BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TƠ HỒNG TÙNG NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN DẠNG KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ðỘNG LỰC Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TÔ HỒNG TÙNG NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN DẠNG KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ðỘNG LỰC Mà SỐ: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ðỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN TRỌNG HOAN PGS.TS HỒ HỮU HẢI Hà Nội - 2016 LỜI CAM ðOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan PGS.TS Hồ Hữu Hải Các kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa ñể bảo vệ học vị Tôi xin cam ñoan giúp ñỡ cho việc thực luận án cám ơn, thơng tin trích dẫn luận án rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu 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, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới người hướng dẫn chính: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan - thầy ñã tận tình hướng dẫn, bảo, ñịnh hướng giúp đỡ tơi suốt q trình tơi thực luận án với tận tâm, trách nhiệm, sáng suốt khoa học cao Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Hồ Hữu Hải suốt q trình tơi thực luận án, với vai trò người hướng dẫn, thầy tận tình hướng dẫn, bảo tạo điều kiện thuận lợi cho tơi thực kế hoạch học tập nghiên cứu Tôi cám ơn trân trọng hợp tác, hỗ trợ Trung tâm Phát triển Ứng dụng Phần mềm công nghiệp (DASI), Trường ðại học Bách khoa Hà Nội (nay Viện nghiên cứu Quốc tế Khoa học Kỹ thuật tính tốn), trực tiếp PGS.TS Nguyễn Việt Hùng cộng Xin ñược gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể cán bộ, nhân viên Phòng thí nghiệm khí động học Viện Kỹ thuật qn Phòng khơng - Khơng qn Xin gửi lời cảm ơn trân trọng ñến thầy Bộ mơn Ơ tơ xe chun dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường ðại học Bách Khoa Hà Nội với góp ý thiết thực suốt trình tơi thực luận án Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quan tơi cơng tác: Phòng Chất lượng xe giới, Cục ðăng kiểm Việt Nam tạo điều kiện, ủng hộ, giúp đỡ tơi mặt q trình tơi theo học Nghiên cứu sinh Xin gửi lời cảm ơn tới nhà khoa học, bạn đồng nghiệp giúp đỡ thiết thực cho luận án Xin ñược gửi lời cảm ơn đặc biệt tới gia đình tơi, người ln bên cạnh tơi, động viên, chia sẻ khó khăn 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, ðỒ THỊ iv MỞ ðẦU Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam phát triển lĩnh vực sản xuất ô tô khách 1.1.1 Nhu cầu ô tô khách 1.1.2 ðịnh hướng phát triển 1.1.3 Thực trạng nhu cầu nâng cao chất lượng 1.2 Khí động học tơ 1.2.1 Khí động lực học thơng số đặc trưng 1.2.2 Lực cản khơng khí 1.2.3 Cấu trúc vỏ xe hình thành vùng xốy thấp áp 12 1.2.4 Lý thuyết tương tự khí động học tơ 18 1.3 Tình hình nghiên cứu khí động học 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 gần 25 1.4 Cơng nghệ sản xuất vỏ ô tô khách Việt Nam tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu 28 1.5 Nội dung luận án 30 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 30 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 30 1.5.3 ðối tượng nghiên cứu 31 1.5.4 Phạm vi nghiên cứu 31 1.4.5 Nội dung nghiên cứu 31 Kết luận chương Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH 32 33 2.1 Cơ sở lý thuyết khí động học 33 2.1.1 Các phương trình 33 2.1.2 Mơ dòng chảy khơng khí 33 2.1.2.1 Các cơng cụ tốn học ký hiệu quy ước 33 2.1.2.2 Các phương trình mơ 35 2.1.2.3 Các thơng số đặc trưng 36 2.1.2.4 Mơ dòng chảy rối 38 2.1.2.5 Phương pháp số ñể giải tốn khí động học 44 2.2 Mơ khí động học vỏ xe ANSYS - FLUENT 45 2.2.1 Giới thiệu chung ANSYS - FLUENT 45 2.2.2 Mô dòng chảy khơng khí bao quanh vỏ xe FLUENT 46 2.2.2.1 - Phương pháp mô FLUENT 46 2.2.2.2 - Các dạng mơ hình mơ dòng chảy rối FLUENT 46 2.3 Mơ hình khí động học vỏ xe khách FLUENT 47 2.3.1 Hệ phương trình mơ tả dòng chảy 47 2.3.2 Mơ hình 3D vỏ xe khách 48 2.3.3 Xác định vùng khơng gian mơ 49 2.3.4 Chia lưới 51 2.3.5 Các ràng buộc điều kiện tính tốn 55 2.3.6 Phương pháp tính tốn lực khí động 55 Kết luận chương Chương NGHIÊN CỨU KHÍ ðỘNG HỌC VỎ Ơ TƠ KHÁCH BẰNG PHẦN MỀM ANSYS - FLUENT 57 58 3.1 Phương pháp nghiên cứu 58 3.2 Các thơng số đầu vào số giả thiết tốn mơ 60 3.2.1 Lựa chọn thông số vỏ xe khách 60 3.2.2 Các giả thiết giới hạn nghiên cứu tốn mơ 60 3.3 Xây dựng mơ hình hình học, xác định vùng khơng gian mơ 61 3.4 Chia lưới ñặt ñiều kiện ràng buộc tốn mơ 62 3.5 ðặt điều kiện tính tốn 63 3.6 Mơ tính tốn khí động học vỏ xe sở 64 3.7 Khảo sát ảnh hưởng thông số kết cấu tới khí động học vỏ xe 71 3.7.1 Góc nghiêng kính chắn gió phía trước xe 71 3.7.2 Góc nghiêng kính hậu 75 3.7.3 Góc vát hai thành bên phía xe 78 3.7.4 Lựa chọn sơ góc vát 81 3.7.5 Bán kính góc lượn xe hai thành bên xe 81 3.7.6 Bán kính góc lượn kính hậu xe 84 3.7.7 Bán kính góc lượn thành sau hai thành bên xe 85 3.7.8 Bán kính góc lượn kính chắn gió xe 88 3.7.9 Bán kính góc lượn mặt trước hai thành bên xe 92 3.7.10 Lựa chọn dạng mô hình hồn chỉnh, tính tốn khảo sát đánh giá 97 3.7.11 ðánh giá kết tính tốn mơ 102 3.7.12 So sánh vỏ xe tham khảo vỏ xe cải thiện 103 Kết luận chương Chương NGHIÊN CỨU KHÍ ðỘNG HỌC VỎ XE KHÁCH TRONG ỐNG KHÍ ðỘNG 4.1 Mục đích phương pháp nghiên cứu 108 109 109 4.1.1 Mục đích 109 4.1.2 Vấn đề nghiên cứu 109 4.1.3 Phương pháp nghiên cứu 112 4.2 Thí nghiệm ống khí động 113 4.2.1 Trang thiết bị thí nghiệm 113 4.2.2 Thí nghiệm ống khí động 121 4.3 Mơ thí nghiệm ống khí động 126 4.3.1 Xây dựng mơ hình hình học, chọn vùng không gian mô chia lưới 126 4.3.2 ðặt điều kiện, mơ phân tích kết 127 Kết luận chương 133 KẾT LUẬN 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO 136 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ðà CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Tên gọi ðơn vị Fx Lực khí động theo phương dọc N Cx Hệ số cản khí động theo phương dọc - A Diện tích cản diện ρ Khối lượng riêng khơng khí m2 kg/m3 U∞ Vận tốc dòng khí vơ m/s Re Số Reynolds - M Số Mach - µ Hệ số ñộ nhớt ñộng lực a Vận tốc truyền âm khơng khí N.s/m2 m/s Fms Lực cản ma sát N Fca Lực cản chênh áp N p Áp suất Pa Cp Hệ số áp suất không thứ ngun - L Thơng số hình học đặc trưng m ν ðộ nhớt động học khơng khí τ ijt Ten-sơ ứng suất dòng rối k ðộng dòng rối ε Hệ số tán xạ lượng dòng rối - ω Hệ số tán xạ lượng dòng rối - m2/s J/kg (m2/s2) i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký tự Nguồn gốc Chú giải Complete Knock Down Bộ linh kiện hoàn chỉnh (sử dụng ñể lắp ráp ô tô) RANS Reynolds Average Navier Stokes Phương trình Reynolds trung bình hóa CKD DNS Direct Numerical Simulation Mô trực tiếp RSM Reynolds Stress Model Mô hình ứng suất Reynolds FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn CFD Computational Fluid Dynamic Phần mềm tính tốn động lực học chất lỏng LES Large Eddy Simulation Mơ hình dòng rối lớn DES Detached Eddy Simulation Mơ hình dòng 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 mô mem theo 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 thành bên phía xe Bảng 3.5 Sự phụ thuộc Cx vào bán kính góc lượn xe hai thành bên xe Bảng 3.6 Sự phụ thuộc Cx vào bán kính góc lượn kính phía sau xe Bảng 3.7 Sự phụ thuộc Cx vào bán kính góc lượn thành sau hai thành bên xe Bảng 3.8 Sự phụ thuộc Cx vào bán kính góc lượn kính chắn gió phía trước xe Bảng 3.9 Sự phụ thuộc Cx vào bán kính góc lượn thành trước (bao gồm kính chắn gió phía trước) hai thành bên xe Bảng 3.10 Sự phụ thuộc hệ số Cx vào bán kính góc lượn xe kính chắn gió phía trước Bảng 3.11 Lực cản Fx hệ số cản Cx mơ hình vỏ xe cải thiện Bảng 3.12 Các thơng số mơ hình xe khách tham khảo mơ hình cải thiện luận án Bảng 4.1 Một số phương án lựa chọn tỷ lệ thu nhỏ mẫu thử Bảng 4.2 Kết thí nghiệm Bảng 4.3 Kết tính tốn lực cản khí động vận tốc 29 m/s Bảng 4.4 Kết tính tốn lực cản khí động vận tốc 25 m/s Bảng 4.5 Kết thí nghiệm kết tính tốn mơ mơ hình tỷ lệ 1:40 ống khí ñộng iii Hình PL2.4: Bộ khớp xoay hai chiều 1- ðế cố định mơ hình; 2- Trục xoay thay đổi định vị theo góc a; 3- Trục xoay thay đổi định vị theo góc b; 4- ðầu cố định với cân khí động PHỤ LỤC CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG ỐNG KHÍ ðỘNG Các kết đo Hình PL3.1 - Kết đo vận tốc 20 m/s Hình PL3.2 - Kết đo vận tốc 25 m/s Hình PL3.3 - Kết đo vận tốc 29 m/s Hình PL3.3 - Kết ño vận tốc 34 m/s Các kết mơ thí nghiệm 2.1 Kết mơ thí nghiệm vận tốc 20 m/s (có mơ hình khơng có mơ hình xe thu nhỏ) Hình PL3.4 - Phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.5 - Phân bố vận tốc mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.6 - ðường dòng mặt phẳng đối xứng dọc 2.2 Kết mơ thí nghiệm vận tốc 25 m/s (có mơ hình khơng có mơ hình xe thu nhỏ) Hình PL3.7 - Phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.8 - Phân bố vận tốc mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.9 - ðường dòng mặt phẳng đối xứng dọc 2.3 Kết mơ thí nghiệm vận tốc 29 m/s (có mơ hình khơng có mơ hình xe thu nhỏ) Hình PL3.10 - Phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.11 - Phân bố vận tốc mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.12 - ðường dòng mặt phẳng đối xứng dọc 2.4 Kết mơ thí nghiệm vận tốc 34 m/s (có mơ hình khơng có mơ hình xe thu nhỏ Hình PL 3.13 - Phân bố áp suất mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.14 - Phân bố vận tốc mặt phẳng đối xứng dọc Hình PL3.15 - ðường dòng mặt phẳng đối xứng dọc ... chuyển động Từ thực tế trên, nghiên cứu sinh ñã thực luận án Tiến sĩ với ñề tài: Nghiên cứu cải thiện dạng khí động học vỏ xe khách lắp ráp Việt Nam Luận án cơng trình nghiên cứu sâu khí ñộng học. .. giảm lực cản biện pháp cải thiện hình dạng khí động học vỏ xe Như vậy, giảm Cx ñồng nghĩa với việc cải thiện hình dạng khí động học tơ Q trình hồn thiện dạng khí động học vỏ xe tơ theo lịch sử phát... Nghiên cứu khí ñộng học vỏ ô tô khách phần mềm ANSYS - FLUENT Nghiên cứu khí động học vỏ xe khách ống khí động Kết luận Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam