鐵路沿線掛板式沙障開(kāi)孔特征與風(fēng)沙流場(chǎng)的影響研究

辛國(guó)偉，程建軍，楊印海

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

中國(guó)是世界上沙漠鐵路分布面積最廣的國(guó)家之一[1]。沙漠鐵路面臨的主要災(zāi)害是風(fēng)沙侵蝕，新建的蘭新二線、包蘭鐵路及臨策鐵路面臨的風(fēng)沙問(wèn)題尤其嚴(yán)重[2-5]。

為減小風(fēng)沙對(duì)鐵路的侵蝕，保障列車運(yùn)行安全，一大批機(jī)械防沙工程在青藏鐵路及新疆戈壁鐵路沿線建立，一方面是抵御風(fēng)沙災(zāi)害的迫切需要，另一方面是由于這些地區(qū)短期難以建立起植物防沙體系。機(jī)械防沙體系主要由阻沙工程、固沙工程及導(dǎo)沙工程組成，阻沙工程在整個(gè)機(jī)械防沙體系中位于迎風(fēng)側(cè)最前端，攔截道路沿線主風(fēng)側(cè)風(fēng)沙流中的沙粒，使其在擋墻前后沉降，形成擋沙堤，從而阻止或減少氣流所攜沙粒進(jìn)入軌道周圍[6，7]。阻沙工程結(jié)構(gòu)形式多樣，但基于其迎風(fēng)面孔隙物理特征參數(shù)，可分為兩大類，即開(kāi)孔方向以縱向?yàn)橹鞯纳痴虾烷_(kāi)孔方向以橫向?yàn)橹鞯纳痴?，縱向開(kāi)孔的沙障較典型的是軌枕式擋沙墻，橫向開(kāi)孔則有掛板式、插板式以及斜插板式擋沙墻。文獻(xiàn)[8]對(duì)斜插板進(jìn)行數(shù)值模擬，分析擋墻孔隙率、高度以及傾角對(duì)風(fēng)沙流特性的影響，并就工程造價(jià)提出擋墻設(shè)計(jì)中的部分關(guān)鍵參數(shù)。文獻(xiàn)[9]對(duì)軌枕式擋沙墻防風(fēng)效率及擋墻透隙率進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出軌枕式擋沙墻在防風(fēng)及防沙情況下的合理孔隙率。目前對(duì)掛板式擋墻的防風(fēng)沙效果原理尚不清楚，實(shí)際要達(dá)到較好的防護(hù)效果，除擋墻高度外，還要考慮風(fēng)速與孔隙率的關(guān)系。傳統(tǒng)掛板式擋墻的孔隙分布只有均勻開(kāi)孔，沒(méi)有考慮不同開(kāi)孔形式對(duì)擋墻周圍流場(chǎng)特性及積沙分布的影響，現(xiàn)有風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬也鮮有涉及。

掛板式擋墻作為一種常見(jiàn)的沙障結(jié)構(gòu)在防沙工程中的應(yīng)用至今不足10年，對(duì)于其防風(fēng)沙效果以及如何與其他工程措施配套使用目前還是以工程經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏較系統(tǒng)的試驗(yàn)與理論研究。本文以高2 m、孔隙率25%的掛板式擋沙墻為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)不同孔隙分布下的擋沙墻進(jìn)行風(fēng)沙流數(shù)值分析。以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為入口風(fēng)速條件，以數(shù)值模擬為主要研究手段，以風(fēng)洞試驗(yàn)為驗(yàn)證手段。通過(guò)CFD流體計(jì)算軟件、風(fēng)洞試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)三者結(jié)合，揭示掛板式擋沙墻在孔隙分布特征影響下的風(fēng)沙流規(guī)律，為鐵路沿線防沙工程的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

野外測(cè)試地點(diǎn)在南疆鐵路線吐魯番至魚兒溝段托克遜地區(qū)，測(cè)試系統(tǒng)主塔高10.0 m，分別在0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、9.0、10.0 m這7個(gè)高程點(diǎn)設(shè)置梯度風(fēng)速儀，測(cè)試各高度處風(fēng)速值。由于風(fēng)況、儀器設(shè)備故障等問(wèn)題，僅獲得部分有效觀測(cè)數(shù)據(jù)。

所測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后用Origin繪圖并擬合，得出風(fēng)速廓線。另通過(guò)任意兩高度風(fēng)速獲得摩阻風(fēng)速并求取平均值，由粗糙元平均高度H估算粗糙度長(zhǎng)度y0=0.025 m，推導(dǎo)得出風(fēng)速廓線方程[10，11]。不同高度風(fēng)速擬合值、計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比顯示，擬合值更接近實(shí)測(cè)值，如圖1所示，故選用擬合值作為本數(shù)值模擬入口風(fēng)速初始值。利用用戶自定義函數(shù)(UDF)嵌入C語(yǔ)言自編函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)流入口邊界條件的設(shè)定。

圖1 不同高度風(fēng)速擬合值、實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比曲線

1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)計(jì)

風(fēng)洞試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該風(fēng)洞洞體全長(zhǎng)38 m，試驗(yàn)段長(zhǎng)21 m，風(fēng)洞橫斷面1.2 m×1.2 m；風(fēng)洞由動(dòng)力段、整流段、供沙裝置、試驗(yàn)段和擴(kuò)散段五部分組成。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槿N不同孔隙分布的擋墻，其孔隙率均為25%，孔隙分布特征為上疏下密、上密下疏及均勻開(kāi)孔三種。為保證強(qiáng)度和剛度，三種擋墻模型均采用PVC材料制作，模型高度H=20 cm，長(zhǎng)度L=110 cm。由于擋墻背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)變化較大，故背風(fēng)側(cè)布設(shè)測(cè)試點(diǎn)多于迎風(fēng)側(cè)。

分別對(duì)上述三種擋墻模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)：來(lái)流風(fēng)速選取6 m/s、9 m/s、12 m/s、15 m/s四組指示風(fēng)速，并用皮托管分別測(cè)試擋墻背風(fēng)側(cè)0.25H、0.5H、1H、2H、3H、5H、7H、10H及迎風(fēng)側(cè)0.75H、1.5H、3H、5H各高度處的風(fēng)速值；放置沙源，持續(xù)吹沙約1 min，觀測(cè)各模型前后積沙范圍與積沙量，并在擋墻背風(fēng)側(cè)3H處設(shè)置集沙盒，分別測(cè)得三種孔隙分布下的積沙量，通過(guò)與空?qǐng)?相同風(fēng)速與沙源，但無(wú)擋墻)中集沙盒積沙量比較，研究擋墻對(duì)積沙分布的影響。試驗(yàn)布置如圖2所示。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試原理及試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

1.3 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

1.3.1 幾何建模

由AutoCAD建立三維模型，CFD流體計(jì)算軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬，再用TECPLOT進(jìn)行后處理。計(jì)算區(qū)域以風(fēng)洞尺寸為基礎(chǔ)，其高寬應(yīng)用模型相似原理，相似比為1∶10，即高12 m，寬12 m，長(zhǎng)為100 m(擋墻影響范圍±20H)；擋墻高2 m，厚0.3 m。計(jì)算區(qū)域示意如圖3所示。

圖3 均勻開(kāi)孔擋墻模型及邊界條件示意

1.3.2 網(wǎng)格劃分

由于擋墻的存在，模型計(jì)算區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則形狀，故網(wǎng)格劃分采用Tetrahedrons(四面體網(wǎng)格形式)，劃分方法采用Patch Dependent法(協(xié)調(diào)分片算法)，并對(duì)擋墻附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，共劃分網(wǎng)格約4 000 000個(gè)。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分示意

1.3.3 邊界條件

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)流體的馬赫數(shù)小于0.3時(shí)為不可壓縮流，本文風(fēng)沙流馬赫數(shù)均小于0.3[12]，故模型入口條件為速度入口(VELOCITY-INLET)。由于流態(tài)充分發(fā)展條件下才采用自由出流，而此模型出口不能確保為自由出流，故模型出口條件為壓力出口(PRESSURE-OUTLET)，其壓差為0。擋墻前后壁面采用滑移壁面邊界條件，類型為WALL，粗糙度為Ks，其他壁面粗糙度默認(rèn)為0。介質(zhì)沙粒為連續(xù)相，類型為FLUID。

1.3.4 計(jì)算參數(shù)

風(fēng)沙流攜沙粒徑一般在0.075～0.25 mm[13]，本文風(fēng)沙流攜沙粒徑ds=0.1 mm，沙粒密度ρs=2 600 kg/m3，黏度μ=0.047 Pa·s，初始沙相體積分?jǐn)?shù)為1%。空氣密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789×10-5Pa·s，壓力為常壓；入口為典型風(fēng)速廓線流(對(duì)數(shù)流)，即

(1)

式中：v為摩阻風(fēng)速；y0為粗糙長(zhǎng)度；k為馮卡門系數(shù)，取0.4；y為高度；v(y)為y高度處的風(fēng)速值。

1.3.5 求解模型

計(jì)算域求解模型采用歐拉雙流體非定常模型，附加k-ε湍流模型，湍流強(qiáng)度I=0.05，湍流半徑R=0.5 m。方程組求解計(jì)算方法采用SIMPLEC算法。

1.3.6 控制方程

本文模擬氣流為不可壓縮流，模擬包含的控制方程主要有連續(xù)方程、動(dòng)量方程和k-ε湍流模型方程等，具體方程見(jiàn)文獻(xiàn)[14，15]。

1.3.7 計(jì)算過(guò)程及精度控制

為與風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試原理保持一致，本文模擬先進(jìn)行凈風(fēng)試驗(yàn)，再進(jìn)行攜沙試驗(yàn)。模擬離散格式采用QUICK格式(此種格式主要應(yīng)用于四面體網(wǎng)格，可以減少假擴(kuò)散誤差，具有較高的精度及穩(wěn)定性)；計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)為物理收斂，即各分量值變化趨勢(shì)達(dá)到穩(wěn)定，其值分布按負(fù)指數(shù)形式變化，大小為10-6量級(jí)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 不同孔隙分布對(duì)擋墻周圍流場(chǎng)的影響

孔隙分布特征決定著擋墻背風(fēng)側(cè)氣流的過(guò)風(fēng)量及速度，是影響擋墻防風(fēng)擋沙效果的主要因素之一。以15 m/s為例模擬擋墻周圍風(fēng)速(凈風(fēng))變化情況，三種孔隙分布下的速度變化云圖如圖5所示(沿xz方向?qū)ΨQ面)。分析圖5可知，三種孔隙分布下?lián)鯄χ車纬伤俣确謪^(qū)：減速區(qū)、加速區(qū)、回流區(qū)。速度分區(qū)的原因在于擋墻是一種帶尖緣的鈍體，氣流經(jīng)過(guò)時(shí)在其頂端部位受到擠壓而分離，形成一個(gè)強(qiáng)剪切層，剪切層兩側(cè)的壓差使流線向下彎曲，而在氣流接近地面時(shí)又返回了分離區(qū)，補(bǔ)償了由于卷吸而帶走的那部分氣流，所以在擋墻背風(fēng)側(cè)形成一個(gè)很大的渦流區(qū)[16]。從圖5還可看到，來(lái)流風(fēng)場(chǎng)遇到擋墻后，其流場(chǎng)特征發(fā)生明顯變化，風(fēng)速等值線在擋墻頂部上升，呈拱形；在背風(fēng)側(cè)有效影響范圍內(nèi)，沿x軸方向形成回流區(qū)，且回流區(qū)位置與擋墻距離及高度明顯不同。

注：圖5中數(shù)字表示風(fēng)速，m/s，圖6同。圖5 不同開(kāi)孔形式下?lián)鯄χ車鲌?chǎng)分布

為評(píng)價(jià)不同孔隙分布下?lián)鯄?duì)流場(chǎng)的影響，定義渦旋回流區(qū)(藍(lán)色區(qū)域)最大高度與最長(zhǎng)距離(圖6)之比為擋墻有效影響系數(shù)，用δ表示，即

(2)

圖6 風(fēng)速15 m/s時(shí)擋墻周圍流場(chǎng)分布圖

式中：δ為擋墻有效影響系數(shù)；hmax為回流區(qū)最大高度；lmax為回流區(qū)最大長(zhǎng)度。δ越小，表明擋墻有效影響區(qū)域越大；反之，擋墻有效影響區(qū)域越小。通過(guò)δ值的變化，可以有效掌握氣流流經(jīng)擋墻時(shí)背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)受風(fēng)速影響的規(guī)律。表1為不同孔隙分布時(shí)擋墻在各風(fēng)速下形成的δ值。從表1可以看出，孔隙分布特征不同，δ值變化趨勢(shì)不同：風(fēng)速較小時(shí)，三種孔隙分布下?lián)鯄τ行в绊懴禂?shù)相差不大；風(fēng)速較大時(shí)，上密下疏分布的δ值均小于其他兩種，且隨風(fēng)速增大，三種孔隙分布的δ值均減小。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明擋墻背風(fēng)側(cè)渦旋回流區(qū)與恢復(fù)區(qū)是孔隙分布特征和風(fēng)速共同作用的結(jié)果，若想達(dá)到較好的防風(fēng)效果，實(shí)際工程中應(yīng)考慮擋墻孔隙分布特征及當(dāng)?shù)卮箫L(fēng)狀況等。

表1 不同開(kāi)孔形式下?lián)鯄τ行в绊懴禂?shù)

為進(jìn)一步分析孔隙分布特征對(duì)背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)的影響與控制，繪出背風(fēng)側(cè)0.5 m高處沿水平方向風(fēng)速變化曲線(15 m/s)，如圖7所示。從圖7可以看出，在擋墻背風(fēng)側(cè)沿水平方向上，風(fēng)速變化均呈V形分布。上疏下密分布時(shí)，風(fēng)速極值差(3.9 m/s)最小，背風(fēng)側(cè)渦旋回流區(qū)與恢復(fù)區(qū)長(zhǎng)度最小，說(shuō)明氣流的減弱效果最差，防風(fēng)效果最不理想。上密下疏分布時(shí)，風(fēng)速極值差(9.4 m/s)最大，渦旋回流區(qū)與恢復(fù)區(qū)長(zhǎng)度最大，圖像整體靠下，說(shuō)明風(fēng)速減弱效果最好，防風(fēng)效果最佳。在均勻分布時(shí)，背風(fēng)側(cè)氣流速度變化介于兩者之間，氣流極值差與渦旋回流區(qū)長(zhǎng)度較理想，且背風(fēng)側(cè)約20 m范圍內(nèi)，風(fēng)速基本在起沙風(fēng)速(6 m/s)以下。因此，以擋風(fēng)為主要目的時(shí)，鐵路沿線擋墻孔隙分布應(yīng)設(shè)置為上密下疏型。

圖7 不同開(kāi)孔形式下?lián)鯄Ρ筹L(fēng)側(cè)距床面0.5m處風(fēng)速變化曲線

2.2 不同孔隙分布對(duì)擋墻周圍積沙形態(tài)的影響

風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受擋墻影響，在其周圍運(yùn)行速度降低，沙粒沉落，形成積沙。不同孔隙分布特征下?lián)鯄η昂罅魉俨煌?，其帶?dòng)沙粒運(yùn)動(dòng)的速度也不同，從而導(dǎo)致?lián)鯄χ車e沙形態(tài)分布不一。圖8為不同開(kāi)孔形式下?lián)鯄χ車e沙分布圖。從圖8可以看出，來(lái)流風(fēng)速(攜沙)一定且風(fēng)向與擋墻正交時(shí)，不同孔隙分布下?lián)鯄χ車e沙形態(tài)及積沙量明顯不同：均勻開(kāi)孔及上密下疏分布時(shí)，積沙主要位于背風(fēng)側(cè)，迎風(fēng)側(cè)積沙較少，其防沙效果較差；孔隙上疏下密分布時(shí)，積沙主要集中在迎風(fēng)側(cè)，背風(fēng)側(cè)積沙較少，防沙效果較好。同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)，與其他兩種孔隙分布下的擋墻相比，上疏下密分布時(shí)擋墻背風(fēng)側(cè)積沙緊靠擋沙墻；其他兩種分布下，沉積的沙堆與擋墻存在一定距離。由此說(shuō)明，孔隙上疏下密分布的擋墻具有較好的防沙效果。

圖8 不同開(kāi)孔形式下?lián)鯄χ車e沙分布圖

注：不同顏色代表積沙分布的多少，紅色區(qū)域代表積沙最多，藍(lán)色區(qū)域代表沒(méi)有積沙，其他顏色代表沙粒還在運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)來(lái)流風(fēng)速小于起沙風(fēng)速時(shí)，沙粒在重力作用下形成堆積。不同起始流速在流經(jīng)擋墻時(shí)積沙分布如圖9所示(上疏下密)。從圖9可見(jiàn)，隨著來(lái)流風(fēng)速增大，擋墻迎風(fēng)側(cè)積沙減少，背風(fēng)側(cè)積沙增多。這是因?yàn)閬?lái)流速度較小時(shí)，受擋墻影響風(fēng)沙流速度降低，當(dāng)?shù)陀谏沉Ｆ饎?dòng)速度時(shí)迎風(fēng)側(cè)形成積沙，僅有少部分沙粒經(jīng)過(guò)擋墻在背風(fēng)側(cè)形成積沙；來(lái)流速度較大時(shí)，經(jīng)擋墻影響的速度雖有減小，但仍大于起沙速度，近地表沙粒仍能躍移繞過(guò)擋墻在背風(fēng)側(cè)形成積沙。但需指出，在低風(fēng)速下(6～15 m/s)其結(jié)果如此，而在高風(fēng)速下大部分沙粒會(huì)越過(guò)擋墻在背風(fēng)側(cè)形成積沙，迎風(fēng)側(cè)積沙相對(duì)較少。

圖9 不同風(fēng)速時(shí)擋墻周圍積沙分布

3 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)分析

風(fēng)洞試驗(yàn)中流場(chǎng)數(shù)據(jù)由皮托管測(cè)得，所測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)Surfer處理形成速度流場(chǎng)圖。圖10為三種孔隙分布下?lián)鯄δＰ驮陲L(fēng)速v=9 m/s時(shí)的風(fēng)速等值線圖。從圖10可以看出，擋墻孔隙分布形式不同，背風(fēng)側(cè)形成渦流區(qū)的大小也不同。上疏下密分布時(shí)，渦流區(qū)較小，說(shuō)明此種分布形式下?lián)鯄τ行в绊憛^(qū)域較小；均勻分布時(shí)，背風(fēng)側(cè)靠近地表處透風(fēng)量增大，渦流區(qū)后移，擋墻影響范圍擴(kuò)大；上密下疏分布時(shí)，由于近地表的透風(fēng)量進(jìn)一步增大，渦流區(qū)影響范圍及長(zhǎng)度較其他兩種都增大。數(shù)值模擬(圖5)與上述變化趨勢(shì)大體一致，由此說(shuō)明模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

注：圖中橫坐標(biāo)表示位置，m;縱坐標(biāo)表示高度，m。圖10 不同孔隙分布下風(fēng)速等值線

3.2 積沙分析

不同孔隙分布下的擋墻模型在9 m/s時(shí)持續(xù)吹沙約1 min后，通過(guò)集沙盒收集空洞來(lái)沙量與三種孔隙下的積沙量(背風(fēng)側(cè)3H處)繪制條形圖，如圖11所示。從圖11可看出，集沙盒1層的截沙量最多，7層以上幾乎沒(méi)有截沙能力。隨集沙盒高度的增加，三種孔隙分布下?lián)鯄Φ慕厣沉恳来螠p小。同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)，孔隙上疏下密分布時(shí)擋墻截沙量較其他兩種減小，說(shuō)明此種分布下迎風(fēng)側(cè)積沙量比其他兩種多。圖12為不同孔隙分布下?lián)鯄蓚?cè)積沙情況(風(fēng)向如箭頭所示)。通過(guò)與數(shù)值模擬積沙分布比較，可發(fā)現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)積沙分布與數(shù)值模擬(圖8)結(jié)果能夠較好吻合。

圖11 不同開(kāi)孔形式下?lián)鯄厣沉?風(fēng)速9 m/s)

注：空洞來(lái)沙量為無(wú)擋墻時(shí)集沙盒中積沙量；擋墻截沙量是設(shè)置擋墻后集沙盒中積沙量。

綜上，實(shí)際工程中擋墻若以擋風(fēng)為主，其開(kāi)孔應(yīng)設(shè)置成上密下疏型；若以阻沙為主要目的，則應(yīng)設(shè)置成上疏下密分布。

(a1)均勻開(kāi)孔背風(fēng)側(cè) (a2)均勻開(kāi)孔迎風(fēng)側(cè)

(b1)上疏下密背風(fēng)側(cè) (b2)上疏下密迎風(fēng)側(cè)

(c1)上密下疏背風(fēng)側(cè) (c2)上密下疏迎風(fēng)側(cè)圖12 不同孔隙分布下?lián)鯄蓚?cè)積沙情況

4 討論

風(fēng)速廓線是表征近地表風(fēng)速變化的基本方法，也是揭示風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)及風(fēng)沙堆積的有效途徑之一。當(dāng)近地表風(fēng)速大于起沙風(fēng)速時(shí)，沙粒開(kāi)始移動(dòng)；當(dāng)風(fēng)速小于起沙風(fēng)速時(shí)，沙粒受重力作用跌在地表形成積沙。通過(guò)研究擋墻前后風(fēng)速廓線的變化，可直觀了解風(fēng)沙流場(chǎng)及積沙形態(tài)的變化。

圖13為來(lái)流風(fēng)速15 m/s時(shí)三種開(kāi)孔形式下?lián)鯄Ρ筹L(fēng)側(cè)(1H、2H、5H、10H)風(fēng)速廓線變化圖。由圖13可見(jiàn)，三種孔隙分布下的風(fēng)速廓線在2 m以上變化趨勢(shì)大體相同，而在2 m以下位置變化明顯。在背風(fēng)側(cè)1H～5H范圍內(nèi)，三種開(kāi)孔形式下?lián)鯄ν革L(fēng)量上密下疏最大，均勻開(kāi)孔次之，上疏下密最小；在5H～10H范圍內(nèi)，相對(duì)于入口處風(fēng)速變化，此處風(fēng)速廓線變化已不明顯，有逐漸恢復(fù)原廓線形式的趨勢(shì)。文獻(xiàn)[17]在風(fēng)洞試驗(yàn)中應(yīng)用精細(xì)皮托管測(cè)得的風(fēng)速廓線，其近地表轉(zhuǎn)折特征與圖13能夠較好吻合。

圖13 不同開(kāi)孔形式下?lián)鯄Ρ筹L(fēng)側(cè)各處風(fēng)速廓線(來(lái)流風(fēng)速15 m/s)

注：位置0處為擋墻位置；H為擋墻高度。

從鐵路沿線防風(fēng)沙角度來(lái)講，經(jīng)擋墻攔截后的風(fēng)流到達(dá)鐵軌附近時(shí)速度應(yīng)降為最低，并應(yīng)使沙沉積在擋墻迎風(fēng)側(cè)或緊靠背風(fēng)側(cè)，以避免線路積沙。結(jié)合圖5、圖8及圖10可知，在擋墻背風(fēng)側(cè)水平方向4～5 m(擋墻距鐵軌最佳設(shè)置距離)范圍內(nèi)[18]，上密下疏分布時(shí)達(dá)到的最大風(fēng)速約為0.54 m/s，均勻開(kāi)孔時(shí)約為3 m/s(負(fù)向)，上疏下密時(shí)約為6 m/s(負(fù)向)。分析三種孔隙下的積沙分布可發(fā)現(xiàn)，只有上疏下密的積沙形態(tài)符合防沙工程要求。產(chǎn)生這些變化的原因在于近地表風(fēng)速廓線呈對(duì)數(shù)變化，即隨著高度的增加速度逐漸變大，攜沙氣流只存在于距床面0～20 cm的范圍內(nèi)，并以蠕移、躍移、懸移的形式運(yùn)動(dòng)。不同開(kāi)孔形式實(shí)質(zhì)上對(duì)應(yīng)了風(fēng)速廓線的變化規(guī)律，即不同高度處開(kāi)孔大小不一，風(fēng)速較大處開(kāi)孔較小，沙流密度較大處開(kāi)孔較密，從而使擋墻攔截風(fēng)沙流的效果不同。

5 結(jié)論

(1)三種孔隙分布形式下，氣流在擋墻周圍均形成減速區(qū)、渦流區(qū)和加速區(qū)。減速區(qū)與加速區(qū)受孔隙分布的影響較小，但背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)受其影響較大。

(2)孔隙分布特征對(duì)擋墻防風(fēng)效率影響較大，靠近地表處孔隙越大，擋墻防護(hù)距離越長(zhǎng)，其防風(fēng)效果越好，隨著風(fēng)速增大，此種影響加劇。實(shí)際工程中，應(yīng)考慮當(dāng)?shù)卮箫L(fēng)狀況選取合理開(kāi)孔形式。

(3)三種孔隙分布下?lián)鯄χ車姆e沙分布不同：均勻開(kāi)孔及上密下疏分布積沙主要位于背風(fēng)側(cè)且與擋墻有一定距離；而上疏下密時(shí)迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)均有分布，且迎風(fēng)側(cè)多于背風(fēng)側(cè)，符合防沙工程要求。

(4)不同風(fēng)速對(duì)擋墻周圍積沙分布及背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)影響不同。來(lái)流風(fēng)速越大、背風(fēng)側(cè)回流區(qū)高度越小、恢復(fù)區(qū)長(zhǎng)度越大，迎風(fēng)側(cè)積沙越少、背風(fēng)側(cè)積沙越多。

(5)三種孔隙分布導(dǎo)致流場(chǎng)及積沙變化的原因在于風(fēng)速廓線的變化。實(shí)際風(fēng)速廓線呈對(duì)數(shù)變化，即隨著高度的增加速度逐漸增大，而攜沙氣流只存在于近地表處。不同開(kāi)孔形式實(shí)質(zhì)上對(duì)應(yīng)了風(fēng)速廓線的變化規(guī)律，即不同高度處開(kāi)孔大小不一，從而使擋墻攔截風(fēng)沙的效果不同。

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