Nghiên cứu tính toán lực cản khí động của xe khách thông qua mô phỏng số CFD

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG
CỦA XE KHÁCH THÔNG QUA MÔ PHỎNG SỐ CFD
STUDY ON COMPUTATION OF AERO-DYNAMIC
FORCE ACTING ON BUS BY USING CFD
Đỗ Tiến Quyết, Trần Quang Thanh, Phạm Văn Trọng
Email:
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 10/8/2017
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 22/9/2017
Ngày chấp nhận đăng: 26/9/2017
Tóm tắt
Lực cản khí động tác dụng lên vỏ ô tô khách chuyển động với vận tốc cao chiếm hầu hết tổng thành
phần lực cản tác động lên xe, làm tiêu thụ một phần đáng kể công suất của động cơ. Đây là một trong
những nguyên nhân làm gia tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Bài báo trình bày
phương pháp và một số kết quả tính toán xác định lực cản khí động trên vỏ ô tô khách thông qua mô
phỏng số CFD. Thông qua kết quả tính toán mô phỏng có thể là cơ sở quan trọng để ứng dụng trong
nghiên cứu tối ưu thiết kế khí động học vỏ xe khách cũng như giúp vận hành khai thác xe tốt nhất.
Từ khóa: Xe khách; lực cản khí động; công suất; tiêu thụ nhiên liệu; CFD.
Abstract
Aerodynamic drag acting on bus at high speed is almost of the total drag, it takes a large amount engine
power for the bus transportation. These is one of reasons which increases the fuel consumption and air
pollution. In this paper, authors present a study on computated aero dynamic drag acting on a bus by
using a commercial CFD code. The results of research may be useful for optimal bus design and safety
of bus transportation.
Keywords: Bus; aerodynamic drag; engine power; fuel consumption; CFD.

1. GIỚI THIỆU CHUNG
Khi ô tô chuyển động trên đường, sự tương tác
giữa xe và không khí xung quanh là phạm vi

nghiên cứu của khí động học. Nghiên cứu khí
động học góp phần rất lớn vào sự phát triển của
ngành công nghiệp ô tô, vì vậy đã từ lâu các nhà
khoa học đã nghiên cứu vấn đề khí động học trên
ô tô nhằm giải quyết những vấn đề chính 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 mômen gây mất ổn định
chuyển động nhằm nâng cao tính an toàn chủ
động, đặc biệt là đối với các loại ô tô có tốc độ cao
hay trong trường hợp gặp gió ngang lớn.
- 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 [1].
Ô tô khách đang được sử dụng phổ biến ở Việt
Nam để vận chuyển hành khách trên những
tuyến đường dài, trong đó ô tô lắp ráp trong nước
chiếm tỷ trọng cao. Do có kích thước lớn, loại ô tô
này chịu lực cản khí động rất lớn, đặc biệt là khi
chuyển động trên đường quốc lộ hoặc đường cao
tốc với vận tốc cao.
Theo lý thuyết, lực cản khí động được xác định
theo công thức:
(1)
Trong công thức trên, khối lượng riêng của không

khí ρ là thông số không thể thay đổi. Để giảm lực
cản, nếu giảm diện tích cản chính diện A thì không

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 57


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
gian sử dụng bị giảm, còn nếu giảm vận tốc V thì
sẽ làm giảm năng suất vận chuyển. Vì vậy, giải
pháp duy nhất để giảm lực cản không khí là tạo
hình dạng khí động học tối ưu để có được hệ số
cản Cx nhỏ nhất. Để giảm Cx cần có những nghiên
cứu sâu cả về lý thuyết và thực nghiệm nhằm xác
định được các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó đề
xuất các giải pháp cải thiện kết cấu phù hợp [3].
Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện chủ yếu
trong thiết bị chuyên dụng gọi là ống khí động.
Hiện nay, các ống khí động đã tạo được điều kiện
thử ngày càng gần với thực tế hơn: thử ô tô với
kích thước thật, tạo được môi trường, điều kiện
thử phong phú (thay đổi nhiệt độ, áp suất, tạo
mưa, nắng,...) và đặc biệt là các thiết bị đo hiện
đại đã cho phép thực hiện những thí nghiệm với
độ chính xác cao và mở rộng phạm vi nghiên cứu.
Ống khí động (hình 1) là thiết bị dùng trong nghiên
cứu thực nghiệm khí động học ô tô. Nó là một
ống khí với buồng thử có tiết diện được thu hẹp
lại nhằm mục đích tăng vận tốc thử. Ô tô thí
nghiệm (hoặc mẫu thử) được gắn trên một bàn
đo, đặt trong buồng thử. Nếu ống khí động có kích

thước đủ lớn thì người ta sử dụng vỏ xe thực để
thí nghiệm. Còn nếu ống có kích thước nhỏ thì
thay cho xe thật là mẫu thử có hình dạng hoàn
toàn giống xe thật nhưng kích thước nhỏ hơn,
tương thích với kích thước của buồng thử. Thông
thường thì mẫu thử được chế tạo bằng gỗ hoặc
plastic (hình 2) [2].

Nghiên cứu lý thuyết dựa trên những phương
pháp mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh
ô tô dựa trên phương trình Navier - Sokes. Đây là
một bài toán hết sức phức tạp và vẫn đang là mối
quan tâm hàng đầu của những nhà nghiên cứu
khí động trên thế giới. Cho tới ngày nay người
ta vẫn chưa tìm được lời giải đầy đủ được bằng
phương pháp giải tích. Vì vậy, đã từ lâu các nhà
nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng các mô
hình đơn giản hóa và các phương pháp giải gần
đúng có độ chính xác cao với sự trợ giúp của máy
tính [4, 5].
Do đó nhóm tác giả đã sử dụng phần mềm chuyên
dụng ANSYS - FLUENT 18.1 để mô phỏng dòng
chảy không khí bao quanh vỏ xe và từ đó tính toán
xác định hệ số cản Cx. Đây là công cụ mô phỏng
dòng chảy hiệu quả và có độ chính xác cao, được
nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới chấp nhận và
sử dụng. Trên cơ sở thống kê và nghiên cứu các
loại xe khách hiện đang khai thác sử dụng tại Việt
Nam, nhóm tác giả lựa chọn xe khách THACO
HB120SL-H380R-14 làm đối tượng nghiên cứu

trong bài báo này. Hình 3 thể hiện các thông số
kích thước tính toán thiết kế sử dụng trong nghiên
cứu. Các thông số kích thước cơ bản của tàu
được thể hiện trong bảng 1.

Hình 3. Thông số kích thước của xe khách
THACO HB120SL-H380R-14
Bảng 1. Kích thước cơ bản của xe khách THACO
HB120SL-H380R-14
Tên

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý làm việc
của ống khí động [3]

Ký hiệu

Giá trị

Đơn vị

Chiều dài
tổng thể

L

12050

mm

Chiều rộng

tổng thể

W

2500

mm

Chiều cao
tổng thể

H

3500

mm

2. MÔ HÌNH, MIỀN KHÔNG GIAN TÍNH TOÁN,
CHIA LƯỚI VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN
2.1. Xây dựng mô hình 3D
Hình 2. Mô hình vật mẫu bằng plastic
trong ống khí động [2]

Trong tính toán mô phỏng số CFD, cần thực hiện
xây dựng mô hình tính toán mô phỏng. Trong
nghiên cứu này, trên cơ sở thông số kích thước

58 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
của xe khách tham khảo, mô hình xe khách được
mô phỏng trong không gian ba chiều thông qua sử
dụng phần mềm SolidWorks 2016. Đây là bước
đầu tiên và cũng là bước khá quan trọng trong quá
trình tính toán mô phỏng số CFD.

lại thành 54.000 x 14.000 x 25.000 (mm). Vùng
không gian mô phỏng được minh họa trên hình
5 [3, 4].

Khi thực hiện mô phỏng, để phù hợp với khả năng
tính toán của máy tính nhưng vẫn đảm bảo được
tính đúng đắn, độ tin cậy và sự tương thích của
bài toán nghiên cứu với thực tiễn, bài báo sử dụng
các giả thiết sau:
- 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 của xe như
gạt mưa, các gân, gờ, tay nắm cửa,...).
- Vận tốc dòng khí tại đầu vào của không gian mô
phỏng có hướng song song với trục dọc của xe,
thổi theo 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 vùng không gian mô phỏng bằng 0 m/s [3].

Mô hình 3D của xe khách tham khảo được thể
hiện trên hình 4.

Hình 5. Miền không gian tính toán cho mô hình
2.3. Chia lưới cho vùng không gian tính toán
Chất lượng lưới của mô hình mô phỏng trong
CFD sẽ quyết định độ chính xác kết quả tính toán
của bài toán mô phỏng khí động. Để đảm bảo
chất lượng lưới của mô hình tốt, những phần tử
nằm sát bề mặt vỏ xe, bước lưới được chia rất
nhỏ. Sở dĩ kích thước phần tử lưới ở sát bề mặt
vỏ xe được chọn như vậy vì ở khu vực lớp biên,
các thông số của dòng chảy thay đổi rất nhanh
trong không gian nên cần được mô tả một cách
chi tiết để đảm bảo được độ chính xác của kết quả
mô phỏng.
Tuy nhiên, nếu cứ duy trì bước chia như vậy
trong toàn bộ không gian tính toán thì số lượng
phần tử và khối lượng tính toán sẽ cực lớn. Vì
vậy, kích thước của phần tử ở vùng biên phải đủ
nhỏ, đủ mịn để đảm bảo độ chính xác của kết quả
mô phỏng, nhưng ở các vùng xa biên, bước lưới
được chọn phải thưa dần để có được số lượng
phần tử phù hợp với khả năng của máy tính.
Các thông số lưới của mô hình được thể hiện
trong bảng 2. Hình ảnh chia lưới của mô hình
được minh họa trên hình 6.

Hình 4. Mô hình 3D của xe khách THACO
HB120SL-H380R-14

2.2. Xây dựng miền không gian tính toán
Nếu chọn vùng không gian tính toán quá lớn thì
yêu cầu cấu hình máy tính rất mạnh cũng như thời
gian tính toán rất lâu. Vì vậy, để phù hợp với máy
tính được sử dụng trong quá trình nghiên cứu và
vẫn đảm bảo tính chính xác của một bài toán mô
phỏng CFD thì vùng không gian chia lưới được
xác định như sau: kích thước dài x rộng x cao
của vùng không gian mô phỏng được điều chỉnh

Bảng 2. Các thông số lưới của mô hình
Thông số
Kiểu lưới
Số nút

Giá trị

Tet 4 và Wed 6
751561

Số phần tử

2791507

Hệ số bất đối xứng của
phần tử

0,23794

Hệ số lệch hướng của phần tử

4,8659

Chất lượng độ trực giao của
phần tử

0,75

Chất lượng chung của phần tử

0,73

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 59


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Hình 6. Lưới của miền không gian tính toán
2.4. Đặt các điều kiện biên
Để có thể giải bài toán khí động bằng mô phỏng
CFD cần các điều kiện biên (hay các thông số ban
đầu) cho bài toán. Các điều kiện biên của bài toán
được thể hiện trong bảng 3.
Bảng 3. Các điều kiện biên
Tên

Mô hình rối
Đầu vào
Đầu ra

Giá trị

Đơn vị

k-epsilon

-

Velocity inlet

-

Pressure outlet

-

Vận tốc vào, V

33,33

m/s

Áp suất ra, p

1,025

105 N/m2

Khối lượng
không khí, ρ

1,225

kg/m3

Độ nhớt động
học, υ

1,789

10-5 kg/ms

3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG
Sau khi tính toán mô phỏng thu được các đồ thị
phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe, phân bố áp
suất trong mặt phẳng đối xứng dọc của xe, vectơ
vận tốc tại mặt phẳng đối xứng dọc của xe như
minh họa trên hình 7, 8, 9.

Hình 9. Vectơ vận tốc tại mặt phẳng
đối xứng dọc của xe
Hình 7 cho thấy trên vỏ xe tồn tại những vùng có
áp suất dương, những vùng áp suất âm và các
xoáy thấp áp. Chính sự chênh áp này là yếu tố cơ
bản để tạo nên lực cản khí động.
Có thể thấy rõ trên hình 8, ở vùng đầu xe là áp
suất dương, sau đó áp suất gần như là âm trên
toàn bộ chiều dài của vỏ xe. Đặc biệt áp suất trở
nên rất thấp ở các nơi hình thành vùng xoáy (khu
vực tiếp giáp giữa kính trước và nóc xe, phần đầu

của giàn nóng điều hòa, đuôi giàn nóng điều hòa
và đuôi xe).
Các hình ảnh về vectơ vận tốc tại mặt phẳng đối
xứng dọc của xe trên hình 9 chỉ rõ những nơi hình
thành xoáy thấp áp có ảnh hưởng lớn đến lực cản
khí động. Loại bỏ được hoặc giảm kích thước của
những vùng xoáy này đồng nghĩa với việc giảm
hệ số cản Cx.
Cùng với các dữ liệu hình ảnh áp suất, vận tốc ở
trên, việc mô phỏng dòng khí chuyển động bao
quanh vỏ xe khách tham khảo còn cho các kết
quả ở dạng số như trong bảng 4. Dấu “-’’ trước giá
trị thể hiện chiều của lực ngược chiều với chiều
dương của trục tọa độ tương ứng
Bảng 4. Hệ số cản, lực cản khí động

Hình 7. Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe

Hình 8. Phân bố áp suất trong mặt phẳng
đối xứng dọc của xe

Tên

Ký hiệu

Giá trị

Đơn vị

Hệ số cản

Cx

0,635

-

Lực cản

Fx

- 2220.58

N

Để có thể giảm hệ số Cx, từ đó giảm suất tiêu
hao nhiên liệu cần cải thiện một số thông số khí
động học cơ bản của vỏ xe khách như minh họa
trên hình 10. Tuy nhiên, việc cải thiện kết cấu của
vỏ xe khách nhằm giảm thiểu lực cản khí động
mà không gây ảnh hưởng lớn đến không gian sử
dụng cũng như tính thẩm mỹ của nó.

60 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
khách mà thực nghiệm khó quan sát được với chi
phí thấp và có độ chính xác cao.
- Trong việc giảm lực cản khí động cần làm giảm

kích thước vùng xoáy thấp áp sinh ra phần lớn tại
phía sau đuôi xe bằng việc thay đổi một số thông
số khí động học cơ bản của vỏ xe.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Hình 10. Các thông số khí động cơ bản
của vỏ xe khách [3]
4. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày nghiên cứu tính toán lực cản
khí động của xe khách thông qua sử dụng CFD.
Dưới đây là một số kết luận của bài báo:
- Công cụ tính toán mô phỏng số CFD (phần mềm
ANSYS - FLUENT) có vai trò quan trọng trong
việc dự đoán các hiện tượng khí động lực học
phát sinh khi xe khách chạy. Kết quả tính toán mô
phỏng số có thể trợ giúp các nhà nghiên cứu trong
đánh giá tác động lực cản khí động học lên xe

[1]. W.H. Hucho (1988). Aerodynamics of Road
Vehicles: From Fluid Mechanics to Vehicle
Engineering. SAE International.
[2]. M. Laurent Burgade. Aérodynamique Automobile:
Approche numérique et expérimentale. PSA
Peugeot-Citroen, session 1995-1996.
[3]. Tô Hoàng Tùng (2016). Nghiên cứu cải thiện dạng
khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam.
Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[4]. Introduction to ANSYS Fluent (2012), Release
14.5, November 15.
[5]. J. Blazek (2001). Computational Fluid Dynamics:
Principles and Applications. Elsevier.

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 61