Bí ẩn của hầm gió

Sức cản của không khí, tính chất khí động học ảnh hưởng lớn tới khả năng bám đường, tiết kiệm nhiên liệu của ôtô. Để kiểm tra sức cản không khí, tính khí động lực của ôtô các nhà sản xuất cần đến một phòng thí nghiệm gọi là hầm gió.

Hầm gió (Wind Tunnels) ban đầu là nơi nhằm để nghiên cứu tính chất khí động lực trong việc chế tạo máy bay. Chiếc hầm gió đầu tiên phục vụ cho mục đích hàng không được thiết kế và hoạt động vào năm 1871 bởi Francis Herbert Wenham thuộc hiệp hội hàng không Anh Quốc. Nhờ có hầm gió này mà rất nhiều điều cơ bản về khí động lực được khám phá. Tuy nhiên, ngành công nghiệp ôtô áp dụng những thử nghiệm trong hầm gió muộn hơn ngành hàng không tới 100 năm, đó là khoảng thời gian mà việc nghiên cứu trong hầm gió kết hợp với sự mô phỏng trên máy tính đã dần thay cho các phương pháp truyền thống thực tế.

Sự chậm trễ của việc đưa hầm gió vào sử dụng trong ngành công nghiệp ôtô có thể hiểu là vì là tính chất khí động lực ứng dụng trong ngành công nghiệp ôtô khác biệt so với tính chất khí động lực trong ngành hàng không. Có vài yếu tố có thể làm nổi bật vấn đề này: Ôtô không lưu thông ở nơi ít ma sát như máy bay – chủ yếu bay trên trời trong bầu khí quyển, hoạt động của ôtô ít chịu tác động từ tính chất khí động lực hơn máy bay rất nhiều. Trong khi đó tốc độ di chuyển của ôtô cũng thấp hơn nhiều so với máy bay.

Từ những năm 1920 các kĩ sư đã quan tâm tới việc thiết kế chiếc xe như thế nào để có thể giảm lực cản của không khí khi di chuyển ở tốc độ cao. Năm 1950, những kĩ sư Anh và Đức đã phân tích một cách hệ thống hiệu quả của lực kéo tới việc làm cho hiệu suất của xe hơi cao hơn. Trong năm 1960, các nhà khoa học nhận thấy rằng khi xe chạy ở tốc độ cao sinh ra một cường độ âm thanh lớn. Chẳng bao lâu sau, khi thiết kế đường cao tốc các kĩ sư xây dựng bắt đầu quan tâm tới việc: lực cản của của không khí sinh ra cường độ âm thanh như thế nào dưới ảnh hưởng của tốc độ, khi đó những nhà sản xuất xe hơi cũng quan tâm tới lực cản của không khí khi thiết kế xe của họ.

Ngày nay, phần lớn những nhà sản xuất xe hơi đều có những hầm gió riêng dành cho việc thử nghiệm, họ sử dụng chúng để nghiên cứu và phát triển tính chất khí độc lực của những mẫu xe mới. Vấn đề chủ yếu của ngành ôtô liên quan tới việc nghiên cứu khí động lực học là phải giảm được lực cản, giảm được độ ồn của gió, cường độ âm thanh phát ra môi trường và loại bỏ càng nhiều càng tốt tất cả những bất ổn khi di chuyển ở tốc độ cao.

1. Thế nào là đường hầm gió?

Đường hầm gió là khu vực thử nghiệm tính chất khí động học của ôtô, nơi các luồng không khí được thổi bằng một hoặc nhiều tuabin cánh quạt lớn. Các dữ liệu thu thập từ luồng không khí đi qua qua chiếc xe được dùng để làm sáng tỏ ảnh hưởng của hình dáng tới hiệu suất của khí động lực của chiếc xe đó. Một vài dữ liệu quan trọng có thể thu được từ thử nghiệm trong hầm gió phải kể đến như: các tác động của khí động lực, sức ép phân bổ trên bề mặt, dữ liệu tính toán luồng không khí làm mát phanh việc nghiên cứu tiếng ồn, ảnh hưởng của khí động lực tới âm thanh.

Ngoài các sản phẩm xe hơi, các giám định tính khí động lực còn ảnh hưởng tới rất nhiều các phương tiện vận chuyển khác như tàu, xe đạp cho tới những sản phẩm không liên quan như xuồng cứu hộ, quần áo thể thao và bộ môn trượt truyết …

2. Thử nghiệm bằng mô hình thu nhỏ và tỉ lệ chuẩn 1:1

Tuỳ thuộc vào kích thước của chiếc xe hay cơ sở thử nghiệm mà các mô hình có tỉ lệ chỉ bằng 30 – 60%. Dùng mô hình để thử nghiệm sẽ mang lại những đánh giá nhanh chóng khi những chiếc xe thử nghiệm có nhiều thiết kế thân vỏ xe khác nhau được kiểm tra tính chất khí động lực nhằm tìm ra thiết kế phù hợp nhất. Vì thế các phương pháp thử nghiệm phức tạp có thể được thực hiện mà không cần chi phí đầu tư quá nhiều. Trong thực tế, dùng mô hình để thử nghiệm có thể là phương pháp hiệu quả để kiểm tra tính chất khí động lực của chiếc xe cũng như tiết kiệm chi phí phát triển sản phẩm.

Hiện tại, giai đoạn thử nghiệm khí động lực bằng mô hình tỉ lệ nhỏ không còn phổ biến, thay vào đó các hãng xe dùng những mô hình với tỉ lệ chuẩn 1:1. Việc này có thể nằm trong một chương trình nghiên cứu hiệu suất khí động lực hay ở một chương trình khác kiểm tra tính chất khí động lực của xe thương mại đã từng được sản xuất. Nếu những mô hình theo tỉ lệ 1:1 hay chiếc xe mẫu đã có sẵn, chi phí tiến hành thử nghiệm cho mẫu xe sản xuất hàng loạt có thể giảm thiểu.

3. Hầm gió đầu tiên

Ngành công nghiệp xe ôtô chưa có một hầm gió thực thụ nào cho tới tận năm 1960 khi hầm gió chuyên dụng đầu tiên được khánh thành bởi các chuyên gia của MIRA tại Anh Quốc. Hầm gió này mở cửa dành riêng cho việc nghiên cứu khí động học liên quan tới xe hơi. Ngày từ thời điểm đó, các chuyên gia khí động học của MIRA đã đầu tư và đưa vào sử dụng hệ thống máy tính để tính toán hiệu suất khí động lực trên những hình dáng xe khác nhau. Dựa trên các thuật toán do máy tính ghi lại các kĩ các chuyên gia khí động học đã có những nền tảng kiến thức và kinh nghiệm về khí động lực trên xe hơi.

Khi sức mạnh của máy tính và phần mềm cải thiện, các kĩ sư của MIRA bắt đầu sử dụng “phần mềm mô phỏng khí động lực – Computational Fluid Dynamics CFD” để tính toán cách thiết kế và phong cách của chiếc xe trước khi các thí nghiệm vật lý hay phiên bản mẫu được tạo ra.

4. Hầm gió lớn nhất thế giới

Mở cửa vào năm 1980, phòng thí nghiệm khí động học của GM là nơi có hầm gió lớn nhất thế giới phục vụ trong ngành công nghiệp ôtô, trên thế giới chỉ có một hầm gió lớn hơn được sử dụng trong ngành công nghiệp hàng không. Phòng thí nghiệm của GM có được đặt ở thành phố Warren, bang Michigan. Bên trong phòng thí nghiệm là “chiếc quạt gió khổng lồ” với 6 cánh quạt bằng gỗ vân sam, đường kính lên tới 13,1 mét gắn với một động cơ điện. Chiếc quạt gió trên có khả năng tạo ra những cơn gió mạnh nhất đáp ứng việc nghiên cứu và phát triển thiết kế xe hơi trong tương lai. “Chiếc quạt gió” của GM có công suất 4.500 mã lực có thể tạo ra sức gió lên tới 222 km/h.

Các chuyên gia của GM chia sẻ công trình nghiên cứu tính khí động học của họ thường bắt đầu với những mô hình đất sét có tỉ lệ 1:3 so với kích thước chuẩn.

Từ mô hình đất sét tỉ lệ 1:3 biến thành mô hình tỉ lệ 1:1 còn phải qua rất nhiều các công đoạn nghiên cứ phức tạp. Việc thử nghiệm tính khí động lực ngay cả khi bề mặt của mô hình chỉ thay đổi vài mm là điều hết sức bình thường.

5. Hầm gió tiên tiến nhất

Hầm gió tiên tiến nhất thuộc về hãng BMW. Hãng xe hơi Đức không tiếc tiền đầu tư xây trung tâm thử nghiệm khí động lực ATC vì họ đã cam kết phát triển những mẫu xe hiệu quả cao. Đây là một toà nhà 5 tầng cực kì hiện đại, nơi các chuyên gia cống hiến trí tuệ để thiết kế hình dáng hoàn thiện nhất cho những mẫu xe BMW.

Các chuyên gia kĩ thuật và khí động học được sử dụng những thiết bị tinh vi để thực hiện bài thử nghiệm của mình. ATC có hai đường hầm gió đều đi kèm với đường thử mô phỏng tốc độ cao với tốc độ gió lớn. Đường hầm lớn hơn được thiết kế dành cho những mô hình có tỉ lệ 1:1 và những chiếc xe thực thụ, ở đây có thể thử nghiệm khí động lực ở tốc độ lên tới 300 km/h. Đường hầm gió còn lại gọi là Aerolab vì nó dành riêng cho việc nghiên cứu chuyên sâu về khí động lực chứ không phải những bài thử nghiệm đơn thuần. Kích thước của đường hầm gió này đủ để thử nghiệm các mô hình cỡ lớn cũng như những chiếc xe thương mại. Vơi mô hình tỉ lệ 1:2, các chuyên gia có thể mô phỏng điều kiện lái xe ở tốc độ 280 km/h với tốc độ của gió lên tới 140 km/h.

Theo autonet