離地間隙對轎車氣動升力影響的數(shù)值研究

孫同賀，孫同慶，閆國慶

（1.014010 內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭市 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院；2.300462 天津市 大眾汽車自動變速器（天津）有限公司；3.014010 內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭市 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 實驗室與設(shè)備管理處）

0 引言

近年來，隨著我國汽車保有量的持續(xù)增長，交通事故頻繁發(fā)生，不僅造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，也讓人們對汽車的安全性能產(chǎn)生懷疑。如今，汽車領(lǐng)域的三大目標(biāo)是安全、節(jié)能與排放，汽車空氣動力學(xué)特性對三者都有非同尋常的意義?？諝鈩恿π阅苁窃u價一輛車優(yōu)劣的重要指標(biāo)，而氣動升力是空氣動力學(xué)重要的研究對象之一，汽車的流場能夠產(chǎn)生力和力矩，使行駛中的車輛產(chǎn)生搖擺。當(dāng)車速超過一定數(shù)值時，氣動升力甚至可使汽車操控失效，可見，離地間隙對汽車的平衡有顯著影響。我國道路情況復(fù)雜，汽車離地間隙過小，不能適應(yīng)路況；離地間隙過大，轎車的氣動升力會發(fā)生變化，進(jìn)而使地面載荷發(fā)生變化，轎車的安全性下降。因此，研究離地間隙對轎車氣動升力的影響有重要意義。

谷正氣[1]通過對汽車空氣動力學(xué)的研究認(rèn)為，氣動升力制約著轎車的各種性能；海貴春等[2]研究了我國高速汽車的空氣動力特性，結(jié)果表明非穩(wěn)態(tài)側(cè)向風(fēng)影響汽車的穩(wěn)定性；王夫亮等[3]研究了側(cè)風(fēng)對轎車氣動特性的影響，并用模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，結(jié)果表明在不同強(qiáng)度側(cè)風(fēng)作用下，側(cè)向力和升力系數(shù)均隨側(cè)風(fēng)作用的增強(qiáng)而增大；邱亞峰等[4]對汽車底盤進(jìn)行改造，在不同環(huán)境分別測試，研究調(diào)節(jié)汽車底板來改善轎車的空氣動力性能；雷榮華[5]采用Fluent 對汽車的氣動特性與減阻進(jìn)行分析；葉輝[6]通過計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）的數(shù)值仿真方法，研究了轎車車身底部的尾部上翹角和離地間隙對氣動特性的影響，沒有考慮轎車車身底部對整車空氣動力特性的影響；徐曉明等[7]利用Fluent 軟件仿真，研究了轎車造型和離地間隙對氣動性能的影響，但在網(wǎng)格劃分時過渡均勻；黃志祥等[8]研究了地面效應(yīng)對汽車模型氣動阻力的影響，該方法比較復(fù)雜不易實現(xiàn)；邱垂翔等[9]探討了對標(biāo)分析、制造公差以及造型需求等對最小離地間隙的影響，確定了合理的最小離地間隙，該方法的失效概率低于5%。

本文基于CFD 技術(shù)，研究不同的離地間隙對轎車氣動升力、路面載荷和附著力的影響，分析3種離地間隙對汽車空氣動力學(xué)的影響，利用Fluent仿真模擬分析不同的離地間隙下轎車氣動升力的變化情況。

1 轎車數(shù)值模擬流程

1.1 轎車模型及計算域的建立

選取如表1 所示的桑坦納轎車尺寸建立汽車模型，如圖1 所示。

圖1 汽車模型的建立Fig.1 Establishment of automobile model

表1 桑坦納轎車實際尺寸Tab.1 Actual size of Santana

通過SolidWorks 導(dǎo)入汽車模型，在Gambit 中建立14 040 mm×5 100 mm×3 557.5 mm 的計算域，按照傅立敏[10]的論述選取邊界條件，若車長為L，車寬為W、車高為H，則邊界條件取4L，前設(shè)置1.5L，后設(shè)置2.5L，寬為3W，高為3H。圖2 為本文所用模型計算域。

圖2 汽車模型計算域的建立Fig.2 Establishment of automobile model’s calculation domain

1.2 轎車模型的網(wǎng)格劃分

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，通過分區(qū)劃分，在不同的區(qū)域進(jìn)行不同尺寸的劃分，如圖3 所示。為使網(wǎng)格質(zhì)量更加精確，通過ICEM 完成拓?fù)浜螅瑢W(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化處理，細(xì)化修改最大尺寸為6 mm，最小尺寸為3 mm，最終生成網(wǎng)格數(shù)量為470 921 個，如圖4 所示。

圖3 網(wǎng)格的劃分Fig.3 Grid division

圖4 網(wǎng)格的優(yōu)化Fig.4 Grid optimization

2 不同離地間隙模型對轎車氣動參數(shù)的影響

轎車在道路行駛的過程中，氣流沿轎車上部和底部流過時對轎車穩(wěn)定性影響頗大。不同車型氣流所經(jīng)過的路徑不同，氣動阻力是轎車在運(yùn)行時影響數(shù)值最大的。取轎車的離地間隙分別為140、120、100 mm，采用流體力學(xué)軟件Fluent 進(jìn)行仿真，得到阻力云圖如圖5 所示。

圖5 不同離地間隙的轎車模型壓力分布Fig.5 Pressure distribution of car model with different ground clearance

汽車在行駛過程中除了受到正面迎風(fēng)，還可能受到側(cè)面迎風(fēng)，導(dǎo)致汽車地面壓力不平衡。

式中：Clg——地面所受到的載荷；Ccd——轎車所受到的下壓力；Cl——轎車所受到的上升力。

計算可知，隨著離地間隙的增加，氣動升力的增加，下壓力的減小，轎車所施加給地面的載荷增加，并在增加的過程中趨于平穩(wěn)。相同離地間隙的汽車模型，當(dāng)車速不同時，路面所受到的載荷也不相同，車速達(dá)到80 km/h 時，路面所受到的載荷最大。

由壓力云圖計算不同速度的附著力可知，隨著車速的提升，附著力不斷減小。轎車剛起步至車速達(dá)到20 km/h 時，相對附著系數(shù)緩慢減??；車速在40～60 km/h 過程中，附著系數(shù)下降明顯，屬正常變化范圍；車速在60～90 km/h 過程中，相對附著系數(shù)變化最為明顯，是附著系數(shù)下降的過程。當(dāng)?shù)孛娓街Σ辉僮兓?，維持在一定數(shù)值時，此時轎車操控穩(wěn)定性下降，很容易發(fā)生打滑、側(cè)偏。

由數(shù)值分析可得，在離地間隙減小的同時，該型轎車的阻力系數(shù)呈上升趨勢，當(dāng)達(dá)到130 mm 時，增加變得緩慢，到達(dá)150 mm時，阻力系數(shù)增加明顯，超過170 mm 后，阻力系數(shù)增加變得越來越緩慢。

3 結(jié)論

根據(jù)流體力學(xué)的守恒定律可知，隨著車速的增加，離地間隙從140 mm 減少到120 mm 再減少到100 mm 后，車聲底部的流線面積減少，流線的速率變大。同時，轎車離地間隙減小時，流動阻力增加，轎車的氣動升力下降。離地間隙對轎車的底部和周圍流暢影響較大，對汽車的升力起到?jīng)Q定性作用。當(dāng)離地間隙過小時，雖然可以保證足夠的下壓力，使轎車在高速行駛時穩(wěn)定性得到提升，但是會產(chǎn)生負(fù)壓力。根據(jù)模擬計算的分析結(jié)果，得到如下結(jié)論：

（1）離地間隙在100～140 mm 之間，轎車的氣動升力隨著離地間隙的增加而增加，模擬數(shù)值Cl在0.191～0.205 之間。當(dāng)離地間隙減小到某臨界值時，繼續(xù)減小會產(chǎn)生負(fù)壓力，因此Cl不會減小反而增加；

（2）在離地間隙從100 mm 增加到140 mm 的過程中，氣動阻力逐漸增加，根據(jù)汽車的壓力云圖可知，路面載荷逐漸增加，附著力隨著離地間隙的增加逐漸減小。