NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------------------

NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGHIÊN CỨU GIẢM SỨC CẢN KHÍ ĐỘNG CHO Ơ TƠ ĐIỆN
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỊNG CHẢY

KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng – Năm 2022


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------------------

NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU GIẢM SỨC CẢN KHÍ ĐỘNG CHO Ơ TƠ ĐIỆN
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỊNG CHẢY
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số: 8520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. PHAN THÀNH LONG
2. PGS.TS. PHẠM QUỐC THÁI

Đà Nẵng – Năm 2022


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Nguyễn Ngọc Phương

i

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i
MỤC LỤC ............................................................................................................ ii
NGHIÊN CỨU GIẢM SỨC CẢN KHÍ ĐỘNG CHO Ơ TƠ ĐIỆN BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỊNG CHẢY .............................................. v

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... vi
PHỤ LỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... ix
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài: ................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu:......................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:.................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu:.................................................................................. 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................... 2
6. Cấu trúc của luận văn: ....................................................................................... 2
7. Tổng quan tài liệu nghiên cứu: .......................................................................... 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC XE Ô TÔ VÀ Ô TÔ
ĐIỆN ..................................................................................................................... 5
1.1. Tổng quan về khí động học xe ơ tơ: ............................................................... 5
1.1.1. Lực cản khí động lực học đối với ơ tơ. ....................................................... 5
1.1.2. Phân tích các thành phần của lực cản khí động học.................................... 7
1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khí động học xe ơ tơ ............................................ 9
1.2.1. Trường dịng chảy qua các vật thể có hình dạng khí động học xấu ............ 9
1.2.2. Vùng chảy rối ............................................................................................ 11
1.2.3. Các xoáy dọc ............................................................................................. 16
1.3. Khí động học xe ơ tơ điện ............................................................................ 16
1.3.1. Cấu tạo chung của ô tô điện: ..................................................................... 16
1.3.2. Khí động học xe điện: ............................................................................... 17
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................. 20
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM SỨC CẢN
KHÍ ĐỘNG CỦA XE Ơ TƠ ............................................................................. 21
2.1. Giảm lực cản khí động bằng tối ưu hóa hình dạng xe ................................. 21
2.1.1. Cánh đuôi: ................................................................................................. 21
ii

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.


Lưu hành nội bộ


2.1.2. Cánh gầm: ................................................................................................. 22
2.1.3. Gầm xe trơn nhẵn: ..................................................................................... 22
2.1.4. Hiệu ứng mặt đường: ................................................................................ 23
2.2. Giảm lực cản khí động bằng phương pháp điều khiển dịng chảy bị động . 23
2.3. Giảm lực cản khí động bằng phương pháp điều khiển dòng chảy chủ động........26
2.3.1. Điều khiển dòng chảy chủ động sử dụng bộ dao động chất lỏng (Fluid
Oscillator) ............................................................................................................ 27
2.3.2. Điều khiển dòng chảy chủ động với lực hút: ............................................ 28
2.3.3. Điều khiển dòng chảy chủ động sử dụng thiết bị tạo tia tổng hợp (Synthetic
jet) ........................................................................................................................ 28
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................. 31
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM LỰC CẢN KHÍ
ĐỘNG CHO XE BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ .............................................. 32
3.1. Phương pháp tính tốn động học lưu chất – CFD ........................................ 32
3.2. Những phương trình cơ bản của phương pháp tính tốn động học lưu chất –
CFD ..................................................................................................................... 32
3.2.1. Phương trình chủ đạo cho động lực học chất lỏng.................................... 32
3.2.2. Lớp biên .................................................................................................... 35
3.3. Ưu điểm và hạn chế của phương pháp tính tốn động học lưu chất – CFD 37
3.3.1. Ưu điểm của phương pháp CFD ............................................................... 37
3.3.2. Hạn chế của phương pháp CFD ................................................................ 37
3.4. Trình tự giải bài tốn động học lưu chất – CFD .......................................... 37
3.5. Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent ......................................................... 39
3.5.1. Các ứng dụng và khả năng giải quyết bài toán của Ansys Fluent ............ 40
3.5.2. Nguyên lý giải quyết trong phần mềm ANSYS Fluent ............................ 40
3.5.3. Các mơ hình rối sử dụng trong phần mềm Ansys Fluent ......................... 40

3.5.4. Các bộ giải sẵn có trong Ansys Fluent ...................................................... 44
3.5.5. Các thuật toán và phương pháp nội suy trong Fluent ............................... 44
3.6. Mơ phỏng đặc tính khí động học của xe tham chiếu bằng phương pháp
CFD ..................................................................................................................... 46
3.6.1. Mơ hình xe tham chiếu .............................................................................. 46
3.6.2. Xác định vùng khơng gian mơ phỏng ....................................................... 47
3.6.3. Xây dựng mơ hình lưới mô phỏng ............................................................ 49
3.6.4. Thiết lập các thông số mô phỏng: ............................................................. 52
iii

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


3.6.5. Đánh giá sự độc lập của kết quả vào lưới ................................................. 55
3.6.6. Kết quả quá trình nghiên cứu Mesh Independent ..................................... 56
3.6.7. Kết quả mơ phỏng khí động học ô tô Nissan Leaf .................................... 57
3.7. Nghiên cứu giảm sức cản khí động của xe bằng bộ tạo xốy ...................... 58
3.7.1. Bộ tạo xoáy VG ......................................................................................... 58
3.7.2. Nghiên cứu lớp biên trên mơ hình Nissan Leaf ........................................ 59
3.7.3. Thiết kế bộ tạo xốy VG ........................................................................... 61
3.7.4. Mơ phỏng đặc tính khí động của xe khi trang bị bộ tạo xốy ................... 62
3.7.5. Kết luận kết quả nghiên cứu bộ tạo xoáy. ................................................. 66
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................. 68
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM
SỨC CẢN KHÍ ĐỘNG CHO XE .................................................................... 69
4.1. Giới thiệu về ống khí động và các thiết bị thí nghiệm ................................. 69
4.1.1. Buồng thử .................................................................................................. 70
4.1.2. Ống phân kì ............................................................................................... 71

4.1.3. Ống chuyển hướng .................................................................................... 71
4.1.4. Quạt: .......................................................................................................... 71
4.1.5. Buồng ổn định ........................................................................................... 72
4.1.6. Nón phễu ................................................................................................... 72
4.2. Đánh giá đặc tính khí động của xe nguyên bản ........................................... 72
4.3. Đánh giá đặc tính khí động của xe trong trường hợp có trang bị bộ tạo
xoáy ..................................................................................................................... 74
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .................................................................................. 76
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .............................. 77
1. Kết luận ........................................................................................................... 77
2. Hướng phát triển của đề tài ............................................................................. 77
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................ 78

iv

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


TĨM TẮT

NGHIÊN CỨU GIẢM SỨC CẢN KHÍ ĐỘNG CHO Ơ TƠ ĐIỆN BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỊNG CHẢY
Học viên: Nguyễn Ngọc Phương .Chun ngành: Cơ khí động lực
Tóm tắt: Có nhiều phương pháp giúp giảm sức cản khí động học của ơ tơ. Các
phương pháp điều khiển dịng chảy khơng làm thay đổi quá nhiều hình dạng xe, dễ thực
hiện trong thực tế. Nội dung đề tài đi vào nghiên cứu khí động học đối với ơ tơ, các yếu
tố ảnh hưởng đến khí động học của ơ tơ, từ đó nghiên cứu bộ tạo xốy lắp trên ơ tơ để
giảm sức cản gió của ơ tơ mà hiện này một số hãng xe đang áp dụng. Phần mềm ANSYS

FLUENT được sử dụng trong nghiên cứu để giải bài toán động học khơng khí bao quanh
xe khi xe chuyển động. Bộ tạo xoáy sau khi nghiên cứu từ phần mềm ANSYS FLUENT
sẽ gắn lên mơ hình xe điện, sau đó đưa mơ hình ơ tơ có gắn bộ tạo xốy đó vào ống khí
động của nhà trường. Kết quả thí nghiệm sẽ cho chúng ta thấy tác dụng của bộ tạo xốy
và hiệu quả của phần mềm ANSYS FLUENT.
Từ khóa: Bộ tạo xốy, khí động học ơ tơ, bộ phun khí, điều khiển dịng chảy qua
xe ơ tơ
RESEARCH TO REDUCING AERODYNAMIC RESISTANCE FOR
ELECTRIC CARS BY FLOW CONTROL METHOD
Abstract: There are many methods to help reduce the aerodynamic resistance of
cars. The flow control methods do not change the vehicle shape too much, easy to
implement in practice. The content of the topic goes into the study of aerodynamics for
cars, the factors affecting the aerodynamics of cars, from which to study the vortex
generators installed on cars to reduce the wind resistance of cars that currently exist.
This is applied by some car companies. The ANSYS FLUENT software is used in the
research to solve the problem of air dynamics surrounding the vehicle when the vehicle
is in motion. The vortex generator, after studying from ANSYS FLUENT software, will
be attached to the electric vehicle model, then put the car model with that vortex
generator attached to the house's aerodynamic pipe. The experimental results will show
us the effect of the vortex generator and the efficiency of the ANSYS FLUENT
software.
Keywords: Vortex generator, automotive aerodynamics, air injector, flow control
through cars

v

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Các thành phần lực cản tác dụng lên ô tô, khi ô tô chuyển động ......... 5
Hình 1.2: Dịng chảy xung quanh xe và sự phân bố áp suất ................................. 6
Hình 1.3: Phân bố áp suất và mơ hình đường dịng trên một hình trụ trịn với số
Reynolds khác nhau .............................................................................................. 7
Hình 1.4: Dịng chảy lý tưởng qua hình trụ trịn ................................................... 7
Hình 1.5: Hệ số cản của tấm phẳng và cánh như một hàm của số Reynolds (theo
Schlichting & Gersten) .......................................................................................... 8
Hình 1.6: Phân tích tổng lực cản khí động học thành lực cản, bộ tản nhiệt và lực
cản ma sát (tỷ lệ phần trăm) cho các hình dạng cơ thể khác nhau (phân tích
CFD) ...................................................................................................................... 9
Hình 1.8: a) vùng chảy rối hình thành ở một bên, khơng tuần hồn; b) hình thành
cả hai bên, tuần hồn; c) đối xứng quay hình xoắn ốc ........................................ 10
Hình 1.7: Hai loại phân tách dịng chảy .............................................................. 10
Hình 1.9: Sơ đồ dịng chảy qua bậc; a) sự hình thành lớp tách và dịng chảy tuần
hồn trong vùng xốy ngược; b) mơ hình tương ứng của áp suất tĩnh ở vùng
xốy ngược. ......................................................................................................... 11
Hình 1.10: Sự phân tách hai mặt hoặc sự phân tách cạnh ở đáy của một cơ thể
hai chiều, sơ đồ: a) trường dòng chảy; b) phân bố áp suất trên trục X ............... 12
Hình 1.11: Sơ đồ sự hình thành của một vịng xốy ở đáy của một vật thể lăng
trụ theo dòng chảy dọc và sự xuất hiện của sự trào lên. ..................................... 13
Hình 1.12: Trường dịng chảy, được đo bằng PIV, đằng sau khối hình chữ nhật
trong dịng chảy dọc, theo Khalighi et al: a) ảnh chụp các vectơ vận tốc và
đường chuyển động quay bằng nhau; b) mơ hình hóa đường dịng; c) trường
dịng chảy trung bình theo thời gian phía sau cùng một cơ sở, nhưng được trang
bị bằng tấm chắn ................................................................................................. 14
Hình 1.13: Sơ đồ sự cuộn lại của các lớp cắt ở các cạnh nghiêng và hình thành
một cặp xoáy dọc; ở trên, biên dạng áp suất trên bề mặt nghiêng [18] .............. 15
vi


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Hình 1.14: Cấu tạo của một chiếc ơ tơ điện ........................................................ 16
Hình 1.15: Mái để năng lượng mặt trời cho xe điện ........................................... 17
Hình 1.16: Xe điện: Tại thị trường Mỹ, Tesla Model S 2021............................. 18
Hình 1.17: Xe Toyota Camry 2.0G dùng nhiên liệu xăng .................................. 19
Hình 2.1: Dạng cánh đi xe............................................................................... 21
Hình 2.2: Lắp thêm cánh ở phía đầu gầm xe ...................................................... 22
Hình 2.3: Lắp cản gió phía trước ô tô đua .......................................................... 22
Hình 2.4: Làm gầm ô tô thấp để hiệu ứng mặt đường được phát huy ................ 23
Hình 2.7: Sự thay đổi của hệ số áp suất khi gió tốc độ 14,95 m / s. [12] ........... 25
Hình 2.8: Sự thay đổi của mức tiêu thụ năng lượng trong trường có và khơng có
bộ tạo xốy .......................................................................................................... 26
Hình 2.9: Cường độ rối xung quanh xe trường hợp khơng có và có VG ........... 26
Hình 2.10: Ngun lý làm việc của bộ dao động chất lỏng [17] ........................ 27
Hình 2.14: Bộ tạo dịng tia tổng hợp [20]. .......................................................... 29
Hình 2.15: Thiết bị tạo tia tổng hợp .................................................................... 30
Hình 3.1: Thành lập phương trình vi phân chuyển động của dịng lưu chất ...... 32
Hình 3.2: Biểu diễn lớp biên ............................................................................... 35
Hình 3.3: Hình chiếu đứng của kích thước thật mơ hình (H = 1,27m; W=1,6m)
............................................................................................................................. 46
Hình 3.4: Hình chiếu cạnh của kích thước thật mơ hình L = 3,95m .................. 47
Hình 3.5: Khoảng cách từ các mặt inlet, outlet của hình hộp chữ nhật bao quanh
xe theo chiều dọc xe ............................................................................................ 48
Hình 3.6: Chiều cao và ½ chiều rộng khối hộp bao quanh xe ............................ 48
Hình 3.7: Chọn lưới tứ diện Tetrahedrons .......................................................... 50

Hình 3.8: Thơng số đánh giá chất lượng của lưới ............................................... 51
Hình 3.9: Lựa chọn chế độ mơ phỏng ................................................................. 52
Hình 3.10: Các thơng số cơ bản của chất lỏng khảo sát ..................................... 53
Hình 3.11: Thiết lập phương pháp giải ............................................................... 53
vii

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Hình 3.12: Tiến hành chạy mơ phỏng số ............................................................ 54
Hình 3.13: Lưới được chia làm 2 phần với kích thước phần tử khác nhau ........ 56
Hình 3.14: Vùng khơng gian Air (lớn, bên ngồi) và CarBox (nhỏ, bên trong) 56
Hình 3.15: Lựa chọn số phần tử lưới độc lập với hệ số cản Cd của xe ............... 57
Hình 3.16: Sự phân bố áp suất trên bề mặt xe .................................................... 57
Hình 3.17: Sự phân bố vận tốc xung quanh xe ................................................... 58
Hình 3.18: Vectơ vận tốc bao quanh mơ hình xe ................................................ 58
Hình 3.19: Hình dạng của bộ tạo xốy hình thang.............................................. 59
Hình 3.20: Cơng thức tính chiều dày lớp biên .................................................... 60
Hình 3.21: Kích thước của bộ tạo xốy VG ........................................................ 61
Hình 3.22: Bộ tạo xốy VG................................................................................. 62
Hình 3.23: Mơ hình xe có gắn các bộ tạo xốy................................................... 62
Hình 3.24: Vị trí bộ tạo xốy so với chiều dọc xe .............................................. 63
Hình 3.25: Biểu đồ thể hiện vị trí y/L ứng với hệ số cản Cd của ô tô ................. 64
Hình 3.26: Thay đổi khoảng cách x giữa hai bộ tạo xốy ................................ 64
Hình 3.27: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa x và hệ số cản Cd ................... 65
Hình 3.28: Thay đổi góc lệch của bộ tạo xốy so với chiều dọc xe ................... 65
Hình 3.29: Biểu đồ thể hiện góc lệch của bộ tọa xốy so với phương dọc xe .... 66
Hình 3.30:Kết quả phân bố áp suất trên thân xe khi sử dụng bộ tạo xoáy ......... 66

Hình 3.31:Kết quả phân bố vận tốc bao quanh xe khi sử dụng bộ tạo xốy ...... 67
Hình 3.32: Kết quả phân tích đường dịng chảy quanh xe khi sử dụng bộ tạo
xoáy ..................................................................................................................... 67

viii

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2: Bảng giá trị các hằng số của mơ hình k-ω SST ..................................... 52
Bảng 3: Hệ số cản Cd tương ứng với vị trí bộ tạo xoáy VG ............................... 63
Bảng 4: Sự thay đổi của hệ số cản phụ thuộc vào khoảng cách giữa các bộ tạo
xốy ..................................................................................................................... 64
Bảng 5: Bảng kết quả các vị trí góc xốy so với chiều dọc ................................ 65

ix

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Ơ nhiễm mơi trường và biến đổi khí hậu đang là một trong các thách thức lớn nhất
mà nhân loại đang đối mặt. Để giải quyết vấn đề này, một trong các biện pháp đang
được nghiên cứu và áp dụng nhiều nhất là cắt giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên

liệu hóa thạch, thay thế bằng các nguồn nhiên liệu sạch, nhiên liệu tái tạo. Trong lĩnh
vực giao thông vận tải, để giải quyết bài tốn ơ nhiễm mơi trường này, địi hỏi các
phương tiện phải giảm lượng tiêu hao nhiên liệu hoặc phải chuyển sang một nguồn nhiên
liệu khác, thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, ví dụ như ơ tơ điện. Điều này có ý nghĩa rất
quan trọng, vì các phương tiện giao thông vận tải là nguyên nhân gây ra ¼ lượng khí
nhà kính cũng như là nguồn gốc chính của việc ơ nhiễm mơi trường khơng khí trong các
thành phố.
Ngày nay, việc phát triển và sử dụng ô tô điện đang ngày càng trở nên phổ biến,
dần dần thay thế ô tô truyền thống, đặc biệt là tại các nước phát triển. Tuy nhiên, một
trong các vấn đề cần khắc phục để ô tô điện được sử dụng rộng rãi hơn, đó là việc kéo
dài quãng đường di chuyển của xe sau mỗi lần sạc. Điều này được thực hiện chủ yếu
thông qua việc nghiên cứu, cải thiện chất lượng của pin. Ngoài ra, việc giảm lực cản khí
động của xe cũng giúp giảm năng lượng tiêu thụ, từ đó nâng cao quãng đường di chuyển
của xe sau một lần sạc. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi xe chuyển động với tốc độ
nhanh, lúc đó lực cản khí động đóng vai trị là lực cản chủ yếu của xe. Chính vì vậy,
việc giảm lực cản khí động của xe ô tô điện là một trong những vấn đề rất quan trọng,
được các nhà nghiên cứu, các hãng xe quan tâm, đặc biệt là các hãng xe điện.
Việc giảm lực cản khí động của ơ tơ thường được thực hiện thơng qua việc tối ưu
hóa hình dáng khí động của xe. Điều này được thể hiện thơng qua việc hình dáng của
các dịng xe thay đổi dần theo thời gian, đồng thời hệ số cản của xe giảm dần. Tuy nhiên,
việc giảm lực cản theo phương pháp này diễn ra tương đối chậm, hệ số cản của các dịng
xe chỉ thay đổi tương đối ít, vì hình dáng của xe còn phụ thuộc vào yêu cầu thẩm mỹ và
tính tiện nghi của khách hàng. Một phương pháp khác giúp giảm lực cản khí động là
điều khiển dịng chảy qua xe bằng cách lắp thêm một số chi tiết nhỏ ở phía trước hoặc
sau xe, hoặc lắp các bộ phun khí để tác động với dịng khơng khí chuyển động qua xe,
từ đó giảm vùng vệt hút phía sau xe và giúp giảm lực cản khí động của xe. Các phương
pháp điều khiển dịng chảy này khơng làm thay đổi quá nhiều hình dạng xe, dễ thực hiện
trong thực tế để giúp giảm lực cản khí động của xe.
Chính vì vậy, tơi lựa chọn đề tài: Nghiên cứu giảm sức cản khí động cho ơ tơ
điện bằng phương pháp điều khiển dịng chảy. Trong đó, dịng chảy qua xe được thay

đổi để làm giảm sức cản khí động cho xe, thơng qua các bộ tạo xốy lắp thêm trên trần
1

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


xe. Điều này có ý nghĩa lớn với các ơ tơ điện, giúp tăng hành trình di chuyển cho ơ tơ
điện sau mỗi lần sạc, góp phần giúp ơ tơ điện ngày càng được sử dụng phổ biến hơn,
thay thế các loại ô tô truyền thống.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thành công việc giảm sức cản khí động cho ơ tơ
điện bằng cách điều chỉnh dịng chảy qua xe thơng qua việc lắp thêm một số bộ phận,
chi tiết nhỏ trên xe.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các phương pháp giảm sức khí động, dự kiến
lắp trên xe ô tô điện, nhằm giảm lực cản khí động của xe.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là các thiết bị điều chỉnh dòng chảy, cụ thể là các
bộ tạo xoáy (vortex generator), lắp trên xe ô tô điện (mẫu xe Nissan Leaf) nhằm giúp
giảm lực cản khí động khoảng 5-10 % so với xe khơng được trang bị.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Đề tài sử dụng phương pháp tính tốn động lực học chất lỏng (CFD) để đánh giá
các tính chất khí động học của dịng chảy bao quanh xe khảo sát, từ đó xác định hệ số
cản của xe, trong hai trường hợp có trang bị và khơng trang bị các bộ điều khiển dịng
chảy. Các kết quả mơ phỏng này sau đó được kiểm tra trên mơ hình thu nhỏ của xe trong
ống khí động.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để đánh giá hệ số cản khí động lực
học của ơ tơ, kết quả nghiên cứu vừa kiểm nghiệm lại sai số giữ mơ phỏng trên máy tính

và kết quả thực nghiệm. Nếu sai số nhó thì phần mềm có ý nghĩa rất quan trọng trong
việc nghiên cứu các loại phương pháp cải thiện khí động lực học của xe với chi phí
nghiên cứu thấp, tiết kiệm thời gian. Đồng thời nếu bộ tạo xốy làm giảm hệ số cản của
ơ tơ thì có thể được ứng dụng ngay trên xe đang lưu hành ngồi xã hội. Do đó đề tài có
ý nghĩa thực tiễn rất cao.
6. Cấu trúc của luận văn:
Chương 1: Tổng quan về khí động học xe ơ tơ và ơ tơ điện
- Tổng quan về khí động học xe ơ tơ
- Các yếu tố ảnh hưởng đến khí động học xe ơ tơ
- Khí động học xe ơ tô điện

2

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Trong chương này chúng ta nhận thấy hình dáng bên ngồi của ơ tơ có vai trị rất
quan trọng đối với việc giảm hệ số cản Cd hình dáng phía trước, và đặc biệt là phía sau
ơ tơ. Các vùng xốy được hình thành phía sau ơ tơ sẽ gây ra lực cản lớn đối với ơ tơ, do
đó chỉ một thay đổi nhỏ phía sau xe thì hệ số cản của xe cũng đã thay đổi nhiều. Ngoài
ra hệ số cản phụ thuộc vào động bóng của bề mặt và các góc cạnh của ơ tơ. Hình dáng
ơ tơ điện, chúng ta nhận thấy hình dáng ơ tơ điện cũng tuân theo các quy tắc thiết kế như
ô tô truyền thống để có được hệ số cản khí động học là nhỏ nhất. Do đó những nghiên
cứu thành cơng về khí động học đối với ơ tơ truyền thống đều được ứng dụng cho xe
điện. Vì vậy, nếu cải thiện được hình dạng khí động học của ơ tơ điện sẽ giảm thiểu lực
cản khí động của nó thì có thể tiết kiệm năng lượng rất lớn, đồng thời nâng cao tuổi thọ
của Pin, nâng cao quãng đường xe chạy sau mỗi lần sạc đầy.
Chương 2: Giới thiệu về các phương pháp giảm sức cản khí động của xe ô tô

- Giảm lực cản khí động bằng tối ưu hóa hình dạng xe
- Giảm lực cản khí động bằng phương pháp điều khiển dòng chảy bị động
- Giảm lực cản khí động bằng phương pháp điều khiển dịng chảy chủ động
Để giảm sức cản Cd của ô tô đặc biệt là ơ tơ điện thì có rất nhiều phương pháp
khác nhau như tối ưu hình dáng của xe tuy nhiên điều này khó có thể áp dụng triệt để,
do nó ảnh hưởng đến khơng gian bên trong của hành khác.
Và một vài phương pháp điều khiển dòng chảy chủ động và bị động không ảnh
hưởng đến không gian bên trong của xe, nhưng vẫn cải thiện được hệ số cản Cd của ô
tô. Các phương pháp này làm giảm vùng xốy lốc phía sau xe ơ tơ điều này sẽ làm giảm
hệ số cản của xe ô tô
Chương 3: Đánh giá các phương án giảm lực cản khí động cho xe bằng phương
pháp số
- Giới thiệu về phương pháp CFD và phần mềm Ansys Fluent
- Đánh giá đặc tính khí động của xe
- Đánh giá đặc tính khí động của xe trong trường hợp có trang bị bộ tạo, tại các vị
trí khác nhau.
Đây là chương quan trọng nhất của luận văn. Trong chương này chúng ta đi tìm
hiểu cách thiết kế bộ tạo xoáy để giảm hệ số cản của ô tô điện (ứng dụng là ô tô điện
Nissan Leaf). Để nghiên cứu được thuận lợi trong chương 3 giới thiệu phương pháp số
để mô phỏng các kết quả thiết kế để tìm ra được phương án thiết kế tối ưu, làm giảm
sức cản gió của ơ tơ là lớn nhất.

3

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm phương án giảm sức cản khí động cho xe điện

bằng bộ tạo xốy giới thiệu về ống khí động và các thiết bị thí nghiệm
- Đánh giá đặc tính khí động của xe nguyên bản
- Đánh giá đặc tính khí động của xe trong trường hợp có trang bị bộ tạo xốy
Từ kết quả của phần mềm mơ phỏng khí động lực học CFD trong chương 3, với
chương 4 thì ta tiến hành kiểm nghiệm thực tế bằng cách sử mơ hình xe Nissan Leaf với
tỷ lệ thu nhỏ 1:12 và đưa vào ống khí động để đánh giá bộ tạo xốy.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài
- Kết luận
- Hướng phát triển của đề tài
7. Tổng quan tài liệu nghiên cứu:
[1]. P. N. Selvaraju and K. M. Parammasivam, “Empirical and Numerical
Analysis of Aerodynamic Drag on a Typical SUV Car Model at Different Locations of
Vortex Generator”, Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 12, No. 5, pp. 1487-1496,
2019.
[2]. Englar. R. J, “Improved pneumatic aerodynamics for drag reduction, fuel
economy, safety and stability increase for heavy vehicles”, SAE 2005 Commercial
Vehicle Engineering, Congress and Exhibition, SAE Paper 2005-01-3627, Chicago,
Illinois, USA
[3]. McNally. J, Fernandez. E, Robertson. G, Kumar. R, Kunihiko. T, “Drag
reduction on a flat-back ground vehicle with active flow control”, Wind Engineering
and Industrial Aerodynamics, Vol. 145, 2015, pp 292 – 303.
[4]. Hui. Z, Hu. X, Guo. P, Wang. Z and Wang. J, “Separation Flow Control of
a Generic Ground Vehicle Using an SDBD Plasma Actuator”, Energies, Vol. 12, 2019,
pp 3805.
[5]. Bassem Nashaat Zakher, Mostafa El-Hadary, Andrew Nabil Aziz, “The
Effect of Vortex Generators on Aerodynamics for Sedan Cars“, CFD Letters 11, Issue
6, 2019, pp 1-17.

4


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC XE Ơ TƠ VÀ Ơ TƠ ĐIỆN
1.1. Tổng quan về khí động học xe ơ tơ:
1.1.1. Lực cản khí động lực học đối với ơ tơ.

Hình 1.1: Các thành phần lực cản tác dụng lên ô tô, khi ô tô chuyển động
Như hình 1.1. ta thấy khi ơ tơ chuyển động trên đường ngồi sức cản lăn, sức cản
lên dốc thì khơng khí xung quanh ơ tơ cũng tạo nên những sức cản cho ô tô như lực cản
dọc xe, lực nâng xe, lực nén trước kính lái xe.
Lực cản khí động học được hiểu là thành phần lực theo hướng dòng chảy tác động
lên vật thể. Trong các thí nghiệm ở dải tốc độ cận âm, lực cản khí động tỷ lệ thuận với
khối lượng riêng của mơi trường dịng chảy (ở đây là khơng khí ρL), vận tốc dịng chảy
và diện tích hình chiếu đứng theo hướng dịng chảy của vật thể. Với những liên kết này,
lực cản khí động có thể được hình thành như cơng thức dưới:
FD =

1
. ρ . v 2 . A. 𝐶𝐷
2 𝐿 ∞

1-1

Trong đó:
FD - Lực cản khí động [N].
L - Khối lượng riêng khơng khí [kg/m3], L = 1,25 [kg/m3].
v∞ - Vận tốc chuyển động của dịng khơng khí hoặc của xe [m/s].

A - Diện tích mặt cắt ngang của xe [m2].
5

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


CD - Hệ số cản khí động.
1 v2

Phần 2  trong công thức trên được gọi là áp suất động hoặc áp suất tổng của
lực tới, do đó, lực khí động tỷ lệ với áp suất động. Tại điểm dừng, dòng được chia thành
hai phần. Tại điểm này vận tốc v∞ = 0 và áp suất theo định luật Bernoulli:

ptot , S = p +

L 2
v
2

1-2

Trong khí động học, người ta thường sử dụng các hệ số không thứ nguyên thay vì
các lực, mơmen và áp suất có chiều, vì chúng không phụ thuộc vào tốc độ trên một dải
vận tốc rộng. Chúng là những con số đại diện cho chất lượng khí động học của một hình
dạng thân xe.

CD =


FD

L 2
v A
2

1-3

Và CD là một hàm của các tham số không thứ nguyên khác như số Reynolds (Re),
số Mach (Ma), số Froude (Fr), độ nhám tương đối của bề mặt (ε/l) và hình dáng vật
thể.[2]

CD = ( shape, Re, Ma, Fr ,  / l )

1-4

Ngoài ra, sự phân bố áp suất trên bề mặt xe còn được biểu diễn tại mỗi điểm x
bằng hệ số áp suất CP:

Hình 1.2: Dòng chảy xung quanh xe và sự phân
bố áp suất

6

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Cp =


pS − p
L 2
v
2

1-5

Ở điểm dừng, CP=1. Sự phân bố áp suất trong hình 1.1 cho thấy áp suất ở phía trên
thấp hơn nhiều so với mặt dưới. Đây là lý do giải thích cho lực nâng mà ơ tơ thường có.
Trong dịng chảy khơng nhớt, sẽ xảy ra hai điểm dừng, một ở phía trước và một ở
phía sau xe. Khi đó nếu tính đến tính nhớt của chất lỏng thì điểm dừng thứ hai biến mất
do có sự tách dịng ở phía sau ơ tơ.
1.1.2. Phân tích các thành phần của lực cản khí động học
Lực cản khí động học có thể
được xác định bằng cách cộng các
giá trị áp suất bề mặt và ứng suất
cắt bề mặt. Chúng cũng được mô
tả như thành phần áp suất (bởi sự
phân tách dòng chảy và lực nâng)
và thành phần ma sát (bởi ứng suất
cắt). Do đó, nguyên nhân của lực
cản khí động có thể được hiểu rõ
nhất bằng cách so sánh dòng chảy
nhớt thực với dòng chảy của một
chất lỏng lý tưởng, khơng nén
được.
Trên các vật thể có hình Hình 1.3: Phân bố áp suất và mơ hình đường dịng
trên một hình trụ trịn với số Reynolds khác nhau
dạng khí động học xấu, chẳng hạn

như hình trụ trịn (xem hình 1.3) hoặc hình cầu, sự gia tăng áp suất trong diện tích phần
mở rộng của vật thể là lớn nhất, cao đến mức xảy ra
hiện tượng tách dòng. Kết quả là sự phân bố áp suất
trên vật thể không đối xứng, dẫn đến lực cản lớn.
Ở mặt trước của hình trụ, sự phân bố áp suất
của các trường hợp b) và c) về cơ bản khớp với sự
phân bố áp suất của dòng chảy lý tưởng. Tuy nhiên,
ở mặt sau của hình trụ có áp suất âm đáng kể do sự
phân tách dịng chảy trong trường hợp dịng chảy
Hình 1.4: Dịng chảy lý tưởng
thực. Do đó, sự phân bố áp suất trở nên khơng đối
qua hình trụ trịn
xứng so với trục y. Tổng các thành phần lực theo
hướng dòng chảy do sự phân bố áp suất là lực cản áp suất.
7

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Các điều kiện tương tự được xác định đối với phía trước và phía sau của một chiếc
ơ tơ: Khi áp suất trong dịng chất lỏng khơng nhớt và nhớt gần như giống hệt nhau ở
phía trước - nếu như giả định ở đây, khơng có sự phân tách nào xảy ra ở điểm này - thì
có sự khác biệt đáng kể ở phía sau. Và chúng là lý do tại sao tích phân áp suất khác
khơng. Như đã nêu ở trên, sự khác biệt về áp suất giữa dòng chảy lý tưởng và dòng chảy
thực là nguyên nhân gây ra lực cản - chứ không phải áp lực lên “bề mặt có dịng dừng”
ở phía trước, như đơi khi được công nhận.
Đối với thành phần lực cản do ma sát. Dịng có vận tốc khơng lớn, khi ở trong lớp
biên có chế độ chảy thành lớp, chất lỏng chảy quanh vật đều đặn (khơng bị đứt ra). Các

đường dịng có dạng giống như trong trường hợp chảy lượn của chất lỏng lý tưởng. Ðể
thí dụ ta xét sự chảy quanh quả cầu. Trường hợp chất lỏng lý tưởng (xem hình 1.4), tổng
các áp lực lên mặt quả cầu bằng khơng do sự đối xứng của các đường dịng. Cũng do
ngun nhân đó tổng các áp lực vng góc với mặt cầu cũng sẽ bằng không cả trong
trường hợp chất lỏng nhớt chảy thành lớp quanh quả cầu. Có nghĩa là lực do chất lỏng
tác dụng vào quả cầu là lực ma sát, chính xác hơn, là lực tổng hợp của các lực ma sát
đặt vào mỗi phần tử mặt cầu. Ứng suất phụ thuộc vào gradien vận tốc, gradien vận tốc
lại phụ thuộc vào chiều dày của lớp biên. Lớp biên mỏng nhất ở các điểm A và B. Vì
vậy gradien vận tốc và do đó cả ứng suất sẽ có giá trị lớn nhất ở các điểm C và D và nhỏ
nhất ở các điểm A và B. Và hướng của lực ma sát thì hướng theo dịng chảy.
Nếu khơng có sự phân tách dịng chảy, lực cản ma sát vẫn là phần chiếm ưu thế
trong tổng lực cản của một vật thể có dáng thn. Trong trường hợp của tấm mỏng, hồn

Hình 1.5: Hệ số cản của tấm phẳng và cánh như một hàm của số Reynolds
(theo Schlichting & Gersten)
8

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


tồn có lực ma sát lên cả hai mặt của tấm. Hình 1.5 cho thấy hệ số cản Cd thay đổi theo
số Reynolds khi thực hiện trên tấm mỏng.
Nếu chúng ta coi rằng lớp biên ở vùng phía trước của tấm mỏng là chảy tầng và
lớp biên chảy rối chỉ ở vùng phía sau, chúng ta thu được đồ thị như hình 1.5. Người ta
thấy rằng, ở lớp biên chảy rối, lực cản ma sát lớn hơn nhiều so với lớp biên chảy tầng.
Điều này là do các gradient vận tốc lớn hình thành trong đường dịng rối. Hình 1.5 cũng
cho thấy độ nhám của bề mặt càng làm tăng lực cản ma sát. Ở đây, hệ số cản hoạt động
độc lập với số Reynolds. Nói chung, có thể giả định rằng một chiếc xe có thành phần

lực cản áp suất từ 80 đến 90%, trong khi biên dạng cánh máy bay có thành phần lực cản
ma sát xấp xỉ 95%.

Hình 1.6: Phân tích tổng lực cản khí động học thành lực cản, bộ tản nhiệt và lực cản
ma sát (tỷ lệ phần trăm) cho các hình dạng cơ thể khác nhau (phân tích CFD)
Thành phần ma sát của lực cản đối với xe du lịch là nhỏ, điều đó được thể hiện
trên hình 1.6. Kết quả cung cấp trong hình ảnh này được đánh giá trên cơ sở kết quả tính
tốn động lực học chất lỏng (CFD). Việc mơ phỏng động lực học chất lỏng cung cấp
khả năng phân tích các thành phần ma sát và áp suất, bởi vì cả áp suất và ứng suất cắt
đều được tính toán ở mỗi phần tử bề mặt.
1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khí động học xe ơ tơ
1.2.1. Trường dịng chảy qua các vật thể có hình dạng khí động học xấu
Dịng chảy xung quanh một chiếc ơ tơ tương tự như dịng chảy xung quanh thân
vật thể có hình dạng khí động học xấu. Một mặt, nó bị ảnh hưởng bởi dịng chảy trên
các diện tích bề mặt thân ô tô, dẫn đến sự phát triển của lực ma sát nhớt. Mặt khác, sẽ

9

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


xảy ra hiện tượng tách lớp, dẫn đến tổn thất áp suất lớn, đặc biệt là ở phía sau và gầm
xe. Từ những thí nghiệm có thể quan sát thấy hai loại phân tách dòng chảy:
Dòng chảy tách ra trên các
cạnh vng góc với hướng của
dịng chảy. Hình thành các xoáy
cuộn lại, trục của chúng thường
song song với đường phân tách.

Phần lớn động năng của chúng bị
tiêu tán bởi sự trộn lẫn hỗn loạn.

Hình 1.8: Hai loại phân tách dịng chảy
Do đó, kiểu phân tách đầu tiên này đơi khi
được chỉ định là gần như hai chiều. Phía sau
sự phân tách này hình thành một vùng thể tích
được bao quanh bởi các dòng chảy tầng
thường được gọi là vùng “trống”. Bên trong
vùng trống, dịng chảy có thể đang lưu thơng,
Hình 1.7: a) vùng chảy rối hình thành ở hướng chảy vào bề mặt của đi ơ tơ thậm chí
một bên, khơng tuần hồn; b) hình
ngược hướng của dịng chảy bên ngồi.
thành cả hai bên, tuần hồn; c) đối
xứng quay hình xoắn ốc

10

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Loại phân tách thứ hai là phân tách tự nhiên ba chiều. Tại các cạnh xung quanh mà
khơng khí chảy theo một góc, luồng
khơng khí tạo thành các xốy theo
chiều
dịng chảy có dạng hình nón tương
tự
như các xốy được quan sát trên

cánh
máy bay. Các vùng mà các xốy này
có xu
hướng được tạo ra nhiều nhất trên ô
tô là
các cạnh nghiêng phía sau của ơ tơ.
Các
trục của các xốy này về cơ bản chạy
theo
hướng dịng chảy; khơng giống như
xốy
hai chiều, chúng rất giàu năng
lượng. Hình 1.9: Sơ đồ dịng chảy qua bậc; a)
sự hình thành lớp tách và dịng chảy
tuần hồn trong vùng xốy ngược; b) 1.2.2. Vùng chảy rối
mơ hình tương ứng của áp suất tĩnh ở
Nếu dòng chảy phân tách tại
vùng
xốy
ngược.
các
đường vng góc với hướng dịng
chảy chính, có thể phân biệt ba dạng, như thể hiện bằng sơ đồ trong hình 1.8. Vùng chảy
rối do đó được hình thành là:
- Khơng tuần hồn.
- Tuần hồn.
- Xốy vịng / hình xoắn ốc.
a. Vùng chảy rối khơng tuần hồn
Chúng ta sẽ xem xét dịng chảy qua bậc có chiều cao h được thể hiện trong hình
1.9a. Tại điểm S, lớp biên tách khỏi bề mặt của vật thể và chuyển thành lớp tách. Lớp

tách này bắt đầu gắn lại tại điểm R. Một vùng chảy rối khép kín hình thành, trong đó
dịng chảy lưu thơng.
Bằng cách kết hợp với dịng chảy bên ngồi gần như khơng bị trộn lẫn, lớp tách sẽ
mở rộng (dòng (1)). Dòng (2) là một dòng được tính trung bình theo thời gian; nó bao
quanh vùng rối đặc trưng bởi các dòng chảy ngược. Ở đây, dòng (3) biểu thị ranh giới
giữa dòng chảy thuận và dòng chảy ngược. Ở hạ lưu của R, một lớp biên lại hình thành;
chiều dài giãn (tức là khoảng cách di chuyển theo dòng bên trong cho đến khi trạng thái
cân bằng được thiết lập lại trong lớp biên) khá lớn (x = 0 tại R).
Theo Prandtl, sự phân tách dòng chảy xảy ra (theo hai chiều) khi đáp ứng các tiêu
chí sau:

p
0
x
 u 
  =0
 y  y =0

1-6
1-7

w = 0

1-8
11

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



Tại điểm S của sự phân tách,
gradient áp suất là dương, nghĩa là, lớp
biên chảy theo sự gia tăng áp suất, biên
dạng vận tốc của lớp biên có phương
tiếp tuyến vng góc, và do đó, ứng
suất cắt của tường tại S bằng không.
Nếu điểm S bây giờ đưa ra tại một mép
cạnh, như được minh họa, thì các đặc
tính được mơ tả bởi các phương trình
(1-6) đến (1-8) khơng áp dụng.
Gradient áp suất có thể là bất kỳ giá trị
nào, thậm chí là âm. Biên dạng dịng
chảy có dạng là lớp biên có độ lớn
“bình thường” và ứng suất cắt của
Hình 1.10: Sự phân tách hai mặt hoặc sự phân
tường khác không. Đối với kiểu tách
tách cạnh ở đáy của một cơ thể hai chiều, sơ đồ: a)
biệt này được gọi là tách lớp biên.
trường dòng chảy; b) phân bố áp suất trên trục X
Biểu đồ áp suất xảy ra phía sau
của bậc (được chỉ ra trong hình 1.10b) là điển hình cho kiểu xốy ngược này, và các đặc
tính phổ quát của nó, như đã đề cập, được sử dụng để xây dựng các mơ hình chảy rối
trên lý thuyết. Bắt đầu từ áp suất cơ bản, áp suất đi qua một điểm cực tiểu bằng phẳng
và sau đó tăng lên bằng với áp suất môi trường xung quanh. Trên ô tô, sự tách lớp biên
với vùng chảy rối khơng theo chu kỳ có thể xảy ra ở tất cả các mép "đầu", cũng như ở
mép sau của mái, nhiều nhất ở xe chở khách và chở hàng hóa.
b. Vùng chảy rối tuần hoàn
Vùng chảy rối tuần hoàn được thể hiện dưới dạng giản đồ trong hình 1.11a. Vật
thể hai chiều có xu hướng thn về phía sau; ở góc phía trên được bo trịn vào phần đi

với độ cong tăng dần, trong khi phần phía dưới được thu nhỏ cạnh dần rồi kết thúc tại
mép cạnh.
Ở phía trên, dòng chảy tách ra tại điểm SO; ở mặt dưới, sự phân tách xảy ra tại
điểm SU. Ở hạ lưu của SU và SO, các lớp biên chuyển tiếp sang các lớp tách tự do. Các
lớp này gặp nhau tại điểm R, một điểm tự do, do đó nó bao quanh vùng rối. Trong vùng
rối này, hai xoáy ngược chiều hình thành, có thể ln phiên theo chu kỳ, như trong một
đường xốy Kármán. Dịng phân tách hình thành ở bên phải R, mở rộng về phía hạ lưu
và dần dần cân bằng hoàn toàn.

12

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Ví dụ, sự phân tách tuần hồn xảy ra ở thanh ăn ten của ô tô. Việc phân tách ở đuôi
xe các phương tiện vuông vức như xe buýt, xe container, xe khách khơng phải là định
kỳ mà có tính chất ngẫu nhiên; chi tiết được cung cấp trong phần vùng rối khơng ổn
định.
Vùng chảy rối tuần hồn có
thể được chuyển đổi thành chảy
rối khơng tuần hồn bằng cách
đưa một tấm phẳng vào vùng rối,
song song với trục X. Điều này
ngăn cản sự trao đổi chéo giữa hai
dịng xốy; áp suất ở mặt cuối tăng
lên và lực cản giảm xuống.
c. Chảy vịng và xoắn ốc
Sự phân tách với các xốy

dịng chảy chéo cũng xảy ra trong
các cấu hình đối xứng quay, nghĩa Hình 1.11: Sơ đồ sự hình thành của một vịng xốy ở
đáy của một vật thể lăng trụ theo dòng chảy dọc và sự
là, nếu dòng chảy quan sát được
xuất hiện của sự trào lên.
mở rộng về mặt khái niệm vào chiều thứ ba. Ví dụ đơn giản là hình thức của một đĩa
trịn hoặc hình nón. Như minh họa trong hình 1.3c, tính trung bình theo thời gian, một
xốy vịng hình thành mà từ đó, theo cách tuần hồn, các xốy tự do tách ra và “trơi đi”
về phía sau theo hình xoắn ốc. Loại phân tách này cũng có thể được thấy trên các hình
dạng khơng lệch quá nhiều so với đối xứng quay, chẳng hạn như gương chiếu hậu, nhưng
cũng được tính trung bình theo thời gian, trên các vật thể vuông vức.

13

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


d. Vùng rối không ổn định
Bằng cách xem xét mô hình
dịng chảy, áp suất và vận tốc cho
đến nay được tính trung bình
theo thời gian, hiện tượng "tách
lớp biên" đã được coi như thể nó
là một q trình ổn định. Tuy
nhiên, đó khơng phải là thực tế.
Hiện tượng khơng ổn định
được biết đến nhiều nhất trong
quá trình phân tách là đường

xoáy Kármán (là một dạng lặp
lại của các xoáy, gây ra bởi một
q trình được gọi là sự đổ xốy,
gây ra sự phân tách khơng ổn
định của dịng chảy chất lỏng
xung quanh các vật thể có khí
động học xấu. Nó được đặt theo
tên của kỹ sư và nhà động lực
học chất lỏng Theodore von
Kármán), hình thành đằng sau
một hình trụ trịn trong một dịng
chảy ngang. Số Strouhal, số
khơng thứ ngun mơ tả các cơ
chế dịng dao động, đối với hình
trụ trịn phụ thuộc vào số
Reynolds.

Hình 1.12: Trường dịng chảy, được đo bằng PIV, đằng
sau khối hình chữ nhật trong dịng chảy dọc, theo
Khalighi et al: a) ảnh chụp các vectơ vận tốc và đường
chuyển động quay bằng nhau; b) mô hình hóa đường
dịng; c) trường dịng chảy trung bình theo thời gian
phía sau cùng một cơ sở, nhưng được trang bị bằng tấm
chắn

Đường xốy Kármán cũng
được hình thành phía sau các vật
thể (hai chiều) kết thúc bằng một
cạnh, ví dụ về chúng là một
mảng dày trong dòng chảy dọc

(với cạnh bo trịn), một hình nêm và trường hợp đặc biệt của nó là tấm mỏng có cạnh
dài theo dịng chảy ngang. Trên các vật thể này, số Strouhal, mà các xốy chảy ln
phiên, khơng phụ thuộc vào số Reynolds, bởi vì sự phân tách của dịng chảy được cố
định ở mép cạnh.
14

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ