基于风-车-桥系统的车辆气动力系数对比研究

周记国, 王桂花, 徐凤月

(1.白城师范学院土木工程学院, 吉林白城 137000; 2.内蒙古大学交通学院,内蒙古呼和浩特 010000)

0 引言

自然风荷载作用下车辆在大跨度桥梁上行驶时,车-桥系统的振动受到风荷载的影响。而自然风环境中的风荷载较大时会威胁到车辆的行车安全[1]。对车辆的行车安全的评价大多数是基于车辆的气动力系数,而后进行车辆行驶时车辆的振动及车辆轮压的变化时程计算,最后对车辆的行车安全进行评估。而车辆的气动特性不仅与车辆的外形有关,还受到桥梁断面形式及风荷载的类型影响。所以,对车辆气动特性的正确评估,对车辆的振动特性及行车安全的评价有着至关重要的作用。

对车辆气动特性的研究,目前主要有风洞试验与数值模拟2种方法[2-3],在研究车辆的气动特性的过程中,所建立的测试或计算模型可以分为车辆静止与车辆运动2种。车辆气动特性的研究过程中,基于静止车辆气动力系数的测试相对容易获得,而对运动车辆进行风洞试验时难度会增大。并且车辆的气动特性受到诸多因素的影响,如车辆的外部尺寸形式[4-5],车辆间的相互遮挡[6-7],由于结构或地形环境影响的风荷载变化[8]。

专家们对车辆气动特性的研究,得到了不同状态下车辆的气动力系数数值大小,进而对研究车辆在道路或桥梁上行驶过程中,车辆的行车舒适性及行车安全性的评价提供基础数据支撑,并且对车辆安全评价起着至关重要的作用。本文主要考虑车辆在大跨度桥梁上行驶过程中,路面的地表粗糙度、车辆运动模型及车-桥系统的振动对车辆气动特性的影响,对比计算几种不同状况下车辆气动力系数的数值大小的差别,为车辆的行车舒适及行车安全评价提供基础数据支撑。

1 风-车-桥分析模型

在大气边界层内自然环境的风场的风速随着高度而变化,其特性受地球表面的地形特性影响,风场沿竖向的变化即为风速剖面,所以风剖面指地表比较平坦并且有地表有较均匀的粗糙特性的地区中风速随竖向地表高度的分布规律,对于风剖面的形式本文采用指数分布见式(1)。

(1)

对于湍流脉动能k,表达式为式(2)。

(2)

对于大气湍流特性的描述最基本的参数是湍流强度,湍流强度Iu(z)为离地表高度z、地面粗糙度类别的函数,表达式为:湍流脉动能耗散率ε,其中,Cμ=0.009,l=0.07L,L为特征长度。

为了研究在侧向风作用下车辆的气动特性的变化规律,选用桥梁模型大跨度为钢箱梁斜拉桥进行数值建模分析,选用车辆模型为大客车如图1所示,桥梁标准横断面如图2所示。

图1 大客车模型(单位:m)

图2 桥梁标准横断面(单位:mm)

2 风-车-桥数值分析

本文研究对风荷载的研究主要通过(Computation Fluid Dynamics, CFD)数值模型的方法来进行研究。对流场的分析采用计算流体力学进行数值模拟,对瞬态问题的流体力学计算,需要借助隐式时间积分方案[9]。车辆行驶时,车辆会受到来自车辆行驶时所产生的等效纵向风荷载及不同风速的风攻角、风偏角的自然风综合作用。则当车辆在行驶过程中受到合成风速UR、风偏角为ψ的风荷载作用时,车辆受到的气动力及气动力矩为式(3)。

(3)

式中:Fx为作用于车体质心的阻力;Fy为作用于车体质心的侧向力;Fz为作用于车体质心的升力;Mx为作用于车体质心的倾覆力矩;My为作用于车体质心的翻转力矩;Mz为作用于车体质心的偏转力矩。与风荷载作用于车体上产生的六分力相对应的为气动六分力系数,其中:CD(ψ)为车辆的阻力系数;CS(ψ)为车辆的侧向力系数;CL(ψ)为车辆的升力系数;CR(ψ)为车辆的倾覆力矩系数;CP(ψ)为车辆的俯仰力矩系数;CY(ψ)为车辆的偏转系数。

3 车辆气动力系数

3.1 路面粗糙度的影响

路面粗糙度不同,风荷载剖面及脉动风强度不同,为了研究不同地表粗糙度类别对车辆及桥梁的气动特性的影响,分别取地表粗糙度α为0.12、0.16、0.22、0.3。4类不同的地表粗糙度时,平均风剖面如图3所示。其中,以车辆位于来流方向第2车道为研究工况,以桥面下25 m处为零点,参考点高度10 m处产的风速为15 m/s,不同地表粗糙度下车辆的气动力系数如图4、图5所示。

图3 风剖面

图4 车辆侧向力系数

图5 车辆气动力系数

路面粗糙度不同,造成竖向风剖面不同高度处风速大小有一定差别。路面粗糙度等级越高,在竖向风剖面中空中风速越大。而且随着高度增大,各风剖面间的风速差异也就越大。可以看出,地表粗糙度不同时,车辆的六分力气动力系数略有差异,由于车辆在侧向风荷载作用下,所以主要对比车辆的侧向力系数、升力系数、倾覆力矩系数的数值变化。以Ⅰ类地面粗糙度为标准,当地面粗糙度分别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类时,车辆的侧向力系数最大变化9.6%、升力系数最大变化8.0%、倾覆力矩系数最大变化9.5%。总体由于车辆位置处的风速随着地表粗糙度增大而风速增大,而车辆的气动力系数是由车辆的车体外表风压的合力构成,所以车辆的气动力系数总体随着地表粗糙度增大而略有小幅度减小。

不同路面粗糙度下风荷载作用在车辆上时,对车辆的气动特性来说,最终体现的是车辆受到的侧向风荷载的风速作用均匀程度。由于车辆的竖向高度较小,所以不同梯度风荷载的作用对车辆的气动特性影响不大。由此可看,对车辆的气动特性研究时,风荷载的选择可以尽量考虑桥梁所在环境的实际地表粗糙度的类别。但如果研究车辆在桥上行驶过程中车辆的行车安全或行车舒适性时,应考虑具体环境下路面粗糙度对风荷载的风剖面的影响。

3.2 车辆行驶的影响

车辆在桥上行驶时车辆是运动的,但桥梁是静止的。目前对车辆气动力系数的研究中,大多常见分析模型是车辆静止在桥上而改变风偏角进行车辆风荷载加载从而获得车辆的气动力系数,但车辆以不同速度在桥上行驶,而桥梁相对静止时,车辆的气动力系数是否存在差异需要作进一步的研究。以大客车在大跨度钢箱梁上为研究对象,采用动网格技术分别分析,车辆静止在桥上改变风偏角与车辆在桥上行驶采用合成风速与风偏角2种技术对车辆的气动特性进行研究,其中车辆在桥上行驶时,分别采用车辆以45 km/h、90 km/h 这2种工况进行对比分析。车辆的气动三分力系数随风偏角的变化见图6。

图6 车辆三分力系数

总体比较可以看出,从车辆静止到车辆行驶时车辆的气动力系数是增大的。当车辆以90 km/h的速度行驶时,车辆的侧向力系数、升力系数、倾覆力矩系数相对最大,车辆以45 km/h的速度行驶时车辆的气动三分力系数数值大小介于车辆静止与90 km/h速度行驶之间。以车辆静止时车辆的气动力系数为标准,对比研究+40°～-40°风偏角范围内车辆的侧向力系数与倾覆力矩系数的变化幅度可以得到,当车辆以分别以45 km/h、90 km/h的速度行驶时,车辆的侧向力系数最大增幅分别为19.89%与52.73%,车辆的倾覆力矩系数最大增幅分为17.28%与58.12%。

虽然2种研究方法导致车辆的气动力系数的数值大小存在差异,但车辆的气动三分力系数随着风偏角的变化规律基本一致。其中车辆的侧向力系数与车辆的倾覆力矩系数均在0°风偏角附近出现最大值,这说明车辆受到的合成风偏角为0°作用时,车辆外表面的风压荷载出现最大值,但对于车辆的侧向力系数及车辆的倾覆力矩系数确不一定为最大值。而车辆的升力系数最大值出现在风偏角为±40°附近时。

车辆在桥上静止与车辆在桥上行驶2种不同的分析模型对车辆的气动力系数进行研究,所得到的车辆的气动力系数存在差异。导致2种研究方法存在差异的要本原因是,对于车辆受到的合成风速与风偏角虽然相同,但是2种研究方法中桥梁受到的合风风速与风偏角确存在较大差异。这是因为,车辆受到的风荷载为车辆行驶产生的风荷载与外界自然风荷载的合成作用,而桥梁则只受到外界风荷载的单独作用。由此可看,当研究车辆的气动力系数时,需要考虑车辆在桥上行驶时实际的行驶速度,进行有针对性的研究车辆的气动特性。

4 结论

本文对风-车-桥耦合系统建立了风-车-桥三维空间分析模型,针对不同地表粗糙度类别及车辆静止与车辆行驶状况,对车辆及的气动力系数的差别进行了进一步的分析,得到主要结论:

(1) 侧向风荷载作用下,研究车辆及桥梁的气动力系数,需要考虑侧向风荷载的梯度风剖面的影响,尽可能考虑实际地表路面粗糙度的影响。

(2) 研究车辆在桥上行驶时车辆的气动力特性时,需要考虑实际车辆的行驶速度进行分析车辆的气动力系数。

(3)分析风荷载作用下车辆在桥上的行车安全临界风荷载,应考虑车桥系统周围环境及车桥耦合效应的影响。