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
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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宄公路隧道通风、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) 采用欧拉一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。纵观以往的研宄，公路隧道中流场分布研宄都依赖于数值模拟 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】
[0004] 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。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 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：
[0007] (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；
[0008] (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。
[0009] 本发明的步骤（2)具体为：
[0010] (2-1)、当所测高度y处于壁面影响区中时，即hv-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ujy):
[0011]
【主权项】
1. 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，其特征是：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。
2. 根据权利要求1所述的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， 其特征是步骤（2)具体为： (2-1)、当所测高度y处于壁面影响区中时，即hv<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ujy):
(2-2)、当所测高度y处于车辆影响区中时，即h<y<hv，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):
(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) =v〇 0 ^y^h 式中，H为隧道高度；k为卡门普适常数，k= 〇. 4 ;t为空气剪切应力；p为隧道中 的空气密度；v为空气运动粘性系数，v= 1. 6Xl(T5m2/s ;V(I为车辆的行驶速度；e为车 辆表面粗糙度；h为隧道中车流的平均粗糙高度；匕为壁面影响区与车辆影响区的界面高 度：hv= (H+h)/2〇
3. 根据权利要求2所述的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， 其特征是：e为车辆表面粗糙度，G为〇. 5Xl(T6m-l. 5Xl(T6m。
4. 根据权利要求3所述的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， 其特征是：G为车辆表面粗糙度，G= 1Xl(T6m。
5. 根据权利要求2所述的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， 其特征是：h为隧道中车流的平均粗糙高度，h为0. 35m-0. 75m。
6. 根据权利要求5所述的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， 其特征是：h为隧道中车流的平均粗糙高度，h= 0. 54m。
7. 根据权利要求2所述的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， 其特征是：空气切应力t的表达式为：T=a984+2.07v"-hll)xlCT4。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104573381
【申请号】CN201510033915
【发明人】金斯科, 龚延风, 张广丽
【申请人】南京工业大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月22日