Nghiên cứu tính toán lực khí động tác động xe du lịch trong điều kiện gió ngang

ường bộ được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam. Khi xe chuyển động trong điều kiện gió ngang, lực và mô - men khí động tác động lên vỏ xe du lịch tĕng lên đáng kể. Lực bên và mô - men xoay thân xe có thể ảnh hưởng đến sự ổn định chuyển động của xe du lịch. Bài báo trình bày phương pháp tính toán các hệ số lực, mô - men khí động tác động lên vỏ xe du lịch trong trường hợp gió ngang có các góc nghiêng từ 00 đến 450. Kết quả bài báo cho thấy giá trị hệ số lực bên, hệ số mô - men xoay thân xe có giá trị lớn nhất tại góc nghiêng 250. Từ khoá: Xe du lịch; lực bên; mô - men xoay thân xe; gió ngang. Abstract The sedan is a widely used road vehicle in Vietnam. When the sedan moves in crosswind conditions, the forces and aerodynamic torques act on the body of sedan increase significantly. The side force and yaw moment can affect sedan movement stability. The paper presents the method of calculating the force coefficients, the torque coefficients of the sedan moves in crosswind conditions wind with different angles 00 to 450. The results of the article show that the value of the side force coefficient, yaw moment coefficient has a maximum at an angle of 250. Keywords: Sedan; side force; yaw moment; crosswind. 1. GIỚI THIỆU Nghiên cứu khí động trên ô tô được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Tuy nhiên, theo nhiều kết quả nghiên cứu, các kết cấu xe con hiện nay việc giảm lực cản khí động là rất khó khĕn, và phải đầu tư rất nhiều thời gian cho việc mô phỏng cũng như thí nghiệm thực tế. Khi vận tốc của xe ô tô ngày một được tĕng cao thì nghiên cứu về sự ổn định chuyển động (do lực ngang và mô - men xoay thân xe) ngày càng trở nên cấp thiết [1]. Để xác định các lực, mô - men khí động tác dụng lên vỏ xe du lịch trong điều kiện gió ngang các nhà nghiên cứu thường sử dụng 2 phương pháp: mô phỏng lý thuyết bằng phần mềm chuyên dụng và thí nghiệm trong các ống khí động. Trong điều kiện gió ngang khi mô phỏng lý thuyết các nhà nghiên cứu có 2 lựa chọn: Mô phỏng sử dụng 1 nguồn gió (1 inlet) hoặc 2 nguồn gió (2 inlet). Mô phỏng sử dụng 2 nguồn gió thường được sử dụng trong các nghiên cứu rất chuyên sâu về khí động và thường được tiến hành tại các trung tâm máy tính lớn. Mô phỏng sử dụng 1 nguồn gió sẽ giảm được không gian tính toán, từ đó sẽ giảm thiểu thời gian tính toán. Vì vậy, trong bài báo này nhóm tác giả lựa chọn sử dụng phần mềm Ansys Fluent trong tính toán mô hình 1 nguồn gió. Mục tiêu của bài báo là xác định các hệ số lực, mô - men khí động tại vận tốc 20 m/s với các góc nghiêng khác nhau 00:50:450. Hình 1. Mô hình nghiên cứu ổn định gió ngang sử dụng 1 nguồn gió [2] Người phản biện: 1. PGS. TS. Nguyễn Trọng Hoan 2. TS. Nguyễn Đình Cương NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 38 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 Để thực hiện các tính toán bằng phần mềm Fluent cần thực hiện các bước sau: Tiền xử lý; xây dựng mô hình 3D, chia lưới, thiết lập thuật giải; hậu xử lý; xuất kết quả. 2. TIỀN XỬ LÝ 2.1. Mô hình 3D Trong bài báo này nhóm tác giả sử dụng xe Toyota Altis 2017 là xe tham khảo. Xe Toyota Altis có kích thước dài × rộng × cao là 4.620×1.775×1.460 (mm) như minh họa hình 2. Hình 2. Thông số kích thước xe Toyota Altis tham khảo Để đảm bảo thời gian tính toán nhưng không ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của kết quả, nhóm tác giả lựa chọn các giả thiết sau với mô hình 3D: bỏ qua các gờ trên bề mặt vỏ xe; bỏ qua gương chiếu hậu, coi gầm xe là phẳng tuyệt đối [3]. Mô hình 3D của xe du lịch tham khảo được minh họa trên hình 3. Hình 3. Mô hình 3D xe du lịch 2.2. Chia lưới mô hình Vùng không gian chia lưới là vùng không gian bao quanh vật thể, được giới hạn trong quá trình mô phỏng. Việc lựa chọn các kích thước của vùng không gian này được thực hiện sao cho bài toán mô phỏng sát với điều kiện vận hành thực thế nhằm đạt được kết quả có độ chính xác và độ tin cậy cao đồng thời khối lượng tính toán. Vùng không gian mô phỏng có dạng hình hộp chữ nhật với các kích thước như bảng 1 đảm bảo điều kiện chảy tầng trong mô phỏng khí động học. Bảng 1. Kích thước vùng không gian mô phỏng Kích thước Giá trị (mm) Dài 20.000 Rộng 80.000 Cao 40.000 Để đảm bảo độ chính xác và giảm khối lượng tính toán thì vùng không gian mô phỏng được chia thành 3 vùng khác nhau, càng gần vỏ xe thì kích thước điểm lưới càng nhỏ. Vận tốc dòng khí tại bề mặt vỏ xe được coi bằng 0, vì vậy vùng không gian gần sát vỏ xe được chia thành các lớp. Kiểu lưới được sử dụng là Tet 4 và Wed 6. Kết quả chia lưới của mô hình được minh họa trên hình 4. Hình 4. Chia lưới của mô hình tính toán Để đảm bảo yêu cầu hội tụ của bài toán mô phỏng, Fluent khuyến cáo người sử dụng chia lưới theo yêu cầu: Min Orthogonal Quality > 0,1 và Max Skewness <0,95 [4]. Trong quá trình mô phỏng của bài báo, các kết quả về chỉ số đánh giá độ hội tụ được trình bày trong bảng 2. Các giá trị này phù hợp với khuyến cáo của phần mềm Fluent. Bảng 2. Chỉ số Skewness và Orthogonal Quality trong quá trình mô phỏng Parameter Min Max Average Skewness 1,84e-4 0,82 0,21 Orthogonal Quality 0,15 0,97 0,78 2.3. Thiết lập thuật giải Trong nghiên cứu khí động học ô tô, phương trình Navier - Stoke được sử dụng để mô tả dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe. Đây là phương trình vi phân vẫn chưa có lời giải bằng phương pháp giải tích. Để giải các phương trình này, phần mềm Fluent có đưa ra các mô hình dòng rối (giải gần đúng bằng phương pháp lặp) như sau: k - epsilon (2 eqn); k - omega (2 eqn); Transition k-kl-omega (3eqn); Transition SST (4 eqn); Reynolds Stress (7 eqn); k - omega (2 eqn); Scale - Adaptive Simulation (SAS); Detached Eddy Simulation (DES); Large Eddy Simulation (LES). Tác giả lựa chọn thuật giải của mô hình dòng rối k - epsilon (2 eqn) với điều kiện lớp biên Non-Equilibrium Wall Functions [3]. 2.700 mm 4.620 mm LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 39Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Phổ vận tốc và áp suất Hình 5. Phổ vận tốc tại mặt phẳng đi qua trọng tâm xe và song song với mặt đường Hình 6. Phổ áp suất tại mặt phẳng đi qua trọng tâm xe và song song với mặt đường Nhận xét: Đồ thị hình 5 cho thấy khi góc nghiêng tĕng lên thì vùng không gian phía sau xe (vùng màu xanh đậm) tĕng lên. Đây chính là vùng xoáy phía sau xe, vùng xoáy này là nguyên nhân chính tạo ra lực cản, lực ngang khí động. Nếu kích thước vùng xoáy càng lớn thì lực cản, lực nâng khí động càng lớn. Kích thước vùng xoáy phía sau xe này phụ thuộc vào hình dạng khí động học của xe. Để cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu cần giảm kích thước vùng xoáy này. Đồ thị hình 6 cho thấy khi góc nghiêng tĕng lên áp suất cao (vùng màu đỏ) tác động lên vỏ xe tĕng tương ứng. Khi góc nghiêng nhỏ thì vùng màu đỏ tập trung ở phía đầu xe. Khi góc nghiêng tĕng lên vùng màu đỏ tập trung ở đầu xe và phía bên hông xe (theo hướng gió). Đồng thời kích thước vùng màu xanh (áp suất thấp) cũng tĕng dần khi góc nghiêng thay đổi từ 00 đến 450. Do đó lực cản và lực ngang cũng tĕng lên (điều này phù hợp với quy luật phổ hình 5). 3.2. Các hệ số lực, mô - men khí động 3.2.1. Hệ số cản Hệ số cản được tính theo công thức: r x x 2 2F C = Av (1) Trong đó: Cx : Hệ số cản; Fx : Lực cản khí động; v: Vận tốc dòng khí; A: Diện tích cản chính diện. Nhận xét: Đồ thị hình 7 cho thấy, khi xe đi thẳng (góc 00) giá trị lực cản là Cx= 0,32 (phù hợp với các công bố về khí động học xe sedan). Khi góc nghiên là 50 giá trị hệ số cản giảm. Sau đó hệ số cản tĕng gần như tuyến tính khi góc nghiêng tĕng đến 450. Giá trị Cx NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 40 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 nhỏ nhất tại góc nghiêng 50 vì tại góc nghiêng này lực cản tĕng lên không đáng kể (tĕng 7%) nhưng diện tích cản chính diện đã tĕng lên tương đối nhiều (tĕng 20%). Khi góc nghiêng tĕng từ 150 đến 450 thì giá trị lực cản tĕng lên nhanh chóng (vùng không gian màu xanh đậm trên phổ hình 5 tĕng lên nhanh chóng), nhưng diện tích cản chính diện chỉ tĕng theo quy luật hình sin. Do đó hệ số cản khi góc nghiêng từ 150 đến 450 tĕng gần như tuyến tính. Hình 7. Hệ số cản theo các góc nghiêng khác nhau 3.2.2. Hệ số lực bên Hệ số lực bên được tính theo công thức: r 2 C = Av 2Fy y (2) Trong đó: Cy : Hệ số lực bên; Fy : Lực bên. Hình 8. Đồ thị hệ số lực ngang theo các góc nghiêng khác nhau Nhận xét: Đồ thị hình 8 cho thấy, khi góc nghiêng tĕng từ 00 đến 300 thì giá trị hệ số lực ngang tĕng lên tương ứng. Sau đó giá trị hệ số lực ngang giảm tại góc nghiêng 400. Do xe du lịch có chiều dài (4,6 m) lớn hơn chiều rộng (1,6 m) nên quy luật hệ số cản và hệ số lực ngang là khác nhau. Khi xe chuyển động thẳng (góc nghiêng 00) giá trị lực ngang gần như bằng 0 (do xe đối xứng theo phương dọc), do đó giá trị hệ số ngang rất nhỏ (xấp xỉ bằng 0). Khi góc nghiêng tĕng từ 50 đến 300 giá trị tĕng lên nhanh chóng. Hệ số lực bên đạt cực đại tại giá trị góc nghiêng 250. Sau đó giá trị hệ số lực bên giảm nhẹ tại góc nghiêng từ 350 đến 450. 3.2.3. Hệ số nâng Hệ số nâng được tính theo công thức: r 2 C = Av 2Fzz (3) Trong đó: Cz: Hệ số nâng; Fz: Lực nâng khí động. Hình 9. Đồ thị hệ số nâng theo góc nghiêng Nhận xét: Đồ thị hình 9 cho thấy hệ số nâng đạt giá trị âm (là lực ép) khi góc nghiêng từ 00 đến 100, sau đó giá trị lực nâng tĕng tương ứng với góc nghiêng từ 150 đến 400. Giá trị âm tại các góc nghiêng nhỏ (<100) được giải thích là do giả thiết gầm xe phẳng tuyệt đối và vùng xoáy phía đuôi xe chưa lớn. Tuy nhiên, khi góc nghiêng tĕng từ 150 đến 450 thì kích thước vùng xoáy phía đuôi xe tĕng lên nhanh chóng (hình 4,5) do đó giá trị hệ số nâng tĕng lên tương ứng. 3.2.4. Hệ số mô men lắc dọc Hệ số mô - men lắc dọc được tính theo công thức: r 2 C = Av xMx M l 2 (4) Trong đó: CMx: Hệ số mô - men lắc dọc; Mx: Mô - men lắc dọc. Hệ số cá n Góc nghiêng (Độ) Hệ số lự c n gan g Góc nghiêng (Độ) Hệ số nâ ng Góc nghiêng (Độ) LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 41Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 Hình 10. Đồ thị hệ số mô - men lắc dọc theo góc nghiêng Nhận xét: Đồ thị hình 10 cho thấy, khi góc nghiêng nhỏ (<100) giá trị hệ số mô - men lắc dọc không đáng kể (vì mô - men lắc dọc phụ thuộc vào lực nâng). Khi góc nghiêng tĕng từ 150 đến 450 thì giá trị hệ số mô - men lắc dọc thay đổi theo quy luật phức tạp. Nguyên nhân là do ngoài phụ thuộc vào lực nâng, mô - men lắc dọc còn phụ thuộc nhiều vào lực bên. 3.2.5. Hệ số mô - men lắc ngang Hệ số mô - men lắc ngang được tính theo công thức: r 2 C = Av y My M l 2 (5) Trong đó: CMy: Hệ số mô - men lắc ngang; My: Mô - men lắc ngang. Hình 11. Đồ thị hệ số mô - men lắc ngang theo góc nghiêng Nhận xét: Đồ thị hình 11 cho thấy hệ số mô - men lắc ngang biến thiên phức tạp theo góc nghiêng. Vì mô - men lắc ngang phụ thuộc vào lực cản và lực nâng. Do giá trị lực cản và lực nâng thay đổi theo quy luật không giống nhau khi góc nghiêng thay đổi từ 00 đến 450. 3.2.6. Hệ số mô - men xoay thân xe Hệ số mô - men xoay thân xe được tính theo công thức: r 2 C = Av zMz M l 2 Trong đó: CMz: Hệ số mô - men xoay thân xe; Mz: Mô - men xoay thân xe. Hình 12. Đồ thị hệ số mô - men xoay thân xe theo góc nghiêng Nhận xét: Đồ thị hình 12 cho thấy giá trị hệ số mô - men xoay thân xe thay đổi theo góc nghiêng gần giống với quy luật parabol. Giá trị cực đại của hệ số mô - men xoay thân xe tại góc nghiêng 250. Mô - men xoay thân xe phụ thuộc chủ yếu vào lực bên. Do đó khi góc nghiêng từ 00 đến 250 quy luật của hệ số mô - men xoay thân xe và lực bên là giống nhau. Khi góc nghiêng từ 300 đến 450 thì giá trị lực cản tĕng lên đáng kể (hình 6) do đó nó ảnh hưởng đáng kể đến giá trị của mô - men xoay thân xe. Hệ số mô - men xoay thân xe là một thông số quan trọng để đánh giá sự ổn định chuyển động của xe trong điều kiện gió ngang. Theo tác giả Hucho tỷ lệ biến thiên CMz trên tỷ lệ biến thiên góc tương đối β (góc nghiêng của nguồn gió inlet với thân xe) là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá sự ổn định chuyển động của xe [3]. Cụ thể, nếu (ΔCMz/Δβ) > 0 thì chuyển động của xe rất mất ổn định, nếu (ΔCMz/Δβ) > 0 thì chuyển động của xe được xem xét như là không ổn định, nếu (ΔCMz/Δβ) < 0 thì chuyển động của xe được coi như là ổn định. Kết quả đồ thị hình 11 cho thấy xe du lịch tham khảo mất ổn định chuyển động khi góc nghiêng tĕng từ 00 đến 250. Khi góc nghiêng tĕng từ 300 đến 450 thì xe chuyển động ổn định. Do đó góc nghiêng nằm trong lân cận 250 được coi là vùng làm việc nguy hiểm trong điều kiện có gió ngang ứng với mẫu xe tham khảo. 4. KẾT LUẬN Khi xuất hiện gió ngang các lực và mô - men khí động theo các phương đều thay đổi mạnh và ảnh (6) Hệ số m ô - m en lắc dọ c Hệ số m ô - m en xo áy thâ n x e Hệ số m ô - m en lắc ng ang Góc nghiêng (Độ) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Góc nghiêng (Độ) Góc nghiêng (Độ) NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 42 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 hưởng rất nhiều đến sự chuyển động của xe. Các giá trị hệ số lực nâng, lực bên đều có giá trị cao tại các góc gió tương đối lớn. Việc tính toán hệ số Cy, CMz đã chỉ ra xe du lịch tham khảo sẽ chuyển động mất ổn định khi góc nghiêng tĕng từ 00 đến 250. Đây là cơ sở bước đầu cho những nghiên cứu chuyên sâu về động lực học chuyển động của xe du lịch trong điều kiện gió ngang. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Pascal Theissen (2012), Unsteady Vehi- cle Aerodynamics in Gusty Crosswind, Dok- tor-Ingenieurs, Technische universitat Munchen. [2] Y. E. William (2013), Investigation of crosswind aerodynamics for road vehicles using CFD technique, Eleventh International Conference of Fluid Dynamics Alexandria, Egypt. [3] W.H.Hucho (1998), Aerodynamics of Road Vehicles: From Fluid Mechanics to Vehicle Engineering, SAE International. [4] Introduction to ANSYS Fluent, Release 14.5, November 15 (2012). Đỗ Tiến Quyết - Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu); + Năm 2010: Tốt nghiệp Đại học, chuyên ngành Ô tô và Xe chuyên dụng, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. + Năm 2014: Tốt nghiệp Thạc sĩ, chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. + Năm 2017: Nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. - Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên, Khoa Ô tô, Trường Đại học Sao Đỏ. - Lĩnh vực quan tâm: Khí động học ô tô, động lực học ô tô. - Email: gvsd87@gmail.com. - Điện thoại: 0968568115. THÔNG TIN TÁC GIẢ