CHƯƠNG I: Khảo sát chung về khí động học ô tô 1. Khảo sát các kiểu dáng ô tô: Tổng quan về kiểu dáng công nghiệp ô tô hiện nay, theo những khảo sát và đánh giá chung, thế giới đang sử dụng ba mẫu xe thịnh hành nhất: - Mẫu ô tô Fast back: phổ biến ở các dòng xe tốc độ cao như: Bugati, Porsche, Aston Martin,… với đặc điểm kiểu dáng khí động đuôi phía sau dốc thẳng xuống, nhằm hạn chế tối đa lực cản khí động, thông thường các dòng xe này có hệ số lực cản khí động Cd < 0,3.1: Mô hình ô tô Porsche 911 - Mẫu ô tô thứ hai rất phổ biến từ các dòng xe hạng trung đến các dòng xe hạng sang là mẫu Notch back dạng chữ V phía đuôi đằng sau, hay còn gọi là dòng sedan, loại này hệ số lực cản khí động cũng tương đối nhỏ Cd = 0,32÷0,34.2: Mô hình ô tô Mercedes-Benz E320 -2- - Loại phổ biến thứ ba là loại ô tô Square back với hệ số lực cản khí động Cd từ 0,414÷0,44. Hiện nay, các kiểu dáng xe tương tự Square back nhưng có phần đuôi phá sau nhô cao hơn được sử dụng rộng rãi trên chủng loại xe thể thao đa dụng SUV.3: Mô hình ô tô Mercedes-Benz E63 Ngoài ra, chúng ta thấy trên thị trường còn có loại ô tô pick-up, theo các kết quả khảo sát và tính toán, chúng có hệ số lực cản trong khoảng từ 0,463 ÷ 0,491. Bên cạnh đó còn có rất nhiều các kiểu ô tô được thiết kế riêng nhằm phục vụ các sở thích cũng như mục đích đặc biệt.
Phương pháp mô hình hóa: Khi các nhà thiết kế nghiên cứu về kiểu dáng ô tô, ngoài tính chất thương mại nhằm gây ấn tượng về sản phẩm thì vấn đề nghiên cứu đưa ra các kiểu dáng với kết cấu khí động học tối ưu cũng vô cùng quan trọng. Bởi đó là một trong các thông số đánh giá chất lượng sản phẩm và nâng cao hiệu qủa hoạt động của ô tô cũng như tính an toàn cho người sử dụng. Trước những năm 80 của thế kỷ XX, trên thế giới các nhà nghiên cứu chỉ quan tâm nhiều tới ảnh hưởng của khí động học tác dụng trên máy bay. Người ta tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của khí động học lên thân và cánh máy bay, nhằm kiểm soát hệ số lực cản và lực nâng, đồng thời phân tích độ -3- ổn định của máy bay trong điệu kiện hoạt động ở tốc độ cao và môi trường khí động liên tục thay đổi do sự chênh áp trong không khí.
Tuy nhiên, sau những năm 80, khi nền công nghiệp ô tô có những bước tiến mạnh mẽ, trong đó có sự phát triển của nganh chế tạo động cơ. Những động cơ công suất lớn ra đời, ô tô hoạt động với vận tốc cao, thì người ta bắt đầu nhận ra rằng ảnh hưởng của khí động học tới ô tô là vấn đề rất quan trọng. Nghiên cứu khí động học trên ô tô là một bài toán rất phức tạp, bởi cơ sở nghiên cứu dựa trên phương trình Navier-Stokes, một phương trình chỉ giản được trong các điều kiện tối giản kèm theo. Thí nghiệm khí động học trên mô hình ô tô thực tế là một thí nghiệm tốn kém và yêu cầu các trang thiết bị rất hiện đại.
Bởi thí nghiệm trên mô hình ô tô thực tế thì yên cầu môi trường thí nghiệm phải giống môi trường khi ô tô hoạt động ngoài đường, do đó kích thước của ống khí động phải rất lớn để sao cho các biên của ống khí động không ảnh hưởng tới dòng khí bao quanh ô tô, tránh xảy ra sai số nhiễu trong quá trình đo của thí nghiệm. Ví dụ: Để thí nghiệm một ô tô có kích thước cơ bản bao quanh là: 5,184m x 1,786m x 1,824m Thì cần xây dựng một ống khí động có kích thước các chiều tương ứng là: 23m x 5,4m x 10,4m Do đó, với các thí nghiệm về khí động học ô tô, thông thường các nhà nghiên cứu phải mô hình hóa vật thể theo kích thước nhỏ hơn so với thực tế. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, tỷ lệ mô hình hóa từ 1/18 ÷ 1/12 so với kích thước mô hình thực tế là hợp lý. Bên cạnh đó, theo xu hướng phát triển hiện đại ngày nay và có tính chất kế thừa của công nghệ số, các nhà nghiên cứu đã ngày càng phát triển và áp dụng kỹ thuật mô phỏng khí động học máy bay và trên ô tô trên máy tính.
Nổi bật trong số đó có phần mềm mô phỏng “Tính toán động lực học dòng chảy” -4- CFD (Computational Fluid Dynamics). Các bước cơ bản để mô phỏng các bài toán trong CFD như sau: - Xây dựng mô hình hình học: mục đích mô tả vật thể, có thể mô tả từ những chiếc ô tô đơn giản nhất cho tới những chiếc ô tô phức tạp với kích thước hình học giống như thực tế. Độ chính xác hình học sẽ ảnh hưởng nhiều tới kết quả sau tính toán khi so sánh với các giá trị thực nghiệm. - Phân tích phương pháp chia lưới mô hình: phương pháp số và phần tử hữu hạn được sử dụng trong phần mềm CFD để giải bài toán, do đó việc chia lưới mô hình để tạo ra các phần tử đủ khả năng mô phỏng giống thực tế là điều rất quan trọng, nó cũng ảnh hưởng nhiều tới kết quả tính toán.
- Phương pháp tính toán của CFD: dựa trên phương trình Navier- Stokes theo số Reynolds trung bình (RANS) và phương pháp số để tính toán. Khảo sát các kết quả nghiên cứu: Trên thế giới hiện nay có rất nhiều nghiên cứu, các báo cáo và bài báo liên quan đến vấn đề khí động học ô tô. Các nền công nghiệp ô tô lớn như: Mỹ, Nhật, Đức,… mỗi công ty điều có các trung tâm nghiên cứu và phát triển sản phẩm, trong đó, khí động học ô tô là một lĩnh vực rất được quan tâm. Nhằm giảm chi phí trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng được những công nghệ hiện đại nhất và thực tiễn, các nhà nghiên cứu đã phát triển các sản phẩm theo hướng mô hình hóa.
Trong quá trình mô phỏng nghiên cứu khí động học ô tô, các nhà nghiên cứu quan tâm nhiều tới ba yếu tố ảnh hưởng tới kết quả tính toán mô phỏng: 1. Mô hình hình học: Trong quá trình phát triển sản phẩm, bao giờ chúng ta cũng phải xuất phát từ các mô hình cơ bản hay mô hình thô trước. Sau đó trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng sản phẩm, các nhà nghiên cứu phải cải tiến sản phẩm cũng như phương pháp mô phỏng để sao cho sản phẩm được tốt nhất. Do đó, -5- trong sản xuất, hay nghiên cứu mô phỏng đều có tính kế thừa và liên quan chặt chẽ tới nhau.
Khi mô phỏng một sản phấm càng sát với thực tế, thì kết quả tính toán sẽ cho những phản ánh chất lượng nhất so với thực tế. Ví dụ: Trong bài báo “Advances in External-Aero Simulation of round Vehicles Using the Steady RANS Equations” của tác giả Francis T.Makowski có đưa ra hai mô hình khác nhau, trong cùng một điệu kiện tính toán, đã cho ra hai kết quả hệ số cản khí động khác nhau. Với mô hình thô như sau: Hình 1.4: Mô hình chia lưới và kết quả tính hệ số Cd Kết quả mô phỏng ở trên chỉ ra hệ số cản khí động Cd = 1,9. Trong khi đó, khi tác giả tiến hành trên một mẫu xe ô tô sedan với kiểu dáng hình học gần giống so với hình dáng thực tế, trong một điều kiện tính toán nhất định phù hợp với loại xe này, cho kết quả hoàn toàn khác.
Một phần không nhỏ cửa sự khác biệt này là do kiểu dáng hình học của ô tô gây nên, với mẫu xe sedan, tiếp xúc giữa không khí và xe trên mặt phẳng nghiêng tạo ra áp suất thấp phía trước, làm giảm lực cản khí động.5: Mô hình chia lưới ô tô sedan và hệ số cản khí động Cd = 0,35 Vậy yếu tố đầu tiên ảnh hưởng tới hệ số cản khí động là phương pháp xây dựng mô hình hình học. Vấn đề này với các nhà nghiên cứu đơn lẻ sẽ vô cùng phức tạp, bởi các thông số kỹ thuật và thông số kích thước chi tiết của ô tô luôn được các nhà sản xuất bảo mật, nhằm tạo lợi thế cạnh tranh. Do đó khi nghiên cứu sâu về mô phỏng hình học của ô tô chúng ta cần có sự hỗ trợ từ các nhà nghiên cứu đi trước, để đưa ra được các kết quả hợp lý và có hướng tối ưu hóa sản phẩm trong các bước nghiên cứu tiếp theo. Phương pháp chia lưới mô hình: Sau khi chúng ta đã có được một mô hình hình học tương đối hoàn chỉnh, chúng ta cần chia nhỏ mô hình để có thể giải được bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn hay phương pháp số.
Việc tối ưu hóa phép chia lưới mô hình hình học trong mô phỏng tính toán CFD là một công viêc rất khó khăn, phức tạp, phải thực hiện nhiều lần và cần nhiều kinh nghiệm để có thể dần cải thiện mô hình. Chia lưới bao nhiêu thì phù hợp để bài toán có thể hội tụ, hay chia dạng lưới nào thì phù hợp với từng mô hình? Đó luôn là điều các nhà nghiên cứu phải tiến hành khảo sát, và không thể có đáp án chung cho nhiều bài toán. Trong nghiên cứu phương pháp số, chúng ta khó có thể đạt được ngay kết quả mong muốn, mà chúng ta phải thử cho rất nhiều trường hợp, sau đó lựa chọn kết quả phù hợp nhất để giải bài toán. Tuy nhiên, sau -7- mỗi lần thử và kiểm tra mô hình, chúng ta cần định hướng được mô hình đang thay đổi như thế nào để điều chỉnh cho đạt được kết quả mong muốn.
Bên cạnh đó, phương pháp chia lưới mô hình hình học cũng ảnh hưởng rất nhiều tới thời gian và tốc độ giải bài toán. Mật độ của lưới sẽ tỷ lệ thuận với thời gian tính toán của máy tính. Ví dụ: Khi tác giả Tuba Bayraktar thuộc University of Wisconsin, viết bài báo: “Guidelines for CFD Simulations of Ground Vehicle”, ông đã khảo sát chia lưới mô hình hình học một chiếc xe container trong việc phân tích khí động học xung quanh xe.5: Đồ thị phân bố áp suất trên bề măt mô hình - Kích thước xe container: Dài x Cao x Rộng = 19,5 x 4,1 x 2,5 (m3) - Kích thước môi trường khí động: Dài x Cao x Rộng = 137,2 x 22,9 x 30,5 (m3) - Ô tô đặt cách cửa ra của ống khí động 91,1 m.