Luận án tiến sĩ nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TÔ HOÀNG TÙNG

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN DẠNG KHÍ ĐỘNG HỌC
VỎ XE KHÁCH LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TÔ HOÀNG TÙNG

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN DẠNG KHÍ ĐỘNG HỌC
VỎ XE KHÁCH LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
MÃ SỐ: 62520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS NGUYỄN TRỌNG HOAN
2. PGS.TS HỒ HỮU HẢI

Hà Nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, đƣợc sự hƣớng dẫn
khoa học của PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan và PGS.TS Hồ Hữu Hải. Các kết quả nghiên
cứu đƣợc trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chƣa từng để bảo vệ ở bất kỳ
học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã đƣợc cám
ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

Giáo viên hƣớng dẫn

Giáo viên hƣớng dẫn

Tác giả luận án

PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan

PGS.TS Hồ Hữu Hải

Tô Hoàng Tùng


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới ngƣời hƣớng dẫn
chính: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan - thầy đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo, định hƣớng và
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án này với sự tận tâm, trách nhiệm, sáng
suốt và khoa học cao.
Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Hồ Hữu Hải trong suốt quá trình tôi thực hiện
luận án, với vai trò là ngƣời hƣớng dẫn, thầy đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện các kế hoạch học tập và nghiên cứu.
Tôi rất cám ơn và trân trọng sự hợp tác, hỗ trợ của Trung tâm Phát triển và Ứng dụng
Phần mềm công nghiệp (DASI), Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội (nay là Viện nghiên
cứu Quốc tế về Khoa học và Kỹ thuật tính toán), trực tiếp là PGS.TS Nguyễn Việt Hùng và
các cộng sự.
Xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể cán bộ, nhân viên Phòng thí nghiệm
khí động học của Viện Kỹ thuật quân sự Phòng không - Không quân.
Xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến các thầy của Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng,
Viện Cơ khí động lực, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội với những góp ý rất thiết thực
trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cơ quan tôi đang công tác: Phòng Chất lƣợng xe
cơ giới, Cục Đăng kiểm Việt Nam đã tạo điều kiện, ủng hộ, giúp đỡ tôi về mọi mặt trong
quá trình tôi theo học Nghiên cứu sinh.
Xin gửi lời cảm ơn tới các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp vì sự giúp đỡ thiết
thực cho luận án này.
Xin đƣợc gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới gia đình tôi, những ngƣời đã luôn bên cạnh
tôi, động viên, chia sẻ những khó khăn và là động lực để tôi hoàn thành luận án.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

Nghiên cứu sinh

Tô Hoàng Tùng


MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

i

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ii

DANH MỤC CÁC BẢNG

iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

iv

MỞ ĐẦU

1

Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

3

1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển trong lĩnh vực sản
xuất ô tô khách

3

1.1.1 Nhu cầu về ô tô khách

3

1.1.2 Định hƣớng phát triển

4

1.1.3 Thực trạng và nhu cầu nâng cao chất lƣợng

4

1.2 Khí động học ô tô

5

1.2.1 Khí động lực học và các thông số đặc trƣng

6

1.2.2 Lực cản không khí

7

1.2.3 Cấu trúc vỏ xe và sự hình thành các vùng xoáy thấp áp

12

1.2.4 Lý thuyết tƣơng tự trong khí động học ô tô

18

1.3 Tình hình nghiên cứu khí động học ô tô

19

1.3.1 Nghiên cứu lý thuyết

19

1.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm

21

1.3.3 Các hƣớng nghiên cứu chính gần đây

25

1.4 Công nghệ sản xuất vỏ ô tô khách ở Việt Nam và tính cấp thiết của vấn
đề nghiên cứu

28

1.5 Nội dung của luận án

30

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu

30

1.5.2 Phƣơng pháp nghiên cứu

30

1.5.3 Đối tƣợng nghiên cứu

31

1.5.4 Phạm vi nghiên cứu

31

1.4.5 Nội dung nghiên cứu

31

Kết luận chƣơng 1
Chƣơng 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE
KHÁCH

32
33

2.1 Cơ sở lý thuyết khí động học

33

2.1.1 Các phƣơng trình cơ bản

33

2.1.2 Mô phỏng dòng chảy không khí

33

2.1.2.1 Các công cụ toán học và ký hiệu quy ƣớc

33

2.1.2.2 Các phƣơng trình mô phỏng

35

2.1.2.3 Các thông số đặc trƣng

36

2.1.2.4 Mô phỏng dòng chảy rối

38

2.1.2.5 Phƣơng pháp số để giải bài toán khí động học

44

2.2 Mô phỏng khí động học vỏ xe bằng ANSYS - FLUENT

45

2.2.1 Giới thiệu chung về ANSYS - FLUENT

45

2.2.2 Mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe bằng FLUENT

46

2.2.2.1 - Phƣơng pháp mô phỏng trong FLUENT

46

2.2.2.2 - Các dạng mô hình mô phỏng dòng chảy rối trong FLUENT

47

2.3 Mô hình khí động học vỏ xe khách trong FLUENT

47

2.3.1 Hệ phƣơng trình mô tả dòng chảy

47

2.3.2 Mô hình 3D vỏ xe khách

49

2.3.3 Xác định v ng không gian mô phỏng

50

2.3.4 Chia lƣới

52

2.3.5 Các ràng buộc và điều kiện tính toán

56

2.3.6 Phƣơng pháp tính toán lực khí động

56

Kết luận chƣơng 2
Chƣơng 3 NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ Ô TÔ KHÁCH BẰNG PHẦN
MỀM ANSYS - FLUENT

58
59

3.1 Phƣơng pháp nghiên cứu

59

3.2 Các thông số đầu vào và một số giả thiết của bài toán mô phỏng

61

3.2.1 Lựa chọn các thông số của vỏ xe khách

61

3.2.2 Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu của bài toán mô phỏng

61

3.3 Xây dựng mô hình hình học, xác định vùng không gian mô phỏng

62

3.4 Chia lƣới và đặt các điều kiện ràng buộc của bài toán mô phỏng

63

3.5 Đặt các điều kiện tính toán

64

3.6 Mô phỏng và tính toán khí động học vỏ xe cơ sở

65

3.7 Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số kết cấu tới khí động học vỏ xe

72

3.7.1 Góc nghiêng kính chắn gió phía trƣớc của xe

72


3.7.2 Góc nghiêng kính hậu

76

3.7.3 Góc vát hai thành bên ở phía đuôi xe

79

3.7.4 Lựa chọn sơ bộ các góc vát

82

3.7.5 Bán kính góc lƣợn giữa nóc xe và hai thành bên của xe

82

3.7.6 Bán kính góc lƣợn giữa kính hậu và nóc xe

85

3.7.7 Bán kính góc lƣợn giữa thành sau và hai thành bên của xe

86

3.7.8 Bán kính góc lƣợn giữa kính chắn gió và nóc xe

89

3.7.9 Bán kính góc lƣợn giữa mặt trƣớc và hai thành bên của xe

93

3.7.10 Lựa chọn dạng mô hình hoàn chỉnh, tính toán khảo sát và đánh giá

98

3.7.11 Đánh giá kết quả tính toán mô phỏng

103

3.7.12 So sánh vỏ xe tham khảo và vỏ xe cải thiện

104

Kết luận chƣơng 3
Chƣơng 4 NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH TRONG ỐNG
KHÍ ĐỘNG
4.1 Mục đích và phƣơng pháp nghiên cứu

109
110
110

4.1.1 Mục đích

110

4.1.2 Vấn đề nghiên cứu

110

4.1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu

113

4.2 Thí nghiệm trong ống khí động

114

4.2.1 Trang thiết bị thí nghiệm

114

4.2.2 Thí nghiệm trong ống khí động

122

4.3 Mô phỏng thí nghiệm trong ống khí động

127

4.3.1 Xây dựng mô hình hình học, chọn vùng không gian mô phỏng và

chia lƣới
4.3.2 Đặt điều kiện, mô phỏng và phân tích kết quả
Kết luận chƣơng 4

127
128
134

KẾT LUẬN

135

TÀI LIỆU THAM KHẢO

137

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

Fx

Lực khí động theo phƣơng dọc

N

Fz

Lực khí động theo phƣơng ngang

N

Fy

Lực khí động theo phƣơng thẳng đứng

N

Cx

Hệ số cản khí động theo phƣơng dọc

-

Cz

Hệ số cản khí động theo phƣơng ngang

-

A

Diện tích cản chính diện



Khối lƣợng riêng của không khí

m2
kg/m3

U∞

Vận tốc dòng khí ở vô cùng

Re

Số Reynolds

-

M

Số Mach

-



Hệ số độ nhớt động lực

a

Vận tốc truyền âm trong không khí

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 không thứ nguyên

-

L

Thông số hình học đặc trƣng

m



Độ nhớt động học của không khí

 ijt

Ten-sơ ứng suất của dòng rối

k

Động năng của dòng rối



Hệ số tán xạ năng lƣợng của dòng rối

-



Hệ số tán xạ năng lƣợng của dòng rối

-

m2/s
J/kg (m2/s2)

i


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký tự

Nguồn gốc

Chú giải

Complete Knock Down

Bộ linh kiện hoàn chỉnh (sử dụng để lắp
ráp ô tô)

RANS Reynolds Average Navier Stokes

Phƣơng trình Reynolds trung bình hóa

CKD

DNS

Direct Numerical Simulation

Mô phỏng trực tiếp

RSM

Reynolds Stress Model

Mô hình ứng suất Reynolds

FEM

Finite Element Method

Phƣơng pháp phần tử hữu hạn

CFD

Computational Fluid Dynamic

Phần mềm tính toán động lực học chất
lỏng

LES

Large Eddy Simulation

Mô hình dòng rối lớn

DES

Detached Eddy Simulation

Mô hình dòng rối phân tách

SST

Shear Stress Transport

Mô hình vận tải ứng suất

ii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1.

Giá trị hệ số lực cản, lực và mô mem theo các phƣơng

Bảng 3.2.

Giá trị Cx phụ thuộc vào góc nghiêng kính chắn gió phía trƣớc

Bảng 3.3

Giá trị Cx phụ thuộc vào góc nghiêng kính hậu

Bảng 3.4.

Giá trị Cx phụ thuộc vào góc vát 2 thành bên phía đuôi xe

Bảng 3.5.

Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lƣợn giữa nóc xe và hai thành bên của xe

Bảng 3.6.

Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lƣợn giữa kính phía sau và nóc xe

Bảng 3.7.

Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lƣợn giữa thành sau và hai thành bên xe

Bảng 3.8.

Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lƣợn giữa kính chắn gió phía trƣớc và
nóc xe

Bảng 3.9.

Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lƣợn giữa thành trƣớc (bao gồm cả
kính chắn gió phía trƣớc) và hai thành bên của xe

Bảng 3.10. Sự phụ thuộc của hệ số Cx vào bán kính góc lƣợn giữa nóc xe và kính chắn
gió phía trƣớc
Bảng 3.11. Lực cản Fx và hệ số cản Cx của mô hình vỏ xe cải thiện
Bảng 3.12. Các thông số của mô hình xe khách tham khảo và mô hình cải thiện của luận án
Bảng 4.1.

Một số phƣơng án lựa chọn tỷ lệ thu nhỏ mẫu thử

Bảng 4.2.

Kết quả thí nghiệm

Bảng 4.3.

Kết quả tính toán lực cản khí động ở vận tốc 29 m/s.

Bảng 4.4.

Kết quả tính toán lực cản khí động ở vận tốc 25 m/s.

Bảng 4.5.

Kết quả thí nghiệm và kết quả tính toán mô phỏng mô hình tỷ lệ 1:40 trong
ống khí động

iii


DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1.

Các lực tác dụng lên lực nằm trong dòng chảy

Hình 1.2.

Sự hình thành vùng xoáy áp suất phía sau vật

Hình 1.3.

Ảnh hƣởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xoáy

Hình 1.4.

Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cản

Hình 1.5.

Hệ số cản không khí trên một số loại ô tô tải

Hình 1.6.

Hệ số cản không khí của các loại xe thông dụng

Hình 1.7.

Các vùng xoáy trên vỏ ô tô con

Hình 1.8.

Phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ xe

Hình 1.9.

Phân bố áp suất dọc theo thân ô tô chở khách

Hình 1.10.

Ảnh hƣởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động

Hình 1.11.

Ảnh hƣởng của bán kính góc lƣợn giữa kính chắn gió và tấm nóc xe với hệ số
cản không khí

Hình 1.12.

Ảnh hƣởng của cấu trúc phần đầu xe tới hệ số cản không khí

Hình 1.13.

Ảnh hƣởng hình dáng đầu xe tới lực cản khí động

Hình 1.14.

Ảnh hƣởng của bán kính góc lƣợn giữa mặt đầu và mặt bên của vỏ ô tô khách
tới lực cản khí động

Hình 1.15.

Ảnh hƣởng của chiều cao sàn xe tới các lực khí động

Hình 1.16.

Lịch sử phát triển của các mô hình tính toán khí động học

Hình 1.17.

Sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí động

Hình 2.1.

Các thành phần ứng suất trên khối chất lỏng

Hình 2.2.

Mô hình vỏ xe khách dạng 3D

Hình 2.3.

Các kích thƣớc của không gian mô phỏng lần đầu

Hình 2.4.

Ví dụ về một số dạng dòng chảy ngƣợc

Hình 2.5.

Các dạng phần tử lƣới trong mô hình mô phỏng 3D

Hình 2.6.

So sánh về cấu trúc của lƣới tứ diện và lƣới lục diện

Hình 2.7.

So sánh về số lƣợng phần tử và chất lƣợng lƣới của lƣới tứ diện và lƣới lục diện

Hình 2.8.

Hình ảnh chia lƣới trong vùng không gian tính toán vỏ xe khách

Hình 3.1.

Các thông số khảo sát của biên dạng vỏ xe

Hình 3.2.

Xe ô tô khách tham khảo (THACO KB120LSI)

Hình 3.3.

Kích thƣớc của vùng không gian mô phỏng

iv


Hình 3.4.

Mô hình vỏ xe khách sau khi đã đƣợc chia lƣới với dạng lƣới Hexa

Hình 3.5.

Mô hình 3D vỏ xe khách tham khảo THACO KB120LSI

Hình 3.6.

Chia lƣới vùng không gian mô phỏng

Hình 3.7.

Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe

Hình 3.8.

Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối xứng dọc của xe

Hình 3.9.

Phân bố áp suất trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe

Hình 3.10.

Phân bố vận tốc tại mặt phẳng đối xứng dọc của vỏ xe

Hình 3.11.

Phân bố vận tốc tại mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe

Hình 3.12.

Đƣờng dòng tại mặt phẳng trung tuyến dọc của vỏ xe

Hình 3.13.

Đƣờng dòng tại mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe

Hình 3.14.

Hệ số phân bố áp suất Cp trên bề mặt vỏ xe tại mặt phẳng trung tuyến dọc của xe

Hình 3.15.

Ảnh hƣởng của góc nghiêng kính chắn gió phía trƣớc đến hệ số cản Cx

Hình 3.16.

Phân bố áp suất khi góc nghiêng kính chắn gió bằng 0o

Hình 3.17.

Phân bố áp suất khi góc nghiêng kính chắn gió bằng 40o

Hình 3.18.

Đƣờng dòng bao quanh vỏ xe khi góc nghiêng kính chắn gió bằng 0o

Hình 3.19.

Đƣờng dòng bao quanh vỏ xe khi góc nghiêng kính chắn gió bằng 40o

Hình 3.20.

Ảnh hƣởng của góc nghiêng kính phía sau xe đến hệ số cản Cx

Hình 3.21.

Phân bố áp suất khi góc nghiêng kính sau bằng 0o

Hình 3.22.

Phân bố áp suất khi góc nghiêng kính sau bằng 45o

Hình 3.23.

Đƣờng dòng khi góc nghiêng kính hậu bằng 10o

Hình 3.24.

Đƣờng dòng khi góc nghiêng kính hậu bằng 45o

Hình 3.25.a. Ảnh hƣởng của góc vát 2 thành bên phía sau xe đến hệ số cản Cx
Hình 3.25.b. Ảnh hƣởng của góc vát 2 thành bên phía sau xe đến hệ số cản Cx
Hình 3.26.

Đƣờng dòng khi góc vát hai thành bên bằng 4o (khoảng cách 2,5 m)

Hình 3.27.
Hình 3.28.

Ảnh hƣởng của bán kính góc lƣợn giữa nóc và hai thành bên của xe tới hệ số
cản Cx
Đƣờng dòng khi không có góc lƣợn giữa nóc và hai thành bên

Hình 3.29.

Đƣờng dòng khi bán kính góc lƣợn giữa nóc và hai thành bên là 1250 mm

Hình 3.30.

Đƣờng dòng khi không có góc lƣợn giữa nóc và hai thành bên

Hình 3.31.

Đƣờng dòng khi bán kính góc lƣợn giữa nóc và hai thành bên là 1250 mm

Hình 3.32.

Ảnh hƣởng của bán kính góc lƣợn giữa kính phía sau và nóc xe tới hệ số cản Cx

v


Hình 3.34.

Ảnh hƣởng của bán kính góc lƣợn giữa thành sau và hai thành bên của xe tới hệ
số cản Cx
Đƣờng dòng khi bán kính góc lƣợn giữa thành sau và hai thành bên là 200 mm

Hình 3.35.

Đƣờng dòng khi bán kính góc lƣợn giữa thành sau và hai thành bên là 1000 mm

Hình 3.36.

Phân bố áp suất khi không có góc lƣợn giữa thành sau và hai thành bên

Hình 3.37.

Phân bố áp suất khi góc lƣợn giữa thành sau và hai thành bên là 1000 mm

Hình 3.38.

Phân bố áp suất khi không có góc lƣợn giữa thành sau và hai thành bên

Hình 3.39.

Phân bố áp suất khi góc lƣợn giữa thành sau và hai thành bên là 1000 mm

Hình 3.40.

Ảnh hƣởng của bán kính góc lƣợn giữa kính chắn gió và nóc xe tới hệ số cản Cx

Hình 3.41.

Đƣờng dòng khi bán kính góc lƣợn giữa kính chắn gió và nóc xe là 0 mm

Hình 3.42.

Đƣờng dòng khi bán kính góc lƣợn giữa kính chắn gió và nóc xe là 200 mm

Hình 3.43.

Đƣờng dòng khi bán kính góc lƣợn giữa kính chắn gió và nóc xe là 400 mm

Hình 3.44.

Đƣờng dòng khi bán kính góc lƣợn giữa kính chắn gió và nóc xe là 2000 mm

Hình 3.45.

Phân bố áp suất khi không có góc lƣợn giữa kính chắn gió và nóc xe

Hình 3.46.

Phân bố áp suất khi góc lƣợn giữa kính chắn gió và nóc xe bằng 2000 mm

Hình 3.47.
Hình 3.48.

Ảnh hƣởng của bán kính góc lƣợn giữa thành trƣớc và hai thành bên tới hệ số
cản Cx
Đƣờng dòng khi bán kính góc lƣợn giữa mặt trƣớc và hai thành bên là 0 mm

Hình 3.49.

Đƣờng dòng khi bán kính góc lƣợn giữa mặt trƣớc và hai thành bên là 250 mm

Hình 3.50.

Đƣờng dòng khi bán kính góc lƣợn giữa mặt trƣớc và hai thành bên là 1250 mm

Hình 3.51.

Phân bố áp suất khi không có góc lƣợn giữa thành trƣớc và hai thành bên

Hình 3.52.

Phân bố áp suất khi góc lƣợn giữa thành trƣớc và hai thành bên bằng 1250 mm

Hình 3.53.

Vùng lựa chọn các bán kính góc lƣợn

Hình 3.54.

Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe

Hình 3.55.

Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối xứng dọc của xe

Hình 3.56.

Phân bố vận tốc tại mặt phẳng trung tuyến dọc của xe

Hình 3.57.

Đƣờng dòng trong mặt phẳng trung tuyến dọc của xe

Hình 3.58.
Hình 3.59.

Hệ số phân bố áp suất CP trên bề mặt vỏ xe tại mặt phẳng trung tuyến dọc của
xe
Đồ thị Fx theo vận tốc chuyển động của dòng khí

Hình 3.60.

Giá trị Cx tại các vận tốc chuyển động của dòng khí khác nhau

Hình 3.61.

Phân bố áp suất Cp trên bề mặt vỏ xe trong mặt phẳng thẳng đứng

Hình 3.62.

Đƣờng dòng bao quanh các vỏ xe

Hình 3.33.

vi


Hình 4.1.

Sơ đồ ống khí động và kết nối thiết bị thí nghiệm

Hình 4.2.

Đƣờng ống dẫn hƣớng dòng khí

Hình 4.3.

Động cơ và thiết bị điều khiển động cơ

Hình 4.4.

Sơ đồ bố trí mẫu xe thí nghiệm và các cảm biến trong khoang thử

Hình 4.5.

Các kích thƣớc cơ bản của buồng thử

Hình 4.6.

Thiết bị và các cảm biến đo vận tốc dòng khí

Hình 4.7.

Cân khí động 6 thành phần

Hình 4.8.

Thiết bị chuyển đổi và xử lý tín hiệu vận tốc dòng khí

Hình 4.9

Bộ phận hiển thị kết quả

Hình 4.10.

Mẫu thí nghiệm và giá gá đặt

Hình 4.11.

Gá đặt mẫu thí nghiệm trên thiết bị đo trong khoang thử

Hình 4.12

Mô phỏng dòng chảy không khí qua tấm sàn

Hình 4.13.

Kết quả thí nghiệm với vận tốc dòng khí 20m/s

Hình 4.14.

Quy luật biến thiên lực cản theo vận tốc

Hình 4.15.

Mô hình mẫu thí nghiệm và giá gá đặt

Hình 4.16.

Chia lƣới vùng không gian mô phỏng

Hình 4.17.

Phân bố áp suất trong mặt phẳng đối xứng dọc của vật thí nghiệm

Hình 4.18.

Phân bố áp suất trong mặt phẳng chính diện của vật thí nghiệm

Hình 4.19.

Phân bố vận tốc trong mặt phẳng đối xứng dọc của vật thí nghiệm

Hình 4.20.

Đƣờng dòng trong mặt phẳng đối xứng dọc của vật thí nghiệm

Hình 4.21.

So sánh lực cản theo kết quả tính toán mô phỏng và thực nghiệm

Hình 4.22.

So sánh Cx theo kết quả tính toán mô phỏng và thực nghiệm

vii


MỞ ĐẦU
Trong những năm cuối của thế kỷ XX, đầu thế kỷ XXI, cùng với sự phát triển của
nền kinh tế quốc dân, nhu cầu vận chuyển hành khách tăng cao rõ rệt, trong đó có nhu cầu
vận chuyển hành khách bằng đƣờng bộ. Bên cạnh đó, cơ sở hạ tầng, đƣờng sá giao thông
cũng đã có những bƣớc chuyển mình, phát triển rất tích cực. Một số tuyến đƣờng cao tốc
đã đƣợc xây dựng nhằm nâng cao tốc độ di chuyển của các phƣơng tiện tham gia giao
thông nói chung và phƣơng tiện vận tải hành khách nói riêng.
Để đáp ứng đƣợc nhu cầu thực tế, trong tháng 7/2014 Chính phủ đã ban hành 2 văn
bản quan trọng là “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020,
tầm nhìn đến năm 2030” và “Chiến lƣợc phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến
năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035”, trong đó lĩnh vực sản xuất ô tô khách nhận đƣợc sự
quan tâm đặc biệt.
Hiện nay, có một số doanh nghiệp đầu tƣ sản xuất và lắp ráp ô tô khách từ 24 - 80
chỗ phục vụ giao thông công cộng. Các doanh nghiệp lớn có Vinamotor, Cơ khí ô tô Đà
Nẵng, Trƣờng Hải và SAMCO. Ngoài ra còn có các liên doanh nhƣ Daewoo, Hino và

Mercedes-Benz cũng sản xuất một số loại ô tô chở khách cỡ lớn.
Mặc d đã có sự đầu tƣ về công nghệ và đạt đƣợc một số thành tựu trong sản xuất,
nhƣng nhìn vào thực trạng thì có thể thấy các cơ sở lắp ráp xe hiện nay đều chỉ là lắp ráp
dựa trên các bộ phụ tùng nhập khẩu. Phần công việc chính đƣợc thực hiện trong nƣớc
là sản xuất khung vỏ với các công nghệ hàn, sơn và lắp ráp nội thất, tuy nhiên chất
lƣợng còn ở mức độ hạn chế. Vấn đề nghiên cứu, tối ƣu hóa kết cấu của vỏ xe nhằm
nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật vận hành của ô tô chƣa nhận đƣợc sự quan tâm
đầu tƣ của các nhà sản xuất.
Trƣớc tình hình trên, để những chiếc ô tô khách Việt Nam có thể cạnh tranh đƣợc với
ô tô nhập khẩu thì cần phải có đầu tƣ chiều sâu, đặc biệt là đầu tƣ cho lĩnh vực nghiên cứu
phát triển sản phẩm có chất lƣợng cao. Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu cần
đƣợc ƣu tiên đầu tƣ nghiên cứu là tối ƣu hóa dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm mức tiêu
thụ nhiên liệu và nâng cao tính an toàn chuyển động.
Từ thực tế trên, nghiên cứu sinh đã thực hiện luận án Tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứu
cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam”. Luận án là một công trình
nghiên cứu sâu đầu tiên về khí động học ô tô ở Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu của

1


Luận án góp phần từng bƣớc tạo ra một cơ sở lý thuyết vững chắc cho sự phát triển lâu dài
của ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam.
Mục đích của luận án:
Xây dựng mô hình khảo sát, đánh giá dạng khí động học vỏ xe ô tô khách và đề xuất các
giải pháp cải thiện dạng khí động học nhằm giảm thiểu lực cản khí động tác dụng lên ô tô.
Đối tượng nghiên cứu:
Đối tƣợng nghiên cứu của Luận án đƣợc lựa chọn là ô tô khách cỡ lớn với mẫu xe
tham khảo cụ thể là ô tô khách 51 chỗ của Trƣờng Hải THACO KB120LSI.
Phạm vi nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu về lực cản khí động với tiêu chí đánh giá là hệ số cản

Cx và các yếu tố ảnh hƣởng đến nó trên mô hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gƣơng chiếu hậu, gạt
mƣa, các khe gờ trên vỏ, kính, …).
Nội dung nghiên cứu
Luận án gồm các nội dung chính nhƣ sau:
1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
2. Xây dựng mô hình mô phỏng khí động học vỏ xe khách
3. Nghiên cứu khí động học vỏ ô tô khách bằng phần mềm ANSYS - FLUENT
4. Nghiên cứu khí động học vỏ xe khách trong ống khí động
5. Kết luận.

2


Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản xuất ô tô
khách
1.1.1 Nhu cầu về ô tô khách
Trong những năm gần đây, c ng với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, nhu
cầu về vận tải hành khách đã tăng mạnh. Những nguyên nhân chính dẫn đến nhu cầu bức
thiết này là: tốc độ đô thị hóa cao đòi hỏi hệ thống giao thông công cộng tại các thành phố
lớn phải nhanh chóng đáp ứng; sự phát triển kinh tế làm tăng nhu cầu đi lại của ngƣời dân;
hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông ngày càng đƣợc mở rộng và nâng cao về chất lƣợng.
Mạng lƣới giao thông đƣờng bộ Việt Nam đã phát triển khá nhanh trong những
năm qua với tổng chiều dài khoảng 211.496 km, trong đó đƣờng quốc lộ có 16.514 km,
chiếm 7,8%; đƣờng tỉnh lộ có 37.671 km, chiếm 17,81%; đƣờng giao thông nông thôn
157.311 km, chiếm 74,39%. Mật độ đƣờng tính trên diện tích lãnh thổ là 0,639 km/km2,
trên số dân là 2,356 km/1000 ngƣời (theo thông tin trên website của Tổng cục Thống kê
). Đặc biệt, trong những năm gần đây, nhiều tuyến đƣờng cao tốc đã
đƣợc đƣa vào sử dụng với vận tốc tối đa cho phép từ 100 km/h đến 120 km/h.
Các thống kê cũng cho thấy, khối lƣợng vận chuyển hàng hóa và hành khách trên

đƣờng bộ tăng khá nhanh. Tốc độ tăng trƣởng bình quân về hàng hóa là 12,315%/năm, về
hành khách là 10,29%/năm. Tốc độ tăng trƣởng của xe cơ giới là 24,26%/năm (theo thông
tin trên website của Tổng cục Thống kê ). So với các nƣớc trong khu
vực, cƣờng độ vận tải hàng hóa trên đƣờng bộ Việt Nam đạt mức trung bình, nhƣng vận tải
hành khách đạt mức cao.
Tất cả những yếu tố trên đã tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực vận
tải hành khách. Theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam, tính từ năm 2000 đến hết
tháng 4 năm 2015, trong cả nƣớc có 105.667 ô tô chở khách đƣợc sản xuất, lắp ráp và nhập
khẩu phục vụ cho nhu cầu đi lại của ngƣời dân, trong đó ô tô sản xuất, lắp ráp trong nƣớc
chiếm tỷ trọng lớn về số lƣợng (90.952 chiếc, chiếm 86%). Tuy nhiên, mức độ đáp ứng
của các cơ sở sản xuất trong nƣớc vẫn đang còn rất khiêm tốn cả về số lƣợng và chất
lƣợng.

3


1.1.2 Định hướng phát triển
Trƣớc tình hình trên, trong tháng 7/2014 Thủ tƣớng Chính phủ đã ban hành 2 văn
bản quan trọng là “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020,
tầm nhìn đến năm 2030” và “Chiến lƣợc phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến
năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035”, trong đó lĩnh vực sản xuất ô tô khách nhận đƣợc sự
quan tâm đặc biệt.
Theo quy hoạch của Chính phủ, tới năm 2025 các nhà sản xuất trong nƣớc phải đáp
ứng đƣợc 92% nhu cầu ô tô khách với sản lƣợng là 29.102 chiếc. Ngoài ra, Chính phủ
cũng đặt mục tiêu xuất khẩu cho ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, cụ thể đối với ô tô
khách là 5.000 chiếc vào năm 2020 và 10.000 chiếc vào năm 2030.
Trong “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm
nhìn đến năm 2030”, Chính phủ đã nhấn mạnh tầm quan trọng của lĩnh vực sản xuất ô tô
khách và đƣa ra định hƣớng cụ thể: “…chú trọng phát triển các loại xe khách tầm trung và
tầm ngắn,… Tập trung đầu tƣ cải tiến, nâng cấp công nghệ để nâng cao chất lƣợng sản

phẩm, hoàn thiện hệ thống dịch vụ bán hàng, nâng cao năng lực cạnh tranh, đáp ứng phần
lớn nhu cầu trong nƣớc, từng bƣớc tham gia xuất khẩu”.
Có thể thấy rằng, nhiệm vụ đặt ra cho các nhà sản xuất ô tô khách Việt Nam là rất
nặng nề và cần phải tập trung mọi nguồn lực để thực hiện.
1.1.3 Thực trạng và nhu cầu nâng cao chất lượng
Hiện nay chúng ta có một số doanh nghiệp đầu tƣ sản xuất và lắp ráp ô tô khách từ
24 - 80 chỗ, phục vụ giao thông công cộng. Các doanh nghiệp lớn có Vinamotor, Cơ khí ô
tô Đà nẵng, Trƣờng Hải và SAMCO. Ngoài ra còn có các liên doanh nhƣ Daewoo, Hino
và Mercedes-Benz cũng sản xuất một số loại ô tô chở khách cỡ lớn.
Các sản phẩm của Vinamotor (công ty cơ khí ô tô 1-5, công ty 3-2, ...) rất đa dạng,
cơ sở này đã sản xuất và lắp ráp các chủng loại ô tô khách từ 24 chỗ ngồi, 34, 45, 60, 80
chỗ ngồi với việc nhập khẩu các bộ linh kiện CKD từ Hàn Quốc và Trung Quốc. Tính
năng kỹ thuật của các sản phẩm của Vinamotor đƣợc trình bày ở phần phụ lục 1, đều thể
hiện là những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đạt chất lƣợng và công ty đã sản xuất và tiêu thụ
hàng chục nghìn xe, phục vụ đắc lực cho yêu cầu giao thông công cộng ở các thành phố và
các loại hình vận tải hành khách khác.

4


Các công ty ô tô Đà Nẵng và Trƣờng Hải đã sản xuất và lắp ráp các ô tô khách cỡ
24 - 45 chỗ ngồi với sản lƣợng hàng năm bán ra từ 500 - 1000 xe các loại. Đó là những cơ
sở sản xuất rất có tín nhiệm tại thị trƣờng miền Trung.
Tổng công ty SAMCO (Sài Gòn) sản xuất và lắp ráp các loại ô tô khách cỡ 24 - 45
chỗ ngồi và thử nghiệm sản xuất vỏ xe cỡ lớn 80 chỗ theo công nghệ của hãng MercedesBenz. Đây là một doanh nghiệp lớn đang có đà phát triển. Các xe do SAMCO sản xuất lắp
ráp có tính năng kỹ thuật khá cao vì đều có nguồn gốc từ xe cơ bản của hãng Isuzu (Nhật
bản) nên có sức cạnh tranh lớn, đặc biệt là ở thị trƣờng phía Nam.
Hai hãng liên doanh là Daewoo và Mercedes-Benz đều sản xuất các loại xe chở
khách tiên tiến, rất đƣợc ƣa chuộng ở các thành phố nhƣ Hà Nội và Thành phố Hồ Chí
Minh. Đó là những xe có chất lƣợng cao, có sức cạnh tranh lớn về chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.

Mặc d đã có đƣợc những thành tựu đáng kể nhƣ trên, nhìn vào thực trạng thì có
thể thấy tất cả các doanh nghiệp sản xuất ô tô chở khách trên đây thực chất chỉ là các cơ sở
lắp ráp xe dựa trên các bộ phụ tùng nhập khẩu. Phần công việc chính đƣợc thực hiện trong
nƣớc là sản xuất khung vỏ với các công nghệ hàn, sơn và lắp ráp nội thất. Với mức đầu tƣ
về chất xám và trang thiết bị còn khiêm tốn, chất lƣợng của các sản phẩm của các cơ sở lắp
ráp trong nƣớc còn ở mức độ hạn chế. Tuy nhiên, đây là nguồn cung cấp ô tô chở khách
chủ yếu cho thị trƣờng trong nƣớc hiện nay nhờ có ƣu thế về giá thành.
Nhƣ vậy, có thể thấy rằng vỏ xe ô tô khách trong nƣớc vẫn đƣợc chế tạo theo công
nghệ lạc hậu. Vấn đề nghiên cứu, tối ƣu hóa kết cấu của vỏ xe nhằm nâng cao các chỉ tiêu
kinh tế kỹ thuật vận hành của ô tô chƣa nhận đƣợc sự quan tâm đầu tƣ của các nhà sản
xuất.
Trƣớc tình hình trên, để những chiếc ô tô khách Việt Nam có thể cạnh tranh đƣợc
với ô tô nhập khẩu thì cần phải có đầu tƣ chiều sâu, đặc biệt là đầu tƣ cho lĩnh vực nghiên
cứu phát triển sản phẩm có chất lƣợng cao. Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu
cần đƣợc ƣu tiên đầu tƣ nghiên cứu là tối ƣu hóa dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm mức
tiêu thụ nhiên liệu và nâng cao tính an toàn chuyển động.
1.2

Khí động học ô tô
Khi ô tô chuyển động trong môi trƣờng không khí, sự tƣơng tác của vỏ xe với môi

trƣờng sinh ra các lực và mô men có ảnh hƣởng xấu tới chất lƣợng vận hành của ô tô.

5


Hệ quả trực tiếp của sự tƣơng tác trên là lực cản không 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 phƣơng của vận
tốc. Ngoài ra, lực nâng làm giảm khả năng bám đƣờng, còn các mô men thì có thể gây nên
hiệu ứng lật xe. Đây là những yếu tố này ảnh hƣởng trực tiếp đến an toàn chuyển động.

Để giảm tối đa những ảnh hƣởng xấu nêu trên, cần có những nghiên cứu sâu về khí
động học vỏ xe ngay trong quá trình thiết kế.
1.2.1 Khí động lực học và các thông số đặc trưng
Đối tƣợng nghiên cứu của khí động học là dòng chảy quanh một vật cản đang
chuyển động bằng phƣơng pháp Ơ le với hệ tọa độ gắn với vật. Để đơn giản hóa phƣơng
pháp mô tả, ngƣời ta coi một vật chuyển động với vận tốc V trong môi trƣờng không khí
tĩnh tƣơng đƣơng với vật đứng yên trong dòng khí có vận tốc V.
Hình 1.1 mô tả một vật cản nằm trong dòng chảy không khí với vận tốc ở đầu
nguồn là U. Dòng chảy không khí tác dụng lên vật một lực F, đƣợc phân tích thành 2
thành phần Fx (lực cản) song song với phƣơng chuyển động của dòng khí và Fz (lực nâng)
là thành phần vuông góc với phƣơng chuyển động. Các lực này đƣợc tính nhƣ sau:

Fx  Cx A

Fz  Cz A

U2
2

U2
2

Fz

(1.1)

F

U
Fx

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

Trong đó: Fx là lực cản; Fz là lực nâng; Cx và Cz là các hệ số; - khối lƣợng riêng
không khí; U- vận tốc chuyển động (m/s); A là diện tích cản chính diện (m2).
Công thức 1.1 cho thấy hệ số Cx không có thứ nguyên, nó không đặc trƣng cho một
đại lƣợng vật lý nào mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật. Đây là thông số
đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu khí động học.
Công thức trên cũng cho thấy, để giảm lực cản của không khí lên vật đang chuyển
động thì chỉ có cách duy nhất hợp lý là giảm hệ số Cx. 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 ô tô
ngày nay tập trung chủ yếu vào việc cải thiện hình dáng khí động học vỏ xe nhằm giảm
thiểu Cx.
6


Trƣớc đây, khi ô tô chuyển động với vận tốc chƣa cao, các nghiên cứu khí động
học chỉ quan tâm chủ yếu đến lực cản Fx do lực nâng rất nhỏ và ảnh hƣởng không nhiều
đến điều kiện chuyển động. Khi ô tô chuyển động với vận tốc cao hơn, chẳng hạn nhƣ ô tô
thể thao và ô tô đua thì thành phần lực này đã đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều hơn. Đối
với ô tô chở khách là đối tƣợng nghiên cứu của Luận án, vận tốc tối đa thƣờng xấp xỉ 100
km/h, nên ảnh hƣởng của lực nâng là không đáng kể.
Trong nghiên cứu khí động học, có 2 thông số quan trọng đặc trƣng dòng chảy
không khí là số Reynolds và số Mach. Chúng đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
Số Reynolds:

Re 

U  L


(1.3)

Số Mach:

M

U
a

(1.4)

Trong đó: L- thông số hình học đặc trƣng (m); - hệ số độ nhớt động lực (N.s/m2);
a- vận tốc truyền âm trong không khí.
Chỉ số “” trong các công thức trên thể hiện thông số đƣợc lấy ở vùng không khí
cách xa vật chuyển động và không chịu ảnh hƣởng của vật này.
Trong nghiên cứu thủy khí động lực học ngƣời ta thƣờng dùng các thông số trên để
đánh giá trạng thái dòng chảy và làm chỉ tiêu cho các phép quy đổi tƣơng tự. Trong đó,
thông số thƣờng d ng đối với khí động học ô tô là Re vì M thƣờng rất bé (M<<1). Còn nếu
M rất lớn (trƣờng hợp các máy bay siêu âm) thì cần sử dụng thêm một chỉ tiêu tƣơng tự
khác nữa.
Ngoài ra, số Reynolds thƣờng đƣợc sử dụng để đánh giá và xác định trạng thái
dòng chảy. Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong các nghiên cứu khí động học.
Trong phân loại dòng chảy khí động, khi M  0,3 dòng chảy đƣợc gọi là dòng chảy
dƣới âm với môi trƣờng không chịu nén. Vì vậy, trong các tính toán khí động học ô tô, để
đơn giản hóa bài toán ngƣời ta thƣờng chấp nhận giả thiết là không khí không chịu nén với
sai số không đáng kể (với M  0,3, sai số khoảng 5% [44]).

1.2.2 Lực cản không khí
Lực cản của không khí có thể phân tích thành 2 thành phần: cản do ma sát Fms và
cản do chênh áp Fca, do vậy Cx cũng đƣợc chia thành hai thành phần tƣơng ứng:

7


Cx  Cm s  Cca

(1.5)

Nếu nhƣ 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 học của vật cản. Hình 1.2 mô tả dòng khí với vận tốc U và áp suất p
chảy quanh một vật cản. Có thể nhận thấy rằng, ban đầu dòng chảy ôm lấy vật và đƣợc coi
là bám vào nó cho tới điểm A. Tới đây, dòng chảy tách khỏi vật làm xuất hiện một vùng
xoáy phía sau nó, vùng xoáy này có áp suất p2 rất thấp (thƣờng là chân không), trong khi
phía trƣớc của vật lại chịu áp suất p1 lớn, do vậy sinh ra độ chênh áp: p  p1  p2 .
p1

U

A

p2

p

Hình 1.2- Sự hình thành vùng xoáy áp thấp phía sau vật cản.
Nhƣ vậy, có thể viết:

Fx  Fm s  A.p

(1.6)

trong đó A.p  Fca là thành phần lực cản do chênh áp. Lực này phụ thuộc chủ yếu
vào độ chênh áp và diện tích của vùng xoáy. Phạm vi của v ng xoáy đƣợc xác định bởi
điểm tách dòng (điểm A trên hình 1.2). Đây là điểm mà dòng chảy bắt đầu tách khỏi vật
cản và là khởi đầu của vùng xoáy. Các nghiên cứu cho thấy, trong một môi trƣờng xác
định (có độ nhớt xác định) vị trí của điểm A phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố: vận tốc dòng
chảy và hình dạng của vật cản.
Vận tốc của dòng chảy mà càng lớn thì điểm A càng dịch về phía trƣớc làm diện
tích vùng xoáy sẽ tăng lên và ngƣợc lại. Nếu hình dạng của vật cản là lý tƣởng về mặt khí
động học thì điểm A gần nhƣ không tồn tại mà dòng chảy sẽ bao kín vật cản nhƣ thể hiện
trên hình 1.3a. Trong trƣờng hợp này có thể coi: Fca  0, hay:

Fx  Fm s

8


a)- Fx  Fms

b)- F >> Fms

Hình 1.3- Ảnh hưởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xoáy
Tuy nhiên, trên thực tế phần lớn các vật (trong đó có các vỏ xe ô tô) có hình dạng
khí động không thể là lý tƣởng. Khi đó, tƣơng quan giữa các thành phần Fms và Fca hoàn
toàn phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật. Trên hình 1.3 thể hiện sự tạo thành
vùng xoáy tuỳ theo hình dạng khí động học của vật cản. Hình 1.3a là trƣờng hợp vật có

dạng khí động lý tƣởng nên không tạo vùng xoáy và thành phần cản do chênh áp rất nhỏ.
Hình 1.3b thể hiện trƣờng hợp vật có dạng khí động 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 nhƣ sau:

Fx  Fm s(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, ô tô nói chung và ô tô khách nói riêng có hình
dạng khí động học đƣợc coi là xấu, nên chúng phải chịu lực cản khí động 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.
Nhƣ vậy, giảm Cx đồng nghĩa với việc cải thiện hình dạng khí động học của ô tô.
Quá trình hoàn thiện dạng khí động học vỏ xe ô tô con theo lịch sử phát triển đƣợc mô tả
trên hình 1.4 [4]. Có thể nhận thấy rằng, trong giai đoạn trƣớc năm 1930 với những chiếc ô
tô có hình dáng giống xe ngựa cổ xƣa, hệ số cản (trên hình ký hiệu là Cw) 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 còn là 0,28  0,32 và một số loại xe đã có thể đạt đƣợc Cx = 0,25 ÷ 0,27 [4]. Tuy nhiên,
sau năm 2000, khi những chiếc ô tô gần nhƣ đã hoàn thiện về hình dạng khí động học thì
việc giảm đƣợc dù chỉ 0,01 trong Cx ngày càng trở nên khó khăn hơn, nó đòi hỏi phải có
9


nghiên cứu toàn diện hơn, sâu sắc hơn, trang thiết bị thử nghiệm hiện đại hơn c ng với
những chi phí cao hơn rất nhiều. Vì vậy, trong giai đoạn này, đồ thị mô tả Cx theo thời gian
gần nhƣ nằm ngang.

W- lực cản
- khối lƣợng riêng
V- vận tốc
A- diện tích

Hình 1.4 Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cản [4]
Trong tự nhiên, vật có hình dạng khí động học lý tƣởng chính là giọt nƣớc rơi trong
không khí. Nếu những chiếc ô tô cũng có hình dạng nhƣ vậy thì lực cản khí động là nhỏ
nhất. Trên phần dƣới của hình 1.4 mô 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 nhƣ vậy khó có thể
đáp ứng đƣợc thị hiếu của ngƣời tiêu dùng hiện nay nên không thể xuất hiện phổ biến
đƣợc. Ngƣời ta thƣờng chỉ gặp các dạng vỏ xe nhƣ vậy trên các đƣờng đua.
Đối với ô tô tải, hệ số lực cản khí động thƣờng rất lớn, có thể đạt tới xấp xỉ 1,0.
Việc tối ƣu hóa hình dạng khí động học của ô tô tải thƣờng gặp nhiều khó khăn hơn các
chủng loại ô tô khác do đặc thù kết cấu của nó.
Trên hình 1.5 [33] thể hiện sự phụ thuộc của hình dạng khí động học của ô tô tải có
mui kín với hệ số lực cản không khí (trên hình ký hiệu là CD). Các phƣơng 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.

10


Hình 1.5. Hệ số cản không khí
trên một số loại ô tô tải [33]

Đối với ô tô chở khách, hệ số lực cản khí động cũng khá lớn và thƣờng nằm trong
khoảng từ 0,4 đến xấp xỉ 0,7 [4, 13, 71]. Việc tạo dáng vỏ xe để có đƣợc hệ số Cx nhỏ có
thể đƣợc thực hiện tƣơng đối thuận tiện do vỏ xe có cấu trúc đơn giản hơn so với các
chủng loại ô tô khác (ô tô tải và ô tô con).

Hình 1.6 Hệ số cản
không khí của các loại xe
thông dụng [71]

Tuy nhiên, đối với các nhà sản xuất thì việc tạo dáng không chỉ nhằm vào mục đích
giảm tối đa lực cản khí động mà còn phải đạt đƣơc tính thẩm mỹ cao. Chính vì vậy, vẫn
tồn tại những dạng vỏ xe có hình dáng vuông vắn, góc cạnh tiếp nhận lực cản khí động lớn
với hệ số Cx lớn hơn 0,7. Bên cạnh đó, vẫn có những chiếc ô tô khách với vỏ xe có thể đạt
11