Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng thân vỏ đến đặc tính khí động học của đoàn xe chở container

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lã Trung Sơn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA HÌNH DÁNG
THÂN VỎ ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC
CỦA ĐOÀN XE CHỞ CONTAINER

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Ngành: Cơ kỹ thuật

HÀ NỘI - 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lã Trung Sơn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA HÌNH DÁNG THÂN VỎ
ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC CỦA
ĐOÀN XE CHỞ CONTAINER

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Ngành: Cơ kỹ thuật
Mã Ngành: 60520101

Cán bộ hƣớng dẫn: TS. Ngô Văn Hệ

3

HÀ NỘI - 2016



1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực, là kết quả nghiên cứu của tôi đã thực hiện đƣợc
dƣới sự hƣớng dẫn của Giáo viên hƣớng dẫn luận văn và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong các công trình nào khác.

Hà Nội, tháng 9 năm 2016
Học viên

Lã Trung Sơn


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, với tƣ cách là tác giả của luận
văn, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy giáo hƣớng dẫn
TS. Ngô Văn Hệ viện Cơ khí Động lực – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội,
ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi tận tình và chu đáo trong suốt thời gian thực
hiện luận văn, để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể Thầy, Cô
giáo của Khoa Cơ học Kỹ thuật và Tự động hóa - Trƣờng Đại học Công nghệ Đại học Quốc Gia Hà Nội, viện Cơ khí Động lực Trƣờng Đại học Bách khoa Hà
Nội đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức, giúp đỡ tôi suốt thời gian học tập và

đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã
giúp đỡ, ủng hộ tôi hết lòng, động viên và chia sẻ trong suốt thời gian tôi học tập
và làm luận văn.

Hà Nội, tháng 9 năm 2016
Học viên

Lã Trung Sơn


3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 2
MỤC LỤC ............................................................................................................. 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................... 8
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 10
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 10
2. Lịch sử nghiên cứu ......................................................................................... 10
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ......... 11
4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả ............ 11
5. Phƣơng pháp nghiên cứu................................................................................ 12
Chƣơng 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ......................................................... 14
1.1. Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .............................................. 14
1.2. Khái niệm khí động lực học....................................................................... 16
1.3. Một số phƣơng trình khí động học cơ bản ................................................... 17

1.3.1. Động học và động lực học chất lỏng ......................................................... 17
1.3.2. Lực cản khí động ....................................................................................... 19
1.4. Kết luận chƣơng 1 ........................................................................................ 22
Chƣơng 2: CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ CFD VÀ CƠ SỞ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU .................................................................................................... 23
2.1. Giới thiệu chung về CFD ............................................................................. 23
2.1.1. Công cụ trong Ansys-Fluent ............................................................................... 24
2.1.2. Nguyên lý tính toán trong phần mềm Ansys-Fluent........................................... 25

2.2. Trình tự giải quyết bài toán CFD ................................................................. 28
2.3. Phƣơng pháp chia lƣới trong bài toán mô phỏng ......................................... 30
2.4. Một số mô hình rối trong Ansys-Fluent ....................................................... 34
2.4.1. Mô hình rối một phƣơng trình (one equation turbulence models) .................... 34
2.4.2. Mô hình hai phƣơng trình (two equations model) ............................................. 36
2.4.3. Mô hình k-epsilon............................................................................................... 37


2.5. Cơ sở phƣơng pháp nghiên cứu ảnh hƣởng của hình dáng thân vỏ đến đặc tính khí
động học thân vỏ đoàn xe chở container ...................................................................... 40
2.6. Kết luận chƣơng 2 ................................................................................................. 48

Chƣơng 3. MÔ HÌNH ĐOÀN XE CHỞ CONTAINER SỬ DỤNG TRONG
NGHIÊN CỨU VÀ QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ CFD ................................. 49
3.1. Đoàn xe chở container.................................................................................. 49
3.2. Mô hình đoàn xe chở container sử dụng trong nghiên cứu.......................... 51
3.3. Quá trình mô phỏng số CFD thân vỏ đoàn xe chở container ....................... 53
3.4. Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................ 58
Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA HÌNH DÁNG THÂN VỎ ĐẾN
ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG LỰC ĐOÀN XE ......................................................... 59
4.1. Ảnh hƣởng của hình dáng thân vỏ đến đặc tính khí động học đoàn xe ....... 59

4.1.1. Mô hình đoàn xe chở container khảo sát .................................................. 59
4.1.2. Kết quả so sánh về phân bố áp suất và dòng bao quanh thân đoàn xe ..... 63
4.1.3. Kết quả so sánh lực cản khí động tác động lên thân đoàn xe ................... 69
4.2. Ảnh hƣởng của khoảng cách tƣơng đối giữa container 20 feet và cabin đến
đặc tính khí động học đoàn xe............................................................................. 71
4.2.1. Mô hình đoàn xe khảo sát ......................................................................... 71
4.2.2. Một số kết quả so sánh phân bố áp suất và dòng bao quanh đoàn xe ....... 72
4.2.3. Kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên đoàn xe ......................... 78
4.3. Kết luận chƣơng 4 ........................................................................................ 79
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 81
1. Kết luận .......................................................................................................... 81
2. Kiến nghị ........................................................................................................ 82


5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
TT

Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

1

CFD

Chƣơng trình tính toán động lực học

chất
lỏng
(Computation
Fluid
Dynamic).

2

ANSYS

Bộ chƣơng trình tính toán, mô phỏng số
ứng dụng trong nghiên cứu, khảo sát và
thiết kế với nhiều lĩnh vực khác nhau.

3

CN0-CN9

Ký hiệu mô hình đoàn xe chở container
từ mô hình nguyên bản số 0 đến mô
hình cải tiến số 9

4

feet

5

Container 20feet

Loại container dài 20 feet

6

Container 40feet

Loại container dài 40 feet

7

Pw

Công suất

cv, hp

8

L, l

Chiều dài

m

9

B, b

Chiều rộng

m

10

H, h

Chiều cao

m

11

S

Diện tích

m2

12

RT

Lực cản khí động tổng cộng

N

13

Rp

Lực cản khí động do áp suất gây ra

N

14

Rf

Lực cản khí động do ma sát gây ra

N

15

M

Mômen lực

Nm

16

V

Vận tốc

m/s,

Đơn vị đo độ dài, 1feet = 0.3048m

km/h
17

ux, uy, uz

Các thành phần vận tốc tức thời tƣơng
ứng theo các phƣơng của hệ trục tọa độ

18

Cp, Cf, CT(Cd)

Hệ số lực cản khí động tƣơng ứng do áp
suất, ma sát gây ra và hệ số lực cản khí
động tổng cộng

19



Độ nhớt động học

20



Độ nhớt động lực học

21



Khối lƣợng riêng

kg/m3

22



Trọng lƣợng riêng

N/m3

23

p

Áp suất

N/m2,
Pa, at

24

k-ε

25

k

Hệ số đặc trƣng cho động năng rối

26

ε

Hệ số đặc trƣng cho mức độ tiêu tán rối
của dòng chảy

27

Rn

Số Reynolds

28

Pr

Số Prandtl

Mô hình rối k-ε

m/s

m2/s
kg.s/m2

7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số đầu vào tính toán ........................................................... 40
Bảng 2.2 Hệ số lực cản khí động tác động lên vật thể cơ bản hình hộp ............ 42
Bảng 3.1 Thông số kích thƣớc cơ bản của đoàn xe chở container ..................... 50
Bảng 3.2 Một số điều kiện sử dụng trong tính mô phỏng số CFD ..................... 53
Bảng 4.1 Lực cản khí động tác động lên đoàn xe ............................................... 69
Bảng 4.2 Khoảng cách tƣơng đối giữa container 20 feet và cabin xe ................ 71
Bảng 4.3 Hệ số lực cản khí động và công suất tiêu hao tƣơng ứng của đoàn xe....
............................................................................................................................. 78


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hệ trục tọa độ Oxyz sử dụng trong nghiên cứu ................................... 20
Hình 1.2 Một số hình dáng khí động và hệ số lực cản khí động tƣơng ứng ....... 22
Hình 2.1 Mô hình vật thể cơ bản sử dụng trong nghiên cứu, l/h=1, N0 ............. 40
Hình 2.2 Phân bố áp suất bao quanh vật thể khảo sát tại mặt cắt dọc tâm, N0 .. 42
Hình 2.3 Đƣờng dòng bao quanh vật thể khảo sát tại mặt cắt dọc tâm, N0 ....... 42
Hình 2.4 Mô hình vật thể với hình dạng bán cầu phát triển từ hình hộp, N1 ..... 43
Hình 2.5 Phân bố áp suất bao quanh vật thể trong miền không gian khảo sát ... 44
Hình 2.6 Đƣờng dòng bao quanh vật thể khảo sát tại mặt cắt dọc tâm, N1 ....... 44
Hình 2.7 Hình dạng vật thể khí động phát triển từ hình dạng hình hộp, N2 ...... 45
Hình 2.8 Phân bố áp suất bao quanh vật thể trong miền không gian khảo sát ... 46
Hình 2.9 Đƣờng dòng bao quanh vật thể khảo sát tại mặt cắt dọc tâm, N2 ....... 46
Hình 2.10 Hệ số lực cản khí động tổng CT tác động lên các vật thể có hình dạng
hình học khác nhau trong khảo sát, N0, N1, N2 ................................................. 47

Hình 3.1 Các phần chính tháo rời của đoàn xe chở container ............................ 50
Hình 3.2 Mô hình đoàn xe chở container 40 feet nguyên bản, sử dụng trong
nghiên cứu, mô hình CN0 ................................................................................... 52
Hình 3.3 Miền không gian tính toán mô phỏng CFD ......................................... 53
Hình 3.4 Chia lƣới trên bề mặt thân vỏ đoàn xe trong không gian mô phỏng số
CFD với kiểu lƣới không cấu trúc với 4,7 triệu lƣới không cấu trúc kiểu T ...... 54
Hình 3.5 Phân bố áp suất động tại mặt cắt dọc tâm đoàn xe ở vận tốc V=80km/h
............................................................................................................................. 55
Hình 3.6 Phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe nguyên bản NC0 ở vận tốc
khai thác V=80km/h ............................................................................................ 56
Hình 3.7 Đồ thị lực cản khí động và hệ số lực cản khí động tổng theo dải vận tốc
khai thác của đoàn xe trong trƣờng hợp có chở theo container và không chở
container trên xe .................................................................................................. 57
Hình 4.1 Hình dáng đoàn xe cải tiến CN1 .......................................................... 60
Hình 4.2 Hình dáng đoàn xe cải tiến CN2 .......................................................... 60


9

Hình 4.3 Hình dáng đoàn xe cải tiến CN3 .......................................................... 61
Hình 4.4 Hình dáng đoàn xe cải tiến CN4 .......................................................... 61
Hình 4.5 Hình dáng đoàn xe cải tiến CN5 .......................................................... 62
Hình 4.6 Hình dáng đoàn xe cải tiến CN6 .......................................................... 62
Hình 4.7 Phân bố áp suất bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc tâm ...................... 63
Hình 4.9 Phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc tâm miền
không gian tính toán, CN0-CN3 ......................................................................... 65
Hình 4.10 Phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc tâm miền
không gian tính toán, CN4-CN6 ......................................................................... 66
Hình 4.11 Phân bố áp suất trên bề mặt thân đoàn xe .......................................... 67
Hình 4.12 Phân bố áp suất trên bề mặt thân đoàn xe .......................................... 68

Hình 4.13 Lực cản khí động tác động lên đoàn xe tại vận tốc khai thác 80km/h ...
............................................................................................................................. 69
Hình 4.14 Mô hình đoàn xe chở container 20 feet với các vị trí đặt container 20
feet khác nhau, CN7, CN8, CN9 ......................................................................... 71
Hình 4.15 Phân bố áp suất bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc tâm .................... 72
Hình 4.16 Phân bố áp suất bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc y=1.176m ......... 73
Hình 4.17 Phân bố áp suất bao quanh đoàn xe tại mặt cắt bằng z=2.5m............ 74
Hình 4.18 Phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc tâm .......... 75
Hình 4.19 Phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe tại mặt cắt dọc y=1.176m ....
............................................................................................................................. 76
Hình 4.20 Phân bố vận tốc dòng bao quanh đoàn xe tại mặt cắt bằng z=2.5m .. 77
Hình 4.21 Các thành phần lực cản khí động tác động lên đoàn xe tại vận tốc khai
thác 80km/h ......................................................................................................... 78
Hình 4.22 Lực cản khí động tác động lên xe trong quá trình vận tải container.. 78


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong quá trình giao thông vận tải nói chung và giao thông đƣờng bộ nói
riêng, để nâng cao hiệu quả khai thác cho đoàn xe chở hàng, cần thiết phải giảm
tiêu hao nhiên liệu cần thiết tiêu tốn trong quá trình chạy xe. Để giảm tiêu hao
nhiên liệu trong quá trình khai thác này thì giảm lực cản, tối ƣu tốc độ đoàn xe là
một trong những biện pháp hữu ích và mang lại nhiều lợi ích thiết thực nhất hiện
nay. Vấn đề nghiên cứu giảm lực cản, tiết kiệm nhiên liệu hiện đang đƣợc nhiều
nhà nghiên cứu, thiết kế và khai thác kinh doanh vận tải quan tâm.
Trong những năm gần đây, việc phát triển giao thông vận tải container
đƣợc chú trọng rất nhiều. Quá trình vận tải hàng hóa xuất nhập khẩu qua các
cảng nội địa đƣờng bộ và đƣờng thủy ngày càng tăng cao. Kéo theo sự phát triển
đó là sự phát triển đa dạng hóa của đoàn xe chở container. Trên các tuyến vận

chuyển container nƣớc ta đã xuất hiện và đa dạng hóa các chủng loại xe đầu kéo
có thiết kế hình dáng khí động khác nhau, xe nhập khẩu, xe nội địa ... sự đa dạng
hóa này có phải là sự đầu tƣ nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cao từ các thiết kế
kiểu dáng đoàn xe hay không. Tốc độ khai thác nào của đoàn xe thì tƣơng ứng
với kiểu dáng thiết kế đó có hiệu quả kinh tế trong vận tải. Đây còn là các vấn
đề cần đặt ra và phải đƣợc giải quyết không chỉ với các nhà thiết kế chế tạo mà
còn cần thiết cho các ngành kinh doanh vận tải xe ô tô.
Trƣớc những nhu cầu cần thiết để nâng cao hiệu quả khai thác cho đoàn xe
chở container, sự cần thiết để có cái nhìn tổng thể về hình dáng khí động phù
hợp cho đoàn xe chở container, tác giả lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu giảm lực
cản khí động tác động lên đoàn xe chở container, nhằm nâng cao hiệu quả kinh
tế khai thác vận tải hàng hóa cho đoàn xe.
2. Lịch sử nghiên cứu
Lĩnh vực tính toán lực cản xe ô tô nói chung, cũng nhƣ lực cản khí động tác
động lên đoàn xe chở container nói riêng đã có một số tác giả trong nƣớc và
quốc tế quan tâm nghiên cứu [6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 18]. Từ nhiều năm về
trƣớc khi công cụ hỗ trợ tính toán chƣa phát triển, thì việc tính toán xác định lực
cản khí động xe ô tô chủ yếu dựa trên kết quả thực nghiệm mô hình tại các


11

phòng thử nghiệm khí động lực học ô tô. Trên cơ sở kết quả tổng hợp của rất
nhiều thử nghiệm sẽ thu đƣợc các công thức thực nghiệm hay giá trị hệ số lực
cản khí động tƣơng ứng cho từng loại xe ô tô khác nhau. Trong những năm gần
đây, với sự phát triển mạnh của các công cụ, phƣơng tiên hỗ trợ tính toán số ra
đời, tính toán động lực học chất lỏng CFD (Computation Fluid Dynamic) đã trở
thành công cụ hữu dụng trong việc ƣớc lƣợng, dự đoán lực cản khí động tác
động lên xe ô tô. Ngày nay CFD đã trở thành công cụ phổ biến đƣợc nhiều nhà
nghiên cứu sử dụng làm phƣơng tiện hỗ trợ nghiên cứu đắc lực cho mình [6-16].

Úng dụng CFD trong nghiên cứu tính toán giảm lực cản khí động tác động
lên đoàn xe chở container là đề tài đã và đang là vấn đề đặt ra cho nhiều giới
chuyên môn giải đáp [6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 18]. Với mỗn loại xe ô tô khác
nhau, cần có các biện pháp kỹ thuật khác nhau để làm giảm lực cản khí động tác
động lên xe. Càng giảm đƣợc lực cản khí động tác động lên đoàn xe thì đồng
nghĩa với việc nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác cho đoàn xe. Đây cũng chính
là vấn đề đặt ra cần giải quyết trong luận văn này.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề tài là phân tích, đánh giá đặc tính khí động lực
học tác động lên thân vỏ đoàn xe chở container. Thông qua các kết quả tính toán
mô phỏng số CFD, đề xuất một số giải pháp làm giảm lực cản khí động tác động
lên thân vỏ đoàn xe nhằm góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác cho
đoàn xe.
Đối tƣợng nghiên cứu trong luận văn là thân vỏ đoàn xe chở container,
nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên đoàn xe chở container nhằm góp
phần nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác của đoàn xe.
Do giới hạn về thời gian trong việc vẽ thiết kế các bản vẽ 3D cho đoàn xe,
cũng nhƣ giới hạn về tốc độ máy tính cá nhân, thời gian chờ kết quả chạy mô
phỏng số CFD, đề tài chỉ giới hạn phạm vi nghiên cứu trên một loại hình dáng
đoàn xe chở container nhất định và hạn chế một số trƣờng hợp cụ thể để tính
toán so sánh.
4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Trong luận văn này, tác giả tiến hành nghiên cứu tổng quan về khí động
học đoàn xe chở container, thiết lập mô hình 3D của đoàn xe đã chọn, sau đó sử


dụng các bƣớc giải một bài toán mô phỏng số CFD để giải quyết vấn đề đặt ra.
Cụ thể là, khi thiết lập xong mô hình 3D tác giả đã sử dụng công cụ phần mềm
thƣơng mại để chia lƣới và đƣa vào phần mềm Ansys-Fluent để thiết lập các
thông số đầu vào tính toán, điều kiện biên cho bài toán, từ đó thực hiện chạy mô

phỏng số trên máy tính để xác định đƣợc các phân bố vận tốc, áp suất và lực cản
khí động tác động lên đoàn xe khảo sát.
Trên cơ sở phân tích kết quả thu đƣợc từ việc tính mô phỏng lực cản khí
động tác động lên đoàn xe nguyên bản, tác giả đã đề xuất một số thay đổi hình
dáng cho thƣợng tầng cabin của đoàn xe, thân xe và một số thay đổi vị trí,
khoảng cách đặt container 20 feet so với cabin, sử dụng phần mềm chuyên dụng
Ansys-Fluent để mô phỏng quá trình chuyển động của đoàn xe khi đã có thay
đổi hình dáng tại tốc độ khai thác để xác định lực cản khí động cùng các đặc tính
khí động của xe sau khi đã thay đổi hình dáng theo đề xuất.
Kết quả mô phỏng số đƣa ra phân bố vận tốc, phân bố áp suất trên đoàn xe
với hình dáng thân xe, cabin đề xuất thay đổi khác nhau. Trên cơ sở phân tích
kết quả mô phỏng số thu đƣợc, tác giả đƣa ra những kết luận quan trọng, những
lƣu ý và khuyến cáo cho việc thiết kế khí động học của đoàn xe.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Trong các nghiên cứu về đặc tính khí động lực học nói chung, các phƣơng
pháp nghiên cứu thƣờng đƣợc sử dụng cho đến nay gồm: phƣơng pháp nghiên
cứu thực nghiệm mô hình trong các phòng thử nghiệm khí động học và phƣơng
pháp tính toán lý thuyết thuần túy. Bên cạnh đó, phƣơng pháp nghiên cứu kết
hợp giữa tính toán lý thuyết với thực nghiệm mô hình cũng đƣợc các nhà nghiên
cứu sử dụng. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học tính toán số và công cụ
máy tính, phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng công cụ mô phỏng số đã đƣợc áp
dụng phổ biến. Tuy nhiên việc sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số cần đƣợc
thực hiện kết hợp chặt chẽ với lý thuyết tính toán và kinh nghiệm trong tính toán
số để đảm bảo kết quả tính toán có độ tin cậy cao.
Trong luận văn này, tác giả sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu kết hợp
nghiên cứu lý thuyết truyền thống và tính toán mô phỏng số. Đây là phƣơng
pháp nghiên cứu phổ biến và hiện đại trên thế giới mà nhiều nhà nghiên cứu
trong nƣớc và trên thế giới hiện đang quan tâm, sử dụng làm công cụ nghiên cứu
cho mình. Trên cơ sở nghiên cứu tài liệu, lý thuyết khí động học và tính toán mô

13

phỏng số CFD, tác giả tiến hành mô hình hóa các mô hình đoàn xe chở
container, thiết kế bài toán tính mô phỏng số khảo sát đặc tính khí động học cho
đoàn xe chở container và sau đó thực hiện các công việc để mô phỏng số CFD
trên máy tính. Kết quả thu đƣợc từ mô phỏng số đƣợc đánh giá và phân tích
thông qua so sánh kết quả tính toán giữa các mô hình với nhau dựa trên kinh
nghiệm tính toán và tài liệu nghiên cứu đã có trong phạm vi nghiên cứu.


Chƣơng 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
Đặc tính khí động của đoàn xe tải gần đây đã đƣợc các nhà sảm xuất và khai
thác xe quan tâm đến. Một trong những đặc tính khí động học quan trọng cần
phải quan tâm đối với đoàn xe là lực khí động, bao gồm cả lực cản và lực nâng
tác động lên đoàn xe trong quá trình lƣu thông. Lực cản liên quan đến công suất
tiêu hao của động cơ, liên quan đến lƣợng tiêu hao nhiên liệu của đoàn xe. Lực
nâng ảnh hƣởng đến tính an toàn ổn định và bám mặt đƣờng của xe. Đối với các
đoàn xe khi khai thác ở dải vận tốc thấp, thì hình dáng thân vỏ xe ít ảnh hƣởng
đến các thành phần lực khí động tác đụng lên xe. Trong trƣờng hợp này, lực cản
khí động tác dụng lên xe chỉ khoảng dƣới 10% lực cản tổng thể và lên tới 30%
tổng lực cản ở dải vận tốc 35km/h. Tuy nhiên, khi đoàn xe khai thác ở dải vận
tốc cao khoảng 80km/h thì sự ảnh hƣởng của hình dáng thân vỏ xe tăng lên đáng
kể, thành phần lực cản khí động tác dụng lên xe có thể tăng lên tới 55%, thậm
chí lên tới 80% tổng lực cản tổng thể của xe ở dải vận tốc trên 100km/h [4, 5, 6,
7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 18]. Trong một số nghiên cứu đã công bố cho thấy, việc
thay đổi hình dáng hình học thân vỏ xe bằng các phƣơng pháp đơn giản nhƣ gắn
thêm các tấm khí động, thêm mui tại đỉnh cabin xe, cải thiện hình dáng khí động

nóc container, cải thiện hình dáng gầm xe hay thêm tấm bịt chắn bánh xe đều có
thể giúp giảm lực cản khí động tác dụng lên đoàn xe khi lƣu thông. Việc làm cải
thiện hình dáng khí động học cho đoàn xe này có thể làm giảm đƣợc tới 25%
tổng lực cản khí động tác động lên xe [6, 7, 9, 11, 12, 13, 14, 18]. Trong các
biện pháp cải tiến hình dáng khí động cho đoàn xe thì việc gắn thêm mui nóc
cabin giúp cải thiện đáng kể lực cản khí động tác động lên xe, việc cải thiện này
đơn giản và không làm ảnh hƣởng đến tính năng vận tải của xe. Biện pháp che
chắn khoảng trống và thay đổi khoảng cách giữa container và đầu kéo cũng
mang lại hiệu quả đáng kể, tuy nhiên việc cải tiến này chỉ thích hợp với các đoàn
xe lƣu thông trên các hành trình thẳng, ít quay trở. Vì việc thay đổi này sẽ ảnh
hƣởng đến tính quay trở của xe.
Nghiên cứu của nhóm tác giả Ch. Hakansson và M.J. Lenngren (2010) đƣa ra
các nghiên cứu cải tiến hình dáng khí động học cho thân xe tải thông qua ứng


15

dụng CFD tính toán và phân tích đặc tính khí động học. Kết quả nghiên cứu đã
chỉ ra ảnh hƣởng của hình dáng khí động đến việc giảm lực cản khí động ở dải
vận tốc 90 km/h với góc nghiêng dọc của xe từ 0-5 độ. Việc cải thiện hình dáng
nóc cabin và đuôi xe giúp giảm đƣợc lực cản khí động tác động lên xe một cách
rõ rệt từ khoảng 2 đến 22% lực cản khí động tổng thể tác động lên xe [9].
Nghiên cứu của nhóm tác giả H. Chowdhury cùng cộng sự (2013), thông qua
phƣơng pháp thực nghiệm mô hình với tỷ lệ 1/10 so với kích thƣớc thực của xe,
trong ống thử khí động với một số biện pháp cải thiện hình dáng mui xe và che
chắn thân xe, nhóm tác giả đã thực nghiệm với 6 mô hình xe khác nhau. Kết quả
thực nghiệm đƣợc thực hiện trong dải vận tốc từ 40km/h đến 145km/h đối với
các mô hình do nhóm nghiên cứu đƣa ra. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy với
các mô hình cải tiến hệ số lực cản khí động của xe có thể giảm đƣợc tới 26% so
với ban đầu, kết quả thử nghiệm mô hình cho thấy hệ số lực cản khí động tác

động lên xe dao động trong phạm vi giá trị từ 0.5 đến 0.69 giảm đi khoảng 26%
so với giá trị của mô hình xe ban đầu [11].
Tổng hợp kết quả nghiên cứu của tổ chức nghiên cứu vận tải Châu Âu năm
2010 cho thấy với một số nghiên cứu cải tiến phần đuôi xe tải nhằm điều khiển
dòng thoát sau xe có thể giúp cải thiện đƣợc đặc tính khí động học của xe,
nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc cải tiến đuôi xe có thể giúp giảm đƣợc tới 7%
tổng lƣợng khí thải CO2 của loại xe tải này [14].
Trong luận văn này, thứ nhất tác giả đi nghiên cứu, khảo sát đặc tính khí động
học của một số hình dáng vật thể thông dụng, cơ bản nhằm đƣa ra cơ sở chung
nhất để thiết kế và cải thiện hình dáng vật thể tối ƣu biên dạng khí động học.
Thông qua các kết quả khảo sát, tác giả đồng thời thực hiện việc so sánh kết quả
tính mô phỏng số CFD thu đƣợc với một số kết quả tính toán lý thuyết và thực
nghiệm khác đã đƣợc công bố trên các tài liệu có uy tín trong và ngoài nƣớc
trƣớc đây, nhằm kiểm nghiệm tính đúng đắn của phƣơng pháp tính toán mô
phỏng số CFD sử dụng trong luận văn. Thứ hai, tác giả thực hiện khảo sát đặc
tính khí động học của đoàn xe chở container hiện đang đƣợc khai thác vận tải
chiếm phần lớn ở Việt Nam thông qua tính toán động lực học chất lỏng CFD
(Computation Fluid Dynamic). Trên cơ sở đó tác giả đƣa ra một số giải pháp cải
thiện hình dáng khí động học cho thân xe nhằm điểu khiển, thay đổi dòng khí
động bao quanh thân xe để làm giảm lực cản khí động tác động lên đoàn xe
trong quá trình lƣu thông. Các nghiên cứu cải thiện hình dáng thân vỏ đoàn xe
này sẽ đƣợc thực hiện trong phần ba của luận văn. Từ kết quả so sánh về phân


bố vận tốc dòng bao quanh thân xe, phân bố áp suất trên bề mặt thân xe và lực
khí động tác dụng lên xe, tác giả đƣa ra các nhận xét nhằm cải thiện thân vỏ xe
hợp lý nhất với điều kiện khai thác sử dụng đoàn xe tại Việt Nam, để có thể
nâng cao hiệu suất kinh tế vận tải cho đoàn xe chở container.
1.2. Khái niệm khí động lực học
Khí động lực học là môn học nghiên cứu về dòng chảy của chất khí, đƣợc

nghiên cứu đầu tiên bởi George Cayley vào thập niên 1800. "Khí động học" là
một nhánh của động lực học chất lƣu nghiên cứu chuyển động của không khí,
đặc biệt là khi nó tƣơng tác với một đối tƣợng di chuyển. Khí động học đã
thƣờng đƣợc sử dụng đồng nghĩa với khí động lực, với sự khác biệt là khí động
lực áp dụng đối với dòng chảy nén. Tìm hiểu về sự chuyển động của không khí
(thƣờng đƣợc gọi là một trƣờng dòng chảy) xung quanh một đối tƣợng cho phép
tính toán các lực, mô men lực tác động lên đối tƣợng. Giải pháp cho các vấn đề
khí động lực học dẫn đến các tính toán về tính chất khác nhau của dòng chảy,
nhƣ vận tốc, áp suất, mật độ và nhiệt độ, nhƣ là các hàm của không gian và thời
gian. Khi hiểu đƣợc các tính chất này của chất khí, ngƣời ta có thể tính toán
chính xác hay xấp xỉ các lực và các mômen lực lên hệ thống dòng chảy. Việc sử
dụng khí động học thông qua phân tích toán học, xấp xỉ thực nghiệm và gió
đƣờng hầm thử nghiệm là cơ sở khoa học.
Khí động học có thể đƣợc chia thành hai loại nhƣ khí động học bên ngoại
biên và khí động học nội biên. Khí động học ngoại biên về cơ bản là nghiên cứu
về dòng chảy xung quanh các vật thể rắn hình dạng khác nhau. Đánh giá thang
máy, máy bay, dòng chảy của không khí qua một lƣỡi tuabin gió hay sóng xung
kích hình thành ở phía trƣớc mũi của một tên lửa là ví dụ về khí động học ngoại
biên. Khí động học nội biên bao gồm việc nghiên cứu các luồng không khí
thông qua một động cơ phản lực hoặc thông qua một đƣờng ống điều hòa không
khí [1, 2, 3, 4, 5].
Khí động lực học cũng có thể đƣợc phân loại theo tỉ số vận tốc của dòng
chảy so với vận tốc âm thanh. Môn học đƣợc xem là dƣới vận tốc âm thanh nếu
các vận tốc đều nhỏ hơn vận tốc âm thanh là siêu thanh, và cực siêu thanh nếu
vận tốc nhanh hơn vận tốc âm thanh nhiều lần. Các vấn đề này đƣợc nghiên cứu
sâu hơn đối với các lĩnh vực hàng không vũ trụ.


17

1.3. Một số phƣơng trình khí động học cơ bản
Trong tính toán động lực học chất lỏng CFD, các phƣơng trình cơ bản
đƣợc sử dụng và giải theo các phƣơng pháp cụ thể khác nhau. Trong công cụ mô
phỏng số Ansys-Fluent phƣơng pháp phần tử thể tích đƣợc sử dụng để thực hiện
giải bài toán. Trong phần này, một số phƣơng trình cơ bản sử dụng trong tính
toán động lực học chất lỏng CFD đƣợc giới thiệu [1, 2, 3, 4].
1.3.1. Động học và động lực học chất lỏng
a) Phương trình liên tục
Phƣơng trình liên tục của dòng chảy đƣợc viết trên cơ sở các định luật bảo
toàn khối lƣợng, phƣơng trình liên tục là một dạng của định luật bảo toàn khối
lƣợng. Phƣơng trình liên tục đạng tổng quát thu gọn đƣợc viết nhƣ sau [1, 2, 3]:
(1.1)
Trong đó:

 là khối lƣợng riêng của chất lỏng đang xét

u là vận tốc của dòng chảy
Dạng khác của phƣơng trình liên tục có thể viết dƣới dạng sau:
(1.2)
Hay có thể viết ở dạng:
(1.3)
b) Phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực, phương trình
Navier-Stockes
Trong tính toán động lực học chất lỏng, phƣơng trình vi phân chuyển động
của chất lỏng đóng vai trò là cơ sở để thực hiện việc tính toán động lực học dòng
chảy theo các phƣơng pháp sử dụng khác nhau. Phƣơng trình vi phân chuyển
động của chất lỏng thực hay phƣơng trình Navier-Stockes đƣợc mô tả ở dạng
tổng quát nhƣ sau [1, 2, 3]:
v

v

(1.4)

v
Trong đó:

X, Y, Z tƣơng ứng là các thành phần gia tốc của lực khối tƣơng ứng
theo các phƣơng ox, oy, oz của hệ trục tọa độ Oxyz.
u(ux,uy,uz) là các thành phần vận tốc chuyển động tƣơng ứng theo
các phƣơng ox, oy, oz trong hệ trục tọa độ Oxyz
p là áp suất khảo sát
 là độ nhớt động học của chất lỏng khảo sát

Phƣơng trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực, phƣơng trình NavierStockes viết dƣới dạng vector nhƣ sau:

(1.5)
Phƣơng trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực viết dƣới dạng hình
chiều nhƣ sau:

(1.6)
Hệ phƣơng trình chủ đạo có thể đƣợc viết dƣới dạng véctơ nhƣ sau:
(1.7)
Với các véc tơ W, F, G lần lƣợt đƣợc định nghĩa nhƣ sau:


19

(1.8)

Với H là véctơ các thành phần lực khối
Để khép kín hệ phƣơng trình, chúng ta đƣa vào một số các điều kiện biên
nhƣ sau:
- Điều kiện biên tại đầu vào: V(x=0,y)=V∞
- Điều kiện biên tại đầu ra: pout =p∞ =pa
- Áp suất tại các biên của vùng tính toán: p= p∞
- Điều kiện tƣờng không trƣợt trên toàn bộ bề mặt ô tô:

1.3.2. Lực cản khí động
Trong quá trình chuyển động, lực cản tác động lên vật chuyển động có thể
đƣợc phân chia thành 2 thành phần chủ yếu gồm:
- Một là thành phần lực cản xuất phát từ ma sát giữ các bề mặt tiếp xúc với
nhau và tiếp xúc với dòng chất lỏng bao quanh vật chuyển động gây ra.
Thành phần này phụ thuộc chủ yếu vào hệ số ma sát chế tạo của bề mặt
vật thể, diện tích toàn bộ bề mặt tiếp xúc với nhau, với dòng chảy của vật
và vận tốc chuyển động.
- Hai là thành phần lực cản gây ra do áp suất tác động lên vật thể gây ra.
Thành phần lực cản này phụ thuộc vào các yếu tố hình dánh vật thể, phân
bố áp suất bao quanh vật thể, diện tích bề mặt tiếp xúc với dòng chảy và
vận tốc chuyển động của vật.
Trong lĩnh vực nghiên cứu về lực cản ô tô, lực cản tác động lên ô tô đƣợc
phân chia thành hai thành phần chủ yếu gồm:
- Lực cản ma sát lăn gây ra do tƣơng tác giữa bánh xe ô tô với mặt đƣờng.
thành phần này phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ hệ số ma sát lăn của vật liệu
chế tạo bánh xe ô tô và tình trạng bề mặt mặt đƣờng, tải trọng của xe và
tốc độ của xe.
- Thành phần lực cản khí động tác động lên thân vỏ xe. Thành phần này
bao gồm cả thành phần lực cản ma sát giữa không khí với thân vỏ xe tác

động lên xe ô tô và lực cản áp suất tác động lên thân xe trong quá trình
chuyển động gây ra.
Trong luận văn này, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu thành phần lực cản khí
động tác động lên đoàn đoàn xe chở container.
Lực cản khí động đƣợc đặc trƣng bởi hệ số lực cản khí động. Hệ số lực cản
khí động phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng khí động, độ bóng của bề mặt vỏ và
các góc cạnh của thân vỏ vật thể. Lực khí động ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng
động lực học, an toàn của đoàn xe và hiệu quả kinh tế khai thác đoàn xe trong
quá trình vận tải hàng hóa.
Trong nghiên cứu lực khí động tác động lên ô tô theo quan điểm động lực
học, ngƣời ta thƣờng phân chia lực khí động thành các thành phần tƣơng ứng
theo các phƣơng của hệ trục tọa độ Oxyz nhƣ sau:

Hình 1.1 Hệ trục tọa độ Oxyz sử dụng trong nghiên cứu
Thành phần có phƣơng trùng với phƣơng chuyển động của xe Ox, song song
với bề mặt đƣờng đƣợc gọi là thành phần lực cản khí động. Đây đƣợc coi là
thành phần chính của lực khí động vì khi xe chuyển động theo phƣơng này nên
vận tốc tuyệt đối giữa dòng khí và xe là lớn nhất.
Thành phần có phƣơng vuông góc với phƣơng chuyển động của xe, hƣớng
lên theo phƣơng Oz, tạo lực nâng nếu hƣớng của lực lên phía trên. Điều này làm
giảm khả năng bám đƣờng của xe, gây ra các hiện tƣợng xe bốc khỏi mặt đƣờng
làm giảm sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đƣờng. Thành phần lực này đối với
chuyển động của xe ở dải vận tốc trung bình và thấp là tƣơng đối nhỏ, tuy nhiên


21

khi vận tốc chuyển động rất cao thì thành phần này tăng lên đáng kể và có thể
gây lật xe nếu đủ lớn.
Thành phần có phƣơng ngang, Oy gây ra lực làm mất ổn định hƣớng đi cho

xe. Thành phần lực này thƣờng là nhỏ nhất do tính đối xứng của đoàn xe. Trong
những trƣờng hợp xe hoạt động trong điều kiện có gió ngang thì thành phần lực
này có thể gây nguy hiểm, mất an toàn cho đoàn xe.
Trong tính toán lực cản khí động, các thành phần lực khí động tác động lên
đoàn xe đƣợc xác định theo biểu thức sau [1, 2, 3]:

(1.9)
Trong đó:
S: diện tích bề mặt hứng gió, m2
CD: hệ số lực cản khí động
3
: khối lƣợng riêng của không khí, kg/m
v: vận tốc của dòng khí, m/s