一种基于公路隧道稳态流场分布预测技术获取隧道风速的方法

摘要

一种基于公路隧道稳态流场分布预测技术获取隧道风速的方法，它包括以下步骤：（1）、将公路隧道中的稳态气流流场按照从上至下依次分为三个部分：壁面影响区、车辆影响区和紊流底层；（2）、根据前述三个部分的气流分布公式计算相应高度的隧道风速。本发明能从本质上解释公路隧道内的流场及空气动力学特性，可以根据公路隧道的结构参数及车流的运动参数，预测隧道内部稳态流场分布曲线，可以得到任意高度的隧道风速。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道通风技术领域，尤其是，具体地说是一种基于公路隧道稳态流场分布预测技术获取隧道风速的方法。

背景技术

汽车是一个具有复杂几何边界的物体。汽车在大空间中行驶时，带动汽车周围的空气随之运动，形成一种特定的非定常流场。假设隧道内气流静止，从运动的汽车上观察空气的流动，该流动可以看成是空气以汽车的速度绕静止的汽车外部流动，本文将其称为“汽车外部绕流”。在空气沿汽车长度方向绕过汽车外部的流动过程中，由于空气黏性的作用，紧贴在汽车表面的空气保持静止。在汽车外壁形成速度边界层，速度边界层内的空气沿汽车长度方向逐渐增加。与其他的空气绕流风场不同，汽车底盘和路面之间有着一定的距离，由于这个距离的存在，在同一断面上靠近地面的下部分边界层比汽车上部的边界层要厚。在汽车尾部，空气形成强烈的紊流尾流，且由于车尾处压力较低，尾流中会出现回流，并形成一对很强的、方向相反的内卷的尾涡。随着离开车尾距离的增加，尾流的强度迅速减弱。由于车头并非完全的流线型，在车头部附近会出现不同程度的边界层分离，然后向下游再附着产生分离泡，分离泡中包含小涡。这些小涡的轴线基本上与未受扰动空气流速方向垂直。这种分离具有二维特性。此外，由于地面的摩擦作用，汽车下部的空气流速比上部低，压力比上部高，于是在汽车的两侧会形成一对上卷的侧向涡流，并拖向汽车的后部和尾流中，这是一种具有强三维特性的分离现象。伴随着空气的绕流，汽车头部前端空气流速降低，其动压减少，静压增大。 在汽车弯曲的表面处，空气流速增大，甚至大于未受扰动的空气流速(即相对与汽车速度的风速)，因此等压增大，静压减少。当其静压减少到低于未受扰动空气的压力时，汽车头部发生压力扰动，汽车外部的边界层和尾流会对汽车附近的物体产生瞬间的气动荷载。在高速行驶的道路旁边，你会感觉到空气的压力和流速的扰动，这正是来源于汽车头部、边界层和尾流中的空气涡旋。

连续车流在通过隧道时，所引发的隧道内部空气流动是三维可压缩的非定常紊流流动。公路隧道中的气流分布规律是研究公路隧道通风、车辆尾气分布及火灾时烟气扩散分布的基础。Roberto Bellasio(1997)对公路隧道中的流场分布进行了三维的数值模拟，认为隧道中气流紊动是由车辆运动与大气平流两者组成，他将前者折合成大气平流项代入扩散微分方程，采用有限差分与有限元两种方法进行计算与比对，结果显示具有较好的相似性。但在微分方程的求解中，将边界条件进行了人为设定。Jaroslav Katolicky(2005)采用欧拉－拉格朗日模型利用计算流体动力学软件StarCD模拟了公路隧道内的汽车运动及它们对隧道通风的影响。纵观以往的研究，公路隧道中流场分布研究都依赖于数值模拟技术，虽然解决了特定形式及条件下的隧道流场，却不能从本质上解释公路隧道内的流场及空气动力学特性。且迄今为止，也没有提出完善的公路隧道内流场分布的紊流理论及相关流场分布的解析公式。

发明内容

本发明的目的是针对公路隧道中流场分布预测技术中存在上述问题，提出一种基于公路隧道稳态流场分布预测技术获取隧道风速的方法。

本发明的技术方案是：

一种基于公路隧道稳态流场分布预测技术获取隧道风速的方法，它包括以下步骤：

(1)、将公路隧道中的稳态气流流场按照从上至下依次分为三个部分：壁面 影响区、车辆影响区和紊流底层；

(2)、根据前述三个部分的气流分布公式计算相应高度的隧道风速。

本发明的步骤(2)具体为：

(2-1)、当所测高度y处于壁面影响区中时，即h_v-y-H，采用壁面影响区的气流分布公式计算该高度的隧道风速u₁(y)：

$u_1\left(y\right)=\frac{1}{\kappa }\sqrt{\frac{\tau }{\rho }}[\ln \left(\frac{H-y}{v}\sqrt{\frac{\tau }{\rho }}\right)+2.04],h_v\le y\le H$

(2-2)、当所测高度y处于车辆影响区中时，即h-y-h_v，采用车辆影响区的气流分布公式计算该高度的隧道风速u₂(y)：

$u_2\left(y\right)=[v_0-\frac{1}{\kappa }\sqrt{\frac{\tau }{\rho }}(\ln \frac{y-h}{ϵ}+8.5)],h\le y\le h_v$

(2-3)、当所测高度y处于紊流底层中时，即0-y-h，采用紊流底层中的气流分布公式计算该高度的隧道风速u₃(y)：

u₃(y)＝v₀>

式中，H为隧道高度；κ为卡门普适常数，κ＝0.4；τ为空气剪切应力；ρ为隧道中的空气密度；ν为空气运动粘性系数，ν＝1.6×10^-5m²/s；v₀为车辆的行驶速度；ε为车辆表面粗糙度；h为隧道中车流的平均粗糙高度；h_v为壁面影响区与车辆影响区的界面高度:h_v＝(H+h)/2。

本发明中，ε为车辆表面粗糙度，ε为0.5×10^-6m-1.5×10^-6m，优选ε＝1×10^-6m。

本发明中，h为隧道中车流的平均粗糙高度，h为0.35m-0.75m，优选h＝0.54m。

本发明中，空气切应力τ的表达式为：

本发明的有益效果：

本发明能从本质上解释公路隧道内的流场及空气动力学特性，可以根据 公路隧道的结构参数及车流的运动参数，预测隧道内部稳态流场分布曲线，可以得到任意高度的隧道风速，进而可以得到隧道各个分区的平均风速和隧道的总体平均风速。

附图说明

图1是本发明的隧道结构示意图。

其中：1.公路隧道顶部；2.公路隧道地面；3.隧道内的车辆；4.壁面影响区；5.车辆影响区；6.紊流底层；7.流速分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

运动的汽车将前方与周围的空气排开，使得空气受到扰动；汽车的速度越高，汽车周围空气受到的扰动程度就越强烈。在车辆头部，空气被压缩形成局部高压，这个压力以膨胀波的形式向行车方向传播，在没有外部风场及内部热压作用的前提下，隧道内的空气流场的动力就来自于这个非定常的汽车行进所产生的压力波。由于公路隧道中车辆的复杂和隧道空间的有限，这种在公路隧道中的压力波与大空间的压力波有着明显的区别。它产生之后以一个个脉冲的形式作用在周围的空气上，遇到隧道内壁面后进行反弹，从而构成了公路隧道中复杂多变的流场环境。

连续车流通过隧道而引起的隧道内空气流动是三维可压缩非定常的紊流流动。但是一般的公路隧道具备以下两点因素：

1.隧道长度远大于隧道的水力直径；而且在单向隧道中，当连续不断的车流经过隧道时，沿隧道方向，各处流场具有一致性。

2.在一般的行车速度下，由于汽车底盘的粗糙高度较大及前车的尾流影响，底盘与地面之间的气流紊流强烈，路面边界层较薄。

基于以上的两点因素考虑，将隧道中的气流流场分为三个部分，从上到 下分别为：壁面影响区、车辆影响区和紊流底层。

上部流场主要受隧道顶部壁面影响，称之为壁面影响区。除此之外的隧道流场，可以看成在有限空间内由粗糙垫面平移而产生的拖拽流动，即由粗糙平板平移而引起的Couette流动。引入粗糙Couette流动零点理论，将其余的流场分为两部分，中部流场主要受汽车行驶影响，称之为车辆影响区，底部流场位于理论零点之下，称之为紊流推进区。

壁面影响区中的气流分布公式为$u_1\left(y\right)=\frac{1}{\kappa }\sqrt{\frac{\tau }{\rho }}[\ln \left(\frac{H-y}{v}\sqrt{\frac{\tau }{\rho }}\right)+2.04],h_v\le y\le H$

车辆影响区中的气流分布公式为$u_2\left(y\right)=[v_0-\frac{1}{\kappa }\sqrt{\frac{\tau }{\rho }}(\ln \frac{y-h}{ϵ}+8.5)],h\le y\le h_v$

紊流底层中的气流分布公式为u₃(y)＝v₀0-y-h；

式中，H为隧道高度；κ为卡门普适常数，κ＝0.4；τ为空气剪切应力；ρ为隧道中的空气密度；ν为空气运动粘性系数，ν＝1.6×10^-5m²/s。v₀为车辆的行驶速度；ε为车辆表面粗糙度，取为ε＝1×10^-6m；h为隧道中车流的平均粗糙高度，取h＝0.54m；壁面影响区与车辆影响区的界面高度为:h_v＝(H+h)/2。

其中，空气切应力的近似表达式为：

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。