自然风作用在车辆上时使车辆产生气动力，当风荷载较大时会对车辆的行车安全产生较大影响，特别是当车辆受到突变的风荷载作用时车辆的气动力会突变，对车辆的行车安全较为不利。车辆在公路路线中行驶时，有时车辆会驶出隧道至桥上时车辆突然受到较大自然风荷载的作用，此种风荷载突变会使车辆突然产生较大气动力，从而对驾驶员带来较大影响甚至会使车辆发生安全事故。车辆行驶于桥上时车辆的气动特性会受到桥梁断面几何特性的影响，由于桥塔的遮风效应影响当车辆在桥上行驶经过桥塔区域时，车辆会经历风荷载的突然减小到突然增大的过程车辆的气动力突变较大，对车辆的行车安全产生较不利的影响。

一般通过数值模拟计算或风洞试验的方法对车辆突变风荷载效应进行研究。艾辉林、陈艾荣^[1]采用数值风洞模拟的方法，对桥面无附属结构、桥面有栏杆以及桥面有风障3种情况下桥塔区域的风场进行了模拟研究，结果显示桥塔对桥面风速折减较大，车辆经过桥塔区域时车辆可能产生侧滑的危险。李磊^[2]等采用风洞试验的方法，使车辆静止于桥塔区域的不同位置进行测试，对厢式货车在桥塔区的气动力特性进行了研究，结果表明桥塔的存在对车辆的行车安全及行车控制产生较大影响。李永乐^[3]等采用风洞试验的方法对三车模型和单车模型通过桥塔及双车交会时车辆受到突变风荷载过程中车辆的气动力系数进行了测试，总结了风速、车速等对车辆气动力系数的影响。本文基于CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟的方法，对大客车驶出隧道到桥上时车辆从无侧向风作用到突然受到侧向风作用的过程以及车辆行驶经过桥塔区域车辆从受到无遮挡侧向风作用到受桥塔遮风影响再到驶出桥塔区受到无遮挡侧向风作用的过程进行研究，讨论风速、行车速度以及车辆在桥面横向不同位置行驶经过桥塔区域对车辆气动力的影响并对车辆受到风荷载突变过程中车辆的安全稳定性进行评价。

1 计算模型 1.1 车辆及桥梁模型

为了研究在侧向风作用下车辆从隧道中驶出到桥上以及车在桥上行驶经过桥塔区域时车辆气动力的变化规律，选用车辆模型为大客车如图 1所示，选用桥梁模型为钢箱梁其标准横截面如图 2所示，在数值模型建模中忽略桥上栏杆等附属设施影响，各模型尺寸在数值建模中均采用1∶1进行建模。

图 1 大客车模型(单位：m) Fig. 1 Bus model (unit: m)

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图 2 桥梁横断面(单位：m) Fig. 2 Bridge cross-section (unit: m)

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流场的数值模拟分析采用ANSYS FLUNET进行分析，研究车辆驶出隧道到桥上时数值风洞模型的立面如图 3所示，研究车辆行驶经过桥塔区域时数值风洞模型的立面如图 4所示，

图 3 车辆驶出隧道数值风洞立面(单位:m) Fig. 3 Numerical wind tunnel elevation of vehicle passing out tunnel (unit: m)

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图 4 车辆驶过桥塔数值风洞立面(单位:m) Fig. 4 Numerical wind tunnel elevation of vehicle passing through bridge pylon (unit: m)

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其中车辆内侧距桥面边缘迎风一侧距离为9.95 m，数值风洞模型的平面如图 5所示。流场模型采用四面体网格进行划分，在车辆周围区域的网格进行加密处理，网格划分如图 6、图 7所示。在瞬态分析中为了保证气动力的计算精度，让车辆周围流体加密区随着车辆一起作刚体运动保持移动车辆的边界层不变。本文研究车桥耦合状态下车辆的气动力特性，属于流线型钝体绕流，考虑计算精度与效率，采用专门用于处理具有壁面边界空气流动问题的Spalart-Allmaras (1 eqn) 模型进行数值模拟。数值风洞模型图 3中AC边界为速度入口边界，AB，BD，CD为压力出口边界。

图 5 数值风洞平面 (单位:m) Fig. 5 Nuemrical wind tunnel plane (unit: m)

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图 6 车辆驶出隧道模型网格划分示意图 Fig. 6 Schematic diagram of meshing of model of vehicle passing out tunnel

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图 7 车辆驶过桥塔模型网格划分示意图 Fig. 7 Schematic diagram of meshing of vehicle passing through bridge pylon

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车辆受到风荷载作用时车辆会产生气动阻力F_z、侧向力F_x、竖向升力F_y、倾覆力矩M_z、偏转力矩M_y、俯仰力矩M_x的六分力作用如图 8所示，其中当车辆行驶速度为V_t、车辆所受的侧向风速度为V_w，车辆的气动三分力系数定义为：

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图 8 车辆气动力分量示意图 Fig. 8 Schematic diagram of vehicle aerodynamic force components

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首先研究在无侧向风作用下，车辆驶出隧道、经过桥塔区域时车辆气动力的变化规律。采用时间步长为0.05 s的数值模拟进行瞬态分析当车辆以80 km/h 的速度分别驶出隧道、经过桥塔区域时车辆的气动力特性变化规律。车辆的气动三分力系数的变化规律如图 9所示。

图 9 无侧风时车辆气动力系数变化规律 Fig. 9 Variation regularities of aerodynamic coefficient without cross-wind

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由图 9可知，在无侧向风作用下，车辆驶出隧道及车辆行驶经过桥塔区域时车辆的倾覆力矩、升力、侧向力系数均约为0。这是由于车辆在无侧风作用下，车辆在自由行驶过程中车辆只受到由于车辆行驶产生的正面风荷载作用，使车体正表面压力较大、车辆两侧表面压力较小并且压力大小及分布基本相同、其它表面压力均较小。所以车辆的倾覆力矩系数、侧向力系数均为0是很容易理解的，车辆的升力系数也为0只是说明车辆在此车速行驶下车辆的升力系数为0。此分析结果是符合实际的，同时也说明了本文数值模拟程序的正确可行性。

3 有侧风车辆驶出隧道时气动力变化

为了研究有侧向风作用下，车辆驶出隧道时车辆气动力的变化规律，采用车速为80 km/h，100 km/h驶出隧道，同时分别受到风速为8 m/s，15 m/s的侧向风作用，采用时间步长为0.05 s的瞬态分析进行数值模拟，车辆的气动三分力系数的变化规律如图 10所示。

图 10 车辆驶出隧道时气动力系数变化规律 Fig. 10 Variation regularities of aerodynamic coefficient when vehicle leaving tunnel

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由图 10可知，车辆在隧道内行驶时车辆受到的气动倾覆力矩系数和侧向力系数约为0，这是符合实际的，同时也说明本程序模拟的正确性。当车辆行驶到距隧道出口约5 m位置车辆的气动力系数开始增大直至车辆驶出隧道15 m位置处车辆的气动力系数增至最大趋于稳定，车辆的气动力系数增大过程对应车辆的总行程为20 m。可以得出：当车辆以80 km/h 的速度行驶时，车辆在0.9 s的时间内车辆的气动力三分力系数迅速增大，这也说明了当车辆行驶出隧道时车辆的气动力突然增大，这种车辆受力突然增大会对驾驶员的操作及车辆的行车安全带来很不利的影响。

由图 10还可以看出，当车辆以不同车速行驶同时受到不同风速的侧向风作用时车辆的气动力系数差别较大，但车辆的气动三分力系数变化规律基本相同。当车辆在一定风速的侧向风作用下，车速越大车辆的气动力系数越小；当车辆在一定车速下行驶时，侧向风速越大车辆的气动力系数越大。这是因为车辆在行驶过程中受到由车辆行驶所产生正面风荷载与车辆受到侧向风荷载的联合作用，假定风偏角沿桥梁横向为0°，顺桥向为90°，车辆实际受到联合风荷载作用时风偏角越小，车辆的气动三分力系数越大。而当车速一定时风速越大合成风偏角越小，侧向风速一定时车速越大合成风偏角越大，所以本文分析结果是符合实际情况的。

当车辆在以80 km/h速度行驶同时受到速度为15 m/s 的侧向风作用时，车辆分别位于隧道中、车体一半行驶出隧道、车辆完全驶出隧道时大客车的车体风压如图 11(a)~图 11(c)所示。由图 11(a)可以看出，虽然车辆位于隧道中不受侧向风荷作用，但由于车辆行驶导致车辆受到正面风荷载作用，使车辆正面风压较大，但车辆的侧面风压较小，从而车辆的倾覆力矩与侧向力较小；由图 11(b)~图 11(c)可见，车辆驶出隧道过程中，车辆侧面受到的风压逐渐增大从而导致车辆受到的气动倾覆力矩和侧向力逐渐增大至稳定。

图 11 车体风压图(单位:Pa) Fig. 11 Nephogram of wind pressure(unit:Pa)

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为了研究车辆通过桥塔区域时车辆的气动力变化规律，采用车速以80 km/h，100 km/h通过桥塔区域同时分别受到风速为8 m/s，15 m/s的侧向风作用，桥塔在桥梁纵向长度为13.612 m，数值模拟采用瞬态分析，时间步长为0.05 s，大客车的气动三分力系数变化规律如图 12所示。

图 12 车辆驶过桥塔时气动力系数变化规律 Fig. 12 Variation regularities of aerodynamic coefficient when vehicle passing through bridge pylon

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由图 12可看出，当车辆行驶过桥塔区域时车辆的三分力系数的变化规律基本相同，图中左侧虚线表示车辆头部刚进入桥塔区域，右侧虚线表示车辆尾部刚驶出桥塔区域。由图 12可看出，车辆行驶位于距桥塔区域前约5 m位置处时车辆的气动力系数就开始变化，直至车辆驶出桥塔区域约5 m后车辆的气动力系数才不受桥塔区域影响，由此可知桥塔对车辆的遮风影响区域比桥塔实际的尺寸大。并且可得出：当车辆以80 km/h行驶通过长度13.612 m的桥塔时，大客车的气三分力系数在1.5 s内经历突然减小至0而后又突然增大的过程，这也说明了当车辆行驶经过桥塔区域时车辆的气动力会发生突变且对驾驶员的操作及车辆的行车安全也会带来很不利的影响。

由图 12可以看出，当侧向风速一定时，车速越大车辆的气动力系数越小；车速一定时侧向风速越大车辆的气动力系数越大。大客车的气动力系数随车速、风速的变化规律与大客车行驶出隧道时车辆的气动力系数变化规律相同且数值相符，也说明了程序模拟的正确性。

当车辆在以80 km/h速度行驶同时受到速度为15 m/s 的侧向风作用时，车辆分别位于未进入桥塔区域时，车辆完全进入桥塔区域，车辆完全驶离桥塔区域时车体表面的风压如图 13所示。由图 13可知，车辆在未进入桥塔时车体的正面及侧面风压均较大；当车辆完全驶入到桥塔区域内时由于侧向风被桥塔所遮挡，车辆主要受到来自车辆行驶所产生的正面风荷载作用，所以车体的侧面风压很小只有车体的正面风压较大；当车辆完全驶离桥塔区域时车辆再次受到较大侧向风荷载与车辆行驶产生的正面风荷载同时作用，车体的正面及侧面风压均较大。

图 13 车车体风压图(单位：Pa) Fig. 13 Nephogram of wind pressure (unit:Pa)

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为了考察车辆在桥上横向不同位置驶过桥塔区域时车辆的气动力变化规律，使大客车分别位于桥面横向6个车道的不同位置处行驶通过桥塔，位置1至位置6分别为车辆内侧距桥面迎风侧边缘距离9.95，13.75，17.25，23.7，27.2和30.95 m位置处。数值模拟采用瞬态分析，时间步长为0.05 s，车辆以100 km/h的速度行驶过桥塔区域同时受到风速为15 m/s的侧向风作用时大客车的气动三分力系数变化规律如图 14所示。由图 14可知，随着车辆在横向离桥塔越远位置处通过桥塔区域车辆的气动力系数突变越小，但车辆位于位置6通过桥塔区域时车辆的三分力系数波动幅度比车辆位于位置5通过桥塔区域时车辆的三分力系数波动幅度略大。出现这种波动现象是因为桥梁桥塔同一位置处有左侧桥塔和右侧桥塔，侧向风速受到左、右侧两桥塔遮挡的影响，实际风场的风速在两桥塔之间的区域分布呈现哑铃形，即风场的风速在两桥塔内侧离桥塔较近位置处风场风速较小，在两桥塔中间离两桥塔内侧较远位置处风场风速最大，从而导致了车辆在由靠近迎风侧桥塔内侧位置逐渐远离迎风侧桥塔靠进另一侧桥塔位置行驶通过桥塔区域时车辆的气动三分力系数波动幅度呈现先逐渐减小而后略有增大的现象。

图 14 车辆位于横向不同位置时气动力系数变化规律 Fig. 14 Variation regularities of aerodynamic coefficient when vehicle locating at different transverse positions

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当车辆受到较大的风荷载作用时车辆会产生较大的气动力甚至会影响到车辆的行车安全，由本文分析可知当车辆受到突变的风荷载作用时车辆的气动力也会突变，严重时也会影响到车辆的行驶安全。由自然风引起车辆的安全问题主要为倾覆、侧滑、侧偏3种，倾覆与侧滑最为常见。当车辆发以车速V_t行驶在半径为R的弯道中同时受到风速为V_w的侧向风作用时，定义车辆的倾覆安全稳定系数f_Kt、侧滑安全稳定系数f_Ks 如式(2)~(3)所示。

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考察当大客车驶出隧道及行驶经过桥塔区域时大客车经历风荷载突变过程时大客车的安全稳定变化情况，结合前文分析结果并取大客车质量m为11 t、道路平曲线半径R为无穷大、路面横坡为2%、侧向附着系数μ_s为0.5。当大客车以80 km/h速度行驶同时受到速度为15 m/s的侧向风作用时，计算结果略去数值较大部分大客车倾覆、侧滑的安全稳定系数变化过程如图 15所示。由图 15可知，车辆在驶出隧道及车辆驶过桥塔区域时车辆的倾覆、侧滑稳定系数突变幅度很大，在很短的时间内由车辆在隧道中行驶或车辆行驶至桥塔区域时车辆的稳定系数均很大，突变为当车辆行驶至完全受侧向风作用时车辆的稳定系数降低至3，若风速更大或路面状况较差时数值更小。由此说明当车辆行驶出隧道及车辆行驶通过桥塔区域时车辆风荷载的突变会对驾驶员的操作、车辆行驶的舒适性产生不利影响，会危及车辆的行车安全，车辆较容易发生倾覆、侧滑的危险。

图 15 车辆安全稳定系数 Fig. 15 Safe coefficient of vehicle

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基于本文对移动车辆行驶出隧道到桥上以及车辆行驶过桥塔区域时车辆的气动力变化规律的CFD数值模拟研究，主要可得出以下结论：

(1)车辆驶出隧道或车辆行驶经过桥塔区域时车辆的气动力系数突变较大，车速越大车辆表面的风压越大但车辆的气动力系数越小，风速越大车辆表面的风压及气动力系数越大。

(2)车辆驶出隧道或车辆行驶至不受桥塔遮风影响区域时，车辆气动力由车辆行驶所导致的正面风及自然风荷载同时作用产生，隧道口处及桥塔的遮风效应影响区域比结构实际尺寸大。

(3)侧向风作用下，风场风速在两塔柱间呈“哑铃形”分布，两桥塔内侧附近流速较小，两桥塔中间位置处流速较大。车辆在桥面横向由逐渐远离迎风侧桥塔位置至靠近另一侧桥塔位置行驶通过桥塔时，车辆的气动力系数波动幅度呈现先减小后增大的现象。

(4)车辆行驶穿出隧道及车辆行驶经过桥塔区域时，车辆的倾覆、侧滑安全稳定性系数突变较大，对车辆行驶的舒适性及驾驶员的操作产生较不利的影响，车辆较容易发生倾覆、侧滑的危险。