Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam

1. B GIÁO DC VÀ ðÀO TO TRƯNG ðI HC BÁCH KHOA HÀ NI Tơ Hồng Tùng NGHIÊN CU CI THIN DNG KHÍ ðNG HC V XE KHÁCH LP RÁP TI VIT NAM Chuyên ngành: K thut cơ khí đng lc Mã s: 62520116 TĨM TT LUN ÁN TIN SĨ K THUT CƠ KHÍ ðNG LC Hà Ni 2016
2. Cơng trình đưc hồn thành ti Trưng ði hc Bách Khoa Hà Ni Ngưi hưng dn khoa hc: PGS.TS Nguyn Trng Hoan PGS.TS H Hu Hi Phn bin 1: PGS.TS Nguyn Văn Bang Phn bin 2: PGS.TS Nguyn Nht Chiêu Phn bin 3: TS Nguyn Văn Trà Lun án đưc bo v trưc Hi đng đánh giá lun án tin sĩ cp Trưng hp ti Trưng ði hc Bách khoa Hà Ni Vào hi gi, ngày tháng năm Cĩ th tìm hiu lun án ti thư vin: 1. Thư vin T Quang Bu Trưng ðHBK Hà Ni 2. Thư vin Quc gia Vit Nam
3. M ðU 1. Tính cp thit ca đ tài Hin nay, nhu cu vn chuyn hành khách bng đưng b ti Vit Nam ngày càng tăng cao, cơ s h tng, đưng sá giao thơng phát trin rt tích cc, tc đ di chuyn ca các phương tin vn ti hành khách cũng đưc nâng lên rõ rt. Do đĩ, lĩnh vc sn xut ơ tơ khách nhn đưc s quan tâm đc bit ca Chính ph. Ti Vit Nam, cĩ mt s doanh nghip đu tư sn xut và lp ráp ơ tơ khách t 24 80 ch phc v giao thơng cơng cng nhưng các cơ s lp ráp xe hin nay đu ch lp ráp da trên các b ph tùng nhp khu. Phn cơng vic chính đưc thc hin trong nưc là sn xut khung v vi các cơng ngh hàn, sơn và lp ráp ni tht nhưng cht lưng cịn mc đ hn ch. Vn đ nghiên cu, ti ưu hĩa kt cu ca v xe nhm nâng cao các ch tiêu kinh t k thut vn hành ca ơ tơ chưa đưc quan tâm đu tư. ð nhng chic ơ tơ khách Vit Nam cĩ th cnh tranh đưc vi ơ tơ nhp khu, cn đu tư chiu sâu, đc bit là đu tư cho lĩnh vc nghiên cu phát trin sn phm cĩ cht lưng cao, trong đĩ vn đ quan trng hàng đu cn đưc ưu tiên đu tư nghiên cu là ti ưu hĩa dng khí đng hc v xe nhm gim mc tiêu th nhiên liu và nâng cao tính an tồn chuyn đng. T thc t trên, nghiên cu sinh đã thc hin lun án Tin sĩ vi đ tài: “Nghiên cu ci thin dng khí đng hc v xe khách lp ráp ti Vit Nam”. Lun án là mt cơng trình nghiên cu sâu đu tiên v khí đng hc ơ tơ Vit Nam. Các kt qu nghiên cu ca Lun án gĩp phn tng bưc to ra mt cơ s lý thuyt vng chc cho s phát trin lâu dài ca ngành cơng nghip ơ tơ ti Vit Nam. 2. Mc đích, đi tưng, phm vi và ni dung nghiên cu Mc đích ca lun án: Xây dng mơ hình kho sát, đánh giá dng khí đng hc v xe ơ tơ khách và đ xut các gii pháp ci thin dng khí đng hc nhm gim thiu lc cn khí đng tác dng lên ơ tơ. 1
4. ði tưng nghiên cu: ði tưng nghiên cu ca Lun án đưc la chn là ơ tơ khách c ln vi mu xe tham kho c th là ơ tơ khách 51 ch ca Trưng Hi THACO KB120LSI. Phm vi nghiên cu Lun án tp trung nghiên cu v lc cn khí đng vi tiêu chí đánh giá là h s cn C x và các yu t nh hưng đn nĩ trên mơ hình v xe “trơn” (b qua gương chiu hu, gt mưa, các khe g trên v, kính, ). Ni dung nghiên cu Lun án gm các ni dung chính như sau: 1. Tng quan v vn đ nghiên cu 2. Xây dng mơ hình mơ phng khí đng hc v xe khách 3. Nghiên cu khí đng hc v ơ tơ khách bng phn mm ANSYS FLUENT 4. Nghiên cu khí đng hc v xe khách trong ng khí đng 5. Kt lun. Trên cơ s bám sát mc đích, đi tưng, phm vi và các ni dung nghiên cu trên, NCS đã trin khai thc hin lun án vi các ni dung đưc trình bày trong bn chương và phn kt lun. Chương 1 TNG QUAN V VN ð NGHIÊN CU Trong chương này, lun án thc hin các ni dung: Kho sát, đánh giá chung v lĩnh vc sn xut ơ tơ khách, cơng ngh sn xut v xe khách ti Vit Nam hin nay, t đĩ xác đnh đưc v trí, vai trị và tm quan trng ca vn đ nghiên cu ca lun án trong thc t ti Vit Nam. Nghiên cu chung v khí đng hc và khí đng hc ơ tơ cũng như tìm hiu v xu hưng nghiên cu, các cơng trình nghiên cu v khí đng hc ơ tơ hin nay trên th gii, xác đnh các khĩ khăn trong quá trình thc hin nghiên cu, t đĩ la chn đưc phương pháp, đi tưng, phm vi và ni dung 2
5. nghiên cu phù hp cho lun án, đc bit trong điu kin khĩ khăn ca Vit Nam hin nay. Qua quá trình nghiên cu, lun án nhn thy các xu hưng nghiên cu gn đây ca các tác gi trên th gii vn tp trung vào vic gii quyt nhng vn đ chính ca khí đng hc bng nghiên cu lý thuyt hoc thc nghim như sau: + Gim lc cn khí đng nhm ci thin tính năng đng lc hc ca ơ tơ và gim mc tiêu th nhiên liu. + Gim ti đa các lc và mơ men gây mt n đnh chuyn đng nhm nâng cao tính an tồn chuyn đng, đc bit là đi vi các loi ơ tơ cĩ tc đ cao hay trong trưng hp gp giĩ ngang ln (bão). + Tn dng dịng chy khơng khí đ thơng giĩ trong khoang xe, ci thin kh năng làm mát đng cơ và các cơ cu phanh ca ơ tơ trong quá trình chuyn đng. + Gim đ n khí đng do tương tác gia dịng chy khơng khí vi v xe. Trong nghiên cu lý thuyt, vn đ ln nht vn là nâng cao dn mc đ phc tp ca bài tốn nhm gii đưc phương trình Navier Stokes cp đ cao hơn. Nu như trưc đây, các nhà nghiên cu s dng phương pháp sai phân hu hn đ gii phương trình Ơ le vi mơ hình phng [5] thì ngày nay, vn đ đang đưc quan tâm gii quyt là phương trình Reynolds trung bình hĩa cho dịng chy ri (Reynolds Average Navier Stokes RANS). Trong đĩ mơ hình vi 2 phương trình b sung (ph bin hơn c là mơ hình k ε) đưc s dng rng rãi nht. Nhng cơng b gn đây nht (t 2008 2012) cho thy phương trình Reynolds cho dịng ri vn đang tip tc là cơng c chính ca các nhà nghiên cu khí đng hc ơ tơ [5, 24, 27, 31, 40, 62, ]. Các phn mm chuyên dng cũng đưc s dng ngày càng nhiu hơn trong các nghiên cu lý thuyt. Chng hn, gn đây nht, R. K. Petkar (3/2014) cùng các đng tác gi đã cơng b kt qu nghiên cu lý thuyt, trong đĩ s dng phương pháp tính tốn mơ phng bng ANSYS FLUENT đ đưa ra các gii pháp gim lc cn khơng khí đi vi ơ tơ đua [56]. Nhng 3
6. cơng trình khác cũng cho thy nhiu nhà nghiên cu đã s dng thành cơng phn mm này đ mơ phng và tính tốn khí đng hc v xe ơ tơ, như Manan Desai (2008) [46], Chalmers (2012) [31], . Các cơng trình nghiên cu đã cơng b gn đây cũng cho thy, vic gii phương trình Navier Stokes mc cao hơn na chưa đưc đt ra đi vi khí đng hc ơ tơ [5] do mc đ phc tp cao ca bài tốn địi hi phi cĩ cơng c h tr mnh, thi gian thc hin mơ hình và thi gian tính tốn rt ln cùng vi các chi phí cao hơn nhiu. Trong nghiên cu thc nghim, vn đ đang đưc quan tâm hơn c là hồn thin điu kin th nghim sao cho gn vi thc t hơn nhm nâng cao đ chính xác và đ tin cy ca các kt qu đo. Mc dù ng khí đng tương thích vi kích thưc thc ca ơ tơ đưc cho là đáng tin cy và cho kt qu chính xác hơn, nhưng cho ti nay ngưi ta vn phi s dng các ng khí đng vi các mơ hình thu nh vì lý do tài chính [46]. Sau khi đã phân tích, đánh giá, lun án la chn: + Phương pháp nghiên cu: kt hp gia lý thuyt và thc nghim. Ni dung chính ca phn nghiên cu lý thuyt là xây dng mơ hình khơng gian v xe ơ tơ khách và đưa vào tính tốn kho sát trong phn mm Fluent (ANSYS). Cơ s lý thuyt ca mơ hình tính tốn là phương trình Reynolds (RANS) vi 2 phương trình b sung (mơ hình STT k ω) vi phương pháp gii là phương pháp th tích hu hn. Phn nghiên cu thc nghim s dng ng khí đng đ thc hin mt s thí nghim mang tính kim chng. Do điu kin trong nưc khơng cĩ ng khí đng đ ln, Lun án s s dng mu thu nh ca v xe đ thí nghim. Mc đích chính ca các thí nghim là xác đnh lc cn và h s cn khơng khí tác đng lên v xe đ đi chiu vi kt qu tính tốn bng mơ hình mơ phng trong cùng điu kin như nhau. + ði tưng nghiên cu: ði tưng nghiên cu ca Lun án đưc la chn là ơ tơ khách c ln vi mu xe tham kho c th là ơ tơ khách 51 ch ca Trưng Hi THACO KB120LSI. 4
7. + Phm vi nghiên cu: Lun án tp trung nghiên cu v lc cn khí đng vi tiêu chí đánh giá là h s cn C x và các yu t nh hưng đn nĩ trên mơ hình v xe “trơn” (b qua gương chiu hu, gt mưa, các khe g trên v, kính, ). + Ni dung nghiên cu: bao gm các ni dung như trên đã trình bày, đưc th hin trong bn chương và phn kt lun. Chương 2 XÂY DNG MƠ HÌNH MƠ PHNG KHÍ ðNG HC V XE KHÁCH. Mc đích nghiên cu là tìm hiu các phương pháp mơ phng dịng chy khơng khí bao quanh v ơ tơ, t đĩ la chn và xây dng đưc mơ hình mơ phng khí đng hc v xe khách phù hp vi yêu cu và mc đích nghiên cu ca lun án. 2.1. Cơ s lý thuyt khí đng hc ð mơ t đy đ dịng chy ca mơi cht bt kỳ, ngưi ta thưng s dng phương trình NavierStokes. Vi dịng khí bao quanh ơ tơ là dịng chy dưi âm (M < 0.3), các nghiên cu ch ra rng cĩ th chp nhn gi thit cht khí khơng chu nén [44]. Khi đĩ, bài tốn khí đng hc gm hai phương trình: phương trình liên tc và phương trình bo tồn đng lưng: Phương trình liên tc: divu = 0 (2.1) Phương trình bo tồn đng lưng: du 1 = F − gradp +νu (2.2) dt ρ trong đĩ: u là vn tc; ρ là khi lưng riêng ca khơng khí; p là áp sut; F là lc th tích; ν là đ nht đng hc ca khơng khí. 5
8. ðây là mt h phương trình khép kín (4 phương trình và 4 n s) gm các phương trình đo hàm riêng nên vic gii quyt bài tốn thưng rt phc tp. Hơn na, dịng chy bao quanh v xe là dịng ri, nên các nhà nghiên cu thưng s dng phương trình Reynolds Navier Stokes trung bình hĩa (Reynolds Average Navier Stokes, vit tt là RANS). Bng cách mơ t các thơng s a bt kỳ ca dịng chy bng tng ca hai thành phn: thành phn khơng bin đng a (là giá tr trung bình ca a) và thành phn bin đng a’ , các thơng s ca dịng chy đưc mơ t: ui = ui + u'i (2.17) p = p + p' (2.18) Khi đĩ, phương trình liên tc và phương trình bo tồn đng lưng đưc vit như sau: ∂ u = 0 i i 1 1 ∂ u + u ∂ u = − ∂ p + ∂ (τ − ρu' u' ) (2.19) t i j j i ρ i ρ j ij i j Trong phương trình trên, ρu'i u' j đc trưng cho ng sut nht ca dịng ri và thưng đưc gi là ng sut Reynolds, ký hiu ten sơ ng sut t ca dịng ri là τij : t τ ij = −ρu'i u' j (2.20) Trong các mơ hình dịng ri nht, ten sơ ng sut nht đưc mơ t như sau: t τ ij = t ∂ j ui (2.21) Tùy theo cách mơ t t mà ngưi ta đưa ra các mơ hình dịng ri khác nhau. Các mơ hình này thưng đưc phân bit theo s phương trình cn thit đ mơ t t. Trên cơ s các yêu cu ca bài tốn và kh năng tính tốn ca máy tính hin cĩ, NCS đã la chn loi mơ hình “hai phương trình” đ mơ phng và tính tốn khí đng hc v xe khách. 6
9. 2.2. Mơ phng khí đng hc v xe bng ANSYS FLUENT NCS đã s dng mơ đun FLUENT trong phn mm chuyên dng ANSYS đ mơ phng, tính tốn và kho sát dịng khí bao quanh v xe trong nghiên cu ca lun án. Mơ hình tính tốn đưc la chn là “SST k ω”. ð gii bài tốn, NCS đã xây dng mơ hình 3D, la chn vùng khơng gian mơ phng, chia lưi, đt các điu kin biên và ràng buc tính tốn và cui cùng là tin hành chy chương trình, xut và x lý kt qu. Kt qu tính tốn đưc xut ra dưi dng s liu gm các lc và mơ men theo 3 phương và các hình nh v phân b áp sut, vn tc và đưng dịng. T giá tr lc cn tính đưc, ngưi ta xác đnh h s cn C x theo cơng thc: F C = x (2.42) x 1 ρV 2 A 2 Trong đĩ: V là vn tc dịng chy (m/s); A là din tích (m 2); ρ là mt đ khơng khí (kg/m 3). Chương 3 NGHIÊN CU KHÍ ðNG HC V XE KHÁCH BNG PHN MM ANSYSFLUENT. 3.1. Phương pháp nghiên cu Phn này trình bày vic mơ phng, tính tốn và kho sát hình dng khí đng hc v xe ơ tơ ch khách bng phn mm ANSYS FLUENT nhm đưa ra các đ xut ci thin hp lý nht. Tiêu chí cơ bn đ đánh giá là h s cn khơng khí C x. Các ni dung cơ bn đã thc hin như sau: La chn mt mu xe khách lp ráp trong nưc là THACO KB120LSI (hình 3.2) làm xe cơ s. Tin hành mơ phng khí đng hc v xe cơ s này, phân tích đánh giá cht lưng khí đng hc ca nĩ. S dng mơ hình cơ s dng hp ch nht (hình 3.1) đ kho sát nh hưng ca các thơng s hình hc ti các tính cht khí đng hc ca nĩ nhm đưa ra các gii pháp ci thin. 7
10. Trên cơ s kt cu ca v xe tham kho và các kt qu kho sát trên, la chn các thơng s hình hc đ to nên v xe mi vi h s cn khí đng nh nht mà vn đm bo đưc các yêu cu ct yu đi vi v xe khách (khơng gian s dng, b trí ni tht và trang thit b, tính thm m, ). Kho sát đánh giá mơ hình v xe mi đưc la chn trên đây và so sánh vi v xe cơ s. ð thc hin mơ phng và tính tốn bng ANSYS, NCS đã s dng phn mm ANSYS (cĩ bn quyn) và h thng máy tính mnh ca Trung tâm Phát trin và ng dng Phn mm cơng nghip (DASI), Trưng ðHBK Hà Ni. ðng thi, NCS cũng nhn đưc các ý kin tư vn v chuyên mơn ca các chuyên gia phn mm giàu kinh nghim ca DASI. β α R1 R1 2 L 1 L γ 1900 γ Chi u ti n c a xe R4 R2 R1 R1 L R5 R3 3 R5 R3 R3 R5 R5 R3 Hình 3.1 Các thơng s kho sát ca biên dng v xe 8
11. ð kho sát nh hưng ca các thơng s kt cu ti lc cn khí đng, NCS đã chn mơ hình cơ s là mt hình hp ch nht (hình 3.1). ðng thi, chp nhn b qua các chi tit nh như gương chiu hu ca xe, các gân, g, khe h ca v xe, hc bánh xe và các chi tit nh khác liên quan đn v xe như gt mưa, ăng ten, tay nm ca, Các thơng s kho sát (xem hình 3.1) bao gm: Gĩc nghiêng ca kính chn giĩ phía trưc (α); Gĩc nghiêng ca kính phía sau (β); Gĩc vát hai thành bên phía đuơi ( γ); Bán kính gĩc lưn gia nĩc xe và hai thành bên (R 1); Bán kính gĩc lưn gia kính phía sau và nĩc (R 2); Bán kính gĩc lưn gia thành sau (gm c kính phía sau) và hai thành bên (R 3); Bán kính gĩc lưn gia kính chn giĩ và nĩc (R 4); Bán kính gĩc lưn gia thành trưc (gm c kính chn giĩ) và hai thành bên (R 5). 3.2. Mơ phng, kho sát, đánh giá cht lưng khí đng hc ca v xe khách cơ s 1745 3975 2200 1165 300 720 6000 2557 2500 12000 Hình 3.2 Xe ơ tơ khách tham kho (THACO KB120LSI) 9
12. Thơng s kích thưc bao ca v xe khách đưc ly theo mu xe THACO KB120LSI đưc lp ráp ti Cơng ty c phn ơ tơ Trưng Hi vi các kích thưc như trên hình 3.2. Các gi thit ca bài tốn mơ phng: Mơ hình v xe là tuyt đi cng, khơng xy ra s bin dng ca v xe trong sut quá trình mơ phng. B qua quá trình trao đi nhit gia v xe và khơng khí. B mt v xe là b mt nhn, gm xe đưc bc phng (khơng xét đn các yu t khác như gương chiu hu, gt mưa, các gân, g, khe rãnh, hc bánh xe, ăng ten, tay nm ca, ). Vn tc dịng khí ti đu vào ca khơng gian mơ phng cĩ phương song song vi trc dc ca xe, hưng t đu xe ti đuơi xe và cĩ giá tr khơng đi trong quá trình mơ phng ( . Vn tc khơng khí ti b mt v xe và b mt gii hn ca vùng khơng gian mơ phng bng 0 m/s. Khơng xét đn bán kính cong ca kính chn giĩ phía trưc và kính phía sau xe (coi kính chn giĩ phía trưc và kính phía sau xe là các mt phng). Sau khi xây dng mơ hình theo các gi thit trên, la chn khơng gian mơ phng, chia lưi, gán đt các điu kin biên và thc hin mơ phng, ANSYSFLUENT s cho các kt qu dưi các dng hình nh (phân b áp sut, phân b vn tc, đưng dịng bao quanh v xe), đ th, bng giá tr s. Vi v xe cơ s, sau khi mơ phng lun án thu đưc các kt qu dưi dng hình nh và bng s, cĩ th ví d như mt s kt qu sau: Bng 3.1Giá tr h s lc cn, lc và mơ men theo các phương M M C F [N] F [N] F [N] x y M [N.m] x x y z [N.m] [N.m] z 0,4800 2548,06 830,18 35,30 5,54 150,08 6606,25 10
13. Hình 3.7 Phân b áp sut trên Hình 3.8 Phân b áp sut trong b mt v xe mt phng đi xng dc ca xe Hình 3.10 Phân b vn tc ti Hình 3.12 ðưng dịng ti mt mt phng đi xng dc ca v xe phng trung tuyn dc ca v xe 3.3. Kho sát nh hưng ca các thơng s kt cu ti khí đng hc v xe ð xác đnh các quy lut nh hưng ca các thơng s kt cu ti lc cn khí đng, lun án tin hành kho sát ln lưt tng thơng s trên mơ hình v xe dng hp ch nht. Trên cơ s các kt qu kho sát, lun án s đ xut la chn mt b thơng s đ to thành mt v xe mi cĩ dng khí đng hc tt hơn so vi v xe cơ s (C x = 0,48). Các kt qu cho thy, đi vi dng v xe kho sát, các thơng s gĩc nghiêng ca kính chn giĩ phía trưc α, bán kính gĩc lưn R 4, R 5 là các thơng s nh hưng nhiu nht ti h s cn C x (hình 3.15, 3.40, 3.47), các thơng s cịn li nh hưng khơng đáng k ti h s Cx này (ví d như hình 11
14. 3.20). So sánh các hình nh v s thay đi phân b áp sut xung quanh v xe và giá tr áp sut là mt trong nhng bng chng giúp gii thích đưc s thay đi các giá tr lc cn F x, dn đn cĩ s thay đi C x như vy (Ví d như các hình 3.16, 3.17, các hình 3.45, 3.46 và các hình 3.51, 3.52 gii thích cho s thay đi ca C x các hình 3.15, 3.40 và 3.47 tương ng). 1.2 1 0.8 C 0.6 x 0.4 0.2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Gĩc nghiêng ca kính phía sau xe (đ) Hình 3.20 nh hưng ca gĩc nghiêng kính phía sau xe đn h s cn C x 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 Cx 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Gĩc nghiêng ca kính chn giĩ phía trưc (đ) Hình 3.15 nh hưng ca gĩc nghiêng kính chn giĩ phía trưc đn h s cn C x 12
15. 1 0.9 0.8 0.7 Cx 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Bán kính gĩc lưn gia kính chn giĩ phía trưc và nĩc xe (mm) Hình 3.40 nh hưng ca bán kính gĩc lưn gia kính chn giĩ và nĩc xe ti h s cn C x 1 0.9 0.8 0.7 0.6 Cx 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000110012001300 Bán kính gĩc lưn gia thành trưc và hai thành bên (mm) Hình 3.47 nh hưng ca bán kính gĩc lưn gia thành trưc và hai thành bên ti h s cn C x 13
16. Hình 3.16 Phân b áp sut khi gĩc Hình 3.17 Phân b áp sut khi gĩc nghiêng kính chn giĩ bng 0 o nghiêng kính chn giĩ bng 40 o Hình 3.45 Phân b áp sut Hình 3.46 Phân b áp sut khi khơng cĩ gĩc lưn gia khi gĩc lưn gia kính chn giĩ kính chn giĩ và nĩc xe và nĩc xe bng 2000 mm Hình 3.51 Phân b áp sut Hình 3.52 Phân b áp sut khi khơng cĩ gĩc lưn gia khi gĩc lưn gia thành trưc thành trưc và hai thành bên và hai thành bên bng 1250 mm Trên cơ s các kt qu kho sát và s liu thng kê, tham kho các thơng s ca mt s dng v xe thc t, lun án đã la chn đưc mt b thơng s ca dng v xe ci thin. Sau khi mơ phng khí đng ca v xe ci thin này, h s Cx thu đưc là 0,3671. Kt qu so sánh thơng s gia v xe cơ s và v xe ci thin đưc th hin bng 3.12. 14
17. Bng 3.12 Các thơng s ca mơ hình xe khách tham kho và mơ hình ci thin ca lun án Thơng V xe tham kho V xe ci thin ca lun án s Α 12 o 12 o Β 7o 10 o γ 0o 5o (khong cách vát là 1,9 m) R1 180 mm 250 mm R2 180 mm 150 mm R3 180 mm 150 mm R4 400 mm 600 mm R5 180 mm 250 mm Cx 0,4800 0,3671 Cĩ th nhn thy v xe ci thin cĩ h s Cx gim khá nhiu so vi v xe cơ s (khong 23,52%). ð đánh giá tính n đnh và đ tin cy ca các kt qu tính tốn mơ phng khí đng hc v xe ơ tơ khách bng phn mm ANSYS Fluent, NCS tin hành mơ phng mơ hình v xe ci thin các vn tc dịng khí khác nhau (t 10 m/s (tương đương vi 36 km/h) đn 35 m/s (tương đương vi 126 km/h) vi bưc nhy vn tc là 5 m/s. Các kt qu tính tốn đưc th hin dưi dng s trong bng 3.11 và bng đ th trên hình 3.59. Bng 3.11Lc cn F x và h s Cx ca mơ hình v xe ci thin V kk 10 15 20 25 30 35 (m/s) Fx (N) 217,45 486,71 868,74 1348,69 1948,78 2648,88 Cx 0,3686 0,3667 0,3682 0,3658 0,3671 0,3666 ð xác đnh quy lut ph thuc ca lc cn khơng khí theo vn tc thu đưc t kt qu tính tốn mơ phng, NCS đã tin hành v đ th theo quy lut lý thuyt đã bit: 1 2 15
18. Trong đĩ: C x = 0,367 (giá tr trung bình tính t kt qu mơ phng); Din tích cn chính din: A = 9,635 m2 (ly t kt qu mơ phng); Mt đ khơng khí: ρ = 1,225 kg/m 3. 3000 F x 2500 2000 1500 Mơ phng 1000 Cơng thc 500 0 0 10 20 30 40 V (m/s) Hình 3.59 ð th F theo vn tc chuyn đng ca dịng khí x Kt qu tính tốn theo cơng thc lý thuyt trên đây đưc th hin dưi dng đ th (đưng đ vi các đim vuơng mu vàng) trên hình 3.59 cùng vi kt qu tính tốn mơ phng bng Fluent (các đim hình thoi xanh thm) đưc v t bng 3.11. S so sánh trên đây cho thy đ tin cy ca các kt qu tính tốn bng mơ phng trong phn mm ANSYS Fluent. Chương 4 NGHIÊN CU KHÍ ðNG HC V XE KHÁCH TRONG NG KHÍ ðNG 4.1. Mc đích và phương pháp nghiên cu 4.1.1. Mc đích Mc đích ca vic nghiên cu khí đng hc v xe khách trong ng khí đng là đo các lc tác đng lên mu v xe khách trong ng khí đng đ t đĩ tính h s cn Cx và so sánh vi kt qu tính tốn bng mơ hình mơ phng. 4.1.2. Phương pháp nghiên cu 16
19. Nghiên cu đưc thc hin vi ng khí đng OT1 ca Phịng thí nghim khí đng hc ca Vin k thut Phịng Khơng Khơng Quân. ng khí đng cĩ kích thưc bung th (mm): 3800 x 2000 x 1400, vn tc th ti đa: 40 m/s. Kích thưc ca mu th đưc la chn theo các thơng s ca ng th căn c vào lý thuyt tương t. Lun án đã la chn mu th vi t l thu nh 1:40. Lun án đã thc hin các bưc nghiên cu như sau: − ðo các lc tác đng lên mơ hình mu ca v xe t l 1:40 trong ng khí đng, trên cơ s đĩ xác đnh lc cn khí đng Fx, t đĩ xác đnh h s lc cn khơng khí C x. − Mơ phng mơ hình v xe ơ tơ khách trong ng khí đng bng Fluent vi điu kin hồn tồn ging như điu kin thí nghim, tính tốn xác đnh các lc cn tác đng lên mơ hình v xe F x và h s Cx. − So sánh kt qu thí nghim vi kt qu tính tốn lý thuyt và đánh giá đ tin cy ca phương pháp lun và đ chính xác ca mơ hình tính tốn. 4.2. Thc hin thí nghim 4.2.1. Trang thit b và b trí trang thit b thí nghim Sơ đ ng khí đng đưc mơ t trên hình 4.1. ng khí đng gm đưng ng dn khí, đng cơ dn đng qut giĩ và khoang th (cịn gi là bung th) dành cho vic b trí mu xe thí nghim cùng vi các thit b đo lưng. ð to hiu ng mt đưng cho thí nghim, NCS đã tin hành lp mt tm sàn bng g phng dày 10mm phía dưi gm mơ hình. Kích thưc ca tm sàn đưc la chn sao cho khơng gây nhiu đng cho dịng chy khơng khí phía trưc xe, tương t như khi la chn khơng gian mơ phng đã trình bày trong chương 2 (mc 2.3.3). 17
20. Hình 4.1 Sơ đ ng khí đng và kt ni thit b thí nghi m 1 ðng cơ; 2 ng khí đng; 3 Các cm bin đo vn tc dịng khí; 4 Mu thí nghim; 5 Cân khí đng; 6 B chuyn đi tín hiu vn t c dịng khí; 7 Thit b hin th vn tc dịng khí; 8 B chuyn đi các tín hi u thu đưc t cân khí đng; 9 B x lý các tín hiu nhn đưc t cân khí đ ng; 10 Máy tính hin th và x lý kt qu; 11 Lưi hưng dịng; 12 Lưi n đnh dịng. Vic gá đt mu th lên giá đưc th hin trên hình 4.11. Hình 4.11. Gá đt mu thí nghim trên thit b đo trong khoang th 18
21. 4.2.2. Thc hin thí nghim ð loi tr nh hưng ca h thng gá đt mu th NCS đã tin hành thí nghim cho hai trưng hp: Thí nghim 1: tin hành đo khi khơng cĩ mu th đ đo các lc tác dng lên giá đ và tm sàn. Thí nghim 2: tin hành đo vi mu th lp trên giá đ đ xác đnh lc tác dng lên tồn b h thng. Ly hiu kt qu đo đưc thí nghim 2 tr đi kt qu đo thí nghim 1 ta xác đnh đưc lc cn khí đng ca mơ hình thí nghim. Thí nghim tin hành vi 4 ch đ vn tc như sau: 20m/s, 25m/s, 30m/s và 35m/s. Các kt qu thí nghim đưc th hin bng 4.2. Bng 4.2. Kt qu thí nghim Vn tc (m/s) 20 25 29 34 Lc cn F x (N) 6.95 10.89 13.745 18.002 H s cn C x 0.4025 0.4148 0.366 0.379 ð đánh giá kt qu thí nghim, NCS đã ly giá tr trung bình ca h s Cx đo đưc đ tính tốn lc cn F x theo cơng thc: (4.4) Trong đĩ: C x = 0,39 (giá tr trung bình đo đưc); Din tích cn chính din: A = 0,035 m 2 (xác đnh theo mu thí nghim); Mt đ khơng khí: ρ = 1,225 kg/m 3; Vi vn tc dịng khí bin thiên t 0 35 m/s, kt qu tính tốn thu đưc th hin trên hình 4.14 là đưng parabol. 19
22. 25 F (N) x 20 15 Theo (4.4) 10 Thí nghiệm 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 V (m/s) Hình 4.14 Quy lut bin thiên lc cn theo vn tc Trên đ th cịn th hin các giá tr lc cn F x đo đưc t kt qu thí nghim (theo bng 4.2). ð th này cho thy, các kt qu thí nghim tuân theo đúng quy lut đã bit: lc cn khí đng t l thun vi bình phương ca vn tc. So sánh trên đây cĩ th đưc coi như mt minh chng v đ tin cy và đ chính xác ca các kt qu đo đưc. 4.3. Mơ phng thí nghim trong ng khí đng Lun án thc hin mơ phng thí nghim trong ng khí đng bng ANSYS FLUENT theo quy trình và phương pháp hồn tồn ging như đã trình bày trong chương 3. Bng 4.5 Kt qu thí nghim và kt qu tính tốn mơ phng mơ hình t l 1:40 trong ng khí đng. Sai lch Vn tc Lc cn F x (N) H s cn C x Thc Thc h s C x (m/s) Tính tốn Tính tốn nghim nghim (%) 20 6,2024 6,95 0,367 0,4025 25 9,6503 10,89 0,366 0,4148 29 12,9533 13,745 0,3577 0,366 34 17,7933 18,002 0,3695 0,379 Giá tr trung bình 0,36505 0,390575 6,53 20
23. ð cĩ th so sánh kt qu thí nghim vi kt qu mơ phng thí nghim trên máy tính, các điu kin tính tốn mơ phng đưc la chn ging hồn tồn vi điu kin thc nghim. Trong bng 4.5 th hin các kt qu tính tốn mơ phng mu v xe trong ng khí đng cùng vi các kt qu thí nghim. Các kt qu trên đưc th hin trc quan bng đ th trên các hình 4.21 và 4.22. 20 18 Fx (N) 16 14 12 Mơ phỏng 10 Thí nghiệm 8 6 4 2 0 15 20 25 30 35 V (m/s) Hình 4.21. So sánh lc cn theo kt qu tính tốn mơ phng và thc nghim 0.45 Cx 0.4 0.35 0.3 0.25 Mơ phỏng 0.2 0.15 Thí nghiệm 0.1 0.05 0 15 20 25 30 35 V (m/s) Hình 4.22. So sánh C x theo kt qu tính tốn mơ phng và thc nghim 21
24. Vi nhng kt qu nêu trên, vic s dng phn mm ANSYS Fluent vi mơ hình “SST k ω” đ mơ phng dịng khí chuyn đng bao quanh v xe khách là hồn tồn kh thi vi các kt qu thu đưc đm bo đ chính xác và tin cy. KT LUN 1. Lun án đã s dng phn mm chuyên dng ANSYS Fluent đ nghiên cu khí đng hc v xe ơ tơ khách c ln sn xut ti Vit Nam. Bài tốn đưc xây dng da trên phương trình Navier Stokes đơn gin hĩa dng RANS vi gi thit cht khí khơng chu nén kt hp vi các mơ hình dịng ri nht. Trên cơ s mơ hình tính tốn đưc la chn là “SST k ω”, NCS đã xây dng đưc mơ hình mơ phng v xe ơ tơ khách trong Fluent đ tính tốn các thơng s ca dịng chy khơng khí bao quanh v xe. Kt qu mơ phng, tính tốn khí đng hc mơ hình v xe cơ s THACO KB120LSI đã cho h s Cx = 0,48, nghĩa là v xe này cĩ hình dng khí đng hc khá tt. Tuy nhiên, các hình nh v phân b áp sut, vn tc và đưng dịng bao quanh v xe cho thy cịn khá nhiu khim khuyt trên v xe cn đưc ci thin đ gim lc cn khí đng. 2. NCS đã s dng mơ hình đơn gin dng hp ch nht đ nghiên cu, tính tốn, kho sát và đã xác đnh đưc quy lut nh hưng ca mt s thơng s kt cu (gĩc nghiêng ca các mt trưc và sau, bán kính gĩc lưn gia các mt to thành v xe) ti lc cn khí đng. Kt qu kho sát cho thy, đi vi dng v xe khách c ln, bán kính gĩc lưn gia mt trưc và nĩc xe (R 4) và bán kính gĩc lưn gia mt trưc và hai mt bên (R 5) cĩ nh hưng ln nht đn lc cn khí đng. Tuy nhiên, các thơng s này cũng cĩ nh hưng ln đn khơng gian trong xe và đc bit là tính thm m, nên vic la chn chúng cn đưc cân nhc mt cách k lưng. 22
25. 3. Trên cơ s các kt qu kho sát nh hưng ca các thơng s kt cu ti lc cn khí đng và qua phân tích kt cu ca mt s loi v xe đang đưc sn xut, NCS đã đ xut la chn mt b thơng s kt cu mi nhm ci thin dng khí đng hc đ đt đưc h s cn C x nh nht trong khi vn tha mãn các yêu cu v cơng năng s dng và tính thm m ca v xe. Kt qu tính tốn mơ phng cho thy cht lưng khí đng hc ca v xe mi đưc ci thin đáng k. H s cn C x ca v xe mi là 0,3671, đng thi các hình nh v dịng khí bao quanh v xe cũng cho thy, dịng chy bám sát hơn vào v và kích thưc ca các vùng xốy đã gim đi nhiu. 4. ð kim chng đ tin cy và đ chính xác ca mơ hình tính tốn lý thuyt bng phn mm ANSYS Fluent, NCS đã thc hin nghiên cu khí đng hc mơ hình v xe thu nh t l 1:40 trong ng khí đng. Các thí nghim đưc tin hành vi các vn tc 20, 25, 29 và 34 m/s, kt qu thu đưc giá tr trung bình ca h s cn là C x = 0,39. ðng thi, NCS đã thc hin mơ phng mơ hình v xe trong ng khí đng bng Fluent vi các thơng s và điu kin ging ht như khi thí nghim. Kt qu tính tốn mơ phng các giá tr vn tc như trên cho giá tr trung bình ca h s Cx là 0,365. Như vy, đ chênh lch gia kt qu tính tốn mơ phng và kt qu đo đc bng thí nghim trong cùng điu kin như nhau là 6,5%. Mc sai s khá ln nhưng cĩ th chp nhn đưc nu xét đn các gi thit đã đưa ra khi xây dng mơ hình. Hơn na, các thit b thí nghim cũng cĩ nhng sai s nht đnh. 5. Các kt qu nghiên cu ca lun án đã hình thành mt phương pháp đánh giá khí đng hc v xe khách, hồn tồn kh thi trong điu kin Vit Nam. Nu đưc tip tc hồn thin, đây cĩ th là mt cơng c hiu qu giúp cho các nhà thit k ci thin và hưng ti ti ưu hĩa dng khí đng hc v xe nhm gim thiu lc cn khơng khí trong quá trình chuyn đng. ðiu này cĩ ý nghĩa rt quan trng, vì gim lc cn đng nghĩa vi vic gim mc tiêu hao nhiên liu và gim phát thi đc hi ra mơi trưng. 6. Các hưng nghiên cu phát trin: 23
26. Da trên các kt qu nghiên cu ca Lun án, NCS đ xut mt s hưng nghiên cu phát trin như sau: Hồn thin mơ hình tính tốn: b sung thêm các gương chiu hu, mơ t các g, khe ca, hc bánh xe, mơ t bánh xe đang quay, mơ t chuyn đng tương đi gia v xe và mt đưng, ; Nghiên cu nh hưng ca lc nâng, nh hưng ca giĩ ngang ti tính n đnh chuyn đng ca ơ tơ, đc bit là đi vi các ơ tơ cĩ chiu cao ln (xe khách giưng nm). 24
27. DANH MC CÁC CƠNG TRÌNH ðà CƠNG B CA LUN ÁN 1. Tung To Hoang, Hoan Nguyen Trong, Hai Ho Huu (2009). Using Fluent to simulate the airflow around body of coach manufactured in Vietnam, The 15 th Asia Pacific Automotive Engineering Conference APAC15, APAC 2009 Proceeding Volume 1, 26 28 October 2009, pp. APAC15257. 2. Tơ Hồng Tùng, Nguyn Trng Hoan (2015). Nghiên cu mi quan h gia h s cn khí đng vi các thơng s bán kính gĩc lưn phía đu xe ơ tơ khách c ln sn xut ti Vit Nam bng phn mm ANSYSFLUENT, Tp chí Cơ khí Vit Nam, s 8 năm 2015, trang 102106. 3. Tơ Hồng Tùng, Nguyn Trng Hoan, H Hu Hi (2015). Nghiên cu khí đng hc ơ tơ bng phương pháp thí nghim trong ng khí đng, Tp chí Cơ khí Vit Nam, s 8 năm 2015, trang 121125.