Nghiên cứu lực cản khí động học của xe du lịch bằng phần mềm Ansys

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày phương pháp và một số kết quả tính toán xác định lực cản khí động trên vỏ ô tô du lịch bằng phần mềm Ansys để tìm hiểu ảnh hưởng xấu đến chất lượng làm việc của ô tô khi ô tô chuyển động trên đường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu lực cản khí động học của xe du lịch bằng phần mềm Ansys

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Nghiên cứu lực cản khí động học của xe du lịch bằng phần mềm Ansys Study on the force of aerodynamic drag of sedan with Ansys software Đỗ Tiến Quyết Email: gvsd87@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 9/10/2018 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 24/3/2019 Ngày chấp nhận đăng: 28/3/2019 Tóm tắt Lực cản khí động tác dụng lên vỏ xe du lịch chuyển động với vận tốc cao tiêu thụ một phần đáng kể công suất của động cơ. Đây là một trong những nguyên nhân làm gia tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Bài báo trình bày phương pháp và một số kết quả tính toán xác định lực cản khí động trên vỏ ô tô du lịch bằng phần mềm Ansys. Từ khóa: Ansys; xe du lịch; khí động lực học; lực cản khí động học; hệ số cản khí động học. Abstract The force of aerodynamic drag on the body of sedan which are moving at high velocity, consuming a significant share of the engine capacity. This is one of the reasons which increase the fuel consumption and environmental pollution. The research paper presents the methodology and calculation results to determine the aerodynamic drag on the sedan body with the Ansys software. Keywords: Ansys; sedan; aerodynamics; aerodynamic drag; aerodynamic drag coefficient. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí, tương tác giữa môi trường và cấu trúc của vỏ xe Khi ô tô chuyển động trên đường, sự tương tác giữa vỏ xe và môi trường không khí xung quanh tạo thành những vùng xoáy có áp suất thấp. Ngoài có ảnh hưởng xấu đến chất lượng làm việc của vùng xoáy lớn ở đuôi xe, còn rất nhiều vùng xoáy ô tô. nhỏ trên vỏ xe góp phần tạo nên lực cản khí động Lực cản không khí chính diện làm tăng tổng lực ô tô. Muốn giảm tối đa các lực khí động cần phải cản chuyển động của ô tô, từ đó làm gia tăng mức tìm cách loại bỏ hoặc giảm kích thước của các tiêu hao nhiên liệu của ô tô, đặc biệt là ở vận tốc vùng xoáy này. cao do lực cản này tỉ lệ với bình phương vận tốc chuyển động của ô tô. Theo lý thuyết, lực cản khí động được xác định theo công thức: 1 (1) D= ACD ρ v 2 2 trong đó: D: lực cản khí động; A: diện tích cản chính diện; CD: hệ số cản; ρ : khối lượng riêng không khí; v : vận tốc dòng khí. Người phản biện: 1. PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoan 2. TS. Nguyễn Đình Cương Hình 1. Các vùng xoáy trên vỏ xe ô tô du lịch [1] Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(64).2019 37
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Theo lý thuyết khí động học, khi xe du lịch chuyển Với u , p là giá trị trung bình và u',p'p là thành phần động, luồng không khí phía trên mui xe di chuyển biến động của vận tốc và áp suất. với quãng đường dài hơn luồng không khí phía bên dưới gầm xe, phía trước nhanh hơn phía sau Để mô tả ứng suất của dòng rối τijt = -ρui′u′j , người nên theo nguyên lý Bernoulli, vận tốc khác nhau ta sử dụng các mô hình khác nhau tuỳ theo yêu của dòng khí sẽ phát sinh chênh lệch áp suất tạo cầu cụ thể của bài toán. ANSYS – Fluent cũng nên lực nâng xe lên làm giảm sức bám mặt đường cung cấp nhiều mô hình để giải bài toán này. Vì của lốp. Cũng như lực cản, lực nâng tỷ lệ với diện kết cấu vỏ xe du lịch là phức tạp, dòng khí khi đi tích mặt sàn xe, với bình phương vận tốc và hệ qua vỏ xe thường xuất hiện dòng ngược. Do đó, số nâng (CL) - hệ số này phụ thuộc hình dạng của các nhà nghiên cứu khí động học ô tô thường sử xe. Ở tốc độ cao, lực nâng có thể tăng quá mức dụng mô hình k − ε Realizable với điều kiện hàm và gây ảnh hưởng rất xấu đến sự chuyển động tường là Non - Equilibrium Wall Functions. của xe. Lực nâng tập trung chủ yếu ở phía sau, nếu lực nâng quá lớn, các bánh xe phía sau sẽ 3. TÍNH TOÁN LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG BẰNG bị trượt, và như vậy rất nguy hiểm, nhất là khi xe PHẦN MỀM ANSYS FLUENT chạy ở tốc độ cao. Trên xe du lịch, để giảm giá 3.1. Xây dựng mô hình 3D trị lực nâng mà không ảnh hưởng quá nhiều đến lực cản, các nhà chế tạo đã lắp một cánh gió phía Để xây dựng mô hình 3D trong nghiên cứu khí đuôi xe [2]. Lực nâng khí động được xác định theo động học ô tô, các nhà nghiên cứu thường sử công thức: dụng các phần mềm thông dụng trong thiết kế 1 CAE như: Solid Works, Catia, Avacus,... Sau đó, L= ACL ρv 2 2 mô hình 3D sẽ được đưa vào trong môi trường 2 Ansys. Tuy nhiên, trong Ansys cũng hỗ trợ modul trong đó: Design Modeler cũng rất mạnh để thiết kế các mô L: lực nâng khí động; hình 3D. CL: hệ số lực nâng. Trong bài báo này, tác giả sử dụng Design Modeler trong Ansys Fluent để thiết kế mô hình 3D với xe tham khảo là xe Pagani Zonda C12. Mô hình này thỏa mãn điều kiện là mô hình dạng Solid đặc, không rỗng. Hình 2. Xe Formula Mazda có sử dụng cánh đuôi [5] 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY KHÔNG KHÍ BAO QUANH VỎ XE BẰNG ANSYS Để mô tả dòng chảy rối bao quanh vỏ xe, phần mềm Ansys Fluent sử dụng phương trình Reynolds Navier - Stokes trung bình hóa (Reynolds Average Hình 3. Mô hình 3D của xe du lịch Navier Stokes, viết tắt là RANS): Do thiết kế mô hình 3D là đối xứng theo phương ∂ i ui = 0 dọc, do đó trong quá trình tính toán chỉ sử dụng 1/2 mô hình bằng lệnh Symmetry trong quá trình 1 1 (3) ( 䌖t ui +uj䌖j ui = - 䌖j p + 䌖j τij - ρui′u′j ρ ρ ) mô phỏng. Bằng cách này sẽ làm giảm không gian tính toán, từ đó sẽ làm giảm thời gian tính toán mà Trong các phương trình trên, các thành phần vận vẫn đảm bảo độ chính xác của bài toán [5]. tốc theo ba phương ui và áp suất chất lỏng p được 3.2. Chia lưới mô hình mô tả như sau: ui = ui + ui′ Chia lưới thực chất là việc rời rạc hóa vùng không (4) gian mô phỏng thành các phần tử để thực hiện việc p = p +p′ tính toán gần đúng bằng phương pháp số (trong 38 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(64).2019
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Fluent là phương pháp thể tích hữu hạn). Việc hội tụ. Nếu kết quả không hội tụ hoặc hội tụ trong chọn kiểu lưới, số lượng phần tử, kích thước thời gian quá lâu thì phải thiết lập lại các bước: lưới, mật độ lưới phụ thuộc vào các yếu tố sau: chia lưới, chọn vùng không gian tính toán, thiết tính chất của bài toán mô phỏng, độ chính xác lập thuật giải thậm chí có thể còn phải sửa lại mô cần thiết của kết quả mô phỏng, cấu hình máy hình 3D [3]. Sau khi mô phỏng, kết quả đã hội tụ tính hiện có và thời gian để thực hiện mô phỏng tại vòng lặp 320 như hình 5. Kết quả hội tụ chứng bài toán. tỏ quá trình chia lưới trong quá trình mô phỏng đã Với mô hình 3D hiện nay, các dạng phần tử cơ đáp ứng được những yêu cầu theo hướng dẫn bản đang được sử dụng để hình thành nên lưới của Ansys Fluent [5]. là phần tử tứ diện (tetrahedral), phần tử dạng lăng Bảng 2. Cài đặt thuật giải trụ (prisms), phần tử dạng kim tự tháp (piramids), phần tử dạng lục diện (hexahedral) và phần tử đa Simulation 3D diện. Do bề mặt vỏ xe du lịch là phức tạp (có nhiều Processing Option Serial bề mặt nhỏ với độ cong khác nhau) nên bài báo sử Pressure – Velocity Coupling dụng lưới tứ diện để đảm bảo khả năng đáp ứng Scheme Coupled với các mô hình có cấu trúc phức tạp [4]. Time Steady Các thông số lưới của mô hình được thể hiện Solver trong bảng 1. Hình ảnh chia lưới của mô hình Least Squares Cell Gradient được minh họa trên hình 4. Based Pressure Standard Momentum First Order Upwind Turbulent Kinetic Energy First Order Upwind Turbulent Dissipation Rate First Order Upwind First Order Upwind for Iteration 10000 Iterations Hình 4. Lưới trong vùng không gian mô phỏng của Ansys Fluent Bảng 1. Các thông số lưới của mô hình Thông số Giá trị Kiểu lưới Tet 4 và Wed 6 Số nút 522160 Số phần tử 1517141 Độ lệch chuẩn 0,25977 Chỉ số Aspect 4,4946 Chỉ số trực giao 0,7379 Hình 5. Đồ thị kết quả hội tụ 3.3. Thiết lập thuật giải, điều kiện biên 3.4. Kết quả tính toán mô phỏng Để tính toán các lực khí động tác động lên vỏ xe trong quá trình chuyển động, trong phần mềm Kết quả tính toán mô phỏng được thể hiện trong các hình 5, 6, 7. Ansys mô phỏng bằng cách coi xe là cố định và có một nguồn gió thổi vào xe có giá trị vận tốc giống vận tốc chuyển động của xe trong điều kiện thực tế. Trong bài báo này, giá trị vận tốc được chọn là 120 km/h. Do vận tốc chuyển động dòng khí không quá lớn nên mô phỏng được chọn trên cơ sở “Áp suất” với một số thông số cơ bản như sau: Để kết quả bài toán mô phỏng phù hợp với bài toán vật lý, Hình 6. Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối trong Ansys Fluent yêu cầu kết quả tính toán phải xứng dọc của xe Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(64).2019 39
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 6 cho thấy trên vỏ xe tồn tại những vùng có 4. KẾT LUẬN áp suất dương, những vùng áp suất âm và các Với phương pháp tính toán trên đây, có thể thấy xoáy thấp áp. Chính sự chênh áp này là yếu tố cơ rằng kết cấu vùng đầu xe, đuôi xe có ảnh hưởng bản để tạo nên lực cản khí động. lớn đến lực cản khí động tác dụng lên vỏ xe. Các kết quả nghiên cứu có thể giúp cho các nhà thiết kế cải thiện kết cấu của vỏ xe du lịch nhằm giảm thiểu lực cản khí động mà không gây ảnh hưởng lớn đến không gian sử dụng cũng như tính thẩm mỹ của nó. Hình 7. Vectơ vận tốc tại mặt phẳng đối xứng dọc TÀI LIỆU THAM KHẢO của xe [1]. W.H. Hucho (1988), Aerodynamics of Road Vehicles: Các hình ảnh về vectơ vận tốc tại mặt phẳng đối From Fluid Mechanics to Vehicle Engineering, SAE International, 1988. xứng dọc của xe trên hình 7 chỉ rõ những nơi hình thành xoáy thấp áp có ảnh hưởng lớn đến lực cản [2]. W. Kieffera (2005), CFD study of section khí động. Loại bỏ được hoặc giảm kích thước của characteristics of Formula Mazda race car wings, 2005. những vùng xoáy này đồng nghĩa với việc giảm hệ số cản CD. [3]. M. Laurent Burgade, Aérodynamique Automobile: Approche numérique et expérimentale, PSA Cùng với các dữ liệu hình ảnh áp suất, vận tốc ở Peugeot-Citroen, session 1995 -1996. trên, việc mô phỏng dòng khí chuyển động bao [4]. Tô Hoàng Tùng (2016), Nghiên cứu cải thiện dạng quanh vỏ xe du lịch còn tính ra được hệ số cản, khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam, Luận hệ số nâng trên xe. Cụ thể, hệ số cản không khí án tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2006. CD= 0,35, CL= 0,16. [5]. Introduction to ANSYS Fluent (2012), Release 14.5, November 15, 2012. THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ 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 ngành Cơ khí động lực, chuyên ngành ô tô và xe chuyên dụng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Năm 2017 đến nay: Nghiên cứu sinh ngành 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 40 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(64).2019