离地间隙对轿车气动升力影响的数值研究

孙同贺，孙同庆，闫国庆

（1.014010 内蒙古自治区 包头市 内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院；2.300462 天津市 大众汽车自动变速器（天津）有限公司；3.014010 内蒙古自治区 包头市 内蒙古科技大学 实验室与设备管理处）

0 引言

近年来，随着我国汽车保有量的持续增长，交通事故频繁发生，不仅造成人员伤亡和经济损失，也让人们对汽车的安全性能产生怀疑。如今，汽车领域的三大目标是安全、节能与排放，汽车空气动力学特性对三者都有非同寻常的意义。空气动力性能是评价一辆车优劣的重要指标，而气动升力是空气动力学重要的研究对象之一，汽车的流场能够产生力和力矩，使行驶中的车辆产生摇摆。当车速超过一定数值时，气动升力甚至可使汽车操控失效，可见，离地间隙对汽车的平衡有显著影响。我国道路情况复杂，汽车离地间隙过小，不能适应路况；离地间隙过大，轿车的气动升力会发生变化，进而使地面载荷发生变化，轿车的安全性下降。因此，研究离地间隙对轿车气动升力的影响有重要意义。

谷正气[1]通过对汽车空气动力学的研究认为，气动升力制约着轿车的各种性能；海贵春等[2]研究了我国高速汽车的空气动力特性，结果表明非稳态侧向风影响汽车的稳定性；王夫亮等[3]研究了侧风对轿车气动特性的影响，并用模拟数据进行验证，结果表明在不同强度侧风作用下，侧向力和升力系数均随侧风作用的增强而增大；邱亚峰等[4]对汽车底盘进行改造，在不同环境分别测试，研究调节汽车底板来改善轿车的空气动力性能；雷荣华[5]采用Fluent 对汽车的气动特性与减阻进行分析；叶辉[6]通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的数值仿真方法，研究了轿车车身底部的尾部上翘角和离地间隙对气动特性的影响，没有考虑轿车车身底部对整车空气动力特性的影响；徐晓明等[7]利用Fluent 软件仿真，研究了轿车造型和离地间隙对气动性能的影响，但在网格划分时过渡均匀；黄志祥等[8]研究了地面效应对汽车模型气动阻力的影响，该方法比较复杂不易实现；邱垂翔等[9]探讨了对标分析、制造公差以及造型需求等对最小离地间隙的影响，确定了合理的最小离地间隙，该方法的失效概率低于5%。

本文基于CFD 技术，研究不同的离地间隙对轿车气动升力、路面载荷和附着力的影响，分析3种离地间隙对汽车空气动力学的影响，利用Fluent仿真模拟分析不同的离地间隙下轿车气动升力的变化情况。

1 轿车数值模拟流程

1.1 轿车模型及计算域的建立

选取如表1 所示的桑坦纳轿车尺寸建立汽车模型，如图1 所示。

图1 汽车模型的建立Fig.1 Establishment of automobile model

表1 桑坦纳轿车实际尺寸Tab.1 Actual size of Santana

通过SolidWorks 导入汽车模型，在Gambit 中建立14 040 mm×5 100 mm×3 557.5 mm 的计算域，按照傅立敏[10]的论述选取边界条件，若车长为L，车宽为W、车高为H，则边界条件取4L，前设置1.5L，后设置2.5L，宽为3W，高为3H。图2 为本文所用模型计算域。

图2 汽车模型计算域的建立Fig.2 Establishment of automobile model’s calculation domain

1.2 轿车模型的网格划分

采用结构化网格划分，通过分区划分，在不同的区域进行不同尺寸的划分，如图3 所示。为使网格质量更加精确，通过ICEM 完成拓扑后，对网格进行优化处理，细化修改最大尺寸为6 mm，最小尺寸为3 mm，最终生成网格数量为470 921 个，如图4 所示。

图3 网格的划分Fig.3 Grid division

图4 网格的优化Fig.4 Grid optimization

2 不同离地间隙模型对轿车气动参数的影响

轿车在道路行驶的过程中，气流沿轿车上部和底部流过时对轿车稳定性影响颇大。不同车型气流所经过的路径不同，气动阻力是轿车在运行时影响数值最大的。取轿车的离地间隙分别为140、120、100 mm，采用流体力学软件Fluent 进行仿真，得到阻力云图如图5 所示。

图5 不同离地间隙的轿车模型压力分布Fig.5 Pressure distribution of car model with different ground clearance

汽车在行驶过程中除了受到正面迎风，还可能受到侧面迎风，导致汽车地面压力不平衡。

式中：Clg——地面所受到的载荷；Ccd——轿车所受到的下压力；Cl——轿车所受到的上升力。

计算可知，随着离地间隙的增加，气动升力的增加，下压力的减小，轿车所施加给地面的载荷增加，并在增加的过程中趋于平稳。相同离地间隙的汽车模型，当车速不同时，路面所受到的载荷也不相同，车速达到80 km/h 时，路面所受到的载荷最大。

由压力云图计算不同速度的附着力可知，随着车速的提升，附着力不断减小。轿车刚起步至车速达到20 km/h 时，相对附着系数缓慢减小；车速在40～60 km/h 过程中，附着系数下降明显，属正常变化范围；车速在60～90 km/h 过程中，相对附着系数变化最为明显，是附着系数下降的过程。当地面附着力不再变化了，维持在一定数值时，此时轿车操控稳定性下降，很容易发生打滑、侧偏。

由数值分析可得，在离地间隙减小的同时，该型轿车的阻力系数呈上升趋势，当达到130 mm 时，增加变得缓慢，到达150 mm时，阻力系数增加明显，超过170 mm 后，阻力系数增加变得越来越缓慢。

3 结论

根据流体力学的守恒定律可知，随着车速的增加，离地间隙从140 mm 减少到120 mm 再减少到100 mm 后，车声底部的流线面积减少，流线的速率变大。同时，轿车离地间隙减小时，流动阻力增加，轿车的气动升力下降。离地间隙对轿车的底部和周围流畅影响较大，对汽车的升力起到决定性作用。当离地间隙过小时，虽然可以保证足够的下压力，使轿车在高速行驶时稳定性得到提升，但是会产生负压力。根据模拟计算的分析结果，得到如下结论：

（1）离地间隙在100～140 mm 之间，轿车的气动升力随着离地间隙的增加而增加，模拟数值Cl在0.191～0.205 之间。当离地间隙减小到某临界值时，继续减小会产生负压力，因此Cl不会减小反而增加；

（2）在离地间隙从100 mm 增加到140 mm 的过程中，气动阻力逐渐增加，根据汽车的压力云图可知，路面载荷逐渐增加，附着力随着离地间隙的增加逐渐减小。