本發(fā)明涉及道路交通與環(huán)境領(lǐng)域，更具體地，涉及一種考慮動態(tài)交通流影響的城市高架橋附近流場數(shù)值模擬方法。
背景技術(shù)：
：我國城市機動車尾氣污染問題日益突出，嚴重影響城市空氣質(zhì)量。隨著對工業(yè)源和生活源污染控制工作的有效開展，機動車將成為城市完成空氣質(zhì)量考核及改善人居環(huán)境的重要治理對象。上述空氣污染通常在城市一般區(qū)域，即離道路較遠的位置所監(jiān)測，但城市道路兩側(cè)區(qū)域(如交叉口、街道型峽谷、高架橋)的空氣污染往往更為嚴重，而往往這些區(qū)域又是人流密集區(qū)域，因此，城市道路附近的空氣質(zhì)量對城市居民健康影響尤為重要。機動車尾氣污染物在的擴散和分布主要受道路擴散條件的影響，也即空氣流場影響。在過去十幾年里，城市土地資源日益緊張，高架橋成為解決我國日益嚴重的城市交通擁堵問題的重要手段。與一般道路和峽谷型道路相比，因高架橋獨特的物理結(jié)構(gòu)、以及抬升高度的交通源影響，高架橋這樣的道路形態(tài)帶來的流場和污染分布更為復雜。通過數(shù)值模擬手段，獲取高架橋附近流場情況，對于分析和預測道路附近的污染分布具有重要意義。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種考慮動態(tài)交通流影響的城市高架橋附近流場數(shù)值模擬方法，該方法可以為城市污染熱點區(qū)域的空氣污染評估提供依據(jù)，并為城市交通規(guī)劃和空氣環(huán)境改善提供有效參考。為了達到上述技術(shù)效果，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種考慮動態(tài)交通流影響的城市高架橋附近流場數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：S1：構(gòu)建高架橋和其周邊環(huán)境的簡化物理模型；S2：參數(shù)化交通流動態(tài)特性對流場的影響；S3：劃分交通流運動對流場產(chǎn)生作用的范圍；S4：將交通流引起的湍流動能加載到數(shù)值模擬的控制方程中；S5：應(yīng)用計算流體力學方法，求解控制方程，進行數(shù)值模擬。進一步地，所述步驟S1中構(gòu)建高架橋的簡化物理模型的過程是：獲取高架橋的幾何結(jié)構(gòu)特征和關(guān)鍵參數(shù)，將高架橋的物理模型簡化為橋面和橋墩兩部分結(jié)構(gòu)，將高架橋橋面物理模型構(gòu)建為長方體模型，關(guān)鍵參數(shù)包括橋面寬度和厚度，橋面寬度為道路橫斷面總體寬度，厚度即為從橋墩與橋面連接處至高架橋面車行道面的高度，其中若高架橋路面兩側(cè)有聲屏障設(shè)施，也應(yīng)將其考慮到物理建模中。進一步地，所述步驟S1中構(gòu)建高架橋周邊環(huán)境的簡化物理模型的過程是：獲取高架橋周邊環(huán)境影響流場的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，即地面街道寬度、車道數(shù)和車道寬度、兩側(cè)建筑物布局、建筑物高度及與高架橋距離，其中，道路中央綠化帶及路邊綠化、其他道路輔助設(shè)施均可忽略。進一步地，所述步驟S2的具體過程如下：S21：獲取交通流量、車流速度、車隊組成結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；S22：利用S21中獲取的交通流相關(guān)數(shù)據(jù)，計算交通密度為：其中，Q為交通流量，v為車隊平均速度；S23：計算車隊平均阻力系數(shù)為：其中，i為車輛種類標簽，wi為車隊中i類車輛的占比，Ci為i類車輛的阻力系數(shù)；S24：計算車隊平均迎風面積為：其中，i為車輛種類標簽，wi為車隊中i類車輛的占比，Ai為i類車輛的阻力系數(shù)；S25：用流體力學中的湍流動能物理量來表征交通流運動對空氣流場的影響，計算式如下：VIT為道路車輛運動引起的湍流動能，單位為m2/s2，δ是空氣密度，單位為g/m3，Cd是車隊平均阻力系數(shù)，AT是車隊平均迎風面積，單位為m2，B和H分別為是特征寬度和特征高度，表征車輛引起的湍動能的影響范圍，與車輛大小有關(guān)，B值一般取車道邊緣線外3～4m，H值一般取4～5m。進一步地，所述步驟S3的具體過程是：根據(jù)步驟S25中的特征寬度B和特征高度H，在數(shù)值模擬計算域中劃分出交通流運動對流場產(chǎn)生作用的范圍，在該范圍內(nèi)數(shù)值模擬計算方程包含一個額外的湍流動能項表征交通流運動的影響，在該范圍以外交通流運動引起的湍流動能已耗散至較小值，不考慮其影響。進一步地，所述步驟S4的具體過程是：S41：將S25中計算得到的湍流動能加載到S3中劃分出的影響范圍，其具體實現(xiàn)方式是：將交通流運動引起的湍流動能作為數(shù)值計算的湍流動能傳輸方程等號右邊的SK1源項，方程如下，并且只在S3中劃分出來的影響區(qū)域中加載：其中，ρ為空氣密度，k為湍流動能，ε為湍流動能耗散率，uj表示流體j方向的速度，μ為層流粘度，μt為湍流粘度，Gk為由速度梯度產(chǎn)生的湍流動能，Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動能，YM代表在可壓縮流動中湍流脈動膨脹對整體湍流動能耗散率ε的貢獻，SK代表其他湍動能源項，用于交通流運動引起的湍流動能源項；該模擬場景中的道路交通流包含地面交通流和高架橋交通流，兩部分交通流運動引起的湍流動能計算方法以及在數(shù)值模擬中的實現(xiàn)方法一致。進一步地，所述步驟S5的具體過程是：采用標準k-ε模型方程求解流體運動和控制方程如下：連續(xù)性方程：動量方程：湍流動能傳輸方程：湍流動能耗散率傳輸方程：其中，ui和uj分別為流體i和j方向的平均速度，為雷諾平均應(yīng)力，σk和σε分別為湍流動能k和湍流動能耗散率ε的普朗特數(shù)，SK和Sε代表其他湍動能源項，在交通流影響區(qū)域內(nèi)SK值為交通流引起的湍流動能計算值，在計算域內(nèi)的其他區(qū)域SK值為零代表無交通流引起的湍流動能影響，式中的涉及的常數(shù)有C1＝0.43，C1ε＝1.44，C2＝1.9，C3ε＝1.44，Cμ＝0.09，σk＝1.0，σε＝2.2；控制以上方程計算的殘差標準，連續(xù)性、速度、k和ε殘差標準為1e-6，當計算達到收斂標準時停止計算，完成高架橋附近流場的數(shù)值模擬。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：本發(fā)明提出一種考慮交通流的動態(tài)特性影響的城市高架橋附近流場數(shù)值模擬方法，該方法主要針對高架橋道路場景進行簡化的物理模型構(gòu)建，將交通流的動態(tài)特性進行物理參數(shù)化的表征，采用計算流體力學方法，對實際道路場景中流場進行數(shù)值模擬；首先將實際交通場景進行簡化的模型構(gòu)建；其次利用湍流脈動物理量參數(shù)化地表征交通流的動態(tài)特性；然后將交通流引起的湍流脈動量加載到計算流體力學的求解方程對流場進行模擬；最后以流場矢量圖和速度分布云圖展示道路場景中的流場情況和擴散條件，可以為城市污染熱點區(qū)域的空氣污染評估提供依據(jù)，并為城市交通規(guī)劃和空氣環(huán)境改善提供有效參考。附圖說明圖1為本發(fā)明的總體流程圖；圖2為含有高架橋的街道峽谷場景物理模型圖；圖3為交通數(shù)據(jù)采集和處理流程圖；圖4為氣象數(shù)據(jù)采集和處理流程圖；圖5計算域網(wǎng)格劃分示意圖；圖6道路交通車流運動引起的湍流動能影響范圍劃分示意圖；圖7為數(shù)值模擬計算過程流程圖；圖8為數(shù)值模擬結(jié)果分析圖；圖9為本發(fā)明的實施算例三維流場流線圖；圖10為本發(fā)明的實施算例街道橫切面速度分布圖；圖11為本發(fā)明的實施算例街道橫切面湍動能分布圖。具體實施方式附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產(chǎn)品的尺寸；對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的說明。實施例1一種考慮交通流影響的城市高架橋附近流場數(shù)值模擬方法，主要包括以下步驟：(1)采集街道場景相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建簡化的物理模型，其具體是：(11)采用現(xiàn)場調(diào)研測量等方法，獲取相關(guān)幾何參數(shù)，其具體是如圖2所示，包括道路兩側(cè)建筑的高度和建筑間隙寬度、街道長度和寬度、車道數(shù)和寬度、高架橋的高度、寬度和橋墩形狀等關(guān)鍵的幾何參數(shù)(如表1)，用以描述簡化的街道峽谷物理模型。表1街道場景參數(shù)(12)可通過ProE、SolidWorks等三維建模軟件進行建模，如圖3所示；(2)采集氣象數(shù)據(jù)，獲取數(shù)值模擬的氣象邊界條件，其具體是如圖4所示：(21)獲取風向、風速、溫度、濕度、壓強數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于氣象站(如表2)；表2氣象數(shù)據(jù)(2015年12月27日，廣州)風向風速溫度相對濕度氣壓北風2.3m/s16℃78101310Pa(22)將風向和風速數(shù)據(jù)用于數(shù)值模擬入口邊界條件定義，通過獲取的參考高度的風速，將入口風速以風廓線形式定義，即：Uref是高度為zref處的風速大小，作為參考風速，風速在垂直高度上以指數(shù)型風廓線分布，其中α是風速高度指數(shù)，與大氣穩(wěn)定度和地形條件有關(guān)，這里取0.22。同時通過以下形式定義入口邊界處的湍動能和湍動能耗散率：k(z)＝(U(z)×I)2(23)將溫度、濕度、壓強數(shù)據(jù)用于數(shù)值模擬計算域全局定義；(3)采集交通數(shù)據(jù)，計算交通流運動引起的湍動能強度，其具體是：(31)獲取所有車道(包括高架橋上的車道和地面車道)的交通流量、車隊平均速度、車輛類型構(gòu)成比例數(shù)據(jù)(如表3)：表3交通數(shù)據(jù)并計算交通密度：計算車隊平均阻力系數(shù)：計算車隊平均迎風面積：(32)計算高架橋上交通流運動引起的湍動能和地面交通引起的湍動能：δ是空氣密度，單位為g/m3，Cd是車隊平均阻力系數(shù)，AT是車隊平均迎風面積，單位為m2，B和H分別為是特征寬度和特征高度，表征車輛引起的湍動能的影響范圍，與車輛大小有關(guān)，B值一般取車道邊緣線外3～4m，H值一般取4～5m。(4)利用計算流體力學方法進行數(shù)值模擬，其具體流程如圖5所示：(41)確定模擬計算域，對計算域進行網(wǎng)格劃分，其具體是：計算域的側(cè)向?qū)挾葢?yīng)至少為最高建筑物的高度的8倍，計算域的高度應(yīng)至少為最高建筑物的高度的6倍。計算域網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格單元劃分，網(wǎng)格大小從建筑物和高架橋壁面向遠處以一定比例增長，網(wǎng)格大小最小取邊長0.25m～0.8m，增長比例取1.1～1.2，可控制網(wǎng)格質(zhì)量的同時又不過分增加計算量。網(wǎng)格劃分效果如圖6所示。(42)定義計算域的邊界條件，具體包括：(421)用C語言編寫自定義的入口邊界，包括步驟(22)中所述的風速風廓線、湍動能k和湍動能耗散率ε的自定義程序，在Fluent中讀入，實現(xiàn)計算入口邊界條件的定義。(422)定義其他邊界條件，高架橋和建筑面定義為無滑移的壁面條件，計算域頂部定義為對稱邊界，入口為速度入口邊界，出口為壓力出口邊界。(43)定義交通流運動引起的湍動能；(431)依據(jù)步驟(321)中的B和H，在計算域中劃分出地面交通流產(chǎn)生的湍動能的影響空間范圍，如圖7，將步驟(321)中計算得到的湍動能VIT定義于劃分出來沿著道路的B*H區(qū)域，即將VIT作為湍動能傳輸方程等號右邊的SK1源項：(432)依據(jù)步驟(321)中的B和H，在計算域中劃分出高架橋上的交通流產(chǎn)生的湍動能的影響空間范圍，將步驟(321)中計算得到的湍動能VIT定義于劃分出來沿著道路的B*H區(qū)域，即將VIT作為湍動能傳輸方程等號右邊的SK2源項：(44)應(yīng)用計算流體力學方法，求解控制方程，進行數(shù)值模擬：(441)采用標準k-ε模型方程求解流體運動和控制方程如下：連續(xù)性方程：動量方程：湍流動能傳輸方程：湍流動能耗散率傳輸方程：其中，ui和uj分別為流體i和j方向的平均速度，為雷諾平均應(yīng)力，σk和σε分別為湍流動能k和湍流動能耗散率ε的普朗特數(shù)，SK和Sε代表其他湍動能源項，在交通流影響區(qū)域內(nèi)SK值為交通流引起的湍流動能計算值，在計算域內(nèi)的其他區(qū)域SK值為零代表無交通流引起的湍流動能影響，式中的涉及的常數(shù)有C1＝0.43，C1ε＝1.44，C2＝1.9，C3ε＝1.44，Cμ＝0.09，σk＝1.0，σε＝2.2；(442)設(shè)置湍流模型為標準k-ε模型，求解連續(xù)性方程、動量方程、湍動能方程和湍動能耗散率方程，以上方程差分方式采用二階迎風格式，壓力和速度的耦合算法采用SIMPLE算法。設(shè)置連續(xù)性、速度、湍動能、湍動能耗散率的殘差標準為1e-6，達到收斂標準后停止計算，獲取流場模擬結(jié)果。(5)流場模擬結(jié)果分析和展示。(51)使用后處理軟件tecplot，作流場流線圖，如圖8所示。(52)作速度分布云圖，如圖9所示。(53)作湍動能分布圖，如圖10所示。(54)通過圖11可直觀了解和分析得到模擬場景中的流場情況。相同或相似的標號對應(yīng)相同或相似的部件；附圖中描述位置關(guān)系的用于僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3