車輛正投影面積對(duì)交通風(fēng)速影響的仿真研究

摘 要：交通風(fēng)是隧道機(jī)械通風(fēng)的重要補(bǔ)充，對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)節(jié)能具有重要意義。為了研究車輛正投影對(duì)隧道內(nèi)交通風(fēng)速的影響，使用Fluent對(duì)不同類型的車輛運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了車輛正投影面積對(duì)產(chǎn)生交通風(fēng)速大小的影響。結(jié)果表明，單車行駛時(shí)，車輛正投影面積增加1倍，車輛駛過檢測(cè)斷面5 s內(nèi)的平均交通風(fēng)速增加1倍以上，且不受車輛行駛位置的影響;兩車并行行駛時(shí)，產(chǎn)生的交通風(fēng)會(huì)互相影響，與兩單車行駛時(shí)產(chǎn)生的平均交通風(fēng)速線性疊加相比，車輛并行的交通風(fēng)速損失約為10%。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真;交通風(fēng);數(shù)值模擬;正投影面積;隧道通風(fēng);Fluent

中圖分類號(hào)：TP39;U459.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）02-00-04

0 引 言

交通風(fēng)是指車輛行駛時(shí)擾動(dòng)空氣，產(chǎn)生強(qiáng)烈的空氣流動(dòng)所形成的風(fēng)[1]。在公路隧道中，車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的交通風(fēng)可以提高隧道進(jìn)風(fēng)量，加快隧道內(nèi)污染物的稀釋，為隧道機(jī)械通風(fēng)提供補(bǔ)充[2]，具有重要的節(jié)能作用。

由于交通風(fēng)在輔助機(jī)械通風(fēng)節(jié)約能耗方面具有重要意義，因此早在20世紀(jì)就有學(xué)者開始通過物理模型與流體計(jì)算開展了關(guān)于交通風(fēng)的研究[3-4]。但流動(dòng)問題較為復(fù)雜，物理模型和數(shù)學(xué)推導(dǎo)需要過多假設(shè)，導(dǎo)致結(jié)果難以應(yīng)用于實(shí)際。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法開展了交通風(fēng)模擬研究。王峰對(duì)比了車輛以40 km/h和80 km/h速度行駛時(shí)引起的曲線隧道內(nèi)的平均風(fēng)速，指出車速的提升會(huì)使斷面風(fēng)速明顯增大[5]。Bhautmag指出，車速越快，車后交通風(fēng)影響范圍越大，對(duì)于污染物的稀釋更有利[6]。何佳銀指出，即使車速不同，檢測(cè)位置處交通風(fēng)有效影響時(shí)間均在車輛駛離檢測(cè)位置后5 s內(nèi)，后續(xù)交通風(fēng)基本可以忽略[7]。

現(xiàn)有研究多針對(duì)車輛行駛速度對(duì)交通風(fēng)的影響，車輛正投影面積對(duì)交通風(fēng)的影響研究未考慮車輛行駛位置以及并行行駛情況。本文使用Fluent流體仿真軟件，在單車仿真的基礎(chǔ)上對(duì)隧道內(nèi)不同車輛位置行駛時(shí)所產(chǎn)生的交通風(fēng)進(jìn)行了對(duì)比分析。同時(shí)建立了車輛并行行駛的仿真模型，通過檢測(cè)車輛駛過檢測(cè)面的交通風(fēng)速分析車輛正投影對(duì)交通風(fēng)的影響。

1 模型描述

1.1 隧道模型

本文建立了三車道矩形大斷面公路單向隧道仿真模型，包含網(wǎng)格質(zhì)量信息的三維模型如圖1所示。隧道設(shè)計(jì)車速100 km/h，凈寬17.45 m，凈高5.25 m，隧道模型長(zhǎng)度為1 000 m。僅考慮隧道內(nèi)氣流流動(dòng)，隧道壁面簡(jiǎn)化為具有粗糙度但無厚度的墻。

1.2 車輛模型

根據(jù)實(shí)際隧道內(nèi)的車種比例，將車輛模型分為小客車、中巴車及大客車共3種，建立仿真車輛模型。模型主要參考《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》

（GB 1589—2016），為了盡可能真實(shí)反應(yīng)車輛幾何結(jié)構(gòu)，將小轎車前擋風(fēng)玻璃與水平面的夾角設(shè)置為35°，后擋風(fēng)玻璃與水平面的夾角設(shè)置為45°，如圖2（a）所示。中巴車、大客車簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，如圖2（b）和圖2（c）所示。另外，車輛底盤與路面之間的空隙也需要考慮，三種車輛底盤高度分別設(shè)為0.25 m，0.3 m和0.4 m。

2 模擬控制方法

2.1 控制方程

車輛在隧道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣流場(chǎng)具有三維、粘性、不可壓、非穩(wěn)態(tài)湍流場(chǎng)等特點(diǎn)。本文采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行車輛運(yùn)動(dòng)瞬態(tài)數(shù)值模擬。流動(dòng)控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、組分運(yùn)輸方程及湍流運(yùn)輸方程。在車輛運(yùn)動(dòng)過程中，連續(xù)性方程可表示為[8]：

式中：ρ表示密度;t表示時(shí)間;u，v和w表示速度矢量在x，y和z方向的分量。

隧道流體域內(nèi)，微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和，x，y和z方向上的動(dòng)量方程如下[9]：

式中;u表示速度矢量;p表示流體微元體上的壓力;τxx，τxy，τxz等是分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力τ的分量;Fx，F(xiàn)y和Fz是微元體上的體力。

交通風(fēng)遵循的能量方程[10]：

式中：cp表示比熱容;T為溫度;k為流體傳熱系數(shù);ST為粘性耗散項(xiàng)。

在湍流場(chǎng)中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε控制方程通用形式如下[11]：

式中：Γ表示擴(kuò)散系數(shù);S表示廣義源項(xiàng);?表示通用變量。

2.2 初始條件

計(jì)算的流體域?yàn)樗淼纼?nèi)部，為了減少環(huán)境對(duì)隧道內(nèi)交通風(fēng)的影響，隧道入口設(shè)置為壓力流入邊界，相對(duì)壓力設(shè)置為0 Pa，隧道出口設(shè)置為自由出口[12]。設(shè)置混凝土為隧道固定壁面的材質(zhì)。需要考慮壁面阻力對(duì)交通風(fēng)速的影響，故將壁面平均粗糙度高度[13]（Roughness height）設(shè)置為0.5 cm。車輛材質(zhì)為鋼材，整車定義為運(yùn)動(dòng)剛體，運(yùn)動(dòng)速度對(duì)應(yīng)車輛行駛速度。車輛初始位置位于隧道外，車頭位于距隧道入口20 m處。

2.3 動(dòng)網(wǎng)格方法

車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氣流隨時(shí)間的變化而不斷變化，導(dǎo)致計(jì)算域內(nèi)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡上的流場(chǎng)網(wǎng)格隨時(shí)間呈現(xiàn)拉伸或壓縮變化，即動(dòng)網(wǎng)格[14]。常見的動(dòng)網(wǎng)格方法如光順法和網(wǎng)格重構(gòu)法適合較復(fù)雜或不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)模型，簡(jiǎn)單的剛體運(yùn)動(dòng)適合采用動(dòng)態(tài)層方法。

由于車輛運(yùn)動(dòng)可視為剛體運(yùn)動(dòng)，故采用動(dòng)態(tài)層方法進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格控制，并使用UDF對(duì)車輛行駛軌跡與行駛速度進(jìn)行定義。動(dòng)態(tài)層方法的核心思想：當(dāng)邊界發(fā)生運(yùn)動(dòng)，緊鄰邊界的網(wǎng)格層高度增大到設(shè)定閾值時(shí)，網(wǎng)格會(huì)分裂為兩層;網(wǎng)格高度降低到一定程度時(shí)，就會(huì)將緊鄰邊界的兩層網(wǎng)格合并為一層?？刂圃砣缦耓15]：

式中：hmax為網(wǎng)格層j的最大高度;hmin為網(wǎng)格層j的最小高度;hideal為理想網(wǎng)格高度;αc為合并因子（Collapse Factor）;αs為分裂因子（Split Factor）。

為了防止小客車幾何模型在移動(dòng)過程中對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的破壞，對(duì)小客車網(wǎng)格模型進(jìn)行混合處理的示意如圖3所示，在車輛外部設(shè)置interface面，將車輛包成規(guī)則構(gòu)件，隨車一起運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)區(qū)域與非結(jié)構(gòu)區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)合并，確保兩個(gè)區(qū)域數(shù)據(jù)的連通。

3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

采用六面體網(wǎng)格劃分方法對(duì)隧道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性，建立了數(shù)目分別為68萬，125萬，202萬，

334萬，542萬的五套網(wǎng)格系統(tǒng)。對(duì)五套網(wǎng)格分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析不同規(guī)模網(wǎng)格對(duì)計(jì)算精度的影響。仿真條件為大客車以80 km/h的速度駛過距隧道入口500 m的檢測(cè)斷面，車尾駛過斷面0.5 s后的結(jié)果見表1所列。檢測(cè)斷面空氣流速變化規(guī)律如圖4所示。

4 結(jié)果與討論

4.1 仿真工況劃分

仿真工況見表2所列。對(duì)比各工況，分析XY平面中車輛正投影面積對(duì)隧道交通風(fēng)速的影響。車輛行駛速度均定義為80 km/h。工況1～3中車輛位于中部車道，工況4中大客車位于右側(cè)車道，工況5～7中小客車位于左側(cè)車道。

4.2 交通風(fēng)速度分布

取Y=0.5 m建立展示面，工況1、工況3與工況4的速度云圖如圖5所示。

從圖5中的云圖可以看出，小客車可達(dá)到的瞬時(shí)最大風(fēng)速為23.1 m/s，稍高于大客車的21.8 m/s?？傮w來看，由于速度相同，大客車正投影面積遠(yuǎn)大于小客車，其尾跡影響范圍以及尾跡平均速度明顯高于小客車。在不同車道上，同一速度下大客車產(chǎn)生的交通風(fēng)速差異并不大。

4.3 交通風(fēng)速時(shí)變分析

由于交通風(fēng)具有消散快的特點(diǎn)，當(dāng)車輛距離檢測(cè)斷面較遠(yuǎn)時(shí)，檢測(cè)斷面難以監(jiān)測(cè)到交通風(fēng)變化，故檢測(cè)時(shí)間范圍限定為車頭到達(dá)檢測(cè)斷面前2 s至車尾離開檢測(cè)斷面后5 s，共7 s。設(shè)定Z=500 m處的XY平面為檢測(cè)斷面，統(tǒng)計(jì)車輛駛過檢測(cè)斷面時(shí)的斷面平均風(fēng)速如圖7所示。

由圖7可知，車輛經(jīng)過檢測(cè)斷面過程中，交通風(fēng)速總體呈現(xiàn)出快速上升再快速下降，最后趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)。車頭經(jīng)過檢測(cè)斷面以及車尾離開檢測(cè)斷面時(shí)交通風(fēng)速均會(huì)出現(xiàn)局部最大。正投影面積越大，產(chǎn)生的瞬時(shí)風(fēng)速就越大，檢測(cè)時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速也越大。7種工況中，檢測(cè)斷面在7 s內(nèi)的平均風(fēng)速定義為v，見表3所列。

由表3中的前3種工況可以看出，中巴車帶動(dòng)的平均風(fēng)速約為小客車的3倍，但面積僅為小客車的2倍;大客車帶動(dòng)的平均風(fēng)速是中巴車的1.74倍，面積為中巴車的1.67倍。這意味著由正投影面積增加帶來的平均交通風(fēng)速增量成衰減趨勢(shì)，但平均風(fēng)速增量依然可觀。工況4較工況3相比，7 s檢測(cè)斷面平均風(fēng)速小了2.5%，這在實(shí)際應(yīng)用中基本可以忽略，可以認(rèn)為行駛位置對(duì)車輛產(chǎn)生的交通風(fēng)速無明顯影響。

在工況2與工況5中，XY截面中車輛正投影面積相同，但很明顯，工況5相比工況2速度降低了8.8%，這說明兩車輛并行行駛產(chǎn)生的交通風(fēng)速可疊加，由于受氣流相互作用的影響，疊加后會(huì)有一定損失，但在實(shí)際中仍有重要應(yīng)用價(jià)值。工況5～7的仿真結(jié)果表明，本文所研究的大斷面隧道中，相比單車所產(chǎn)生的交通風(fēng)，車輛疊加帶來的交通風(fēng)速損失均小于10%。這對(duì)于隧道運(yùn)營(yíng)期間的通風(fēng)節(jié)能有著重要意義。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過對(duì)不同正投影面積車型以80 km/h行駛的數(shù)值進(jìn)行模擬，得到以下結(jié)論：

（1）單車行駛時(shí)，正投影面積增加百分比是7 s內(nèi)平均交通風(fēng)速增加百分比的最小值;

（2）兩車并行行駛時(shí)，產(chǎn)生的交通風(fēng)速小于單車線性疊加，這是由于兩車所產(chǎn)生的氣流相互影響，損耗約保持在單車線性疊加的10%以下;

（3）車輛正投影面積與速度不變時(shí)，車輛在隧道內(nèi)的行駛位置對(duì)其產(chǎn)生的交通風(fēng)速無顯著影響。

通過本文的研究，為隧道交通風(fēng)的計(jì)算與利用提供一定參考，在隧道運(yùn)營(yíng)期的節(jié)能減排中，有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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