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



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

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

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


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





Khối lƣợng riêng

kg/m3

22



Trọng lƣợng riêng

N/m3

23

p

Áp suất

N/m2,
Pa, at

24

k-ε

25



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 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

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


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

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

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


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



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