(Đồ án tốt nghiệp) ỨNG DỤNG PHẦN mềm máy TÍNH mô PHỎNG KHÍ ĐỘNG lực học ô tô 3

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÁY TÍNH MƠ PHỎNG KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Tống Duy Quốc; Nguyễn Hữu Tiến
2021

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÁY TÍNH MƠ
PHỎNG KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Người hướng dẫn:

Th.S Phùng Minh Tùng

Sinh viên thực hiện: Tống Duy Quốc
Nguyễn Hữu Tiến
Mã sinh viên:

1811504210130
1811504210245

Lớp:

18DL1
18DL2

Đà Nẵng, 08/2021

TIEU LUAN MOI download :


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÁY TÍNH
MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Người hướng dẫn:

Th.S Phùng Minh Tùng

Sinh viên thực hiện: Tống Duy Quốc
Nguyễn Hữu Tiến
Mã sinh viên:

1811504210130
1811504210245

Lớp:

18DL1
18DL2

Đà Nẵng, 08/2021

TIEU LUAN MOI download :


NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….

TIEU LUAN MOI download :


NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….

TIEU LUAN MOI download :


TĨM TẮT
Tên đề tài: Ứng dụng phần mềm máy tính mơ phỏng khí động lực học ơ tơ
Sinh viên thực hiện: Tống Duy Quốc
Nguyễn Hữu Tiến
Mã SV:

1811504210130
1811504210245

Lớp:

18DL1
18DL2

TIEU LUAN MOI download :


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HỊA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hướng dẫn: Th.S Phùng Minh Tùng
Sinh viên thực hiện: Tống Duy Quốc
Nguyễn Hữu Tiến

Mã SV: 1811504210130
Mã SV: 1811504210245

1. Tên đề tài:
Ứng dụng phần mềm máy tính mơ phỏng khí động lực học ô tô.
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
Không có.
3. Nội dung chính của đồ án:
Xây dựng mơ hình mẫu xe Tesla Cybertruck. Sau đó đưa vào tính tốn, mơ
phỏng và phân tích kết quả bằng phần mềm Ansys Fluent. Cơ sở lý thuyết của mơ hình
tính tốn là phương trình Reynolds (RANS) với 2 phương trình bổ sung (mơ hình STT
k - ω) với phương pháp giải là phương pháp thể tích hữu hạn.
4. Các sản phẩm dự kiến

- Mơ hình mẫu xe Tesla Cybertruck.
- Kết quả mơ phỏng khí động lực học mẫu xe Tesla Cybertruck trên phần mềm
Ansys Fluent.
5. Ngày giao đồ án: 18/01/2021
6. Ngày nộp đồ án: 18/08/2021
Trưởng Bộ môn

Đà Nẵng, ngày 18 tháng 01 năm 2021
Người hướng dẫn

TIEU LUAN MOI download :


LỜI NĨI ĐẦU
Thủy khí động lực học có mối liên hệ chặt chẽ giữa khoa học và yêu cầu thực
tế. Ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực từ nghiên cứu về khí động lực học của máy
bay, khí động lực học của ơ tơ, ổn định dịng chảy trong tàu thủy đến những ứng dụng
rất cụ thể trong cuộc sống như: các loại máy khuấy, các kênh đào, đập nước, thuyền
bè,… Từ thời xa xưa, bài toán thủy tĩnh lực đẩy của Acsimet (287-212 TCN) đã gắn
liền với nhiều sự kiện nổi tiếng. Nhà danh họa nổi tiếng Leona Đơvanhxi (1452-1519)
đã đưa ra khái niệm về lực cản của chất lỏng và ông rất muốn biết tại sao chim lại bay
được, nhưng phải hơn 400 năm sau, Jucopxki và Kutta mới giải thích được: đó là lực
nâng. L.Ơle (1707-1783) và Becnuli (1700-1782) đã đặt cơ sở lý thuyết cho thủy khí
động lực học, nhưng người mơ tả được chất lỏng thực và chất khí phải kể đến Navier
(người Pháp) và Stokes (người Anh) hai ơng đã tìm ra phương trình vi phân chuyển
động từ năm 1821 đến năm 1845. Khi nhà bác học người Đức L.Prandtl sáng lập ra lý
thuyết lớp biên năm 1904, đã góp phần giải được nhiều bài tốn khí động lực học.
Ngày nay thủy khí động lực học đã phát triển rất rộng rãi và ứng dụng trên nhiều lĩnh
vực nghiên cứu cũng như đời sống. Với nền tảng cơ sở lý thuyết rộng rãi, thêm vào đó
là sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ số, các nhà nghiên cứu đã xây dựng và mơ

phỏng được rất nhiều mơ hình thủy khí động lực học sát với thực tế.
Hiện nay, khí động lực học ô tô là bài toán rất phổ biến, được nghiên cứu cả
bằng phương pháp thực nghiệm trong ống khí động và mơ phỏng mơ hình tính
tốn. Với mục đích giảm lực cản khí động lực học, giảm độ ồn của gió, giảm thiểu
tiếng ồn phát ra và giới hạn lực nâng không mong muốn ở vùng tốc độ cao. Đối với
các loại ơ tơ thể thao, người ta cịn thiết kế những chi tiết khí động lực học để tăng lực
nén của ô tô xuống đường và ổn định khả năng chuyển hướng của ơ tơ. Nghiên cứu khí
động lực học của ơ tơ cũng có những đặc điểm khác với máy bay như: đặc điểm hình
dạng của ơ tơ gồm những mặt dốc, ơ tơ thì chạy trên mặt đất với vận tốc thấp hơn,
chuyển động của ô tô ít bậc tự do và ít bị ảnh hưởng bởi khí động lực học hơn so với
máy bay.
Trong giới hạn đồ án này, Nhóm em đã tìm hiểu phương pháp xây dựng mơ hình
tính tốn trên máy tính để mơ phỏng và đưa ra các nhận xét cơ bản về sự ảnh hưởng
của các vùng khí động lực học với mẫu xe Tesla Cybertruck. Trong suốt quá trình tìm
hiểu, dưới sự hướng dẫn tận tình của Th.S Phùng Minh Tùng và sự giúp đỡ của các
Thầy tại Bộ môn Cơ khí Ơ tơ – Khoa Cơ Khí – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật –
Đại học Đà Nẵng, nhóm em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp Đại học. Tuy nhiên, trong
i

TIEU LUAN MOI download :


quá trình làm đồ án do kiến thức chuyên ngành của nhóm em cịn hạn chế nên khơng
thể tránh khỏi một vài thiếu sót khi trình bày, thực hiện và phân tích kết quả mơ
phỏng. Rất mong nhận được sự góp ý, đánh giá của các Thầy trong bộ mơn Cơ khí Ơ
tơ để đề tài của nhóm em thêm hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

ii

TIEU LUAN MOI download :


CAM ĐOAN
Nhóm em xin cam đoan rằng đề tài “Ứng dụng phần mềm máy tính mơ phỏng
khí động lực học ô tô” được tiến hành một cách minh bạch, công khai. Mọi thứ được
dựa trên sự cố gắng cũng như sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ không nhỏ
từ Th.S Phùng Minh Tùng và các Thầy tại Bộ mơn Cơ khí Ơ tơ – Khoa Cơ Khí –
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng
Các số liệu và kết quả nghiên cứu được đưa ra trong đồ án là trung thực và không
sao chép hay sử dụng kết quả của bất kỳ đề tài nghiên cứu nào tương tự. Nếu như phát
hiện rằng có sự sao chép kết quả nghiên cứu những đề tài khác Nhóm em xin chịu
hồn tồn trách nhiệm.
Sinh viên thực hiện

TỐNG DUY QUỐC

NGUYỄN HỮU TIẾN

iii

TIEU LUAN MOI download :


MỤC LỤC
Nhận xét của người hướng dẫn
Nhận xét của người phản biện
Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án
Lời nói đầu...................................................................................................................... i

.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
................................................................................................................................... i
Lời cam đoan................................................................................................................. ii
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
................................................................................................................................... ii
Mục lục......................................................................................................................... iv
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................
................................................................................................................................... iii
Danh sách các bảng, hình vẽ.........................................................................................vi
Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắt...............................................................................ix
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
Chương 1: Tổng quan.................................................................................................2
iv

TIEU LUAN MOI download :


1.1.

Khí động học ơ tơ............................................................................................2

1.1.1.

Khí động lực học và các thơng số đặc trưng.....................................................2

1.1.2.

Lực cản khơng khí............................................................................................4

1.1.3.

Cấu trúc vỏ xe và sự hình thành các vùng xốy thấp áp...................................8

1.1.4.

Nguồn gốc của lực cản...................................................................................10

1.1.5.

Sự phát triển hình dạng thân xe......................................................................16

1.2.

Tình trạng nghiên cứu khí động học ơ tơ....................................................20

1.2.1.

Nghiên cứu lý thuyết......................................................................................20

1.2.2.

Nghiên cứu thực nghiệm................................................................................22

1.3.

Tổng quan về mô phỏng CFD và các ứng dụng công nghiệp....................23

1.3.1.

Tại sao lại cần đến mô phỏng CFD?...............................................................23

1.3.2.

Mơ phỏng CFD là gì?.....................................................................................24

1.3.3.

Quy trình mơ phỏng CFD...............................................................................25

1.3.4.

Các ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD...................................................28

Chương 2: Xây dựng mơ hình mơ phỏng khí động lực học Ơ tơ...........................30
2.1.

Cơ sở lí thuyết khí động học........................................................................30

2.2.

Mơ phỏng dịng chảy khơng khí..................................................................30

2.2.1.

Các cơng cụ tốn học và ký hiệu quy ước......................................................30

2.2.2.

Các phương trình mơ phỏng...........................................................................31

2.2.3.

Các thơng số đặc trưng...................................................................................33

2.2.4.

Mơ phỏng dịng chảy rối.................................................................................34

2.2.5.

Phương pháp số để giải bài tốn khí động học...............................................39

2.3.

Mơ phỏng khí động học vỏ xe bằng ANSYS – FLUENT...........................40

2.3.1.

Giới thiệu chung về ANSYS – FLUENT.......................................................40

2.3.2.

Mơ phỏng dịng chảy khơng khí bao quanh vỏ xe bằng FLUENT.................41

Chương 3: Nghiên cứu khí động lực học mẫu xe ơ tơ tesla Cybertruck bằng phần
mềm Ansys - Fluent...................................................................................................43
3.1.

Phương pháp nghiên cứu.............................................................................43

3.2.
Giới thiệu mẫu ô tô Tesla Cybertruck và một số giả thuyết của bài mơ
phỏng khí động lực học ơ tơ......................................................................................43
3.2.1.

Giới thiệu mẫu ô tô Tesla Cybertruck.............................................................43

v

TIEU LUAN MOI download :


3.2.2.

Các giả thuyết và giới hạn nghiên cứu của bài tốn mơ phỏng.......................51

3.3.

Xây dựng mơ hình hình học, xác định vùng khơng gian mơ phỏng..........51

3.3.1.

Xây dựng mơ hình hình học của xe Tesla Cybertruck....................................51

3.3.2.

Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính tốn................................52

3.4.

Chia lưới và đặt các điều kiện ràng buộc của bài tốn mơ phỏng............54

3.5.

Đặt các điều kiện tính tốn..........................................................................56

Chương 4: Phân tích kết quả mơ phỏng.................................................................59

4.1.

Vận tốc........................................................................................................... 59

4.2.

Áp suất........................................................................................................... 62

KẾT LUẬN................................................................................................................. 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................66
PHỤ LỤC...................................................................................................................67

vi

TIEU LUAN MOI download :


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Bảng 1.1 Một số nguyên nhân giải thích tại sao CFD được sử dụng rộng rãi?............23
Bảng 3.1 Thơng số kỹ thuật của Tesla Cybertruck......................................................44

Hình 1.1 Các lực tác dụng lên vật nằm trong dịng chảy................................................2
Hình 1.2 Sự hình thành vùng xốy áp thấp phía sau vật cản..........................................4
Hình 1.3 Ảnh hưởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xốy...............5
Hình 1.4 Q trình cải thiện hình dạng khí động học ơ tơ nhằm giảm hệ số cản...........6
Hình 1.5 Hệ số cản khơng khí trên một số loại ơ tơ tải..................................................7
Hình 1.6 Hệ số cản khơng khí của các loại xe thơng dụng.............................................7
Hình 1.7 Các vùng xốy trên vỏ ơ tơ con.......................................................................8
Hình 1.8 Phân bố áp suất khơng thứ ngun trên vỏ xe.................................................9
Hình 1.9 Ảnh hưởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động..........................10

Hình 1.10 Dịng khơng khí xung quanh phần đầu ơ tơ.................................................10
Hình 1.11 Sự phân bố áp lực phía trước ơ tơ...............................................................11
Hình 1.12 Sự phân bố lực cản phía trước ơ tơ..............................................................11
Hình 1.13 Ảnh hưởng của lực cản đến góc nghiêng của mặt trước..............................12
Hình 1.14 Dịng chảy xung quanh kính chắn gió.........................................................12
Hình 1.15 Các nhân tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản trên kính chắn gió...13
Hình 1.16 Sự phân bố áp suất lên kính chắn gió và cột A............................................13
Hình 1.17 Dịng khơng khí đi qua bộ tản nhiệt............................................................14
Hình 1.18 Một số dạng ống dẫn khơng khí làm mát....................................................15
Hình 1.19 Sự biểu diễn các hàm đặc trưng..................................................................17
Hình 1.20 Tối ưu hố các chi tiết trên ơ tơ...................................................................17
Hình 1.21 Tối ưu hố các chi tiết trên ơ tơ...................................................................18
Hình 1.22 Sự phát triển của hình dạng thân xe............................................................19
vii

TIEU LUAN MOI download :


Hình 1.23 Sự phát triển hình dạng của ơ tơ từ thân cơ sở............................................19
Hình 1.24 Lịch sử phát triển của các mơ hình tính tốn khí động học.........................20
Hình 1.25 Sơ đồ ngun lý làm việc của ống khí động................................................23
Hình 1.27 Mơ hình căn bản trong mơ phỏng CFD.......................................................25
Hình 1.28 Quy trình cơ bản cho người sử dụng mơ phỏng CFD..................................26
Hình 1.29 Tóm lược về quy trình kiểm tra và kiểm nghiệm CFD................................27
Hình 1.30 Ứng dụng thực tiễn của mơ phỏng CFD.....................................................29
Hình 2.1 Các thành phần ứng suất trên khối chất lỏng.................................................32
Hình 3.1 Hình ảnh Tesla Cybertruck tại buổi ra mắt...................................................43
Hình 3.2 Ngoại thất của Tesla Cybertruck...................................................................45
Hình 3.3 Phần đầu của Tesla Cybertruck.....................................................................45
Hình 3.4 Phần thân của Tesla Cybertruck....................................................................46

Hình 3.5 Phần đi của Tesla Cybertruck....................................................................47
Hình 3.6 Phần thùng xe phía sau của Tesla Cybertruck...............................................47
Hình 3.7 Khoang lái của Tesla Cybertruck..................................................................48
Hình 3.8 Khoang hành khách của Tesla Cybertruck....................................................49
Hình 3.9 Khoang hành lý cực khủng của Tesla Cybertruck.........................................49
Hình 3.10 Khả năng vận hành của Tesla Cybertruck...................................................50
Hình 3.11 Mơ hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cybertruck..................................52
Hình 3.12 Mơ hình hình học CAD 3D của xe Tesla Cyber truck sau khi tối ưu..........52
Hình 3.13 Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính tốn.............................53
Hình 3.14 Xác định vùng khơng gian mơ phỏng và miền tính tốn.............................53
Hình 3.15 Mơ hình vỏ xe Tesla Cybertruck sau khi đã được chia lưới với dạng lưới..54
Hình 3.16 Chia lưới các vùng biên của không gian mô phỏng.....................................55
Hình 3.17 Chia lưới các phần tử nằm trong vùng khơng gian mơ phỏng.....................55
Hình 3.18 Thiết lập mơ hình mơ phỏng “SST k-ω”trên phần mềm.............................56
viii

TIEU LUAN MOI download :


Hình 3.19 Đường dịng thể hiện vận tốc trong tồn bộ khơng gian mơ phỏng.............57
Hình 3.20 Đường dịng thể hiện áp suất trong tồn bộ khơng gian mơ phỏng.............58
Hình 4.1 Vectơ vận tốc trên bề mặt vỏ xe....................................................................59
Hình 4.2 Đường dịng vận tốc trên bề mặt vỏ xe.........................................................59
Hình 4.3 Phân bố vận tốc trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe...................................60
Hình 4.4 Phân bố đường dịng vận tốc trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe...............60
Hình 4.5 Phân bố vận tốc trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe.................61
Hình 4.6 Phân bố đường dịng vận tốc trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe....61
Hình 4.7 Vectơ áp suất trên bề mặt vỏ xe....................................................................62
Hình 4.8 Đường dịng áp suất trên bề mặt vỏ xe..........................................................62
Hình 4.9 Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe.................................................................63

Hình 4.10 Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe..................................63
Hình 4.11 Đường dịng phân bố áp suất trong mặt phẳng đối ứng dọc của xe.............63
Hình 4.12 Phân bố áp suất trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe...............64
Hình 4.13 Đường dịng phân bố áp suất trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe. .64

ix

TIEU LUAN MOI download :


DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU:
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

Fx

Lực khí động theo phương dọc

N

Fz

Lực khí động theo phương ngang

N

Fy

Lực khí động theo phương thẳng đứng

N

Cx

Hệ số cản khí động theo phương dọc

-

Cz

Hệ số cản khí động theo phương ngang

-

A

Diện tích cản chính diện

⍴

Khối lượng riêng của khơng khí

U∞

Vận tốc dịng khí ở vơ cùng

Re

Số Reynolds

-

M

Số Mach

-

µ

Hệ số độ nhớt động lực

a

Vận tốc truyền âm trong khơng khí

m2
kg/m3
m/s

N.s/m2
m/s

Fms

Lực cản do ma sát

N

Fca

Lực cản do chênh áp

N

p

Áp suất

Pa

Cp

Hệ số áp suất khơng thứ ngun

-

L

Thơng số hình học đặc trưng

m

ν

Độ nhớt động học của khơng khí

t

τ ij

Ten-sơ ứng suất của dòng rối

k

Động năng của dòng rối

ԑ

Hệ số tán xạ năng lượng của dòng rối

m2/s
J/kg (m2/s2)
-

x

TIEU LUAN MOI download :


ω

Hệ số tán xạ năng lượng của dòng rối

-

CHỮ VIẾT TẮT:
Ký tự
RANS

Nguồn gốc

Chú giải

Reynolds Average Navier Stokes Phương trình Reynolds trung bình hóa

DNS

Direct Numerical Simulation

Mơ phỏng trực tiếp

RSM

Reynolds Stress Model

Mơ hình ứng suất Reynolds

FEM

Finite Element Method

Phương pháp phần tử hữu hạn

CFD

Computational Fluid Dynamic

LES

Large Eddy Simulation

Mơ hình dịng rối lớn

DES

Detached Eddy Simulation

Mơ hình dịng rối phân tách

SST

Shear Stress Transport

Mơ hình vận tải ứng suất

Phần mềm tính tốn động lực học chất
lỏng

xi

TIEU LUAN MOI download :


Ứng dụng phần mềm máy tính mơ phỏng khí động lực học Ơ tơ

MỞ ĐẦU

1.

Mục tiêu đề tài

Xây dựng mơ hình tính tốn trên máy tính để mơ phỏng và đưa ra các nhận xét
cơ bản về sự ảnh hưởng của các vùng khí động lực học với mẫu xe Tesla Cybertruck.
2.

Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài được chọn là mẫu xe Tesla Cybertruck.

3.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết. Nội dung chính là xây dựng
mơ hình mẫu xe Tesla Cybertruck. Sau đó đưa vào tính tốn và phân tích kết quả trong
phần mềm Ansys Fluent. Cơ sở lý thuyết của mơ hình tính tốn là phương trình
Reynolds (RANS) với 2 phương trình bổ sung (mơ hình STT k - ω) với phương pháp
giải là phương pháp thể tích hữu hạn.
4.

Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp
Đồ án gồm các nội dung như sau:

Tổng quan.


Xây dựng mơ hình mơ phỏng khí động lực học ơ tơ.



Nghiên cứu mơ phỏng khí động lực học mẫu xê ô tô Tesla Cybertruck bằng
phần mềm Ansys – Fluent.



Phân tích kết quả mơ phỏng.



Kết luận.

SVTH: Tống Duy Quốc, Nguyễn Hữu Tiến

GVHD: Th.S Phùng Minh Tùng

TIEU LUAN MOI download :

1


Ứng dụng phần mềm máy tính mơ phỏng khí động lực học Ơ tơ

CHƯƠNG 1:
1.1.

TỔNG QUAN

Khí động học ơ tơ

Khi ô tô chuyển động trong môi trường không khí, sự tương tác của vỏ xe với môi
trường sinh ra các lực và mơ men có ảnh hưởng xấu tới chất lượng vận hành của ô tô.
Hệ quả trực tiếp của sự tương tác trên là lực cản khơng khí làm gia tăng mức tiêu
thụ nhiên liệu của ô tô, đặc biệt là ở vận tốc cao do lực này tỷ lệ với bình phương của
vận tốc. Ngồi ra, lực nâng làm giảm khả năng bám đường, cịn các mơ men thì có thể
gây nên hiệu ứng lật xe. Đây là những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn
chuyển động.
Để giảm tối đa những ảnh hưởng xấu nêu trên, cần có những nghiên cứu sâu về
khí động lực học của vỏ xe ngay trong quá trình thiết kế.
1.1.1. Khí động lực học và các thơng số đặc trưng
Đối tượng nghiên cứu của khí động học là dịng chảy quanh một vật cản đang
chuyển động bằng phương pháp Euler với hệ tọa độ gắn với vật. Để đơn giản hóa
phương pháp mơ tả, người ta coi một vật chuyển động với vận tốc V trong mơi trường
khơng khí tĩnh tương đương với vật đứng n trong dịng khí có vận tốc V.
Hình 1.1 mơ tả một vật cản nằm trong dịng chảy khơng khí với vận tốc ở đầu
nguồn là U∞. Dịng chảy khơng khí tác dụng lên vật một lực F, được phân tích thành 2
thành phần Fx (lực cản) song song với phương chuyển động của dòng khí và F z (lực
nâng) là thành phần vng góc với phương chuyển động. Các lực này được tính như
sau:
ρ U 2∞
2
ρ U 2∞
F z =C z A
2
F x =C x A

(1.1)

(1.2)
Hình 1.1 Các lực tác dụng lên vật
nằm trong dịng chảy

Trong đó: Fx: là lực cản;
Fz: là lực nâng;
Cx, Cz: là các hệ số
ρ: khối lượng riêng khơng khí
U∞: vận tốc chuyển động (m/s)
A: là diện tích cản chính diện (m2)
SVTH: Tống Duy Quốc, Nguyễn Hữu Tiến

GVHD: Th.S Phùng Minh Tùng

TIEU LUAN MOI download :

2


Ứng dụng phần mềm máy tính mơ phỏng khí động lực học Ơ tơ

Cơng thức 1.1 cho thấy hệ số Cx khơng có thứ ngun, nó khơng đặc trưng cho
một đại lượng vật lý nào mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật. Đây là
thơng số đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu khí động học.
Cơng thức trên cũng cho thấy, để giảm lực cản của khơng khí lên vật đang
chuyển động thì chỉ có cách duy nhất hợp lý là giảm hệ số C x. Bởi vì, nếu giảm A thì
sẽ giảm thể tích sử dụng làm ô tô trở nên chật chội. Nếu giảm U thì tốc độ chuyển
động giảm làm năng suất vận chuyển giảm theo. Vì vậy, tất cả các nỗ lực trong nghiên
cứu khí động học ơ tơ ngày nay tập trung chủ yếu vào việc cải thiện hình dáng khí
động học vỏ xe nhằm giảm thiểu Cx.

Trước đây, khi ô tô chuyển động với vận tốc chưa cao, các nghiên cứu khí động
học chỉ quan tâm chủ yếu đến lực cản F x do lực nâng rất nhỏ và ảnh hưởng không
nhiều đến điều kiện chuyển động. Khi ô tô chuyển động với vận tốc cao hơn, chẳng
hạn như ô tơ thể thao và ơ tơ đua thì thành phần lực này đã được quan tâm nghiên cứu
nhiều hơn. Đối với các ô tô là đối tượng nghiên cứu của đề tài, vận tốc tối đa thường
xấp xỉ 100km/h, nên ảnh hưởng của lực nâng là không đáng kể.
Trong nghiên cứu khí động học, có 2 thơng số quan trọng đặc trưng dịng chảy
khơng khí là số Reynolds và số Mach. Chúng được định nghĩa như sau:
Số Reynolds :

Re =

ρ∞ U ∞ L
µ∞

(1.3)

Số Mach

M=

U∞
a∞

(1.4)

:

Trong đó: L: thơng số hình học đặc trưng (m)
µ: hệ số độ nhớt động lực (N.s/m2)

a: vận tốc truyền âm trong khơng khí.
Chỉ số “∞” trong các công thức trên thể hiện thông số được lấy ở vùng khơng khí
cách xa vật chuyển động và khơng chịu ảnh hưởng của vật này.
Trong nghiên cứu thủy khí động lực học người ta thường dùng các thông số trên
để đánh giá trạng thái dòng chảy và làm chỉ tiêu cho các phép quy đổi tương tự. Trong
đó, thơng số thường dùng đối với khí động học ơ tơ là R e vì M thường rất bé (M<1).
Cịn nếu M rất lớn (trường hợp các máy bay siêu âm) thì cần sử dụng thêm một chỉ
tiêu tương tự khác nữa.
Ngoài ra, số Reynolds thường được sử dụng để đánh giá và xác định trạng thái dịng
chảy. Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong các nghiên cứu khí động lực học.

SVTH: Tống Duy Quốc, Nguyễn Hữu Tiến

GVHD: Th.S Phùng Minh Tùng

TIEU LUAN MOI download :

3


Ứng dụng phần mềm máy tính mơ phỏng khí động lực học Ơ tơ

Trong phân loại dịng chảy khí động, khi M ≤ 0,3 dòng chảy được gọi là dòng
chảy dưới âm với mơi trường khơng chịu nén. Vì vậy, trong các tính tốn khí động học
ơ tơ, để đơn giản hóa bài tốn người ta thường chấp nhận giả thiết là khơng khí khơng
chịu nén với sai số khơng đáng kể (với M ≈ 0,3, sai số khoảng 5%).
1.1.2. Lực cản khơng khí
Lực cản của khơng khí có thể phân tích thành 2 thành phần: cản do ma sát F ms và
cản do chênh áp Fca, do vậy Cx cũng được chia thành hai thành phần tương ứng:
C x =C ms +C ca

(1.5)

Nếu như thành phần cản do ma sát phụ thuộc chủ yếu vào độ nhám bề mặt của vỏ
xe thì thành phần cản do chênh áp lại phức tạp hơn rất nhiều. Nó phụ thuộc chủ yếu
vào hình dạng khí động lực học của vật cản. Hình 1.2 mơ tả dịng khí với vận tốc U ∞
và áp suất p∞ chảy quanh một vật cản. Có thể nhận thấy rằng, ban đầu dịng chảy ơm
lấy vật và được coi là bám vào nó cho tới điểm A. Tới đây, dòng chảy tách khỏi vật
làm xuất hiện một vùng xốy phía sau nó, vùng xốy này có áp suất p 2 rất thấp (thường
là chân không), trong khi phía trước của vật lại chịu áp suất p 1 lớn, do vậy sinh ra độ
chênh áp: Δp = p1 - p2.

Hình 1.2 Sự hình thành vùng xốy áp thấp phía sau vật cản
F x =F ms + A . Δp

(1.6)

Trong đó A.Δp = Fca là thành phần lực cản do chênh áp. Lực này phụ thuộc chủ
yếu vào độ chênh áp và diện tích của vùng xốy. Phạm vi của vùng xốy được xác
định bởi điểm tách dịng (điểm A trên hình 1.2). Đây là điểm mà dịng chảy bắt đầu
tách khỏi vật cản và là khởi đầu của vùng xốy. Các nghiên cứu cho thấy, trong một
mơi trường xác định (có độ nhớt xác định) vị trí của điểm A phụ thuộc chủ yếu vào 2
yếu tố: vận tốc dịng chảy và hình dạng của vật cản.
Vận tốc của dịng chảy mà càng lớn thì điểm A càng dịch về phía trước làm diện
tích vùng xốy sẽ tăng lên và ngược lại. Nếu hình dạng của vật cản là lý tưởng về mặt
khí động học thì điểm A gần như khơng tồn tại mà dịng chảy sẽ bao kín vật cản như
thể hiện trên hình 1.3a. Trong trường hợp này có thể coi: Fca ≈ 0, hay Fx ≈ Fms.

SVTH: Tống Duy Quốc, Nguyễn Hữu Tiến

GVHD: Th.S Phùng Minh Tùng

TIEU LUAN MOI download :

4


Ứng dụng phần mềm máy tính mơ phỏng khí động lực học Ơ tơ

a) F x ≈ F ms
b) F x ≫ F ms
Hình 1.3 Ảnh hưởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xốy
Tuy nhiên, trên thực tế phần lớn các vật (trong đó có các vỏ xe ơ tơ) có hình dạng
khí động khơng thể là lý tưởng. Khi đó, tương quan giữa các thành phần F ms và Fca
hoàn toàn phụ thuộc vào hình dạng khí động lực học của vật. Trên hình 1.3 thể hiện sự
tạo thành vùng xốy tuỳ theo hình dạng khí động học của vật cản. Hình 1.3a là trường
hợp vật có dạng khí động lực học lý tưởng nên khơng tạo vùng xốy và thành phần cản
do chênh áp rất nhỏ. Hình 1.3b thể hiện trường hợp vật có dạng khí động lực học xấu,
ở đây lực cản do chênh áp Fca chiếm tỷ lệ lớn trong Fx.
Đối với những vật có dạng khí động học tốt (cánh máy bay, cánh tua bin, chân
vịt,...) thì lực cản có thể tính như sau:
F x =F ms (1+k )

(1.7)

với: k = 0,1 - 0,15, có nghĩa là lực cản do ma sát chiếm tỷ lệ từ 85% đến 90%.
Các nghiên cứu đã khẳng định rằng, ơ tơ nó có hình dạng khí động học được coi
là xấu, nên chúng phải chịu lực cản khí động lực học rất lớn. Trong đó, thành phần cản
do chênh áp vẫn chiếm tỷ lệ áp đảo và muốn giảm lực cản thì biện pháp duy nhất là cải
thiện hình dạng khí động học vỏ xe.

Như vậy, giảm C x đồng nghĩa với việc cải thiện hình dạng khí động học của ơ tơ.
Q trình hồn thiện dạng khí động học vỏ xe ơ tơ con theo lịch sử phát triển được mơ
tả trên hình 1.4. Có thể nhận thấy rằng, trong giai đoạn trước năm 1930 với những
chiếc ơ tơ có hình dáng giống xe ngựa cổ xưa, hệ số cản (trên hình ký hiệu là C w) rất
lớn (0,65 ÷ 1,0). Sau đó, vào những năm 1970, hệ số này giảm xuống gần giá trị 0,4 và
ngày nay nó chỉ cịn là 0,28 - 0,32 và một số loại xe đã có thể đạt được C x = 0,25 ÷
0,27. Tuy nhiên, sau năm 2000, khi những chiếc ô tô gần như đã hồn thiện về hình
dạng khí động lực học thì việc giảm được dù chỉ 0,01 trong C x ngày càng trở nên khó
khăn hơn, nó địi hỏi phải có nghiên cứu toàn diện hơn, sâu sắc hơn, trang thiết bị thử
nghiệm hiện đại hơn cùng với những chi phí cao hơn rất nhiều. Vì vậy, trong giai đoạn
này, đồ thị mô tả Cx theo thời gian gần như nằm ngang.

SVTH: Tống Duy Quốc, Nguyễn Hữu Tiến

GVHD: Th.S Phùng Minh Tùng

TIEU LUAN MOI download :

5


Ứng dụng phần mềm máy tính mơ phỏng khí động lực học Ơ tơ

Hình 1.4 Q trình cải thiện hình dạng khí động học ơ tơ nhằm giảm hệ số cản
Trong đó:
W: lực cản
ρ: khối lượng riêng
V: vận tốc
A: diện tích
Trong tự nhiên, vật có hình dạng khí động học lý tưởng chính là giọt nước rơi

trong khơng khí. Nếu những chiếc ơ tơ cũng có hình dạng như vậy thì lực cản khí động
lực học là nhỏ nhất. Trên phần dưới của hình 1.4 mơ tả một số dạng vỏ xe có hệ số cản
nhỏ hơn 0,2 và thậm chí có thể đạt giá trị 0,1. Tuy nhiên, những chiếc xe với kiểu dáng
như vậy khó có thể đáp ứng được thị hiếu của người tiêu dùng hiện nay nên không thể
xuất hiện phổ biến được. Người ta thường chỉ gặp các dạng vỏ xe như vậy trên các
đường đua.
Đối với ơ tơ tải, hệ số lực cản khí động thường rất lớn, có thể đạt tới xấp xỉ 1,0.
Việc tối ưu hóa hình dạng khí động học của ô tô tải thường gặp nhiều khó khăn hơn
các chủng loại ô tô khác do đặc thù kết cấu của nó.
Trên hình 1.5 thể hiện sự phụ thuộc của hình dạng khí động học của ơ tơ tải có
mui kín với hệ số lực cản khơng khí (trên hình ký hiệu là C D). Các phương án thể hiện
trên hình 1.5 cho thấy, nếu có giải pháp tạo dáng hợp lý thì có thể giảm đáng kể hệ số
cản. Tuy nhiên, đối với dòng xe này hệ số cản thấp nhất vẫn xấp xỉ 0,6.

SVTH: Tống Duy Quốc, Nguyễn Hữu Tiến

GVHD: Th.S Phùng Minh Tùng

TIEU LUAN MOI download :

6


Ứng dụng phần mềm máy tính mơ phỏng khí động lực học Ơ tơ

Hình 1.5 Hệ số cản khơng khí trên một số loại ô tô tải
Đối với ô tô chở khách, hệ số lực cản khí động lực học cũng khá lớn và thường
nằm trong khoảng từ 0,4 đến xấp xỉ 0,7. Việc tạo dáng vỏ xe để có được hệ số C x nhỏ
có thể được thực hiện tương đối thuận tiện do vỏ xe có cấu trúc đơn giản hơn so với
các chủng loại ô tô khác (ơ tơ tải và ơ tơ con).

Hình 1.6 Hệ số cản khơng khí của các loại xe thơng dụng

SVTH: Tống Duy Quốc, Nguyễn Hữu Tiến

GVHD: Th.S Phùng Minh Tùng

TIEU LUAN MOI download :

7


Ứng dụng phần mềm máy tính mơ phỏng khí động lực học Ơ tơ

Tuy nhiên, đối với các nhà sản xuất thì việc tạo dáng khơng chỉ nhằm vào mục
đích giảm tối đa lực cản khí động mà cịn phải đạt đươc tính thẩm mỹ cao. Chính vì
vậy, vẫn tồn tại những dạng vỏ xe có hình dáng vng vắn, góc cạnh tiếp nhận lực cản
khí động lớn với hệ số C x lớn hơn 0,7. Bên cạnh đó, vẫn có những chiếc ơ tơ khách với
vỏ xe có thể đạt tới C x xấp xỉ 0,4 và thậm chí là nhỏ hơn. Hệ số cản khơng khí (trên
hình ký hiệu là CD) của các loại xe được mô tả bằng biểu đồ trên hình 1.6.
1.1.3. Cấu trúc vỏ xe và sự hình thành các vùng xốy thấp áp
Khi ơ tơ chuyển động trong mơi trường khơng khí, tương tác giữa môi trường với
cấu trúc của vỏ xe tạo thành những vùng xốy có áp suất thấp. Ngồi vùng xốy lớn ở
đi xe như đã mơ tả trên đây, cịn rất nhiều vùng xốy nhỏ trên vỏ xe góp phần tạo
nên lực cản khí động lực học của ơ tơ. Muốn giảm tối đa các lực khí động lực học cần
phải tìm cách loại bỏ hoặc giảm kích thước của các vùng xoáy này.

a) Các vùng xoáy trên vỏ xe

b) Vùng xốy sau đi xe

Hình 1.7 Các vùng xốy trên vỏ ô tô con
SVTH: Tống Duy Quốc, Nguyễn Hữu Tiến

GVHD: Th.S Phùng Minh Tùng

TIEU LUAN MOI download :

8