车辆行驶时高速公路路堤区域气流场变化的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文3 ．6算法有效性验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 93 ．7小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 24单车行驶时高速公路区域流场数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 34 ．1计算模型及边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 34 ．2单车行驶和无车行驶路堤区域流场分布对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 54 ．3路堤高度不同时流场的分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l4 ．4路堤坡度不同时流场的分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 74 ．5小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 15车队行驶时高速公路区域流场的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 25 ．1车队布置方式对流场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 35 ．1 ．1 两列车队同向行驶时流场分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 45 ．1 ．2 两列车队相向行驶时流场分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 55 ．1 ．3 车辆满布时流场的变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 75 ．2车队相向行驶时不同时刻流场的变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1’5 ．3路堤高度不同对流场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 35 ．4坡度不同对流场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 95 ．5小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 26结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 46 ．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 46 ．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 5参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9独创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 31 绪论1 ．1 研究背景及意义随着国民经济的快速发展，我国的高速公路建设进入到一个飞速发展时期。

由1 2 条高等级公路组成的“五纵七横”国道主干线基本建成，国家高速公路网( 简称“7 9 1 8 ”网) 也在快速地建设中高速公路建设对社会及地区经济发展起到了很大的促进作用，也对人民的生活提供了很大的方便但由于其飞快的建设速度，带来了公路生态环境保护技术、理论研究、实践等方面的相对滞后高速公路建设不可避免地引起区域自然环境、社会环境和生态环境的变化，间接或直接地破坏了所在区域生态环境的平衡状态由于高速公路的建设改变了原有区域流场的分布和破坏了原区域流场的稳定，使得高速公路周边的流场分布变得复杂，车辆的行驶又使得高速公路区域气流场的分布更加复杂不断变化的流场影响了车辆尾气、粉尘等污染物的扩散路径和扩散范围，进一步影响高速公路沿线的环境空气质量，空气质量的改变又影响人体健康，造成一系列的连锁反应，加大了环境保护的难度高速公路对环境的影响已引起了专家学者的高度重视Ⅲ，但是关于高速公路对流场、温度、湿度的影响、车辆行驶对高速公路区域流场的影响、污染物在高速公路区域复杂流场情况中的扩散及相应环保措施等多个方面的综合考虑使得高速公路空气环境保护的研究变得复杂和多元化，其相应的研究目前还不太成熟。

图11 高速公路与其周边生态环境F i g1 1E c o l o 孕c a lc t l v i l o l x m ％t o f h i g h w a y北京交通大学硕十学位论文1 ．2 国内外研究现状1 ．高速公路对环境影响的研究高速公路在建设使用过程中引起的环境保护问题一直是环境部门研究的重点，目前的研究主要有以下几个方面：生态环境的丧失：高速公路建设过程中，改变了周边的自然环境地表植被破坏、地形改变、沟谷消失，直接造成生物死亡或迁徙，恶化了生物栖息的生态环境导致生物自然生活环境的物理性破坏和适应性的改变，从而降低生物多样性【2 1 对环境的物理性影响：高速公路建设改变了所在区域的土壤密度、土壤水分含量、温度、光照强度、地表径流，增加了灰尘、噪音及光污染等[ 3 l 对环境的化学性影响：关于高速公路建设对环境的化学性影响的研究比较多化学影响主要来源于交通运输过程中释放的化学物质对空气、水、和生物的污染【4 】对动物致死的作用：由于道路交通造成的动物死亡数量非常大，涉及的动物种类有哺乳动物、鸟类、两栖爬行类及昆虫等【5 】阻隔效应：高速公路作为一种人为作用于自然的结构，会阻隔一些自然过程，如改变地面水流方向、影响植物扩散、阻碍动物在道路问的活动等【6 1 。

2 ．流场模拟现状随着计算机技术和湍流理论的不断发展，计算流体力学的研究成果不断地应用于钝体结构绕流研究中国内外流场模拟领域涉及建筑、桥梁、隧道结构，汽车、列车、飞机、航天器等大型构筑物风环境下对建筑结构区域流场的数值模拟研究非常多汪洋【7 】采用大涡湍流模型，数值模拟不同风向角下三维钝体结构周围流场的扰流特性( 来流区、屋顶区、尾流区) ，再现钝体绕流的冲撞、分离、重附着等现象揭示了钝体绕流主、次涡循环区的形成、发展机理，提出了空间风压场分布的一般规律张永胜【8 】采用数值模拟与现场风特性观测相结合对比的方法，研究“禹门口斜拉桥”桥位风环境研究结论合理解释了山区平原结合处桥位风速剖面有时不符合指数律分布规律的问题：比较得出了禹门口大桥桥位所属的地表类别，给出了斜拉桥塔柱与桥面问的风速矢量分布图吴军、谷正气1 9 1 运用S S T 剪切运输湍流模型模拟汽车周围的流场分布，并与风洞试验比较计算结果中汽车尾涡、流线的模拟结果与试验结果及现实的物理现象非常相近，但在汽车表面压力峰值和尾部的计算结果与试验还有一定的差距傅立敏、扶原放( 1 0 】研究复数车辆并列行驶的湍流特性及对交通安全的影响，采用移动地面模拟轿车相对地面的运动和旋转壁面模拟车轮转动的方法，进行了2绪论两辆轿车并列行驶外部流场湍流特性的数值模拟研究。

周志勇、周耐1 1 】对某一具有复杂地形地貌的大范围区域( 区域大2 3 k m X 2 7 k i n )复杂地形的流场进行了数值模拟研究将风洞试验结果与数值模拟结果对比，并采用实际地形建模分析，结果为今后同类大范围区域流场模拟提供参考Y o s h i h i s aM a r u y a m a 等f 1 2 1 指出强风下高速公路上的大跨度桥等特定的构筑物有一定聚风性；R a g n a rS i g b j S m s s o n 和J 6 n a s Ⅵ1 6 rS n a e b j S m s s o n t l 3 】通过研究得出某些地形特征导致了局部地区风力被放大，交通事故大多发生在这些风力被放大的地区：A ．M a u r i z i 等人【1 4 】采用非正交的网格系统，模拟了高度为1 0 0 0 m 的山体的区域流场，给出了距地面3 0 m 处的流速分布；T a k a n o r iU c h i d a 和Y u j iO h y a t D J基于大涡模拟方法对9 ．5 k m 木5 k m 山地地形的流场进行模拟陈平【1 6 】采用有限元分析软件建立了地形的典型模型，讨论不同风向角下不同高度和坡度的山丘其地形的流场特性；李朝【1 『7 ] 建立山地的地形流场模型，利用f l u e n t 软件模拟了在两种不同流向下，该山地地形区域流场的流速、流向等流场特性；彭佳、何杰【1 8 】深入研究山体坡度对山体周围流场的影响，基于计算流体力学理论，选择f l u e n t 仿真环境建立高度相同、坡度不同的二维余弦山体模型进行数值风洞试验。

3 ．相对运动模拟方案杨顺华、乐嘉陵【1 9 1 等采用滑移网格( S l i d i n gG r i d ) 和多参考系( M R F ) 技术对高速磁浮列车穿越隧道问题进行了并行数值模拟，进行列车穿越隧道时的气动特性分析孙露、谷正气、杨易[ 2 0 1 采用动网格和滑移交界面技术，数值模拟研究两辆车超车过程中外部流场，得到两车的阻力和侧力的瞬态变化趋势；并通过截取流场剖面上的压力场和速度场，分析总结超车过程中汽车的瞬态气动特性倪赛珍、张星、何国威f 2 1 1 采用重叠网格法拟具有运动边界的流动问题，用“挖洞”技术确定重叠区内边界，利用相邻单元搜索算法寻找内边界点在另一套网格中的宿主单元模拟了圆柱绕流和竖直振动的椭圆翼型诱导的水平运动傅立敏、贺宝琴、吴允柱【2 2 】用稳态和瞬态两种方法，对两辆车超车过程中外部流场的空气动力特性进行了数值模拟研究瞬态方法模拟车辆运动采用的是网格变形和局部网格重构相结合的动网格技术，并耦合刚体动力学方程和P I S O 算法实现了汽车超车过程的三维瞬态数值模拟郝继光、姜毅、韩书永、廖庆针综述了计算流体力学中的各种动网格更新技术并且提出了一种新的更新方法．域动分层法的动网格技术。

总之，目前国内外关于流场模拟的相关研究主要集中于桥梁、建筑抗风等，或是关于横风下对车辆、列车行驶性能的影响研究，对于大气环境中车辆行驶时北京交通大学硕士学位论文高速公路区域流场的研究还不多见4 ．钝体绕流研究方法钝体绕流是一种复杂的物理现象现阶段研究流场变化的方法有：现场实测、风洞试验、和计算机数值模拟现场实测是最直接的研究手段目前测量技术发展迅速，实测已经成为一种必不可少的研究手段，并且可以检验风洞试验与数值模拟的正确性在更加准确的描述某一地区的流场特性时，最有效的方法是将现场实测得到的数据和资料整理分析得到的经验模型和统计参数风洞试验是在风洞实验室模拟大气边界层中的实际风环境将结构的缩尺模型放置在风洞中，通过必要的手段产生类似于实际结构周围的风场，然后通过布置在模型表面及其周围的试验仪器测量风速，风压以及结构的响应等相关数据风洞实验方法在结构绕流和结构物风荷载研究中起着重要作用数值模拟技术的基本原理是数值求解控制流体流动的基本方程，从而得出流场在连续区域上的分布，模拟流体流动情况同风洞试验相比，由于数值模拟采用理论方法和计算机技术，具有成本低、周期短、效率高的优点，且不受模型尺度影响，可以进行全尺度的模拟。

本文的研究采用数值模拟的方法1 ．3 本文研究内容在阅读、分析大量文献资料的基础上，理解掌握计算流体力学的相关理论知识，从大气来流特性、特征湍流等方面，深入了解钝体绕流的主要研究方法和发展过程，为下一步的研究工作奠定基础主要内容如下：1 、结合大尺度数值模拟及汽车运动的特点，考虑计算域的尺寸、网格划分及更新方式，边界条件、离散格式、湍流模型的选取，收敛性及结果的判定等方面建立合理的计算模型进行算例有效性验证2 、加入单车后高速公路区域流场分布的研究采用动网格方法模拟高速公路上单车运动对路堤区域流场的影响主要内容包括：①建立高速公路及汽车的计算模型；②设定边界条件；③分析数值模拟结果；④改变路堤高度、坡度等参数分析流场变化3 、加入车队后高速公路区域流场分布的研究采用滑移网格方法，模拟车队行驶对高速公路区域流场的影响主要内容包括：①建立高速公路及车队的计算模型；②设定边界条件及湍流模型；③分析数值模拟结果；④改变车队布置形式、路堤高度、坡度等参数，对比分析不同工况下流场分布情况4 、对本文的研究工作进行分析总结，提出需要进一步开展的研究工作4风特性及理论基础2 风特性及理论基础2 ．1 风特性自然风是由于大气中热力和动力现象的时空不均匀性，使相同高度上两点之间产生压力差所造成的。

当自然风流经各种不同的地形条件时( 如山丘、丛林、庄稼、堤坝、桥墩和楼房等) ，会产生加速、绕流、分离等现象，对局部的流场分布产生影响研究大气边界层中高速公路区域流场变化分布情况，首先要了解流场特性2 ．1 ．1 大气边界层地球表面通。