基于CFD的擋風墻防風效果仿真

李家樂，趙文舉，嚴正

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅 蘭州730050；2.天津大學建筑工程學院，天津 300072;3.天津大學水利仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

土壤風蝕是西北干旱半干旱地區(qū)土地退化的主要原因之一[1]，采用擋風墻、直立殘茬、植被覆蓋、砂石覆蓋等多種保護性耕作模式能有效改善地表風場，顯著減少土壤風蝕對作物帶來的不利影響.在研究土壤風蝕及其防治方面，許多專家學者進行大量研究，取得了很多成果.吳芳芳等[2]從氣候因子、地形因子、土壤因子以及植被蓋度4個方面進行分析,表明氣候、土壤及植被蓋度共同影響該區(qū)域的土壤風蝕狀況.張春來等[3]研究了植被覆蓋對土壤風蝕的影響，植被覆蓋條件下空氣動力學粗糙度和摩阻速率的增大對土壤風蝕具有顯著的影響.GONG等[4]的研究表明侵蝕最嚴重的地區(qū)主要分布在大沙漠地區(qū)或低覆蓋草地；趙文舉等[5]研究砂石覆蓋對近地表風場的影響，表明砂石覆蓋能明顯改善近地表風場、有效減小風蝕、保持土壤水分和減緩土地退化.

目前，國內(nèi)外保護性耕作模式的抗風蝕研究大多側(cè)重于作物留茬、植物覆蓋、砂石覆蓋等保護措施[6]，但是對于擋風墻的研究還鮮有報道.因此，文中基于CFD方法對W型擋風墻結(jié)構(gòu)的防風效果進行仿真研究，對比分析在5，13 m/s風速下，3，5 m這2種高度擋風墻的防風效果，給出擋風墻背風側(cè)近地表風場的變化規(guī)律，以期為荒漠地區(qū)土壤侵蝕的防治和水土保持提供理論依據(jù).

1 CFD數(shù)值模擬分析

1.1 擋風墻概述

擋風墻材料就地取材，以礫石、沙子、黏土為材料，為有效降低土壤改良區(qū)域的風速，進而減少土壤改良區(qū)域的水分蒸發(fā)，擋風墻形式采取W型，墻高有3，5 m這2種，假定擋風墻墻厚1 m足以抵抗風壓.對于地面上的擋風墻，由于風從正面吹過來，則流場有1個對稱面，此對稱面兩側(cè)的流動是完全相同的，只要計算對稱面的一側(cè)流動即可，故在計算過程中，均采取對稱面作為計算邊界；擋風墻、地面及計算區(qū)域頂面按光滑壁面處理，給定無滑移邊界條件.布置形式如圖1所示.

圖1 W型擋風墻的結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structure of W-type wind wall

1.2 控制方程

CFD是在流動基本方程控制下對流動的數(shù)值模擬，為把原來物理量在時間域及空間域上連續(xù)的場(如速度場和壓力場)用一系列有限個離散點上的變量值的集合代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值，可得到流場內(nèi)各個位置上基本物理量的分布.

連續(xù)性方程為

(1)

式中：ρ為流體密度；v為流體速度；U為控制體；S為控制面.等式左邊第一項表示控制體U內(nèi)部質(zhì)量的增量；第二項表示通過控制面S流入控制體的凈通量[7].

動量方程為

(2)

(3)

(4)

式中：u,v,w分別為流體速度在x,y,z方向的分量；t為時間；為笛卡爾坐標系下的向量算子，為流體微元上的壓力；τxy為切應力；f為作用在單位質(zhì)量流體微元上的體積力[8].

能量方程為

(5)

1.3 湍流模型的建立

模擬視空氣流動為完全湍流的流動過程，忽略分子黏性的影響，選用標準k-ε方程進行計算，湍流動能輸運方程可以通過精確的方程推導得到，耗散率輸運方程可以通過物理推理、數(shù)學模擬相似原型方程得到.

1) 湍流動能k的輸運方程為

(6)

2) 湍流動能耗散率ε的輸運方程為

(7)

式中：μ為動力黏度；k為湍流動能；σε,C1ε,C2ε為湍流模型常數(shù)，分別取1.3，1.44，1.92，1.00.

1.4 網(wǎng)格劃分

利用Gambit生成網(wǎng)格，并導出網(wǎng)格文件，采用Tet/Hybrid：主要以四面體網(wǎng)格形式，在適當位置包含六面體、錐形和楔形網(wǎng)格.模擬主要對擋風墻的防風效果進行仿真分析.模型尺寸為50 m×20 m×15 m,網(wǎng)格模型如圖2所示.

圖2 流體域網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh pattern of fluid domain

1.5 Fluent計算

1.5.1 求解器及計算方法

Fluent提供了分離式求解器和耦合式求解器2種，采取不直接求解各個控制方程的聯(lián)立方程組，而是順序地、逐個地求解各個變量，主要使用與低速領域的分離式求解器.

空間流場處于湍流狀態(tài)，采用工程上應用較廣的k-ε雙方程模型進行計算.采用 Simple 算法進行計算求解.它是一種主要用于求解不可壓縮流場的數(shù)值計算方法.其基本思想:對給定的壓力場求解離散形式的動量方程，得到速度場.由壓力修正方程得出壓力修正值，通過修正后的壓力場得到新的速度值，然后檢查是否收斂，若不收斂繼續(xù)迭代計算，如此反復直到計算結(jié)果收斂為止.

1.5.2 邊界條件

設模型進口為速度進口，出口為自由出流，溫度為288.15 K，壓強為 1.03 ×105Pa.

2 結(jié)果與分析

以位于甘肅省中部的景泰縣為例，建立W型擋風墻結(jié)構(gòu)模型并對防風效果展開分析.景泰縣地處干旱荒漠風沙地帶，主要特點是干旱少雨，蒸發(fā)量大，風沙天數(shù)每年7 級以上有 200 d.當?shù)厝掌骄L速5 m/s，大風日年平均風速為13 m/s，故選取5 m/s和13 m/s為模擬風速.

2.1 風速為5 m/s時的影響

以對稱面為參考面，風速在5,13 m/s情況下，高度為3,5 m的擋風墻速度v分布如圖3所示，圖中H為擋風墻高度，V為風速.圖3a—3d的初始風速分別為5,13 m/s，墻體高度分別為3，5 m，共4種組合.由圖3a,3b分析，當風速為5 m/s時，擋風墻高度不同對風場的影響則不同，從外側(cè)吹來的風經(jīng)擋風墻的阻礙，氣流沿著擋風墻迎風側(cè)壁面向上滑移，以較大風速進入上部空間形成加速效應，使得吹至擋風墻上部的風速加速放大，并于擋風墻背風側(cè)上部空間形成渦流.對于3 m擋風墻，迎風側(cè)當風吹過擋風墻后，由速度分布圖可知由綠色逐漸變?yōu)辄S色，近地表風速逐漸衰減.在擋風墻背風側(cè)風速呈三角形的形式以極小的速度逐漸增大.對于5 m高擋風墻，迎風側(cè)風的運動和速度變化趨勢與3 m高擋風墻基本相同，背風側(cè)存在顯著差異，具體體現(xiàn)為3 m擋風墻背風側(cè)近地表風速呈三角形逐漸增加，5 m高擋風墻背風側(cè)呈矩形逐漸增加，表明5 m高擋風墻遮擋區(qū)域大，并且背風側(cè)風速變化較不均勻.表明在5 m/s風速作用下，3 m和5 m高擋風墻均有效遮蔽了環(huán)境風使得近地表上部空間風速有效降低，防風效果明顯.

圖3 擋風墻處風速分布圖Fig.3 Velocity distribution of wind wall

為了進一步定量研究擋風墻對于地表風場的影響，采用計算風速殘余系數(shù)的方法，以便直觀地表示出某點的風速削弱程度.風速殘余系數(shù)可按式(8)計算，環(huán)境風速殘余系數(shù)越小，防風效果越好.

(8)

式中:ηd為風速殘余系數(shù)；vc為風場中任意點處計算風速；vi為風場初始速度.

現(xiàn)將風速為5 m/s情況下，擋風墻周圍不同高度流場風速和風速殘余系數(shù)ηd列入表1，表中L為流場距擋風墻背風側(cè)的距離，h為距地面高度,H為擋風墻高度.

表1 風速為5 m/s時擋風墻周圍流場風速(風速殘余系數(shù))Tab.1 Wind velocity(residual coefficient) around wind wall at velocity of 5 m/s

表1中，括號內(nèi)數(shù)值為風速殘余系數(shù)，左側(cè)為3 m高擋風墻周圍流場風速、風速殘余系數(shù)，右側(cè)分別為5 m高擋風墻周圍流場風速、風速殘余系數(shù).

由表1可以看出，當氣流通過擋風墻時，小于墻高3 m內(nèi)的位置繼續(xù)減速，而高于墻體高度的位置開始加速，充分說明存在明顯的分區(qū)作用.隨后，高于墻體高度的氣流開始減速，低于墻體高度氣流開始加速，并隨著距離的增加風速逐漸趨于平穩(wěn).在5 m/s風速的作用下，3 m高擋風墻在距地面3 m以上的高度空間內(nèi)，流場風速均大于初始風速5 m/s，且擋風墻上部空間流場風速隨高度增加而增加.在距地面3 m以下高度空間內(nèi)，擋風墻背風側(cè)相同距離處，流場風速隨著高度增加而增加，且在不同位置處增速不同.在距地面相同高度處，風場流速隨著距離的增加逐漸增加，殘余系數(shù)隨流經(jīng)長度的增加而增加，在12 m處殘余系數(shù)為0.91～0.98,仍不超過1.00，擋風效果明顯.

在風速為5 m/s的作用下，5 m高擋風墻防風效果和3 m高擋風墻防風效果基本相同.相對于3 m高擋風墻，距5 m高擋風墻較近的背風側(cè)風速變化較為均勻.在h<3.1 m，L<6.0 m范圍以內(nèi)，近地表風速殘余系數(shù)為3 m擋風墻的2.02%～93.40%，在h<3.1 m，L>6.0 m范圍以內(nèi)近地表風速殘余系數(shù)為3 m擋風墻的74.60%～89.40%，大幅削減近地表風速，遮擋區(qū)域明顯增加，防風效果更加明顯.

2.2 風速為13 m/s時的影響

當風速為13 m/s，墻體高度為3 m和5 m時仿真計算得到的擋風墻周圍速度場分布分別如圖3c,3d所示.觀察圖3c,3d,可知在13 m/s的環(huán)境風作用下，在擋風墻上空形成的渦流面積逐漸增大，加速效應較5 m/s風速下更加明顯.在同一風速13 m/s作用下，高度為5 m的擋風墻能夠較好地控制上部空間的渦流，且在背風側(cè)能夠削減較大部分面積的風速.在相同高度下，隨著距離擋風墻背風側(cè)的增加，高度為3 m的擋風墻相對于5 m高的擋風墻能夠更加均勻地控制流場風速的變化.

為了進一步定量研究擋風墻對于地表風場的影響，將13 m/s風速作用下?lián)躏L墻周圍流場風速和殘余系數(shù)的具體計算結(jié)果列入表2，表中括號內(nèi)數(shù)值為風速殘余系數(shù).表2中，左側(cè)分別為3 m高擋風墻周圍流場風速、風速殘余系數(shù)，右側(cè)分別為5 m高擋風墻周圍流場風速、風速殘余系數(shù).

表2 風速為13m/s時擋風墻周圍流場風速(風速殘余系數(shù))Tab.2 Wind velocity(residual coefficient) around wind wall at velocity of 13 m/s

由表2可以分析出之前相似的結(jié)論，不同之處在于13 m/s風速作用下，高度為3 m的擋風墻防風效果明顯下降，當高度相同時，在擋風墻上部空間形成持續(xù)的加速流場，直至L=12 m仍處于加速狀態(tài).相對于高度為3 m的擋風墻，高度為5 m擋風墻防風效果良好，在h<3.1 m，L<6.0 m范圍內(nèi)，近地表風速殘余系數(shù)為3 m擋風墻的5.2%～43.5%，在h<3.1 m，L>6.0 m范圍內(nèi)近地表風速殘余系數(shù)為3 m擋風墻的4.8%～73.3%.

3 結(jié) 論

荒漠地區(qū)擋風墻的設置可有效削減近地表風速，明顯改善近地表風場，具有良好的水土保持效果，是減少土壤風蝕的有效措施.基于CFD仿真模擬進行研究，在5,13 m/s不同風速下，分別對3,5 m不同高度擋風墻進行研究，并通過計算有關數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

1) 當氣流通過擋風墻時，小于墻高的位置速度大幅降低，而高于墻體高度的位置開始加速，存在明顯的分區(qū)作用.隨后，高于墻體高度的氣流開始減速，低于墻體高度氣流開始加速，并隨著距離的增加風速逐漸趨于平穩(wěn).當風吹過擋風墻后，由速度分布云圖可知，近地表區(qū)域由綠色逐漸變?yōu)辄S色甚至部分變?yōu)樗{色，近地表風速逐漸衰減，表明擋風墻布置可削減近地表風速，改善地表風場.

2) 風速為5 m/s時，隨著流經(jīng)長度增加，3 m高擋風墻背風側(cè)風速從0呈三角形趨勢逐漸增加，在距離擋風墻背風側(cè)相同距離處，隨著距地面高度增加，風場流速逐漸增加.隨著流經(jīng)長度的增加，5 m高擋風墻背風側(cè)風速從0呈矩形趨勢逐漸增加，防風效果與3 m高擋風墻相似，在h<3.1 m，L<6.0 m范圍內(nèi)，近地表風速殘余系數(shù)為3 m擋風墻的2.02%～93.4%；在h<3.1 m，L>6.0 m范圍內(nèi)，近地表風速殘余系數(shù)為3 m擋風墻的74.6%～89.4%.

3) 在風速為13 m/s時，隨著流經(jīng)長度增加，在3 m高擋風墻背風側(cè)風速仍呈三角形趨勢增加，擋風墻上空形成的渦流面積逐漸增大，加速效應較5 m/s風速下更加明顯.隨著流經(jīng)長度的增加，在5 m高擋風墻背風側(cè)風速從0仍呈矩形趨勢逐漸增加，擋風墻上空形成的渦流面積逐漸增大，相比3 m高擋風墻能夠更好地控制渦流面積，背風側(cè)削減近地表風速的面積更大，在h<3.1m，L<6.0 m范圍內(nèi)，近地表風速殘余系數(shù)為3 m擋風墻的5.2%～43.5%；在h<3.1 m，L>6.0 m范圍內(nèi),近地表風速殘余系數(shù)為3 m擋風墻的4.8%～73.3%.