基于计算流体力学(CFD)水压力计算的数值模拟

摘要

只要道路表面覆盖有一定厚度的水膜,车辆在水膜覆盖的路面上行驶时,由于积水的压力作用会使轮胎上浮,此时必定会发生某种程度的不完全滑水;如果车速进一步提高,动水压力会不断增大,轮胎与路面的附着系数显著降低,最终将导致轮胎与路面完全失去接触,发生完全滑水现象,会造成不同程度的交通事故。因此,研究路面的滑水现象用以确定车辆的安全行驶速度,以保障雨天行车安全至关重要。
　　 之所以会发生滑水现象,最关键的因素就是水,水膜厚度不同发生滑水的条件也不同。本文首先通过水力学理论和水文学原理推导出一种计算水膜厚度的公式,并利用季天剑、黄晓明等对沥青路面表面水膜厚度试验所得到的数据,对本文推导的计算水膜厚度公式进行了验证,结果表明该公式与试验所得数据相关度很高,可以用于工程实践。
　　 然后,通过调查、研究、分析选取了代表轮胎,应用流体力学软件FLUENT,建立了205/55R16型轮胎的三维有限元模型,并通过调整模型中的水膜厚度,模拟轮胎在不同工况下的行驶情况。
　　 最后,分别对光滑轮胎和沟槽轮胎的滑水现象进行了仿真,分析了轮胎发生滑水现象的全过程,得到了轮胎在不同工况下行驶所受到的压力。结合水膜厚度的计算公式和FLUENT的结果,给出了阴雨天气情况下车辆安全行驶的最高车速建议值,高速公路管理部门可在雨天根据此建议值进行限速,从而保证车辆的安全通行。