- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Tô Hoàng Tùng NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN DẠNG KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội - 2016 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan PGS.TS Hồ Hữu Hải Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Bang Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Nhật Chiêu Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Trà Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 14 giờ, ngày 18 tháng 05 năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. - Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, nhu cầu vận chuyển hành khách bằng đường bộ tại Việt Nam ngày càng tăng cao, cơ sở hạ tầng, đường sá giao thông phát triển rất tích cực, tốc độ di chuyển của các phương tiện vận tải hành khách cũng được nâng lên rõ rệt. - Tại Việt Nam, có một số doanh nghiệp đầu tư sản xuất và lắp ráp ô tô khách từ 24 - 80 chỗ phục vụ giao thông công cộng nhưng các cơ sở lắp ráp xe hiện nay đều chỉ lắp ráp dựa trên các bộ phụ tùng nhập khẩu. - Vấn đề nghiên cứu, tối ưu hóa kết cấu của vỏ xe nhằm nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật vận hành của ô tô chưa được quan tâm đầu tư. - Để những chiếc ô tô khách Việt Nam có thể cạnh tranh được với ô tô nhập khẩu, cần đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao, trong đó vấn đề quan trọng hàng đầu cần được ưu tiên đầu tư nghiên cứu là tối ưu hóa dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và nâng cao tính an toàn chuyển động. - Từ thực tế trên, nghiên cứu sinh đã thực hiện luận án Tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam”. - Luận án là một công trình nghiên cứu sâu đầu tiên về khí động học ô tô ở Việt Nam. - Các kết quả nghiên cứu của Luận án góp phần từng bước tạo ra một cơ sở lý thuyết vững chắc cho sự phát triển lâu dài của ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam. - Mục đích, đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu Mục đích của luận án: Xây dựng mô hình khảo sát, đánh giá dạng khí động học vỏ xe ô tô khách và đề xuất các giải pháp cải thiện dạng khí động học nhằm giảm thiểu lực cản khí động tác dụng lên ô tô. - 2 Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của Luận án được lựa chọn là ô tô khách cỡ lớn với mẫu xe tham khảo cụ thể là ô tô khách 51 chỗ của Trường Hải THACO KB120LSI. - Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu về lực cản khí động với tiêu chí đánh giá là hệ số cản Cx và các yếu tố ảnh hưởng đến nó trên mô hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt mưa, các khe gờ trên vỏ, kính. - Nội dung nghiên cứu Luận án gồm các nội dung chính như sau: 1. - Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2. - Xây dựng mô hình mô phỏng khí động học vỏ xe khách 3. - Nghiên cứu khí động học vỏ ô tô khách bằng phần mềm ANSYS - FLUENT 4. - Nghiên cứu khí động học vỏ xe khách trong ống khí động 5. - Trên cơ sở bám sát mục đích, đối tượng, phạm vi và các nội dung nghiên cứu trên, NCS đã triển khai thực hiện luận án với các nội dung được trình bày trong bốn chương và phần kết luận. - Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trong chương này, luận án thực hiện các nội dung. - Khảo sát, đánh giá chung về lĩnh vực sản xuất ô tô khách, công nghệ sản xuất vỏ xe khách tại Việt Nam hiện nay, từ đó xác định được vị trí, vai trò và tầm quan trọng của vấn đề nghiên cứu của luận án trong thực tế tại Việt Nam. - Nghiên cứu chung về khí động học và khí động học ô tô cũng như tìm hiểu về xu hướng nghiên cứu, các công trình nghiên cứu về khí động học ô tô hiện nay trên thế giới, xác định các khó khăn trong quá trình thực hiện nghiên cứu, từ đó lựa chọn được phương pháp, đối tượng, phạm vi và nội dung 3 nghiên cứu phù hợp cho luận án, đặc biệt trong điều kiện khó khăn của Việt Nam hiện nay. - Qua quá trình nghiên cứu, luận án nhận thấy các xu hướng nghiên cứu gần đây của các tác giả trên thế giới vẫn tập trung vào việc giải quyết những vấn đề chính của khí động học bằng nghiên cứu lý thuyết hoặc thực nghiệm như 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 độ ồn khí động do tương tác giữa dòng chảy không khí với vỏ xe. - Trong nghiên cứu lý thuyết, vấn đề lớn nhất vẫn là nâng cao dần mức độ phức tạp của bài toán nhằm giải được phương trình Navier - Stokes ở cấp độ cao hơn. - Nếu như trước đây, các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải phương trình Ơ le với mô hình phẳng [5] thì ngày nay, vấn đề đang được quan tâm giải quyết là phương trình Reynolds trung bình hóa cho dòng chảy rối (Reynolds Average Navier Stokes - RANS). - Trong đó mô hình với 2 phương trình bổ sung (phổ biến hơn cả là mô hình k. - được sử dụng rộng rãi nhất. - Những công bố gần đây nhất (từ cho thấy phương trình Reynolds cho dòng rối vẫn đang tiếp tục là công cụ chính của các nhà nghiên cứu khí động học ô tô . - Các phần mềm chuyên dụng cũng được sử dụng ngày càng nhiều hơn trong các nghiên cứu lý thuyết. - Những 4 công trình khác cũng cho thấy nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng thành công phần mềm này để mô phỏng và tính toán khí động học vỏ xe ô tô, như Manan Desai Chalmers (2012) [31. - Các công trình nghiên cứu đã công bố gần đây cũng cho thấy, việc giải phương trình Navier - Stokes ở mức cao hơn nữa chưa được đặt ra đối với khí động học ô tô [5] do mức độ phức tạp cao của bài toán đòi hỏi phải có công cụ hỗ trợ mạnh, thời gian thực hiện mô hình và thời gian tính toán rất lớn cùng với các chi phí cao hơn nhiều. - Trong nghiên cứu thực nghiệm, vấn đề đang được quan tâm hơn cả là hoàn thiện điều kiện thử nghiệm sao cho gần với thực tế hơn nhằm nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của các kết quả đo. - Mặc dù ống khí động tương thích với kích thước thực của ô tô được cho là đáng tin cậy và cho kết quả chính xác hơn, nhưng cho tới nay người ta vẫn phải sử dụng các ống khí động với các mô hình thu nhỏ vì lý do tài chính [46]. - Sau khi đã phân tích, đánh giá, luận án lựa chọn. - Phương pháp nghiên cứu: kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. - Nội dung chính của phần nghiên cứu lý thuyết là xây dựng mô hình không gian vỏ xe ô tô khách và đưa vào tính toán khảo sát trong phần mềm Fluent (ANSYS). - Cơ sở lý thuyết của mô hình tính toán là phương trình Reynolds (RANS) với 2 phương trình bổ sung (mô hình STT k. - Phần nghiên cứu thực nghiệm sử dụng ống khí động để thực hiện một số thí nghiệm mang tính kiểm chứng. - Do điều kiện trong nước không có ống khí động đủ lớn, Luận án sẽ sử dụng mẫu thu nhỏ của vỏ xe để thí nghiệm. - Mục đích chính của các thí nghiệm là xác định lực cản và hệ số cản không khí tác động lên vỏ xe để đối chiếu với kết quả tính toán bằng mô hình mô phỏng trong cùng điều kiện như nhau. - Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của Luận án được lựa chọn là ô tô khách cỡ lớn với mẫu xe tham khảo cụ thể là ô tô khách 51 chỗ của Trường Hải THACO KB120LSI. - 5 + Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu về lực cản khí động với tiêu chí đánh giá là hệ số cản Cx và các yếu tố ảnh hưởng đến nó trên mô hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt mưa, các khe gờ trên vỏ, kính. - Nội dung nghiên cứu: bao gồm các nội dung như trên đã trình bày, được thể hiện trong bốn chương và phần kết luận. - Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH. - Mục đích nghiên cứu là tìm hiểu các phương pháp mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh vỏ ô tô, từ đó lựa chọn và xây dựng được mô hình mô phỏng khí động học vỏ xe khách phù hợp với yêu cầu và mục đích nghiên cứu của luận án. - Cơ sở lý thuyết khí động học Để mô tả đầy đủ dòng chảy của môi chất bất kỳ, người ta thường sử dụng phương trình Navier-Stokes. - Với dòng khí bao quanh ô tô là dòng chảy dưới âm (M < 0.3), các nghiên cứu chỉ ra rằng có thể chấp nhận giả thiết chất khí không chịu nén [44]. - Khi đó, bài toán khí động học gồm hai phương trình: phương trình liên tục và phương trình bảo toàn động lượng: Phương trình liên tục: 0udiv (2.1) Phương trình bảo toàn động lượng: ugradpFdtdu trong đó: ulà vận tốc. - p là áp suất. - là độ nhớt động học của không khí. - 6 Đây là một hệ phương trình khép kín (4 phương trình và 4 ẩn số) gồm các phương trình đạo hàm riêng nên việc giải quyết bài toán thường rất phức tạp. - Hơn nữa, dòng chảy bao quanh vỏ xe là dòng rối, nên các nhà nghiên cứu thường sử dụng phương trình Reynolds Navier - Stokes trung bình hóa (Reynolds Average Navier Stokes, viết tắt là RANS). - Bằng cách mô tả các thông số a bất kỳ của dòng chảy bằng tổng của hai thành phần: thành phần không biến động a (là giá trị trung bình của a) và thành phần biến động a’, các thông số của dòng chảy được mô tả: iiiuuu. - (2.18) Khi đó, phương trình liên tục và phương trình bảo toàn động lượng được viết như sau: 0iiu jiijjiijjituupuuu ''11. - (2.19) Trong phương trình trên, jiuu. - (2.20) Trong các mô hình dòng rối nhớt, ten sơ ứng suất nhớt được mô tả như sau: ijttiju. - (2.21) Tùy theo cách mô tả t mà người ta đưa ra các mô hình dòng rối khác nhau. - Các mô hình này thường được phân biệt theo số phương trình cần thiết để mô tả t. - Trên cơ sở các yêu cầu của bài toán và khả năng tính toán của máy tính hiện có, NCS đã lựa chọn loại mô hình “hai phương trình” để mô phỏng và tính toán khí động học vỏ xe khách. - Mô phỏng khí động học vỏ xe bằng ANSYS - FLUENT NCS đã sử dụng mô đun FLUENT trong phần mềm chuyên dụng ANSYS để mô phỏng, tính toán và khảo sát dòng khí bao quanh vỏ xe trong nghiên cứu của luận án. - Mô hình tính toán được lựa chọn là “SST k. - Để giải bài toán, NCS đã xây dựng mô hình 3D, lựa chọn vùng không gian mô phỏng, chia lưới, đặt các điều kiện biên và ràng buộc tính toán và cuối cùng là tiến hành chạy chương trình, xuất và xử lý kết quả. - Kết quả tính toán được xuất ra dưới dạng số liệu gồm các lực và mô men theo 3 phương và các hình ảnh về phân bố áp suất, vận tốc và đường dòng. - Từ giá trị lực cản tính được, người ta xác định hệ số cản Cx theo công thức: AVFCxx Trong đó: V là vận tốc dòng chảy (m/s). - Chương 3 NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH BẰNG PHẦN MỀM ANSYS-FLUENT. - Phương pháp nghiên cứu Phần này trình bày việc mô phỏng, tính toán và khảo sát hình dạng khí động học vỏ xe ô tô chở khách bằng phần mềm ANSYS - FLUENT nhằm đưa ra các đề xuất cải thiện hợp lý nhất. - Tiêu chí cơ bản để đánh giá là hệ số cản không khí Cx. - Các nội dung cơ bản đã thực hiện như sau. - Lựa chọn một mẫu xe khách lắp ráp trong nước là THACO KB120LSI (hình 3.2) làm xe cơ sở. - Tiến hành mô phỏng khí động học vỏ xe cơ sở này, phân tích đánh giá chất lượng khí động học của nó. - Sử dụng mô hình cơ sở dạng hộp chữ nhật (hình 3.1) để khảo sát ảnh hưởng của các thông số hình học tới các tính chất khí động học của nó nhằm đưa ra các giải pháp cải thiện. - 8 - Trên cơ sở kết cấu của vỏ xe tham khảo và các kết quả khảo sát trên, lựa chọn các thông số hình học để tạo nên vỏ xe mới với hệ số cản khí động nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được các yêu cầu cốt yếu đối với vỏ xe khách (không gian sử dụng, bố trí nội thất và trang thiết bị, tính thẩm mỹ. - Khảo sát đánh giá mô hình vỏ xe mới được lựa chọn trên đây và so sánh với vỏ xe cơ sở. - Để thực hiện mô phỏng và tính toán bằng ANSYS, NCS đã sử dụng phần mềm ANSYS (có bản quyền) và hệ thống máy tính mạnh của Trung tâm Phát triển và Ứng dụng Phần mềm công nghiệp (DASI), Trường ĐHBK Hà Nội. - Hình 3.1 Các thông số khảo sát của biên dạng vỏ xe R3R3R5R5R2R4R1R1R5R5R3R3R1R1L2L11900L3 Chiều tiến của xe 9 Để khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới lực cản khí động, NCS đã chọn mô hình cơ sở là một hình hộp chữ nhật (hình 3.1). - Đồng thời, chấp nhận bỏ qua các chi tiết nhỏ như gương chiếu hậu của xe, các gân, gờ, khe hở của vỏ xe, hốc bánh xe và các chi tiết nhỏ khác liên quan đến vỏ xe như gạt mưa, ăng ten, tay nắm cửa. - Các thông số khảo sát (xem hình 3.1) bao gồm. - Góc nghiêng của kính chắn gió phía trước (α. - Bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc (R4. - Bán kính góc lượn giữa thành trước (gồm cả kính chắn gió) và hai thành bên (R5). - Mô phỏng, khảo sát, đánh giá chất lượng khí động học của vỏ xe khách cơ sở Hình 3.2 Xe ô tô khách tham khảo (THACO KB120LSI) 10 Thông số kích thước bao của vỏ xe khách được lấy theo mẫu xe THACO KB120LSI được lắp ráp tại Công ty cổ phần ô tô Trường Hải với các kích thước như trên hình 3.2. - Các giả thiết của bài toán mô phỏng. - 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 như gương chiếu hậu, gạt mưa, các gân, gờ, khe rãnh, hốc bánh xe, ăng ten, tay nắm cửa. - Vận tốc dòng khí tại đầu vào của không gian mô phỏng có phương song song với trục dọc của xe, 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 của vùng không gian mô phỏng bằng 0 m/s. - Không xét đến bán kính cong của kính chắn gió phía trước và kính phía sau xe (coi kính chắn gió phía trước và kính phía sau xe là các mặt phẳng). - Sau khi xây dựng mô hình theo các giả thiết trên, lựa chọn không gian mô phỏng, chia lưới, gán đặt các điều kiện biên và thực hiện mô phỏng, ANSYS-FLUENT sẽ cho các kết quả dưới các dạng hình ảnh (phân bố áp suất, phân bố vận tốc, đường dòng bao quanh vỏ xe), đồ thị, bảng giá trị số. - Với vỏ xe cơ sở, sau khi mô phỏng luận án thu được các kết quả dưới dạng hình ảnh và bảng số, có thể ví dụ như một số kết quả sau: Bảng 3.1-Giá trị hệ số lực cản, lực và mô men theo các phương Cx Fx [N] Fy [N] Fz [N] Mx [N.m] My [N.m] Mz [N.m Hình 3.7 Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe Hình 3.8 Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối xứng dọc của xe Hình 3.10 Phân bố vận tốc tại mặt phẳng đối xứng dọc của vỏ xe Hình 3.12 Đường dòng tại mặt phẳng trung tuyến dọc của vỏ xe 3.3. - Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới khí động học vỏ xe Để xác định các quy luật ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới lực cản khí động, luận án tiến hành khảo sát lần lượt từng thông số trên mô hình vỏ xe dạng hộp chữ nhật. - Trên cơ sở các kết quả khảo sát, luận án sẽ đề xuất lựa chọn một bộ thông số để tạo thành một vỏ xe mới có dạng khí động học tốt hơn so với vỏ xe cơ sở (Cx = 0,48). - Các kết quả cho thấy, đối với dạng vỏ xe khảo sát, các thông số góc nghiêng của kính chắn gió phía trước. - bán kính góc lượn R4, R5 là các thông số ảnh hưởng nhiều nhất tới hệ số cản Cx (hình các thông số còn lại ảnh hưởng không đáng kể tới hệ số Cx này (ví dụ như hình 12 3.20). - So sánh các hình ảnh về sự thay đổi phân bố áp suất xung quanh vỏ xe và giá trị áp suất là một trong những bằng chứng giúp giải thích được sự thay đổi các giá trị lực cản Fx, dẫn đến có sự thay đổi Cx như vậy (Ví dụ như các hình các hình và các hình giải thích cho sự thay đổi của Cx ở các hình và 3.47 tương ứng). - Góc nghiêng của kính phía sau xe (độ) Cx Hình 3.20 Ảnh hưởng của góc nghiêng kính phía sau xe đến hệ số cản Cx Góc nghiêng của kính chắn gió phía trước (độ) Cx Hình 3.15 Ảnh hưởng của góc nghiêng kính chắn gió phía trước đến hệ số cản Cx 13 Hình 3.47 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa thành trước và hai thành bên tới hệ số cản Cx Hình 3.40 Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe tới hệ số cản Cx Cx Bán kính góc lượn giữa kính chắn gió phía trước và nóc xe (mm Cx Bán kính góc lượn giữa thành trước và hai thành bên (mm) 14 Hình 3.16 Phân bố áp suất khi góc nghiêng kính chắn gió bằng 0o Hình 3.17 Phân bố áp suất khi góc nghiêng kính chắn gió bằng 40o Hình 3.45 Phân bố áp suất khi không có góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe Hình 3.46 Phân bố áp suất khi góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe bằng 2000 mm Hình 3.51 Phân bố áp suất khi không có góc lượn giữa thành trước và hai thành bên Hình 3.52 Phân bố áp suất khi góc lượn giữa thành trước và hai thành bên bằng 1250 mm Trên cơ sở các kết quả khảo sát và số liệu thống kê, tham khảo các thông số của một số dạng vỏ xe thực tế, luận án đã lựa chọn được một bộ thông số của dạng vỏ xe cải thiện. - Sau khi mô phỏng khí động của vỏ xe cải thiện này, hệ số Cx thu được là 0,3671. - Kết quả so sánh thông số giữa vỏ xe cơ sở và vỏ xe cải thiện được thể hiện ở bảng 3.12.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt