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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG 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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội - 2016


Công trình được hoàn thành tại
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan
PGS.TS Hồ Hữu Hải

Phản biện 1: .....................................................................
Phản biện 2: .....................................................................
Phản biện 3: .....................................................................

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, nhu cầu vận chuyển hành khách bằng đường bộ tại Việt Nam
ngày càng tăng cao, cơ sở hạ tầng, đường sá giao thông phát triển rất tích cực,
tốc độ di chuyển của các phương tiện vận tải hành khách cũng được nâng lên
rõ rệt. Do đó, lĩnh vực sản xuất ô tô khách nhận được sự quan tâm đặc biệt
của Chính phủ.
Tại Việt Nam, có một số doanh nghiệp đầu tư sản xuất và lắp ráp ô tô
khách từ 24 - 80 chỗ phục vụ giao thông công cộng nhưng các cơ sở lắp ráp
xe hiện nay đều chỉ lắp ráp dựa trên các bộ phụ tùng nhập khẩu. Phần công
việc chính được thực hiện trong nước là sản xuất khung vỏ với các công
nghệ hàn, sơn và lắp ráp nội thất nhưng chất lượng còn ở mức độ hạn chế.
Vấn đề nghiên cứu, tối ưu hóa kết cấu của vỏ xe nhằm nâng cao các chỉ
tiêu kinh tế kỹ thuật vận hành của ô tô chưa được quan tâm đầu tư. Để
những chiếc ô tô khách Việt Nam có thể cạnh tranh được với ô tô nhập khẩu,
cần đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản
phẩm có chất lượng cao, trong đó vấn đề quan trọng hàng đầu cần được ưu
tiên đầu tư nghiên cứu là tối ưu 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 Luận án góp phần từng bước tạo ra
một cơ sở lý thuyết vững chắc cho sự phát triển lâu dài của ngành công
nghiệp ô tô tại Việt Nam.
2. Mục đích, đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu

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.
1


Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của Luận án được lựa chọn là ô tô khách cỡ lớn
với mẫu xe tham khảo cụ thể là ô tô khách 51 chỗ của Trường 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 hưởng đến nó trên mô hình vỏ xe “trơn” (bỏ
qua gương chiếu hậu, gạt mưa, các khe gờ trên vỏ, kính, …).
Nội dung nghiên cứu
Luận án gồm các nội dung chính như 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.
Trên cơ sở bám sát mục đích, đối tượng, phạm vi và các nội dung
nghiên cứu trên, NCS đã triển khai thực hiện luận án với các nội dung được
trình bày trong bốn chương và phần kết luận.
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Trong chương này, luận án thực hiện các nội dung:
- Khảo sát, đánh giá chung về lĩnh vực sản xuất ô tô khách, công nghệ
sản xuất vỏ xe khách tại Việt Nam hiện nay, từ đó xác định được vị trí, vai
trò và tầm quan trọng của vấn đề nghiên cứu của luận án trong thực tế tại

Việt Nam.
- Nghiên cứu chung về khí động học và khí động học ô tô cũng như tìm
hiểu về xu hướng nghiên cứu, các công trình nghiên cứu về khí động học ô tô
hiện nay trên thế giới, xác định các khó khăn trong quá trình thực hiện nghiên
cứu, từ đó lựa chọn được phương pháp, đối tượng, phạm vi và nội dung
2


nghiên cứu phù hợp cho luận án, đặc biệt trong điều kiện khó khăn của Việt
Nam hiện nay.
Qua quá trình nghiên cứu, luận án nhận thấy các xu hướng nghiên cứu
gần đây của các tác giả trên thế giới vẫn tập trung vào việc giải quyết những
vấn đề chính của khí động học bằng nghiên cứu lý thuyết hoặc thực nghiệm
như sau:
+ Giảm lực cản khí động nhằm cải thiện tính năng động lực học của ô tô
và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.
+ Giảm tối đa các lực và mô men gây mất ổn định chuyển động nhằm
nâng cao tính an toàn chuyển động, đặc biệt là đối với các loại ô tô có tốc độ
cao hay trong trường hợp gặp gió ngang lớn (bão).
+ Tận dụng dòng chảy không khí để thông gió trong khoang xe, cải
thiện khả năng làm mát động cơ và các cơ cấu phanh của ô tô trong quá trình
chuyển động.
+ Giảm độ ồn khí động do tương tác giữa dòng chảy không khí với vỏ xe.
Trong nghiên cứu lý thuyết, vấn đề lớn nhất vẫn là nâng cao dần mức độ
phức tạp của bài toán nhằm giải được phương trình Navier - Stokes ở cấp độ
cao hơn. Nếu như trước đây, các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp sai
phân hữu hạn để giải phương trình Ơ le với mô hình phẳng [5] thì ngày nay,
vấn đề đang được quan tâm giải quyết là phương trình Reynolds trung bình
hóa cho dòng chảy rối (Reynolds Average Navier Stokes - RANS). Trong đó
mô hình với 2 phương trình bổ sung (phổ biến hơn cả là mô hình k - ) được

sử dụng rộng rãi nhất. Những công bố gần đây nhất (từ 2008 - 2012) cho
thấy phương trình Reynolds cho dòng rối vẫn đang tiếp tục là công cụ chính
của các nhà nghiên cứu khí động học ô tô [5, 24, 27, 31, 40, 62, …].
Các phần mềm chuyên dụng cũng được sử dụng ngày càng nhiều hơn
trong các nghiên cứu lý thuyết. Chẳng hạn, gần đây nhất, R. K. Petkar
(3/2014) cùng các đồng tác giả đã công bố kết quả nghiên cứu lý thuyết,
trong đó sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng bằng ANSYS FLUENT
để đưa ra các giải pháp giảm lực cản không khí đối với ô tô đua [56]. Những
3


công trình khác cũng cho thấy nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng thành công
phần mềm này để mô phỏng và tính toán khí động học vỏ xe ô tô, như Manan
Desai (2008) [46], Chalmers (2012) [31], ….
Các công trình nghiên cứu đã công bố gần đây cũng cho thấy, việc giải
phương trình Navier - Stokes ở mức cao hơn nữa chưa được đặt ra đối với khí
động học ô tô [5] do mức độ phức tạp cao của bài toán đòi hỏi phải có công cụ
hỗ trợ mạnh, thời gian thực hiện mô hình và thời gian tính toán rất lớn cùng với
các chi phí cao hơn nhiều.
Trong nghiên cứu thực nghiệm, vấn đề đang được quan tâm hơn cả là
hoàn thiện điều kiện thử nghiệm sao cho gần với thực tế hơn nhằm nâng cao
độ chính xác và độ tin cậy của các kết quả đo. Mặc dù ống khí động tương
thích với kích thước thực của ô tô được cho là đáng tin cậy và cho kết quả
chính xác hơn, nhưng cho tới nay người ta vẫn phải sử dụng các ống khí động
với các mô hình thu nhỏ vì lý do tài chính [46].
Sau khi đã phân tích, đánh giá, luận án lựa chọn:
+ Phương pháp nghiên cứu: kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm.
Nội dung chính của phần nghiên cứu lý thuyết là xây dựng mô hình
không gian vỏ xe ô tô khách và đưa vào tính toán khảo sát trong phần mềm
Fluent (ANSYS). Cơ sở lý thuyết của mô hình tính toán là phương trình

Reynolds (RANS) với 2 phương trình bổ sung (mô hình STT k - ) với phương
pháp giải là phương pháp thể tích hữu hạn.
Phần nghiên cứu thực nghiệm sử dụng ống khí động để thực hiện một số
thí nghiệm mang tính kiểm chứng. Do điều kiện trong nước không có ống khí
động đủ lớn, Luận án sẽ sử dụng mẫu thu nhỏ của vỏ xe để thí nghiệm. Mục
đích chính của các thí nghiệm là xác định lực cản và hệ số cản không khí tác
động lên vỏ xe để đối chiếu với kết quả tính toán bằng mô hình mô phỏng
trong cùng điều kiện như nhau.
+ Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của Luận án được lựa
chọn là ô tô khách cỡ lớn với mẫu xe tham khảo cụ thể là ô tô khách 51 chỗ
của Trường Hải THACO KB120LSI.
4


+ 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 hưởng đến nó
trên mô hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt mưa, các khe gờ trên
vỏ, kính, …).
+ Nội dung nghiên cứu: bao gồm các nội dung như trên đã trình bày,
được thể hiện trong bốn chương và phần kết luận.
Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG
HỌC VỎ XE KHÁCH.
Mục đích nghiên cứu là tìm hiểu các phương pháp mô phỏng dòng chảy
không khí bao quanh vỏ ô tô, từ đó lựa chọn và xây dựng được mô hình mô
phỏng khí động học vỏ xe khách phù hợp với yêu cầu và mục đích nghiên
cứu của luận án.
2.1. Cơ sở lý thuyết khí động học
Để mô tả đầy đủ dòng chảy của môi chất bất kỳ, người ta thường sử
dụng phương trình Navier-Stokes.
Với dòng khí bao quanh ô tô là dòng chảy dưới âm (M < 0.3), các

nghiên cứu chỉ ra rằng có thể chấp nhận giả thiết chất khí không chịu nén
[44]. Khi đó, bài toán khí động học gồm hai phương trình: phương trình liên
tục và phương trình bảo toàn động lượng:
Phương trình liên tục:

divu  0

(2.1)

Phương trình bảo toàn động lượng:

du
1
 F  gradpu
dt

trong đó:

(2.2)

u là vận tốc;  là khối lượng riêng của không khí; p là áp suất; F

là lực thể tích;  là độ nhớt động học của không khí.
5


Đây là một hệ phương trình khép kín (4 phương trình và 4 ẩn số) gồm
các phương trình đạo hàm riêng nên việc giải quyết bài toán thường rất phức
tạp. Hơn nữa, dòng chảy bao quanh vỏ xe là dòng rối, nên các nhà nghiên cứu
thường sử dụng phương trình Reynolds Navier - Stokes trung bình hóa

(Reynolds Average Navier Stokes, viết tắt là RANS). Bằng cách mô tả các
thông số a bất kỳ của dòng chảy bằng tổng của hai thành phần: thành phần
không biến động

a

(là giá trị trung bình của a) và thành phần biến động a’,

các thông số của dòng chảy được mô tả:

ui  ui  u'i

(2.17)

p  p  p'

(2.18)

Khi đó, phương trình liên tục và phương trình bảo toàn động lượng
được viết như sau:

iui  0
1
1
tui  u j  jui   i p   j  ij  u'i u' j


Trong phương trình trên, u'i u' j đặc trưng cho ứng





(2.19)
suất nhớt của

dòng rối và thường được gọi là ứng suất Reynolds, ký hiệu ten sơ ứng suất

 ijt :
 ijt  u'i u' j

của dòng rối là

(2.20)

Trong các mô hình dòng rối nhớt, ten sơ ứng suất nhớt được mô tả như
sau:

 ijt  t  j ui

(2.21)

Tùy theo cách mô tả t mà người ta đưa ra các mô hình dòng rối khác
nhau. Các mô hình này thường được phân biệt theo số phương trình cần thiết
để mô tả t. Trên cơ sở các yêu cầu của bài toán và khả năng tính toán của
máy tính hiện có, NCS đã lựa chọn loại mô hình “hai phương trình” để mô
phỏng và tính toán khí động học vỏ xe khách.

6

2.2. Mô phỏng khí động học vỏ xe bằng ANSYS - FLUENT
NCS đã sử dụng mô đun FLUENT trong phần mềm chuyên dụng
ANSYS để mô phỏng, tính toán và khảo sát dòng khí bao quanh vỏ xe trong
nghiên cứu của luận án. Mô hình tính toán được lựa chọn là “SST k - ”.
Để giải bài toán, NCS đã xây dựng mô hình 3D, lựa chọn vùng không
gian mô phỏng, chia lưới, đặt các điều kiện biên và ràng buộc tính toán và
cuối cùng là tiến hành chạy chương trình, xuất và xử lý kết quả.
Kết quả tính toán được xuất ra dưới dạng số liệu gồm các lực và mô
men theo 3 phương và các hình ảnh về phân bố áp suất, vận tốc và đường
dòng. Từ giá trị lực cản tính được, người ta xác định hệ số cản Cx theo công
thức:

Cx 

Fx
1 2
V A
2

(2.42)

Trong đó: V là vận tốc dòng chảy (m/s); A là diện tích (m2);  là mật độ
không khí (kg/m3).
Chương 3 NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH
BẰNG PHẦN MỀM ANSYS-FLUENT.
3.1. Phương pháp nghiên cứu
Phần này trình bày việc mô phỏng, tính toán và khảo sát hình dạng khí
động học vỏ xe ô tô chở khách bằng phần mềm ANSYS - FLUENT nhằm
đưa ra các đề xuất cải thiện hợp lý nhất. Tiêu chí cơ bản để đánh giá là hệ số

cản không khí Cx. Các nội dung cơ bản đã thực hiện như sau:
- Lựa chọn một mẫu xe khách lắp ráp trong nước là THACO KB120LSI
(hình 3.2) làm xe cơ sở. Tiến hành mô phỏng khí động học vỏ xe cơ sở này,
phân tích đánh giá chất lượng khí động học của nó.
- Sử dụng mô hình cơ sở dạng hộp chữ nhật (hình 3.1) để khảo sát ảnh
hưởng của các thông số hình học tới các tính chất khí động học của nó nhằm
đưa ra các giải pháp cải thiện.
7


- Trên cơ sở kết cấu của vỏ xe tham khảo và các kết quả khảo sát trên,
lựa chọn các thông số hình học để tạo nên vỏ xe mới với hệ số cản khí động
nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được các yêu cầu cốt yếu đối với vỏ xe khách
(không gian sử dụng, bố trí nội thất và trang thiết bị, tính thẩm mỹ, …).
- Khảo sát đánh giá mô hình vỏ xe mới được lựa chọn trên đây và so
sánh với vỏ xe cơ sở.
Để thực hiện mô phỏng và tính toán bằng ANSYS, NCS đã sử dụng
phần mềm ANSYS (có bản quyền) và hệ thống máy tính mạnh của Trung
tâm Phát triển và Ứng dụng Phần mềm công nghiệp (DASI), Trường ĐHBK
Hà Nội. Đồng thời, NCS cũng nhận được các ý kiến tư vấn về chuyên môn
của các chuyên gia phần mềm giàu kinh nghiệm của DASI.




R1

L1

L2

R1


1900



Chiều tiến của xe
R4
R1 R1

R2

R3
R3

R5 R
5

L3

R3
R3

R5

R5

Hình 3.1 - Các thông số khảo sát của biên dạng vỏ xe

8


Để khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới lực cản khí động,
NCS đã chọn mô hình cơ sở là một hình hộp chữ nhật (hình 3.1). Đồng thời,
chấp nhận bỏ qua các chi tiết nhỏ như gương chiếu hậu của xe, các gân, gờ,
khe hở của vỏ xe, hốc bánh xe và các chi tiết nhỏ khác liên quan đến vỏ xe
như gạt mưa, ăng ten, tay nắm cửa, …
Các thông số khảo sát (xem hình 3.1) bao gồm:
- Góc nghiêng của kính chắn gió phía trước (α);
- Góc nghiêng của kính phía sau (β);
- Góc vát hai thành bên ở phía đuôi ();
- Bán kính góc lượn giữa nóc xe và hai thành bên (R1);
- Bán kính góc lượn giữa kính phía sau và nóc (R2);
- Bán kính góc lượn giữa thành sau (gồm cả kính phía sau) và hai
thành bên (R3);
- Bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc (R4);
- Bán kính góc lượn giữa thành trước (gồm cả kính chắn gió) và hai
thành bên (R5).
3.2. Mô phỏng, khảo sát, đánh giá chất lượng khí động học của vỏ xe

3975

1165

2200

1745

khách cơ sở

2557

6000

300

720

12000

Hình 3.2 - Xe ô tô khách tham khảo (THACO KB120LSI)

9

2500


Thông số kích thước bao của vỏ xe khách được lấy theo mẫu xe
THACO KB120LSI được lắp ráp tại Công ty cổ phần ô tô Trường Hải với
các kích thước như trên hình 3.2.
Các giả thiết của bài toán mô phỏng:
- Mô hình vỏ xe là tuyệt đối cứng, không xảy ra sự biến dạng của vỏ xe
trong suốt quá trình mô phỏng.
- Bỏ qua quá trình trao đổi nhiệt giữa vỏ xe và không khí.
- Bề mặt vỏ xe là bề mặt nhẵn, gầm xe được bọc phẳng (không xét đến
các yếu tố khác như gương chiếu hậu, gạt mưa, các gân, gờ, khe rãnh, hốc
bánh xe, ăng ten, tay nắm cửa, …).
- Vận tốc dòng khí tại đầu vào của không gian mô phỏng có phương

song song với trục dọc của xe, hướng từ đầu xe tới đuôi xe và có giá trị
không đổi trong quá trình mô phỏng (⃗⃗⃗⃗⃗⃗
.
- Vận tốc không khí tại bề mặt vỏ xe và bề mặt giới hạn của vùng
không gian mô phỏng bằng 0 m/s.
- Không xét đến bán kính cong của kính chắn gió phía trước và kính
phía sau xe (coi kính chắn gió phía trước và kính phía sau xe là các mặt
phẳng).
Sau khi xây dựng mô hình theo các giả thiết trên, lựa chọn không gian
mô phỏng, chia lưới, gán đặt các điều kiện biên và thực hiện mô phỏng,
ANSYS-FLUENT sẽ cho các kết quả dưới các dạng hình ảnh (phân bố áp
suất, phân bố vận tốc, đường dòng bao quanh vỏ xe), đồ thị, bảng giá trị số.
Với vỏ xe cơ sở, sau khi mô phỏng luận án thu được các kết quả dưới
dạng hình ảnh và bảng số, có thể ví dụ như một số kết quả sau:
Bảng 3.1-Giá trị hệ số lực cản, lực và mô men theo các phương
Cx

Fx [N]

Fy [N]

Fz [N]

Mx
[N.m]

My
[N.m]

Mz [N.m]

0,4800

-2548,06

-830,18

35,30

-5,54

-150,08

-6606,25

10


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

Hình 3.12 - Đường dòng tại mặt
phẳng trung tuyến dọc của vỏ xe

3.3. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới khí động học
vỏ xe
Để xác định các quy luật ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới lực cản
khí động, luận án tiến hành khảo sát lần lượt từng thông số trên mô hình vỏ
xe dạng hộp chữ nhật. Trên cơ sở các kết quả khảo sát, luận án sẽ đề xuất lựa
chọn một bộ thông số để tạo thành một vỏ xe mới có dạng khí động học tốt
hơn so với vỏ xe cơ sở (Cx = 0,48).
Các kết quả cho thấy, đối với dạng vỏ xe khảo sát, các thông số góc
nghiêng của kính chắn gió phía trước , bán kính góc lượn R4, R5 là các
thông số ảnh hưởng nhiều nhất tới hệ số cản Cx (hình 3.15, 3.40, 3.47), các
thông số còn lại ảnh hưởng không đáng kể tới hệ số Cx này (ví dụ như hình
11


3.20). So sánh các hình ảnh về sự thay đổi phân bố áp suất xung quanh vỏ xe
và giá trị áp suất là một trong những bằng chứng giúp giải thích được sự thay
đổi các giá trị lực cản Fx, dẫn đến có sự thay đổi Cx như vậy (Ví dụ như các
hình 3.16, 3.17, các hình 3.45, 3.46 và các hình 3.51, 3.52 giải thích cho sự
thay đổi của Cx ở các hình 3.15, 3.40 và 3.47 tương ứng).
1.2
1
0.8

Cx 0.6
0.4
0.2
0
0

5

10 15 20 25 30 35 40 45
Góc nghiêng của kính phía sau xe (độ)

50

Hình 3.20 - Ảnh hưởng của góc nghiêng kính phía sau xe
đến hệ số cản Cx
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
Cx 0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Góc nghiêng của kính chắn gió phía trước (độ)
Hình 3.15 - Ảnh hưởng của góc nghiêng kính chắn gió
phía trước đến hệ số cản Cx

12


1
0.9
0.8
0.7

Cx 0.6
0.5
0.4
0.3

0.2

0.1
0
0

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Bán kính góc lượn giữa kính chắn gió phía trước và nóc xe (mm)
Hình 3.40 - Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa
kính chắn gió và nóc xe tới hệ số cản Cx
1
0.9
0.8
0.7

Cx 0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000110012001300

Bán kính góc lượn giữa thành trước và hai thành bên (mm)
Hình 3.47 - Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa thành trước và hai
thành bên tới hệ số cản Cx
13

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 3.45 - Phân bố áp suất
khi không có góc lượn giữa
kính chắn gió và nóc xe

Hình 3.46 - Phân bố áp suất
khi góc lượn giữa kính chắn gió
và nóc xe bằng 2000 mm

Hình 3.51 - Phân bố áp suất
khi không có góc lượn giữa
thành trước và hai thành bên

Hình 3.52 - Phân bố áp suất
khi góc lượn giữa thành trước
và hai thành bên bằng 1250 mm

Trên cơ sở các kết quả khảo sát và số liệu thống kê, tham khảo các
thông số của một số dạng vỏ xe thực tế, luận án đã lựa chọn được một bộ
thông số của dạng vỏ xe cải thiện. Sau khi mô phỏng khí động của vỏ xe cải
thiện này, hệ số Cx thu được là 0,3671. Kết quả so sánh thông số giữa vỏ xe
cơ sở và vỏ xe cải thiện được thể hiện ở bảng 3.12.
14

Bảng 3.12 - Các thông số của mô hình xe khách tham khảo và mô hình cải
thiện của luận án
Thông
số

Vỏ xe tham khảo

Vỏ xe cải thiện của luận án

Α

12o

12o

Β

7o

10o



0o

5o (khoảng cách vát là 1,9 m)

R1

180 mm

250 mm

R2

180 mm

150 mm

R3

180 mm

150 mm

R4

400 mm

600 mm

R5

180 mm

250 mm

Cx

0,4800

0,3671

Có thể nhận thấy vỏ xe cải thiện có hệ số Cx giảm khá nhiều so với vỏ
xe cơ sở (khoảng 23,52%).
Để đánh giá tính ổn định và độ tin cậy của các kết quả tính toán mô
phỏng khí động học vỏ xe ô tô khách bằng phần mềm ANSYS - Fluent, NCS
tiến hành mô phỏng mô hình vỏ xe cải thiện ở các vận tốc dòng khí khác
nhau (từ 10 m/s (tương đương với 36 km/h) đến 35 m/s (tương đương với 126
km/h) với bước nhảy vận tốc là 5 m/s. Các kết quả tính toán được thể hiện
dưới dạng số trong bảng 3.11 và bằng đồ thị trên hình 3.59.
Bảng 3.11-Lực cản Fx và hệ số Cx của mô hình vỏ xe cải thiện
Vkk
(m/s)
Fx (N)
Cx

10

15

20

25

30

35

-217,45

-486,71

-868,74

-1348,69

-1948,78

- 2648,88

0,3686

0,3667

0,3682

0,3658

0,3671

0,3666

Để xác định quy luật phụ thuộc của lực cản không khí theo vận tốc thu
được từ kết quả tính toán mô phỏng, NCS đã tiến hành vẽ đồ thị theo quy luật
lý thuyết đã biết:
15

Trong đó: Cx = 0,367 (giá trị trung bình tính từ kết quả mô phỏng); Diện
tích cản chính diện: A = 9,635 m2 (lấy từ kết quả mô phỏng); Mật độ không
khí:  = 1,225 kg/m3.

Fx

3000

2500
2000
1500

Mô phỏng
Công thức

1000
500

0
0

10

20

30

40

V (m/s)

Hình 3.59 - Đồ thị Fx theo vận tốc chuyển động của dòng khí
Kết quả tính toán theo công thức lý thuyết trên đây được thể hiện dưới
dạng đồ thị (đường đỏ với các điểm vuông mầu vàng) trên hình 3.59 cùng với
kết quả tính toán mô phỏng bằng Fluent (các điểm hình thoi xanh thẫm) được
vẽ từ bảng 3.11. Sự so sánh trên đây cho thấy độ tin cậy của các kết quả tính
toán bằng mô phỏng trong phần mềm ANSYS - Fluent.

Chương 4 NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH
TRONG ỐNG KHÍ ĐỘNG
4.1. Mục đích và phương pháp nghiên cứu
4.1.1. Mục đích
Mục đích của việc nghiên cứu khí động học vỏ xe khách trong ống khí
động là đo các lực tác động lên mẫu vỏ xe khách trong ống khí động để từ đó
tính hệ số cản Cx và so sánh với kết quả tính toán bằng mô hình mô phỏng.
16


4.1.2. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu được thực hiện với ống khí động OT1 của Phòng thí
nghiệm khí động học của Viện kỹ thuật Phòng Không - Không Quân. Ống
khí động có kích thước buồng thử (mm): 3800 x 2000 x 1400, vận tốc thử tối
đa: 40 m/s.
Kích thước của mẫu thử được lựa chọn theo các thông số của ống thử
căn cứ vào lý thuyết tương tự. Luận án đã lựa chọn mẫu thử với tỷ lệ thu nhỏ
1:40.
Luận án đã thực hiện các bước nghiên cứu như sau:
 Đo các lực tác động lên mô hình mẫu của vỏ xe tỷ lệ 1:40 trong ống
khí động, trên cơ sở đó xác định lực cản khí động Fx, từ đó xác định hệ số lực
cản không khí Cx.

 Mô phỏng mô hình vỏ xe ô tô khách trong ống khí động bằng Fluent
với điều kiện hoàn toàn giống như điều kiện thí nghiệm, tính toán xác định các
lực cản tác động lên mô hình vỏ xe Fx và hệ số Cx.
 So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả tính toán lý thuyết và đánh
giá độ tin cậy của phương pháp luận và độ chính xác của mô hình tính toán.
4.2. Thực hiện thí nghiệm
4.2.1. Trang thiết bị và bố trí trang thiết bị thí nghiệm
Sơ đồ ống khí động được mô tả trên hình 4.1. Ống khí động gồm đường
ống dẫn khí, động cơ dẫn động quạt gió và khoang thử (còn gọi là buồng thử)
dành cho việc bố trí mẫu xe thí nghiệm cùng với các thiết bị đo lường.
Để tạo hiệu ứng mặt đường cho thí nghiệm, NCS đã tiến hành lắp một
tấm sàn bằng gỗ phẳng dày 10mm phía dưới gầm mô hình. Kích thước của
tấm sàn được lựa chọn sao cho không gây nhiễu động cho dòng chảy không
khí ở phía trước xe, tương tự như khi lựa chọn không gian mô phỏng đã trình
bày trong chương 2 (mục 2.3.3).

17


2

1
2

1
1

Hình 4.1 Sơ đồ ống khí động và kết nối thiết bị thí nghiệm
1 - Động cơ; 2 - Ống khí động; 3 - Các cảm biến đo vận tốc dòng khí; 4 - Mẫu
thí nghiệm; 5 - Cân khí động; 6 - Bộ chuyển đổi tín hiệu vận tốc dòng khí; 7 Thiết bị hiển thị vận tốc dòng khí; 8 - Bộ chuyển đổi các tín hiệu thu được từ

cân khí động; 9 - Bộ xử lý các tín hiệu nhận được từ cân khí động; 10 - Máy
tính hiển thị và xử lý kết quả; 11 - Lưới hướng dòng; 12 - Lưới ổn định dòng.
Việc gá đặt mẫu thử lên giá được thể hiện trên hình 4.11.

Hình 4.11. Gá đặt mẫu thí nghiệm trên thiết bị đo trong khoang thử
18


4.2.2. Thực hiện thí nghiệm
Để loại trừ ảnh hưởng của hệ thống gá đặt mẫu thử NCS đã tiến hành thí
nghiệm cho hai trường hợp:
- Thí nghiệm 1: tiến hành đo khi không có mẫu thử để đo các lực tác
dụng lên giá đỡ và tấm sàn.
- Thí nghiệm 2: tiến hành đo với mẫu thử lắp trên giá đỡ để xác định
lực tác dụng lên toàn bộ hệ thống.
- Lấy hiệu kết quả đo được ở thí nghiệm 2 trừ đi kết quả đo ở thí
nghiệm 1 ta xác định được lực cản khí động của mô hình thí nghiệm.
Thí nghiệm tiến hành với 4 chế độ vận tốc như sau: 20m/s, 25m/s,
30m/s và 35m/s.
Các kết quả thí nghiệm được thể hiện ở bảng 4.2.
Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm
Vận tốc (m/s)
Lực cản Fx (N)
Hệ số cản Cx

20

25

29

34

6.95

10.89

13.745

18.002

0.4025

0.4148

0.366

0.379

Để đánh giá kết quả thí nghiệm, NCS đã lấy giá trị trung bình của hệ số
Cx đo được để tính toán lực cản Fx theo công thức:
(4.4)
Trong đó: Cx = 0,39 (giá trị trung bình đo được); Diện tích cản chính
diện: A = 0,035 m2 (xác định theo mẫu thí nghiệm); Mật độ không khí: 

=

3

1,225 kg/m ;

Với vận tốc dòng khí biến thiên từ 0 - 35 m/s, kết quả tính toán thu được
thể hiện trên hình 4.14 là đường parabol.

19


25
Fx (N)

20
15
Theo (4.4)
Thí nghiệm

10
5
0
0

5

10

15

20

25

30

35

40 V (m/s)

Hình 4.14 Quy luật biến thiên lực cản theo vận tốc
Trên đồ thị còn thể hiện các giá trị lực cản Fx đo được từ kết quả thí
nghiệm (theo bảng 4.2). Đồ thị này cho thấy, các kết quả thí nghiệm tuân
theo đúng quy luật đã biết: lực cản khí động tỷ lệ thuận với bình phương của
vận tốc. So sánh trên đây có thể được coi như một minh chứng về độ tin cậy
và độ chính xác của các kết quả đo được.
4.3. Mô phỏng thí nghiệm trong ống khí động
Luận án thực hiện mô phỏng thí nghiệm trong ống khí động bằng
ANSYS - FLUENT theo quy trình và phương pháp hoàn toàn giống như đã
trình bày trong chương 3.
Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm và kết quả tính toán mô phỏng
mô hình tỷ lệ 1:40 trong ống khí động.
Vận tốc
(m/s)

Lực cản Fx (N)
Thực
Tính toán
nghiệm

Hệ số cản Cx
Thực
Tính toán
nghiệm

20

6,2024

6,95

0,367

0,4025

25

9,6503

10,89

0,366

0,4148

29

12,9533

13,745

0,3577

0,366

34

17,7933

18,002

0,3695

0,379

0,36505

0,390575

Giá trị trung bình
20

Sai lệch
hệ số Cx
(%)

6,53


Để có thể so sánh kết quả thí nghiệm với kết quả mô phỏng thí nghiệm
trên máy tính, các điều kiện tính toán mô phỏng được lựa chọn giống hoàn
toàn với điều kiện thực nghiệm.
Trong bảng 4.5 thể hiện các kết quả tính toán mô phỏng mẫu vỏ xe
trong ống khí động cùng với các kết quả thí nghiệm.
Các kết quả trên được thể hiện trực quan bằng đồ thị trên các hình 4.21

và 4.22.

Fx (N)

20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0

Mô phỏng
Thí nghiệm

15

20

25

30

35

V (m/s)

Hình 4.21. So sánh lực cản theo kết quả tính toán
mô phỏng và thực nghiệm

Cx

0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0

Mô phỏng
Thí nghiệm

15

20

25

30

35

V (m/s)

Hình 4.22. So sánh Cx theo kết quả tính toán mô phỏng và thực nghiệm
21


Với những kết quả nêu trên, việc sử dụng phần mềm ANSYS - Fluent
với mô hình “SST k - ” để mô phỏng dòng khí chuyển động bao quanh vỏ
xe khách là hoàn toàn khả thi với các kết quả thu được đảm bảo độ chính xác
và tin cậy.

KẾT LUẬN
1. Luận án đã sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS - Fluent để
nghiên cứu khí động học vỏ xe ô tô khách cỡ lớn sản xuất tại Việt Nam. Bài
toán được xây dựng dựa trên phương trình Navier - Stokes đơn giản hóa dạng
RANS với giả thiết chất khí không chịu nén kết hợp với các mô hình dòng rối
nhớt.
Trên cơ sở mô hình tính toán được lựa chọn là “SST k - ”, NCS đã xây
dựng được mô hình mô phỏng vỏ xe ô tô khách trong Fluent để tính toán các
thông số của dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe.
Kết quả mô phỏng, tính toán khí động học mô hình vỏ xe cơ sở THACO
KB120LSI đã cho hệ số Cx = 0,48, nghĩa là vỏ xe này có hình dạng khí động
học khá tốt. Tuy nhiên, các hình ảnh về phân bố áp suất, vận tốc và đường
dòng bao quanh vỏ xe cho thấy còn khá nhiều khiếm khuyết trên vỏ xe cần
được cải thiện để giảm lực cản khí động.
2. NCS đã sử dụng mô hình đơn giản dạng hộp chữ nhật để nghiên
cứu, tính toán, khảo sát và đã xác định được quy luật ảnh hưởng của một số
thông số kết cấu (góc nghiêng của các mặt trước và sau, bán kính góc lượn
giữa các mặt tạo thành vỏ xe) tới lực cản khí động.
Kết quả khảo sát cho thấy, đối với dạng vỏ xe khách cỡ lớn, bán kính

góc lượn giữa mặt trước và nóc xe (R4) và bán kính góc lượn giữa mặt trước
và hai mặt bên (R5) có ảnh hưởng lớn nhất đến lực cản khí động. Tuy nhiên,
các thông số này cũng có ảnh hưởng lớn đến không gian trong xe và đặc biệt
22


là tính thẩm mỹ, nên việc lựa chọn chúng cần được cân nhắc một cách kỹ
lưỡng.
3. Trên cơ sở các kết quả khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu
tới lực cản khí động và qua phân tích kết cấu của một số loại vỏ xe đang được
sản xuất, NCS đã đề xuất lựa chọn một bộ thông số kết cấu mới nhằm cải
thiện dạng khí động học để đạt được hệ số cản Cx nhỏ nhất trong khi vẫn thỏa
mãn các yêu cầu về công năng sử dụng và tính thẩm mỹ của vỏ xe.
Kết quả tính toán mô phỏng cho thấy chất lượng khí động học của vỏ xe
mới được cải thiện đáng kể. Hệ số cản Cx của vỏ xe mới là 0,3671, đồng thời
các hình ảnh về dòng khí bao quanh vỏ xe cũng cho thấy, dòng chảy bám sát
hơn vào vỏ và kích thước của các vùng xoáy đã giảm đi nhiều.
4. Để kiểm chứng độ tin cậy và độ chính xác của mô hình tính toán lý
thuyết bằng phần mềm ANSYS - Fluent, NCS đã thực hiện nghiên cứu khí
động học mô hình vỏ xe thu nhỏ tỷ lệ 1:40 trong ống khí động. Các thí
nghiệm được tiến hành với các vận tốc 20, 25, 29 và 34 m/s, kết quả thu được
giá trị trung bình của hệ số cản là Cx = 0,39.
Đồng thời, NCS đã thực hiện mô phỏng mô hình vỏ xe trong ống khí
động bằng Fluent với các thông số và điều kiện giống hệt như khi thí nghiệm.
Kết quả tính toán mô phỏng ở các giá trị vận tốc như trên cho giá trị trung
bình của hệ số Cx là 0,365. Như vậy, độ chênh lệch giữa kết quả tính toán mô
phỏng và kết quả đo đạc bằng thí nghiệm trong cùng điều kiện như nhau là
6,5%. Mức sai số khá lớn nhưng có thể chấp nhận được nếu xét đến các giả
thiết đã đưa ra khi xây dựng mô hình. Hơn nữa, các thiết bị thí nghiệm cũng
có những sai số nhất định.

5. Các kết quả nghiên cứu của luận án đã hình thành một phương pháp
đánh giá khí động học vỏ xe khách, hoàn toàn khả thi trong điều kiện Việt
Nam. Nếu được tiếp tục hoàn thiện, đây có thể là một công cụ hiệu quả giúp
cho các nhà thiết kế cải thiện và hướng tới tối ưu hóa dạng khí động học vỏ
xe nhằm giảm thiểu lực cản không khí trong quá trình chuyển động. Điều này

23