CC BY
33
АЭРОДИНАМИКА ВЫПУКЛОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО КРИВОГО УЧАСТКА АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ
AERODYNAMICS CONVEX VERTICAL CURVE ROAD SECTION
Шукуров И.С.
Shukurov I.S.
МГСУ
По результатам обработки экспериментальных данных получены зависимости для определения аэродинамических коэффициентов, учитывающих геометрические параметры транспортных средств и крутизну склона местности а, которые могут быть применены в практику проектирования.
On results processing of experimental data dependences are got for determination of aerodynamic coefficients, taking into account the geometrical parameters of transport vehicles and steepness of slope of locality a, which can be applied in practice ofplanning.
Современная автомобильная дорога должна обеспечивать возможность безопасного движения автомобилей с расчетной скоростью.
В настоящее время, несмотря на множество исследований влияния воздушного потока на движения автомобиля имеются ряд нерешенных проблем, связанных с природно-климатическими условиями (например, «сахара-эффекта», «блескость», перегрев поверхности дороги в степных зонах и т.д.) и орографией автомобильной дороги.
Из всех природных условий рельеф является наиболее характерным и определяющим состояние поверхности дороги. Он является важным фактором, влияющим на планировку, благоустройство и на экономику дорожного строительства.
В инженерной подготовке территорий рельеф разделяется на: равнинный и горный.
В свою очередь равнинный рельеф разделяется на следующие принятые в градостроительной практике категории[1].:
• собственно равнинный рельеф с крутизной склонов в пределах 0-0,4%;
• равнинный (ровный) рельеф с крутизной склонов в пределах 0,4-3%;
• слабо пересеченный рельеф с крутизной склонов в пределах 3-6%;
• пересеченный рельеф с крутизной склонов в пределах 6-10%;
• сильно пересеченный рельеф с крутизной склонов в пределах 10-20%;
• очень сильно пересеченный рельеф с крутизной склонов более 20%;
В последующем данные категории были трансформированы для целей строительства автомобильных дорог с подразделением рельефа на пять классификацией: равнинный; слабохолмистый; холмистый; гористый; горный.
Рельеф оказывает огромное влияние на выбор основных геометрических элементов автомобильных дорог (продольного уклона, радиусов кривых в плане и т.д.), а также определяет коэффициент развития трассы в плане.
4/2010
ВЕСТНИК
МГСУ
К числу опасных природных воздействий на безопасность относятся сильные порывы ветра, опасные для движения по открытой местности. Известны случаи, когда шквальные порывы ветра в степных и горных районах опрокидывали автобусы и грузовые автомобили с высокими фургонами.
В значительной части территории РФ средние годовые скорости ветра больше 6-9 м/с. Немало районов, где скорости ветра превышает 30-40 м/с. В таких местах опасен момент выезда автомобиля из зон «затишья», где неожиданно для водителя на автомобиль воздействует порыв ветра.
Силы сопротивления качению и сопротивления воздушной среды всегда действуют на движущийся автомобиль. Аэродинамический расчет, т.е. определение суммарных сил, моментов и поверхностного распределения напряжений является важнейшими элементами аэродинамического исследования автотранспортных средств.
Распределение давлений вокруг движущейся машины отражается на ее движении по дороге, а при больших скоростях на устойчивость автомобиля.
Аэродинамическое сопротивление воздушной среды движению автомобиля вызывается:
- лобовым сопротивлением, которое обусловлено разностью давления воздуха спереди и сзади движущегося автомобиля;
- трением воздуха о боковую поверхность автомобиля и сопротивлением, создаваемым выступающими частями автомобиля - крыльями, зеркалами, номерными знаками и другие;
- затратой мощности на завихрение воздушных струй за автомобилем, около колес и под кузовом;
Сопротивление воздуха Рв зависит от скорости движения автомобиля ьа (км/ч), его лобовой площади Е (м2) и коэффициента обтекаемости автомобиля К (кг/м3). Поэтому при конструировании автомобилей уделяется большое внимание снижению воздушного сопротивления путем повышения обтекаемости.
Габариты лобовой площади в зависимости от типа автомобиля приняты в соответствии с формулой [2]:
Главный элемент, определяющий аэродинамику автомобиля, - задняя часть кузова. Здесь счет идет уже не на сотые, а на десятые доли Сх-коэффициента аэродинамического сопротивления. Сопротивление трения обусловлено "прилипанием" к поверхности кузова слоев перемещающегося воздуха, вследствие чего воздушный поток теряет скорость. Чем меньше образуется локальных завихрений, мешающих нормальному перетеканию струек воздуха под действием разности давлений, тем меньше будет и сила лобового
сопротивления. И поэтому чем меньше по площади задняя часть автомобиля, тем лучше с точки зрения аэродинамики (рис.1) [3].
Рис.1 Вращающиеся навстречу друг другу поперечные вихри в вихревом следе на задней части автомобиля
Коэффициент Сх определяется опытным путем: измеряется сила сопротивления воздуха, действующая на автомобиль, а затем по формуле вычисляется уже сам Сх.
Для снижения коэффициента сопротивления движущегося автомобиля необходимо проанализировать не только его форму, но и местонахождение автомобиля на участке дороги с учетом рельефа местности и возможных боковых ветров, воздействующие на кузов автомобиля.
Проектирование продольного профиля дорог надлежит производить из условия наименьшего ограничения и изменения скорости, обеспечения безопасности и удобства движения. При назначении элементов продольного профиля в качестве основных параметров принимаются радиусы выпуклых кривых в продольном профиле в соответствии с СНиП 2.05.02-85.-Автомобильные дороги. В горных, сильнопересеченных и очень сильно пересеченных местностях, нормы рекомендуют, если это возможно по местным условиям и не ведет к удорожанию строительства, применять радиусы вертикальных выпуклых кривых-Я в зависимости от расчетной скорости не менее: при скорости 150 км/ч-30000 м и при 100 км/ч-10000м.
На ровном участке дороги пока течение воздушного потока находится в ламинарном состоянии, то есть все его частицы движутся в одном направлении, толщина пограничного слоя невелика (около нескольких миллиметров) и сопротивление трения небольшое. Когда прилегающий к поверхности слой воздуха сталкивается с неровностями дорожного покрытия и тормозиться - образуется пограничный слой. С переходом в турбулентное состояние, когда поток «спотыкается» о более крупными препятствиями - например, выпуклым участком дороги траектории его частиц становятся хаотичными, пограничный слой расширяется, а вместе с ним увеличивается и трение -воздух словно становится более вязким. Это приводит к изменению аэродинамических характеристик самого автомобиля и автомобильной дороги.
Анализ существующего состояния аэродинамических факторов со сложным рельефом, а также исследования, проведенные нами, позволили разработать методику учета аэрации выпуклых вертикальных кривых (с восходящими и нисходящими ветвями) участков автомобильных дорог.
Аэродинамические характеристики вертикальной выпуклой кривой участки автомобильной дороги нами изучались в аэродинамической трубе путем моделирования и многочисленных продувок разных «рельефов» дороги. Потому что, наиболее точные результаты получаются в аэродинамической трубе, где воздух разгоняет огромный вентилятор.
Для этого масштаб модели выбирался с учетом возможности измерения скоростей воздуха электроанемометром и удобства монтажа модели.
Исследуемый режим аэрации является летним. При этом расхождение измеряемых значений составляет не более 7%, что допустимо с точки зрения теории моделирования.
Моделирование происходящего в естественных условиях нагретой поверхности дороги и территорий за счет инсоляции не представляет большой трудности. Для этого нами применялось два способа нагрева деятельной поверхности:
1. способ. В качестве излучателя (солнце) использовались электрокамины бытового типа мощностью по 1,0 КВт;
2. способ. Универсальный - тепловое поле создается путем нагрева нихромовых нитей (имитация нагрева поверхности дороги), при помощи электрического тока через регулятора напряжения. Этот способ дает возможность регулирования температуры на поле обогрева что является обязательным по условиям задач, решаемых моделированием.
4/2010
ВЕСТНИК _МГСУ
Оценка количественной и качественной картины тепло - ветрового режима автомобильной дороги производились:
• количественная - фиксация температуры воздуха, поверхности асфальтового покрытия и скорости воздушных потоков: наветренной, заветренной и боковой части автомобиля в разных уровнях;
• качественная - задымлением территории и фотографированием положения «вет-рощупа» изготовленного из шелковинки.
На рис.2 показана схема местонахождения автомобиля на подходе к выпуклому вертикальному кривому участка дороги и в разрезе этого участка.
Рис.2 Схема нахождения автомобильных средств на выпуклой части дороги к] - превышение между точкой начала кривой и его вершиной; к2 - превышение между точкой на произвольном расстоянии X от начала кривой; а - угол кривой (1прод ~ а); Ь - расстояние между точками начало и конец вертикальной кривой.
Здесь кI -определяется по формуле: к2 =Ь /8Я
где Я - радиус вертикальной кривой, м.
(2)
По результатам обработки экспериментальных данных получены зависимости для определения динамических аэродинамических коэффициентов, учитывающих геометрические параметры автомобиля и крутизну склона местности -а которые могут быть применены в практике проектирования автомобильной дороги.
Средняя величина аэродинамического коэффициента дороги- (AR) существенно зависит от расстояния X и направления воздушного потока, а также крутизны автомобильной дороги(табл.1) без учета скорости движения транспортного средства:
' i ^ .f- i л cos а ; А„ = Б -
Ar= А +
1 -
V
1 + ■
sin а (3)
J
я2; ^ я2
При этом изменение крутизны склона от 0 до 8% мало влияет на величину аэродинамического коэффициента наветренной лобовой площади автомобиля.
Величина аэродинамического коэффициента дороги - (Ая) обычно определяется при обдувании воздухом строго по направлению продольной оси дороги. Хотя и на боковой площади автомобиля при направлении воздушного потока под углом Р = 900 наблюдается подсасывающее действие ветра.
Таблица 1
Поверхность автомобиля Расчетная формула -
Наветренная площадь 0,514 + \ 'i 1 ^ 1--т- I cos а R2)
Заветренная площадь - 0,312 + Г1 1 ^ 1--т- I cos а 1 R2 J
Боковая площадь - 0,203 + f1 1 ^ 1--т- I cos а 1 R2)
Полученные результаты показывают, что с увеличением радиуса вертикальных кривых средняя величина аэродинамических коэффициентов увеличивается на 1119%, т.к. соответственно уменьшается и скорость движения автотранспорта.
Следует отметить, что вследствие неравномерного нагрева и охлаждения склонов горной местности и долин дополнительно формируются скорости ветрового потока на автомобильной дороге:
• днем под воздействием солнечных лучей - восходящие (анабатические) ветры, направленные вверх по склону;
• ночью при охлаждении склона - нисходящие (катабатические) ветры.
Поэтому по результатам обработки экспериментальных данных также получены зависимости для определения анабатических и катабатических аэродинамических коэффициентов, учитывающих крутизну склона местности-а (табл.2).
Таблица 2
Поверхность автомобиля Характер ветра Расчетная формула -
Наветренная лобовая площадь Анабатический 0,17 1+ '1 -А ] v R2) cosa
Катабатический 0,122 + '1 Ч ] v R2) cosa
Заветренная площадь Анабатический - 0,104 - (1 Ч ^ 1 R2 у cosa
Катабатический - 0,08 - 1 -Л ] . R2 J cosa
Боковая площадь Анабатический - 0,203 + (1 - V R . cosa
Катабатический - 0,096 - Í1 ^ 1 R2 у cosa
4/2010 М1 ВЕСТНИК
Для определения скорости ветра восходящего вверх по склону выпуклого кривого участка дороги может быть использована формула Л.Прандтля с применением полученного экспериментального коэффициента:
где - Ак - экспериментальный коэффициент, учитывающий замедление восходящего потока прилегающей территории дороги ^ - температура поверхности проезжей части, °С; te_ температура воздуха, °С;
Для оценки скорости стекания воздуха под влиянием силы тяжести (катабатического потока) по склону дороги рекомендуется использовать формулу Лоуренса, учитывающую длину склона - Lcкл и коэффициента шероховатости поверхности территории:
Полученные графики могут использоваться для прогнозирования избыточного давления и ветровых нагрузок на лобовой площади автомобиля соответствующего типа.
Таким образом, полученные экспериментальные данные позволяют сделать следующий выводы:
1. Влияния анабатических и катабатических ветров местности на процесс проектирования автомобильных дорог практически не изучены и предложенная методика является первым приближением, что требует дальнейших исследований. Это дает возможность установить режим безопасного движения при сильных ветрах.
2. Указанные аналитические зависимости, характеризующие ветровой режим выпуклых участков дороги могут служить при расчете геометрических параметров продольного профиля дороги и расхода топлива, а также износа шин автомобиля в зависимости от дорожных условий.
Литература:
1. Шукуров И.С. Вертикальная планировка территорий. Казань. КГАСУ.2010.- с. 201
2. Бабков В.Ф. Дорожные условия и безопасность движения. М.: Транспорт, 1993. _ с. 267.
3. Краснов Н.Ф. Основы аэродинамического расчета. М.Высшая школа,1981- с. 491
1. Shukurov I.S. Vertical planning areas. Kazan. KGASU.2010 .- with. 201
2. Babkov V.F. Road conditions and traffic safety. Moscow: Transport, 1993. - With. 267.
3. Krasnov N.F. Fundamentals of aerodynamic calculations. M. High School, 1981 - with. 491
Ключевые слова: аэродинамика, автомобиль, выпуклая кривая, аэродинамический коэффициент, катабатические ветры,анабатические ветры.
Key words: aerodynamics, the car, a convex curve, the aerodynamic coefficient, katabatic winds, winds anabatic.
^ апабат.
(5)
Literature:
Почтовый адрес: Москва, Ярославское шоссе,26, корп.4 к.311 .тел. 89264216850
Электронный адрес: shukurov2007@yandex.ru
Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»
