劉海濤， 康 焯

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

在橋梁附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)中，行駛的汽車對(duì)橋面附屬的脈動(dòng)風(fēng)壓作用是不可忽視的.然而公路橋梁規(guī)范中沒(méi)有相關(guān)脈動(dòng)風(fēng)壓荷載的規(guī)定，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究大都集中在對(duì)汽車車身壓力的分析[1～3]，對(duì)橋面附屬設(shè)施承受的脈動(dòng)風(fēng)壓分布和數(shù)值的關(guān)注較少，因此在對(duì)公路橋梁橋面附屬設(shè)施設(shè)計(jì)中脈動(dòng)風(fēng)壓荷載的取值缺少相應(yīng)的參考.

本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法，借助動(dòng)網(wǎng)格分析技術(shù)模擬了大型客車在聲屏障區(qū)段內(nèi)行駛的三維不可壓縮湍流模型，分析了大客車在運(yùn)行中對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)所引起的聲屏障表面脈動(dòng)風(fēng)壓分布情況和脈動(dòng)風(fēng)壓數(shù)值，得到了脈動(dòng)風(fēng)壓的公式，可供橋梁附屬設(shè)施設(shè)計(jì)中參考.

1 CFD數(shù)值分析模型

1.1 大客車幾何模型

由于汽車的車身外形尺寸越大，運(yùn)行中對(duì)空氣的擠壓越嚴(yán)重，相應(yīng)的脈動(dòng)風(fēng)壓也越大，因此本次分析中汽車模型選用外形尺寸較大的大型客車，客車車身長(zhǎng)度為12m，寬度為2.5m，高度為3.5m，為了控制網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，將大客車車身進(jìn)行平滑處理，模型中不考慮客車后視鏡等掛件和車輪突出車底部分[4]，平滑處理后的大客車車身幾何模型如圖2所示.

圖1 駛過(guò)列車對(duì)建筑物和構(gòu)件的氣動(dòng)力

圖2 大客車幾何模型

1.2 橋面布置及計(jì)算域選取

模型中取橋面凈寬為8m，客車側(cè)面距離防撞護(hù)欄內(nèi)邊緣最小距離為0.5m，客車車底距離橋梁頂面距離為0.4m，聲屏障厚度為0.2m，高度為3m，客車車長(zhǎng)中點(diǎn)位于坐標(biāo)Z=0處，聲屏障區(qū)域縱向坐標(biāo)范圍為Z=－15m～25m，客車沿Z軸正向行駛.模型的尺寸及位置關(guān)系見(jiàn)圖3～圖4所示.

為了滿足計(jì)算精度要求，計(jì)算域長(zhǎng)度邊界距離車頭取5.4倍車高度，距車尾取2.6倍車高度，寬度為3.5倍車寬，高度為2.6倍車高，計(jì)算域尺寸取為:長(zhǎng)40m×寬8.8m×高9m.車身網(wǎng)格尺寸為0.2m，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算域離散［5］，計(jì)算域離散網(wǎng)格數(shù)量共622637個(gè).

圖3 橋面斷面布置圖(單位:m)

圖4 橋面平面布置圖(單位:m)

2 脈動(dòng)風(fēng)壓的分布

2.1 脈動(dòng)風(fēng)壓分布云圖

采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬大客車以160km/h的速度運(yùn)行時(shí)聲屏障表面的脈動(dòng)風(fēng)壓分布情況，以聲屏障靠近客車一側(cè)表面為內(nèi)表面，橋梁外側(cè)表面為外表面，內(nèi)外表面的脈動(dòng)風(fēng)壓分布如圖5～圖6所示.

圖5 聲屏障內(nèi)表面脈動(dòng)風(fēng)壓云圖

圖6 聲屏障外表面脈動(dòng)風(fēng)壓云圖

由云圖可見(jiàn)，客車表面距離防撞護(hù)欄0.5m并以160km/h的速度運(yùn)行時(shí)，在聲屏障內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的最大脈動(dòng)正風(fēng)壓為569Pa，最大負(fù)風(fēng)壓為－720Pa;在外側(cè)產(chǎn)生的最大脈動(dòng)正風(fēng)壓為17.6Pa，最大負(fù)風(fēng)壓為－249Pa.

作用于橋梁聲屏障等附屬設(shè)施上的壓力為內(nèi)表面和外表面壓力同時(shí)作用的有效風(fēng)壓效應(yīng)，有效風(fēng)壓是聲屏障內(nèi)表面一點(diǎn)的風(fēng)壓與對(duì)應(yīng)位置外表面風(fēng)壓的差值，聲屏障有效脈動(dòng)風(fēng)壓云圖如圖7所示.

圖7 聲屏障有效風(fēng)壓云圖

作用于聲屏障上最大有效正風(fēng)壓為569Pa，最大有效負(fù)風(fēng)壓為－720Pa.車頭和車尾處的有效風(fēng)壓作用范圍約為10m.上述云圖中，大客車車頭位于Z=6.67m處，車尾位于Z=－5.33m處.

2.2 有效脈動(dòng)風(fēng)壓縱向分布

聲屏障表面間隔為0.5m的各高度處有效風(fēng)壓沿橋縱向的分布曲線如下圖8所示.

圖8 聲屏障有效風(fēng)壓縱向分布曲線

由圖8可見(jiàn)，沿橋梁縱向有效脈動(dòng)風(fēng)壓曲線主要由客車車頭的“頭波”效應(yīng)和車尾的“尾波”效應(yīng)兩部分組成，頭波效應(yīng)和尾波效應(yīng)的負(fù)壓值均大于正壓值，頭波效應(yīng)風(fēng)壓峰值大于尾波效應(yīng)風(fēng)壓峰值.客車車頭前方5m范圍為頭波的正壓區(qū)，車頭后方5m范圍為頭波的負(fù)壓區(qū)，尾波的負(fù)壓區(qū)和正壓區(qū)分別出現(xiàn)在車尾的前方5m和后方5m范圍內(nèi).

2.3 有效脈動(dòng)風(fēng)壓豎向分布

對(duì)應(yīng)圖8中聲屏障有效風(fēng)壓峰值各位置處的有效脈動(dòng)風(fēng)壓沿高度方向的分布曲線如圖9所示.

由圖9可見(jiàn)，頭波有效正壓、有效負(fù)壓值在沿聲屏障高度方向先增大后減小，在聲屏障底部達(dá)到最大，而尾波有效風(fēng)壓在高度為2.8m處有突變，聲屏障上的最大有效風(fēng)壓峰值為頭波的負(fù)風(fēng)壓，最大風(fēng)壓位于聲屏障的底部.

圖9 聲屏障有效風(fēng)壓豎向分布曲線

3 不同車速的脈動(dòng)風(fēng)壓對(duì)比

客車以不同速度行駛時(shí)聲屏障表面的最大有效風(fēng)壓數(shù)值如表1所示.

表1 不同速度下最大有效風(fēng)壓

由表1可見(jiàn)，隨著客車運(yùn)行速度的增加，聲屏障有效風(fēng)壓數(shù)值成非線性增大.兩者間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖10.

圖10 客車不同速度行駛時(shí)聲屏障最大有效風(fēng)壓曲線

4 不同距離的脈動(dòng)風(fēng)壓對(duì)比

客車距離防撞護(hù)欄內(nèi)邊緣不同距離運(yùn)行時(shí)，聲屏障表面的脈動(dòng)風(fēng)壓值如下表2所示，客車的行駛速度為100km/h.

表2 客車距防撞護(hù)欄不同距離時(shí)最大有效脈動(dòng)風(fēng)壓數(shù)值

148－175 1.5 107－125 2 82－95 1 2.5 64－75

由表2可見(jiàn)，隨著客車與聲屏障間距離的增大，作用于聲屏障的有效正壓和有效負(fù)壓均逐漸降低，兩者間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖11.當(dāng)客車與聲屏障凈距為橋梁規(guī)范規(guī)定的最小距離0.5m時(shí)，有效脈動(dòng)風(fēng)壓的數(shù)值最大.

圖11 客車與聲屏障不同凈距時(shí)最大有效風(fēng)壓曲線

5 大客車有效脈動(dòng)風(fēng)壓的公式

對(duì)分析得到的聲屏障表面有效脈動(dòng)風(fēng)壓數(shù)值與客車行駛速度、客車距防撞護(hù)欄邊線的距離間的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，擬合曲線如圖12和圖13所示.

圖12 有效風(fēng)壓與速度的關(guān)系擬合

圖13 有效風(fēng)壓與距離的關(guān)系擬合

由圖12和圖13可以得到大客車有效脈動(dòng)風(fēng)壓的近似公式形式如下:

將表1和表2中數(shù)據(jù)帶入上式(1)(2)并檢驗(yàn)可以得到:k1=0.0132;k2=0.0174

上式中:P為有效風(fēng)壓值(Pa);v為客車的行駛速度(km/h);d為客車與防撞護(hù)欄內(nèi)邊線的距離(m).

6 結(jié)語(yǔ)

采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)客車－聲屏障流場(chǎng)進(jìn)行CFD數(shù)值仿真分析，得到以下結(jié)論:

1)客車的脈動(dòng)風(fēng)壓由頭波風(fēng)壓和尾波風(fēng)壓組成，頭波正壓大于負(fù)壓，尾波負(fù)壓大于正壓，尾波的最大負(fù)壓大于頭波的最大正壓值.

2)脈動(dòng)風(fēng)壓的影響范圍為車頭和車尾前、后各5m長(zhǎng)度范圍內(nèi)，正負(fù)壓交替位置出現(xiàn)在車頭和車尾處.

3)客車作用于聲屏障的有效風(fēng)壓隨著客車行駛速度的增加而增大，其數(shù)值近似與速度的平方成正比.

4)客車作用于聲屏障的有效風(fēng)壓隨著客車與聲屏障間凈距的增大而減小.

5)采用曲線擬合得到了大客車作用于聲屏障表面的有效風(fēng)壓公式，可供橋面附屬設(shè)施設(shè)計(jì)荷載的取值采用.

[1]上海道路聲屏障結(jié)構(gòu)技術(shù)研究小組.上海市道路聲屏障結(jié)構(gòu)調(diào)研報(bào)告[R].2010.

[2]道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10621－2009).2009.

[3]王樹孝，張東，馬金勝.LCK6122大客車空氣動(dòng)力性仿真分析[J].客車技術(shù)與研究，2007，(2):14－19.

[4]陳景秋，樊雪峰，胡韓飛.小轎車?yán)@流流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，27(10):134－137.

[5]高利，陳斌.國(guó)產(chǎn)客車車身周圍流場(chǎng)數(shù)值模擬的空間離散[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2001，14(1):119－122.