横风环境下大跨度桥梁上车辆的安全性研究

作     者：徐文泰 

作者单位：上海应用技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗剑平;顾品强

授予年度：2020年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 082303[工学-交通运输规划与管理] 0814[工学-土木工程] 082302[工学-交通信息工程及控制] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：横风 汽车行驶稳定性 防护栏 大涡模拟 大跨度桥梁 

摘      要：一直以来交通运输过程中突发性的横风影响都是一个亟需解决的问题,高速行驶中的汽车在遭遇突发性的横风时,车身周围的流体环境会急剧的变化,车身受到的气动力载荷也会发生突然地改变,汽车行驶的稳定性便会受到较大的影响,严重的话可能发生惨烈的交通事故。实际生活中,因为近地面大气边界层的物理特性,大跨度桥梁这种环境相对其他环境就比较特殊,突发性的横风在这种状态下的破坏性就可能更强,而且更加具有不可预见性。近年来中国大跨度桥梁的建设不断加速和增多,汽车在此类场景下受突发性横风的影响也更大,横风穿过大桥护栏后的流场是比较复杂的,复杂的流场会使汽车产生多变的气动力载荷,而突变的气动力载荷可能会导致汽车失去行驶的稳定性,所以有必要对横风环境下大跨度桥梁上汽车的安全性进行深入的研究。本课题对实际汽车进行了等比例的建模,在考虑计算可行性的基础上保证了模型的完整性。基于计算流体力学和空气动力学理论,使用大涡模拟的湍流模型,建立了大跨度桥梁上不同高度、不同距离间隙和不同直径的防护栏,得到了汽车车身的气动力载荷以及汽车车身和周围环境的流场状态。通过计算得到的气动力与不同横风等级下汽车的气动力载荷进行对比分析,了解了不同形式防护栏下汽车稳定性的变化。研究结果表明:汽车的稳定性在一定程度上会随着防护栏高度的不断增加而增加,汽车升力和侧向力的变化主要是由横风通过护栏之后的湍流变化引起的,护栏直径的变化会引起横风流动状态的改变,因此汽车的稳定性会随着直径的增加存在一定程度的增加,不过并不是线性增加,也存在减小的现象。通过对这些工况的分析,本文也根据数值模拟得到的数据对汽车行驶的状态进行了安全性的评价,给出了相应护栏设计的建议。