Thiết kế, chế tạo ống khí động vòng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

TÍNH TỐN THIẾT KẾ ỐNG KHÍ ĐỘNG VỊNG KÍN CỠ NHỎ
VÀ CÂN KHÍ ĐỘNG SÁU THÀNH PHẦN

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN ĐỨC

Đà Nẵng – Năm 2019
i


TĨM TẮT
Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu
thành phần.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức
Số thẻ SV: 103150033

Lớp: 15C4A

Đồ án này thực hiện thiết kế cân khí động sáu thành phần dựa trên kích thước
buồng thử được thiết kế bởi tác giả khác. Với kết cấu được thiết kế khá đơn giản nhưng
mang lại độ chính xác khá cao, với sự hiệu chỉnh chính xác trên từng cảm biến đo lực
loadcell. Với thiết kế này có thể thực hiện được thí nghiệm với hình xe và cánh máy bay.
Trong nghiên cứu này thực hiện các thí nghiệm chủ yếu với hai mơ hình xe Ahmed và
DrivAer. Tuy là những mơ hình đơn giản nhưng vẫn thể hiện được những đặc điểm tác
dụng của dịng khí lên mơ hình. Ngồi ra nghiên cứu này cịn sử dụng áp kế đa ống để
thực hiện đo sự chênh áp suất trên bề mặt mơ hình với áp suất khơng khí. Kết quả được so
sánh với một tác giả thực hiện mơ phỏng luồng khí trên phần mềm ANSYS Fluent.

ii


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Đức
Số thẻ sinh viên: 103150033
Lớp: 15C4A Khoa:Cơ khí Giao thơng Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
1. Tên đề tài đồ án:
Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần
( Phần thiết kế chế tạo cân khí động sáu thành phần)
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
Vận tốc tối đa của dịng khí qua buồng thử < 40m/s
Kích thước buồng thử 0.4 x 0.6 x 1.0( m)
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
Chương 1: Tổng quan về các thành phần lực khí động tác dụng lên phương tiện
1.1. Lực cản khí động
1.2. Lực nâng khí động học
1.3. Lực bên của khơng khí
1.4. Mơ men liệng (roll)
1.5. Mơ men rẽ hướng (yaw)
1.6. Mơ men chúc - ngóc (pitch)
Chương 2: Tổng quan, giới thiệu về đường ống khí động

2.1. Giới thiệu tổng quan về đường ống khí động
2.2. Các điều kiện tương đồng của thí nghiệm
2.3. Một số đường ống khí động trong thực tế
Chương 6: Thiết kế và chế tạo các thiết bị đo
6.1. Giới thiệu về trang thiết bị đo
6.2. Thiết kế cân khí động sáu thành phần
6.3. Thiết bị đo áp suất
5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
- Bản vẽ cân khí động sáu thành phần
- Giá đỡ cân khí động
- Bản vẽ ống phân kỳ nối giữa ống chuyển hướng và tổ ong
- Bản vẽ buồng thử
iii

(01A3)
(01A3)
(01A3)
(01A3)


6. Họ tên người hướng dẫn: TS. Phan Thành Long
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
02/09/2019
8. Ngày hoàn thành đồ án:
18/12/2019
Đà Nẵng, ngày 18 tháng 12 năm 2019
Trưởng Bộ môn ……………………..
Người hướng dẫn

iv

LỜI NĨI ĐẦU
Gần đây, khái niệm "Cách mạng Cơng nghiệp 4.0" được nhắc đến nhiều trên truyền
thông và mạng xã hội. Cùng với đó là những hứa hẹn về cuộc "đổi đời" của các doanh
nghiệp tại Việt Nam nếu đón được làn sóng này. Và các doanh nghiệp ơ tơ cũng không
ngoại lệ, với sự phát triển của nhiều nhà máy lắp ráp ô tô như Trường Hải, Toyota,
Ford… Đặc biệt, sự ra đời của Vinfast đã ghi danh Việt Nam trên bản đồ ngành công
nghiệp chế tạo xe hơi thế giới. Điều này buộc những kỹ sư trong ngành ơ tơ phải tích cực
nghiên cứu, tìm tịi, học hỏi những công nghệ mới, cũng như thiết kế, cải tạo những ô tô
cũ để phù hợp với nhu cầu hiện nay. Ngày nay, khi một mẫu xe mới ra đời, điều mà rất
nhiều người quan tâm là kiểu dáng và sự tiết kiệm nhiên liệu, góp phần bảo vệ mơi
trường. Do đó, việc thiết kế ra một mẫu xe có kiểu dáng bắt mắt, hình dáng khí động học
tốt là điều rất cần thiết.
Trong đồ án này, em sử dụng các phần mềm mơ phỏng cũng như các mơ hình thử
nghiệm thực tế để tìm hiểu tác động của dịng khơng khí lên một số mẫu xe, từ đó so
sánh, đưa ra những kết luận.
Trong quá trình nghiên cứu, đánh giá, em khơng thể tránh khỏi sai sót. Vì vậy, rất
mong được sự thơng cảm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô giáo và các bạn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS. Phan Thành Long cùng tồn thể
q thầy cơ giáo trong khoa Cơ khí Giao thơng cũng như các bạn đã giúp đỡ em rất nhiều
trong quá trình thực hiện Đồ án này.
Đà Nẵng, ngày 18 tháng 12 năm 2019
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Đức

v

CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài tốt nghiệp của tôi và được hướng dẫn bởi thầy giáo
TS. Phan Thành Long. Đề tài này hoàn thành sau quá trình nghiên cứu, tính tốn của tơi.
Các kết quả được trình bày trong đồ án này đều trung thực, khách quan và chưa
từng được bảo vệ.
Các số liệu, hình vẽ sử dụng trong đồ án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo
đúng quy định. Nếu không đúng như trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về đề tài.
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Đức

vi


MỤC LỤC

TÓM TẮT ....................................................................................................................... ii
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................... iii
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................. v
CAM ĐOAN ...................................................................................................................vi
MỤC LỤC ......................................................................................................................vii
DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .............................................................xi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
1.1. Lực cản khí động.................................................................................................. 3
1.2. Lực nâng khí động học ......................................................................................... 4
1.3. Lực bên của khơng khí......................................................................................... 5
1.4. Mơ men liệng (roll)................................................................................................ 6
1.5. Mô men rẽ hướng (yaw)........................................................................................ 7
1.6. Mô men chúc - ngóc (pitch) .................................................................................. 7
Chương 2: TỔNG QUAN, GIỚI THIỆU VỀ ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG.................. 8

2.1. Giới thiệu tổng quan về đường ống khí động ...................................................... 8
2.1.1. Cơng dụng của đường ống khí động .................................................................. 8
2.1.2. Lịch sử của ống khí động .................................................................................. 8
2.1.3. Phân loại: .......................................................................................................... 9
2.2. Các điều kiện tương đồng của thí nghiệm.......................................................... 11
2.3. Một số đường ống khí động trong thực tế: ........................................................ 12
2.3.1. Đường hầm khí động National Transonic Facility ........................................... 12
2.3.2. National Full-scale Aerodynamic Complex (NAFC) ....................................... 12
Chương 5: CHẾ TẠO VÀ LẮP GHÉP ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG ......................... 14
5.1. Buồng thử ............................................................................................................ 14
5.2. Các ống phân kì .................................................................................................. 15
5.3. Ống chuyển hướng .............................................................................................. 16
5.4. Quạt ..................................................................................................................... 18
5.5. Buồng ổn định ..................................................................................................... 20
5.6. Nón phễu ............................................................................................................. 22
Chương 6: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐO ..................................... 23
vii


6.1. Giới thiệu về trang thiết bị đo............................................................................ 23
6.2. Thiết kế cân khí động sáu thành phần. .............................................................. 24
6.2.1. Giới thiệu chung.............................................................................................. 24
6.2.2. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động cân khí động sáu thành phần .......................... 25
6.2.3. Thiết kế cân khí động sáu thành phần .............................................................. 26
6.2.4. Phân tích và tính lực, momen .......................................................................... 29
6.2.5. Cảm biến lực loadcell...................................................................................... 30
6.2.6. Nguyên lí hoạt động của loadcell .................................................................... 32
6.2.7. Mạch chuyển đổi HX711 ............................................................................... 33
6.2.8. Mắc dây nối cảm biến loadcell ........................................................................ 34
6.2.9. Chương trình đo cân khí động sáu thành phần ................................................. 34

6.2.10. Biến tần Schneider Altivar 312...................................................................... 39
6.2.11. Cảm biến đo vận tốc gió PCE TA-30. ........................................................... 40
6.2.12. Mẫu thí nghiệm ............................................................................................. 42
6.2.11. Mơ tả thí nghiệm ........................................................................................... 44
6.2.12. Kết quả thí nghiệm ........................................................................................ 45
6.3. Thiết bị đo áp suất............................................................................................... 50
6.3.1. Áp kế đa ống ................................................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 54

viii


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

BẢNG 2.1. Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới của mơ hình ơ tơ
BẢNG 6.1. Kết quả đo trên xe Ahmed
BẢNG 6.2. Kết quả đo trên xe DrivAer
BẢNG 6.3 Kết quả đo áp suất
HÌNH 1.1 Lực cản tác dụng lên phía đầu của xe
HÌNH 1.2 Hình dạng cánh máy bay chịu tác dụng lực nâng
HÌNH 1.3 Máy bay cánh nhờ lực nâng
HÌNH 1.4 Lực bên tác động lên ô tô lúc chạy qua vùng có gió ngang
HÌNH 2.6 Bên trong một buồng thử tại NAFC
HÌNH 2.7 Góc nhìn từ trên cao của khu phức hợp
HÌNH 2.1. Một chiếc xe với kích thước thật được đặt trong đường hầm khí động
HÌNH 2.2. Ứng dụng của đường ống khí động trong các lĩnh vực khác.
HÌNH 2.3. Ống khí động loại hở.
HÌNH 2.4. Ống khí động loại vịng kín.
HÌNH 2.5. Góc nhìn từ trên cao và bên trong National Transonic Facility.
HÌNH 2.6 Bên trong một buồng thử tại NAFC

HÌNH 2.7. Góc nhìn từ trên cao của khu phức hợp.
HÌNH 5.1 Mặt trước của buồng thử được làm trong suốt, dạng cửa có thể mở lên/xuống
HÌNH 5.2 Phần đáy của buồng thử cùng với cơ cấu cân khí động.
HÌNH 5.3 Buồng thử cùng với các thiết bị đo đạc và mẫu thử bên trong.
HÌNH 5.4 Ống phân kì trong q trình chế tạo.
HÌNH 5.5 Ống phân kì sau khi hồn thiện.
HÌNH 5.6 Các tấm xương được cắt theo biên dạng và khung xương được ghép từ nhiều
tấm xương.
HÌNH 5.7 Các cánh nắn dịng sau khi đã hồn thiện
HÌNH 5.8 Ở các mép gắp các pát chữ L để định vị vào trong ống chuyển hướng.
HÌNH 5.9 Các cánh được định vị trong phần vỏ ống chuyển hướng.
HÌNH 5.10 Mặt nối vng – trịn vào quạt.
HÌNH 5.11 Quạt
HÌNH 5.12 Biến tần dùng để thay đổi tốc độ quạt
HÌNH 5.13 Các sóng tole
HÌNH 5.14 Các sóng tole
HÌNH 5.15 Cấu trúc tổ ong và buồng ổn định sau khi hồn thành
HÌNH 5.16 Nón phễu sau khi hồn thành
HÌNH 5.17 Tổng quan đường ống sau khi hoàn thành
ix


HÌNH 6.1. Các trang thiết bị đo
HÌNH 6.2. Kích thước cơ bản buồng thử và giá đỡ
HÌNH 6.3. Cân khí động sáu thành phần
HÌNH 6.4. Cấu tạo cân khí động sáu thành phần
HÌNH 6.5. Kích thước cơ bản xe mơ hình Ahmed
HÌNH 6.6. Kích thước cơ bản tam giác và các thanh đỡ
HÌNH 6.7. Kích thước cơ bản hình trịn chắn
HÌNH 6.8. Cơ cấu nâng hạ đi

HÌNH 6.9. Phần dưới cân khí động sáu thành phần
HÌNH 6.10. Phân tích lực tác dụng lên mẫu thử
HÌNH 6.11. Sắp xếp lực trên các loadcell
HÌNH 6.12. Cấu tạo bên ngồi loadcell
HÌNH 6.13. Cấu tạo bên trong loadcell
HÌNH 6.14. Cấu tạo các điện trở bên trong loadcell
HÌNH 6.15. Sơ đồ mạch điện trở loadcell
HÌNH 6.16. Sơ đồ nối dây loadcell
HÌNH 6.17: Mạch chuyển đổi HX711
HÌNH 6.18. Sơ đồ nối dây loadcell
HÌNH 6.19. Nối mạch cân khí động sáu thành phần
HÌNH 6.20. Biến tần Schneider Altivar 312
HÌNH 6.21: Sơ đồ khối hoạt động của biến tần.
HÌNH 6.22: Máy đo gió PCE – TA30.
HÌNH 6.23. Mẫu thí nghiệm
HÌNH 6.24. Kích thước mẫu thí nghiệm xe Ahmed
HÌNH 6.25. Kích thước cơ bản xe mơ hình DrivAer
HÌNH 6.26: Các kết quả đo với vận tốc khác nhau được ghi nhận trên máy tính
HÌNH 6.27: Đồ thị biến thiên lực cản xe Ahmed
HÌNH 6.28. Kết quả đo trên xe DrivAer
HÌNH 6.29. Biến thiên lực cản theo vận tốc xe mơ hình DrivAre
HÌNH 6.30. Áp kế đa ống
HÌNH 6.31. Các rãnh phân bố áp suất
HÌNH 6.32: Kết quả trên áp kế
HÌNH 6.33: Các đồ thị thể hiện sự phân bố áp suất trên bề mặt

x

.

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU:
Q:
Lưu lượng dịng chảy trong đường ống.
PLT: Cơng suất lý thuyết của quạt.
PTT: Công suất thực tế của quạt.
Hiệu suất của quạt.
:
Re: Trị số Reynold của dịng chảy.
DH: Đường kính thủy lực của đoạn ống tương ứng.
 : Khối lượng riêng của khơng khí ở điều kiện phịng.
v:
Vận tốc dịng chảy.
p:
Áp suất
Ma: Số Mach của dòng chảy.
R: Là điện trở strain gauge (Ω)
L: Là chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)
S: Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2)
ρ: Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge
M [Nm]: Mô men quay của tuốc bin.
ρ [kg/m3]: khối lượng riêng của khơng khí.
Q1 [m3/s]: Lưu lượng khơng khí chảy qua các cánh gió của thiết bị.
R1, R2 [m]: Đường kính trong và đường kính ngồi của prơfin cánh.
N [W]: Công suất tạo ra của tuabin do tác dụng của dịng khí chảy qua.
ω [rad/s]: Vận tốc góc của trục tuốc bin.
n: số vòng quay của trục tuốc bin.
Cd: Hệ số cản khí động
A : Diện tích cản chính diện:

ρ : Mật độ khơng khí: ρ
Fx: Lực cản
Fy: Lực bên
Fz: Lực nâng
Mx: Momen Roll
My: Momen Pitch
Mz: Momen Yaw
Cx: Hệ số cản
P0: Áp suất khơng khí

xi


Pa : Áp suất động
ΔP: Chênh áp suất
g: Gia tốc trọng trường
ha : Độ cao cột áp động
h0: Độ cao cột khơng
CHỮ VIẾT TẮT
(Khơng có)

xii


Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần.

MỞ ĐẦU

I. MỤC ĐÍCH LỰA CHỌN ĐỀ TÀI
Hiện nay việc mơ phỏng các q trình cơ học – thủy khí trở nên chính xác và dễ

dàng tiếp cận hơn bao giờ hết. Dù vậy, việc có một thiết bị thí nghiệm trực quan như
đường ống khí động vẫn là cần thiết. Trong đồ án này, em trình bày q trình tính tốn
thiết kế đường ống khí động cỡ nhỏ vịng kín, có thể đo các thành phần khí động của các
phương tiện (vật thể) phục vụ cho giảng dạy và thí nghiệm.
II. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
- Có được cái nhìn tổng quan về khí động học ơ tơ nói chung
- Giới thiệu cơng dụng, cấu tạo, chức năng của ống khí động
- Giới thiệu phương pháp và kết quả mơ phỏng bằng ANSYS Fluent
- Tính tốn thiết kế một đường ống khí động vịng kín cỡ nhỏ
- Chế tạo cân khí động 6 thành phần và đo các thành phần khí động
- Chế tạo đường ống khí động cỡ nhỏ
III. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
1. Phạm vi
- Tính tốn thiết kế đường ống khí động cỡ nhỏ dùng trong giảng dạy và thí
nghiệm ở trường Đại học.
- Mơ phỏng khí động học ơ tơ bằng ANSYS Fluent
- Chế tạo cân khí động 6 thành phần cùng chương trình đo
- Chế tạo đường ống khí động cỡ nhỏ
2. Đối tượng nghiên cứu:
- Đường ống khí động vịng kín cỡ nhỏ, tốc độ thấp
- Các mơ hình xe ô tô cỡ nhỏ
- Các biên dạng cánh (airfoil)
IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
1. Về lý thuyết:
- Sử dụng các nguồn tài liệu sẵn có trên Internet: các nguồn tài liệu cơng khai của
NASA, các báo cáo, giáo trình từ các đường ống khí động đã được chế tạo
trước đây, …
- Các công cụ như M.Excel, Arduino, AutoCAD, ANSYS, ..
2. Về thực nghiệm:
- Chế tạo đường ống khí động vịng kín cỡ nhỏ

- Mơ hình thu nhỏ của các loại xe
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức

Hướng dẫn: TS. Phan Thành Long

1


Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần.

-

Chương trình đo đạc bằng Arduino
Chế tạo cân khí động 6 thành phần dùng cho mơ hình thí nghiệm

V. CẤU TRÚC ĐỒ ÁN
Đồ án tốt nghiệp gồm 8 chương như sau:
Chương 1: CÁC THÀNH PHẦN LỰC KHÍ ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ
Chương 2: TỔNG QUAN, GIỚI THIỆU VỀ ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG
Chương 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ ỐNG KHÍ ĐỘNG
Chương 4: TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG ĐÁNH GIÁ DỊNG CHẢY TRONG ỐNG
KHÍ ĐỘNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD.
Chương 5: CHẾ TẠO VÀ LẮP GHÉP ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG
Chương 6: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐO
Chương 7: MÔ PHỎNG, SO SÁNH, KIỂM NGHIỆM CÁC KẾT QUẢ GIỮA MƠ
PHỎNG VÀ ĐO ĐẠC BẰNG ỐNG KHÍ ĐỘNG
Trong q trình nghiên cứu, đánh giá, em không thể tránh khỏi sai sót. Vì vậy, rất
mong được sự thơng cảm và đóng góp ý kiến của q thầy cơ giáo và các bạn.

.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức

Hướng dẫn: TS. Phan Thành Long

2


Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần.

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THÀNH PHẦN LỰC KHÍ ĐỘNG TÁC
DỤNG LÊN PHƯƠNG TIỆN.

1.1 Lực cản khí động
Một vật thể chuyển động trong mơi trường khơng khí sẽ gây nên sự chuyển dịch các
phần tử khơng khí bao quanh nó và gây nên sự ma sát giữa khơng khí với bề mặt của vật
thể đó. Khi đó các vật thể di chuyển như ô tô, máy bay, tàu hỏa…sẽ làm thay đổi áp suất
khơng khí trên bề mặt của nó, làm xuất hiện các dịng xốy khí ở phần sau của ô tô và gây
ra ma sát giữa khơng khí với bề mặt của chúng. Đo đó sẽ phát sinh lực cản khơng khí,
được kí hiệu là P 
Lực cản trong khí động học được xác định bằng công thức:
1
FD = C Dv 2 A
(1-1)
2
Ở đây:
CD: hệ số cản khơng khí, nó phụ thuộc vào hình dạng vật thể.
A: Diện tích cản chính diện của vật thể (ô tô) (m2)
FD: Lực cản (N)
v: Tốc độ của vật thể (ô tô, máy kéo…) (m/s)

 : Khối lượng riêng chất lỏng (khơng khí) (kg/m3)

Hình 1.5 Lực cản tác dụng lên phía đầu của xe
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức

Hướng dẫn: TS. Phan Thành Long

3


Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần.

Từ thực tế thông thường chúng ta đi xe máy hoặc xe đạp lúc chạy bình thường hoặc
chậm, thì lực cản khơng khí tác dụng khơng đáng kể, nhưng khi chúng ta tăng tốc độ lên
lực cản tăng lên gấp bình phương lần, theo (1-1).
Vì vậy lực cản khơng khí là một yếu tố rất quan trong q trình chế tạo ra một ơ tơ,
máy bay. Để được cho ra một ơ tơ người ta phải tính tốn và kiểm tra nhiều thứ trước và
kiểm tra lực cản khí động cũng là một việc hết sức cần thiết phải thực hiện.
Nếu bề mặt tiết diện nhận gió F của vật di chuyển càng lớn thì lực cản càng lớn theo
(1-1). Do vậy ở ô tô, máy bay hay tàu hỏa người ta thường chế tạo phần đầu nhọn sau đó
tăng dần tiết diện về đi. Điều này giúp cho những phương tiện như chúng giảm được
tiết diện mà gió tác dụng lên nhằm giảm lực cản khơng khí đáng kể.
1.2. Lực nâng khí động học
Lực nâng sinh ra do sự chênh lệch áp suất ở phía trên và phía dưới tạo, ở phía dưới
áp suất cao hơn ở phía trên nên vơ tình nó đã tạo ra lưc nâng.
Một vật di chuyển trong mơi trường khơng khí có hình dạng hình giọt nước, tiêu
biểu như cánh máy bay, ô tô… luôn luôn có lực nâng.
Tương tự lực cản, lực nâng được tính theo cơng thức:
1
FL = CLv 2 A

(1-2)
2
Với FLlà lực nâng (N) và CL là hệ số nâng tương ứng.

Hình 1.6 Hình dạng cánh máy bay chịu tác dụng lực nâng
Xem hình 1.2 ta thấy tốc độ phía trên cánh máy bay nhanh hơn phía dưới cánh và
đối lập với điều này áp suất lại tạo ra phía dưới cao hơn phía trên cánh. Chính sự chênh
lệch áp suất này đã tạo nên một lực từ phía dưới cánh lên trên cánh. Hay còn gọi là lực
nâng.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức

Hướng dẫn: TS. Phan Thành Long

4


Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần.

Có một điều đặc biệt nữa những hình dạng giọt nước như thế này nó giảm được lực
cản đáng kể, vì dịng chảy khơng khí phía sau cánh bị rối ít nên vùng chân khơng ở sau
đi ít hơn những hình hạng khí động học xấu khác như hình vng, cầu…

Hình 1.7 Máy bay cánh nhờ lực nâng
1.3. Lực bên của khơng khí
Lực bên xuất hiện khi ơ tơ, máy bay, tàu cao tốc…qua vùng trống có gió ngang thổi
mạnh vào bề mặt hông của vật thể di chuyển.
Nếu lưc nâng mạnh có thể gây tác động nguy hiểm đến các phương tiện như ô tô, xe
máy, xe đạp… Trường hợp nguy hiểm nó có thể làm quay đầu hoặc thổi lật xe ơ tơ, xe
máy…

Hình 1.8 Lực bên tác động lên ô tô lúc chạy qua vùng có gió ngang
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức

Hướng dẫn: TS. Phan Thành Long

5


Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần.

Lực ngang cũng một thanh phần rất quan trọng, nên người ta thường phải thí nghiệm
để đánh giá và để giải quyết các vấn đề ô tô thường gặp phải gió ngang nhằm tránh xảy ra
trường hợp lật hay xoay xe, rất nguy hiểm.

Hình 1.9 Lực bên tác dụng lên tàu cao tốc
1.4. Mô men liệng (roll)
Momen liệng được tạo ra từ một lực và khoảng cách làm cho một vật có xu hướng
liệng, nghĩa là quay quanh trục của nó.
Trong động lực học của xe , momen liệng có thể tích là tích của ba đại lượng:
- Khối lượng xe tang đột ngột , phần khối lượng được hỗ trợ bởi hệ thống treo.
- Bất cứ gia tốc bên nào mà xe gặp phải , thông thường là qua một khúc cua.
- Khoảng cách dọc giữa trục lăn và trọng tâm của nó.
Trong phương tiệng hai trục như ô tô và một số xe tải trục lăn của nó là đường
thẳng nối hai tâm cuộn của mỗi trục.

Hình 1.6 Trục Roll được thể hiện trên ơ tơ
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức

Hướng dẫn: TS. Phan Thành Long

6


Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần.

1.5. Mô men rẽ hướng (yaw)
Momen rẽ hướng yaw là một chuyển động xung quanh trục pháp tuyến của một vật
làm thay đổi hướng của nó đang di chuyển, sang trai hoặc sang phải theo hướng di chuyển
của nó. Tốc độ rẽ của ơ tơ, máy bay, đạn là vận tốc góc của vịng quay này hoặc tốc độ
đổi góc quay của người lái. Nó thường được đo bằng mỗi giây hoặc radian mỗi giây.

Hình 1.7 Sơ đồ minh họa lực tác dụng của momen yaw
Sơ đồ minh họa một chiếc xe bốn bánh, trong đó trục trước cách trọng tâm xe là b, trục
sau là b. Thân xe chỉ theo hướng có góc θ trong khi nó đang di chuyển theo hướng có góc
ψ. Nói chung những điểu này không giống nhau. Các lốp xe ở khu vực của điểm tiếp xúc
theo hướng di chuyển , nhưng trung tâm được lien kết với than xe, với tay lái. Các lốp xe
biến dạng khi chúng xoay để phù hợp với sự lien kết, và tạo ra lực bên.
1.6. Mơ men chúc - ngóc (pitch)
Trong khí động học, momen ngóc trên một chiếc máy bay là momen được tạo ra bởi
lực khí động tác dụng vào máy bay làm nó quay lên hoặc xuống quanh trục tâm của nó,
hay là cánh máy bay. Momen ngóc trên cánh máy bay là một phần của tổng hợp lực phải
cân bằng bằng cách sử dụng lực nâng trên bộ ổn định ngang. Tổng qt hơn, một momen
ngóc bất kì được tạo ra khi tác dụng lực lên trục ngang của nó đang chuyển động.

Hình 1.8 Thay đổi momen ngóc (Pitch) trên máy bay
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức

Hướng dẫn: TS. Phan Thành Long

7

Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần.

Chương 2: TỔNG QUAN, GIỚI THIỆU VỀ ĐƯỜNG ỐNG KHÍ ĐỘNG

2.1. Giới thiệu tổng quan về đường ống khí động
2.1.1. Cơng dụng của đường ống khí động
Đường ống khí động là thiết bị dùng để nghiên cứu dịng chảy của chất lỏng qua
các bề mặt cũng như sự tương tác của những bề mặt này với dòng chảy. Các bề mặt này
thường là mơ hình (với tỉ lệ thu nhỏ hoặc tỉ lệ thực) của những vật thể/phương tiện cần
thiết kế hoặc kiểm tra. Kết quả của những thí nghiệm này mơ phỏng một cách chính xác
khí động học của các phương tiện/vật thể trong quá trình làm việc thực tế.

Hình 2.1 Một chiếc xe với kích thước thật được đặt trong đường hầm khí động
2.1.2. Lịch sử của ống khí động
Những đường ống khí động đầu tiên được chế tạo từ hơn 100 năm trước, bắt đầu từ
đường ống do Francis Wenham thiết kế xây dựng năm 1871. Những đường ống được chế
tạo tiếp sau đó và cho đến tận một thời gian dài sau này chỉ được sử dụng cho một mục
đích duy nhất là thiết kế và kiểm nghiệm khí động học cho máy bay. Tuy nhiên, từ nửa
sau TK XX, việc nghiên cứu và tối ưu khí động học đã mở rộng sang các lĩnh vực khác
như công nghiệp ô tô, xây dựng, giáo dục,…
Đứng trên quan điểm vật lý, người ta nhận ra rằng kiểu thiết kế phần đuôi vuông
vức như những chiếc xe ngựa hoàn toàn “phản khoa học”. Khi chiếc xe di chuyển, phần
đi hình vng sẽ tạo nên một vùng chân khơng do hình thành dịng khơng khí chuyển
động hỗn loạn và xốy. Áp suất lớn phía đầu, cộng với áp suất chân khơng phía đi xe sẽ
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức

Hướng dẫn: TS. Phan Thành Long

8


Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần.

tăng cường đáng kể lực cản khơng khí, làm chiếc xe phải sinh nhiều công hơn. Để khắc
phục trở ngại đó, phần đi được thiết kế lại bằng những nét vuốt thon theo quỹ đạo
chuyển động, khiến dòng khí tuần tự thốt ra phía sau xe mà khơng hình thành bất cứ
điểm xốy cục bộ nào. Từ đó đến nay ngành công nghiệp xe hơi đã tiến 1 bước rất dài.
Tất cả các kiểu xe ngày nay điều chú trọng đến khí động lực học và điều đó đã khiến cho
xe hao ít nhiên liệu hơn xưa. Do vậy, các đường ống khí động được chế tạo ngày một

nhiều và thiết kế được cải tiến, tối ưu dần theo thời gian.
Hình 2.2 Ứng dụng của đường ống khí động trong các lĩnh vực khác.
2.1.3. Phân loại:
Dựa trên tốc độ dịng chảy, ta có thể phân các đường ống khí động thành các loại:
- Đường ống khí động tốc độ thấp, với 0 < Ma < 0.8
- Đường ống với vận tốc cận âm, 0.8 < Ma < 1.2
- Đường ống với vận tốc vượt âm, 1.2 < Ma < 5
- Đường ống với vận tốc siêu âm, Ma > 5
Hoặc cũng có thể phân loại theo mơi chất làm việc:
- Đường ống với môi chất là nước
- Đường ống với mơi chất là khơng khí
- Đường ống với môi chất là Hidro, Helium, …
Tuy nhiên phổ biến hơn cả là cách phân loại theo hình dáng: đường ống khí động
dạng hở và đường ống khí động dạng vịng kín (lưu thơng tuần hồn).
Đường ống khí động dạng vịng hở (Open circuit wind tunnel) có ưu điểm là cấu
tạo đơn giản, chi phí chế tạo và xây dựng thấp; kèm theo các nhược điểm là chịu ảnh
hưởng của nhiệt độ, gió tại khu vực bố trí, tiêu tốn nhiều năng lượng, tiếng ồn lớn, … Do
đó các đường ống dạng này chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực giáo dục hoặc nghiên cứu ở

các trường đại học.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức

Hướng dẫn: TS. Phan Thành Long

9


Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần.

Khác với đường ống dạng hở, đường ống loại vịng kín có các bộ phận để chuyển
hướng dịng khí, khiến chúng lưu thơng tuần hồn trong ống kín, nhờ đó mà năng lượng
tiêu tốn để vận hành ít hơn, độ ồn thấp hơn cũng như không bị ảnh hưởng bởi mơi trường
xung quanh.

Hình 2.3 Ống khí động loại hở.

Hình 2.4 Ống khí động loại vịng kín.
Khi thiết kế chế tạo một ống khí động, các yếu tố cần quan tâm đến thường là:
- Tốc độ dòng chảy tại khu vực thử đạt trị số mong muốn, chất lượng dịng chảy
đồng đều, ổn định, ít nhiễu loạn.
- Tỉ lệ thu nhỏ của mơ hình có thể đặt được vào khu vực thử.
- Độ chính xác của kết quả thu được.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức

Hướng dẫn: TS. Phan Thành Long

10

Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần.

-

Cân bằng giữa kích thước và chi phí chế tạo.

2.2. Các điều kiện tương đồng của thí nghiệm
Trong hầu hết các trường hợp, đường ống khí động và mẫu thử được chế tạo theo tỉ
lệ thu nhỏ so với ngun mẫu. Vì vậy sự tương tác giữa dịng chảy với mẫu thử và sự
tương tác trong thực tế là khơng giống nhau.
Do đó, để kết quả thu được là chính xác và có ý nghĩa, cần phải thỏa mãn các “điều
kiện tương tự” (đồng dạng) cho thí nghiệm. Các “tương tự” này bao gồm “tương tự hình
học”, “tương tự động học” và “tương tự động lực học”. Chúng liên quan đến các đại
lượng không thứ nguyên sau:
- Số Reynold, biểu thị độ lớn tương đối giữa ảnh hưởng gây bởi lực quán tính và
lực ma sát trong (tính nhớt) lên dòng chảy.
- Số Mach, biểu hiện tỉ số giữa vận tốc chuyển động của vật thể trong một mơi
trường nhất định (hoặc vận tốc tương đối của dịng vật chất) đối với vận tốc âm thanh
trong môi trường đó. Trong khí động lực học, số Mach đặc trưng cho mức độ chịu nén
của dịng chất khí chuyển động.
- Số Froude, đặc trưng cho tương quan giữa tác động của lực qn tính và trọng
lực đối với dịng chảy.
Đại lượng cuối cùng – số Froude thường chỉ được xét tới trong các thí nghiệm
“động”, nghĩa là với mẫu thử chuyển động tương đối trong khu vực thử. Còn trong trường
hợp mơ hình thí nghiệm được gắn cố định trong buồng thử, trị số Reynold và số Mach
đóng vai trị quyết định. Nếu điều kiện thí nghiệm và điều kiện thực tế có cùng số
Reynold và số Mach (cùng với điều kiện đồng dạng về hình học), ta gọi chúng “tương tự
động lực học” với nhau. Nghĩa là “sự phân bố và tỉ lệ về cường độ của các loại lực tác
dụng lên hai kết cấu thực và mơ hình là như nhau”.

Giả sử số Reynold trong thí nghiệm cần phải giống với trong thực tế, nghĩa là:
Re m = Re p
Hay:

 ρVL   ρVL 

 =

μ

m  μ p

(2.1)

 μ   ρ p  Lp 
 υm   L p 
=V
=> Vm =Vp  m   
(2.2)
 p   

μ  ρ
L
υ
L
 p   m  m 
 p  m 
Từ công thức ta thấy được, với tỉ lệ mẫu thử như 1:20, 1:30,… thì việc thỏa mãn
cơng thức trên gần như là khơng thể vì vận tốc vm cần đạt được trong khu vực thử sẽ là
rất lớn (nếu không sử dụng đến loại chất lỏng thí nghiệm khác). Vì vậy, trong thực tế ở

các đường ống khí động loại nhỏ với tốc độ thấp, điều kiện này thường được bỏ qua.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức

Hướng dẫn: TS. Phan Thành Long

11


Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần.

2.3. Một số đường ống khí động trong thực tế:
2.3.1. Đường hầm khí động National Transonic Facility
Cơ sở thí nghiệm National Transonic Facility sử dụng một đường ống khí động cận
âm vịng kín, sử dụng khí ni tơ đông lạnh áp suất cao để mô phỏng các quá trình vận hành
của các máy bay một cách chính xác nhất. Các mẫu thử nghiệm thậm chí có thể chỉ nhỏ
bằng 1/15 so với kích cỡ thực của máy bay.
Những phương tiện hàng khơng được thử nghiệm tại đây có thể kể đến Boeing
777, Boeing 767, các tàu con thoi và tên lửa đẩy, máy bay ném bomb B-2, máy bay F-18
Hornet,….

Hình 2.5 Góc nhìn từ trên cao và bên trong National Transonic Facility.
2.3.2. National Full-scale Aerodynamic Complex (NAFC)
National Full-scale Aerodynamic Complex tại trung tâm nghiên cứu NASA Ames
(NASA Ames Research Center) còn được biết đến như là đường hầm khí động lớn nhất
thế giới, được hồn thành vào năm 1987, nó có thể thử nghiệm những máy bay với kích
thước nguyên bản, thậm chí những máy bay lớn như Boeing 737.

Hình 2.6 Bên trong một buồng thử tại NAFC
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức

Hướng dẫn: TS. Phan Thành Long

12


Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo ống khí động vịng kín cỡ nhỏ và hệ thống cân khí động sáu thành phần.

Hình 2.7 Góc nhìn từ trên cao của khu phức hợp.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức

Hướng dẫn: TS. Phan Thành Long

13