侧风环境中车辆出隧道过程的气动特性研究

摘要

随着我国公路通车里程的逐年增加以及汽车保有量的迅速增长，我国正快速进入汽车社会。我国各种地势地貌相当复杂，特别是以山区居多，山地和丘陵占居全国总面积的三分之二以上。为保证道路的连续性和合理性，经常采用建设隧道来穿越山岭。近年来，我国公路隧道通车里程和座数逐年增多。我国为多风国家，当车辆由隧道内驶出时，由于车辆是由相对封闭的空间进入开放空间，汽车本身的空气动力学特性会发生很大的变化，加之受到风的影响，汽车的侧倾力会急剧变化，导致失控和侧翻等交通事故。另外，在实际道路行驶时，车辆不可避免的会发生跟随以及并行，此时车身周围气流的会发生变化，从而带来车辆行驶安全问题。
　　本文采用基于动态分层法的动网格技术对侧风环境中车辆驶出隧道过程的气动特性进行研究，分析所涉及的流动现象和力学结果之间的关系并且得出相应的结论。具体如下:
　　首先对单辆货车驶出隧道的过程进行数值计算，将计算结果与前人实验值及稳态数值模拟的结果进行对比，计算结果误差在允许范围内，为后续的数值模拟提供了依据和保证。
　　研究单辆货车驶出隧道过程的气动特性，设置4种不同的行驶速度以及4种不同的风速进行对比分析。发现货车在驶出隧道后其阻力系数变小，且侧风速度越大时，货车驶出隧道后的阻力系数越大，其侧向力系数也越大。货车的气动力系数在隧道出口前后发生了较大的波动，且侧风速度越大，货车周围的流速及压力分布越不均匀，其气动力系数波动越大，行驶安全性越差。
　　研究侧风状态下两辆车相互尾随出隧道时两车的气动特性，将车速设置为30m/s，设置4种不同的侧风速度，引入标准轿车模型并变换轿车和货车的前后位置进行对比分析。发现两车相互尾随时前后两车的阻力系数均有一定程度的减小，且前车车型大时后车阻力系数减小的幅度也大。前车的尾涡对后车有一定的影响，使后车的气动力系数发生波动，且前车车型大后车车型小时前车对后车的影响最为明显，前车车型小后车车型大时，后车受前车影响较小。
　　研究侧风状态下两辆车并行驶出隧道时两车的气动特性，同样固定车速，设置4种不同的侧风速度，并变换迎风侧的车型进行对比分析。发现两货车并行时左右两车的阻力系数的值和变化趋势基本一致，在无侧风时左右两车的侧向力系数绝对值基本相等，但侧向力方向相反，有侧风时左边背风侧货车的侧向力系数绝对值小于右边迎风侧，且左边货车的切向力系数与阻力系数的比值小于1,说明右车对侧风有一定的屏蔽作用。轿车在右边迎风侧货车在左背风侧时，两车的阻力系数变化趋势一致，无侧风时两车的侧向力方向相反，大小基本一致，随着侧风速度的增加左右两车的侧向力系数均有所增加，但左边货车的增加幅度减小，且左边货车切向力系数与阻力系数的比值大于1,说明小轿车对侧风有一定的屏蔽作用，但由于迎风面积较小，所以该作用表现不明显。货车在右边迎风侧轿车在左边背风侧时，由于货车迎风面积较大，对侧风的屏蔽作用大，导致小轿车的侧向力系数绝对值很小且切向力系数与阻力系数的比值小于1,气动力系数波动明显。
　　本文探讨了车辆在侧风下驶出隧道时的气动特性规律，从空气动力学的角度解释了隧道出口多发生交通事故的原因，为有风天气时车辆在隧道的安全行驶提供了理论依据。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容

第2章 基础理论研究

2．1 汽车空气动力学基本理论

2．1．1 汽车需要克服的阻力

2．1．2 气动阻力及力矩

2．2 汽车风洞试验基本理论

2．2．1 汽车风洞试验发展概况

2．2．2 汽车风洞试验基本方法

2．3 计算流体力学基本理论

2．3．1 基本控制方程

2．3．2 湍流问题求解方法及湍流模型

2．3．3 计算软件介绍

第3章 侧风环境中单辆货车出隧道过程的气动特性研究

3．1 计算方法与设置

3．1．1 物理模型

3．1．2 动两格技术

3．1．3 计算域及网格方案

3．1．4 边界条件及其它相关设置

3．1．5 计算工况及数据处理方案

3．2 货车出隧道过程气动特性分析

3．2．1 车速对出隧道过程中车辆的气动特性影响

3．2．2 侧风速度对出隧道过程中车辆的气动特性影响

3．3 货车出隧道过程流场分析

3．3．1 不同车速下货车出隧道过程流场分析

3．3．2 不同侧风速度下货车出隧道过程流场分析

3．4 本章小结

第4章 侧风环境中两车尾随出隧道过程的气动特性研究

4．1 计算方法与设置

4．1．1 物理模型

4．1．2 计算域及网格方案

4．1．3 软件设置及工况介绍

4．2 两车尾随出隧道过程气动特性分析

4．2．1 两货车尾随情况下车辆气动特性分析

4．2．2 货车轿车尾随情况下车辆气动特性分析

4．2．3 轿车货车尾随情况下车辆气动特性分析

4．3 两车尾随出隧道过程流场分析

4．3．1 两货车尾随出隧道过程流场分析

4．3．2 货车轿车尾随出隧道过程流场分析

4．3．3 轿车货车尾随出隧道过程流场分析

4．4 本章小结

第5章 侧风环境中两车并列出隧道过程的气动特性研究

5．1 计算方法与设置

5．2 两车并行出隧道过程气动特性分析

5．2．1 两货车并行情况下车辆气动特性分析

5．2．2 货车轿车并行情况下车辆气动特性分析

5．2．3 轿车货车并行情况下车辆气动特性分析

5．3 两车并行出隧道过程流场分析

5．3．1 两货车并行出隧道过程流场分析

5．3．2 货车轿车并行出隧道过程流场分析

5．3．3 轿车货车并行出隧道过程流场分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的论文