一種基于公路隧道穩(wěn)態(tài)流場分布預(yù)測技術(shù)獲取隧道風(fēng)速的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及隧道通風(fēng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是，具體地說是一種基于公路隧道穩(wěn)態(tài)流場 分布預(yù)測技術(shù)獲取隧道風(fēng)速的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 汽車是一個(gè)具有復(fù)雜幾何邊界的物體。汽車在大空間中行駛時(shí)，帶動(dòng)汽車周圍的 空氣隨之運(yùn)動(dòng)，形成一種特定的非定常流場。假設(shè)隧道內(nèi)氣流靜止，從運(yùn)動(dòng)的汽車上觀察空 氣的流動(dòng)，該流動(dòng)可以看成是空氣以汽車的速度繞靜止的汽車外部流動(dòng)，本文將其稱為"汽 車外部繞流"。在空氣沿汽車長度方向繞過汽車外部的流動(dòng)過程中，由于空氣黏性的作用， 緊貼在汽車表面的空氣保持靜止。在汽車外壁形成速度邊界層，速度邊界層內(nèi)的空氣沿汽 車長度方向逐漸增加。與其他的空氣繞流風(fēng)場不同，汽車底盤和路面之間有著一定的距離， 由于這個(gè)距離的存在，在同一斷面上靠近地面的下部分邊界層比汽車上部的邊界層要厚。 在汽車尾部，空氣形成強(qiáng)烈的紊流尾流，且由于車尾處壓力較低，尾流中會(huì)出現(xiàn)回流，并形 成一對(duì)很強(qiáng)的、方向相反的內(nèi)卷的尾渦。隨著離開車尾距離的增加，尾流的強(qiáng)度迅速減弱。 由于車頭并非完全的流線型，在車頭部附近會(huì)出現(xiàn)不同程度的邊界層分離，然后向下游再 附著產(chǎn)生分離泡，分離泡中包含小渦。這些小渦的軸線基本上與未受擾動(dòng)空氣流速方向垂 直。這種分離具有二維特性。此外，由于地面的摩擦作用，汽車下部的空氣流速比上部低，壓 力比上部高，于是在汽車的兩側(cè)會(huì)形成一對(duì)上卷的側(cè)向渦流，并拖向汽車的后部和尾流中， 這是一種具有強(qiáng)三維特性的分離現(xiàn)象。伴隨著空氣的繞流，汽車頭部前端空氣流速降低，其 動(dòng)壓減少，靜壓增大。在汽車彎曲的表面處，空氣流速增大，甚至大于未受擾動(dòng)的空氣流速 (即相對(duì)與汽車速度的風(fēng)速），因此等壓增大，靜壓減少。當(dāng)其靜壓減少到低于未受擾動(dòng)空 氣的壓力時(shí)，汽車頭部發(fā)生壓力擾動(dòng)，汽車外部的邊界層和尾流會(huì)對(duì)汽車附近的物體產(chǎn)生 瞬間的氣動(dòng)荷載。在高速行駛的道路旁邊，你會(huì)感覺到空氣的壓力和流速的擾動(dòng)，這正是來 源于汽車頭部、邊界層和尾流中的空氣渦旋。
[0003] 連續(xù)車流在通過隧道時(shí)，所引發(fā)的隧道內(nèi)部空氣流動(dòng)是三維可壓縮的非定常紊流 流動(dòng)。公路隧道中的氣流分布規(guī)律是研宄公路隧道通風(fēng)、車輛尾氣分布及火災(zāi)時(shí)煙氣擴(kuò)散 分布的基礎(chǔ)。Roberto Bellasio (1997)對(duì)公路隧道中的流場分布進(jìn)行了三維的數(shù)值模擬， 認(rèn)為隧道中氣流紊動(dòng)是由車輛運(yùn)動(dòng)與大氣平流兩者組成，他將前者折合成大氣平流項(xiàng)代入 擴(kuò)散微分方程，采用有限差分與有限元兩種方法進(jìn)行計(jì)算與比對(duì)，結(jié)果顯示具有較好的相 似性。但在微分方程的求解中，將邊界條件進(jìn)行了人為設(shè)定。Jaroslav Katolicky(2005) 采用歐拉一拉格朗日模型利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件StarCD模擬了公路隧道內(nèi)的汽車運(yùn)動(dòng) 及它們對(duì)隧道通風(fēng)的影響?？v觀以往的研宄，公路隧道中流場分布研宄都依賴于數(shù)值模擬 技術(shù)，雖然解決了特定形式及條件下的隧道流場，卻不能從本質(zhì)上解釋公路隧道內(nèi)的流場 及空氣動(dòng)力學(xué)特性。且迄今為止，也沒有提出完善的公路隧道內(nèi)流場分布的紊流理論及相 關(guān)流場分布的解析公式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)公路隧道中流場分布預(yù)測技術(shù)中存在上述問題，提出一種基 于公路隧道穩(wěn)態(tài)流場分布預(yù)測技術(shù)獲取隧道風(fēng)速的方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 一種基于公路隧道穩(wěn)態(tài)流場分布預(yù)測技術(shù)獲取隧道風(fēng)速的方法，它包括以下步 驟：
[0007] (1)、將公路隧道中的穩(wěn)態(tài)氣流流場按照從上至下依次分為三個(gè)部分：壁面影響 區(qū)、車輛影響區(qū)和紊流底層；
[0008] (2)、根據(jù)前述三個(gè)部分的氣流分布公式計(jì)算相應(yīng)高度的隧道風(fēng)速。
[0009] 本發(fā)明的步驟（2)具體為：
[0010] (2-1)、當(dāng)所測高度y處于壁面影響區(qū)中時(shí)，即hv-y-H，采用壁面影響區(qū)的氣流分布 公式計(jì)算該高度的隧道風(fēng)速ujy):
[0011]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于公路隧道穩(wěn)態(tài)流場分布預(yù)測技術(shù)獲取隧道風(fēng)速的方法，其特征是：它包括 以下步驟： (1) 、將公路隧道中的穩(wěn)態(tài)氣流流場按照從上至下依次分為三個(gè)部分：壁面影響區(qū)、車 輛影響區(qū)和紊流底層； (2) 、根據(jù)前述三個(gè)部分的氣流分布公式計(jì)算相應(yīng)高度的隧道風(fēng)速。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于公路隧道穩(wěn)態(tài)流場分布預(yù)測技術(shù)獲取隧道風(fēng)速的方法， 其特征是步驟（2)具體為： (2-1)、當(dāng)所測高度y處于壁面影響區(qū)中時(shí)，即hv<y<H，采用壁面影響區(qū)的氣流分布 公式計(jì)算該高度的隧道風(fēng)速ujy):
(2-2)、當(dāng)所測高度y處于車輛影響區(qū)中時(shí)，即h<y<hv，采用車輛影響區(qū)的氣流分布 公式計(jì)算該高度的隧道風(fēng)速u2(y):
(2-3)、當(dāng)所測高度y處于紊流底層中時(shí)，即0 <y<h，采用紊流底層中的氣流分布公 式計(jì)算該高度的隧道風(fēng)速u3(y): u3 (y) =v〇 0 ^y^h 式中，H為隧道高度；k為卡門普適常數(shù)，k= 〇. 4 ;t為空氣剪切應(yīng)力；p為隧道中 的空氣密度；v為空氣運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，v= 1. 6Xl(T5m2/s ;V(I為車輛的行駛速度；e為車 輛表面粗糙度；h為隧道中車流的平均粗糙高度；匕為壁面影響區(qū)與車輛影響區(qū)的界面高 度：hv= (H+h)/2〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于公路隧道穩(wěn)態(tài)流場分布預(yù)測技術(shù)獲取隧道風(fēng)速的方法， 其特征是：e為車輛表面粗糙度，G為〇. 5Xl(T6m-l. 5Xl(T6m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于公路隧道穩(wěn)態(tài)流場分布預(yù)測技術(shù)獲取隧道風(fēng)速的方法， 其特征是：G為車輛表面粗糙度，G= 1Xl(T6m。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于公路隧道穩(wěn)態(tài)流場分布預(yù)測技術(shù)獲取隧道風(fēng)速的方法， 其特征是：h為隧道中車流的平均粗糙高度，h為0. 35m-0. 75m。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于公路隧道穩(wěn)態(tài)流場分布預(yù)測技術(shù)獲取隧道風(fēng)速的方法， 其特征是：h為隧道中車流的平均粗糙高度，h= 0. 54m。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于公路隧道穩(wěn)態(tài)流場分布預(yù)測技術(shù)獲取隧道風(fēng)速的方法， 其特征是：空氣切應(yīng)力t的表達(dá)式為：T=a984+2.07v"-hll)xlCT4。
【專利摘要】一種基于公路隧道穩(wěn)態(tài)流場分布預(yù)測技術(shù)獲取隧道風(fēng)速的方法，它包括以下步驟：（1）、將公路隧道中的穩(wěn)態(tài)氣流流場按照從上至下依次分為三個(gè)部分：壁面影響區(qū)、車輛影響區(qū)和紊流底層；（2）、根據(jù)前述三個(gè)部分的氣流分布公式計(jì)算相應(yīng)高度的隧道風(fēng)速。本發(fā)明能從本質(zhì)上解釋公路隧道內(nèi)的流場及空氣動(dòng)力學(xué)特性，可以根據(jù)公路隧道的結(jié)構(gòu)參數(shù)及車流的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，預(yù)測隧道內(nèi)部穩(wěn)態(tài)流場分布曲線，可以得到任意高度的隧道風(fēng)速。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號(hào)】CN104573381
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510033915
【發(fā)明人】金斯科, 龔延風(fēng), 張廣麗
【申請(qǐng)人】南京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月22日