CN106844856A - 考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法，该方法主要针对高架桥道路场景进行简化的物理模型构建，将交通流的动态特性进行物理参数化的表征，采用计算流体力学方法，对实际道路场景中流场进行数值模拟；首先将实际交通场景进行简化的模型构建；其次利用湍流脉动物理量参数化地表征交通流的动态特性；然后将交通流引起的湍流脉动量加载到计算流体力学的求解方程对流场进行模拟；最后以流场矢量图和速度分布云图展示道路场景中的流场情况和扩散条件，可以为城市污染热点区域的空气污染评估提供依据，并为城市交通规划和空气环境改善提供有效参考。

Description

考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法

技术领域

本发明涉及道路交通与环境领域，更具体地，涉及一种考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法。

背景技术

我国城市机动车尾气污染问题日益突出，严重影响城市空气质量。随着对工业源和生活源污染控制工作的有效开展，机动车将成为城市完成空气质量考核及改善人居环境的重要治理对象。

上述空气污染通常在城市一般区域，即离道路较远的位置所监测，但城市道路两侧区域(如交叉口、街道型峡谷、高架桥)的空气污染往往更为严重，而往往这些区域又是人流密集区域，因此，城市道路附近的空气质量对城市居民健康影响尤为重要。机动车尾气污染物在的扩散和分布主要受道路扩散条件的影响，也即空气流场影响。

在过去十几年里，城市土地资源日益紧张，高架桥成为解决我国日益严重的城市交通拥堵问题的重要手段。与一般道路和峡谷型道路相比，因高架桥独特的物理结构、以及抬升高度的交通源影响，高架桥这样的道路形态带来的流场和污染分布更为复杂。通过数值模拟手段，获取高架桥附近流场情况，对于分析和预测道路附近的污染分布具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法，该方法可以为城市污染热点区域的空气污染评估提供依据，并为城市交通规划和空气环境改善提供有效参考。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法，包括以下步骤：

S1：构建高架桥和其周边环境的简化物理模型；

S2：参数化交通流动态特性对流场的影响；

S3：划分交通流运动对流场产生作用的范围；

S4：将交通流引起的湍流动能加载到数值模拟的控制方程中；

S5：应用计算流体力学方法，求解控制方程，进行数值模拟。

进一步地，所述步骤S1中构建高架桥的简化物理模型的过程是：

获取高架桥的几何结构特征和关键参数，将高架桥的物理模型简化为桥面和桥墩两部分结构，将高架桥桥面物理模型构建为长方体模型，关键参数包括桥面宽度和厚度，桥面宽度为道路横断面总体宽度，厚度即为从桥墩与桥面连接处至高架桥面车行道面的高度，其中若高架桥路面两侧有声屏障设施，也应将其考虑到物理建模中。

进一步地，所述步骤S1中构建高架桥周边环境的简化物理模型的过程是：

获取高架桥周边环境影响流场的关键结构参数，即地面街道宽度、车道数和车道宽度、两侧建筑物布局、建筑物高度及与高架桥距离，其中，道路中央绿化带及路边绿化、其他道路辅助设施均可忽略。

进一步地，所述步骤S2的具体过程如下：

S21：获取交通流量、车流速度、车队组成结构数据；

S22：利用S21中获取的交通流相关数据，计算交通密度为：

其中，Q为交通流量，v为车队平均速度；

S23：计算车队平均阻力系数为：

其中，i为车辆种类标签，w_i为车队中i类车辆的占比，C_i为i类车辆的阻力系数；

S24：计算车队平均迎风面积为：

其中，i为车辆种类标签，w_i为车队中i类车辆的占比，A_i为i类车辆的阻力系数；

S25：用流体力学中的湍流动能物理量来表征交通流运动对空气流场的影响，计算式如下：

VIT为道路车辆运动引起的湍流动能，单位为m²/s²，δ是空气密度，单位为g/m³，C_d是车队平均阻力系数，A_T是车队平均迎风面积，单位为m²，B和H分别为是特征宽度和特征高度，表征车辆引起的湍动能的影响范围，与车辆大小有关，B值一般取车道边缘线外3～4m，H值一般取4～5m。

进一步地，所述步骤S3的具体过程是：

根据步骤S25中的特征宽度B和特征高度H，在数值模拟计算域中划分出交通流运动对流场产生作用的范围，在该范围内数值模拟计算方程包含一个额外的湍流动能项表征交通流运动的影响，在该范围以外交通流运动引起的湍流动能已耗散至较小值，不考虑其影响。

进一步地，所述步骤S4的具体过程是：

S41：将S25中计算得到的湍流动能加载到S3中划分出的影响范围，其具体实现方式是：将交通流运动引起的湍流动能作为数值计算的湍流动能传输方程等号右边的S_K1源项，方程如下，并且只在S3中划分出来的影响区域中加载：

其中，ρ为空气密度，k为湍流动能，ε为湍流动能耗散率，u_j表示流体j方向的速度，μ为层流粘度，μ_t为湍流粘度，G_k为由速度梯度产生的湍流动能，G_b为由浮力产生的湍动能，Y_M代表在可压缩流动中湍流脉动膨胀对整体湍流动能耗散率ε的贡献，S_K代表其他湍动能源项，用于交通流运动引起的湍流动能源项；该模拟场景中的道路交通流包含地面交通流和高架桥交通流，两部分交通流运动引起的湍流动能计算方法以及在数值模拟中的实现方法一致。

进一步地，所述步骤S5的具体过程是：

采用标准k-ε模型方程求解流体运动和控制方程如下：

连续性方程：

动量方程：

湍流动能传输方程：

湍流动能耗散率传输方程：

其中，u_i和u_j分别为流体i和j方向的平均速度，为雷诺平均应力，σ_k和σ_ε分别为湍流动能k和湍流动能耗散率ε的普朗特数，S_K和S_ε代表其他湍动能源项，在交通流影响区域内S_K值为交通流引起的湍流动能计算值，在计算域内的其他区域S_K值为零代表无交通流引起的湍流动能影响，式中的涉及的常数有C₁＝0.43，C_1ε＝1.44，C₂＝1.9，C_3ε＝1.44，C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε＝2.2；

控制以上方程计算的残差标准，连续性、速度、k和ε残差标准为1e-6，当计算达到收敛标准时停止计算，完成高架桥附近流场的数值模拟。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提出一种考虑交通流的动态特性影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法，该方法主要针对高架桥道路场景进行简化的物理模型构建，将交通流的动态特性进行物理参数化的表征，采用计算流体力学方法，对实际道路场景中流场进行数值模拟；首先将实际交通场景进行简化的模型构建；其次利用湍流脉动物理量参数化地表征交通流的动态特性；然后将交通流引起的湍流脉动量加载到计算流体力学的求解方程对流场进行模拟；最后以流场矢量图和速度分布云图展示道路场景中的流场情况和扩散条件，可以为城市污染热点区域的空气污染评估提供依据，并为城市交通规划和空气环境改善提供有效参考。

附图说明

图1为本发明的总体流程图；

图2为含有高架桥的街道峡谷场景物理模型图；

图3为交通数据采集和处理流程图；

图4为气象数据采集和处理流程图；

图5计算域网格划分示意图；

图6道路交通车流运动引起的湍流动能影响范围划分示意图；

图7为数值模拟计算过程流程图；

图8为数值模拟结果分析图；

图9为本发明的实施算例三维流场流线图；

图10为本发明的实施算例街道横切面速度分布图；

图11为本发明的实施算例街道横切面湍动能分布图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

一种考虑交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法，主要包括以下步骤：

(1)采集街道场景相关参数，构建简化的物理模型，其具体是：

(11)采用现场调研测量等方法，获取相关几何参数，其具体是如图2所示，包括道路两侧建筑的高度和建筑间隙宽度、街道长度和宽度、车道数和宽度、高架桥的高度、宽度和桥墩形状等关键的几何参数(如表1)，用以描述简化的街道峡谷物理模型。

表1街道场景参数

(12)可通过ProE、SolidWorks等三维建模软件进行建模，如图3所示；

(2)采集气象数据，获取数值模拟的气象边界条件，其具体是如图4所示：

(21)获取风向、风速、温度、湿度、压强数据，数据来源于气象站(如表2)；

表2气象数据(2015年12月27日，广州)

风向	风速	温度	相对湿度	气压
					北风	2.3m/s	16℃	78	101310Pa

(22)将风向和风速数据用于数值模拟入口边界条件定义，通过获取的参考高度的风速，将入口风速以风廓线形式定义，即：

U_ref是高度为z_ref处的风速大小，作为参考风速，风速在垂直高度上以指数型风廓线分布，其中α是风速高度指数，与大气稳定度和地形条件有关，这里取0.22。

同时通过以下形式定义入口边界处的湍动能和湍动能耗散率：

k(z)＝(U(z)×I)²

(23)将温度、湿度、压强数据用于数值模拟计算域全局定义；

(3)采集交通数据，计算交通流运动引起的湍动能强度，其具体是：

(31)获取所有车道(包括高架桥上的车道和地面车道)的交通流量、车队平均速度、车辆类型构成比例数据(如表3)：

表3交通数据

并计算交通密度：

计算车队平均阻力系数：

计算车队平均迎风面积：

(32)计算高架桥上交通流运动引起的湍动能和地面交通引起的湍动能：

δ是空气密度，单位为g/m³，C_d是车队平均阻力系数，A_T是车队平均迎风面积，单位为m²，B和H分别为是特征宽度和特征高度，表征车辆引起的湍动能的影响范围，与车辆大小有关，B值一般取车道边缘线外3～4m，H值一般取4～5m。

(4)利用计算流体力学方法进行数值模拟，其具体流程如图5所示：

(41)确定模拟计算域，对计算域进行网格划分，其具体是：计算域的侧向宽度应至少为最高建筑物的高度的8倍，计算域的高度应至少为最高建筑物的高度的6倍。计算域网格划分采用结构化六面体网格单元划分，网格大小从建筑物和高架桥壁面向远处以一定比例增长，网格大小最小取边长0.25m～0.8m，增长比例取1.1～1.2，可控制网格质量的同时又不过分增加计算量。网格划分效果如图6所示。

(42)定义计算域的边界条件，具体包括：

(421)用C语言编写自定义的入口边界，包括步骤(22)中所述的风速风廓线、湍动能k和湍动能耗散率ε的自定义程序，在Fluent中读入，实现计算入口边界条件的定义。

(422)定义其他边界条件，高架桥和建筑面定义为无滑移的壁面条件，计算域顶部定义为对称边界，入口为速度入口边界，出口为压力出口边界。

(43)定义交通流运动引起的湍动能；

(431)依据步骤(321)中的B和H，在计算域中划分出地面交通流产生的湍动能的影响空间范围，如图7，将步骤(321)中计算得到的湍动能VIT定义于划分出来沿着道路的B*H区域，即将VIT作为湍动能传输方程等号右边的S_K1源项：

(432)依据步骤(321)中的B和H，在计算域中划分出高架桥上的交通流产生的湍动能的影响空间范围，将步骤(321)中计算得到的湍动能VIT定义于划分出来沿着道路的B*H区域，即将VIT作为湍动能传输方程等号右边的S_K2源项：

(44)应用计算流体力学方法，求解控制方程，进行数值模拟：

(441)采用标准k-ε模型方程求解流体运动和控制方程如下：

连续性方程：

动量方程：

湍流动能传输方程：

湍流动能耗散率传输方程：

其中，u_i和u_j分别为流体i和j方向的平均速度，为雷诺平均应力，σ_k和σ_ε分别为湍流动能k和湍流动能耗散率ε的普朗特数，S_K和S_ε代表其他湍动能源项，在交通流影响区域内S_K值为交通流引起的湍流动能计算值，在计算域内的其他区域S_K值为零代表无交通流引起的湍流动能影响，式中的涉及的常数有C₁＝0.43，C_1ε＝1.44，C₂＝1.9，C_3ε＝1.44，C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε＝2.2；

(442)设置湍流模型为标准k-ε模型，求解连续性方程、动量方程、湍动能方程和湍动能耗散率方程，以上方程差分方式采用二阶迎风格式，压力和速度的耦合算法采用SIMPLE算法。设置连续性、速度、湍动能、湍动能耗散率的残差标准为1e-6，达到收敛标准后停止计算，获取流场模拟结果。

(5)流场模拟结果分析和展示。

(51)使用后处理软件tecplot，作流场流线图，如图8所示。

(52)作速度分布云图，如图9所示。

(53)作湍动能分布图，如图10所示。

(54)通过图11可直观了解和分析得到模拟场景中的流场情况。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：构建高架桥和其周边环境的简化物理模型；

S2：参数化交通流动态特性对流场的影响；

S3：划分交通流运动对流场产生作用的范围；

S4：将交通流引起的湍流动能加载到数值模拟的控制方程中；

S5：应用计算流体力学方法，求解控制方程，进行数值模拟。

2.根据权利要求1所述的考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中构建高架桥的简化物理模型的过程是：

获取高架桥的几何结构特征和关键参数，将高架桥的物理模型简化为桥面和桥墩两部分结构，将高架桥桥面物理模型构建为长方体模型，关键参数包括桥面宽度和厚度，桥面宽度为道路横断面总体宽度，厚度即为从桥墩与桥面连接处至高架桥面车行道面的高度，其中若高架桥路面两侧有声屏障设施，也应将其考虑到物理建模中。

3.根据权利要求2所述的考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中构建高架桥周边环境的简化物理模型的过程是：

获取高架桥周边环境影响流场的关键结构参数，即地面街道宽度、车道数和车道宽度、两侧建筑物布局、建筑物高度及与高架桥距离，其中，道路中央绿化带及路边绿化、其他道路辅助设施均可忽略。

4.根据权利要求3所述的考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程如下：

S21：获取交通流量、车流速度、车队组成结构数据；

S22：利用S21中获取的交通流相关数据，计算交通密度为：

${\mathrm{\η}}_T=\frac{Q}{v}$

其中，Q为交通流量，v为车队平均速度；

S23：计算车队平均阻力系数为：

$C_d={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{w}_i\·C_i$

其中，i为车辆种类标签，w_i为车队中i类车辆的占比，C_i为i类车辆的阻力系数；

S24：计算车队平均迎风面积为：

$A_T={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{w}_i\·A_i$

其中，i为车辆种类标签，w_i为车队中i类车辆的占比，A_i为i类车辆的阻力系数；

S25：用流体力学中的湍流动能物理量来表征交通流运动对空气流场的影响，计算式如下：

$VIT=\frac{\mathrm{\δ}\·C_d\·A_T\·{\mathrm{\η}}_T\·v^3}{B\·H}$

VIT为道路车辆运动引起的湍流动能，单位为m²/s²，δ是空气密度，单位为g/m³，C_d是车队平均阻力系数，A_T是车队平均迎风面积，单位为m²，B和H分别为是特征宽度和特征高度，表征车辆引起的湍动能的影响范围，与车辆大小有关，B值一般取车道边缘线外3～4m，H值一般取4～5m。

5.根据权利要求4所述的考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程是：

根据步骤S25中的特征宽度B和特征高度H，在数值模拟计算域中划分出交通流运动对流场产生作用的范围，在该范围内数值模拟计算方程包含一个额外的湍流动能项表征交通流运动的影响，在该范围以外交通流运动引起的湍流动能已耗散至较小值，不考虑其影响。

6.根据权利要求5所述的考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S4的具体过程是：

S41：将S25中计算得到的湍流动能加载到S3中划分出的影响范围，其具体实现方式是：将交通流运动引起的湍流动能作为数值计算的湍流动能传输方程等号右边的S_K1源项，方程如下，并且只在S3中划分出来的影响区域中加载：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}k}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρku}}_j\right)}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{\∂x_j}\]+G_k+G_b-\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\ϵ}-Y_M+S_K$

其中，ρ为空气密度，k为湍流动能，ε为湍流动能耗散率，u_j表示流体j方向的速度，μ为层流粘度，μ_t为湍流粘度，G_k为由速度梯度产生的湍流动能，G_b为由浮力产生的湍动能，Y_M代表在可压缩流动中湍流脉动膨胀对整体湍流动能耗散率ε的贡献，S_K代表其他湍动能源项，用于交通流运动引起的湍流动能源项；该模拟场景中的道路交通流包含地面交通流和高架桥交通流，两部分交通流运动引起的湍流动能计算方法以及在数值模拟中的实现方法一致。

7.根据权利要求6所述的考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S5的具体过程是：

采用标准k-ε模型方程求解流体运动和控制方程如下：

连续性方程：

$\frac{\∂{\mathrm{\ρu}}_i}{\∂x_i}=0;$

动量方程：

$\frac{\∂{\stackrel{\‾}{u}}_i}{\∂x}+\frac{\∂\stackrel{\‾}{u_i{u}_j}}{\∂x_j}=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\·\frac{\∂\stackrel{\‾}{p}}{\∂x_j}+\frac{\∂}{\∂x}\[v\frac{\∂{\stackrel{\‾}{u}}_j}{\∂x_j}-\stackrel{\‾}{u_i^{\′}{u}_j^{\′}}\]$

湍流动能传输方程：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}k}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρku}}_j\right)}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{\∂x_j}\]+G_k+G_b-\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\ϵ}-Y_M+S_K$

湍流动能耗散率传输方程：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\ϵ}}{\∂t}+\frac{\∂(\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\ϵ}\·u_j)}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}\]+\mathrm{\ρ}\·C_1\·S_{\mathrm{\ϵ}}-\mathrm{\ρ}\·C_2\·\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{k+\sqrt{v\·\mathrm{\ϵ}}}+C_{1\mathrm{\ϵ}}\·\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}\·C_{3\mathrm{\ϵ}}\·G_b+S_{\mathrm{\ϵ}}$

其中，u_i和u_j分别为流体i和j方向的平均速度，为雷诺平均应力，σ_k和σ_ε分别为湍流动能k和湍流动能耗散率ε的普朗特数，S_K和S_ε代表其他湍动能源项，在交通流影响区域内S_K值为交通流引起的湍流动能计算值，在计算域内的其他区域S_K值为零代表无交通流引起的湍流动能影响，式中的涉及的常数有C₁＝0.43，C_1ε＝1.44，C₂＝1.9，C_3ε＝1.44，C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε＝2.2；

控制以上方程计算的残差标准，连续性、速度、k和ε残差标准为1e-6，当计算达到收敛标准时停止计算，完成高架桥附近流场的数值模拟。