- Xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến các thầy trong Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội với những góp ý rất thiết thực trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn. - Hà Nội, ngày 28 tháng 3 năm 2017 Học viên Nguyễn Thanh Hà i MỘT SỐ KÝ HIỆU Ký hiệu Tên gọi Đơn vị (Thứ nguyên) FA Lực khí động theo phƣơng dọc N FL Lực nâng N Cd Hệ số cản khí động theo phƣơng dọc - Cl Hệ số nâng - A Diện tích cản chính diện m2 D Diện tích sàn xe m2 Khối lƣợng riêng của không khí kg/m3 U∞ Vận tốc dòng khí ở vô cùng m/s Re Số Reynolds - M Số Mach - Hệ số độ nhớt động lực N.s/m2 Fms Lực cản do ma sát N Fca Lực cản do chênh áp N p Áp suất Pa Cp Hệ số áp suất không thứ nguyên - L Thông số hình học đặc trƣng m Độ nhớt động học của không khí m2/s T Ten-sơ ứng suất của dòng rối - K Động năng của dòng rối J/kg (m2/s2) Hệ số tán xạ năng lƣợng của dòng rối - Hệ số tán xạ năng lƣợng của dòng rối - ii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. - Lực tác dụng lên xe khi xe chuyển động Hình 1.4. - Dòng khí tác dụng lên xe khi chuyển động ở tốc độ cao Hình 1.6. - Ảnh hƣởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xoáy Hình 1.10. - Hệ số cản và hình dạng khí động học Hình 1.11. - Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cản Hình 1.12. - Một trong những hình dạng có hệ số cản nhỏ Hình 1.13. - Hệ số cản không của xe du lịch Hình 1.14. - Đồ thị biến thiên hệ số cản của ô tô du lịch Hình 1.15. - Mô hình khí trôi qua cánh của cánh máy bay Hình 1.16. - Lực nâng Hình 1.17. - Dòng khí bao quanh các dạng vỏ xe khi chuyển động Hình 1.18. - Vùng xoáy phía sau khi xe chuyển động Hình 1.19. - Các vùng xoáy trên vỏ xe ô tô du lịch iii Hình 1.20. - Phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ xe Hình 1.21. - Ảnh hƣởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động Hình 1.22. - Ảnh hƣởng của bán kính góc lƣợn giữa kính chắn gió và tấm nóc xe với hệ số cản không khí Hình 1.23. - Ảnh hƣởng của chiều cao sàn xe tới các lực khí động Hình 3.1. - Phân bố áp suất trên xe Hatchback Hình 3.10. - Phân bố áp suất thân xe Hatchback Hình 3.11. - Phân bố áp suất trên vỏ xe Sedan Hình 3.12. - Phân bố áp suất thân xe Sedan Hình 3.13. - Đồ thị biểu diễn sự ảnh hƣởng của vận tốc với hệ số cản Cd Hình 3.14. - Đồ thị biểu diễn sự ảnh hƣởng của vận tốc với hệ số lực nâng Cl Hình 3.15. - Đồ thị phân bố áp suất trên đƣờng giao giữa mặt phẳng thẳng đứng với thân xe ở v = 30m/s ở xe Sedan Hình 3.16. - Chiều cao của xe Sedan Hình 3.17. - Thay đổi góc vát của xe trên mô hình 3D Hình 3.18. - Biểu đồ vận tốc xe khi vát 8 độ Hình 3.19. - Biểu đồ vận tốc không khí bao quanh xe khi vát 10 độ Hình 3.20. - Biểu đồ vận tốc khi vát xe 15 độ Hình 3.21. - Để đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả, tiết kiệm, các phƣơng tiện nói chung và xe ô tô nói riêng khi hoạt động, đặc biệt là ở tốc độ cao cần quan tâm lƣu ý đến tác động của các yếu tố khí động. - Xây dựng mô hình khảo sát, đánh giá dạng khí động học vỏ xe du lịch. - Đề xuất các giải pháp cải thiện dạng khí động học nhằm giảm thiểu lực cản khí động tác dụng lên ô tô khi chuyển động ở tốc độ cao. - Phạm vi nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu, khảo sát ảnh hƣởng của khí động đến lực cản, lực nâng trên mô hình vỏ xe du lịch ở vận tốc cao (bỏ qua gƣơng chiếu hậu, gạt mƣa, các khe gờ trên vỏ, kính. - Xây dựng mô hình mô phỏng khí động học vỏ xe du lịch. - Nghiên cứu khí động học vỏ ô tô du lịch bằng phần mềm. - TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC Ô TÔ 1.1 Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam. - Để giải quyết những yêu cầu ngày càng cao của ngƣời sử dụng đối với những chiếc xe ô tô hiện đại, một trong những vấn đề quan trọng cần đƣợc ƣu tiên đầu tƣ nghiên cứu là tối ƣu hóa dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và nâng cao tính an toàn chuyển động. - Khí động lực học và các thông số đặc trưng Khí động lực học là môn học nghiên cứu về dòng chảy của chất khí, đƣợc nghiên cứu đầu tiên bởi George Cayley. - Giải pháp cho các vấn đề khí động lực học dẫn đến các tính toán về tính chất khác nhau của dòng chảy, nhƣ vận tốc, áp suất, mật độ và nhiệt độ, nhƣ là các hàm của không gian và thời gian. - 6 Khí động lực học sử dụng các phân tích toán học và các kết quả thực nghiệm. - Các vấn đề về khí động lực học đƣợc chia ra làm nhiều loại, có thể phân loại theo môi trƣờng dòng chảy, khí động học ngoại biên và khí động học nội biên. - Khí động học ngoại biên là ngành nghiên cứu dòng chảy xung quanh vật rắn, môn này có các ứng dụng nhƣ tính toán lực nâng và lực kéo lên cánh máy bay, lực hãm tạo nên ở mũi tên lửa. - Khí động học nội biên nghiên cứu về dòng khí qua các động cơ phản lực hay qua các ống của máy điều hòa. - Sức cản của không khí là một biểu hiện của lực khí động lực - lực do không khí tác dụng vào một vật chuyển động (khi một vật chuyển động trong nƣớc, thì lực gọi là lực thủy động lực). - Ô tô chuyển động sinh ra các lực cản lực nâng của không khí đối với xe ô tô. - Để ứng dụng đƣợc CFD giải bài toán cụ thể là khảo sát khí động trên 2 mẫu xe Sedan và Hatchback các thay đổi của lực cản, lực nâng khi thay đổi góc thoát xe thì cần hiểu biết về lý thuyết cơ bản của CFD, các phƣơng trình mô tả lƣu chất. - Lực tác dụng khi xe ô tô chuyển động - Lực cản lăn liên quan đến chất lƣợng mặt đƣờng, chất lƣợng săm lốp. - 9 - Lực ma sát liên quan đến vật liệu, công nghệ chế tạo và dầu mỡ bôi trơn, lực cản của gió lại liên quan đến hình dạng khí động học và tốc độ của xe. - Để giảm tối đa những ảnh hƣởng xấu nêu trên, cần có những nghiên cứu sâu về khí động học vỏ xe ngay trong quá trình thiết kế. - Trong khuôn khổ Luận văn này sẽ đi nghiên cứu ảnh hƣởng của lực cản không khí, lực nâng khi xe chuyển động ở tốc độ cao. - Đối tƣợng nghiên cứu của khí động học là dòng chảy quanh một vật cản đang chuyển động bằng phƣơng pháp Ơle với hệ tọa độ gắn với vật. - Lực cản không khí (FA) Khi xe chuyển động ở tốc độ cao, lực cản tác dụng nhƣ một lực làm giảm tốc, nói chung, là giảm tốc độ chuyển động của xe. - Dòng khí tác dụng lên xe khi chuyển động ở tốc độ cao 11 Lực cản không khí bao gồm hai thành phần sau đây. - V: Vận tốc tƣơng đối của ô tô với không khí. - Cd: Hệ số cản không khí (không thứ nguyên), Cd phụ thuộc hình dáng, chất lƣợng bề mặt ô tô, vỏ ô tô càng trơn nhẵn, hình dạng ô tô càng có dạng khí động học thì Cd càng nhỏ. - Dạng khí động học tốt nhất là dạng một giọt nƣớc rơi tự do trong không khí. - Hệ số cản của một số vật thể đơn giản 12 Trị số của Cd thấp khi xe có dạng khí động tốt, nhƣ vậy lực cản không khí cũng sẽ nhỏ hơn. - Nhƣ phần trên đã trình bày, lực cản không khí tác động lên ô tô phụ thuộc hệ số cản không khí Cd (phụ thuộc nhiều vào hình dạng thân xe), công thức (1.1) cho thấy hệ số Cd không có thứ nguyên, nó không đặc trƣng cho một đại lƣợng vật lý nào mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng khí động học của xe (đây là thông số đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu khí động học). - Vì vậy, tất cả các nỗ lực trong nghiên cứu khí động học ô tô ngày nay tập trung chủ yếu vào việc cải thiện hình dáng khí động học vỏ xe nhằm tối ƣu hóa hình dạng khí động học của xe, giảm thiểu những tác động xấu khi xe chuyển động ở tốc độ cao. - Cd = Cms + Cca (1.2) Nếu nhƣ thành phần cản do ma sát phụ thuộc chủ yếu vào độ nhám bề mặt của vỏ xe thì thành phần cản do chênh áp lại phức tạp hơn rất nhiều, nó phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng khí động học của vật cản. - Phạm vi của vùng xoáy đƣợc xác định bởi điểm tách dòng (điểm A trên hình 1.7), đây là điểm mà dòng chảy bắt đầu tách khỏi vật cản và là khởi đầu của vùng xoáy. - còn hình dạng của vật cản là lý tƣởng về mặt khí động học thì điểm A gần nhƣ không tồn tại mà dòng chảy sẽ bao kín vật cản nhƣ thể hiện). - Ảnh hưởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xoáy Tuy nhiên, trên thực tế, phần lớn các vật (trong đó có các vỏ xe ô tô) có hình dạng khí động không thể là lý tƣởng, khi đó, tƣơng quan giữa các thành phần Fms và Fca hoàn toàn phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật. - Trên hình 1.9 thể hiện sự tạo thành vùng xoáy tuỳ theo hình dạng khí động học của vật cản: Có trƣờng hợp vật có dạng khí động lý tƣởng nên không tạo vùng xoáy và thành phần cản do chênh áp rất nhỏ, trƣờng hợp vật có dạng khí động xấu, ở đây lực cản do chênh áp 15 Fca chiếm tỷ lệ lớn trong FA. - Đối với những vật có dạng khí động học tốt (cánh máy bay, cánh tua bin, chân vịt. - Các nghiên cứu đã khẳng định rằng, muốn cải thiện tác dụng của lực cản đối với ô tô nói chung và ô tô du lịch nói riêng thì cần thay đổi hình dạng khí động học vỏ xe. - Trong đó, thành phần cản do chênh áp vẫn chiếm tỷ lệ áp đảo và muốn giảm lực cản thì biện pháp duy nhất là cải thiện hình dạng khí động học vỏ xe. - Hình 1.10. - Hệ số cản và hình dáng khí động học Nhƣ vậy, giảm Cd đồng nghĩa với việc cải thiện hình dạng khí động học của ô tô. - Quá trình hoàn thiện dạng khí động học vỏ xe ô tô con theo lịch sử phát triển đƣợc mô tả trên hình, có thể nhận thấy rằng, trong giai đoạn trƣớc năm 1930 với những chiếc ô tô có hình dáng giống xe ngựa cổ xƣa, hệ số cản rất lớn (0,65÷1,0). - Tuy nhiên, sau năm 2000, khi những chiếc ô tô gần nhƣ đã hoàn thiện về hình dạng khí động học thì việc giảm đƣợc dù chỉ 0,01 trong Cd ngày càng trở nên khó khăn hơn, nó đòi hỏi phải có nghiên cứu toàn diện hơn, sâu sắc hơn, trang thiết bị thử 16 nghiệm hiện đại hơn cùng với những chi phí cao hơn rất nhiều. - Hình 1.11. - Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cản Trong tự nhiên, vật có hình dạng khí động học lý tƣởng chính là giọt nƣớc rơi trong không khí. - Nếu những chiếc ô tô cũng có hình dạng nhƣ vậy thì lực cản khí động là nhỏ nhất. - Hình 1.12. - Một trong những dạng có hệ số cản nhỏ Trên hình 1.12 mô tả một số dạng vỏ xe điển hình có hệ số cản nhỏ hơn 0,2 và thậm chí có thể đạt giá trị 0,1, tuy nhiên, những chiếc xe với kiểu dáng nhƣ vậy khó có thể đáp ứng đƣợc thị hiếu của ngƣời tiêu dùng hiện nay nên không thể xuất hiện phổ biến đƣợc, ngƣời ta thƣờng chỉ gặp các dạng vỏ xe nhƣ vậy trên các đƣờng đua. - Hình 1.13 cho thấy, nếu có giải pháp tạo dáng hợp lý thì có thể giảm đáng kể hệ số cản, hệ số cản xe du lịch có thể đạt Hình 1.13. - Hệ số cản của xe du lịch Tuy nhiên, đối với các nhà sản xuất thì việc tạo dáng không chỉ nhằm vào mục đích giảm tối đa lực cản khí động mà còn phải đạt đƣợc tính thẩm mỹ cao. - Chính vì vậy, vẫn tồn tại những dạng vỏ xe có hình dáng vuông vắn, góc cạnh tiếp nhận lực cản khí động lớn với hệ số Cd lớn hơn 0,7. - Các kết quả nghiên cứu về khí động ô tô: Hệ số cản khí động giảm dần theo thời gian và ngày càng khó khăn trong việc nghiên cứu giảm hệ số cản khí động . - Hình 1.14. - Ta xem xét một vật thắng đƣợc trọng lực và bay lên đƣợc là nhờ lực nâng khí động lực học hay còn gọi là lực nâng. - Để có lực nâng khí động lực học thì thiết diện vật thể phải không đối xứng qua trục chính và đƣờng biên của mặt trên phải lớn hơn của mặt dƣới, những vật thể có hình dạng thiết diện nhƣ vậy đƣợc gọi là có hình dạng khí động lực học. - Khi không khí chảy bao quanh hình khí động sẽ có lực nâng khí động lực. - Để rõ hơn ta xem xét dòng khí qua cánh máy bay Hình 1.15. - Mô hình khí trôi qua cánh của cánh máy bay 19 Khi không khí chảy qua hình khí động là cánh, tại mặt dƣới sẽ có áp suất cao hơn so với mặt trên và hệ quả là sẽ xuất hiện một lực tác động từ dƣới lên vuông góc với cánh. - Lực nâng có độ lớn bằng diện tích cánh nhân với chênh lệch áp suất hai mặt, độ chênh lệch áp suất phụ thuộc vào hình dạng thiết diện cánh tức là phụ thuộc vào hiệu suất khí động học của cánh, góc tấn (góc chảy của không khí tƣơng đối với vật khí động và vận tốc dòng chảy. - Trong máy bay có cánh cố định vật thể khí động học để tạo lực nâng là đôi cánh của máy bay đƣợc gắn cố định vào thân. - Động cơ quay cánh quạt (hoặc phụt dòng khí phản lực) sẽ tạo phản lực đẩy máy bay chuyển động tƣơng đối với không khí về phía trƣớc, khi chuyển động tƣơng đối nhƣ vậy cánh máy bay sẽ bị dòng khí chảy bao bọc xung quanh và tạo hiệu ứng lực nâng khí động lực học tác động từ dƣới lên, khi vận tốc máy bay đạt đến giá trị nào đó lực nâng sẽ đủ lớn để thắng trọng lực và máy bay sẽ bay đƣợc. - Tƣơng tự nhƣ vậy, trên ô tô theo lý thuyết khí động học, khi xelệch áp suất tạo nên lực nâng xe lên làm giảm sức bám mặt đƣờng của lốp. - 20 Ở tốc độ cao, lực nâng có thể tăng quá mức và gây mất ổn định ảnh hƣởng rất xấu đến sự chuyển động của xe. - Khi xe chuyển động với vận tốc cao, lực nâng hay nén: Có thể cùng lúc xuất hiện ở nhiều vị trí khác nhau và tác dụng vào chuyển động của xe. - Hình 1.16. - 22 Trƣớc đây, khi ô tô chuyển động với vận tốc chƣa cao, các nghiên cứu khí động học chỉ quan tâm chủ yếu đến lực cản FA do lực nâng FL rất nhỏ và ảnh hƣởng không nhiều đến điều kiện chuyển động. - Các thông số đặc trưng cho dòng chảy Trong nghiên cứu khí động học, có 2 thông số quan trọng đặc trƣng dòng chảy không khí là số Reynolds và số Mach. - Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong các nghiên cứu khí động học. - Trong nghiên cứu thủy khí động lực học, ngƣời ta thƣờng dùng các thông số trên để đánh giá trạng thái dòng chảy và làm chỉ tiêu cho các phép quy đổi tƣơng tự. - Trong đó, thông số thƣờng dùng đối với khí động học ô tô là Re vì M thƣờng rất bé (M
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt