i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả nêu trong
luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác.
Hà Nội, tháng 09 năm 2015
Học viên
Đàm Hải Nam
ii
LỜI CẢM ƠN
Với cách tác giả của luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành
sâu sắc nhất đến thầy giáo TS. Phan Anh Tuấn, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi tận
tình và chu đáo để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, giáo
của Bộ môn ô xe máy chuyên dụng, Viện khí động lực, Viện đào tạo Sau
đại học, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức,
giúp tôi suốt thời gian học tập và làm luận văn.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp
đỡ, ủng hộ tôi hết lòng, động viên chia strong suốt thời gian tôi học tập và làm
luận văn.
Hà Nội, tháng 09 năm 2015
Học viên
Đàm Hải Nam
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
1. do chọn đề tài ................................................................................................. 1
2. Lịch sử nghiên cứu .............................................................................................. 1
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ..................... 1
4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả .................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 2
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ ......................... 3
1.1 Khái niệm khí động lực học ............................................................................... 3
1.2 Khảo sát một số hình dáng khí động học của ô tô .............................................. 4
1.3 Các phương trình khí động học cơ bản ............................................................... 7
1.3.1 Động học và động lực học chất lỏng ............................................................... 7
1.3.2 Các phương trình cơ bản của chất khí ........................................................... 16
1.4 Lực cản không khí ........................................................................................... 19
CHƯƠNG II PHẦN MỀM MÔ PHỎNG .......................................................... 22
2.1 Sơ lược về phần mềm ...................................................................................... 22
2.1.1 Các ứng dụng và khả năng giải quyết của ANSYS Fluent ............................ 23
2.1.2 Nguyên lý giải quyết trong phần mềm ANSYS Fluent ................................. 24
2.2 Trình tự giải quyết bài toán CFD ..................................................................... 29
2.3 Phương pháp chia lưới trong bài toán mô phỏng .............................................. 31
2.4 Giới thiệu một số mô hình chảy rối trong ANSYS FLUENT ........................... 39
2.4.1 Mô hình chảy rối một phương trình (one equation turbulence models) ......... 39
2.4.2 Mô hình hai phương trình (two equations model) ........................................ 41
2.4.3 Mô hình k-epsilon ......................................................................................... 42
CHƯƠNG III MÔ PHỎNGTÍNH TOÁN LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG Ô TÔ ....... 45
3.1 Khởi động và thiết lập sơ bộ vật thể ................................................................ 45
iv
3.2 Cấu trúc lưới .................................................................................................... 47
3.3 Lựa chọn phương pháp – mẫu dòng rối ............................................................ 48
3.4 Miền tính toán – Điều kiện biên ....................................................................... 50
3.5 Quy định về độ chính xác, vòng lặp ................................................................. 53
3.6 Kết quả mô phỏng........................................................................................... 54
3.6.1Kết quả mô phỏng số của xe buýt .................................................................. 54
3.6.2 Kết quả phỏng số của xe con ................................................................... 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 66
Kết Luận ............................................................................................................... 66
Kiến nghị ............................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 68
v
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Hình dáng mẫu xe Fast back .................................................................... 5
Hình 1. 2 Hình dáng mẫu xe Notch back ................................................................. 5
Hình 1. 3 Hình dáng mẫu xe Square back ................................................................ 6
Hình 1. 4 Hình dáng mẫu xe bán tải ......................................................................... 6
Hình 1. 5 Hình dáng mẫu xe xe buýt, xe tải ............................................................. 7
Hình 1. 6 Sơ đồ xác định phương trình liên tục của dòng nguyên tố ........................ 8
Hình 1. 7 Mô hình thiết lập phương trình vi phân liên tục của dòng chảy ................ 9
Hình 1. 8 Thành lập phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực ........... 10
Hình 1. 9 Sơ đồ xác định phương trình Becnuli cho dòng nguyên tố ...................... 14
Hình 1. 10 Đồ thị dịch chuyển của khối khí ........................................................... 18
Hình 1. 11 Hình ảnh vùng xoáy ............................................................................. 20
Hình 2. 1 Động cơ đốt trong được mô hình hóa bằng ANSYS Fluent .................... 22
Hình 2. 2 Bộ giải dựa trên áp suất .......................................................................... 26
Hình 2. 3 Thuật toán của bộ giải dựa trên mật độ ................................................... 26
Hình 2. 4 Chia lưới trong ANSYS ......................................................................... 31
Hình 2. 5 Lưới lục diện của cụm phanh sử dụng sự kết hợp giữa các phương pháp
chia lưới lục diện, bao gồm: mặt cong, mặt cong mỏng, đa miền (MultiZone) và
hex-dominant ........................................................................................................ 33
Hình 2. 6 Chia lưới lục diện tự động, sử dụng phương pháp chia lưới (tự động phân
tách mô hình để tạo ra toàn bộ lưới lục diện hoặc lục diện chủ yếu) ...................... 33
Hình 2. 7 Chia lưới tự động CFD bao gồm các lớp biên căng cho các mô hình phức
tạp như mô hình mũi khoan ................................................................................... 36
Hình 2. 8 Chia lưới cấu trúc tự động với các phần tử tứ diện bậc hai có thể được sử
dụng cho các mô hình phức tạp như chi tiết trên .................................................... 36
Hình 2. 9 Mô hình dầm cho cột điện cao thế .......................................................... 38
Hình 2. 10 Mô hình tấm 2-D với các lớp căng định nghĩa biên của mô hình .......... 38
vi
Hình 3. 1 Thiết lập kích thước cơ bản vật thể và lớp biên tính toán cho xe ............ 46
Hình 3. 2 Mô hình 3D xe con ................................................................................ 46
Hình 3. 3 Mô hình 3D xe bus ................................................................................. 47
Hình 3. 4 Cấu trúc lưới xe con ............................................................................... 47
Hình 3. 5 Cấu trúc lưới xe bus ............................................................................... 48
Hình 3. 6 Các bước thiết lập mô hình rối trong bài toán mô phỏng ........................ 49
Hình 3. 7 Miền tính toán trong mô phỏng xe con ................................................... 50
Hình 3. 8 Giới hạn vùng tính toán trong mô phỏng xe bus ..................................... 51
Hình 3. 9 Quá trình thiết lập điều kiện biên về dòng khí trong Fluent .................... 52
Hình 3. 10 Quá trình thiết lập điều kiện biên về vận tốc dòng khí .......................... 52
Hình 3. 11 Đặt thông số tính toán ban đầu ............................................................. 53
Hình 3. 12 Đặt số vòng lặp và tính toán ................................................................. 53
Hình 3. 13 Phân bố vận tốc của dòng khí bao quanh xe buýt ................................. 54
Hình 3. 14 Hình ảnh vận tốc của dòng khí quanh xe buýt ...................................... 55
Hình 3. 15 Phân bố áp suất của dòng khí bao quanh xe buýt .................................. 56
Hình 3. 16 Hình ảnh áp suất của dòng khí quanh xe buýt ....................................... 57
Hình 3. 17 Lực cản không khí của xe buýt ............................................................. 58
Hình 3. 18 Các lực cản thành phần của lực cản không khí xe buýt ......................... 58
Hình 3. 19 Lực nâng xe buýt ................................................................................. 59
Hình 3. 20 Phân bố vận tốc xe con ......................................................................... 60
Hình 3. 21 Phân bố áp suất xe con ......................................................................... 61
Hình 3. 22 Phân bố áp suất tại vận tốc 44,44 m/s ................................................... 62
Hình 3. 23 Lực cản không khí của xe con .............................................................. 63
Hình 3. 24 Các lực cản thành phần của lực cản không khí xe con .......................... 64
Hình 3. 25 Lực nâng xe con ................................................................................... 65
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3. 1Thông số kỹ thuật Ford Escort ................................................................ 46
Bảng 3. 2Thông số kỹ thuật buýt ........................................................................... 47
Bảng 3.3 Lực cản không khí xe buýt theo tính toán lý thuyết và mô phỏng ........... 57
Bảng 3. 4 H số lực cản không khí xe buýt ............................................................ 57
Bảng 3. 5 Lực cản không khí xe con theo tính toán lý thuyết và mô phỏng ............ 63
Bảng 3. 6 H số lực cản của xe con ....................................................................... 63
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Lực cản xe yếu tố c động lớn nhất đến an toàn vận hành xe cũng như khả
năng tiêu thụ nhiên liệu. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng xe đến lực cản của ô
lĩnh vực luôn được các kỹ cũng như các hãng xe quan tâm trong việc tối ưu
hóa thiết kế của mình. Tác giả lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu này cũng chính
muốn đi sâu m hiểu áp dụng phương pháp phỏng số CFD để tính toán lực cản
khí động của xe do tác động tử yếu tố hình dáng.
2. Lịch sử nghiên cứu
Lĩnh vực tính toán lực cản xe ô nói chung, cũng như lực cản khí động của
xe nói riêng đã nhiều tác giả trong ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Tuy
nhiên việc ứng dụng phỏng số trong việc tính toán xác định lực cản của ô thì
mới phổ biến trên thế giới chứ Việt Nam cũng chưa nhiều nghiên cứu về nh
vực này.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghn cứu
Mục đích nghiên cứu của đtài đánh giá ảnh hưởng của hình ng khí động
đến lực cản, công suất động cơ, độ ổn định của xe ô tô khi chạy với tốc độ khác
nhau.
Đối tượng nghiên cứu là nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng xe đến lực cản
khí động của xe.
Do giới hạn về thời gian trong việc vẽ chính xác các bản vẽ 3D các mẫu xe ô
cũng giới hạn về tốc độ máy tính nhân, thời gian chờ kết quả chạy phỏng,
đề tài chỉ giới hạn phạm vi nghiên cứu trên hai mẫu xe phổ biến xe buýt mẫu
xe sedan.
2
4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Tác giả tiến hành nghiên cứu tổng quan về khí động học ô tô, thiết lập mô hình
3D của hai mẫu xe đã chọn, sau đó sử dụng các bước giải một bài toán CFD để giải
quyết vấn đđặt ra. Cụ thể là, khi thiết lập xong hình 3D tác giả đã sử dụng
phần mềm để chia lưới cuối cùng đưa vào phần mềm ANSYS FLUENT để
thiết lập các thông số, điều kiện biên… từ đó chạy phỏng số để xác định được
lực cản, lực nâng của xe ở các vận tốc khác nhau.
Tác giả đã chọn hai mẫu xe điển hình xe buýt (không gian sdụng xe thoải
mái, di chuyển tốc độ không quá cao) và xe con (hình dáng khí động học, di chuyển
tốc độ cao). Lực cản của các mẫu xe này ban đầu được tính toán theo các công thức
thuyết, sau đó sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS FLUENT để phỏng
quá trình chuyển động của xe từ vận tốc 1.39 m/s đến 44.44 m/s để xác định lực
cản, lực nâng do không khí tác động lên vỏ xe.
Kết quả phỏng số đưa ra phân bố vận tốc, phân bố áp suất trên xe tại các
vận tốc khác nhau. Trên sở phân tích kết quả phỏng sđạt được, tác giả so
sánh kết quả thu được với nghiên cứu thuyết truyền thống để kiểm chứng. Từ đó
những kết quả phỏng sđáng tin cậy so với thuyết, tác giả đưa ra những kết
luận quan trọng, những lưu ý cho thiết kế khí động học của xe.
5. Phương pháp nghiên cứu
Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp Nghiên cứu thuyết truyền
thống và Mô phỏng số.Đây là phương pháp nghiên cứu phổ biến và hiện đại trên thế
giới nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Từ lý thuyết tác giả hình hóa các mẫu
xe, sau đó chạy phỏng sCFD kết quả thu được từ phỏng slại được so
sánh và phân tích với kết quả nghiên cứu lý thuyết.
3
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
1.1 Khái niệm khí động lực học
Khí động lực học môn học nghiên cứu về dòng chảy của chất khí, được
nghiên cứu đầu tiên bởi George Cayley vào thập niên 1800. "Khí động học" một
nhánh của động lực học chất lưu nghiên cứu chuyển động của không khí, đặc biệt là
khi tương tác với một đối tượng di chuyển. Kđộng học đã thường được sử
dụng đồng nghĩa với kđộng lực, với sự khác biệt khí động lực áp dụng đối với
dòng chảy nén. Tìm hiểu về sự chuyển động của không khí (thường được gọi là một
trường dòng chảy) xung quanh một đối tượng cho phép tính toán các lực, men
lực tác động lên đối tượng. Giải pháp cho các vấn đkhí 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 các hàm của không gian và thời gian. Khi hiểu được các tính
chất này của chất khí, người ta thể tính toán chính xác hay xấp xỉ các lực
các mômen lực lên hệ thống dòng chảy. Việc sử dụng khí động học thông qua phân
tích toán học, xấp xỉ thực nghiệm và gió đường hầm thử nghiệm là cơ sở khoa học.
Khí động học thể được chia thành hai loại như khí động học bên ngoại biên
khí động học nội biên. Khí động học ngoại biên về cơ bản là nghiên cứu về dòng
chảy xung quanh các vật thể rắn hình dạng khác nhau. Đánh giá thang máy, máy
bay, dòng chảy của không khí qua một lưỡi tuabin gió hay sóng xung kích hình
thành phía trước mũi của một tên lửa ví dụ về khí động học ngoại biên. Khí
động học nội biên bao gồm việc nghiên cứu các luồng không kthông qua một
động cơ phản lực hoặc thông qua một đường ống điều hòa không khí [1], [2].
Khí động lực học cũng thể được phân loại theo tỉ svận tốc của dòng chảy
so với vận tốc âm thanh. Môn học được xem dưới vận tốc âm thanh nếu các vận
tốc đều nhỏ hơn vận tốc âm thanh siêu thanh, và cực siêu thanh nếu vận tốc
nhanh hơn vận tốc âm thanh nhiều lần.
4
Ngày nay lĩnh vực nghiên cứu khí động học trong ngành ô cùng rộng
lớn như:
+ Mô phỏng trên máy tính dòng chảy bao ngoài vỏ ô tô
+ Xác định hệ số ma sát mặt sườn
+ Mô phỏng trên máy tính quá trình điều hòa
+ Mô phỏng trên máy tính quá trình làm việc của hệ thống khí thải và làm lạnh
+ Các hệ thống thủy tốc và khí tốc áp
+ Van, khóa van, van tiết lưu
+ Dòng chảy trong các ống dẫn
+ Sự thoát khí từ ống xả
+ Mô phỏng quá trình ăn mòn
1.2 Khảo sát một số hình dáng khí động học của ô tô
Hình dáng khí động học của ô trên thế giới ngày nay rất đa dạng, tùy vào
từng mục đích sdụng người ta thiết kế thành các phân khúc khác nhau. Sau
đây là hình dáng của các dòng xe điển hình và phổ biến[3], [4]:
Mẫu ô Fast back: phổ biến các dòng xe tốc độ cao như: Bugati, Porsche,
Aston Martin,… với đặc điểm kiểu dáng khí động đuôi phía sau dốc thẳng xuống,
nhằm hạn chế tối đa lực cản kđộng, thông thường các dòng xe này hệ số lực
cản khí động C
d
< 0,3.