[发明专利]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

说明书

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：