基于風-車-橋系統的車輛氣動力系數對比研究

周記國, 王桂花, 徐鳳月

(1.白城師范學院土木工程學院, 吉林白城 137000; 2.內蒙古大學交通學院,內蒙古呼和浩特 010000)

0 引言

自然風荷載作用下車輛在大跨度橋梁上行駛時,車-橋系統的振動受到風荷載的影響。而自然風環境中的風荷載較大時會威脅到車輛的行車安全[1]。對車輛的行車安全的評價大多數是基于車輛的氣動力系數,而后進行車輛行駛時車輛的振動及車輛輪壓的變化時程計算,最后對車輛的行車安全進行評估。而車輛的氣動特性不僅與車輛的外形有關,還受到橋梁斷面形式及風荷載的類型影響。所以,對車輛氣動特性的正確評估,對車輛的振動特性及行車安全的評價有著至關重要的作用。

對車輛氣動特性的研究,目前主要有風洞試驗與數值模擬2種方法[2-3],在研究車輛的氣動特性的過程中,所建立的測試或計算模型可以分為車輛靜止與車輛運動2種。車輛氣動特性的研究過程中,基于靜止車輛氣動力系數的測試相對容易獲得,而對運動車輛進行風洞試驗時難度會增大。并且車輛的氣動特性受到諸多因素的影響,如車輛的外部尺寸形式[4-5],車輛間的相互遮擋[6-7],由于結構或地形環境影響的風荷載變化[8]。

專家們對車輛氣動特性的研究,得到了不同狀態下車輛的氣動力系數數值大小,進而對研究車輛在道路或橋梁上行駛過程中,車輛的行車舒適性及行車安全性的評價提供基礎數據支撐,并且對車輛安全評價起著至關重要的作用。本文主要考慮車輛在大跨度橋梁上行駛過程中,路面的地表粗糙度、車輛運動模型及車-橋系統的振動對車輛氣動特性的影響,對比計算幾種不同狀況下車輛氣動力系數的數值大小的差別,為車輛的行車舒適及行車安全評價提供基礎數據支撐。

1 風-車-橋分析模型

在大氣邊界層內自然環境的風場的風速隨著高度而變化,其特性受地球表面的地形特性影響,風場沿豎向的變化即為風速剖面,所以風剖面指地表比較平坦并且有地表有較均勻的粗糙特性的地區中風速隨豎向地表高度的分布規律,對于風剖面的形式本文采用指數分布見式(1)。

(1)

對于湍流脈動能k,表達式為式(2)。

(2)

對于大氣湍流特性的描述最基本的參數是湍流強度,湍流強度Iu(z)為離地表高度z、地面粗糙度類別的函數,表達式為:湍流脈動能耗散率ε,其中,Cμ=0.009,l=0.07L,L為特征長度。

為了研究在側向風作用下車輛的氣動特性的變化規律,選用橋梁模型大跨度為鋼箱梁斜拉橋進行數值建模分析,選用車輛模型為大客車如圖1所示,橋梁標準橫斷面如圖2所示。

圖1 大客車模型(單位:m)

圖2 橋梁標準橫斷面(單位:mm)

2 風-車-橋數值分析

本文研究對風荷載的研究主要通過(Computation Fluid Dynamics, CFD)數值模型的方法來進行研究。對流場的分析采用計算流體力學進行數值模擬,對瞬態問題的流體力學計算,需要借助隱式時間積分方案[9]。車輛行駛時,車輛會受到來自車輛行駛時所產生的等效縱向風荷載及不同風速的風攻角、風偏角的自然風綜合作用。則當車輛在行駛過程中受到合成風速UR、風偏角為ψ的風荷載作用時,車輛受到的氣動力及氣動力矩為式(3)。

(3)

式中:Fx為作用于車體質心的阻力;Fy為作用于車體質心的側向力;Fz為作用于車體質心的升力;Mx為作用于車體質心的傾覆力矩;My為作用于車體質心的翻轉力矩;Mz為作用于車體質心的偏轉力矩。與風荷載作用于車體上產生的六分力相對應的為氣動六分力系數,其中:CD(ψ)為車輛的阻力系數;CS(ψ)為車輛的側向力系數;CL(ψ)為車輛的升力系數;CR(ψ)為車輛的傾覆力矩系數;CP(ψ)為車輛的俯仰力矩系數;CY(ψ)為車輛的偏轉系數。

3 車輛氣動力系數

3.1 路面粗糙度的影響

路面粗糙度不同,風荷載剖面及脈動風強度不同,為了研究不同地表粗糙度類別對車輛及橋梁的氣動特性的影響,分別取地表粗糙度α為0.12、0.16、0.22、0.3。4類不同的地表粗糙度時,平均風剖面如圖3所示。其中,以車輛位于來流方向第2車道為研究工況,以橋面下25 m處為零點,參考點高度10 m處產的風速為15 m/s,不同地表粗糙度下車輛的氣動力系數如圖4、圖5所示。

圖3 風剖面

圖4 車輛側向力系數

圖5 車輛氣動力系數

路面粗糙度不同,造成豎向風剖面不同高度處風速大小有一定差別。路面粗糙度等級越高,在豎向風剖面中空中風速越大。而且隨著高度增大,各風剖面間的風速差異也就越大。可以看出,地表粗糙度不同時,車輛的六分力氣動力系數略有差異,由于車輛在側向風荷載作用下,所以主要對比車輛的側向力系數、升力系數、傾覆力矩系數的數值變化。以Ⅰ類地面粗糙度為標準,當地面粗糙度分別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類時,車輛的側向力系數最大變化9.6%、升力系數最大變化8.0%、傾覆力矩系數最大變化9.5%。總體由于車輛位置處的風速隨著地表粗糙度增大而風速增大,而車輛的氣動力系數是由車輛的車體外表風壓的合力構成,所以車輛的氣動力系數總體隨著地表粗糙度增大而略有小幅度減小。

不同路面粗糙度下風荷載作用在車輛上時,對車輛的氣動特性來說,最終體現的是車輛受到的側向風荷載的風速作用均勻程度。由于車輛的豎向高度較小,所以不同梯度風荷載的作用對車輛的氣動特性影響不大。由此可看,對車輛的氣動特性研究時,風荷載的選擇可以盡量考慮橋梁所在環境的實際地表粗糙度的類別。但如果研究車輛在橋上行駛過程中車輛的行車安全或行車舒適性時,應考慮具體環境下路面粗糙度對風荷載的風剖面的影響。

3.2 車輛行駛的影響

車輛在橋上行駛時車輛是運動的,但橋梁是靜止的。目前對車輛氣動力系數的研究中,大多常見分析模型是車輛靜止在橋上而改變風偏角進行車輛風荷載加載從而獲得車輛的氣動力系數,但車輛以不同速度在橋上行駛,而橋梁相對靜止時,車輛的氣動力系數是否存在差異需要作進一步的研究。以大客車在大跨度鋼箱梁上為研究對象,采用動網格技術分別分析,車輛靜止在橋上改變風偏角與車輛在橋上行駛采用合成風速與風偏角2種技術對車輛的氣動特性進行研究,其中車輛在橋上行駛時,分別采用車輛以45 km/h、90 km/h 這2種工況進行對比分析。車輛的氣動三分力系數隨風偏角的變化見圖6。

圖6 車輛三分力系數

總體比較可以看出,從車輛靜止到車輛行駛時車輛的氣動力系數是增大的。當車輛以90 km/h的速度行駛時,車輛的側向力系數、升力系數、傾覆力矩系數相對最大,車輛以45 km/h的速度行駛時車輛的氣動三分力系數數值大小介于車輛靜止與90 km/h速度行駛之間。以車輛靜止時車輛的氣動力系數為標準,對比研究+40°～-40°風偏角范圍內車輛的側向力系數與傾覆力矩系數的變化幅度可以得到,當車輛以分別以45 km/h、90 km/h的速度行駛時,車輛的側向力系數最大增幅分別為19.89%與52.73%,車輛的傾覆力矩系數最大增幅分為17.28%與58.12%。

雖然2種研究方法導致車輛的氣動力系數的數值大小存在差異,但車輛的氣動三分力系數隨著風偏角的變化規律基本一致。其中車輛的側向力系數與車輛的傾覆力矩系數均在0°風偏角附近出現最大值,這說明車輛受到的合成風偏角為0°作用時,車輛外表面的風壓荷載出現最大值,但對于車輛的側向力系數及車輛的傾覆力矩系數確不一定為最大值。而車輛的升力系數最大值出現在風偏角為±40°附近時。

車輛在橋上靜止與車輛在橋上行駛2種不同的分析模型對車輛的氣動力系數進行研究,所得到的車輛的氣動力系數存在差異。導致2種研究方法存在差異的要本原因是,對于車輛受到的合成風速與風偏角雖然相同,但是2種研究方法中橋梁受到的合風風速與風偏角確存在較大差異。這是因為,車輛受到的風荷載為車輛行駛產生的風荷載與外界自然風荷載的合成作用,而橋梁則只受到外界風荷載的單獨作用。由此可看,當研究車輛的氣動力系數時,需要考慮車輛在橋上行駛時實際的行駛速度,進行有針對性的研究車輛的氣動特性。

4 結論

本文對風-車-橋耦合系統建立了風-車-橋三維空間分析模型,針對不同地表粗糙度類別及車輛靜止與車輛行駛狀況,對車輛及的氣動力系數的差別進行了進一步的分析,得到主要結論:

(1) 側向風荷載作用下,研究車輛及橋梁的氣動力系數,需要考慮側向風荷載的梯度風剖面的影響,盡可能考慮實際地表路面粗糙度的影響。

(2) 研究車輛在橋上行駛時車輛的氣動力特性時,需要考慮實際車輛的行駛速度進行分析車輛的氣動力系數。

(3)分析風荷載作用下車輛在橋上的行車安全臨界風荷載,應考慮車橋系統周圍環境及車橋耦合效應的影響。