ mô phỏng dòng chảy hiệu quả và có độ chính xác cao, được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới chấp nhận và sử dụng. Trên cơ sở thống kê và nghiên cứu các loại xe khách hiện đang khai thác sử dụng tại Việt Nam, nhóm tác giả lựa chọn xe khách THACO HB120SL-H380R-14 làm đối tượng nghiên cứu trong bài báo này. Hình 3 thể hiện các thông số kích thước tính toán thiết kế sử dụng trong nghiên cứu. Các thông số kích thước cơ bản của tàu được thể hiện trong bảng 1. Hình 3. Thông số kích thước của xe khách THACO HB120SL-H380R-14 Bảng 1. Kích thước cơ bản của xe khách THACO HB120SL-H380R-14 Tên Ký hiệu Giá trị Đơn vị Chiều dài tổng thể L 12050 mm Chiều rộng tổng thể W 2500 mm Chiều cao tổng thể H 3500 mm 2. MÔ HÌNH, MIỀN KHÔNG GIAN TÍNH TOÁN, CHIA LƯỚI VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN 2.1. Xây dựng mô hình 3D Trong tính toán mô phỏng số CFD, cần thực hiện xây dựng mô hình tính toán mô phỏng. Trong nghiên cứu này, trên cơ sở thông số kích thước 59 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 của xe khách tham khảo, mô hình xe khách được mô phỏng trong không gian ba chiều thông qua sử dụng phần mềm SolidWorks 2016. Đây là bước đầu tiên và cũng là bước khá quan trọng trong quá trình tính toán mô phỏng số CFD. Khi thực hiện mô phỏng, để phù hợp với khả năng tính toán của máy tính nhưng vẫn đảm bảo được tính đúng đắn, độ tin cậy và sự tương thích của bài toán nghiên cứu với thực tiễn, bài báo sử dụng các giả thiết sau: - 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, gầm xe được bọc phẳng (không xét đến các yếu tố khác của xe như gạt mưa, các gân, gờ, tay nắm cửa,...). - Vận tốc dòng khí tại đầu vào của không gian mô phỏng có hướng song song với trục dọc của xe, thổi theo hướng 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 vùng không gian mô phỏng bằng 0 m/s [3]. Mô hình 3D của xe khách tham khảo được thể hiện trên hình 4. Hình 4. Mô hình 3D của xe khách THACO HB120SL-H380R-14 2.2. Xây dựng miền không gian tính toán Nếu chọn vùng không gian tính toán quá lớn thì yêu cầu cấu hình máy tính rất mạnh cũng như thời gian tính toán rất lâu. Vì vậy, để phù hợp với máy tính được sử dụng trong quá trình nghiên cứu và vẫn đảm bảo tính chính xác của một bài toán mô phỏng CFD thì vùng không gian chia lưới được xác định như sau: kích thước dài x rộng x cao của vùng không gian mô phỏng được điều chỉnh lại thành 54.000 x 14.000 x 25.000 (mm). Vùng không gian mô phỏng được minh họa trên hình 5 [3, 4]. Hình 5. Miền không gian tính toán cho mô hình 2.3. Chia lưới cho vùng không gian tính toán Chất lượng lưới của mô hình mô phỏng trong CFD sẽ quyết định độ chính xác kết quả tính toán của bài toán mô phỏng khí động. Để đảm bảo chất lượng lưới của mô hình tốt, những phần tử nằm sát bề mặt vỏ xe, bước lưới được chia rất nhỏ. Sở dĩ kích thước phần tử lưới ở sát bề mặt vỏ xe được chọn như vậy vì ở khu vực lớp biên, các thông số của dòng chảy thay đổi rất nhanh trong không gian nên cần được mô tả một cách chi tiết để đảm bảo được độ chính xác của kết quả mô phỏng. Tuy nhiên, nếu cứ duy trì bước chia như vậy trong toàn bộ không gian tính toán thì số lượng phần tử và khối lượng tính toán sẽ cực lớn. Vì vậy, kích thước của phần tử ở vùng biên phải đủ nhỏ, đủ mịn để đảm bảo độ chính xác của kết quả mô phỏng, nhưng ở các vùng xa biên, bước lưới được chọn phải thưa dần để có được số lượng phần tử phù hợp với khả năng của máy tính. Các thông số lưới của mô hình được thể hiện trong bảng 2. Hình ảnh chia lưới của mô hình được minh họa trên hình 6. Bảng 2. Các thông số lưới của mô hình Thông số Giá trị Kiểu lưới Tet 4 và Wed 6 Số nút 751561 Số phần tử 2791507 Hệ số bất đối xứng của phần tử 0,23794 Hệ số lệch hướng của phần tử 4,8659 Chất lượng độ trực giao của phần tử 0,75 Chất lượng chung của phần tử 0,73 60 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 Hình 6. Lưới của miền không gian tính toán 2.4. Đặt các điều kiện biên Để có thể giải bài toán khí động bằng mô phỏng CFD cần các điều kiện biên (hay các thông số ban đầu) cho bài toán. Các điều kiện biên của bài toán được thể hiện trong bảng 3. Bảng 3. Các điều kiện biên Tên Giá trị Đơn vị Mô hình rối k-epsilon - Đầu vào Velocity inlet - Đầu ra Pressure outlet - Vận tốc vào, V 33,33 m/s Áp suất ra, p 1,025 105 N/m2 Khối lượng không khí, ρ 1,225 kg/m3 Độ nhớt động học, υ 1,789 10-5 kg/ms 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG Sau khi tính toán mô phỏng thu được các đồ thị phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe, phân bố áp suất trong mặt phẳng đối xứng dọc của xe, vectơ vận tốc tại mặt phẳng đối xứng dọc của xe như minh họa trên hình 7, 8, 9. Hình 7. Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe Hình 8. Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối xứng dọc của xe Hình 9. Vectơ vận tốc tại mặt phẳng đối xứng dọc của xe Hình 7 cho thấy trên vỏ xe tồn tại những vùng có áp suất dương, những vùng áp suất âm và các xoáy thấp áp. Chính sự chênh áp này là yếu tố cơ bản để tạo nên lực cản khí động. Có thể thấy rõ trên hình 8, ở vùng đầu xe là áp suất dương, sau đó áp suất gần như là âm trên toàn bộ chiều dài của vỏ xe. Đặc biệt áp suất trở nên rất thấp ở các nơi hình thành vùng xoáy (khu vực tiếp giáp giữa kính trước và nóc xe, phần đầu của giàn nóng điều hòa, đuôi giàn nóng điều hòa và đuôi xe). Các hình ảnh về vectơ vận tốc tại mặt phẳng đối xứng dọc của xe trên hình 9 chỉ rõ những nơi hình thành xoáy thấp áp có ảnh hưởng lớn đến lực cản khí động. Loại bỏ được hoặc giảm kích thước của những vùng xoáy này đồng nghĩa với việc giảm hệ số cản Cx. Cùng với các dữ liệu hình ảnh áp suất, vận tốc ở trên, việc mô phỏng dòng khí chuyển động bao quanh vỏ xe khách tham khảo còn cho các kết quả ở dạng số như trong bảng 4. Dấu “-’’ trước giá trị thể hiện chiều của lực ngược chiều với chiều dương của trục tọa độ tương ứng Bảng 4. Hệ số cản, lực cản khí động Tên Ký hiệu Giá trị Đơn vị Hệ số cản Cx 0,635 - Lực cản Fx - 2220.58 N Để có thể giảm hệ số Cx, từ đó giảm suất tiêu hao nhiên liệu cần cải thiện một số thông số khí động học cơ bản của vỏ xe khách như minh họa trên hình 10. Tuy nhiên, việc cải thiện kết cấu của vỏ xe khách nhằm giảm thiểu lực cản khí động mà không gây ảnh hưởng lớn đến không gian sử dụng cũng như tính thẩm mỹ của nó. 61 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 Hình 10. Các thông số khí động cơ bản của vỏ xe khách [3] 4. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày nghiên cứu tính toán lực cản khí động của xe khách thông qua sử dụng CFD. Dưới đây là một số kết luận của bài báo: - Công cụ tính toán mô phỏng số CFD (phần mềm ANSYS - FLUENT) có vai trò quan trọng trong việc dự đoán các hiện tượng khí động lực học phát sinh khi xe khách chạy. Kết quả tính toán mô phỏng số có thể trợ giúp các nhà nghiên cứu trong đánh giá tác động lực cản khí động học lên xe khách mà thực nghiệm khó quan sát được với chi phí thấp và có độ chính xác cao. - Trong việc giảm lực cản khí động cần làm giảm kích thước vùng xoáy thấp áp sinh ra phần lớn tại phía sau đuôi xe bằng việc thay đổi một số thông số khí động học cơ bản của vỏ xe. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. W.H. Hucho (1988). Aerodynamics of Road Vehicles: From Fluid Mechanics to Vehicle Engineering. SAE International. [2]. M. Laurent Burgade. Aérodynamique Automobile: Approche numérique et expérimentale. PSA Peugeot-Citroen, session 1995-1996. [3]. Tô Hoàng Tùng (2016). Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam. Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. [4]. Introduction to ANSYS Fluent (2012), Release 14.5, November 15. [5]. J. Blazek (2001). Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications. Elsevier.