Mô phỏng Hyperloop - Hệ thống giao thông tốc độ cao của tương lai

  • 2020-12-21 ---

  • Khởi đầu của hệ thống Hyperloop

    Vào tháng 1 năm 2016, khi SpaceX tổ chức cuộc thi “Hyperloop Design Weekend Competition”- cuộc thi về thiết kế hệ thống giao thông tốc độ cao, một đội gồm 5 học sinh từ Universitat Politècnica de València (UPV) của Tây Ban Nha có tên là Hyperloop UPV đã thắng giải thưởng cho mục “thiết kế ý tưởng tổng thể tốt nhất” và “hệ thống đẩy tốt nhất”.

    Ý tưởng tổng thể là sử dụng sự nâng từ trường để cung cấp cho phương tiện Hyperloop của họ chuyển động không ma sát qua ống; hệ thống đẩy là một động cơ phản lực cánh quạt đặt phía trước hút không khí tích tụ tạo ra lực cản phía trước phương tiện.

    Hyperloop UPV đã thiết kế nguyên mẫu đoạt giải thưởng này với sự trợ giúp của phần mềm Ansys Maxwell Ansys Fluent mà họ có được với tư cách là một nhóm sinh viên được Ansys tài trợ.

    Cuối năm 2016, một số thành viên của nhóm đã thành lập Zeleros, một công ty quyết tâm giành chiến thắng trong cuộc đua đưa hệ thống Hyperloop thương mại đầu tiên ra thị trường.

    Hyperloop nhằm mong muốn kết nối các thành phố với giải pháp vận chuyển tốc độ cao bao gồm hành khách và hàng hóa di chuyển qua một ống kim loại với tốc độ lên đến 1000 km / giờ, tương đương với tốc độ của máy bay.

    Phân tích khí động động cơ phản lực cánh quạt bằng phần mềm Ansys Fluent

    Phân tích khí động bằng Ansys Fluent của động cơ phản lực cánh quạt

    Ngay sau khi họ thành lập công ty, người của trường đại học phụ trách giấy phép Ansys đã nói với họ rằng giờ đây họ đủ điều kiện để sử dụng phần mềm được giảm giá thông qua Chương trình Khởi nghiệp của Ansys– Ansys Startup Program.

    Zeleros ngay lập tức bắt đầu tận dụng các lợi ích của chương trình bằng cách sử dụng Maxwell để thiết kế hệ thống nâng từ trường và Fluent để nghiên cứu luồng không khí qua động cơ phản lực cánh quạt cũng như phần còn lại của hệ thống.

    “Ở Tây Ban Nha, rất khó tìm được nguồn tài trợ đầu tư ban đầu - về cơ bản, bạn phải chứng minh uy tín của công ty bằng cách tồn tại và tiến bộ trong ba năm” theo lời Daniel Orient, đồng sáng lập và CTO của Zeleros. “Lúc đầu, chúng tôi gặp khó khăn trong việc kiếm tiền để có thể trả lương và mua các máy tính xách tay phục vụ công việc.

    May mắn thay, Zeleros đã vượt qua  những năm tháng đó và huy động thành công sự ủng hộ của cả cộng đồng lẫn các cá nhân. Nhờ chương trình khởi nghiệp Ansys, chúng tôi vẫn có thể định hướng hành trình này bằng phương pháp mô phỏng, phù hợp với ngân sách của chúng tôi mà không cần thuê kỹ thuật mô phỏng bên ngoài.”

    Một cách tiếp cận khác biệt cho Hyperloop

    Orient mô tả cách tiếp cận của Zeleros đối với thử thách Hyperloop là “thiết kế một chiếc máy bay không có cánh di chuyển qua ống”. Họ là công ty duy nhất trong cuộc đua Hyperloop đặt tất cả công nghệ của họ vào phương tiện di chuyển, có thể kể đến như nam châm điện để nâng và động cơ phản lực để đẩy.

    Cách tiếp cận này sẽ làm cho việc xây dựng cơ sở hạ tầng - ống Hyperloop - rẻ hơn và dễ bảo trì hơn. Các công ty khác đang đặt các thiết bị đẩy bên trong ống thay vì đặt lên phương tiện di chuyển, nhưng điều này đòi hỏi cần phải bố trí lặp lại các thiết bị đẩy cách nhau đều đặn trong ống, khiến cơ sở hạ tầng đắt hơn nhiều.

    Mô hình thiết kế của Hyperloop

    Thiết kế Zeleros Hyperloop sử dụng một động cơ phản lực cánh quạt ở phía trước của phương tiện được điều khiển để giảm lực cản.

    Ngoài ra, Zeleros đã chọn để áp suất bên trong ống tương đương với áp suất bên ngoài một chiếc máy bay đang bay ở độ cao khoảng 15 km. Các thiết kế khác yêu cầu ống phải ở áp suất thấp hơn, điều này về mặt lý thuyết sẽ loại bỏ tất cả lực cản vì không có không khí.

    Orient nói: “Một trong những rào cản chính đối với Hyperloop là quy trình chứng nhận. Bởi vì nó là một công nghệ vận chuyển mới, nó phải an toàn và đáng tin cậy. Do đó, chúng tôi chọn một áp suất mà máy bay phải trải qua, vì chúng tôi biết rằng đã có các giải pháp và tiêu chuẩn cho thiết kế và chứng nhận của chúng.”

    Mô phỏng sự nâng từ trường và dòng khí động cơ phản lực.

    Đối với thiết kế phương tiện máy bay không cánh của họ, lực nâng từ trường thay thế các cánh để tạo lực nâng cần thiết cho phương tiện mà nó cần để di chuyển qua ống và không cần tiếp xúc với chính ống. Nó rất vừa vặn, giống như một pít-tông trong động cơ.

    Sự kết hợp của nam châm vĩnh cửu và nam châm điện đặt ở bên ngoài trần phương tiện giúp điều khiển khoảng cách giữa trần xe và thành ống. Các kỹ sư của Zeleros kiểm soát khoảng cách giữa nam châm vĩnh cửu và trần nhà bằng nam châm điện và cảm biến khe hở liên tục đo khoảng cách này trong một hệ thống điều khiển vòng kín.

    Mô phỏng điện từ theo thời gian bằng Ansys Maxwell

    Mô phỏng điện từ theo thời gian của máy tuyến tính

    Orient nói: “Chúng tôi sử dụng Maxwell để mô phỏng quá trình này vì nó là một hệ thống không ổn định. Nếu mọi thứ trong vòng kín không được kiểm soát, nam châm vĩnh cửu có thể rơi xuống hoặc bay lên trần ống”. Sử dụng Maxwell, họ có thể thay đổi khoảng cách khe hở và dòng điện chạy qua nam châm điện và đo lực từ.

    Sau đó, họ có thể chạy thử nghiệm trên mô hình thử nghiệm quy mô nhỏ để kiểm tra kết quả của Maxwell. Orient cho biết: “Mô phỏng này khá dễ thực hiện trên mặt từ tính vì các phương trình tính toán khá kỹ lưỡng và kết quả rất phù hợp với dữ liệu thực nghiệm”. "Kết quả nhận được rất chính xác."

    Mô phỏng hệ thống từ trường bằng Ansys Maxwell

    Zeleros sử dụng Ansys Maxwell để mô phỏng hệ thống từ trường

    Ngược lại, động lực học chất lưu của hệ thống khó mô hình hóa hơn nhiều, theo Orient, bởi vì việc thiết lập khối lượng của xe và các điều kiện biên sẽ làm tăng thêm nhiều biến số. Do họ đã quyết định di chuyển với một áp suất trung gian bên trong ống, vì vậy đã xuất hiện không khí trong ống tích tụ trước mũi phương tiện và gây ra lực cản.

    Theo lời của Orient, “Vấn đề khí động học chính của chúng tôi là chúng tôi có một phương tiện ít nhiều có cùng đường kính với ống để cắt giảm chi phí, nhưng điều này khiến không khí không thể đi xung quanh phương tiện vì không có không gian.”

    Nhóm nghiên cứu Zeleros sử dụng Fluent để mô hình hóa hệ thống phức tạp này, với động cơ phản lực cánh quạt ở phía trước được điều khiển bởi một động cơ điện và hút không khí để giảm lực cản. Không khí được đẩy ra khỏi đuôi của phương tiện. “Quá trình này tạo ra một lực đẩy nhỏ mà chúng ta cần để giữ cho phương tiện di chuyển ở tốc độ mong muốn”

    Sự hứa hẹn về việc đi lại trên đất liền nhanh chóng, không gây ô nhiễm

    Bởi vì toàn bộ hệ thống được vận hành bằng điện, Hyperloop sẽ không tạo ra chất ô nhiễm, không giống như máy bay. Lợi ích của việc di chuyển trên mặt đất nhanh chóng cũng có thể làm giảm tắc nghẽn tại các sân bay khi có nhiều người bay hơn mỗi năm (không tính đến năm 2020 và lượng du lịch giảm do COVID-19).

    Bất chấp sự quảng cáo thổi phồng sớm về việc Hyperloop sẽ sẵn sàng sau một hoặc hai năm, Orient nói rằng vẫn còn rất nhiều điều cần phải làm trước khi nó trở thành hiện thực. Zeleros đặt kế hoạch có hệ thống hoạt động vào năm 2027.

    Việc cấp giấy chứng nhận có thể mất từ hai đến ba năm nữa, vì vậy họ đang hướng tới việc ra mắt thương mại vào năm 2030. Đội đầu tiên về đích có thể ảnh hưởng lớn đến thiết kế của chính ống Hyperloop.

    Hình ảnh thiết kế của Zeleros HyperloopHình ảnh thiết kế của Zeleros Hyperloop

    Orient cho biết: “Bây giờ Hyperloop đã có thể trông thấy được nhiều hơn, chúng tôi đang cố gắng chứng minh rằng ý tưởng của chúng tôi là khả thi và chi phí đủ rẻ để chế tạo. “Đó là một cuộc đua với các công ty khác nhau làm việc trên cùng một hệ thống ý tưởng với các giải pháp khác nhau. Phần mềm Ansys đang giúp chúng tôi trong cuộc đua này.”

     

    Nguồn: Ansys Blog

    Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc. " hoặc "Theo www.advantech.vn " nếu bạn muốn phổ biến thông tin này


    - Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech .,Jsc" hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này