论文部分内容阅读
摘 要：交通风是隧道机械通风的重要补充，对隧道运营节能具有重要意义。为了研究车辆正投影对隧道内交通风速的影响，使用Fluent对不同类型的车辆运动进行了数值模拟研究，分析了车辆正投影面积对产生交通风速大小的影响。结果表明，单车行驶时，车辆正投影面积增加1倍，车辆驶过检测断面5 s内的平均交通风速增加1倍以上，且不受车辆行驶位置的影响;两车并行行驶时，产生的交通风会互相影响，与两单车行驶时产生的平均交通风速线性叠加相比，车辆并行的交通风速损失约为10%。
关键词：计算机仿真;交通风;数值模拟;正投影面积;隧道通风;Fluent
中图分类号：TP39;U459.3 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）02-00-04
0 引 言
交通风是指车辆行驶时扰动空气，产生强烈的空气流动所形成的风[1]。在公路隧道中，车辆运动产生的交通风可以提高隧道进风量，加快隧道内污染物的稀释，为隧道机械通风提供补充[2]，具有重要的节能作用。
由于交通风在辅助机械通风节约能耗方面具有重要意义，因此早在20世纪就有学者开始通过物理模型与流体计算开展了关于交通风的研究[3-4]。但流动问题较为复杂，物理模型和数学推导需要过多假设，导致结果难以应用于实际。随着计算机技术的发展，越来越多的学者通过计算流体力学（CFD）的方法开展了交通风模拟研究。王峰对比了车辆以40 km/h和80 km/h速度行驶时引起的曲线隧道内的平均风速，指出车速的提升会使断面风速明显增大[5]。Bhautmag指出，车速越快，车后交通风影响范围越大，对于污染物的稀释更有利[6]。何佳银指出，即使车速不同，检测位置处交通风有效影响时间均在车辆驶离检测位置后5 s内，后续交通风基本可以忽略[7]。
现有研究多针对车辆行驶速度对交通风的影响，车辆正投影面积对交通风的影响研究未考虑车辆行驶位置以及并行行驶情况。本文使用Fluent流体仿真软件，在单车仿真的基础上对隧道内不同车辆位置行驶时所产生的交通风进行了对比分析。同时建立了车辆并行行驶的仿真模型，通过检测车辆驶过检测面的交通风速分析车辆正投影对交通风的影响。
1 模型描述
1.1 隧道模型
本文建立了三车道矩形大断面公路单向隧道仿真模型，包含网格质量信息的三维模型如图1所示。隧道设计车速100 km/h，净宽17.45 m，净高5.25 m，隧道模型长度为1 000 m。仅考虑隧道内气流流动，隧道壁面简化为具有粗糙度但无厚度的墙。
1.2 车辆模型
根据实际隧道内的车种比例，将车辆模型分为小客车、中巴车及大客车共3种，建立仿真车辆模型。模型主要参考《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》
（GB 1589—2016），为了尽可能真实反应车辆几何结构，将小轿车前挡风玻璃与水平面的夹角设置为35°，后挡风玻璃与水平面的夹角设置为45°，如图2（a）所示。中巴车、大客车简化为长方体，如图2（b）和图2（c）所示。另外，车辆底盘与路面之间的空隙也需要考虑，三种车辆底盘高度分别设为0.25 m，0.3 m和0.4 m。
2 模拟控制方法
2.1 控制方程
车辆在隧道内运动时，空气流场具有三维、粘性、不可压、非稳态湍流场等特点。本文采用动网格技术进行车辆运动瞬态数值模拟。流动控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、组分运输方程及湍流运输方程。在车辆运动过程中，连续性方程可表示为[8]：
式中：ρ表示密度;t表示时间;u，v和w表示速度矢量在x，y和z方向的分量。
隧道流体域内，微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和，x，y和z方向上的动量方程如下[9]：
式中;u表示速度矢量;p表示流體微元体上的压力;τxx，τxy，τxz等是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力τ的分量;Fx，Fy和Fz是微元体上的体力。
交通风遵循的能量方程[10]：
式中：cp表示比热容;T为温度;k为流体传热系数;ST为粘性耗散项。
在湍流场中，标准k-ε控制方程通用形式如下[11]：
式中：Γ表示扩散系数;S表示广义源项;?表示通用变量。
2.2 初始条件
计算的流体域为隧道内部，为了减少环境对隧道内交通风的影响，隧道入口设置为压力流入边界，相对压力设置为0 Pa，隧道出口设置为自由出口[12]。设置混凝土为隧道固定壁面的材质。需要考虑壁面阻力对交通风速的影响，故将壁面平均粗糙度高度[13]（Roughness height）设置为0.5 cm。车辆材质为钢材，整车定义为运动刚体，运动速度对应车辆行驶速度。车辆初始位置位于隧道外，车头位于距隧道入口20 m处。
2.3 动网格方法
车辆运动产生的气流随时间的变化而不断变化，导致计算域内车辆运动轨迹上的流场网格随时间呈现拉伸或压缩变化，即动网格[14]。常见的动网格方法如光顺法和网格重构法适合较复杂或不规则的运动模型，简单的刚体运动适合采用动态层方法。
由于车辆运动可视为刚体运动，故采用动态层方法进行动网格控制，并使用UDF对车辆行驶轨迹与行驶速度进行定义。动态层方法的核心思想：当边界发生运动，紧邻边界的网格层高度增大到设定阈值时，网格会分裂为两层;网格高度降低到一定程度时，就会将紧邻边界的两层网格合并为一层。控制原理如下[15]：
式中：hmax为网格层j的最大高度;hmin为网格层j的最小高度;hideal为理想网格高度;αc为合并因子（Collapse Factor）;αs为分裂因子（Split Factor）。 为了防止小客车几何模型在移动过程中对网格质量的破坏，对小客车网格模型进行混合处理的示意如图3所示，在车辆外部设置interface面，将车辆包成规则构件，随车一起运动。结构区域与非结构区域网格节点合并，确保两个区域数据的连通。
3 网格独立性验证
采用六面体网格划分方法对隧道模型进行网格划分。为了验证网格独立性，建立了数目分别为68万，125万，202万，
334万，542万的五套网格系统。对五套网格分别进行数值计算，分析不同规模网格对计算精度的影响。仿真条件为大客车以80 km/h的速度驶过距隧道入口500 m的检测断面，车尾驶过断面0.5 s后的结果见表1所列。检测断面空气流速变化规律如图4所示。
4 结果与讨论
4.1 仿真工况划分
仿真工况见表2所列。对比各工况，分析XY平面中车辆正投影面积对隧道交通风速的影响。车辆行驶速度均定义为80 km/h。工况1～3中车辆位于中部车道，工况4中大客车位于右侧车道，工况5～7中小客车位于左侧车道。
4.2 交通风速度分布
取Y=0.5 m建立展示面，工况1、工况3与工况4的速度云图如图5所示。
从图5中的云图可以看出，小客车可达到的瞬时最大风速为23.1 m/s，稍高于大客车的21.8 m/s。总体来看，由于速度相同，大客车正投影面积远大于小客车，其尾迹影响范围以及尾迹平均速度明显高于小客车。在不同车道上，同一速度下大客车产生的交通风速差异并不大。
4.3 交通风速时变分析
由于交通风具有消散快的特点，当车辆距离检测断面较远时，检测断面难以监测到交通风变化，故检测时间范围限定为车头到达检测断面前2 s至车尾离开检测断面后5 s，共7 s。设定Z=500 m处的XY平面为检测断面，统计车辆驶过检测断面时的断面平均风速如图7所示。
由图7可知，车辆经过检测断面过程中，交通风速总体呈现出快速上升再快速下降，最后趋于稳定的特点。车头经过检测断面以及车尾离开检测断面时交通风速均会出现局部最大。正投影面积越大，产生的瞬时风速就越大，检测时间内的平均风速也越大。7种工况中，检测断面在7 s内的平均风速定义为v，见表3所列。
由表3中的前3种工况可以看出，中巴车带动的平均风速约为小客车的3倍，但面积仅为小客车的2倍;大客车带动的平均风速是中巴车的1.74倍，面积为中巴车的1.67倍。这意味着由正投影面積增加带来的平均交通风速增量成衰减趋势，但平均风速增量依然可观。工况4较工况3相比，7 s检测断面平均风速小了2.5%，这在实际应用中基本可以忽略，可以认为行驶位置对车辆产生的交通风速无明显影响。
在工况2与工况5中，XY截面中车辆正投影面积相同，但很明显，工况5相比工况2速度降低了8.8%，这说明两车辆并行行驶产生的交通风速可叠加，由于受气流相互作用的影响，叠加后会有一定损失，但在实际中仍有重要应用价值。工况5～7的仿真结果表明，本文所研究的大断面隧道中，相比单车所产生的交通风，车辆叠加带来的交通风速损失均小于10%。这对于隧道运营期间的通风节能有着重要意义。
5 结 语
本文通过对不同正投影面积车型以80 km/h行驶的数值进行模拟，得到以下结论：
（1）单车行驶时，正投影面积增加百分比是7 s内平均交通风速增加百分比的最小值;
（2）两车并行行驶时，产生的交通风速小于单车线性叠加，这是由于两车所产生的气流相互影响，损耗约保持在单车线性叠加的10%以下;
（3）车辆正投影面积与速度不变时，车辆在隧道内的行驶位置对其产生的交通风速无显著影响。
通过本文的研究，为隧道交通风的计算与利用提供一定参考，在隧道运营期的节能减排中，有一定的工程应用价值。
参 考 文 献
[1] WANG F，WANG M N，HE S，et al. Computational study of effects of traffic force on the ventilation in highway curved tunnels [J]. Tunnelling and underground space technology，2011，26（3）：481-489.
[2]徐洪涛，邵斌，李贝贝，等.隧道通风活塞效应数值模拟方法研究[J].上海理工大学学报，2014，36（1）：53-59.
[3] CHEN T Y ，LEE Y T ，HSU C C. Investigations of piston-effect and jet fan-effect in model vehicle tunnels [J]. Journal of wind engineering
关键词：计算机仿真;交通风;数值模拟;正投影面积;隧道通风;Fluent
中图分类号：TP39;U459.3 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）02-00-04
0 引 言
交通风是指车辆行驶时扰动空气，产生强烈的空气流动所形成的风[1]。在公路隧道中，车辆运动产生的交通风可以提高隧道进风量，加快隧道内污染物的稀释，为隧道机械通风提供补充[2]，具有重要的节能作用。
由于交通风在辅助机械通风节约能耗方面具有重要意义，因此早在20世纪就有学者开始通过物理模型与流体计算开展了关于交通风的研究[3-4]。但流动问题较为复杂，物理模型和数学推导需要过多假设，导致结果难以应用于实际。随着计算机技术的发展，越来越多的学者通过计算流体力学（CFD）的方法开展了交通风模拟研究。王峰对比了车辆以40 km/h和80 km/h速度行驶时引起的曲线隧道内的平均风速，指出车速的提升会使断面风速明显增大[5]。Bhautmag指出，车速越快，车后交通风影响范围越大，对于污染物的稀释更有利[6]。何佳银指出，即使车速不同，检测位置处交通风有效影响时间均在车辆驶离检测位置后5 s内，后续交通风基本可以忽略[7]。
现有研究多针对车辆行驶速度对交通风的影响，车辆正投影面积对交通风的影响研究未考虑车辆行驶位置以及并行行驶情况。本文使用Fluent流体仿真软件，在单车仿真的基础上对隧道内不同车辆位置行驶时所产生的交通风进行了对比分析。同时建立了车辆并行行驶的仿真模型，通过检测车辆驶过检测面的交通风速分析车辆正投影对交通风的影响。
1 模型描述
1.1 隧道模型
本文建立了三车道矩形大断面公路单向隧道仿真模型，包含网格质量信息的三维模型如图1所示。隧道设计车速100 km/h，净宽17.45 m，净高5.25 m，隧道模型长度为1 000 m。仅考虑隧道内气流流动，隧道壁面简化为具有粗糙度但无厚度的墙。
1.2 车辆模型
根据实际隧道内的车种比例，将车辆模型分为小客车、中巴车及大客车共3种，建立仿真车辆模型。模型主要参考《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》
（GB 1589—2016），为了尽可能真实反应车辆几何结构，将小轿车前挡风玻璃与水平面的夹角设置为35°，后挡风玻璃与水平面的夹角设置为45°，如图2（a）所示。中巴车、大客车简化为长方体，如图2（b）和图2（c）所示。另外，车辆底盘与路面之间的空隙也需要考虑，三种车辆底盘高度分别设为0.25 m，0.3 m和0.4 m。
2 模拟控制方法
2.1 控制方程
车辆在隧道内运动时，空气流场具有三维、粘性、不可压、非稳态湍流场等特点。本文采用动网格技术进行车辆运动瞬态数值模拟。流动控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、组分运输方程及湍流运输方程。在车辆运动过程中，连续性方程可表示为[8]：
式中：ρ表示密度;t表示时间;u，v和w表示速度矢量在x，y和z方向的分量。
隧道流体域内，微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和，x，y和z方向上的动量方程如下[9]：
式中;u表示速度矢量;p表示流體微元体上的压力;τxx，τxy，τxz等是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力τ的分量;Fx，Fy和Fz是微元体上的体力。
交通风遵循的能量方程[10]：
式中：cp表示比热容;T为温度;k为流体传热系数;ST为粘性耗散项。
在湍流场中，标准k-ε控制方程通用形式如下[11]：
式中：Γ表示扩散系数;S表示广义源项;?表示通用变量。
2.2 初始条件
计算的流体域为隧道内部，为了减少环境对隧道内交通风的影响，隧道入口设置为压力流入边界，相对压力设置为0 Pa，隧道出口设置为自由出口[12]。设置混凝土为隧道固定壁面的材质。需要考虑壁面阻力对交通风速的影响，故将壁面平均粗糙度高度[13]（Roughness height）设置为0.5 cm。车辆材质为钢材，整车定义为运动刚体，运动速度对应车辆行驶速度。车辆初始位置位于隧道外，车头位于距隧道入口20 m处。
2.3 动网格方法
车辆运动产生的气流随时间的变化而不断变化，导致计算域内车辆运动轨迹上的流场网格随时间呈现拉伸或压缩变化，即动网格[14]。常见的动网格方法如光顺法和网格重构法适合较复杂或不规则的运动模型，简单的刚体运动适合采用动态层方法。
由于车辆运动可视为刚体运动，故采用动态层方法进行动网格控制，并使用UDF对车辆行驶轨迹与行驶速度进行定义。动态层方法的核心思想：当边界发生运动，紧邻边界的网格层高度增大到设定阈值时，网格会分裂为两层;网格高度降低到一定程度时，就会将紧邻边界的两层网格合并为一层。控制原理如下[15]：
式中：hmax为网格层j的最大高度;hmin为网格层j的最小高度;hideal为理想网格高度;αc为合并因子（Collapse Factor）;αs为分裂因子（Split Factor）。 为了防止小客车几何模型在移动过程中对网格质量的破坏，对小客车网格模型进行混合处理的示意如图3所示，在车辆外部设置interface面，将车辆包成规则构件，随车一起运动。结构区域与非结构区域网格节点合并，确保两个区域数据的连通。
3 网格独立性验证
采用六面体网格划分方法对隧道模型进行网格划分。为了验证网格独立性，建立了数目分别为68万，125万，202万，
334万，542万的五套网格系统。对五套网格分别进行数值计算，分析不同规模网格对计算精度的影响。仿真条件为大客车以80 km/h的速度驶过距隧道入口500 m的检测断面，车尾驶过断面0.5 s后的结果见表1所列。检测断面空气流速变化规律如图4所示。
4 结果与讨论
4.1 仿真工况划分
仿真工况见表2所列。对比各工况，分析XY平面中车辆正投影面积对隧道交通风速的影响。车辆行驶速度均定义为80 km/h。工况1～3中车辆位于中部车道，工况4中大客车位于右侧车道，工况5～7中小客车位于左侧车道。
4.2 交通风速度分布
取Y=0.5 m建立展示面，工况1、工况3与工况4的速度云图如图5所示。
从图5中的云图可以看出，小客车可达到的瞬时最大风速为23.1 m/s，稍高于大客车的21.8 m/s。总体来看，由于速度相同，大客车正投影面积远大于小客车，其尾迹影响范围以及尾迹平均速度明显高于小客车。在不同车道上，同一速度下大客车产生的交通风速差异并不大。
4.3 交通风速时变分析
由于交通风具有消散快的特点，当车辆距离检测断面较远时，检测断面难以监测到交通风变化，故检测时间范围限定为车头到达检测断面前2 s至车尾离开检测断面后5 s，共7 s。设定Z=500 m处的XY平面为检测断面，统计车辆驶过检测断面时的断面平均风速如图7所示。
由图7可知，车辆经过检测断面过程中，交通风速总体呈现出快速上升再快速下降，最后趋于稳定的特点。车头经过检测断面以及车尾离开检测断面时交通风速均会出现局部最大。正投影面积越大，产生的瞬时风速就越大，检测时间内的平均风速也越大。7种工况中，检测断面在7 s内的平均风速定义为v，见表3所列。
由表3中的前3种工况可以看出，中巴车带动的平均风速约为小客车的3倍，但面积仅为小客车的2倍;大客车带动的平均风速是中巴车的1.74倍，面积为中巴车的1.67倍。这意味着由正投影面積增加带来的平均交通风速增量成衰减趋势，但平均风速增量依然可观。工况4较工况3相比，7 s检测断面平均风速小了2.5%，这在实际应用中基本可以忽略，可以认为行驶位置对车辆产生的交通风速无明显影响。
在工况2与工况5中，XY截面中车辆正投影面积相同，但很明显，工况5相比工况2速度降低了8.8%，这说明两车辆并行行驶产生的交通风速可叠加，由于受气流相互作用的影响，叠加后会有一定损失，但在实际中仍有重要应用价值。工况5～7的仿真结果表明，本文所研究的大断面隧道中，相比单车所产生的交通风，车辆叠加带来的交通风速损失均小于10%。这对于隧道运营期间的通风节能有着重要意义。
5 结 语
本文通过对不同正投影面积车型以80 km/h行驶的数值进行模拟，得到以下结论：
（1）单车行驶时，正投影面积增加百分比是7 s内平均交通风速增加百分比的最小值;
（2）两车并行行驶时，产生的交通风速小于单车线性叠加，这是由于两车所产生的气流相互影响，损耗约保持在单车线性叠加的10%以下;
（3）车辆正投影面积与速度不变时，车辆在隧道内的行驶位置对其产生的交通风速无显著影响。
通过本文的研究，为隧道交通风的计算与利用提供一定参考，在隧道运营期的节能减排中，有一定的工程应用价值。
参 考 文 献
[1] WANG F，WANG M N，HE S，et al. Computational study of effects of traffic force on the ventilation in highway curved tunnels [J]. Tunnelling and underground space technology，2011，26（3）：481-489.
[2]徐洪涛，邵斌，李贝贝，等.隧道通风活塞效应数值模拟方法研究[J].上海理工大学学报，2014，36（1）：53-59.
[3] CHEN T Y ，LEE Y T ，HSU C C. Investigations of piston-effect and jet fan-effect in model vehicle tunnels [J]. Journal of wind engineering