Đồ án: Thiết kế, chế tạo ống khí động và hệ thống cân khí động 6 thành phần

Luận văn chi tiết về thiết kế, chế tạo phương tiện thu gom rác VN Sweeper 01. Khám phá giải pháp làm sạch hiệu quả cho khuôn viên trường học.

Chuyên ngành

Cơ khí Giao thông

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Đồ án tốt nghiệp

2019

82
2
0

Phí lưu trữ

30 Point

Tóm tắt

I. Khám phá ống khí động và cân khí động 6 thành phần A Z

Trong lĩnh vực cơ khí, hàng không và ô tô, khí động học thực nghiệm đóng một vai trò nền tảng. Nó cho phép các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan sát, đo lường và thấu hiểu sự tương tác phức tạp giữa vật thể và dòng chảy không khí. Công cụ trung tâm của quá trình này chính là hầm gió (hay wind tunnel), một thiết bị mô phỏng các điều kiện bay hoặc di chuyển của vật thể trong một môi trường được kiểm soát. Mục tiêu chính của việc sử dụng hầm gió là để xác định chính xác các lực khí độngmô men khí động tác động lên mô hình thử nghiệm. Để thực hiện được điều này, một hệ thống đo lường cực kỳ tinh vi là cần thiết, và đó chính là cân khí động 6 thành phần. Hệ thống này có khả năng đo đồng thời sáu đại lượng cơ bản: ba thành phần lực (Lực nâng, Lực cản, Lực ngang) và ba thành phần mô men (Mô men chúc ngóc, Mô men lượn, Mô men lượn tròn). Những dữ liệu này là vô giá, giúp tối ưu hóa thiết kế, cải thiện hiệu suất, tăng tính ổn định và giảm tiêu thụ năng lượng cho các phương tiện từ máy bay, tên lửa cho đến ô tô và các công trình xây dựng. Nghiên cứu của Biện Văn Thọ (2019) tại Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã tập trung vào việc thiết kế và chế tạo một hệ thống ống khí động vòng kín cỡ nhỏ, tích hợp cùng cân khí động 6 thành phần để phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu, cho thấy tầm quan trọng của việc làm chủ công nghệ này ngay tại các cơ sở đào tạo.

1.1. Vai trò của hầm gió trong nghiên cứu kỹ thuật hiện đại

Một hầm gió không chỉ là một đường ống lớn tạo ra luồng khí. Nó là một phòng thí nghiệm phức hợp cho phép tái tạo các điều kiện vận hành thực tế một cách an toàn và có thể lặp lại. Thay vì để vật thể di chuyển trong không khí tĩnh, hầm gió giữ vật thể đứng yên và thổi một dòng khí có vận tốc và đặc tính được kiểm soát chặt chẽ qua nó. Nguyên lý tương đối này cho phép đo lường chính xác các lực tác động. Ứng dụng của wind tunnel rất đa dạng, từ việc xác định lực cản (Drag) của một mẫu xe hơi mới để cải thiện hiệu quả nhiên liệu, đến việc phân tích lực nâng (Lift) trên một biên dạng cánh máy bay, hay kiểm tra sự ổn định của một cây cầu cao tầng dưới tác động của gió bão. Việc có một thiết bị thí nghiệm trực quan như đường ống khí động vẫn là cực kỳ cần thiết, ngay cả khi công nghệ mô phỏng CFD ngày càng phát triển.

1.2. Phân tích 6 thành phần lực và mô men khí động cốt lõi

Một cân khí động 6 thành phần đo lường toàn bộ các tác động khí động học lên một vật thể. Sáu thành phần này bao gồm: Lực nâng (Lift), vuông góc với hướng dòng chảy, có xu hướng nâng vật thể lên. Lực cản (Drag), song song và cùng chiều với dòng chảy, cản trở chuyển động. Lực ngang (Side Force), vuông góc với cả lực nâng và lực cản, phát sinh khi có gió tạt ngang. Ba mô men tương ứng là: Mô men chúc ngóc (Pitching Moment), gây ra chuyển động ngóc lên hoặc chúc xuống của đầu vật thể. Mô men lượn (Yawing Moment), gây ra chuyển động rẽ trái hoặc phải. Và Mô men lượn tròn (Rolling Moment), gây ra chuyển động xoay quanh trục dọc. Việc đo lường chính xác cả sáu thành phần này cung cấp một bức tranh toàn cảnh về hành vi khí động học của vật thể.

1.3. Sự khác biệt giữa cân khí động nội và cân khí động ngoại

Cân khí động được phân thành hai loại chính: cân khí động nộicân khí động ngoại. Cân khí động ngoại (External Balance) là loại mà toàn bộ mô hình và cơ cấu đỡ của nó được đặt trên một hệ thống đo lường nằm bên ngoài dòng chảy của hầm gió. Loại này thường lớn, chắc chắn và dễ tiếp cận, phù hợp cho các mô hình lớn như ô tô kích thước thật. Ngược lại, cân khí động nội (Internal Balance) được thiết kế nhỏ gọn để nằm hoàn toàn bên trong thân của mô hình thử nghiệm. Lực và mô men được truyền từ bề mặt mô hình qua cấu trúc của cân đến các cảm biến đo biến dạng. Loại cân này loại bỏ được nhiễu khí động từ hệ thống đỡ, mang lại độ chính xác cao hơn cho các mô hình như máy bay hay tên lửa, nơi tương tác giữa hệ thống đỡ và mô hình là rất đáng kể.

II. Thách thức trong việc thiết kế ống và cân khí động học

Việc xây dựng một hệ thống ống khí động và cân đo chính xác là một nhiệm vụ kỹ thuật phức tạp, đối mặt với nhiều thách thức đáng kể. Thách thức lớn nhất nằm ở việc đạt được chất lượng dòng chảy cao trong buồng thử. Dòng khí phải đồng đều về vận tốc, có áp suất ổn định và mức độ nhiễu loạn thấp. Bất kỳ sự không đồng nhất nào cũng sẽ dẫn đến sai số trong kết quả đo lường các lực khí động. Một vấn đề khác là việc đảm bảo điều kiện tương đồng, đặc biệt là số Reynolds. Khi thử nghiệm với mô hình thu nhỏ, việc đạt được số Reynolds tương đương với vật thể thực tế là gần như không thể nếu chỉ sử dụng không khí ở điều kiện thường, đòi hỏi các kỹ thuật bù trừ hoặc các loại hầm gió đặc biệt. Đối với cân khí động 6 thành phần, độ chính xác là yếu tố sống còn. Cấu trúc của cân phải đủ cứng vững để chịu tải nhưng cũng phải đủ nhạy để phát hiện những thay đổi lực rất nhỏ. Quá trình hiệu chuẩn cân khí động động là cực kỳ quan trọng và tốn thời gian, đòi hỏi các thiết bị chuyên dụng để áp đặt các lực và mô men đã biết một cách chính xác lên cân và ghi lại phản hồi của cảm biến. Cuối cùng, hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ) phải có khả năng lấy mẫu ở tần số cao, lọc nhiễu hiệu quả và đồng bộ hóa dữ liệu từ nhiều cảm biến đo biến dạng (strain gauge) để tính toán chính xác 6 thành phần lực và mô men.

2.1. Đảm bảo điều kiện tương đồng Bài toán khó về số Reynolds

Để kết quả từ mô hình thử nghiệm có thể áp dụng cho vật thể thực tế, các điều kiện tương tự động lực học phải được thỏa mãn. Điều này có nghĩa là số Reynolds (Re) và số Mach (Ma) của thí nghiệm và thực tế phải giống nhau. Số Reynolds đặc trưng cho tỷ lệ giữa lực quán tính và lực nhớt trong dòng chảy. Theo công thức tính Re, khi kích thước mô hình (L) giảm, để giữ Re không đổi, vận tốc dòng chảy (v) phải tăng lên rất nhiều hoặc phải sử dụng môi chất có độ nhớt thấp hơn. Trong các hầm gió tốc độ thấp cỡ nhỏ, việc tăng vận tốc quá cao là bất khả thi về mặt năng lượng và kết cấu. Do đó, các thí nghiệm thường phải chấp nhận sự khác biệt về số Reynolds, và các nhà nghiên cứu phải sử dụng các phương pháp hiệu chỉnh để ngoại suy kết quả, đây là một nguồn gây ra sự không chắc chắn trong đo lường.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác hệ thống DAQ

Một hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ - Data Acquisition) là cầu nối giữa các cảm biến vật lý và dữ liệu số. Độ chính xác của nó bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Nhiễu điện từ từ động cơ quạt hoặc các thiết bị khác có thể làm sai lệch tín hiệu điện áp nhỏ từ các strain gauge. Độ phân giải của bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) quyết định khả năng phát hiện những thay đổi nhỏ nhất của lực. Tốc độ lấy mẫu phải đủ nhanh để nắm bắt được các dao động của lực, đặc biệt là trong các thí nghiệm động. Hơn nữa, việc đồng bộ hóa dữ liệu từ tất cả các kênh cảm biến là rất quan trọng, vì việc tính toán 6 thành phần lực và mô men yêu cầu giá trị tức thời từ nhiều cảm biến cùng một lúc. Trong đề tài của Biện Văn Thọ, hệ thống DAQ sử dụng Arduino là một giải pháp linh hoạt nhưng đòi hỏi phải xử lý cẩn thận các vấn đề về nhiễu và hiệu chuẩn.

2.3. Vấn đề nhiễu loạn và chất lượng dòng chảy trong hầm gió

Nhiễu loạn trong dòng chảy là kẻ thù của các phép đo khí động học chính xác. Nó có thể xuất phát từ chính quạt tạo gió, từ sự không hoàn hảo của các góc lượn trong hầm gió vòng kín, hoặc từ lớp biên phát triển dọc theo thành ống. Để giảm thiểu nhiễu loạn và đảm bảo chất lượng dòng chảy, các nhà thiết kế phải tích hợp nhiều bộ phận chuyên dụng. Buồng lắng (settling chamber) có diện tích mặt cắt lớn giúp giảm vận tốc dòng chảy. Các lưới lọc (screens) và cấu trúc tổ ong (honeycomb) được đặt trong buồng lắng để làm đều dòng và phá vỡ các xoáy lớn. Nón phễu (contraction cone) được thiết kế với biên dạng cong tối ưu để tăng tốc dòng chảy một cách mượt mà vào buồng thử, đồng thời làm giảm thêm tỷ lệ nhiễu loạn tương đối. Chất lượng của các bộ phận này quyết định trực tiếp đến độ tin cậy của dữ liệu thu được.

III. Phương pháp thiết kế ống khí động vòng kín hiệu quả nhất

Thiết kế một ống khí động vòng kín hiệu quả đòi hỏi sự cân bằng giữa hiệu suất khí động học và chi phí chế tạo. Phương pháp thiết kế được tham khảo trong nghiên cứu của Biện Văn Thọ (2019) dựa trên tài liệu kinh điển "Low-Speed Wind Tunnel Testing" của J. Barlow, một tiêu chuẩn trong ngành. Quá trình thiết kế bắt đầu với việc xác định các yêu cầu chính: vận tốc dòng chảy tối đa trong buồng thử (dự kiến 20-30 m/s) và kích thước của mô hình thử nghiệm (tiết diện chắn khoảng 15x20 cm). Từ đó, kích thước buồng thử được quyết định, kéo theo việc tính toán các thành phần còn lại. Một ống khí động vòng kín bao gồm các bộ phận chính: buồng thử (test section), ống phân kỳ (diffuser), các ống chuyển hướng dòng (corners with turning vanes), quạt (fan), buồng ổn định (settling chamber) và ống gom tăng tốc (nozzle/contraction cone). Mỗi bộ phận phải được tính toán cẩn thận để giảm thiểu tổn thất năng lượng và đảm bảo chất lượng dòng chảy. Ví dụ, góc mở của ống phân kỳ phải đủ nhỏ để tránh hiện tượng tách dòng, và các cánh nắn dòng trong ống chuyển hướng phải có biên dạng airfoil để dẫn dòng đi một cách trơn tru, giảm thiểu tổn thất áp suất. Việc tối ưu hóa từng thành phần sẽ góp phần tạo nên một hệ thống hầm gió hoạt động hiệu quả với mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất.

3.1. Tính toán buồng thử và ống gom tăng tốc Nón phễu

Buồng thử là trái tim của hầm gió, nơi các phép đo được thực hiện. Kích thước của nó phải đủ lớn để chứa mô hình mà không gây ra hiệu ứng chặn dòng (blockage effect) quá lớn, làm sai lệch kết quả. Ống gom tăng tốc (nón phễu) nằm ngay trước buồng thử, có nhiệm vụ tăng tốc dòng khí từ buồng ổn định lên vận tốc yêu cầu. Tỷ số co (contraction ratio) – tức tỷ lệ diện tích đầu vào và đầu ra của nón phễu – là một thông số quan trọng. Tỷ số co càng lớn thì dòng chảy ở buồng thử càng đồng đều và ít nhiễu loạn. Tuy nhiên, một tỷ số co lớn cũng đồng nghĩa với một buồng ổn định có kích thước lớn, làm tăng chi phí. Do đó, cần có sự cân bằng hợp lý, thường tỷ số này dao động từ 7 đến 10 cho các hầm gió chất lượng cao.

3.2. Tối ưu hóa ống phân kỳ và các cánh nắn dòng

Sau khi rời buồng thử, dòng khí cần được làm chậm lại một cách hiệu quả trong ống phân kỳ để phục hồi áp suất tĩnh và giảm tổn thất năng lượng trước khi đi vào quạt và các góc lượn. Góc mở của ống phân kỳ phải được giữ ở mức thấp (thường dưới 7-8 độ) để tránh tách lớp biên, một hiện tượng gây ra tổn thất lớn và làm giảm hiệu suất của hầm gió. Tại các góc của mạch vòng kín, dòng khí phải đổi hướng 90 độ. Nếu không có biện pháp xử lý, dòng chảy sẽ bị tách rời, tạo ra các vùng xoáy lớn và gây tổn thất áp suất nghiêm trọng. Để giải quyết vấn đề này, người ta lắp đặt các cánh nắn dòng (turning vanes). Đây là các tấm airfoil nhỏ, xếp song song, có tác dụng dẫn hướng dòng chảy quanh góc một cách mượt mà, giữ cho dòng chảy bám theo thành ống và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

IV. Bí quyết chế tạo cân khí động 6 thành phần chính xác cao

Chế tạo một cân khí động 6 thành phần là đỉnh cao của kỹ thuật đo lường cơ học chính xác. Bí quyết nằm ở việc thiết kế một cấu trúc cơ khí có khả năng phân tách và đo lường độc lập sáu thành phần lực và mô men mà không bị nhiễu chéo (cross-talk) giữa các kênh. Cấu trúc của cân thường được gia công từ một khối kim loại duy nhất (nhôm hoặc thép) để đảm bảo tính đồng nhất và độ cứng. Các bộ phận đàn hồi (flexures) được thiết kế đặc biệt để chỉ biến dạng theo một hướng nhất định khi có lực tác dụng, trong khi vẫn giữ độ cứng ở các hướng khác. Trên các bộ phận đàn hồi này, các cảm biến đo biến dạng (strain gauge) được dán một cách cẩn thận. Khi có lực khí động tác động, cấu trúc cân sẽ bị biến dạng rất nhỏ, làm thay đổi điện trở của các strain gauge. Sự thay đổi này được đo lường thông qua một mạch cầu Wheatstone. Quá trình quan trọng nhất là hiệu chuẩn cân khí động động. Cân được đặt trên một giàn hiệu chuẩn chuyên dụng, nơi các trọng lượng chuẩn và các cơ cấu tạo mô men được áp dụng để tạo ra các tải trọng đã biết. Dữ liệu từ hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ) sẽ được ghi lại và một ma trận hiệu chuẩn 6x6 sẽ được xây dựng để chuyển đổi tín hiệu điện áp thô từ các kênh cảm biến thành các giá trị lực và mô men thực tế, đồng thời loại bỏ ảnh hưởng nhiễu chéo.

4.1. Lựa chọn và lắp đặt cảm biến đo biến dạng strain gauge

Thành phần cốt lõi của cân khí động là cảm biến đo biến dạng, hay strain gauge. Đây là những điện trở màng mỏng được thiết kế để thay đổi điện trở suất khi bị kéo dãn hoặc nén lại. Việc lựa chọn loại strain gauge phù hợp phụ thuộc vào vật liệu của cân, dải đo lường dự kiến và điều kiện môi trường. Quá trình dán cảm biến lên bề mặt cân đòi hỏi sự tỉ mỉ và chính xác tuyệt đối. Bề mặt phải được làm sạch, phẳng và keo dán phải được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo sự truyền biến dạng hoàn toàn từ cấu trúc cân sang cảm biến. Các cảm biến thường được nối thành một mạch cầu Wheatstone đầy đủ để tăng độ nhạy và bù trừ ảnh hưởng của nhiệt độ, đảm bảo tín hiệu đo ổn định và chính xác.

4.2. Quy trình hiệu chuẩn cân khí động để loại bỏ nhiễu chéo

Không có cân khí động nào là hoàn hảo; một lực tác động theo phương X có thể gây ra một tín hiệu nhỏ trên kênh đo lực phương Y. Hiện tượng này gọi là nhiễu chéo. Quy trình hiệu chuẩn cân khí động động được thực hiện để xác định và loại bỏ các ảnh hưởng này. Quá trình này bao gồm việc áp dụng một loạt các tải trọng và mô men đã biết trước lên cân, theo từng phương riêng lẻ và kết hợp nhiều phương. Dữ liệu đầu ra từ tất cả các kênh cảm biến được ghi lại tương ứng với mỗi trường hợp tải. Sau đó, các phương pháp toán học như hồi quy tuyến tính đa biến được sử dụng để tạo ra một ma trận hiệu chuẩn. Ma trận này khi nhân với vector tín hiệu điện áp thô sẽ cho ra vector 6 thành phần lực và mô men đã được hiệu chỉnh và loại bỏ nhiễu chéo.

V. Hướng dẫn mô phỏng CFD và so sánh kết quả thực nghiệm

Trong kỹ thuật hiện đại, khí động học thực nghiệm và Động lực học tính toán chất lỏng (CFD) không đối đầu mà bổ trợ cho nhau. Mô phỏng CFD, như được trình bày trong Chương 7 của tài liệu nghiên cứu, là một công cụ mạnh mẽ để dự đoán các đặc tính dòng chảy trước khi chế tạo mô hình vật lý. Quá trình này bắt đầu bằng việc xây dựng một mô hình hình học 3D của vật thể (ví dụ: mô hình xe Ahmed). Tiếp theo, một miền không gian tính toán bao quanh vật thể được xác định và rời rạc hóa thành một lưới gồm hàng triệu phần tử nhỏ (meshing). Các phương trình Navier-Stokes, mô tả chuyển động của chất lỏng, sau đó được giải trên lưới này bằng các phương pháp số. Các điều kiện biên, như vận tốc dòng vào và áp suất dòng ra, phải được thiết lập để mô phỏng chính xác điều kiện trong hầm gió. Kết quả từ mô phỏng CFD cung cấp một cái nhìn chi tiết về trường vận tốc, phân bố áp suất, và các lực khí động như lực cản (Drag)lực nâng (Lift). Tuy nhiên, kết quả CFD luôn cần được xác thực. Đây là lúc phép đo thực nghiệm phát huy vai trò. Bằng cách đặt mô hình thử nghiệm vật lý vào wind tunnel và đo lường bằng cân khí động 6 thành phần, các kỹ sư có thể so sánh trực tiếp dữ liệu thực tế với dữ liệu mô phỏng. Sự tương đồng giữa hai bộ kết quả sẽ khẳng định độ tin cậy của mô hình CFD, cho phép sử dụng nó để khảo sát nhanh nhiều phương án thiết kế khác nhau mà không cần chế tạo thêm mô hình vật lý.

5.1. Thiết lập bài toán mô phỏng CFD với mô hình xe Ahmed

Mô hình xe Ahmed là một mô hình tham chiếu chuẩn trong ngành công nghiệp ô tô, được sử dụng rộng rãi để xác thực các chương trình mô phỏng CFD. Việc thiết lập bài toán bắt đầu bằng việc xác định miền tính toán đủ lớn để các biên không ảnh hưởng đến dòng chảy quanh xe. Việc chia lưới là bước quan trọng nhất, đòi hỏi lưới phải mịn hơn ở những vùng có gradient vận tốc và áp suất lớn, chẳng hạn như gần bề mặt xe (lớp biên) và ở vùng xoáy phía sau đuôi xe. Các mô hình nhiễu (turbulence models) như k-ω SST thường được lựa chọn vì khả năng mô phỏng tốt cả dòng chảy gần thành và dòng chảy tự do. Điều kiện biên vận tốc vào được đặt tương ứng với tốc độ gió trong hầm gió, và điều kiện biên áp suất ra được đặt ở phía hạ lưu.

5.2. So sánh hệ số lực cản và lực nâng giữa đo đạc và CFD

Sau khi cả hai quá trình mô phỏng và thực nghiệm hoàn tất, bước cuối cùng là so sánh các đại lượng quan trọng. Các hệ số không thứ nguyên như hệ số lực cản (Drag) (Cd) và hệ số lực nâng (Lift) (Cl) là các chỉ số so sánh chính. Dữ liệu từ cân khí động 6 thành phần qua hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ) sẽ cho ra các giá trị lực thực nghiệm. Tương tự, phần mềm CFD sẽ tính toán các giá trị lực từ việc tích phân áp suất và ứng suất cắt trên bề mặt mô hình. Sự sai khác giữa kết quả đo đạc và mô phỏng được phân tích để đánh giá độ chính xác của mô hình CFD. Các nguyên nhân gây sai khác có thể bao gồm sự đơn giản hóa hình học trong mô hình, chất lượng lưới chưa tối ưu, hoặc sự không chắc chắn trong phép đo thực nghiệm.

VI. Tương lai ngành khí động học và vai trò của cân 6 thành phần

Ngành khí động học đang bước vào một kỷ nguyên mới, nơi sự kết hợp giữa khí động học thực nghiệmmô phỏng CFD ngày càng trở nên chặt chẽ. Các hệ thống hầm gió thông minh đang được phát triển, có khả năng tự động điều chỉnh điều kiện dòng chảy và tích hợp các kỹ thuật đo lường quang học tiên tiến như PIV (Particle Image Velocimetry) để trực quan hóa toàn bộ trường dòng chảy. Trong bối cảnh đó, cân khí động 6 thành phần vẫn giữ vai trò là "tiêu chuẩn vàng" để xác thực và hiệu chuẩn các mô hình số. Khi các thiết kế ngày càng trở nên phức tạp và yêu cầu về hiệu suất ngày càng khắt khe, nhu cầu về các phép đo lực và mô men chính xác, đáng tin cậy sẽ chỉ tăng lên. Tại Việt Nam, với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô như VinFast và sự đầu tư vào hàng không-vũ trụ, việc làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo ống khí động và các hệ thống đo lường phức tạp như cân 6 thành phần là một bước đi chiến lược. Các dự án nghiên cứu như của Biện Văn Thọ (2019) không chỉ cung cấp các công cụ giá trị cho đào tạo và nghiên cứu mà còn đặt nền móng cho việc xây dựng các trung tâm thử nghiệm khí động học hiện đại trong tương lai, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của nền kỹ thuật nước nhà.

6.1. Sự kết hợp giữa mô phỏng CFD và khí động học thực nghiệm

Tương lai không thuộc về riêng CFD hay thực nghiệm, mà là sự cộng hưởng của cả hai. CFD cho phép các kỹ sư nhanh chóng khảo sát hàng trăm biến thể thiết kế trên máy tính, giúp sàng lọc và tìm ra các phương án tiềm năng nhất với chi phí thấp. Sau đó, một vài thiết kế tối ưu nhất sẽ được chế tạo mô hình thử nghiệm và kiểm tra trong hầm gió. Dữ liệu từ cân khí động 6 thành phần và các cảm biến khác sẽ cung cấp những bằng chứng vật lý không thể chối cãi để xác nhận hiệu suất thực tế và tinh chỉnh lại mô hình CFD. Vòng lặp "Mô phỏng - Thử nghiệm - Tối ưu hóa" này giúp rút ngắn đáng kể thời gian phát triển sản phẩm, giảm chi phí và nâng cao chất lượng thiết kế cuối cùng.

6.2. Tiềm năng phát triển công nghệ hầm gió tại Việt Nam

Việt Nam đang có những bước tiến mạnh mẽ trong công nghiệp chế tạo. Để hỗ trợ cho sự phát triển này, đặc biệt trong lĩnh vực ô tô và hàng không, việc đầu tư vào cơ sở hạ tầng nghiên cứu và phát triển là tối quan trọng. Xây dựng các hầm gió hiện đại, trang bị các hệ thống đo lường chính xác như cân khí động 6 thành phần, sẽ là một cú hích lớn. Nó không chỉ phục vụ nhu cầu kiểm nghiệm sản phẩm trong nước mà còn mở ra cơ hội cung cấp dịch vụ thử nghiệm cho các đối tác quốc tế. Hơn nữa, việc tự chủ công nghệ chế tạo các thiết bị này, bắt đầu từ các dự án tại trường đại học, sẽ tạo ra một đội ngũ chuyên gia có tay nghề cao, sẵn sàng cho những thách thức lớn hơn trong tương lai của ngành khí động học thực nghiệm.

04/10/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THÀNH PHẦN LỰC KHÍ ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN PHƯƠNG TIỆN.1 Lực cản khí động Một vật thể chuyển động trong môi trường không khí sẽ gây nên sự chuyển dịch các phần tử không khí bao quanh nó và gây nên sự ma sát giữa không khí với bề mặt của vật thể đó. Khi đó các vật thể di chuyển như ô tô, máy bay, tàu hỏa…sẽ làm thay đổi áp suất không khí trên bề mặt của nó, làm xuất hiện các dòng xoáy khí ở phần sau của ô tô và gây ra ma sát giữa không khí với bề mặt của chúng. Đo đó sẽ phát sinh lực cản không khí, được kí hiệu là P  Lực cản trong khí động học được xác định bằng công thức: 1 FD = C Dv 2 A (1-1) 2 Ở đây: CD: hệ số cản không khí, nó phụ thuộc vào hình dạng vật thể. A: Diện tích cản chính diện của vật thể (ô tô) (m2) FD: Lực cản (N) v: Tốc độ của vật thể (ô tô, máy kéo…) (m/s)  : Khối lượng riêng chất lỏng (không khí) (kg/m3) Hình 1.1 Lực cản tác dụng lên phía đầu của xe Từ thực tế thông thường chúng ta đi xe máy hoặc xe đạp lúc chạy bình thường hoặc chậm, thì lực cản không khí tác dụng không đáng kể, nhưng khi chúng ta tăng tốc độ lên lực cản tăng lên gấp bình phương lần, theo (1-1).

SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS. Phan Thành Long 3 Vì vậy lực cản không khí là một yếu tố rất quan trong quá trình chế tạo ra một ô tô, máy bay. Để được cho ra một ô tô người ta phải tính toán và kiểm tra nhiều thứ trước và kiểm tra lực cản khí động cũng là một việc hết sức cần thiết phải thực hiện. Nếu bề mặt tiết diện nhận gió F của vật di chuyển càng lớn thì lực cản càng lớn theo (1-1).

Do vậy ở ô tô, máy bay hay tàu hỏa người ta thường chế tạo phần đầu nhọn sau đó tăng dần tiết diện về đuôi. Điều này giúp cho những phương tiện như chúng giảm được tiết diện mà gió tác dụng lên nhằm giảm lực cản không khí đáng kể. Lực nâng khí động học Lực nâng sinh ra do sự chênh lệch áp suất ở phía trên và phía dưới tạo, ở phía dưới áp suất cao hơn ở phía trên nên vô tình nó đã tạo ra lưc nâng. Một vật di chuyển trong môi trường không khí có hình dạng hình giọt nước, tiêu biểu như cánh máy bay, ô tô… luôn luôn có lực nâng.

Tương tự lực cản, lực nâng được tính theo công thức: 1 FL = CLv 2 A (1-2) 2 Với FLlà lực nâng (N) và CL là hệ số nâng tương ứng.2 Hình dạng cánh máy bay chịu tác dụng lực nâng Xem hình 1.2 ta thấy tốc độ phía trên cánh máy bay nhanh hơn phía dưới cánh và đối lập với điều này áp suất lại tạo ra phía dưới cao hơn phía trên cánh. Chính sự chênh lệch áp suất này đã tạo nên một lực từ phía dưới cánh lên trên cánh. Hay còn gọi là lực nâng. Có một điều đặc biệt nữa những hình dạng giọt nước như thế này nó giảm được lực cản đáng kể, vì dòng chảy không khí phía sau cánh bị rối ít nên vùng chân không ở sau đuôi ít hơn những hình hạng khí động học xấu khác như hình vuông, cầu… SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS.

Phan Thành Long 4 Hình 1.3 Máy bay cánh nhờ lực nâng 1. Lực bên của không khí Lực bên xuất hiện khi ô tô, máy bay, tàu cao tốc…qua vùng trống có gió ngang thổi mạnh vào bề mặt hông của vật thể di chuyển. Nếu lưc nâng mạnh có thể gây tác động nguy hiểm đến các phương tiện như ô tô, xe máy, xe đạp… Trường hợp nguy hiểm nó có thể làm quay đầu hoặc thổi lật xe ô tô, xe máy… Hình 1.4 Lực bên tác động lên ô tô lúc chạy qua vùng có gió ngang Lực ngang cũng một thanh phần rất quan trọng, nên người ta thường phải thí nghiệm để đánh giá và để giải quyết các vấn đề ô tô thường gặp phải gió ngang nhằm tránh xảy ra trường hợp lật hay xoay xe, rất nguy hiểm. SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS.

Phan Thành Long 5 Hình 1.5 Lực bên tác dụng lên tàu cao tốc 1. Mô men liệng (roll) Momen liệng được tạo ra từ một lực và khoảng cách làm cho một vật có xu hướng liệng, nghĩa là quay quanh trục của nó. Trong động lực học của xe, momen liệng có thể tích là tích của ba đại lượng: - Khối lượng xe tăng đột ngột, phần khối lượng được hỗ trợ bởi hệ thống treo. - Bất cứ gia tốc bên nào mà xe gặp phải, thông thường là qua một khúc cua.

- Khoảng cách dọc giữa trục lăn và trọng tâm của nó. Trong phương tiện hai trục như ô tô và một số xe tải trục lăn của nó là đường thẳng nối hai tâm cuộn của mỗi trục. Trục Roll được thể hiện trên ô tô 1. Mô men rẽ hướng (yaw) Momen rẽ hướng yaw là một chuyển động xung quanh trục pháp tuyến của một vật làm thay đổi hướng của nó đang di chuyển, sang trái hoặc sang phải theo hướng di chuyển của nó.

Tốc độ rẽ của ô tô, máy bay, đạn là vận tốc góc của vòng quay này hoặc SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS. Phan Thành Long 6 tốc độ đổi góc quay của người lái. Nó thường được đo bằng mỗi giây hoặc radian mỗi giây. Sơ đồ minh họa lực tác dụng của momen yaw Sơ đồ minh họa một chiếc xe bốn bánh, trong đó trục trước cách trọng tâm xe là b, trục sau là b.

Thân xe chỉ theo hướng có góc θ trong khi nó đang di chuyển theo hướng có góc ψ. Nói chung những điểu này không giống nhau. Các lốp xe ở khu vực của điểm tiếp xúc theo hướng di chuyển , nhưng trung tâm được lien kết với than xe, với tay lái. Các lốp xe biến dạng khi chúng xoay để phù hợp với sự lien kết, và tạo ra lực bên.

Mô men chúc - ngóc (pitch) Trong khí động học, momen ngóc trên một chiếc máy bay là momen được tạo ra bởi lực khí động tác dụng vào máy bay làm nó quay lên hoặc xuống quanh trục tâm của nó, hay là cánh máy bay. Momen ngóc trên cánh máy bay là một phần của tổng hợp lực phải cân bằng bằng cách sử dụng lực nâng trên bộ ổn định ngang. Tổng quát hơn, một momen ngóc bất kì được tạo ra khi tác dụng lực lên trục ngang của nó đang chuyển động. Thay đổi momen ngóc (Pitch) trên máy bay SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS.

Phan Thành Long 7 Chương 2: TỔNG QUAN, GIỚI THIỆU VỀ ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG 2. Giới thiệu tổng quan về đường ống khí động 2. Công dụng của đường ống khí động Đường ống khí động là thiết bị dùng để nghiên cứu dòng chảy của chất lỏng qua các bề mặt cũng như sự tương tác của những bề mặt này với dòng chảy. Các bề mặt này thường là mô hình (với tỉ lệ thu nhỏ hoặc tỉ lệ thực) của những vật thể/phương tiện cần thiết kế hoặc kiểm tra.

Kết quả của những thí nghiệm này mô phỏng một cách chính xác khí động học của các phương tiện/vật thể trong quá trình làm việc thực tế.1 Một chiếc xe với kích thước thật được đặt trong đường hầm khí động 2. Lịch sử của ống khí động Những đường ống khí động đầu tiên được chế tạo từ hơn 100 năm trước, bắt đầu từ đường ống do Francis Wenham thiết kế xây dựng năm 1871. Những đường ống được chế tạo tiếp sau đó và cho đến tận một thời gian dài sau này chỉ được sử dụng cho một mục đích duy nhất là thiết kế và kiểm nghiệm khí động học cho máy bay. Tuy nhiên, từ nửa sau TK XX, việc nghiên cứu và tối ưu khí động học đã mở rộng sang các lĩnh vực khác như công nghiệp ô tô, xây dựng, giáo dục,… Đứng trên quan điểm vật lý, người ta nhận ra rằng kiểu thiết kế phần đuôi vuông vức như những chiếc xe ngựa hoàn toàn “phản khoa học”.

Khi chiếc xe di chuyển, phần đuôi hình vuông sẽ tạo nên một vùng chân không do hình thành dòng không khí chuyển động hỗn loạn và xoáy. Áp suất lớn phía đầu, cộng với áp suất chân không phía đuôi xe sẽ tăng cường đáng kể lực cản không khí, làm chiếc xe phải sinh nhiều công hơn. Để khắc phục trở ngại đó, phần đuôi được thiết kế lại bằng những nét vuốt thon theo quỹ SV thực hiện: Biện Văn Thọ GV hướng dẫn: TS. Phan Thành Long 8 đạo chuyển động, khiến dòng khí tuần tự thoát ra phía sau xe mà không hình thành bất cứ điểm xoáy cục bộ nào.

Từ đó đến nay ngành công nghiệp xe hơi đã tiến 1 bước rất dài. Tất cả các kiểu xe ngày nay điều chú trọng đến khí động lực học và điều đó đã khiến cho xe hao ít nhiên liệu hơn xưa. Do vậy, các đường ống khí động được chế tạo ngày một nhiều và thiết kế được cải tiến, tối ưu dần theo thời gian.2 Ứng dụng của đường ống khí động trong các lĩnh vực khác. Phân loại: Dựa trên tốc độ dòng chảy, ta có thể phân các đường ống khí động thành các loại: - Đường ống khí động tốc độ thấp, với 0 < Ma < 0.8 - Đường ống với vận tốc cận âm, 0.2 - Đường ống với vận tốc vượt âm, 1.2 < Ma < 5 - Đường ống với vận tốc siêu âm, Ma > 5 Hoặc cũng có thể phân loại theo môi chất làm việc: - Đường ống với môi chất là nước - Đường ống với môi chất là không khí - Đường ống với môi chất là Hidro, Helium, … Tuy nhiên phổ biến hơn cả là cách phân loại theo hình dáng: đường ống khí động dạng hở và đường ống khí động dạng vòng kín (lưu thông tuần hoàn).

Đường ống khí động dạng vòng hở (Open circuit wind tunnel) có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, chi phí chế tạo và xây dựng thấp; kèm theo các nhược điểm là chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, gió tại khu vực bố trí, tiêu tốn nhiều năng lượng, tiếng ồn lớn, … Do đó các đường ống dạng này chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực giáo dục hoặc nghiên cứu ở các trường đại học. Khác với đường ống dạng hở, đường ống loại vòng kín có các bộ phận để chuyển hướng dòng khí, khiến chúng lưu thông tuần hoàn trong ống kín, nhờ đó mà năng lượng tiêu tốn để vận hành ít hơn, độ ồn thấp hơn cũng như không bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ