NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN DẠNG KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TƠ HỒNG TÙNG

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TƠ HỒNG TÙNG

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

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

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

Hà Nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự hướng dẫn
khoa học của PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan và PGS.TS Hồ Hữu Hải. Các kết quả nghiên
cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng để bảo vệ ở bất kỳ
học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám
ơn, các thơng tin trích dẫn trong luận án này đều được 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

Tơ Hồng Tùng


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới người hướng dẫn
chính: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan - thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, định hướng và
giúp đỡ tôi trong suốt q trình tơi 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 q trình tơi thực hiện
luận án, với vai trị là người hướng dẫn, thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi
điều 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 Đại học Bách khoa Hà Nội (nay là Viện nghiên
cứu Quốc tế về Khoa học và Kỹ thuật tính tốn), trực tiếp là PGS.TS Nguyễn Việt Hùng và
các cộng sự.
Xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới tồn thể cán bộ, nhân viên Phịng thí nghiệm
khí động học của Viện Kỹ thuật quân sự Phịng khơng - Khơng qn.
Xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến các thầy của Bộ mơn Ơ tơ và xe chuyên dụng,
Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội với những góp ý rất thiết thực
trong suốt q trình tơi thực hiện luận án.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cơ quan tôi đang cơng tác: Phịng Chất lượng xe
cơ giới, Cục Đăng kiểm Việt Nam đã tạo điều kiện, ủng hộ, giúp đỡ tơi về mọi mặt trong
q trình tơi theo học Nghiên cứu sinh.
Xin gửi lời cảm ơn tới các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp vì sự giúp đỡ thiết
thực cho luận án này.
Xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới gia đình tơi, những người đã ln bên cạnh
tơi, động viên, chia sẻ những khó khăn và là động lực để tơi hồn thành luận án.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

Nghiên cứu sinh

Tơ Hồng 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, ĐỒ THỊ

iv

MỞ ĐẦU

1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ 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 Định hướng phát triển

4

1.1.3 Thực trạng và nhu cầu nâng cao chất lượng

4

1.2 Khí động học ơ tơ

5

1.2.1 Khí động lực học và các thơng số đặc trưng

6

1.2.2 Lực cản khơng khí

7

1.2.3 Cấu trúc vỏ xe và sự hình thành các vùng xốy thấp áp

12

1.2.4 Lý thuyết tương tự trong khí động học ơ tơ

18

1.3 Tình hình nghiên cứu khí động học ơ tơ

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 đây

25

1.4 Công nghệ sản xuất vỏ ô tô khách ở Việt Nam và tính cấp thiết của vấn
đề 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 Đối 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 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC VỎ XE
KHÁCH

32
33

2.1 Cơ sở lý thuyết khí động học

33

2.1.1 Các phương trình cơ bản

33

2.1.2 Mơ phỏng dịng chảy khơng khí

33

2.1.2.1 Các cơng cụ tốn học và ký hiệu quy ước

33

2.1.2.2 Các phương trình mơ phỏng

35

2.1.2.3 Các thơng số đặc trưng

36

2.1.2.4 Mơ phỏng dòng chảy rối

38

2.1.2.5 Phương pháp số để giải bài tốn khí động học

44

2.2 Mơ phỏng khí động học vỏ xe bằng ANSYS - FLUENT

45

2.2.1 Giới thiệu chung về ANSYS - FLUENT

45

2.2.2 Mơ phỏng dịng chảy khơng 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 mơ hình mơ phỏng dịng chảy rối trong FLUENT

47

2.3 Mơ hình khí động học vỏ xe khách trong FLUENT

47

2.3.1 Hệ phương trình mơ tả dịng chảy

47

2.3.2 Mơ hình 3D vỏ xe khách

49

2.3.3 Xác định v ng không gian mô phỏng

50

2.3.4 Chia lưới

52

2.3.5 Các ràng buộc và điều kiện tính tốn

56

2.3.6 Phương pháp tính tốn lực khí động

56

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

58
59

3.1 Phương pháp nghiên cứu

59

3.2 Các thông số đầu vào và một số giả thiết của bài tốn mơ phỏng

61

3.2.1 Lựa chọn các thông số của vỏ xe khách

61

3.2.2 Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu của bài tốn mơ phỏng

61

3.3 Xây dựng mơ hình hình học, xác định vùng khơng gian mô phỏng

62

3.4 Chia lưới và đặt các điều kiện ràng buộc của bài tốn mơ phỏng

63

3.5 Đặt các điều kiện tính tốn

64

3.6 Mơ phỏng và tính tốn khí động học vỏ xe cơ sở

65

3.7 Khảo sát ảnh hưởng của các thơng số kết cấu tới khí động học vỏ xe

72

3.7.1 Góc nghiêng kính chắn gió phía trước của xe

72


3.7.2 Góc nghiêng kính hậu

76

3.7.3 Góc vát hai thành bên ở phía đi xe

79

3.7.4 Lựa chọn sơ bộ các góc vát

82

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

82

3.7.6 Bán kính góc lượn giữa kính hậu và nóc xe

85

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

86

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

89

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

93

3.7.10 Lựa chọn dạng mơ hình hồn chỉnh, tính tốn khảo sát và đánh giá

98

3.7.11 Đánh giá kết quả tính tốn mơ phỏng

103

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

104

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

109
110
110

4.1.1 Mục đích

110

4.1.2 Vấn đề nghiên cứu

110

4.1.3 Phương pháp nghiên cứu

113

4.2 Thí nghiệm trong ống khí động

114

4.2.1 Trang thiết bị thí nghiệm

114

4.2.2 Thí nghiệm trong ống khí động

122

4.3 Mơ phỏng thí nghiệm trong ống khí động

127

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

chia lưới

127

4.3.2 Đặt điều kiện, mô phỏng và phân tích kết quả

128

Kết luận chương 4

134

KẾT LUẬN

135

TÀI LIỆU THAM KHẢO

137

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

Fx

Lực khí động theo phương dọc

N

Fz

Lực khí động theo phương ngang

N

Fy

Lực khí động theo phương thẳng đứng

N

Cx

Hệ số cản khí động theo phương dọc

-

Cz

Hệ số cản khí động theo phương ngang

-

A

Diện tích cản chính diện



Khối lượng riêng của khơng khí

m2
kg/m3

U∞

Vận tốc dịng khí ở vô cùng

Re

Số Reynolds

-

M

Số Mach

-



Hệ số độ nhớt động lực

a

Vận tốc truyền âm trong khơng khí

m/s

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 ngun

-

L

Thơng số hình học đặc trưng

m



Độ nhớt động học của khơng khí

 ijt

Ten-sơ ứng suất của dịng rối

k

Động năng của dòng rối



Hệ số tán xạ năng lượng của dòng rối

-



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 hồn chỉnh (sử dụng để lắp
ráp ơ tơ)

RANS Reynolds Average Navier Stokes

Phương trình Reynolds trung bình hóa

CKD

DNS

Direct Numerical Simulation

Mơ phỏng trực tiếp

RSM

Reynolds Stress Model

Mơ hình ứng suất Reynolds

FEM

Finite Element Method

Phương pháp phần tử hữu hạn

CFD

Computational Fluid Dynamic

Phần mềm tính tốn động lực học chất
lỏng

LES

Large Eddy Simulation

Mơ hình dịng rối lớn

DES

Detached Eddy Simulation

Mơ hình dịng rối phân tách

SST

Shear Stress Transport

Mơ 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 đi 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 mơ hình vỏ xe cải thiện
Bảng 3.12. Các thơng số của mơ hình xe khách tham khảo và mơ 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 tốn lực cản khí động ở vận tốc 29 m/s.

Bảng 4.4.

Kết quả tính tốn lực cản khí động ở vận tốc 25 m/s.

Bảng 4.5.

Kết quả thí nghiệm và kết quả tính tốn mơ phỏng mơ hình tỷ lệ 1:40 trong
ống khí động

iii


DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1.

Các lực tác dụng lên lực nằm trong dịng chảy

Hình 1.2.

Sự hình thành vùng xốy áp suất phía sau vật

Hình 1.3.

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

Hình 1.4.

Q trình cải thiện hình dạng khí động học ơ tơ nhằm giảm hệ số cản

Hình 1.5.

Hệ số cản khơng khí trên một số loại ơ tơ tải

Hình 1.6.

Hệ số cản khơng khí của các loại xe thơng dụng

Hình 1.7.

Các vùng xốy trên vỏ ơ tơ con

Hình 1.8.

Phân bố áp suất khơng thứ ngun trên vỏ xe

Hình 1.9.

Phân bố áp suất dọc theo thân ơ tơ chở khách

Hình 1.10.

Ảnh hưởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động

Hình 1.11.

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

Hình 1.12.

Ảnh hưởng của cấu trúc phần đầu xe tới hệ số cản khơng khí

Hình 1.13.

Ảnh hưởng hình dáng đầu xe tới lực cản khí động

Hình 1.14.

Ảnh hưởng của bán kính góc lượn giữa mặt đầu và mặt bên của vỏ ơ tơ khách
tới lực cản khí động

Hình 1.15.

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

Hình 1.16.

Lịch sử phát triển của các mơ hình tính tốn khí động học

Hình 1.17.

Sơ đồ ngun lý làm việc của ống khí động

Hình 2.1.

Các thành phần ứng suất trên khối chất lỏng

Hình 2.2.

Mơ hình vỏ xe khách dạng 3D

Hình 2.3.

Các kích thước của khơng gian mơ phỏng lần đầu

Hình 2.4.

Ví dụ về một số dạng dịng chảy ngược

Hình 2.5.

Các dạng phần tử lưới trong mơ hình mơ 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 khơng gian tính tốn vỏ xe khách

Hình 3.1.

Các thơng số khảo sát của biên dạng vỏ xe

Hình 3.2.

Xe ơ tơ khách tham khảo (THACO KB120LSI)

Hình 3.3.

Kích thước của vùng khơng gian mơ phỏng

iv


Hình 3.4.

Mơ hình vỏ xe khách sau khi đã được chia lưới với dạng lưới Hexa

Hình 3.5.

Mơ hình 3D vỏ xe khách tham khảo THACO KB120LSI

Hình 3.6.

Chia lưới vùng khơng gian mơ phỏng

Hình 3.7.

Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe

Hình 3.8.

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

Hình 3.9.

Phân bố áp suất trong mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe

Hình 3.10.

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

Hình 3.11.

Phân bố vận tốc tại mặt cắt ngang đi qua điểm giữa của vỏ xe

Hình 3.12.

Đường dịng tại mặt phẳng trung tuyến dọc của vỏ xe

Hình 3.13.

Đường dịng tại mặt cắt ngang đi qua điểm 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 đến 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.

Đường dịng bao quanh vỏ xe khi góc nghiêng kính chắn gió bằng 0o

Hình 3.19.

Đường dịng bao quanh vỏ xe khi góc nghiêng kính chắn gió bằng 40o

Hình 3.20.

Ảnh hưởng của góc nghiêng kính phía sau xe đến 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.

Đường dịng khi góc nghiêng kính hậu bằng 10o

Hình 3.24.

Đường dịng khi góc nghiêng kính hậu bằng 45o

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

Đường dịng 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
Đường dịng khi khơng có góc lượn giữa nóc và hai thành bên

Hình 3.29.

Đường dịng khi bán kính góc lượn giữa nóc và hai thành bên là 1250 mm

Hình 3.30.

Đường dịng khi khơng có góc lượn giữa nóc và hai thành bên

Hình 3.31.

Đường dịng 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 3.34.

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

Hình 3.35.

Đường dịng khi bán kính góc lượn giữa thành sau và hai thành bên là 1000 mm

Hình 3.36.

Phân bố áp suất khi khơng 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 khơng 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.

Đường dịng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 0 mm

Hình 3.42.

Đường dịng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 200 mm

Hình 3.43.

Đường dịng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 400 mm

Hình 3.44.

Đường dịng khi bán kính góc lượn giữa kính chắn gió và nóc xe là 2000 mm

Hình 3.45.

Phân bố áp suất khi khơng 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
Đường dòng khi bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên là 0 mm

Hình 3.49.

Đường dịng khi bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên là 250 mm

Hình 3.50.

Đường dịng khi bán kính góc lượn giữa mặt trước và hai thành bên là 1250 mm

Hình 3.51.

Phân bố áp suất khi khơng 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 đối xứng dọc của xe

Hình 3.56.

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

Hình 3.57.

Đường dịng trong mặt phẳng trung tuyến dọc của xe

Hình 3.58.
Hình 3.59.

Hệ số phân bố áp suất CP trên bề mặt vỏ xe tại mặt phẳng trung tuyến dọc của
xe
Đồ thị Fx theo vận tốc chuyển động của dịng khí

Hình 3.60.

Giá trị Cx tại các vận tốc chuyển động của dịng khí khác nhau

Hình 3.61.

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

Hình 3.62.

Đường dịng bao quanh các vỏ xe

Hình 3.33.

vi


Hình 4.1.

Sơ đồ ống khí động và kết nối thiết bị thí nghiệm

Hình 4.2.

Đường ống dẫn hướng dịng khí

Hình 4.3.

Động cơ và thiết bị điều khiển động cơ

Hình 4.4.

Sơ đồ 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 đo vận tốc dịng khí

Hình 4.7.

Cân khí động 6 thành phần

Hình 4.8.

Thiết bị chuyển đổi và xử lý tín hiệu vận tốc dịng khí

Hình 4.9

Bộ phận hiển thị kết quả

Hình 4.10.

Mẫu thí nghiệm và giá gá đặt

Hình 4.11.

Gá đặt mẫu thí nghiệm trên thiết bị đo trong khoang thử

Hình 4.12

Mơ phỏng dịng chảy khơng khí qua tấm sàn

Hình 4.13.

Kết quả thí nghiệm với vận tốc dịng khí 20m/s

Hình 4.14.

Quy luật biến thiên lực cản theo vận tốc

Hình 4.15.

Mơ hình mẫu thí nghiệm và giá gá đặt

Hình 4.16.

Chia lưới vùng khơng gian mơ phỏng

Hình 4.17.

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

Hình 4.20.

Đường dịng trong mặt phẳng đối xứng dọc của vật thí nghiệm

Hình 4.21.

So sánh lực cản theo kết quả tính tốn mơ phỏng và thực nghiệm

Hình 4.22.

So sánh Cx theo kết quả tính tốn mơ phỏng và thực nghiệm

vii


MỞ ĐẦU
Trong những năm cuối của thế kỷ XX, đầu 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 đó có nhu cầu
vận chuyển hành khách bằng đường bộ. Bên cạnh đó, cơ sở hạ tầng, đường sá giao thơng
cũng đã có những bước chuyển mình, phát triển rất tích cực. Một số tuyến đường cao tốc
đã được xây dựng nhằm nâng cao tốc độ di chuyển của các phương tiện tham gia giao
thơng nói chung và phương tiện vận tải hành khách nói riêng.
Để đáp ứng được nhu cầu thực tế, trong tháng 7/2014 Chính phủ đã ban hành 2 văn
bản quan trọng là “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020,
tầm nhìn đến năm 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến
năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035”, trong đó lĩnh vực sản xuất ô tô khách nhận được sự

quan tâm đặc biệt.
Hiện nay, có một số doanh nghiệp đầu tư sản xuất và lắp ráp ô tô khách từ 24 - 80
chỗ phục vụ giao thông công cộng. Các doanh nghiệp lớn có Vinamotor, Cơ khí ơ tơ Đà
Nẵng, Trường Hải và SAMCO. Ngồi ra cịn có các liên doanh như Daewoo, Hino và
Mercedes-Benz cũng sản xuất một số loại ô tô chở khách cỡ lớn.
Mặc d đã có sự đầu tư về công nghệ và đạt được một số thành tựu trong sản xuất,
nhưng nhìn vào thực trạng thì có thể thấy các cơ sở lắp ráp xe hiện nay đều chỉ là lắp ráp
dựa trên các bộ phụ tùng nhập khẩu. Phần cơng việc chính được 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 độ hạn chế. Vấn đề nghiên cứu, tối ưu hóa kết cấu của vỏ xe nhằm
nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật vận hành của ô tô chưa nhận được sự quan tâm
đầu tư của các nhà sản xuất.
Trước tình hình trên, để những chiếc ô tô khách Việt Nam có thể cạnh tranh được với
ơ tơ nhập khẩu thì cần phải có đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu
phát triển sản phẩm có chất lượng cao. Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu cần
được ưu tiên đầu tư nghiên cứu là tối ưu hóa dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm mức tiêu
thụ nhiên liệu và nâng cao tính an tồn chuyển động.
Từ thực tế trên, nghiên cứu sinh đã thực hiện luận án Tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứu
cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam”. Luận án là một cơng trình
nghiên cứu sâu đầu tiên về khí động học ơ tơ 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 cơng nghiệp ơ tơ tại Việt Nam.
Mục đích của luận án:
Xây dựng mơ hình khảo sát, đánh giá dạng khí động học vỏ xe ơ tơ khách và đề xuất các
giải pháp cải thiện dạng khí động học nhằm giảm thiểu lực cản khí động tác dụng lên ô tô.
Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của Luận án được lựa chọn là ô tô khách cỡ lớn với mẫu xe
tham khảo cụ thể là ô tô khách 51 chỗ của Trường Hải THACO KB120LSI.
Phạm vi nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu về lực cản khí động với tiêu chí đánh giá là hệ số cản
Cx và các yếu tố ảnh hưởng đến nó trên mơ hình vỏ xe “trơn” (bỏ qua gương chiếu hậu, gạt
mưa, các khe gờ trên vỏ, kính, …).
Nội dung nghiên cứu
Luận án gồm các nội dung chính như sau:
1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
2. Xây dựng mơ hình mơ phỏng khí động học vỏ xe khách
3. Nghiên cứu khí động học vỏ ô tô khách bằng phần mềm ANSYS - FLUENT
4. Nghiên cứu khí động học vỏ xe khách trong ống khí động
5. Kết luận.

2


Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ 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 đây, c ng với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, nhu
cầu về vận tải hành khách đã tăng mạnh. Những nguyên nhân chính dẫn đến nhu cầu bức
thiết này là: tốc độ đơ thị hóa cao địi hỏi hệ thống giao thơng cơng cộng tại các thành phố
lớn phải nhanh chóng đáp ứng; sự phát triển kinh tế làm tăng nhu cầu đi lại của người dân;
hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông ngày càng được mở rộng và nâng cao về chất lượng.
Mạng lưới giao thông đường bộ Việt Nam đã phát triển khá nhanh trong những
năm qua với tổng chiều dài khoảng 211.496 km, trong đó đường quốc lộ có 16.514 km,
chiếm 7,8%; đường tỉnh lộ có 37.671 km, chiếm 17,81%; đường giao thông nông thôn
157.311 km, chiếm 74,39%. Mật độ đường 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
). Đặc biệt, trong những năm gần đây, nhiều tuyến đường cao tốc đã
được đưa vào sử dụng với vận tốc tối đa cho phép từ 100 km/h đến 120 km/h.
Các thống kê cũng cho thấy, khối lượng vận chuyển hàng hóa và hành khách trên
đường bộ tăng khá nhanh. Tốc độ tăng trưởng bình qn về hàng hóa là 12,315%/năm, về
hành khách là 10,29%/năm. Tốc độ 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 độ vận tải hàng hóa trên đường bộ Việt Nam đạt mức trung bình, nhưng vận tải
hành khách đạt mức cao.
Tất cả những yếu tố trên đã tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực vận
tải hành khách. Theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam, tính từ năm 2000 đến hết
tháng 4 năm 2015, trong cả nước có 105.667 ơ tơ chở khách được sản xuất, lắp ráp và nhập
khẩu phục vụ cho nhu cầu đi lại của người dân, trong đó ơ tơ sản xuất, lắp ráp trong nước
chiếm tỷ trọng lớn về số lượng (90.952 chiếc, chiếm 86%). Tuy nhiên, mức độ đáp ứng
của các cơ sở sản xuất trong nước vẫn đang còn rất khiêm tốn cả về số lượng và chất
lượng.

3


1.1.2 Định hướng phát triển
Trước tình hình trên, trong tháng 7/2014 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành 2 văn
bản quan trọng là “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020,
tầm nhìn đến năm 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tơ Việt Nam đến
năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035”, trong đó lĩnh vực sản xuất ơ tơ khách nhận được sự
quan tâm đặc biệt.
Theo quy hoạch của Chính phủ, tới năm 2025 các nhà sản xuất trong nước phải đáp
ứng được 92% nhu cầu ô tô khách với sản lượng là 29.102 chiếc. Ngồi ra, Chính phủ
cũng đặt mục tiêu xuất khẩu cho ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, cụ thể đối 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 đến năm 2020, tầm
nhìn đến năm 2030”, Chính phủ đã nhấn mạnh tầm quan trọng của lĩnh vực sản xuất ô tô
khách và đưa ra định hướng cụ thể: “…chú trọng phát triển các loại xe khách tầm trung và
tầm ngắn,… Tập trung đầu tư cải tiến, nâng cấp công nghệ để nâng cao chất lượng sản
phẩm, hoàn thiện hệ thống dịch vụ bán hàng, nâng cao năng lực cạnh tranh, đáp ứng phần
lớn nhu cầu trong nước, từng bước tham gia xuất khẩu”.
Có thể thấy rằng, nhiệm vụ đặt ra cho các nhà sản xuất ô tô khách Việt Nam là rất
nặng nề và cần phải tập trung mọi nguồn lực để thực hiện.
1.1.3 Thực trạng và nhu cầu nâng cao chất lượng
Hiện nay chúng ta có một số doanh nghiệp đầu tư sản xuất và lắp ráp ô tô khách từ
24 - 80 chỗ, phục vụ giao thông cơng cộng. Các doanh nghiệp lớn có Vinamotor, Cơ khí ơ
tơ Đà nẵng, Trường Hải và SAMCO. Ngồi ra cịn 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 (cơng ty cơ khí ơ tơ 1-5, công ty 3-2, ...) rất đa dạng,
cơ sở này đã 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 được trình bày ở phần phụ lục 1, đều thể
hiện là những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đạt chất lượng và công ty đã sản xuất và tiêu thụ
hàng chục nghìn xe, phục vụ đắc 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 Đà Nẵng và Trường Hải đã 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. Đó là những cơ
sở sản xuất rất có tín nhiệm tại thị trường miền Trung.
Tổng cơng ty SAMCO (Sài Gịn) 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. Đây là một doanh nghiệp lớn đang có đà phát triển. Các xe do SAMCO sản xuất lắp
ráp có tính năng kỹ thuật khá cao vì đều có nguồn gốc từ xe cơ bản của hãng Isuzu (Nhật

bản) nên có sức cạnh tranh lớn, đặc biệt là ở thị trường phía Nam.
Hai hãng liên doanh là Daewoo và Mercedes-Benz đều sản xuất các loại xe chở
khách tiên tiến, rất được ưa chuộng ở các thành phố như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí
Minh. Đó là những xe có chất lượng cao, có sức cạnh tranh lớn về chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.
Mặc d đã có được những thành tựu đáng kể như trên, nhìn vào thực trạng thì có
thể thấy tất cả các doanh nghiệp sản xuất ô tô chở khách trên đây thực chất chỉ là các cơ sở
lắp ráp xe dựa trên các bộ phụ tùng nhập khẩu. Phần cơng việc chính được thực hiện trong
nước là sản xuất khung vỏ với các công nghệ hàn, sơn và lắp ráp nội thất. Với mức đầu 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 độ hạn chế. Tuy nhiên, đây 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 được chế tạo theo công
nghệ lạc hậu. Vấn đề nghiên cứu, tối ưu hóa kết cấu của vỏ xe nhằm nâng cao các chỉ tiêu
kinh tế kỹ thuật vận hành của ô tô chưa nhận được sự quan tâm đầu tư của các nhà sản
xuất.
Trước tình hình trên, để những chiếc ơ tơ khách Việt Nam có thể cạnh tranh được
với ơ tơ nhập khẩu thì cần phải có đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên
cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao. Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu
cần được ưu tiên đầu tư nghiên cứu là tối ưu hóa dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm mức
tiêu thụ nhiên liệu và nâng cao tính an tồn chuyển động.
1.2

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

trường sinh ra các lực và mơ 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 khơng khí làm gia tăng mức tiêu
thụ nhiên liệu của ô tô, đặc 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 đường, cịn các mơ men thì có thể gây nên
hiệu ứng lật xe. Đây là những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn chuyển động.
Để giảm tối đa những ảnh hưởng xấu nêu trên, cần có những nghiên cứu sâu về khí
động học vỏ xe ngay trong q trình thiết kế.
1.2.1 Khí động lực học và các thơng số đặc trưng
Đối tượng nghiên cứu của khí động học là dòng chảy quanh một vật cản đang
chuyển động bằng phương pháp Ơ le với hệ tọa độ gắn với vật. Để đơn giản hóa phương
pháp mơ tả, người ta coi một vật chuyển động với vận tốc V trong mơi trường khơng khí
tĩnh tương đương với vật đứng n trong dịng khí có vận tốc V.
Hình 1.1 mơ tả một vật cản nằm trong dịng chảy khơng khí với vận tốc ở đầu
nguồn là U. Dịng chảy khơng khí tác dụng lên vật một lực F, được phân tích thành 2
thành phần Fx (lực cản) song song với phương chuyển động của dịng khí và Fz (lực nâng)
là thành phần vng góc với phương chuyển động. Các lực này được tính như sau:

Fx  C x A

Fz  C z A

U 2
2

U 2
2

Fz

(1.1)

F

U
Fx

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

Trong đó: Fx là lực cản; Fz là lực nâng; Cx và Cz là các hệ số; - khối lượng riêng
khơng khí; U- vận tốc chuyển động (m/s); A là diện tích cản chính diện (m2).
Cơng thức 1.1 cho thấy hệ số Cx khơng có thứ ngun, nó khơng đặc trưng cho một
đại lượng vật lý nào mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật. Đây là thông số
đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu khí động học.
Cơng thức trên cũng cho thấy, để giảm lực cản của khơng khí lên vật đang chuyển
động 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 ơ tơ trở nên chật chội. Nếu giảm U thì tốc độ chuyển động giảm làm năng
suất vận chuyển giảm theo. Vì vậy, tất cả các nỗ lực trong nghiên cứu khí động học ô tô
ngày nay tập trung chủ yếu vào việc cải thiện hình dáng khí động học vỏ xe nhằm giảm
thiểu Cx.
6