基于fluen的透风型挡风墙三维数值模拟研究

基于fluen的透风型挡风墙三维数值模拟研究

随着中国经济的快速发展，交通结构也保持了较快的发展速度。自2009年底以来，中国高速公路的总距离已达6500公里。强横风对中国高速公路不同类型汽车安全、高效行车影响很大。在中国新疆,大风引起的交通事故尤为突出。据不完全统计,历年大风吹翻车辆达13次之多,造成重大经济损失。其他国家,如美国、冰岛和英国等也多次出现大风引起的交通事故。各国都对高速公路采取了一定的防风措施。挡风墙作为一种防风措施,已经得到了广泛研究和工程应用,如挡风墙高度、挡风墙流场等,尤其是对铁路防风效益做了较为详细的研究。通常的挡风墙密不透风,其总体上对气流有减速效应,对下风侧汽车具有防护效果;但同时,在挡风墙背风侧形成了强烈涡流低速区,在顶部出现了强烈气流加速区,加剧了下风侧汽车受力不均衡性,反而容易引起倾覆事故。尽管对于密实型挡风墙已经开展了较多的研究,但由于它具有正反两方面的作用使得其应用受到了很大限制。具有透风性能的挡风墙,由于具有导风作用,减小了挡风墙作为尖缘钝体带来的加速效应,可能比密实型挡风墙具有更好的防风效果。数值模拟是研究汽车等交通工具在运行时气动特性、稳定性及能耗等一种有效手段。笔者采用数值模拟方法研究透风型挡风墙在不同位置对汽车的防风特性。利用FLUENT软件,采用CFD方法开展多种风速下透风型挡风墙在不同位置时小轿车的气动特性数值模拟研究。1模型和计算域1.1几何数字模型采用小轿车为计算模型。参考《公路工程技术标准》(JTGB01-2003)规定,忽略汽车一些过小的部件,如汽车的雨刮器、后视镜等,应用GAMBIT软件建立小轿车简化后的1∶1几何数字模型,其外廓尺寸如图1。1.2模型面为侧视面模拟中使用的透风型挡风墙由块砖构成。砖尺寸如图2所示,其中图2A为俯视图,2B为等轴测视图,2C为迎风面(或背风面)图,2D为侧视图。模拟用挡风墙(截取4m×4m示意)如图3所示,其中图3A为俯视图,3B为等轴侧视图,3C为迎风面(或背风面)图,3D为侧视图。风从直径为0.32m的圆孔进入,从上下矩形出口(长宽分别为0.38m和0.08m)及背风面圆孔(直径为0.32m)流出。所以,透风系数主要由迎风面圆孔大小决定,约为0.32。1.3挡风墙下桩计算域高度考虑到透风型挡风墙贯穿整个计算域,需要划分的网格数很大,将占用很多计算资源。为了减少网格数量同时保证计算精度,在小轿车轴线方向的计算域尺寸设得相对小,在侧风方向上设置足够的计算域尺寸以使流场充分发展(图4)。左侧面速度入口距车中心为13倍车宽;右侧面压力出口距车中心20倍车宽;前面速度入口距车体中心为2倍车长;后面压力出口距离车体中心为4倍车长;计算域高度为5倍车高。路基参考中国新疆百里风区路段的路基,尺寸如图5所示。路肩距离地面高度为1.34m,道路宽度为13.75m。设定挡风墙高度为4m,其底部距离地面高度为0.5m,位于迎风侧且距路肩外侧为Xm,X取4个值(表1)。小轿车位于道路中心。利用ICEM-CFD商业软件,采用八叉树算法(Octreemethod)对计算域进行四面体网格划分,得到非结构化网格。总网格数约820万,总节点数约140万,对车和墙处进行加密,最小网格体积约为0.0218m3。车、墙附近网格截面如图6所示,其中图6A是经过小轿车中截面的整个计算域网格截面图,图6B是挡风墙附近网格截面图,图6C是挡风墙网格截面的局部放大,图6D是小轿车附近网格截面图。2计算方法2.1计算模型及计算方法汽车周围流场可近似为三维不可压缩黏性等温流体。因此,直接求解三维定常、不可压雷诺时均Navier-Stokes方程与RNGk-ε模型。在对侧风作用在交通工具的数值模拟研究中,有几种方法被用来模拟湍流,经典的湍流模型比如k-ε模型,涡分离模型(DES),大涡模拟模型(LES),甚至格子波尔兹曼模型。虽然LES模型能更精确地模拟涡结构和涡分离等,但它要求的CPU时间却比RANS高4～5倍。而且使用LES时,对网格质量和数量要求非常高,尤其在近壁面区域需要相当多的节点,需要的计算机内存相当高。考虑到本研究模型的复杂性及计算资源的限制,我们选择了基于雷诺平均的RNGk-ε模型进行模拟。RNGk-ε模型能够更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动,模型模拟得到的结果也能很好地与实验相符。k和ε的输运方程为:∂∂t(ρk)+∂∂xi(ρkui)=∂∂xi(αkμeff∂k∂xj)+Gk+Gb-ρε-YΜ+Sk∂∂t(ρε)+∂∂xi(ρεui)=∂∂xj(αεμeff∂ε∂xj)+C1εεk(Gk+G3εGb)-C2ερε2k-Rε+Sε∂∂t(ρk)+∂∂xi(ρkui)=∂∂xi(αkμeff∂k∂xj)+Gk+Gb−ρε−YM+Sk∂∂t(ρε)+∂∂xi(ρεui)=∂∂xj(αεμeff∂ε∂xj)+C1εεk(Gk+G3εGb)−C2ερε2k−Rε+Sε式中:Gk为层流速度梯度产生的湍流动能;Gb为浮力产生的湍流动能;YM为可压湍流中脉动扩张对总耗散率的贡献;C1ε,C2ε,C3ε为常量;αε和αk为湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数;Sk和Sε为用户定义的源项。对于不可压流体,YM=0,Gb=0。由于RNGk-ε模型是针对充分发展的湍流(高Re数)才有效,实验中Re=ρud/μ≈(2～9)×106满足这一条件。对于近壁区内的流动,Re较低,湍流发展不充分,湍流脉动影响不如分子黏性的影响大,不能使用RNGk-ε模型来计算。所以对近壁区的流动采用标准壁面函数来求解。2.2横摆角的影响2.3不同节点数的重力方面的特性小轿车在侧风作用下运行时受到阻力FD、侧向力FS及升力FL的作用。利用侧向力及升力,可以得到倾覆力矩M(图9),其计算公式如下:Μ=FSδy+FLδzM=FSδy+FLδz式中:δy和δz分别为侧向力和升力对过O点转轴的力臂。O点为背风向轮胎与地面的接触点。3结果和分析3.1不同横摆角的分层线性分析为了研究透风型挡风墙在不同位置下,不同侧风风速下轿车的气动侧向力系数、升力系数及倾覆力矩系数等随横摆角的变化关系,将挡风墙设置在4个不同位置(见表1),且为了进行对比,增加了无挡风墙路况下的计算。结合模型几何特性及流体特性,将小轿车受到的侧向力、升力无量纲化,分别得到侧向力系数CS及升力系数CL,计算公式如下:CS=FS12ρV2AS(2)CL=FL12ρV2AL(3)CS=FS12ρV2AS(2)CL=FL12ρV2AL(3)将倾覆力矩M无量纲化得到倾覆力矩系数CM:CΜ=Μ12ρV2AShv(4)CM=M12ρV2AShv(4)式中:hv为车高,2m。将计算得到的侧向力系数、升力系数及倾覆力矩系数随横摆角变化的结果作于图11。1)从侧向力系数图(图11A)可以看出,对任一横摆角,无挡风墙时汽车的侧向力系数均大于有挡风墙时的汽车的侧向力系数。无挡风墙时汽车的侧向力系数随横摆角增加而明显增大。有挡风墙时,当横摆角小于42.0°时,汽车的侧向力系数随挡风墙的位置增大而增大,横摆角大于42.0°时,汽车的侧向力系数随挡风墙的位置变化没有明显的规律。此外,对每一种挡风墙的位置,侧向力系数随横摆角变化而波动的幅度不大,均在0.1以内。总的来说,挡风墙的存在使得汽车的侧向力系数大幅减小。2)从升力系数图(图11B)可以看出,对任一横摆角,无挡风墙时汽车的升力系数均为正值且随横摆角的增加而增大。说明无挡风墙时,随着横摆角的增大,升力对倾覆力矩的贡献越大。设置挡风墙后,横摆角为31.0°时,对挡风墙在位置Ⅰ～Ⅳ,升力系数的值均为正,但值都很小(位置Ⅰ对应的升力系数最小,仅为0.01,位置Ⅳ对应的升力系数最大,但也只有0.05,而无挡风墙时的升力系数为0.11)。说明当横摆角为31.0°时,挡风墙在位置Ⅰ～Ⅳ时的升力均对倾覆力矩有贡献[见公式(1)],但贡献不大,远小于无挡风墙时升力对倾覆力矩的贡献。随着横摆角的增大,对挡风墙在位置Ⅰ～Ⅳ,升力系数逐渐趋于0,且转为负值。这说明随着横摆角的增大,挡风墙在位置Ⅰ～Ⅳ时的升力均对倾覆力矩的贡献逐渐趋于0,继而起到减小倾覆力矩的作用。在此期间,挡风墙在位置不同对应的升力系数的变化规律也稍有区别。对于位置Ⅰ,升力系数随着横摆角的增大负值增大,在横摆角为36.9°时负值达到最大,随着横摆角的增大其负值减小,甚至在横摆角约为43.0°时趋于0,继而变为正值;对于位置Ⅱ和位置Ⅲ,升力系数随着横摆角的增大负值增大,均在横摆角为36.9°时负值达到最大,随着横摆角的增大其负值减小;而对位置Ⅳ,升力系数随着横摆角的增大负值不断增大。因此,可以推论,设置透风型挡风墙后,以横摆角为变量,升力系数有一个负极大值;且负极大值对应的横摆角大小与挡风墙位置有关,离路肩位置越远,负极大值对应的横摆角越大。当然,这需要研究更大范围的横摆角来验证。3)从倾覆力矩系数图(图11C)可以看出,无挡风墙时汽车的倾覆力矩系数均远大于有挡风墙时的汽车的侧向力系数。无挡风墙时汽车的倾覆力矩系数随横摆角增加而明显增大,这也可以从侧向力系数及升力系数随横摆角的变化曲线(图11A、B)推断出来,无挡风墙时,随着横摆角的增大,侧向力系数及升力系数均为正值且不断增大,由公式(1)可知,其倾覆力矩系数自然是随着横摆角增加而显著增大。挡风墙的存在使得汽车的倾覆力矩系数大幅减小。因为设置透风型挡风墙后,侧向力比无挡风墙时显著减小,且升力随着横摆角的变化由刚开始的小的正值继而变为负值,因而由公式(1)得出挡风墙的存在使得汽车的倾覆力矩系数大幅度下降。4)当横摆角为31.0°和36.9°时,挡风墙在位置Ⅰ时具有最小的倾覆力矩系数;在横摆角为42.0°和46.2°时,挡风墙在位置Ⅱ时具有最小的倾覆力矩系数。当横摆角为31.0°和36.9°时,挡风墙在位置Ⅰ时的侧向力和升力系数均为最小,因此,此时的倾覆力矩系数最小(图11A和图11B)。当横摆角为42.0°时,尽管挡风墙在位置Ⅰ时的侧向力是最小的,小于挡风墙在位置Ⅱ时的侧向力,但升力系数的值在位置Ⅱ比位置Ⅰ更负,或者说,与位置Ⅰ相比,位置Ⅱ挡风墙的升力对倾覆力矩系数的减小作用大于侧向力对倾覆系数的增大作用,总体效果是挡风墙位于位置Ⅱ时的倾覆力矩最小。横摆角为46.2°时的结果类似。总之,修筑透风型挡风墙能够有效地减弱侧风对小轿车的作用力,减小气动倾覆力矩,使其安全运行稳定性提高。横摆角为31.0°和36.9°时,挡风墙在位置Ⅰ时具有最小的倾覆力矩系数;在横摆角为42.0°和46.2°时,挡风墙在位置Ⅱ时具有最小的倾覆力矩系数。3.2尾评价结果分析由于透风型挡风墙的阻滞作用,来流在挡风墙后有大的尾涡区(图12A、C、E、G)。“挡风墙是一种具有尖缘的钝体,气流受到挤压越过挡风墙时,在尖角处产生分离形成一个很薄的强剪切层。剪切层两侧的压差使绕流线向下弯曲,接近底部时流体又返回分离区内,补偿了由于卷吸而带出去的那部分流体,在挡风墙背风侧形成了一个强大的尾涡区”,因此,挡风墙后风速显著降低(图13C、G、K、O),小轿车迎风面附近风速(图13A、E、I、M)比无挡风墙时小轿车迎风面附近的风速(13Q)显著降低,而背风面附近回流速度减小。由伯努利定理可知,速度分布的改变将对应着车辆的风压分布的改变(图13B、F、J、N、R)。对风压分布进行面积分就可以得到风载荷,因此,挡风墙的防风性能主要是由于尾涡区能改变车辆的风压分布进而有效地减小风载荷。在强侧风作用下,汽车迎风侧上缘拐角及头部上方部分的气流转向处流动速度最大(图13A、E、I、M、Q),对应表面压力很小,基本为负压(图13B、F、J、N、R)。如果上表面流动速度较高,压力较小,而车底气流速度较低,压力较大,上下表面就会形成压力差,即形成正升力(向上的升力);反之,形成负升力。当横摆角为31.0°,对于透风型挡风墙位于位置Ⅰ～Ⅳ及没有挡风墙时,小轿车上表面的压力均小于下表面的压力(图13B、F、J、N、R),因此,升力方向向上。汽车背风侧区域大尺度涡的存在(图12B、D、F、H、J)造成了汽车迎风侧和背风侧的受力不均衡(图13B、F、J、N、R),从而产生侧向力。气动升力和侧向力的存在导致了倾覆力矩的产生。设置了透风型挡风墙之后,位于尾涡区内的车辆迎风面的压力值0～50Pa(图13B、F、J、N)明显小于没有挡风墙时的压力值300Pa(图13R);而其背风面的压力值-400Pa的负压作用小于没有挡风墙时小轿车背风面的压力值-400～-500Pa