ĐĂNG NHẬP

Đường hầm gió và CFD

Cách Porsche phát triển một mẫu xe tại Trung tâm Phát triển Weissach.

25 Tháng 06, 2020

Người ta nói rằng, cảm hứng ra đời của những chiếc xe mang biểu tượng Porsche là từ đường đua. Khi Ferry Porsche nhận thấy khoảng cách từ xe của ông và của đối thủ qua từng chặng đua, ông ngay lập tức gọi nhân viên của mình tới gần và yêu cầu họ đề xuất các phương án cải thiện. Vì lẽ đó, tại Porsche, vấn đề nghiên cứu - phát triển rất được chú trọng, và Trung tâm Phát triển Weissach (Weissach Development Center) được xem là điểm nhấn lớn nhất.

porsche

Hoạt động từ năm 1971, đây là cái nôi chứng kiến sự ra đời của hầu hết các mẫu xe nhà Porsche, bao gồm cả những bản nâng cấp cho huyền thoại 911. Ở đây, một chiếc xe hoàn thiện sẽ trải qua 4 bước phát triển chính: hoàn thiện thiết kế, tạo mô hình mẫu, tinh chỉnh tại đường hầm gió, và kiểm tra trên địa hình thực tế. Trong các giai đoạn này, đường hầm gió (wind tunnel) đóng vai trò chủ chốt trong việc quyết định tính khí động lực học của xe.

porsche

Để cho đơn giản, chúng ta hãy tưởng tượng đường hầm gió là một phòng thí nghiệm cỡ lớn, trong đó chuyển động của chiếc xe được mô phỏng trong điều kiện thực tế nhất, và được quan sát, phân tích thông qua các công cụ đo lường. Nhờ những dữ liệu thu được từ thí nghiệm, các chuyên gia tại Porsche có thể điều chỉnh các chi tiết thiết kế trên xe nhằm đạt được mục tiêu của mình. Để mô phỏng được điều kiện môi trường thực tế nhất, đường hầm gió không đơn giản chỉ là một cánh tua-bin (turbine) quay tạo gió, mà nó thực sự là một đường hầm khổng lồ với những yêu cầu xây dựng chính xác.

porsche newsroom US

Tại khoang kiểm tra (test section), vị trí đặt mô hình xe cũng phải được tính toán tỉ mỉ để tránh các sai lệch đo lường, cũng như chuyển động của bánh xe trên đường cũng phải được mô phỏng. Tại trung tâm phát triển Weissach, Porsche có một đường hầm gió cỡ nhỏ (không mô phỏng đường) cho các mô hình với tỉ lệ 1:4, và một đường hầm gió cỡ lớn (có mô phỏng đường) cho mô hình với tỉ lệ 1:1. Phép thử nghiệm trên mô hình nhỏ hơn giúp Porsche tiết kiệm chi phí hơn, vận hành dễ dàng hơn, và tinh chỉnh các chi tiết cũng nhanh chóng hơn. Khác với Porsche nói riêng và các hãng xe châu Âu nói chung, các tên tuổi xe hơi Mỹ lại ưa thích tỉ lệ 3:8 thay vì 1:4.

automobili eleganza

Thông qua đường hầm gió, Porsche nghiên cứu 5 yếu tố chính sau đây của một chiếc xe:

  • Thiết kế xe: tính khí động học của thiết kế;
  • Hiệu năng xe: hệ số cản gió, tiêu hao nhiên liệu, phát thải, tăng tốc, tốc độ tối đa, tối ưu lực nâng/ép mặt đường, ổn định phanh và vào cua, ổn định gió ngang;
  • Tiện nghi: tích tụ bụi bẩn, giảm tiếng ồn gió, điều hướng mùi;
  • Lực thành phần: lực của dòng khí tác động lên các bộ phận trên xe;
  • Làm mát và điều hòa không khí: làm mát động cơ, khoang động cơ, phanh, vị trí và hình dạng hốc hút gió, điều hòa không khí bên trong khoang lái.
porsche

Để hỗ trợ cho các mô phỏng bên trong khoang kiểm tra tại đường hầm gió, Porsche cũng sử dụng công cụ CFD (computational fluid dynamics) cho các bản vẽ 3D trên máy tính. Công cụ này giúp cho hãng xe nhanh chóng điều chỉnh các chi tiết thiết kế và đánh giá tác động của những điều chỉnh này lên kết quả đo lường với mức độ chi tiết và chính xác rất cao.

fetch CFD

Để hình dung rõ hơn CFD, cùng xem kết quả đánh giá khí động lực học sau trên chiếc Porsche 911 Turbo 3.3 (1982) – một trong những mẫu xe đầu tiên của Porsche sử dụng kỹ thuật tăng áp cho động cơ. Bài phân tích được thực hiện bởi AirShaper.

Porsche 911 Turbo 3.3 được xây dựng trên nền tảng của thế hệ G series – thế thệ thứ 2 của 911 – và có mã nội bộ là 930. Điểm nổi bật nhất của chiếc xe có lẽ là chi tiết cánh gió hình khay trà (tea tray) phía đuôi xe. Chi tiết này được nâng cấp từ hình dạng đuôi cá voi (whale tail) và đuôi vịt (ducktail) trên các mẫu xe Porsche 911 trước đó.

classic driver

Máy tính mô phỏng trạng thái đang di chuyển của chiếc Porsche 911 3.3 Turbo trong điều kiện vận tốc gió đạt 50 m/s, nhiệt độ không khí 15 độ C, mật độ không khí là 1.225 kg/m3, áp suất 101,300 Pa. Hệ số cản gió đo được của chiếc xe là Cd = 0.43. Với hệ số này, chiếc xe chịu một lực cản gió Fd = 1,172 N tại vận tốc gió 50 m/s, và công suất cần tiêu tốn để vượt qua sức cản này là 58.6 kW (tương đương với 78 hp).

air shaper

Lực của gió được cấu thành từ lực áp suất (pressure force) được tạo ra do chênh lệch áp suất trên hai mặt đối diện của xe, và lực ma sát (friction force) được tạo ra do không khí ma sát với bề mặt của xe. Chủ yếu, lực cản trên xe là lực áp suất. Khi chiếu lực của gió lên hệ quy chiếu 3 chiều, ta có Fx là lực cản (drag), Fy là lực ngang (lateral), và Fz là lực nâng (lift).

air shaper

Tại các chi tiết không liền mạch, dòng không khí bị xáo trộn, gây ra hiện tượng không khí chịu áp lực (underpressure). Đây là nguyên do chúng ta nhìn thấy nước mưa và bụi bẩn trên mặt đường bị bắn lên không trung.

air shaper

Áp lực do gió tạo ra trên các bộ phận của thân xe là khác nhau, tập trung nhiều ở phần đầu xe và giảm đi ở các khu vực khác. Dựa vào kết quả đo được này, Porsche có thể thay thế các vật liệu bền hơn cho các bộ phận chịu áp lực, hoặc gia cố ghép nối hay lắp ráp ở các bộ phận này.

air shaper

Dòng không khí sau khi chia tách tại đầu xe, vượt qua trần, thân, gầm xe, "sáp nhập" lại ở phía sau đuôi xe. Tại khu vực này, dòng không khí bị xáo trộn mạnh và xuất hiện hiện tượng xoáy lốc. Do được lắp cánh gió cỡ lớn nhằm tăng lực nén xuống mặt đường, luồng khí phía sau chiếc 911 Turbo 3.3 chưa được tối ưu hóa. Điều này là một phần lý do dẫn tới hệ số cản còn khá cao 0.43.

air shaper

Tiếng ồn của gió cũng được đánh giá thông qua công cụ CFD và được đo bằng đơn vị dB/m3. Thường thì tiếng ồn được tạo ra ở những khu vực không khí bị xáo trộn. Được định vị là chiếc xe hiệu suất cao, dường như Porsche chấp nhận hy sinh yếu tố tiện nghi này của người lái để đổi lấy hiệu năng và cảm giác lái tốt hơn.

air shaper

Để hiểu rõ hơn quá trình phát triển một mẫu xe Porsche ở Trung tâm Phát triển Weissach, cùng xem thêm bộ phim tài liệu bên dưới về Porsche 911 thế hệ 992. Vẫn còn đó rất nhiều câu chuyện thú vị xoay quanh khía cạnh khí động lực học trên xe ô tô ngoài đường hầm gió và CFD, nhưng chúng ta tạm kết thúc câu chuyện của Porsche 911. Hẹn gặp lại các bạn trong một bài viết sớm nhất về chủ đề này; và nếu bạn quan tâm đến thiết kế xe hơi, đừng quên tìm hiểu cuộc đời của kẻ nổi loạn Erwin Komenda trong phần I nhé.

porsche
Bình luận
Chưa có bình luận nào cho bài viết.
Hãy là người đầu tiên bình luận!
quảng cáo
Mới nhất về Góc nhìn xe
GP Saudi Arabia

Đằng sau nghệ thuật Pitstop trong F1

Pitstop trong F1 không chỉ đơn thuần là thay lốp mà nó còn là cả một nghệ thuật, đòi hỏi sự chính xác và tỉ mỉ cũng như là sự phối hợp nhịp nhàng và ăn ý.

Tay đua
điểm
1
max verstappen
51
2
sergio pérez
36
3
charles leclerc
28
4
george russell
18
5
oscar piastri
16
6
carlos sainz
15
7
lando norris
12
8
fernando alonso
12
9
lewis hamilton
8
10
oliver bearman
6
quảng cáo
Đọc nhiều trong tuần
Theo dõi Otoman
Kỹ thuật Xe hơi hiệu năng cao
Công nghệ Xe hơi hiện đại
Write Your Name on the Seal of Quality
© 2022 Otoman LLC 313 Trần Phú, Thạch Linh, TP Hà Tĩnh, Hà Tĩnh.
Điện thoại: 0982566568. Email: contact@otoman.net. Không sao chép dưới mọi hình thức trừ khi có sự cho phép bằng văn bản.