Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TÔ HOÀNG TÙNG

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ðỘNG LỰC

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TÔ HOÀNG TÙNG

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

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ðỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS NGUYỄN TRỌNG HOAN
2. PGS.TS HỒ HỮU HẢI

Hà Nội - 2016

LỜI CAM ðOAN
Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, ñược sự hướng dẫn
khoa học của PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan và PGS.TS Hồ Hữu Hải. Các kết quả nghiên
cứu ñược trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng ñể bảo vệ ở bất kỳ
học vị nào.
Tôi xin cam ñoan rằng mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận án ñã ñược cám
ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

Giáo viên hướng dẫn

Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận án

PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan

PGS.TS Hồ Hữu Hải

Tô Hoàng Tùng


LỜI CẢM ƠN

Lời ñầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới người hướng dẫn
chính: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan - thầy ñã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, ñịnh hướng và
giúp ñỡ 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 người hướng dẫn, thầy ñã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi
ñiều 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), Trường ðại 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 ñược gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể cán bộ, nhân viên Phòng thí nghiệm
khí ñộng học của Viện Kỹ thuật quân sự Phòng không - Không quân.
Xin gửi lời cảm ơn trân trọng ñến các thầy của Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng,
Viện Cơ khí ñộng lực, Trường ðại 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 ñến cơ quan tôi ñang công tác: Phòng Chất lượng xe
cơ giới, Cục ðăng kiểm Việt Nam ñã tạo ñiều kiện, ủng hộ, giúp ñỡ 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 ñồng nghiệp vì sự giúp ñỡ thiết
thực cho luận án này.
Xin ñược gửi lời cảm ơn ñặc biệt nhất tới gia ñình tôi, những người ñã luôn bên cạnh
tôi, ñộng viên, chia sẻ những khó khăn và là ñộng lực ñể 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, ðỒ THỊ

iv

MỞ ðẦU

1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ 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 ðịnh hướng phát triển

4

1.1.3 Thực trạng và nhu cầu nâng cao chất lượng

4

1.2 Khí ñộng học ô tô

5

1.2.1 Khí ñộng lực học và các thông số ñặc trưng

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 tương tự trong khí ñộng học ô tô

18

1.3 Tình hình nghiên cứu khí ñộng học ô tô

19

1.3.1 Nghiên cứu lý thuyết

19

1.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm

21

1.3.3 Các hướng nghiên cứu chính gần ñây

25

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

28

1.5 Nội dung của luận án

30

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu

30

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu

30

1.5.3 ðối tượng nghiên cứu

31

1.5.4 Phạm vi nghiên cứu

31

1.4.5 Nội dung nghiên cứu

31

Kết luận chương 1
Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE
KHÁCH

32
33

2.1 Cơ sở lý thuyết khí ñộng học

33

2.1.1 Các phương 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 ước

33

2.1.2.2 Các phương trình mô phỏng

35

2.1.2.3 Các thông số ñặc trưng

36

2.1.2.4 Mô phỏng dòng chảy rối

38

2.1.2.5 Phương pháp số ñể giải bài toán khí ñộng học

44

2.2 Mô phỏng khí ñộng 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 - Phương pháp mô phỏng trong FLUENT

46

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

46

2.3 Mô hình khí ñộng học vỏ xe khách trong FLUENT

47

2.3.1 Hệ phương trình mô tả dòng chảy

47

2.3.2 Mô hình 3D vỏ xe khách

48

2.3.3 Xác ñịnh vùng không gian mô phỏng

49

2.3.4 Chia lưới

51

2.3.5 Các ràng buộc và ñiều kiện tính toán

55

2.3.6 Phương pháp tính toán lực khí ñộng

55

Kết luận chương 2
Chương 3 NGHIÊN CỨU KHÍ ðỘNG HỌC VỎ Ô TÔ KHÁCH BẰNG PHẦN
MỀM ANSYS - FLUENT

57
58

3.1 Phương pháp nghiên cứu

58

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

60

3.2.1 Lựa chọn các thông số của vỏ xe khách

60

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

60

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

61

3.4 Chia lưới và ñặt các ñiều kiện ràng buộc của bài toán mô phỏng

62

3.5 ðặt các ñiều kiện tính toán

63

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

64

3.7 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới khí ñộng học vỏ xe

71

3.7.1 Góc nghiêng kính chắn gió phía trước của xe

71


3.7.2 Góc nghiêng kính hậu

75

3.7.3 Góc vát hai thành bên ở phía ñuôi xe

78

3.7.4 Lựa chọn sơ bộ các góc vát

81

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

81

3.7.6 Bán kính góc lượn giữa kính hậu và nóc xe

84

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

85

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

88

3.7.9 Bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên của xe

92

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

97

3.7.11 ðánh giá kết quả tính toán mô phỏng

102

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

103

Kết luận chương 3
Chương 4 NGHIÊN CỨU KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH TRONG ỐNG
KHÍ ðỘNG
4.1 Mục ñích và phương pháp nghiên cứu

108
109
109

4.1.1 Mục ñích

109

4.1.2 Vấn ñề nghiên cứu

109

4.1.3 Phương pháp nghiên cứu

112

4.2 Thí nghiệm trong ống khí ñộng

113

4.2.1 Trang thiết bị thí nghiệm

113

4.2.2 Thí nghiệm trong ống khí ñộng

121

4.3 Mô phỏng thí nghiệm trong ống khí ñộng

126

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

chia lưới

126

4.3.2 ðặt ñiều kiện, mô phỏng và phân tích kết quả

127

Kết luận chương 4

133

KẾT LUẬN

134

TÀI LIỆU THAM KHẢO

136

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


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Tên gọi

ðơn vị

Fx

Lực khí ñộng theo phương dọc

N

Cx

Hệ số cản khí ñộng theo phương dọc

-

A

Diện tích cản chính diện

ρ

Khối lượng riêng của không khí

m2
kg/m3

U∞

Vận tốc dòng khí ở vô cùng

m/s

Re

Số Reynolds

-

M

Số Mach

-

µ

Hệ số ñộ nhớt ñộng lực

a

Vận tốc truyền âm trong không khí

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 ñặc trưng

m

ν

ðộ nhớt ñộng học của không khí

τ ijt

Ten-sơ ứng suất của dòng rối

k

ðộng năng của dòng rối

ε

Hệ số tán xạ năng lượng của dòng rối

-

ω

Hệ số tán xạ năng lượng 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 ñể lắp
ráp ô tô)

RANS Reynolds Average Navier Stokes

Phương 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

Phương pháp phần tử hữu hạn

CFD

Computational Fluid Dynamic

Phần mềm tính toán ñộng 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 phương

Bảng 3.2.

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

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 ñuôi xe

Bảng 3.5.

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

Bảng 3.6.

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

Bảng 3.7.

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

Bảng 3.8.

Sự phụ thuộc của Cx vào bán kính góc lượn giữa kính chắn gió phía trước và

nóc xe

Bảng 3.9.

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

Bảng 3.10. Sự phụ thuộc của hệ số Cx vào bán kính góc lượn giữa nóc xe và kính chắn
gió phía trước
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 phương 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 ñộng ở vận tốc 29 m/s.

Bảng 4.4.

Kết quả tính toán lực cản khí ñộng 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 ñộng

iii


DANH MỤC HÌNH ẢNH, ðỒ THỊ
Hình 1.1.

Các lực tác dụng lên vật nằm trong dòng chảy

Hình 1.2.

Sự hình thành vùng xoáy áp thấp phía sau vật cản

Hình 1.3.

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

Hình 1.4.

Quá trình cải thiện hình dạng khí ñộng 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 hưởng của cấu trúc ñuôi xe tới hệ số cản khí ñộng

Hình 1.11.

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

Hình 1.12.

Ảnh hưởng của cấu trúc phần ñầu xe tới hệ số cản không khí

Hình 1.13.

Ảnh hưởng hình dáng ñầu xe tới lực cản khí ñộng

Hình 1.14.

Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa mặt ñầu và mặt bên của vỏ ô tô khách
tới lực cản khí ñộng

Hình 1.15.

Ảnh hưởng của chiều cao sàn xe tới các lực khí ñộng

Hình 1.16.

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

Hình 1.17.

Sơ ñồ nguyên lý làm việc của ống khí ñộng

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 thước của không gian mô phỏng lần ñầu

Hình 2.4.

Ví dụ về một số dạng dòng chảy ngược

Hình 2.5.

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

Hình 2.6.

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

Hình 2.7.

So sánh về số lượng phần tử và chất lượng lưới của lưới tứ diện và lưới lục diện

Hình 2.8.

Hình ảnh chia lưới 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 thước của vùng không gian mô phỏng

iv


Hình 3.4.

Mô hình vỏ xe khách sau khi ñã ñược chia lưới với dạng lưới Hexa

Hình 3.5.

Mô hình 3D vỏ xe khách tham khảo THACO KB120LSI

Hình 3.6.

Chia lưới 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 ñối xứng dọc của xe

Hình 3.9.

Phân bố áp suất trong mặt cắt ngang ñi qua ñiểm giữa của vỏ xe

Hình 3.10.

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

Hình 3.11.

Phân bố vận tốc tại mặt cắt ngang ñi qua ñiểm giữa của vỏ xe

Hình 3.12.

ðường dòng tại mặt phẳng trung tuyến dọc của vỏ xe

Hình 3.13.

ðường dòng tại mặt cắt ngang ñi qua ñiểm 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 hưởng của góc nghiêng kính chắn gió phía trước ñến 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.

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

Hình 3.19.

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

Hình 3.20.

Ảnh hưởng của góc nghiêng kính phía sau xe ñến 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.

ðường dòng khi góc nghiêng kính hậu bằng 10o

Hình 3.24.

ðường dòng khi góc nghiêng kính hậu bằng 45o

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

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

Hình 3.27.
Hình 3.28.

Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa nóc và hai thành bên của xe tới hệ số
cản Cx
ðường dòng khi không có góc lượn giữa nóc và hai thành bên

Hình 3.29.

ðường dòng khi bán kính góc lượn giữa nóc và hai thành bên là 1250 mm

Hình 3.30.

ðường dòng khi không có góc lượn giữa nóc và hai thành bên

Hình 3.31.

ðường dòng khi bán kính góc lượn giữa nóc và hai thành bên là 1250 mm

Hình 3.32.

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

v


Hình 3.33.

Hình 3.34.

Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa thành sau và hai thành bên của xe tới hệ
số cản Cx
ðường dòng khi bán kính góc lượn giữa thành sau và hai thành bên là 200 mm

Hình 3.35.

ðường dòng khi bán kính góc lượn giữa thành sau và hai thành bên là 1000 mm

Hình 3.36.

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

Hình 3.37.

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

Hình 3.38.

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

Hình 3.39.

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

Hình 3.40.

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

Hình 3.41.

ðường dòng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 0 mm

Hình 3.42.

ðường dòng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 200 mm

Hình 3.43.

ðường dòng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 400 mm

Hình 3.44.

ðường dòng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 2000 mm

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 3.47.
Hình 3.48.

Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa thành trước và hai thành bên tới hệ số
cản Cx
ðường dòng khi bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên là 0 mm

Hình 3.49.

ðường dòng khi bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên là 250 mm

Hình 3.50.

ðường dòng khi bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên là 1250 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

Hình 3.53.

Vùng lựa chọn các bán kính góc lượn

Hình 3.54.

Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe

Hình 3.55.

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

Hình 3.56.

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

Hình 3.57.

ðường dòng trong mặt phẳng trung tuyến dọc của xe

Hình 3.58.

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

Hình 3.59.

ðồ thị Fx theo vận tốc chuyển ñộng của dòng khí

Hình 3.60.

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

Hình 3.61.

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

Hình 3.62.

ðường dòng bao quanh các vỏ xe

vi

Hình 4.1.

Sơ ñồ ống khí ñộng và kết nối thiết bị thí nghiệm

Hình 4.2.

ðường ống dẫn hướng dòng khí

Hình 4.3.

ðộng cơ và thiết bị ñiều khiển ñộng cơ

Hình 4.4.

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

Hình 4.5.

Các kích thước cơ bản của buồng thử

Hình 4.6.

Thiết bị và các cảm biến ño vận tốc dòng khí

Hình 4.7.

Cân khí ñộng 6 thành phần

Hình 4.8.

Thiết bị chuyển ñổi 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 ñặt

Hình 4.11.

Gá ñặt mẫu thí nghiệm trên thiết bị ño 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 ñặt

Hình 4.16.

Chia lưới vùng không gian mô phỏng

Hình 4.17.

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

Hình 4.20.

ðường dòng trong mặt phẳng ñối 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 ðẦU
Trong những năm cuối của thế kỷ XX, ñầu 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 ñó có nhu cầu
vận chuyển hành khách bằng ñường bộ. Bên cạnh ñó, cơ sở hạ tầng, ñường sá giao thông
cũng ñã có những bước chuyển mình, phát triển rất tích cực. Một số tuyến ñường cao tốc
ñã ñược xây dựng nhằm nâng cao tốc ñộ di chuyển của các phương tiện tham gia giao
thông nói chung và phương tiện vận tải hành khách nói riêng.
ðể ñáp ứng ñược nhu cầu thực tế, trong tháng 7/2014 Chính phủ ñã ban hành 2 văn
bản quan trọng là “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam ñến năm 2020,
tầm nhìn ñến năm 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam ñến
năm 2025, tầm nhìn ñến năm 2035”, trong ñó lĩnh vực sản xuất ô tô khách nhận ñược sự
quan tâm ñặc biệt.
Hiện nay, có một số doanh nghiệp ñầu tư 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 ðà
Nẵng, Trường Hải và SAMCO. Ngoài ra còn có các liên doanh như Daewoo, Hino và
Mercedes-Benz cũng sản xuất một số loại ô tô chở khách cỡ lớn.
Mặc dù ñã có sự ñầu tư về công nghệ và ñạt ñược một số thành tựu trong sản xuất,
nhưng nhìn vào thực trạng thì có thể thấy các cơ sở lắp ráp xe hiện nay ñều chỉ là lắp ráp
dựa trên các bộ phụ tùng nhập khẩu. Phần công việc chính ñược thực hiện trong nước
là sản xuất khung vỏ với các công nghệ hàn, sơn và lắp ráp nội thất, tuy nhiên chất
lượng còn ở mức ñộ hạn chế. Vấn ñề 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 nhận ñược sự quan tâm
ñầu tư của các nhà sản xuất.
Trước tình hình trên, ñể những chiếc ô tô khách Việt Nam có thể cạnh tranh ñược với
ô tô nhập khẩu thì cần phải có ñầu tư chiều sâu, ñặc biệt là ñầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu
phát triển sản phẩm có chất lượng cao. Một trong những vấn ñề quan trọng hàng ñầu cần
ñược ưu tiên ñầu tư nghiên cứu là tối ưu hóa dạng khí ñộng học vỏ xe nhằm giảm mức tiêu
thụ nhiên liệu và nâng cao tính an toàn chuyển ñộng.
Từ thực tế trên, nghiên cứu sinh ñã thực hiện luận án Tiến sĩ với ñề tài: “Nghiên cứu

cải thiện dạng khí ñộng học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam”. Luận án là một công trình
nghiên cứu sâu ñầu tiên về khí ñộng học ô tô ở Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu của

1


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.
Mục ñích của luận án:
Xây dựng mô hình khảo sát, ñánh giá dạng khí ñộng học vỏ xe ô tô khách và ñề xuất các
giải pháp cải thiện dạng khí ñộng học nhằm giảm thiểu lực cản khí ñộng tác dụng lên ô tô.
ðối tượng nghiên cứu:
ðối tượng nghiên cứu của Luận án ñược 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 ñộng với tiêu chí ñánh giá là hệ số cản
Cx và các yếu tố ảnh hưởng ñến 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 ñề nghiên cứu
2. Xây dựng mô hình mô phỏng khí ñộng học vỏ xe khách
3. Nghiên cứu khí ñộng học vỏ ô tô khách bằng phần mềm ANSYS - FLUENT
4. Nghiên cứu khí ñộng học vỏ xe khách trong ống khí ñộng
5. Kết luận.

2


Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ 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 ñây, cùng với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, nhu
cầu về vận tải hành khách ñã tăng mạnh. Những nguyên nhân chính dẫn ñến nhu cầu bức
thiết này là: tốc ñộ ñô thị hóa cao ñòi hỏi hệ thống giao thông công cộng tại các thành phố
lớn phải nhanh chóng ñáp ứng; sự phát triển kinh tế làm tăng nhu cầu ñi lại của người dân;
hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông ngày càng ñược mở rộng và nâng cao về chất lượng.
Mạng lưới giao thông ñường bộ Việt Nam ñã phát triển khá nhanh trong những
năm qua với tổng chiều dài khoảng 211.496 km, trong ñó ñường quốc lộ có 16.514 km,
chiếm 7,8%; ñường tỉnh lộ có 37.671 km, chiếm 17,81%; ñường giao thông nông thôn
157.311 km, chiếm 74,39%. Mật ñộ ñường tính trên diện tích lãnh thổ là 0,639 km/km2,
trên số dân là 2,356 km/1000 người (theo thông tin trên website của Tổng cục Thống kê
). ðặc biệt, trong những năm gần ñây, nhiều tuyến ñường cao tốc ñã
ñược ñưa vào sử dụng với vận tốc tối ña cho phép từ 100 km/h ñến 120 km/h.
Các thống kê cũng cho thấy, khối lượng vận chuyển hàng hóa và hành khách trên
ñường bộ tăng khá nhanh. Tốc ñộ tăng trưởng bình quân về hàng hóa là 12,315%/năm, về
hành khách là 10,29%/năm. Tốc ñộ tăng trưởng của xe cơ giới là 24,26%/năm (theo thông
tin trên website của Tổng cục Thống kê ). So với các nước trong khu
vực, cường ñộ vận tải hàng hóa trên ñường bộ Việt Nam ñạt mức trung bình, nhưng vận tải
hành khách ñạt mức cao.
Tất cả những yếu tố trên ñã tạo tiền ñề cho sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực vận
tải hành khách. Theo thống kê của Cục ðăng kiểm Việt Nam, tính từ năm 2000 ñến hết
tháng 4 năm 2015, trong cả nước có 105.667 ô tô chở khách ñược sản xuất, lắp ráp và nhập
khẩu phục vụ cho nhu cầu ñi lại của người dân, trong ñó ô tô sản xuất, lắp ráp trong nước
chiếm tỷ trọng lớn về số lượng (90.952 chiếc, chiếm 86%). Tuy nhiên, mức ñộ ñáp ứng
của các cơ sở sản xuất trong nước vẫn ñang còn rất khiêm tốn cả về số lượng và chất
lượng.

3

1.1.2 ðịnh hướng phát triển
Trước tình hình trên, trong tháng 7/2014 Thủ tướng Chính phủ ñã ban hành 2 văn
bản quan trọng là “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam ñến năm 2020,
tầm nhìn ñến năm 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam ñến
năm 2025, tầm nhìn ñến năm 2035”, trong ñó lĩnh vực sản xuất ô tô khách nhận ñược sự
quan tâm ñặc biệt.
Theo quy hoạch của Chính phủ, tới năm 2025 các nhà sản xuất trong nước phải ñáp
ứng ñược 92% nhu cầu ô tô khách với sản lượng là 29.102 chiếc. Ngoài ra, Chính phủ
cũng ñặt mục tiêu xuất khẩu cho ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, cụ thể ñối 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 ñến năm 2020, tầm
nhìn ñến năm 2030”, Chính phủ ñã nhấn mạnh tầm quan trọng của lĩnh vực sản xuất ô tô
khách và ñưa ra ñịnh hướng cụ thể: “…chú trọng phát triển các loại xe khách tầm trung và
tầm ngắn,… Tập trung ñầu tư cải tiến, nâng cấp công nghệ ñể nâng cao chất lượng sản
phẩm, hoàn thiện hệ thống dịch vụ bán hàng, nâng cao năng lực cạnh tranh, ñáp ứng phần
lớn nhu cầu trong nước, từng bước tham gia xuất khẩu”.
Có thể thấy rằng, nhiệm vụ ñặt ra cho các nhà sản xuất ô tô khách Việt Nam là rất
nặng nề và cần phải tập trung mọi nguồn lực ñể thực hiện.
1.1.3 Thực trạng và nhu cầu nâng cao chất lượng
Hiện nay chúng ta có một số doanh nghiệp ñầu tư 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 ðà nẵng, Trường Hải và SAMCO. Ngoài ra còn có các liên doanh như 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 ña dạng,
cơ sở này ñã 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 ñược trình bày ở phần phụ lục 1, ñều thể
hiện là những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật ñạt chất lượng và công ty ñã sản xuất và tiêu thụ

hàng chục nghìn xe, phục vụ ñắc 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 ðà Nẵng và Trường Hải ñã sản xuất và lắp ráp các ô tô khách cỡ
24 - 45 chỗ ngồi với sản lượng hàng năm bán ra từ 500 - 1000 xe các loại. ðó là những cơ
sở sản xuất rất có tín nhiệm tại thị trường 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. ðây là một doanh nghiệp lớn ñang có ñà phát triển. Các xe do SAMCO sản xuất lắp
ráp có tính năng kỹ thuật khá cao vì ñều có nguồn gốc từ xe cơ bản của hãng Isuzu (Nhật
bản) nên có sức cạnh tranh lớn, ñặc biệt là ở thị trường phía Nam.
Hai hãng liên doanh là Daewoo và Mercedes-Benz ñều sản xuất các loại xe chở
khách tiên tiến, rất ñược ưa chuộng ở các thành phố như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí
Minh. ðó là những xe có chất lượng cao, có sức cạnh tranh lớn về chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.
Mặc dù ñã có ñược những thành tựu ñáng kể như trên, nhìn vào thực trạng thì có
thể thấy tất cả các doanh nghiệp sản xuất ô tô chở khách trên ñây thực chất chỉ là các cơ sở
lắp ráp xe dựa trên các bộ phụ tùng nhập khẩu. Phần công việc chính ñược thực hiện trong
nước là sản xuất khung vỏ với các công nghệ hàn, sơn và lắp ráp nội thất. Với mức ñầu tư
về chất xám và trang thiết bị còn khiêm tốn, chất lượng của các sản phẩm của các cơ sở lắp
ráp trong nước còn ở mức ñộ hạn chế. Tuy nhiên, ñây là nguồn cung cấp ô tô chở khách
chủ yếu cho thị trường trong nước hiện nay nhờ có ưu thế về giá thành.
Như vậy, có thể thấy rằng vỏ xe ô tô khách trong nước vẫn ñược chế tạo theo công
nghệ lạc hậu. Vấn ñề 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 nhận ñược sự quan tâm ñầu tư của các nhà sản
xuất.
Trước tình hình trên, ñể những chiếc ô tô khách Việt Nam có thể cạnh tranh ñược
với ô tô nhập khẩu thì cần phải có ñầu tư chiều sâu, ñặc biệt là ñầu tư cho lĩnh vực nghiên
cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao. Một trong những vấn ñề quan trọng hàng ñầu

cần ñược ưu tiên ñầu tư nghiên cứu là tối ưu hóa dạng khí ñộng học vỏ xe nhằm giảm mức
tiêu thụ nhiên liệu và nâng cao tính an toàn chuyển ñộng.
1.2

Khí ñộng học ô tô
Khi ô tô chuyển ñộng trong môi trường không khí, sự tương tác của vỏ xe với môi

trường sinh ra các lực và mô men có ảnh hưởng xấu tới chất lượng vận hành của ô tô.

5


Hệ quả trực tiếp của sự tương tác trên là lực cản không khí làm gia tăng mức tiêu
thụ nhiên liệu của ô tô, ñặc biệt là ở vận tốc cao do lực này tỷ lệ với bình phương của vận
tốc. Ngoài ra, lực nâng làm giảm khả năng bám ñường, còn các mô men thì có thể gây nên
hiệu ứng lật xe. ðây là những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp ñến an toàn chuyển ñộng.
ðể giảm tối ña những ảnh hưởng xấu nêu trên, cần có những nghiên cứu sâu về khí
ñộng học vỏ xe ngay trong quá trình thiết kế.
1.2.1 Khí ñộng lực học và các thông số ñặc trưng
ðối tượng nghiên cứu của khí ñộng học là dòng chảy quanh một vật cản ñang
chuyển ñộng bằng phương pháp Ơ le với hệ tọa ñộ gắn với vật. ðể ñơn giản hóa phương
pháp mô tả, người ta coi một vật chuyển ñộng với vận tốc V trong môi trường không khí
tĩnh tương ñương với vật ñứng 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 ñầu
nguồn là U∞. Dòng chảy không khí tác dụng lên vật một lực F, ñược phân tích thành 2
thành phần Fx (lực cản) song song với phương chuyển ñộng của dòng khí và Fz (lực nâng)
là thành phần vuông góc với phương chuyển ñộng. Các lực này ñược tính như sau:

Fx = C x A
Fz = Cz A

ρU ∞2
2

ρU ∞2
2

Fz

(1.1)

F

U∞
Fx

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

Trong ñó: Fx là lực cản; Fz là lực nâng; Cx và Cz là các hệ số; ρ- khối lượng riêng
không khí; U∞- vận tốc chuyển ñộng (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 ñặc trưng cho một
ñại lượng vật lý nào mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng khí ñộng học của vật. ðây là thông số
ñặc biệt quan trọng trong nghiên cứu khí ñộng học.
Công thức trên cũng cho thấy, ñể giảm lực cản của không khí lên vật ñang chuyển
ñộng 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 ñộ chuyển ñộng giảm làm năng
suất vận chuyển giảm theo. Vì vậy, tất cả các nỗ lực trong nghiên cứu khí ñộng học ô tô
ngày nay tập trung chủ yếu vào việc cải thiện hình dáng khí ñộng học vỏ xe nhằm giảm

thiểu Cx.
6


Trước ñây, khi ô tô chuyển ñộng với vận tốc chưa cao, các nghiên cứu khí ñộng
học chỉ quan tâm chủ yếu ñến lực cản Fx do lực nâng rất nhỏ và ảnh hưởng không nhiều
ñến ñiều kiện chuyển ñộng. Khi ô tô chuyển ñộng với vận tốc cao hơn, chẳng hạn như ô tô
thể thao và ô tô ñua thì thành phần lực này ñã ñược quan tâm nghiên cứu nhiều hơn. ðối
với ô tô chở khách là ñối tượng nghiên cứu của Luận án, vận tốc tối ña thường xấp xỉ 100
km/h, nên ảnh hưởng của lực nâng là không ñáng kể.
Trong nghiên cứu khí ñộng học, có 2 thông số quan trọng ñặc trưng dòng chảy
không khí là số Reynolds và số Mach. Chúng ñược ñịnh nghĩa như sau:
Số Reynolds:

Re =

ρ ∞U ∞ L
µ∞

(1.3)

Số Mach:

M=

U∞
a∞

(1.4)

Trong ñó: L- thông số hình học ñặc trưng (m); µ- hệ số ñộ nhớt ñộng lực (N.s/m2);
a- vận tốc truyền âm trong không khí.
Chỉ số “∞” trong các công thức trên thể hiện thông số ñược lấy ở vùng không khí
cách xa vật chuyển ñộng và không chịu ảnh hưởng của vật này.
Trong nghiên cứu thủy khí ñộng lực học người ta thường dùng các thông số trên ñể
ñánh giá trạng thái dòng chảy và làm chỉ tiêu cho các phép quy ñổi tương tự. Trong ñó,
thông số thường dùng ñối với khí ñộng học ô tô là Re vì M thường rất bé (M<<1). Còn 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 ñược sử dụng ñể ñánh giá và xác ñịnh trạng thái
dòng chảy. ðiều này có ý nghĩa ñặc biệt quan trọng trong các nghiên cứu khí ñộng học.
Trong phân loại dòng chảy khí ñộng, khi M ≤ 0,3 dòng chảy ñược gọi là dòng chảy
dưới âm với môi trường không chịu nén. Vì vậy, trong các tính toán khí ñộng học ô tô, ñể
ñơn giản hóa bài toán người ta thường chấp nhận giả thiết là không khí không chịu nén với
sai số không ñáng 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 ñược chia thành hai thành phần tương ứng:

7


C x = C ms + C ca

(1.5)

Nếu như thành phần cản do ma sát phụ thuộc chủ yếu vào ñộ 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 ñộng 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 ñầu dòng chảy ôm lấy vật và ñược coi

là bám vào nó cho tới ñiểm A. Tới ñây, dòng chảy tách khỏi vật làm xuất hiện một vùng
xoáy phía sau nó, vùng xoáy này có áp suất p2 rất thấp (thường là chân không), trong khi
phía trước của vật lại chịu áp suất p1 lớn, do vậy sinh ra ñộ chênh áp: ∆ p = p1 − p 2 .
p1

U∞

A

p2

p∞

Hình 1.2 Sự hình thành vùng xoáy áp thấp phía sau vật cản.

Như vậy, có thể viết:
Fx = Fms + A.∆p

(1.6)

trong ñó A.∆p = Fca là thành phần lực cản do chênh áp. Lực này phụ thuộc chủ yếu
vào ñộ chênh áp và diện tích của vùng xoáy. Phạm vi của vùng xoáy ñược xác ñịnh bởi
ñiểm tách dòng (ñiểm A trên hình 1.2). ðây là ñiểm mà dòng chảy bắt ñầu tách khỏi vật
cản và là khởi ñầu của vùng xoáy. Các nghiên cứu cho thấy, trong một môi trường xác
ñịnh (có ñộ nhớt xác ñịnh) vị trí của ñiểm 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 ñiểm A càng dịch về phía trước làm diện
tích vùng xoáy sẽ tăng lên và ngược lại. Nếu hình dạng của vật cản là lý tưởng về mặt khí
ñộng học thì ñiểm A gần như không tồn tại mà dòng 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

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 ñó có các vỏ xe ô tô) có hình dạng
khí ñộng không thể là lý tưởng. Khi ñó, tương quan giữa các thành phần Fms và Fca hoàn
toàn phụ thuộc vào hình dạng khí ñộng học của vật. Trên hình 1.3 thể hiện sự tạo thành
vùng xoáy tuỳ theo hình dạng khí ñộng học của vật cản. Hình 1.3a là trường hợp vật có
dạng khí ñộng lý tưởng nên không tạo vùng xoáy và thành phần cản do chênh áp rất nhỏ.
Hình 1.3b thể hiện trường hợp vật có dạng khí ñộng xấu, ở ñây lực cản do chênh áp Fca
chiếm tỷ lệ lớn trong Fx.
ðối với những vật có dạng khí ñộng học tốt (cánh máy bay, cánh tua bin, chân
vịt,...) thì lực cản có thể tính như sau:
Fx = Fms (1 + k )

(1.7)

với: k = 0,1 ÷ 0,15, có nghĩa là lực cản do ma sát chiếm tỷ lệ từ 85 ñến 90%.
Các nghiên cứu ñã khẳng ñịnh rằng, ô tô nói chung và ô tô khách nói riêng có hình
dạng khí ñộng học ñược coi là xấu, nên chúng phải chịu lực cản khí ñộng rất lớn. Trong
ñó, thành phần cản do chênh áp vẫn chiếm tỷ lệ áp ñảo và muốn giảm lực cản thì biện pháp
duy nhất là cải thiện hình dạng khí ñộng học vỏ xe.
Như vậy, giảm Cx ñồng nghĩa với việc cải thiện hình dạng khí ñộng học của ô tô.

Quá trình hoàn thiện dạng khí ñộng học vỏ xe ô tô con theo lịch sử phát triển ñược mô tả
trên hình 1.4 [4]. Có thể nhận thấy rằng, trong giai ñoạn trước năm 1930 với những chiếc ô
tô có hình dáng giống xe ngựa cổ xưa, hệ số cản (trên hình ký hiệu là Cw) rất lớn (0,65 ÷
1,0). Sau ñó, 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 ñã có thể ñạt ñược Cx = 0,25 ÷ 0,27 [4]. Tuy nhiên,
sau năm 2000, khi những chiếc ô tô gần như ñã hoàn thiện về hình dạng khí ñộng học thì
việc giảm ñược dù chỉ 0,01 trong Cx ngày càng trở nên khó khăn hơn, nó ñòi hỏi phải có
9


nghiên cứu toàn diện hơn, sâu sắc hơn, trang thiết bị thử nghiệm hiện ñại hơn cùng với
những chi phí cao hơn rất nhiều. Vì vậy, trong giai ñoạn này, ñồ thị mô tả Cx theo thời gian
gần như nằm ngang.

W- lực cản
ρ- khối lượng riêng
V- vận tốc
A- diện tích

Hình 1.4 Quá trình cải thiện hình dạng khí ñộng học ô tô nhằm giảm hệ số cản [4]

Trong tự nhiên, vật có hình dạng khí ñộng học lý tưởng chính là giọt nước rơi trong
không khí. Nếu những chiếc ô tô cũng có hình dạng như vậy thì lực cản khí ñộng là nhỏ
nhất. Trên phần dưới của hình 1.4 mô tả một số dạng vỏ xe có hệ số cản nhỏ hơn 0,2 và
thậm chí có thể ñạt giá trị 0,1. Tuy nhiên, những chiếc xe với kiểu dáng như vậy khó có thể
ñáp ứng ñược thị hiếu của người tiêu dùng hiện nay nên không thể xuất hiện phổ biến
ñược. Người ta thường chỉ gặp các dạng vỏ xe như vậy trên các ñường ñua.
ðối với ô tô tải, hệ số lực cản khí ñộng thường rất lớn, có thể ñạt tới xấp xỉ 1,0.
Việc tối ưu hóa hình dạng khí ñộng học của ô tô tải thường gặp nhiều khó khăn hơn các
chủng loại ô tô khác do ñặc thù kết cấu của nó.

Trên hình 1.5 [33] thể hiện sự phụ thuộc của hình dạng khí ñộng học của ô tô tải có
mui kín với hệ số lực cản không khí (trên hình ký hiệu là CD). Các phương án thể hiện trên
hình 1.5 cho thấy, nếu có giải pháp tạo dáng hợp lý thì có thể giảm ñáng kể hệ số cản. Tuy
nhiên, ñối 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]

ðối với ô tô chở khách, hệ số lực cản khí ñộng cũng khá lớn và thường nằm trong
khoảng từ 0,4 ñến xấp xỉ 0,7 [4, 13, 71]. Việc tạo dáng vỏ xe ñể có ñược hệ số Cx nhỏ có
thể ñược thực hiện tương ñối thuận tiện do vỏ xe có cấu trúc ñơn 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, ñối với các nhà sản xuất thì việc tạo dáng không chỉ nhằm vào mục ñích
giảm tối ña lực cản khí ñộng mà còn phải ñạt ñươc 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 ñộng lớn
với hệ số Cx lớn hơn 0,7. Bên cạnh ñó, vẫn có những chiếc ô tô khách với vỏ xe có thể ñạt
11