MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong quá trình giao thông vận tải nói chung và giao thông đƣờng bộ nói riêng, để nâng cao hiệu quả khai thác cho đoàn xe chở hàng, cần thiết phải giảm tiêu hao nhiên liệu cần thiết tiêu tốn trong quá trình chạy xe. Để giảm tiêu hao nhiên liệu trong quá trình khai thác này thì giảm lực cản, tối ƣu tốc độ đoàn xe là một trong những biện pháp hữu ích và mang lại nhiều lợi ích thiết thực nhất hiện nay. Vấn đề nghiên cứu giảm lực cản, tiết kiệm nhiên liệu hiện đang đƣợc nhiều nhà nghiên cứu, thiết kế và khai thác kinh doanh vận tải quan tâm.
Trong những năm gần đây, việc phát triển giao thông vận tải container đƣợc chú trọng rất nhiều. Quá trình vận tải hàng hóa xuất nhập khẩu qua các cảng nội địa đƣờng bộ và đƣờng thủy ngày càng tăng cao. Kéo theo sự phát triển đó là sự phát triển đa dạng hóa của đoàn xe chở container. Trên các tuyến vận chuyển container nƣớc ta đã xuất hiện và đa dạng hóa các chủng loại xe đầu kéo có thiết kế hình dáng khí động khác nhau, xe nhập khẩu, xe nội địa.
sự đa dạng hóa này có phải là sự đầu tƣ nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cao từ các thiết kế kiểu dáng đoàn xe hay không. Tốc độ khai thác nào của đoàn xe thì tƣơng ứng với kiểu dáng thiết kế đó có hiệu quả kinh tế trong vận tải. Đây còn là các vấn đề cần đặt ra và phải đƣợc giải quyết không chỉ với các nhà thiết kế chế tạo mà còn cần thiết cho các ngành kinh doanh vận tải xe ô tô. Trƣớc những nhu cầu cần thiết để nâng cao hiệu quả khai thác cho đoàn xe chở container, sự cần thiết để có cái nhìn tổng thể về hình dáng khí động phù hợp cho đoàn xe chở container, tác giả lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên đoàn xe chở container, nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác vận tải hàng hóa cho đoàn xe.
Lịch sử nghiên cứu Lĩnh vực tính toán lực cản xe ô tô nói chung, cũng nhƣ lực cản khí động tác động lên đoàn xe chở container nói riêng đã có một số tác giả trong nƣớc và quốc tế quan tâm nghiên cứu [6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 18]. Từ nhiều năm về trƣớc khi công cụ hỗ trợ tính toán chƣa phát triển, thì việc tính toán xác định lực cản khí động xe ô tô chủ yếu dựa trên kết quả thực nghiệm mô hình tại các LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 phòng thử nghiệm khí động lực học ô tô. Trên cơ sở kết quả tổng hợp của rất nhiều thử nghiệm sẽ thu đƣợc các công thức thực nghiệm hay giá trị hệ số lực cản khí động tƣơng ứng cho từng loại xe ô tô khác nhau. Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của các công cụ, phƣơng tiên hỗ trợ tính toán số ra đời, tính toán động lực học chất lỏng CFD (Computation Fluid Dynamic) đã trở thành công cụ hữu dụng trong việc ƣớc lƣợng, dự đoán lực cản khí động tác động lên xe ô tô.
Ngày nay CFD đã trở thành công cụ phổ biến đƣợc nhiều nhà nghiên cứu sử dụng làm phƣơng tiện hỗ trợ nghiên cứu đắc lực cho mình [6-16]. Úng dụng CFD trong nghiên cứu tính toán giảm lực cản khí động tác động lên đoàn xe chở container là đề tài đã và đang là vấn đề đặt ra cho nhiều giới chuyên môn giải đáp [6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 18]. Với mỗn loại xe ô tô khác nhau, cần có các biện pháp kỹ thuật khác nhau để làm giảm lực cản khí động tác động lên xe. Càng giảm đƣợc lực cản khí động tác động lên đoàn xe thì đồng nghĩa với việc nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác cho đoàn xe.
Đây cũng chính là vấn đề đặt ra cần giải quyết trong luận văn này. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài là phân tích, đánh giá đặc tính khí động lực học tác động lên thân vỏ đoàn xe chở container. Thông qua các kết quả tính toán mô phỏng số CFD, đề xuất một số giải pháp làm giảm lực cản khí động tác động lên thân vỏ đoàn xe nhằm góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác cho đoàn xe. Đối tƣợng nghiên cứu trong luận văn là thân vỏ đoàn xe chở container, nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên đoàn xe chở container nhằm góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác của đoàn xe.
Do giới hạn về thời gian trong việc vẽ thiết kế các bản vẽ 3D cho đoàn xe, cũng nhƣ giới hạn về tốc độ máy tính cá nhân, thời gian chờ kết quả chạy mô phỏng số CFD, đề tài chỉ giới hạn phạm vi nghiên cứu trên một loại hình dáng đoàn xe chở container nhất định và hạn chế một số trƣờng hợp cụ thể để tính toán so sánh. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả Trong luận văn này, tác giả tiến hành nghiên cứu tổng quan về khí động học đoàn xe chở container, thiết lập mô hình 3D của đoàn xe đã chọn, sau đó sử LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dụng các bƣớc giải một bài toán mô phỏng số CFD để giải quyết vấn đề đặt ra. Cụ thể là, khi thiết lập xong mô hình 3D tác giả đã sử dụng công cụ phần mềm thƣơng mại để chia lƣới và đƣa vào phần mềm Ansys-Fluent để thiết lập các thông số đầu vào tính toán, điều kiện biên cho bài toán, từ đó thực hiện chạy mô phỏng số trên máy tính để xác định đƣợc các phân bố vận tốc, áp suất và lực cản khí động tác động lên đoàn xe khảo sát. Trên cơ sở phân tích kết quả thu đƣợc từ việc tính mô phỏng lực cản khí động tác động lên đoàn xe nguyên bản, tác giả đã đề xuất một số thay đổi hình dáng cho thƣợng tầng cabin của đoàn xe, thân xe và một số thay đổi vị trí, khoảng cách đặt container 20 feet so với cabin, sử dụng phần mềm chuyên dụng Ansys-Fluent để mô phỏng quá trình chuyển động của đoàn xe khi đã có thay đổi hình dáng tại tốc độ khai thác để xác định lực cản khí động cùng các đặc tính khí động của xe sau khi đã thay đổi hình dáng theo đề xuất.
Kết quả mô phỏng số đƣa ra phân bố vận tốc, phân bố áp suất trên đoàn xe với hình dáng thân xe, cabin đề xuất thay đổi khác nhau. Trên cơ sở phân tích kết quả mô phỏng số thu đƣợc, tác giả đƣa ra những kết luận quan trọng, những lƣu ý và khuyến cáo cho việc thiết kế khí động học của đoàn xe. Phƣơng pháp nghiên cứu Trong các nghiên cứu về đặc tính khí động lực học nói chung, các phƣơng pháp nghiên cứu thƣờng đƣợc sử dụng cho đến nay gồm: phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm mô hình trong các phòng thử nghiệm khí động học và phƣơng pháp tính toán lý thuyết thuần túy. Bên cạnh đó, phƣơng pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết với thực nghiệm mô hình cũng đƣợc các nhà nghiên cứu sử dụng.
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học tính toán số và công cụ máy tính, phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng công cụ mô phỏng số đã đƣợc áp dụng phổ biến. Tuy nhiên việc sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số cần đƣợc thực hiện kết hợp chặt chẽ với lý thuyết tính toán và kinh nghiệm trong tính toán số để đảm bảo kết quả tính toán có độ tin cậy cao. Trong luận văn này, tác giả sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết truyền thống và tính toán mô phỏng số. Đây là phƣơng pháp nghiên cứu phổ biến và hiện đại trên thế giới mà nhiều nhà nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới hiện đang quan tâm, sử dụng làm công cụ nghiên cứu cho mình.
Trên cơ sở nghiên cứu tài liệu, lý thuyết khí động học và tính toán mô LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 phỏng số CFD, tác giả tiến hành mô hình hóa các mô hình đoàn xe chở container, thiết kế bài toán tính mô phỏng số khảo sát đặc tính khí động học cho đoàn xe chở container và sau đó thực hiện các công việc để mô phỏng số CFD trên máy tính. Kết quả thu đƣợc từ mô phỏng số đƣợc đánh giá và phân tích thông qua so sánh kết quả tính toán giữa các mô hình với nhau dựa trên kinh nghiệm tính toán và tài liệu nghiên cứu đã có trong phạm vi nghiên cứu. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Đặc tính khí động của đoàn xe tải gần đây đã đƣợc các nhà sảm xuất và khai thác xe quan tâm đến.
Một trong những đặc tính khí động học quan trọng cần phải quan tâm đối với đoàn xe là lực khí động, bao gồm cả lực cản và lực nâng tác động lên đoàn xe trong quá trình lƣu thông. Lực cản liên quan đến công suất tiêu hao của động cơ, liên quan đến lƣợng tiêu hao nhiên liệu của đoàn xe. Lực nâng ảnh hƣởng đến tính an toàn ổn định và bám mặt đƣờng của xe. Đối với các đoàn xe khi khai thác ở dải vận tốc thấp, thì hình dáng thân vỏ xe ít ảnh hƣởng đến các thành phần lực khí động tác đụng lên xe.
Trong trƣờng hợp này, lực cản khí động tác dụng lên xe chỉ khoảng dƣới 10% lực cản tổng thể và lên tới 30% tổng lực cản ở dải vận tốc 35km/h. Tuy nhiên, khi đoàn xe khai thác ở dải vận tốc cao khoảng 80km/h thì sự ảnh hƣởng của hình dáng thân vỏ xe tăng lên đáng kể, thành phần lực cản khí động tác dụng lên xe có thể tăng lên tới 55%, thậm chí lên tới 80% tổng lực cản tổng thể của xe ở dải vận tốc trên 100km/h [4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 18]. Trong một số nghiên cứu đã công bố cho thấy, việc thay đổi hình dáng hình học thân vỏ xe bằng các phƣơng pháp đơn giản nhƣ gắn thêm các tấm khí động, thêm mui tại đỉnh cabin xe, cải thiện hình dáng khí động nóc container, cải thiện hình dáng gầm xe hay thêm tấm bịt chắn bánh xe đều có thể giúp giảm lực cản khí động tác dụng lên đoàn xe khi lƣu thông.