戈壁鐵路沿線防風(fēng)沙柵欄設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

王海龍，張治，孫婧，劉暢，李玉龍

戈壁鐵路沿線防風(fēng)沙柵欄設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

王海龍1, 2，張治1, 2，孫婧1，劉暢1，李玉龍1

(1. 河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 0750000；2. 河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 0750000)

鑒于三維多孔防風(fēng)沙柵欄建立解析求解模型相對(duì)困難，運(yùn)用CFX多孔介質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究重載鐵路沿線高立式防風(fēng)沙柵欄的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為同時(shí)保證有限體積法的守恒性和有限元法數(shù)值精度，對(duì)多孔介質(zhì)模型邊界及求解進(jìn)行綜合控制。在多種孔隙率高立式防風(fēng)沙柵欄條件下，對(duì)其周圍氣流運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行模擬分析；對(duì)其阻沙固沙的效果對(duì)比分析后，得到高立式防風(fēng)沙柵欄的最優(yōu)孔隙率；利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果。研究結(jié)果表明：高立式防風(fēng)沙柵欄孔隙率對(duì)繞流流場(chǎng)分布影響顯著，對(duì)積沙效果影響較大的流場(chǎng)區(qū)域有減速區(qū)、加速區(qū)、回流渦、科恩達(dá)區(qū)；在戈壁鐵路沿線常遇風(fēng)環(huán)境下高立式防風(fēng)沙柵欄最優(yōu)孔隙率約為30%；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果相一致。研究結(jié)果可以作為預(yù)防和控制戈壁重載鐵路風(fēng)沙災(zāi)害的參考。

防風(fēng)沙柵欄；三維數(shù)值模擬；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；孔隙率；多孔介質(zhì)

我國(guó)西北地區(qū)荒漠化嚴(yán)重，擁有豐富的鹽湖、有色金屬等資源，但當(dāng)?shù)氐蔫F路交通極為匱乏，隨著資源的勘探與開挖，修建鐵路交通運(yùn)輸線路把資源運(yùn)輸?shù)綎|部發(fā)達(dá)地區(qū)變得十分迫切，同時(shí)嚴(yán)重的風(fēng)沙災(zāi)害成為影響鐵路安全運(yùn)行的主要環(huán)境問(wèn)題之一[1]。從20世紀(jì)60年代至今，國(guó)內(nèi)鐵路防風(fēng)沙措施的研究從6個(gè)方面(封、固、阻、輸、改和消)展開，本文研究對(duì)象高立式防風(fēng)沙柵欄屬于阻沙方面，是攔截主風(fēng)向沙源的重要措施[2]，布設(shè)在防護(hù)體系前沿平行于鐵路運(yùn)輸路線。其作用在于改變局部流場(chǎng)，使流經(jīng)柵欄的風(fēng)沙流中沙礫沉降，抑制風(fēng)沙災(zāi)害的產(chǎn)生，防護(hù)效益評(píng)估指標(biāo)通常選用降低風(fēng)速量[3]。高立式防風(fēng)沙柵欄主要包括高立式PE網(wǎng)防風(fēng)沙柵欄、高立式金屬網(wǎng)板防風(fēng)沙柵欄、混凝土結(jié)構(gòu)防風(fēng)沙柵欄[4]。在我國(guó)高立式PE網(wǎng)防風(fēng)沙柵欄是應(yīng)用最為廣泛的防風(fēng)沙設(shè)施，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研來(lái)看，高立式PE網(wǎng)阻沙能力較強(qiáng)，但在戈壁惡劣自然環(huán)境（大風(fēng)和強(qiáng)紫外線)中布設(shè)一段時(shí)間后發(fā)生剝落、撕裂現(xiàn)象嚴(yán)重破壞防風(fēng)沙效能，同時(shí)堆積的沙子和清沙機(jī)械均易導(dǎo)致防風(fēng)沙柵欄損壞。高立式金屬防風(fēng)沙柵欄具有高強(qiáng)、柔韌、耐久、耐高低溫、便于加工運(yùn)輸安裝等優(yōu)良特性，對(duì)它的研究日益迫切?，F(xiàn)有研究中，景文宏等[5]基于FLUENT歐拉非定常模型針對(duì)不同孔隙率的枕軌式擋沙墻進(jìn)行數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)擋墻擋風(fēng)沙功效進(jìn)行了研究；辛國(guó)偉等[6]對(duì)掛板式防風(fēng)沙擋墻進(jìn)行了三維數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究；王連等[7]運(yùn)用多孔介質(zhì)模型研究了PE防風(fēng)沙柵欄流場(chǎng)特性；Cornelis等[8]為了找到最佳的防風(fēng)沙柵欄孔隙率和所需行數(shù)進(jìn)行了風(fēng)洞研究。白璐等[9]采用單元孔近似的方法建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)高立式金屬防風(fēng)柵欄附近流場(chǎng)進(jìn)行了分析研究。綜上對(duì)于防風(fēng)沙柵欄效能的試驗(yàn)多為風(fēng)洞試驗(yàn)，高立式金屬防風(fēng)沙柵欄多孔板結(jié)構(gòu)其孔洞量大，對(duì)其進(jìn)行精確數(shù)值建模難度較大，通過(guò)單元近似進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算存在誤差。多孔介質(zhì)模型適用于多孔板結(jié)構(gòu)，目前應(yīng)用多孔介質(zhì)方法對(duì)金屬多孔板防風(fēng)沙效能進(jìn)行研究的三維數(shù)值計(jì)算模型尚無(wú)建立。本文基于CFX有限體積法對(duì)多孔介質(zhì)模型下不同孔隙率的高立式金屬防風(fēng)沙柵欄對(duì)流場(chǎng)的影響進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，對(duì)其產(chǎn)生的流場(chǎng)進(jìn)行分析并研究孔隙率對(duì)遮蔽范圍的影響，最后運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬的合理性，從而對(duì)高立式金屬防風(fēng)沙柵欄的設(shè)計(jì)提供參考值，為其在戈壁鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害區(qū)的設(shè)置提供理論依據(jù)。

1 工程概況

新建地方鐵路魚卡(紅柳)至一里坪線位于青海省海西州大柴旦行委，線路東起魚卡車站途徑雅丹地貌區(qū)至紅柳站接軌。雅丹地貌區(qū)長(zhǎng)度為23.47 km，絕對(duì)海拔2 740~2 790 m，地下水埋深淺，地表無(wú)植被，土壤沙化嚴(yán)重，常年有強(qiáng)烈西北風(fēng)，具有雨少風(fēng)大、蒸發(fā)量大、晝夜溫差大、霜凍期長(zhǎng)等特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)域瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)31.1 m/s，沙塵暴和風(fēng)暴多發(fā)生在3~5月份，年均4~12次，沙塵暴來(lái)臨時(shí)，風(fēng)沙流在鐵路道砟上堆積的沙礫將會(huì)直接影響列車的行車安全，導(dǎo)致列車脫軌、運(yùn)輸停滯等嚴(yán)重事故，擬在風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重的魚卡(紅柳)至一里坪段設(shè)置連續(xù)高立式防風(fēng)沙柵欄保障鐵路運(yùn)輸安全。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

本文在三維數(shù)值模擬環(huán)境下展示高立式防風(fēng)沙柵欄對(duì)流場(chǎng)的影響，由于柵欄實(shí)體模型為超薄多孔結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格按照實(shí)際建模，網(wǎng)格單元數(shù)目巨大，模擬費(fèi)效比高。鑒于多孔介質(zhì)模型將介質(zhì)區(qū)域中固體看做阻力，多孔板、管群或者管束系統(tǒng)都可以運(yùn)用多孔介質(zhì)模型通過(guò)確定面積孔隙率(=其中的為面孔隙率張量；為允許流體流動(dòng)的面積；表示控制面)來(lái)加以描述，故采用多孔介質(zhì)模型建立模擬[10]。本模擬不涉及熱傳導(dǎo)問(wèn)題，不包含能量方程。描述模擬流場(chǎng)的控制方程包括連續(xù)性方程、基于-的SST湍流模型方程與動(dòng)量方程。

取圖1所示作為控制體，控制體表面為控制面。流體流入控制體經(jīng)過(guò)入口面，同時(shí)通過(guò)出口面流出控制體，控制體內(nèi)部氣體質(zhì)量發(fā)生變化。根據(jù)質(zhì)量守恒，得到氣流流動(dòng)連續(xù)性方程的積分形式[11]：

式中：為流體速度；為流體密度；表示控制體體積；表示時(shí)刻的體積。湍流剪切應(yīng)力輸運(yùn)的-的SST模型，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)在逆壓力梯度下流動(dòng)的分離和量進(jìn)。對(duì)平均變形率陡然變化的流動(dòng)與邊界層發(fā)生分離的模型有較好的模擬效果。SST-湍流模型方程[12]如式(2)和式(3)：

不可壓縮黏性氣流動(dòng)量守恒的Navier-Stokes方程如式(4)：

2.2 數(shù)值分析模型的建立

選用1.8 m高20 m寬防風(fēng)沙柵欄作為基本模型，通過(guò)對(duì)控制體不同長(zhǎng)度、寬度、高度的模型計(jì)算對(duì)比，得到當(dāng)模型流場(chǎng)長(zhǎng)度100 m，寬度23 m，高度18 m時(shí)，控制體流場(chǎng)對(duì)防風(fēng)沙柵欄關(guān)注位置流場(chǎng)產(chǎn)生的不利影響可以忽略。幾何模型具有明顯的對(duì)稱性，為了減少計(jì)算量和時(shí)間，運(yùn)用對(duì)稱邊界條件選取模型的1/2進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)已有的1/2幾何模型用ANSYS進(jìn)行嚴(yán)格的網(wǎng)格劃分，防風(fēng)沙柵欄處的多孔介質(zhì)區(qū)域做了局部加密，加密區(qū)網(wǎng)格尺寸小于0.003 m。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性分析，選取防風(fēng)沙柵欄背風(fēng)側(cè)兩點(diǎn)作為監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控參量為風(fēng)速，結(jié)果如表1所示，結(jié)果顯示網(wǎng)格單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)量70~140萬(wàn)時(shí)監(jiān)控參數(shù)計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定，為合理利用計(jì)算機(jī)資源，選擇劃分結(jié)果為70萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行研究，網(wǎng)格劃分與體積渲染結(jié)果如圖1所示。

表1 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 求解控制

選用穩(wěn)健的入口邊界條件：速度流入口，截面取法向速度，選擇亞音速流態(tài)，來(lái)控制收斂性與結(jié)果準(zhǔn)確性，其湍流強(qiáng)度[12]為：

式中：雷諾數(shù)=/；是平均速度；是特征長(zhǎng)度；是介質(zhì)密度；是介質(zhì)動(dòng)力黏度系數(shù)。

空氣密度值取1.342 kg/m3，計(jì)算取當(dāng)?shù)爻Ｓ鲲L(fēng)速10 m/s，馬赫數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.3，模擬計(jì)算時(shí)按不可壓縮流體及湍流環(huán)境處理。計(jì)算得到＞2 500屬于湍流，湍流強(qiáng)度取Medium(intensity=5%)穩(wěn)健出口邊界為壓力邊界條件，湍流描述方法同入口邊界相同?？刂企w邊界選擇自由滑移壁面，地面摩擦系數(shù)設(shè)置為0.5 m，高立式防風(fēng)沙柵欄選用多孔介質(zhì)模型，多孔區(qū)域設(shè)置為層流模型。對(duì)于模型的求解格式選取高階求解模式，收斂均方根殘差值標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為1e?6，選用穩(wěn)態(tài)模擬，自動(dòng)時(shí)間尺度[12]。

圖1 3D網(wǎng)格劃分與體積渲染結(jié)果示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 高立式防風(fēng)沙柵欄孔隙率對(duì)流場(chǎng)的影響

高立式防風(fēng)沙柵欄是風(fēng)沙流運(yùn)行的障礙物，在防風(fēng)沙柵欄前后一定范圍內(nèi)形成積沙現(xiàn)象[13?14]。本模擬研究防風(fēng)沙柵欄前后在氣流的作用下，風(fēng)速的變化情況，任何風(fēng)向作用下防風(fēng)沙柵欄的防護(hù)問(wèn)題，近似等價(jià)于2個(gè)正交風(fēng)作用的疊加。防風(fēng)沙柵欄的設(shè)置采用與主風(fēng)向正交的帶狀防風(fēng)沙柵欄，因此，忽略與風(fēng)向平行的防風(fēng)沙柵欄作用，將問(wèn)題最終歸結(jié)為沿風(fēng)向垂直布置的防風(fēng)沙柵欄所起的防護(hù)作用。

在上述流場(chǎng)作用下得到0%(模擬A)，20%(模擬B)，30%(模擬C)和40%(模擬D)，4種孔隙率下的流場(chǎng)分布云圖如圖2所示(沿平面對(duì)稱)。

分析速度云圖可以看出在模擬A，模擬B，模擬C和模擬D下防風(fēng)沙柵欄對(duì)控制體流場(chǎng)產(chǎn)生了明顯影響，形成了外流區(qū)、減速區(qū)、加速區(qū)、回流渦區(qū)，在防風(fēng)沙柵欄迎風(fēng)側(cè)根部還形成了一個(gè)小漩渦區(qū)(科恩達(dá)效應(yīng))如圖1所示，它的尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于防風(fēng)沙柵欄后的回流渦區(qū)。

模擬A中防風(fēng)沙柵欄沒(méi)有滲流活動(dòng)，氣流全部繞流，在網(wǎng)板前遇阻抬升，到達(dá)防風(fēng)沙柵欄上方形成加速區(qū)，防風(fēng)沙柵欄背風(fēng)側(cè)上部高速運(yùn)動(dòng)的氣流對(duì)網(wǎng)板背風(fēng)側(cè)近地部分氣體產(chǎn)生向上的吸力，回流渦區(qū)域上部與加速區(qū)域邊界處氣流沿來(lái)流風(fēng)風(fēng)向風(fēng)速逐漸減小，壓力增大。在回流渦末端風(fēng)速不能繼續(xù)降低，壓力繼續(xù)增大的趨勢(shì)不變。因此靠近地面的流體被迫逆流，出現(xiàn)回流現(xiàn)象，后續(xù)不斷流入的流體持續(xù)形成回流，模擬A形成各工況下尺度最大的回流渦。

(a) 0%孔隙率；(b) 20%孔隙率；(c) 30%孔隙率；(d) 40%孔隙率

模擬B的流場(chǎng)中，由于網(wǎng)板孔隙的存在產(chǎn)生了滲流活動(dòng)，其與回流渦相互影響導(dǎo)致回流渦尺度減小，由于防風(fēng)沙柵欄孔隙率較低，繞流活動(dòng)造成的影響依然明顯，產(chǎn)生的回流渦較模擬A下有所減小，較模擬C回流渦仍然較大。與模擬A相比模擬B加速區(qū)減小，減速區(qū)尺度也有所減小下降，科恩達(dá)效應(yīng)降低。

模擬C計(jì)算結(jié)果顯示由于防風(fēng)沙柵欄孔隙率提高的影響，氣流滲流活動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，繞流活動(dòng)繼續(xù)減弱。模擬C回流渦尺度、風(fēng)速與模擬A相比明顯削弱，回流渦尺度受滲流活動(dòng)增強(qiáng)的影響小于模擬B，加速區(qū)流場(chǎng)減小，減速區(qū)略微增加，科恩達(dá)效應(yīng)尺度進(jìn)一步減小。

模擬D下滲流作用繼續(xù)增加，繞流作用明顯減弱，防風(fēng)沙柵欄背風(fēng)側(cè)回流渦基本消失，加速區(qū)、減速區(qū)、科恩達(dá)區(qū)較模擬A均大幅減小，說(shuō)明防風(fēng)沙柵欄對(duì)流場(chǎng)的影響減弱，防風(fēng)沙效益下降。

3.2 高立式防風(fēng)沙柵欄孔隙率對(duì)遮蔽范圍影響

風(fēng)速作為遮蔽范圍判斷依據(jù)是現(xiàn)在使用較多與實(shí)際積沙情況較為符合的遮蔽范圍確定方法。防風(fēng)沙柵欄積沙堆積的斷面形態(tài)近似于防風(fēng)沙柵欄對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響范圍的斷面形態(tài)，積沙的最大范圍不超過(guò)防風(fēng)沙柵欄對(duì)流場(chǎng)影響區(qū)域。將防風(fēng)沙柵欄前后低于啟沙風(fēng)速的區(qū)域作為防風(fēng)沙柵欄遮蔽范圍，干燥風(fēng)沙啟動(dòng)風(fēng)速約4~7 m/s，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察取大柴旦風(fēng)沙啟動(dòng)速度為6 m/s。上述模擬下防風(fēng)沙柵欄作用下流場(chǎng)風(fēng)速低于6 m/s的遮蔽范圍云圖如圖3所示，黑色區(qū)域?yàn)轱L(fēng)速大于啟沙風(fēng)速的范圍。

由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，模擬A的遮蔽長(zhǎng)度較長(zhǎng)，迎風(fēng)側(cè)由于科恩達(dá)效應(yīng)，砂礫不能在近壁面沉積，減小了遮蔽范圍，防風(fēng)沙柵欄后回流渦尺度大風(fēng)蝕嚴(yán)重不能實(shí)現(xiàn)風(fēng)沙的有效堆積，遮蔽區(qū)域較大。模擬B的防風(fēng)沙柵欄孔隙增加，迎風(fēng)側(cè)科恩達(dá)效應(yīng)降低，回流渦尺度在滲流作用影響下較模擬A有所減小風(fēng)蝕作用相對(duì)降低，低于風(fēng)沙啟動(dòng)風(fēng)速的遮蔽范圍略微增加。模擬C下迎風(fēng)側(cè)科恩達(dá)效應(yīng)減弱風(fēng)沙沉積范圍增大，背風(fēng)側(cè)回流渦尺度與強(qiáng)度受氣流通過(guò)防風(fēng)沙柵欄后與回流渦氣流作用耗能而減小，減小了氣流對(duì)地面的侵蝕，相比模擬A、模擬B防風(fēng)沙柵欄背風(fēng)側(cè)回流渦減小較多，遮蔽范圍變化不大，增強(qiáng)了風(fēng)沙的沉積防止了沙礫被再次啟動(dòng)進(jìn)入到流場(chǎng)中，積沙區(qū)域最大。模擬D下氣流由于強(qiáng)滲透作用穿過(guò)防風(fēng)沙柵欄沒(méi)有有效消耗風(fēng)能，遮蔽區(qū)域減小，回流渦基本消失，防風(fēng)沙柵欄遮蔽范圍較前3種工況減小。

(a) 0%孔隙率；(b) 20%孔隙率；(c) 30%孔隙率；(d) 40%孔隙率

開孔防風(fēng)沙柵欄對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生顯著影響，不同程度降低了防風(fēng)沙柵欄前后流場(chǎng)的風(fēng)速，隨著孔隙率的增大防風(fēng)沙柵迎風(fēng)側(cè)科恩達(dá)效應(yīng)降低，積沙能力增加，在滲流作用的影響下減小了回流渦，空氣繞流作用逐漸衰減并逐漸低于滲流作用，模擬C下，受滲流作用和繞流作用的共同影響耗散氣流能量防風(fēng)沙柵欄背風(fēng)側(cè)回流渦相對(duì)較小，遮蔽范圍大，可以降低來(lái)流風(fēng)沙礫含量，風(fēng)沙的沉積效能高。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)高立式防風(fēng)沙柵欄不同距離不同高度流場(chǎng)風(fēng)速的實(shí)際測(cè)量，得到高立式防風(fēng)沙柵欄對(duì)流場(chǎng)風(fēng)速的影響，檢驗(yàn)數(shù)值模擬試驗(yàn)的有效性。本文試驗(yàn)應(yīng)用的高立式防風(fēng)沙柵欄為高立式金屬防風(fēng)沙柵欄垂直于當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)(西北風(fēng))流動(dòng)方向，高度=1.8 m，長(zhǎng)度80 m，孔隙率為30%。試驗(yàn)采用葉輪式高精度便攜風(fēng)速溫度測(cè)量?jī)x(100836)精度0.001 m/s量測(cè)范圍0.001~45 m/s。在試驗(yàn)段中部防風(fēng)沙柵欄迎風(fēng)側(cè)10，5和0.05 m，防風(fēng)沙柵欄背風(fēng)側(cè)0.05，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55和60 m設(shè)置測(cè)量點(diǎn)。

當(dāng)?shù)仫L(fēng)速12 s中保持=10 m/s時(shí)在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的=0.05 m，=0.9 m，=1.8 m 3個(gè)高度處采集風(fēng)速最大值數(shù)據(jù)，3 s記錄1次數(shù)據(jù)連續(xù)記錄3次。將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)取樣本均值與數(shù)值模擬C下相同位置處風(fēng)速數(shù)值進(jìn)行比較，繪制折線圖4。

在迎風(fēng)側(cè)距離防風(fēng)沙柵5.6處，數(shù)據(jù)測(cè)量高度處風(fēng)速受地面摩擦影響初始風(fēng)速低于1.0，高度，高度初始風(fēng)速為1.0。氣流靠近防風(fēng)沙柵風(fēng)速逐漸下降。在迎風(fēng)側(cè)近壁面高度處位于科恩達(dá)效應(yīng)區(qū)域風(fēng)速較高，高度處風(fēng)速降至0.3，高度處位于防風(fēng)柵頂端防風(fēng)柵降風(fēng)速效能較低由于氣流積聚影響導(dǎo)致風(fēng)速略有上升。背風(fēng)側(cè)近壁面由于氣流滲流與回流渦作用風(fēng)速下降，高度風(fēng)速降至0.3，之后進(jìn)入回流渦區(qū)域風(fēng)速上升。防風(fēng)沙柵背風(fēng)側(cè)距離2.8處高度處氣流處于回流渦中部底層邊界與地面相交，風(fēng)速高于風(fēng)沙啟動(dòng)風(fēng)速對(duì)地面產(chǎn)生風(fēng)蝕，高度處于回流渦中心風(fēng)速?gòu)?.3增加至風(fēng)沙啟動(dòng)風(fēng)速，高度處于減速區(qū)風(fēng)速較低。從回流渦至減速區(qū)流場(chǎng)風(fēng)速逐漸降低，5.6高度處位于回流渦與減速區(qū)邊界處風(fēng)速降低至風(fēng)沙啟動(dòng)風(fēng)速以下，高度處位于減速區(qū)內(nèi)風(fēng)速為0.2，高度處從2.8至5.6氣流壓力不斷增加風(fēng)速降低，在5.6處風(fēng)速降為0.05。隨后防風(fēng)沙柵對(duì)流場(chǎng)的影響減弱，氣流速度開始升高，高度，高度，高度分別在背風(fēng)側(cè)距防風(fēng)沙柵13.9，11.5和10.8處風(fēng)速達(dá)到風(fēng)沙啟動(dòng)風(fēng)速臨界值，隨后風(fēng)速繼續(xù)增大分別在20，22和24處風(fēng)速升高至初始風(fēng)速，防風(fēng)沙柵失去防風(fēng)阻沙效能。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的差值基本在誤差范圍以內(nèi)，數(shù)值模擬的流線與現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)形成的流線的趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明本文選用的計(jì)算模型、網(wǎng)格劃分、湍流模型的選取是可行的。

(a) 0.05 m；(b) 0.9 m；(c) 1.8 m

5 結(jié)論

1) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，多孔介質(zhì)模型能夠有效模擬多孔板結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)氣流通過(guò)防風(fēng)沙柵欄后的流場(chǎng)變化以及風(fēng)沙堆積情況，證實(shí)了防風(fēng)沙柵欄削弱風(fēng)速作用及湍動(dòng)能耗散作用。

2) 運(yùn)用多孔介質(zhì)模型模擬了多種孔隙分布形式下，氣流在防風(fēng)沙柵欄附近形成了外流區(qū)、減速區(qū)、加速區(qū)、回流渦以及科恩達(dá)效應(yīng)。隨著孔隙率的提高，滲流作用逐漸大于繞流作用，防風(fēng)沙柵欄對(duì)流場(chǎng)的影響逐漸降低，回流渦、減速區(qū)、加速區(qū)等區(qū)域逐漸減小，回流渦對(duì)柵欄后風(fēng)蝕與遮蔽范圍有重要影響。

3) 對(duì)比上述不同的防風(fēng)沙柵欄孔隙率模擬結(jié)果，當(dāng)孔隙率約為30%時(shí)防風(fēng)沙柵欄遮蔽范圍大，回流渦較小，能有效使來(lái)流風(fēng)攜帶的風(fēng)沙沉積，避免地面風(fēng)蝕，阻固沙效能相對(duì)最優(yōu)，可以用來(lái)保護(hù)鐵路線路免受風(fēng)沙沉積影響。

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Optimization analysis of design parameters of prevent wind-sand fence along gobi railway

WANG Hailong1, 2, ZHANG Zhi1, 2, SUN Jing1, LIU Chang1, LI Yulong1

(1. School of Civil Engineering, Hebei University of Architecture, Zhangjiakou 075000, China; 2. Hebei Key Laboratory for Diagnosis, Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering, Zhangjiakou 075000, China)

In order to study the layout of the high vertical wind-sand fence along the heavy-duty railway, it is relatively difficult to establish an analytical solution model for the three-dimensional porous wind-sand fence. The CFX porous medium model was used for numerical calculation. In order to ensure the conservation of the finite volume method and the numerical precision of the finite element method at the same time, the boundary and solution of the porous medium model were comprehensively controlled. Under a variety of high porosity vertical wind-sand fence, the simulation of the surrounding airflow characteristics was carried out. After comparing and analyzing the effect of sand blocking and sand fixation, the optimal porosity of the high vertical wind-sand fence was obtained, and the numerical simulation results were verified by field experiments. The conclusions are as follows: The porosity of the high vertical wind-sand fence has a significant influence on the flow field distribution. The flow field with great influence on the sediment accumulation has a deceleration zone, an acceleration zone, a reflux vortex and Coanda zone. The optimal porosity of the high vertical wind-sand fence in the normal wind environment along the Gobi Railway is about 30%. The field test is consistent with the numerical simulation results. The conclusions of this study can be used as a reference for the prevention and control of heavy-duty railway sand disasters in the Gobi region.

prevent wind-sand fence; three-dimensional numerical simulation; field test; porosity; porous media

U216.41+3

A

1672 ? 7029(2019)06? 1420 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.06.009

2018?08?13

青海省交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2015-12)；張家口市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(1811009B-05)

王海龍(1965?)，男，山西襄汾人，教授，博士，從事防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程研究；E?mail：wanghailong-65@163.com

(編輯 涂鵬)