不同线型高速公路路堤地域流场与温度场之数值仿真

　　不同线型高速公路路堤地域流场与温度场之数值仿真1绪论1.1研究背景随着国民经济的飞速发展，高速公路正在以非常快的速度覆盖全国的交通网络。现代化高速公路随着施工技术的发展，已经克服了许多地理环境的难关，跨越不同的地形地貌，以达到最经济有效的地区间交互联通效果。目前，我国的高速公路网络已经初步覆盖国内90%的主要城市，其中包括由12条高等级公路组成的五纵七横国道主干线。截止到2010年我国高速公路通车里程已经达到7.8万公里，位居世界第二。而根据《国家高速公路网规划》，我国高速公路总里程将在2020年达到10万公里⑴ 。高速公路的快速发展，带动了地区乃至国民经济的快速发展，产生了巨大的社会效应，但同时却也给环境带来较大的压力。高速公路的建设不可避免地将对其经过区域的环境，特别是风环境和热环境产生影响。由于改变了原有区域的空气流场的稳定性与区域温度场的分布情况，这种影响在在周围空气流场方面显得更为明显，特别是外来气流如汽车尾流的加入后，这种影响使得周边气流场特征变得更加复杂，并且不同于已有的认识，从而使车辆尾气、粉尘等污染物的扩散发生变化，加大了环境保护的难度[2]。由于公路本身无法解决自身污染源问题，而且影响污染在区域扩散的因素又相当复杂，给现有公路环境评价工作的分析计算带来许多困难。目前在公路评价工作中对环境空气环境的分析显得越来越粗略，计算方法、参数选用和预测内容等方面都存在着许多的不完善之处[3]。.1.2研究意义 建筑结构对空气场与温度场影响、汽车流与尾气加入对空气场影响、污染物在流场复杂变化下的扩散情况及相应环保措施等多方面内容，使该研究形成多元而综合的特点[4]。本课题因其复杂的学科交叉特性与实际意义，存在较大的发展空间。通过理论分析与数值模拟，对高速公路及车流加入引起的区域气流场变化进行研究，旨在为高速公路周围气流场变化与污染物扩散的相关研究提供理论依据与数据支持。空气的流动形成风，大气边界层内的风由于地表的地形起伏和各种障碍物的阻挡，使得靠近地面空气的流动发生紊乱，其流动的速度和方向具有随时间和空间随机变化的特征，并形成从地表到梯度风高度之间逐渐拉宽的风速剖面，而剖面顶端的风速就是基本保持不变的梯度风风速。近地风一般包含平均风和脉动风两部分。在研究空气与桥梁相互作用时通常把风处理为在一定时距内不随时间变化的平均风速和随时间变化的脉动风速两部分。平均风在给定的时间间隔内不随着时间而发生变化，而脉动风则随时间和空间随机地变化，在数学上属随机过程范畴。数值模拟中的风场模拟主要是针对脉动风而言的。2风场数值模拟基础理论2.1大气边界层风场特性 在气象中，大气的水平运动被称为风，用风向、风速（或风力）来表示，是一种非常复杂的自然现象。形成风的空气运动是在力的作用下产生的，作用于空气的力有重力、气压梯度力、地砖偏向力、惯性离心力、摩擦力等。这些力的性质各不相同，对大气运动产生的作用也不一样。风产生的主要原因有两个：1、是地球表面受到的太阳福射不均，福射多的地方空气较为温暖，并且向上运动，而福射少的地方空气向下运动，向下的空气产生高伍区，高压区的空气会流向低压区，这个过程中就产生了风；2、则是由于地球的自传，其表面对大气的摩擦使得空气同样发生运动，但由于大气与地面并没有固定连结，因而空气运动相对较慢，在地面上看来，这种相对运动也形成了风。当大气在地表上流动时，各种流动属性都要受到下热面的强烈影响，由此产生的相应属性梯度将这种影响向上传递到一定的高度，一般只有几百米到一二公里，比大气运动的水平尺度小得多，在此厚度范围内流体的运动具有边界层特性，称为大气边界层，因为它是处于旋转的地球上，大气边界层也常常被称为行星边界层（如图2.1)。在大气边界层中的每一点，垂直运动速度都比平行于地面的水平运动速度小得多，而垂直方向上的速度梯度则比水平方向上的大得多。大气边界层是人类日常活动的地方，它的特性和变化时时刻刻影响人类的生活作息，因此当我们研究风与构筑物之间相互作用的时候，主要研究的是大气边界层内风的特性。.2.2计算流体力学基础 自然界的流动大多数是滴流，其具有在空间上尺度多重性和时间上的高频脉动性等特点。根据数值模拟中采用控制方程的不同，瑞流数值计算方法可以分为Eular法和Lagrange法。大多数瑞流数值模拟采用的方法有三种：直接数值模拟(DNS)法，大润模拟（LES)法和雷诺平均方程(RANS)法。目前在计算风工程领域，基于雷诺平均方程的瑞流模型是工程应用的主要方式。目前在工程领域CFD方法己经得到了非常广泛的应用。美国海空军下一代F-35战斗机所使用的附面层分离进气道是CFD的成果之一。附面层分离进气道通过特殊设计形状的突起分离流速较慢的附面层以改善祸轮风扇发动机的进气流场。此设计比传统的附面层隔板方法可以减轻数百公斤重量，同时在一定速度范围内能够维持很好的分离效率。CFD要解决的基本问题是如何把连续流体在计算机上用离散的方法处理。方法之一是把空间区域离散化成小胞腔，形成一个立体网格或者节点，然后应用合适的算法来解运动方程（对于不粘滞流体是欧拉方程，对于粘滞的是纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokesequations))。此外，这种网格可以是不规则的（例如二维网格由三角形组成，三维网格由四面体组成）或是规则的；前者的特征是每个胞腔必须单独存储在内存中。最后，如果是高度动态的问题，并跨越很大的空间范围，那么网格自身应该可以随时间调整，例如自适应网格细化方法。在很多应用及研究中，其他方程和纳维-斯托克斯方程需要同时被求解。这些其他的方程可能包括描述种类浓度、化学反应、热传导、组分运输等等[43]。3高速公路直线路堤区域温度场数值模拟.........27 3.1建立模型........273.1.1直线路堤计算模型及网格划分........273.1.2汽车计算模型与网格划分........313.2边界条件设置........333.3数值模拟结果分析........353.4本章小结........354高速公路直线路堤区域流场与温度场的对比分析........574.1计算模型及网格划分........574.2边界条件设置........574.3数值模拟分析........584.4本章小结........765高速公路平面线型对区域温度场的影响........775.1建立计算模型........775.1.1直线路堤计算模型及网格划分........775.1.2平面曲线路堤计算模型与网格划分........775.2边界条件设置........795.3数值模拟结果分析........805.4本章小结........965高速公路平面线型对区域温度场的影响 5.1建立计算模型本研究流动进入方向为所定义参考系X轴负方向，选取速度入口边界条件(Velocityinlet),初始速度为沿高度（z轴）方向指数剖面得到，参数设定如第二章所述；初始流体温度与高度呈正比（气温随高度增加而递减，每上升100米降低0.6。C。分析高度不同水平面的温度场分布及特征，研究比较不同平面线型路堤区域温度的变化情况。由路径L1、L2、L3的温度变化可见：在路面附近，温度分布主要受路面初始温度的影响，变化曲线基本重合；距离路堤前后约20m以外的区域，曲线型路堤的远场温度要略小于直线型路堤的远场温度；在路堤前后约20m以内的两个区域，温度急剧下降到路径内的最低值。值得注意的是：路堤前后约20in以内的两个区域，路径L1上三种线型路堤的温度曲线基本吻合；路径L2与L3上，随着来流与路堤夹角的改变，这种分布出现了变化。在这两个区域中的迎风侧，曲线型路堤的温度要略低于直线型路堤的温度，在背风侧，曲线型路堤的温度要高于直线型路堤的温度。结论 为了对高速公路区域环境的重要组成部分温度场与流场的分布进行分析研究，本文通过查阅大量文献，总结分析了相关的理论基础与模拟方法。了解了风工程理论在研究中的适用性，以及CFD技术的可行性，并选用合适的湍流模型与网格划分方式。本文利用CFD技术对高速公路沿线的流场与温度场进行数值模拟，并建立相关的计算模型，研究不同工况下区域温度场分布的异同、温度场与流场之间的关系，得到以下主要研究结论：1、无车与有车两种工况下，高速公路直线型路堤区域温度场的变化情况。(1)无车状态下，高速公路对区域温度场的影响主要集中在路堤坡脚前后50m、距离地面高度7m范围内，该范围内温度低于远场的温度；随着高度的增加，该区域温度与远场温度的差值减小；(2)在有车状态下，在汽车的背风侧出现一个温度高于周围rc以上的区域；而车头后方的高温区面积小于车尾附近高温区面积，说明初始温度无法在更大的范围内对周围的温度产生影响；(3)汽车位置所对应的路堤背风侧，区域温度高于同水平面内路堤其他区段背风侧的温度，说明汽车的存在改变了路堤背风侧温度场的分布；这种改变主要分布在路堤背风侧外距路堤35m以内的范围之内。