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38500字硕士毕业论文高速公路桥梁段周围流场分析

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:38500字
论点:气流,流速,高速公路
论文概述:

本文通过对高速公路桥梁段周边流场进行数值模拟,讨论了高速公路桥梁段周边气压、流速分别沿高度和垂直桥梁长度两个方分布的一些规律和特点;考虑流速和地貌特征两种影响因素,给出高速公

论文正文:

介绍

 1.1课题研究背景和意义1.1.1课题背景由于其飞快的建设速度,带来了公路生态环境保护技术、理论研究、实践等反面的相对滞后。高速公路建设不可避免地引起区域自然环境、社会环境和生态环境的变化,间接或直接地破坏了所在区域生态环境的平衡状态。其中大气环境污染是一系列环境问题中不可忽视的一部分。高速公路建成后,由于其改变了原始区域空气流场的平稳形态,高速公路区域污染物(汽车尾气和灰尘等)的扩散主要受区域气流场(平均流场、瑞流场)的影响,使得沿线地区的大气环境污染度增加,这种污染还会随着高速公路运营时间的增长及交通量的增加而不断加重。 1.1.2课题意义及研究方法本文采用的数值模型是计算流体力学模型,计算流体力学模型是通过数值方法求解流体力学控制方程的离散解,依赖于数学上的一组偏微分方程,用于模拟近地面处流场,可以充分再现复杂地形空气的流动,是流场分析技术的发展趋势。计算流体力学已成为流体力学研究领域与理论流体力学和实验流体力学相提并论的研究方法,广泛用于流场的数值计算,并在许多工业设计和生产领域作为关键技术融入工业产品的设计和生产过程中。
 1.1.3影响流场的因素流场分析是根据对实地流场要素的观测与分析,计算出流速、流向,总结出流场要素变化的规律。(1)流速是流场分析中最重要的参数,流场能量的大小一般用流速、风能密度、有效小时数及流场能量总储量等来度量。(2)瑞流也是流场分析的参数。当气流场中的流速增大到一定程度,流场中有许多小漩祸,这些漩祸是流场中的瑞流,又称为乱流、扰流或紊流。瑞流产生主要有两个原因,一个是气流流动时,受到了地面粗糙度的阻滞作用,第二个是空气密度和大气湿度的差异而引起的气流垂直方向的运动。描述瑞流的物理量有瑞流强度,公式如下:
 2高速公路环境气流特征分析
 2.1近地面气流的特征气流是大气中热力与动力共同作用的产物,空气在大气压力梯度的作用下,从气压大的地方向气压小的地方做水平流动时就形成了气流。气流是由于太阳对地球表面的不均勾加热造成大气温度、密度和压力存在差别而产生的。它同时还受到地球的自转、地表粗糙度以及地形变化等的影响。模拟高速公路周边区域的气流场,首先要了解大气边界层内气流的特性。
 2.1.1大气边界层大气的运动可以用各种尺度气流相互叠加来描述。按水平尺度分类,气象学上通常分为微尺度、中尺度和天气尺度三类。为尺度包括特征尺度小于或等于20km、时间尺度小于m的运动,天气尺度包括特征尺度大于或等于500km、时间尺度在2h以上的运动,而中尺度则界于上述二者之间。流速随时间和空间的变化是随机的,但通过研究发现:从大量的近地面流速的实测过程中可以看出,可将流速看作由两部分组成:第一部分是长周期部分,其周期大小一般在lOmin以上,另一部分是短周期部分,是在平均流部分基础上的波动(或称为脉动),其周期常常只有几秒至几十秒。前者称为平均流,其作用属静力性质;后者称为脉动流,其作用属动力的,且属于随机的动荷载。
 3高速公路桥梁段周边流场的数值模拟.................293.1计算模型的建立.................293.2确定计算域.................293.3计算区域的离散——网格划分.................303.4湍流模型的选取.................323.5边界条件与参数设定.................333.6数值模拟结果.................344不同入射流速、不同地貌时高速公路桥梁段周边气流场的特征.................534.1流速对气流场的影响.................534.2地表粗糙度对气流场的影响.................585结论.................65
 结论
 本文的主要内容是基于数值模拟方法中的大气边界层中高速公路桥梁段气流场的模拟与研究。介绍了课题研究背景和方法与目前的研究现状;介绍了大气边界层内气流的特征,说明了平均流和脉动流的不同;介绍了数值模拟方法的基本理论,为本文的研究提供了理论依据。通过对高速公路桥梁段周边流场进行数值模拟,讨论了高速公路桥梁段周边气压、流速分别沿高度和垂直桥梁长度两个方分布的一些规律和特点;考虑流速和地貌特征两种影响因素,给出高速公路桥梁段周边流场的变化规律,为高速公路周边区域空气环境治理提供可靠的依据。通过上述的工作,得出如下主要结论:(1)建立了数值计算模型,选择合适的计算流域,采用六面体非结构化网格对计算流域进行了离散,瑞流模型采用RNGA:-E模型,壁面函数选择非平衡的壁面函数,采用编写的入口处流速和瑞流强度,用UDF做接口实现,对该高速公路桥梁段周边流场做出数值模拟。(2)研究了高速公路桥梁段周边气流场沿高度方向的变化规律。来流遭遇桥梁后,气流发生分离、再附,在此过程中往往伴随着祸流的产生;桥梁尾流区存在多个漩祸,大小不一,相互影响,流动状态复杂;桥梁表面流速低,气压大;桥墩之间产生狭缝效应,流速达到峰值;桥梁迎风面气压为正压,背风面气压为负压;距离桥梁前后25m之外流场趋于平稳。  参考文献:[1]曹力媛.高速公路建设的生态环境问题与对策研究[J].山西交通科技,2000,4.蔡志洲.论公路建设的生态影响[J].公路交通科技,1995,3.张喜荣,赵晶等.我国高速公路发展与生态环境保护对策研究[J].产业与科技论坛.2010,9.[4]马超.谈我国高速公路对环境的影响[J].黑龙江交通科技.2011,5王瑞金等.FLUENT技术基础与应用实例.北京.清华大学出版社.2007贺德馨.我国风工程研究现状与展望.力学与实践.2002_ 24(4). 10-19项海帆.结构风工程研究的现状和展望.振动工程学报.1997(9).Gurley K’ Kareem A. Analysis interpretation modeling and simulation of unsteady wind andpressure data[J]. J. Wind Eng.Ind.Aerodyn. 1997,69-71 ;657-669.Selvam R P. Computation of pressure on the Texas Tech Building [J]. Journal of WindEngineering and Industrial Aerodynamics, 1992 (41 - 44):1619.杨伟,顾明.高层建筑三维定常风场数值模拟.同济大学学报.2003.31(6). 647-651