Nghiên cứu tính toán lực cản khí động của xe khách thông qua mô phỏng số CFD

57
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017
NGHIÊN	CỨU	TÍNH	TOÁN	LỰC	CẢN	KHÍ	ĐỘNG	 
CỦA	XE	KHÁCH	THÔNG	QUA	MÔ	PHỎNG	SỐ	CFD
STUDY ON COMPUTATION OF AERO-DYNAMIC 
FORCE ACTING ON BUS BY USING CFD
Đỗ	Tiến	Quyết,	Trần	Quang	Thanh,	Phạm	Văn	Trọng
Email: trongbk2010@gmail.com 
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 10/8/2017 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 22/9/2017 
Ngày chấp nhận đăng: 26/9/2017
Tóm	tắt	
Lực cản khí động tác dụng lên vỏ ô tô khách chuyển động với vận tốc cao chiếm hầu hết tổng thành 
phần lực cản tác động lên xe, làm tiêu thụ một phần đáng kể công suất của động cơ. Đây là một trong 
những nguyên nhân làm gia tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Bài báo trình bày 
phương pháp và một số kết quả tính toán xác định lực cản khí động trên vỏ ô tô khách thông qua mô 
phỏng số CFD. Thông qua kết quả tính toán mô phỏng có thể là cơ sở quan trọng để ứng dụng trong 
nghiên cứu tối ưu thiết kế khí động học vỏ xe khách cũng như giúp vận hành khai thác xe tốt nhất.
Từ khóa: Xe khách; lực cản khí động; công suất; tiêu thụ nhiên liệu; CFD. 
Abstract	
Aerodynamic drag acting on bus at high speed is almost of the total drag, it takes a large amount engine 
power for the bus transportation. These is one of reasons which increases the fuel consumption and air 
pollution. In this paper, authors present a study on computated aero dynamic drag acting on a bus by 
using a commercial CFD code. The results of research may be useful for optimal bus design and safety 
of bus transportation. 
Keywords: Bus; aerodynamic drag; engine power; fuel consumption; CFD.
1.	GIỚI	THIỆU	CHUNG	
Khi ô tô chuyển động trên đường, sự tương tác 
giữa xe và không khí xung quanh là phạm vi 
nghiên cứu của khí động học. Nghiên cứu khí 
động học góp phần rất lớn vào sự phát triển của 
ngành công nghiệp ô tô, vì vậy đã từ lâu các nhà 
khoa học đã nghiên cứu vấn đề khí động học trên 
ô tô nhằm giải quyết những vấn đề chính sau: 
- Giảm lực cản khí động nhằm cải thiện tính 
năng động lực học của ô tô và giảm mức tiêu thụ 
nhiên liệu.
- Giảm tối đa các lực và mômen gây mất ổn định 
chuyển động nhằm nâng cao tính an toàn chủ 
động, đặc biệt là đối với các loại ô tô có tốc độ cao 
hay trong trường hợp gặp gió ngang lớn.
- Tận dụng dòng chảy không khí để thông gió 
trong khoang xe, cải thiện khả năng làm mát động 
cơ và các cơ cấu phanh của ô tô trong quá trình 
chuyển động.
- Giảm độ ồn khí động do tương tác giữa dòng 
chảy không khí với vỏ xe [1].
Ô tô khách đang được sử dụng phổ biến ở Việt 
Nam để vận chuyển hành khách trên những 
tuyến đường dài, trong đó ô tô lắp ráp trong nước 
chiếm tỷ trọng cao. Do có kích thước lớn, loại ô tô 
này chịu lực cản khí động rất lớn, đặc biệt là khi 
chuyển động trên đường quốc lộ hoặc đường cao 
tốc với vận tốc cao. 
Theo lý thuyết, lực cản khí động được xác định 
theo công thức:
(1)
Trong công thức trên, khối lượng riêng của không 
khí ρ là thông số không thể thay đổi. Để giảm lực 
cản, nếu giảm diện tích cản chính diện A thì không 
58
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017
gian sử dụng bị giảm, còn nếu giảm vận tốc V thì 
sẽ làm giảm năng suất vận chuyển. Vì vậy, giải 
pháp duy nhất để giảm lực cản không khí là tạo 
hình dạng khí động học tối ưu để có được hệ số 
cản Cx nhỏ nhất. Để giảm Cx cần có những nghiên 
cứu sâu cả về lý thuyết và thực nghiệm nhằm xác 
định được các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó đề 
xuất các giải pháp cải thiện kết cấu phù hợp [3].
Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện chủ yếu 
trong thiết bị chuyên dụng gọi là ống khí động. 
Hiện nay, các ống khí động đã tạo được điều kiện 
thử ngày càng gần với thực tế hơn: thử ô tô với 
kích thước thật, tạo được môi trường, điều kiện 
thử phong phú (thay đổi nhiệt độ, áp suất, tạo 
mưa, nắng,...) và đặc biệt là các thiết bị đo hiện 
đại đã cho phép thực hiện những thí nghiệm với 
độ chính xác cao và mở rộng phạm vi nghiên cứu.
Ống khí động (hình 1) là thiết bị dùng trong nghiên 
cứu thực nghiệm khí động học ô tô. Nó là một 
ống khí với buồng thử có tiết diện được thu hẹp 
lại nhằm mục đích tăng vận tốc thử. Ô tô thí 
nghiệm (hoặc mẫu thử) được gắn trên một bàn 
đo, đặt trong buồng thử. Nếu ống khí động có kích 
thước đủ lớn thì người ta sử dụng vỏ xe thực để 
thí nghiệm. Còn nếu ống có kích thước nhỏ thì 
thay cho xe thật là mẫu thử có hình dạng hoàn 
toàn giống xe thật nhưng kích thước nhỏ hơn, 
tương thích với kích thước của buồng thử. Thông 
thường thì mẫu thử được chế tạo bằng gỗ hoặc 
plastic (hình 2) [2].
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý làm việc 
của ống khí động [3]
Hình 2. Mô hình vật mẫu bằng plastic 
trong ống khí động [2]
Nghiên cứu lý thuyết dựa trên những phương 
pháp mô phỏng dòng chảy không khí bao quanh 
ô tô dựa trên phương trình Navier - Sokes. Đây là 
một bài toán hết sức phức tạp và vẫn đang là mối 
quan tâm hàng đầu của những nhà nghiên cứu 
khí động trên thế giới. Cho tới ngày nay người 
ta vẫn chưa tìm được lời giải đầy đủ được bằng 
phương pháp giải tích. Vì vậy, đã từ lâu các nhà 
nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng các mô 
hình đơn giản hóa và các phương pháp giải gần 
đúng có độ chính xác cao với sự trợ giúp của máy 
tính [4, 5].
Do đó nhóm tác giả đã sử dụng phần mềm chuyên 
dụng ANSYS - FLUENT 18.1 để mô phỏng dòng 
chảy không khí bao quanh vỏ xe và từ đó tính toán 
xác định hệ số cản Cx. Đây là công cụ mô phỏng 
dòng chảy hiệu quả và có độ chính xác cao, được 
nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới chấp nhận và 
sử dụng. Trên cơ sở thống kê và nghiên cứu các 
loại xe khách hiện đang khai thác sử dụng tại Việt 
Nam, nhóm tác giả lựa chọn xe khách THACO 
HB120SL-H380R-14 làm đối tượng nghiên cứu 
trong bài báo này. Hình 3 thể hiện các thông số 
kích thước tính toán thiết kế sử dụng trong nghiên 
cứu. Các thông số kích thước cơ bản của tàu 
được thể hiện trong bảng 1.
Hình 3. Thông số kích thước của xe khách 
THACO HB120SL-H380R-14
Bảng 1. Kích thước cơ bản của xe khách THACO 
HB120SL-H380R-14
Tên Ký	hiệu Giá	trị Đơn	vị
Chiều dài 
tổng thể
L 12050 mm
Chiều rộng 
tổng thể
W 2500 mm
Chiều cao 
tổng thể
H 3500 mm
2.	MÔ	HÌNH,	MIỀN	KHÔNG	GIAN	TÍNH	TOÁN,	
CHIA	LƯỚI	VÀ	ĐIỀU	KIỆN	BIÊN
2.1.	Xây	dựng	mô	hình	3D
Trong tính toán mô phỏng số CFD, cần thực hiện 
xây dựng mô hình tính toán mô phỏng. Trong 
nghiên cứu này, trên cơ sở thông số kích thước 
59
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017
của xe khách tham khảo, mô hình xe khách được 
mô phỏng trong không gian ba chiều thông qua sử 
dụng phần mềm SolidWorks 2016. Đây là bước 
đầu tiên và cũng là bước khá quan trọng trong quá 
trình tính toán mô phỏng số CFD.
Khi thực hiện mô phỏng, để phù hợp với khả năng 
tính toán của máy tính nhưng vẫn đảm bảo được 
tính đúng đắn, độ tin cậy và sự tương thích của 
bài toán nghiên cứu với thực tiễn, bài báo sử dụng 
các giả thiết sau:
- Mô hình vỏ xe là tuyệt đối cứng, không xảy 
ra sự biến dạng của vỏ xe trong suốt quá trình 
mô phỏng. 
- Bỏ qua quá trình trao đổi nhiệt giữa vỏ xe và 
không khí.
- Bề mặt vỏ xe là bề mặt nhẵn, gầm xe được bọc 
phẳng (không xét đến các yếu tố khác của xe như 
gạt mưa, các gân, gờ, tay nắm cửa,...).
- Vận tốc dòng khí tại đầu vào của không gian mô 
phỏng có hướng song song với trục dọc của xe, 
thổi theo hướng từ đầu xe tới đuôi xe và có giá trị 
không đổi trong quá trình mô phỏng
- Vận tốc không khí tại bề mặt vỏ xe và bề mặt giới 
hạn vùng không gian mô phỏng bằng 0 m/s [3].
Mô hình 3D của xe khách tham khảo được thể 
hiện trên hình 4.
Hình 4. Mô hình 3D của xe khách THACO 
HB120SL-H380R-14
2.2.	Xây	dựng	miền	không	gian	tính	toán	
Nếu chọn vùng không gian tính toán quá lớn thì 
yêu cầu cấu hình máy tính rất mạnh cũng như thời 
gian tính toán rất lâu. Vì vậy, để phù hợp với máy 
tính được sử dụng trong quá trình nghiên cứu và 
vẫn đảm bảo tính chính xác của một bài toán mô 
phỏng CFD thì vùng không gian chia lưới được 
xác định như sau: kích thước dài x rộng x cao 
của vùng không gian mô phỏng được điều chỉnh 
lại thành 54.000 x 14.000 x 25.000 (mm). Vùng 
không gian mô phỏng được minh họa trên hình 
5 [3, 4].
Hình 5. Miền không gian tính toán cho mô hình
2.3.	Chia	lưới	cho	vùng	không	gian	tính	toán	
Chất lượng lưới của mô hình mô phỏng trong 
CFD sẽ quyết định độ chính xác kết quả tính toán 
của bài toán mô phỏng khí động. Để đảm bảo 
chất lượng lưới của mô hình tốt, những phần tử 
nằm sát bề mặt vỏ xe, bước lưới được chia rất 
nhỏ. Sở dĩ kích thước phần tử lưới ở sát bề mặt 
vỏ xe được chọn như vậy vì ở khu vực lớp biên, 
các thông số của dòng chảy thay đổi rất nhanh 
trong không gian nên cần được mô tả một cách 
chi tiết để đảm bảo được độ chính xác của kết quả 
mô phỏng.
Tuy nhiên, nếu cứ duy trì bước chia như vậy 
trong toàn bộ không gian tính toán thì số lượng 
phần tử và khối lượng tính toán sẽ cực lớn. Vì 
vậy, kích thước của phần tử ở vùng biên phải đủ 
nhỏ, đủ mịn để đảm bảo độ chính xác của kết quả 
mô phỏng, nhưng ở các vùng xa biên, bước lưới 
được chọn phải thưa dần để có được số lượng 
phần tử phù hợp với khả năng của máy tính. 
Các thông số lưới của mô hình được thể hiện 
trong bảng 2. Hình ảnh chia lưới của mô hình 
được minh họa trên hình 6.
Bảng 2. Các thông số lưới của mô hình 
Thông	số Giá	trị
Kiểu lưới Tet 4 và Wed 6
Số nút 751561
Số phần tử 2791507
Hệ số bất đối xứng của 
phần tử 0,23794
Hệ số lệch hướng của phần tử 4,8659
Chất lượng độ trực giao của 
phần tử 0,75
Chất lượng chung của phần tử 0,73
60
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017
Hình 6. Lưới của miền không gian tính toán
2.4.	Đặt	các	điều	kiện	biên
Để có thể giải bài toán khí động bằng mô phỏng 
CFD cần các điều kiện biên (hay các thông số ban 
đầu) cho bài toán. Các điều kiện biên của bài toán 
được thể hiện trong bảng 3. 
Bảng 3. Các điều kiện biên
Tên Giá	trị Đơn	vị
Mô hình rối k-epsilon -
Đầu vào Velocity inlet -
Đầu ra Pressure outlet -
Vận tốc vào, V 33,33 m/s
Áp suất ra, p 1,025 105 N/m2
Khối lượng 
không khí, ρ
1,225 kg/m3
Độ nhớt động 
học, υ
1,789 10-5 kg/ms
3.	KẾT	QUẢ	TÍNH	TOÁN	MÔ	PHỎNG	
Sau khi tính toán mô phỏng thu được các đồ thị 
phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe, phân bố áp 
suất trong mặt phẳng đối xứng dọc của xe, vectơ 
vận tốc tại mặt phẳng đối xứng dọc của xe như 
minh họa trên hình 7, 8, 9.
Hình 7. Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe
Hình 8. Phân bố áp suất trong mặt phẳng 
đối xứng dọc của xe
 Hình 9. Vectơ vận tốc tại mặt phẳng 
đối xứng dọc của xe
Hình 7 cho thấy trên vỏ xe tồn tại những vùng có 
áp suất dương, những vùng áp suất âm và các 
xoáy thấp áp. Chính sự chênh áp này là yếu tố cơ 
bản để tạo nên lực cản khí động. 
Có thể thấy rõ trên hình 8, ở vùng đầu xe là áp 
suất dương, sau đó áp suất gần như là âm trên 
toàn bộ chiều dài của vỏ xe. Đặc biệt áp suất trở 
nên rất thấp ở các nơi hình thành vùng xoáy (khu 
vực tiếp giáp giữa kính trước và nóc xe, phần đầu 
của giàn nóng điều hòa, đuôi giàn nóng điều hòa 
và đuôi xe).
Các hình ảnh về vectơ vận tốc tại mặt phẳng đối 
xứng dọc của xe trên hình 9 chỉ rõ những nơi hình 
thành xoáy thấp áp có ảnh hưởng lớn đến lực cản 
khí động. Loại bỏ được hoặc giảm kích thước của 
những vùng xoáy này đồng nghĩa với việc giảm 
hệ số cản Cx.
Cùng với các dữ liệu hình ảnh áp suất, vận tốc ở 
trên, việc mô phỏng dòng khí chuyển động bao 
quanh vỏ xe khách tham khảo còn cho các kết 
quả ở dạng số như trong bảng 4. Dấu “-’’ trước giá 
trị thể hiện chiều của lực ngược chiều với chiều 
dương của trục tọa độ tương ứng
Bảng 4. Hệ số cản, lực cản khí động
Tên Ký	hiệu Giá	trị Đơn	vị
Hệ số cản Cx 0,635 -
Lực cản Fx - 2220.58 N
Để có thể giảm hệ số Cx, từ đó giảm suất tiêu 
hao nhiên liệu cần cải thiện một số thông số khí 
động học cơ bản của vỏ xe khách như minh họa 
trên hình 10. Tuy nhiên, việc cải thiện kết cấu của 
vỏ xe khách nhằm giảm thiểu lực cản khí động 
mà không gây ảnh hưởng lớn đến không gian sử 
dụng cũng như tính thẩm mỹ của nó. 
61
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017
Hình 10. Các thông số khí động cơ bản 
của vỏ xe khách [3]
4.	KẾT	LUẬN	
Bài báo đã trình bày nghiên cứu tính toán lực cản 
khí động của xe khách thông qua sử dụng CFD. 
Dưới đây là một số kết luận của bài báo:
- Công cụ tính toán mô phỏng số CFD (phần mềm 
ANSYS - FLUENT) có vai trò quan trọng trong 
việc dự đoán các hiện tượng khí động lực học 
phát sinh khi xe khách chạy. Kết quả tính toán mô 
phỏng số có thể trợ giúp các nhà nghiên cứu trong 
đánh giá tác động lực cản khí động học lên xe 
khách mà thực nghiệm khó quan sát được với chi 
phí thấp và có độ chính xác cao.
- Trong việc giảm lực cản khí động cần làm giảm 
kích thước vùng xoáy thấp áp sinh ra phần lớn tại 
phía sau đuôi xe bằng việc thay đổi một số thông 
số khí động học cơ bản của vỏ xe.
TÀI	LIỆU	THAM	KHẢO
[1]. W.H. Hucho (1988). Aerodynamics of Road 
Vehicles: From Fluid Mechanics to Vehicle 
Engineering. SAE International. 
[2]. M. Laurent Burgade. Aérodynamique Automobile: 
Approche numérique et expérimentale. PSA 
Peugeot-Citroen, session 1995-1996.
[3]. Tô Hoàng Tùng (2016). Nghiên cứu cải thiện dạng 
khí động học vỏ xe khách lắp ráp tại Việt Nam. 
Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[4]. Introduction to ANSYS Fluent (2012), Release 
14.5, November 15.
[5]. J. Blazek (2001). Computational Fluid Dynamics: 
Principles and Applications. Elsevier.