[發明專利]考慮動態交通流影響的城市高架橋附近流場數值模擬方法

在審

• 申請號: 201611185980.2
• 申請日: 2016-12-20
• 公開（公告）號: CN106844856A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 劉永紅;黃玉婷;徐偉嘉;楊鵬史
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 林麗明

技術領域

本發明涉及道路交通與環境領域，更具體地，涉及一種考慮動態交通流影響的城市高架橋附近流場數值模擬方法。

背景技術

我國城市機動車尾氣污染問題日益突出，嚴重影響城市空氣質量。隨著對工業源和生活源污染控制工作的有效開展，機動車將成為城市完成空氣質量考核及改善人居環境的重要治理對象。

上述空氣污染通常在城市一般區域，即離道路較遠的位置所監測，但城市道路兩側區域(如交叉口、街道型峽谷、高架橋)的空氣污染往往更為嚴重，而往往這些區域又是人流密集區域，因此，城市道路附近的空氣質量對城市居民健康影響尤為重要。機動車尾氣污染物在的擴散和分布主要受道路擴散條件的影響，也即空氣流場影響。

在過去十幾年里，城市土地資源日益緊張，高架橋成為解決我國日益嚴重的城市交通擁堵問題的重要手段。與一般道路和峽谷型道路相比，因高架橋獨特的物理結構、以及抬升高度的交通源影響，高架橋這樣的道路形態帶來的流場和污染分布更為復雜。通過數值模擬手段，獲取高架橋附近流場情況，對于分析和預測道路附近的污染分布具有重要意義。

發明內容

本發明提供一種考慮動態交通流影響的城市高架橋附近流場數值模擬方法，該方法可以為城市污染熱點區域的空氣污染評估提供依據，并為城市交通規劃和空氣環境改善提供有效參考。

為了達到上述技術效果，本發明的技術方案如下：

一種考慮動態交通流影響的城市高架橋附近流場數值模擬方法，包括以下步驟：

S1：構建高架橋和其周邊環境的簡化物理模型；

S2：參數化交通流動態特性對流場的影響；

S3：劃分交通流運動對流場產生作用的范圍；

S4：將交通流引起的湍流動能加載到數值模擬的控制方程中；

S5：應用計算流體力學方法，求解控制方程，進行數值模擬。

進一步地，所述步驟S1中構建高架橋的簡化物理模型的過程是：

獲取高架橋的幾何結構特征和關鍵參數，將高架橋的物理模型簡化為橋面和橋墩兩部分結構，將高架橋橋面物理模型構建為長方體模型，關鍵參數包括橋面寬度和厚度，橋面寬度為道路橫斷面總體寬度，厚度即為從橋墩與橋面連接處至高架橋面車行道面的高度，其中若高架橋路面兩側有聲屏障設施，也應將其考慮到物理建模中。

進一步地，所述步驟S1中構建高架橋周邊環境的簡化物理模型的過程是：

獲取高架橋周邊環境影響流場的關鍵結構參數，即地面街道寬度、車道數和車道寬度、兩側建筑物布局、建筑物高度及與高架橋距離，其中，道路中央綠化帶及路邊綠化、其他道路輔助設施均可忽略。

進一步地，所述步驟S2的具體過程如下：

S21：獲取交通流量、車流速度、車隊組成結構數據；

S22：利用S21中獲取的交通流相關數據，計算交通密度為：

其中，Q為交通流量，v為車隊平均速度；

S23：計算車隊平均阻力系數為：

其中，i為車輛種類標簽，w_i為車隊中i類車輛的占比，C_i為i類車輛的阻力系數；

S24：計算車隊平均迎風面積為：

其中，i為車輛種類標簽，w_i為車隊中i類車輛的占比，A_i為i類車輛的阻力系數；

S25：用流體力學中的湍流動能物理量來表征交通流運動對空氣流場的影響，計算式如下：

VIT為道路車輛運動引起的湍流動能，單位為m²/s²，δ是空氣密度，單位為g/m³，C_d是車隊平均阻力系數，A_T是車隊平均迎風面積，單位為m²，B和H分別為是特征寬度和特征高度，表征車輛引起的湍動能的影響范圍，與車輛大小有關，B值一般取車道邊緣線外3～4m，H值一般取4～5m。

進一步地，所述步驟S3的具體過程是：

根據步驟S25中的特征寬度B和特征高度H，在數值模擬計算域中劃分出交通流運動對流場產生作用的范圍，在該范圍內數值模擬計算方程包含一個額外的湍流動能項表征交通流運動的影響，在該范圍以外交通流運動引起的湍流動能已耗散至較小值，不考慮其影響。

進一步地，所述步驟S4的具體過程是：