CN108614078B - 一种模拟路表水膜引起车后水雾浓度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟路表水膜引起车后水雾浓度的方法。对于雨天的某潮湿路面，在考虑降雨强度及潮湿路面特性参数的基础上，计算路表水膜厚度，根据车辆驶过潮湿路面而溅起的水雾产生机制，获得对后车能见度产生影响的水雾总量，采用流体动力学方法得出动水压力与水膜厚度和车速的关系，利用水射流雾化特性得出水雾平均索特尔直径SMD，建立了对后车能见度产生影响的水膜溅起水雾的浓度模型。本发明为雨天潮湿路面引起的后车水雾数据预估提供一种数值模拟方法，此方法简单、方便，能够合理预估路表水膜对水雾浓度的影响，为后续能见视距的计算提供基础数据进一步为公路预警制定限速通知起到辅助作用。

Description

一种模拟路表水膜引起车后水雾浓度的方法
技术领域
本发明属于数据模拟技术领域，特别涉及一种模拟路表水膜引起车后水雾浓度的方法。
背景技术
我国高等级公路建设发展迅速，公路承担着全国大部分的货运和客运任务，是交通运输的重要环节。然而，恶劣的自然因素会提高公路交通的难度，导致重大交通事故频发。降雨对行车安全性影响不容忽视。雨雾天气会使驾驶员产生紧张情绪，干扰司机视线，降低道路能见度。高速公路雨天事故率是晴天事故率高的2～10倍，一次雨天交通事故造成的损失较正常天气增加30％。
降雨后，普通沥青路面会形成水膜，道路的抗滑能力下降，常常引起车轮侧滑、车后水雾等问题。车后水雾也会对后车的视线产生很大干扰。目前关于降雨对道路行车安全的影响案例研究通常是考虑水膜对路面抗滑性的影响，在水雾影响方面，则是直接对雨天的能见度进行观测，而极少研究水膜溅起的车后水雾对行车安全的影响；而且，由于水膜溅起水雾观测的复杂性和不确定性，在现场直接测得水膜引起的水雾特性代价过高。也正因为此，现在还缺乏合理模拟计算路表水膜引起车后水雾浓度的方案。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种模拟路表水膜引起车后水雾浓度的方法，本发明方法简单、方便，对路表水膜产生的水雾进行定量分析，具体实施时还可进一步得到能见距离，为公路预警制定限速通知起到辅助作用。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种模拟路表水膜引起车后水雾浓度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据降雨强度及路面特性参数计算得到路表水膜厚度；
步骤2，根据车辆驶过潮湿路面而溅起的水雾产生机制，计算对应于不同车速的水雾总量；
步骤3，采用流体动力学方法得出动水压力与水膜厚度和车速的关系；
步骤4，利用水射流雾化特性得出不同动水压力下的水雾粒子平均直径即索特尔直径SMD；
步骤5，基于水雾总量及粒子平均直径，建立水雾浓度模型。
优选的，所述步骤1中的对于不透水路面，所述路表水膜厚度计算公式为:
h＝0.1258·l0.6715·i-0.3147·r0.7786·TD0.7261
上式中，h即为路表水膜厚度，单位mm；l为路面排水长度，i为排水坡度，取道路合成坡度；r是降雨强度，单位mm/min；TD是路面构造深度，单位mm。
优选的，所述步骤2中的水雾产生机制包括车头波BW，侧边波SW，胎起波TP和黏附波CA。车头波为轮胎前方产生的水雾，侧边波为轮胎侧边溅起的后向的水雾，胎起波为后胎产生的正后方向的水雾，黏附波为轮胎纵向凹槽卷起的水雾。其中，对能见度产生影响的后车水雾为侧边波SW和胎起波TP。侧边波SW和胎起波TP的水量计算：
Figure BDA0001654648880000021
其中，v是车速，单位m/s；b是轮胎宽度，单位m；h是水膜厚度，单位m；γw是水的密度,1000kg/m3；MRTP和MRSW分别是SW和TP的水量，单位为kg/s；K是轮胎胎面非凹槽的宽度占比，一般取0.75；hfilm是轮胎每次旋转带起的水膜厚度，水深大于0.0001m时取0.0001m，不足时hfilm取为水深；hgroove时胎面上的水厚，水深大于0.01m时取0.01m，不足时hgroove取为水深。
对后车能见度产生影响的水雾总量MR计算：
MR＝MRTP+MRSW
优选的，所述步骤3中，当轮胎为中度磨损时，动水压力与水膜厚度和车速的关系计算方程为：
P＝-84.686+2.26V+9.437h-3.9984
其中，P为动水压力，单位kPa；V为车速，单位km/h。
优选的，所述步骤4中，利用水射流雾化特性得出不同动水压力下的水雾粒子平均直径即索特尔直径SMD，根据动水压力与水膜厚度和车速的关系推出不同水膜厚度和车速下的水雾粒子平均直径。
优选的，所述步骤5中的基于水雾总量及粒子平均直径，建立水雾浓度模型具体如下：
粒子体积分数(CV)计算公式：
Figure BDA0001654648880000031
其中，MR为车后水雾总量，单位为kg/s；γw是水的密度，1000kg/m3；
水雾粒子浓度N0计算公式：
Figure BDA0001654648880000032
其中，N0是水雾粒子浓度，单位为个/m3；V0是单个水雾粒子的体积，设水雾粒子均为球状水滴。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明在考虑降雨强度及潮湿路面特性参数的基础上，计算路表水膜厚度，根据车辆驶过潮湿路面而溅起的水雾产生机制，获得对后车能见度产生影响的水雾总量，并根据动水压力与水膜厚度和车速的关系，利用水射流雾化特性得出水雾平均直径，建立了对后车能见度产生影响的水膜溅起水雾的浓度模型，解决了雨天潮湿路面引起水雾特性的数据预估的问题。同时，本发明公开的方法简单、方便，具体实施时还可进一步得到能见距离，为公路预警制定限速通知起到辅助作用。
附图说明
图1为本发明具体实施例的步骤流程图。
图2为不同动水压力下的水雾粒子平均直径图。
图3为水雾粒子平均直径与水膜厚度和车速的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
在具体实施例中，应用此发明方法对潮湿路面进行限速选择，如图1所示，主要包括如下步骤：
步骤1，根据降雨强度及路面特性参数计算得到路表水膜厚度。
对于普通不透水路面，路表水膜厚度计算公式为:
h＝0.1258·l0.6715·i-0.3147·r0.7786·TD0.7261
上式中，h即为路表水膜厚度，单位mm；l为路面排水长度，i为排水坡度，取道路合成坡度；r是降雨强度，单位mm/min；TD是路面构造深度，单位mm。
本实施例对SMA路面进行研究，l取12m，i为3.2％，r在东南部地区五年一遇持续时间5min的降雨时间内为3.125mm/min；TD为1.35mm。计算得最大路表水膜厚度约为5.9mm，下述以最大5mm为例。
步骤2，根据车辆驶过潮湿路面而溅起的水雾产生机制，计算对应于不同车速的水雾总量。
水膜溅起水雾的产生机制一般有四种波形，包括车头波BW，侧边波SW，胎起波TP和黏附波CA。车头波为轮胎前方产生的水雾，侧边波为轮胎侧边溅起的后向的水雾，胎起波为后胎产生的正后方向的水雾，黏附波为轮胎纵向凹槽卷起的水雾。其中，对后车能见度产生影响的水雾为侧边波SW和胎起波TP。
基于水膜厚度5mm计算对应于不同车速的水雾粒子浓度具体包括如下步骤：
侧边波SW和胎起波TP的水量计算：
Figure BDA0001654648880000041
其中，v是车速，单位m/s；b是轮胎宽度，单位m；h是水膜厚度，单位m；γw是水的密度，1000kg/m3；MRTP和MRSW分别是SW和TP的水量，单位为kg/s；K是轮胎胎面非凹槽的宽度占比，一般取0.75；hfilm是轮胎每次旋转带起的水膜厚度，水深大于0.0001m时取0.0001m，不足时hfilm取为水深；hgroove是胎面上的水厚，水深大于0.01m时取0.01m，不足时hgroove取为水深。
对后车能见度产生影响的水雾总量MR计算：
MR＝MRTP+MRSW
步骤3，采用流体动力学方法得出动水压力与水膜厚度和车速的关系。
当轮胎为中度磨损时，动水压力与水膜厚度和车速的关系计算方程为：
P＝-84.686+2.26V+9.437h-3.9984
其中，P为动水压力，单位kPa；V为车速，单位km/h。
步骤4，利用水射流雾化特性得出水雾粒子平均索特尔直径SMD；
利用水射流雾化特性得出不同动水压力下的水雾粒子平均索特尔直径SMD关系曲线如图2所示。根据动水压力与水膜厚度和车速的关系，取水膜厚度5mm进行计算，得到水膜厚度为5mm时不同车速下的水雾粒子平均直径曲线如图3。
步骤5，基于水雾总量及粒子平均直径，建立水雾浓度模型。
粒子体积分数CV计算公式：
Figure BDA0001654648880000051
其中，MR为车后水雾总量，单位为kg/s；γw是水的密度，1000kg/m3；
水雾粒子浓度N0计算公式：
Figure BDA0001654648880000052
其中，N0是水雾粒子浓度，单位为个/m3；V0是单个水雾粒子的体积，设水雾粒子均为球状水滴。
则当水膜厚度为5mm，对应于车速70，90，120km/h的水雾浓度如表1。
Figure BDA0001654648880000053
表1
除了上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种模拟路表水膜引起车后水雾浓度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据降雨强度及路面特性参数计算得到路表水膜厚度；对于不透水路面，所述路表水膜厚度计算公式为:
h＝0.1258·l0.6715·i-0.3147·r0.7786·TD0.7261；
上式中，h即为路表水膜厚度，单位mm；l为路面排水长度，i为排水坡度，取道路合成坡度；r是降雨强度，单位mm/min；TD是路面构造深度，单位mm；
步骤2，根据车辆驶过潮湿路面而溅起的水雾产生机制，计算对应于不同车速的水雾总量；所述的水雾产生机制包括车头波BW、侧边波SW、胎起波TP以及黏附波CA；对能见度产生影响的后车水雾为侧边波SW和胎起波TP；
步骤3，采用流体动力学方法得出动水压力与水膜厚度和车速的关系；
步骤4，利用水射流雾化特性得出水雾粒子平均直径即索特尔直径SMD；
步骤5，基于水雾总量及粒子平均直径，建立水雾浓度模型。
2.根据权利要求1所述的一种模拟路表水膜引起车后水雾浓度的方法，其特征在于，在步骤3中，当轮胎为中度磨损时，动水压力与水膜厚度和车速的关系计算方程为：
P＝-84.686+2.26V+9.437h-3.9984
其中，P为动水压力，单位kPa；V为车速，单位km/h。
3.根据权利要求2所述的一种模拟路表水膜引起车后水雾浓度的方法，其特征在于，在步骤4中，利用水射流雾化特性得出不同动水压力下的水雾粒子平均直径即索特尔直径SMD，根据动水压力与水膜厚度和车速的关系推出不同水膜厚度和车速下的水雾粒子平均直径。
4.根据权利要求3所述的一种模拟路表水膜引起车后水雾浓度的方法，其特征在于，基于水雾总量及粒子平均直径，建立水雾浓度模型具体如下：
粒子体积分数CV计算公式：
Figure FDA0002727335800000011
其中，MR为车后水雾总量，单位为kg/s；γw是水的密度，1000kg/m3；
水雾粒子浓度N0计算公式：
Figure FDA0002727335800000012
其中，N0是水雾粒子浓度，单位为个/m3；V0是单个水雾粒子的体积，设水雾粒子均为球状水滴。
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