野外全風向梯度集沙儀集沙流場特性的數(shù)值分析

張云鵬，程建軍,朱文智，景文宏

（石河子大學水利建筑工程學院，石河子,832003）

新疆地處亞洲腹地，大陸性氣候顯著，干燥少雨，夏季酷熱，冬季嚴寒，受西伯利亞、烏拉爾山南下冷空氣的影響，風力強勁，大風頻繁。新疆鐵路風區(qū)的大風主要有風速高、風期長、季節(jié)性強、風速變化快等特點[1]。常年的風沙侵蝕，不僅對鐵路沿線的火車、軌道破壞和磨損很大，對鐵路線周邊的環(huán)境也有很大的影響。因此，研究鐵路沿線風沙流結(jié)構(gòu)和風蝕程度，對新疆的社會和經(jīng)濟發(fā)展意義重大。

集沙儀是研究風沙流結(jié)構(gòu)和土壤風蝕的重要儀器。集沙儀的工作原理是：風將沙送入集沙儀空腔內(nèi)，將沙留在腔內(nèi)后離開。集沙儀通過這種方式在腔內(nèi)積累沙子，并在給定的時間內(nèi)對通過集沙儀橫截面沙子的流量進行測量[2]。集沙儀作為專門用于收集風蝕顆粒以研究風沙運動規(guī)律的采樣儀器，其采樣性能對于完成野外風蝕觀測和室內(nèi)風洞實驗研究具有重要意義。最早的野外風沙觀測器是由Bagnold[3]設(shè)計的垂直長口形集沙儀，但其無旋轉(zhuǎn)裝置；Chepil[4]將集沙儀改造為旋轉(zhuǎn)式，但既不能排氣又不適惡劣的風沙天氣；Merva和Peterson對改進的Bagnold集沙儀做了進一步的設(shè)計研究，研制成了可旋轉(zhuǎn)的通風集沙儀，克服了上述不足，但其較易侵蝕土壤，旋轉(zhuǎn)邊與地表平齊的合適位置很難找到；Shao[5]等改進了Bagnold集沙儀，成功研制了由真空泵驅(qū)動的垂直集成集沙儀，其進沙口很窄，主要用在便攜式風洞內(nèi)測試風蝕過程中水平沉積流量測定，該集沙儀缺點是沒有導向翼板并且集沙口方向是固定的；2011年李熒[6]等對蘭新鐵路沿線的既無排氣孔又不可旋轉(zhuǎn)的集沙儀進行了改進，設(shè)計出了全風向梯度集沙儀（圖1），該集沙儀是目前國內(nèi)最先進的集沙儀之一，其集沙高度最高可以達到10 m，并且集沙箱可以隨風向變化自動調(diào)整，從而使集沙口始終朝向迎風面，滿足全風向觀測要求，而且氣流流通性能好，適合野外戈壁惡劣的工作環(huán)境。

集沙儀性能的優(yōu)劣對后期的輸沙率的測定和風沙流結(jié)構(gòu)的研究有很大的影響，所以集沙儀性能的試驗和效果的測定是十分重要的。輸沙率表示單位時間內(nèi)通過單位寬度或單位面積的輸沙量，不僅是衡量沙區(qū)沙害程度的重要指標之一，也是風作用下沙塵和風沙流結(jié)構(gòu)研究中一個重要參數(shù)，同時也是防沙治沙工程設(shè)計的主要依據(jù)。對于風沙活動躍移占主導形式，輸沙率主要計算地表0～20 cm的風沙量[7-8]。

CFX流體力學數(shù)值分析程序廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、生物技術(shù)、環(huán)保等領(lǐng)域，同時在風沙環(huán)境問題中也有一定的應(yīng)用。本文利用CFX分析程序?qū)μm新鐵路沿線布設(shè)的全風向梯度集沙儀進行數(shù)值模擬，通過對集沙儀腔內(nèi)流場要素和集沙效率的研究分析,期望為西北鐵路沿線高性能集沙儀的研制和效率穩(wěn)定集沙儀的設(shè)計提供科學理論依據(jù)。

圖1 全風向梯度集沙儀Fig.1 The full wind gradient sand trap

1 數(shù)值分析計算基礎(chǔ)

1.1 幾何建模

本文運用Solidworks建模軟件對改進前的集沙儀和改進后的全風向梯度集沙儀進行建模的，并且在此基礎(chǔ)上簡化模型。模型的尺寸要求符合集沙儀的實際情況。模型的具體尺寸如下圖所示：

圖2 集沙儀三維模型及尺寸示意圖Fig.2 Three-dimensional model and the specific size of sand traps(a、b：Three-dimensional model of the vent sand trap and the non-vent sand trap,c、d、e、f：The specific size of sand traps)

1.2 網(wǎng)格劃分

本文運用CFD-ICEM網(wǎng)格劃分工具對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分質(zhì)量的高低對后期的計算分析影響很大。當網(wǎng)格數(shù)目達到一定程度時，能夠較好地反映出實際情況，而繼續(xù)增大網(wǎng)格數(shù)目，幾乎不再能夠提高計算精度，卻增加了計算所耗資源，降低了計算速度。所以該模型網(wǎng)格劃分時，無孔集沙儀（圖3a）網(wǎng)格總結(jié)點為138192個，網(wǎng)格單元為815909個，有孔集沙儀 （圖3b）的網(wǎng)格總結(jié)點為139643個，網(wǎng)格單元為823063個。

圖3 集沙儀模型網(wǎng)格圖Fig.3 The model grid graph of the sand traps

1.3 設(shè)置材料

在CFX中，常用的流體類型包括Fluid(流體)和Solid（固體）2種，本文研究風沙二相流，材料為空氣和沙粒，不考慮溫度的影響和熱量的交換。本文假設(shè)空氣是不可壓縮牛頓流體，密度為1.225 kg/m3，動力粘度為 1.7895×10-5kg/（m/s）， 沙粒被視為均勻化球形，其直徑為0.1 mm，密度為2.5 g/cm3。

1.4 邊界條件

1）進口：速度進口（Velocity Inlet），分別為 7、15、20、25、30 m/s。

2）出口：壓力出口（Press Outlet Boundary Condition），出口設(shè)置為去氣出口（Degassing Condition）。

3）壁面：無滑移壁面（No-slip Wall Boundary Condition）。

1.5 控制方程

因本二相流模擬不考慮熱量的交換，是單純的流場問題，所以不包括能量方程。本模擬采用標準的k-ε模型，其中k為湍動能，ε為湍動能耗散。該模型包括連續(xù)方程、動量方程、湍動能k方程和湍動能耗散方程ε，4個方程：具體如下：

1）連續(xù)方程：

2）動量方程：

3）湍動能方程：

4）湍動能耗散方程：

上式中，ρ為密度；U為集沙儀周圍流場X，Y,Z方向速度矢量；P為壓強；k為湍流動能；ε為湍流動能耗散率；B為體積力總和；μeff為有效粘度；p'為修正壓力；μ為分子粘度；μt為湍動能流粘；σk為k方程湍流模型常數(shù)；Pk為湍流剪切產(chǎn)出項；σεRNG為RNG k-ε湍流模型常數(shù)；Cε1RNG為 RNG k-ε湍流模型系數(shù)；Cε2RNG為 RNG k-ε 湍流模型系數(shù)。

1.6 集沙效率的計算方法

Goossens等[9]認為，將試驗集沙儀與標準集沙儀在相同條件下觀測的輸沙率進行比較是確定集沙儀的集沙效率的惟一方法。但是，完全相同的條件是不可能實現(xiàn)的，同時目前尚沒有標準集沙儀。董志寶等[10]利用單位寬度的沙盤輸沙量作為被認為正確的總輸沙率，計算出的集沙效率較為可行，其缺點是需要考慮風洞側(cè)壁的影響，引入修正系數(shù)，從而增大了計算的誤差。Wim等[11]確定集沙效率的方法和董志寶等的類似，不同的是沙盤寬度與風洞寬度的比為1/3，從而避免風洞側(cè)壁的影響提高計算精度。

本文采用Wim等[11]采用的方法確定集沙儀的集沙效率。集沙效率η定義如下：

式（5）中：mtrap為集沙儀收集到的沙量，kg；mtray為實驗前沙盤的盛沙量，kg；wtray為集沙儀進口處的寬度；wtrap為沙盤的寬度。

在模型尺寸以及高度、風速和粒徑等都相同的條件下,利用風洞實驗，釋放10000顆沙粒得到的集沙效率η,試驗10次再做平均得到最終的η值。

2 集沙儀腔內(nèi)流場的計算結(jié)果與分析

2.1 集沙儀腔內(nèi)速度場特性分析

圖4是集沙儀的側(cè)面圖。在進行風場分析時，選取集沙儀腔內(nèi)部中心的特征線，并將其劃分成19個特征點，然后計算每個特征點的風速值和壓強值，再根據(jù)提取的數(shù)據(jù)進行結(jié)果分析。

圖4 集沙儀選取的特征線及特征點Fig.4 The characteristic line and feature points of sand trips

圖5給出了無孔集沙儀和有孔集沙儀在相同風速下集沙腔內(nèi)流線圖。從流線圖中可以明顯得出有孔集沙儀集沙腔內(nèi)部的速度遠小于無孔集沙儀集沙腔內(nèi)部的速度，并且有孔集沙儀的內(nèi)部紊流也比無孔集沙儀的內(nèi)部紊流要簡單的多（雖然看上去有空集沙儀的內(nèi)部紊流要混亂，但是紊流的速度是很小的）。所以集沙儀設(shè)計排氣孔很有助于集沙儀對沙粒的捕獲從而提高集沙效率，而不至于集沙儀腔內(nèi)產(chǎn)生很大的紊流從而使沙粒反彈出集沙儀或堆積在集沙口。

圖6數(shù)據(jù)圖也印證了在圖5中做出的結(jié)論。

圖6a顯示：無孔集沙儀由于內(nèi)部紊流特別強烈在特征點14處開始進入渦流區(qū)速度迅速降低，在渦流區(qū)中心特征點16處降為最低。圖6b顯示：由于有排氣孔的存在，并且排氣孔在特征點10處的正上方，所以特征點10特別有代表性。由于排氣孔很小，所以流量一定的情況下在特征點10處的速度會達到很大，大量的氣體通過排氣孔排出使集沙腔內(nèi)的空氣的紊流程度降到了最低，這樣有助于沙粒的捕獲，提高集沙效率。

圖5 相同風速下無孔和有孔集沙儀集沙腔內(nèi)流線圖Fig.5 The flow chart of the non-vent sand trap（a）and vent sand trap(b)in the same set of wind speed

圖6 無孔和有孔集沙儀分別在不同風速下特征點的速度值Fig.6 The velocity values of non-vent sand trap（a） and vent sand trap(b)feature point in different wind speed values

2.2 集沙儀腔內(nèi)壓強場特性分析

圖7是無孔集沙儀和有孔集沙儀在不同風速下特征點的壓強值。

圖7顯示：無孔集沙儀的內(nèi)部場強在不同風速下都比有孔集沙儀的內(nèi)部場強大的很多。集沙儀的內(nèi)部壓強越大，內(nèi)部的紊流渦旋程度越嚴重，越不易收集沙子。當風速一定時，集沙儀內(nèi)部的壓強很大，但特征點的值基本無變化（圖7a），這是由于集沙腔內(nèi)部的紊流程度很劇烈。由于集沙儀內(nèi)部的速度場變化從而使其內(nèi)部產(chǎn)生負壓，有助于集沙儀內(nèi)部氣流的流通，提高積集沙效率（圖7b）。

圖7 無孔集沙儀和有孔集沙儀分別在不同風速下特征點的壓強值Fig.7 The pressure values of non-vent sand trap（a）and vent sand trap(b)feature point in different wind speed values

2.3 集沙效率分析

圖8是無孔集沙儀和有孔集沙儀分別在風速為7、15、20、25及30 m/s時的集沙效率。此實驗是在風速、時間、鋪沙量、鋪沙面積、厚度等各種條件完全相同情況下,利用風洞實驗測得的數(shù)據(jù)。

由圖8可知：無排氣孔的集沙效率最低。進沙口上方開孔的集沙效率最高，且均在90%以上。

圖8 無孔集沙儀和有孔集沙儀的集沙效率圖Fig.8 The sand trap efficiency graph of non-vent sand trap and vent sand trap

4 結(jié)語

本文通過ANSYS-CFX數(shù)值分析程序模擬了風沙在集沙儀中的運動情況，分析了不同集沙儀設(shè)計類型對流場和集沙效率的的影響，結(jié)果表明：

1）有排氣孔的集沙儀可以明顯降低集沙腔內(nèi)部流體的紊流程度，易于捕獲沙粒，提高集沙效率；相反，無排氣孔的集沙儀的集沙腔內(nèi)部流體的紊流復雜，在集沙腔形成渦旋，不易于沙粒的捕獲。

2）上述模擬結(jié)果與風洞的試驗結(jié)果基本一致，說明數(shù)值模擬的結(jié)果是真實可靠的。

3）本文對流場和集沙效率分析的結(jié)果可為進一步研制高效集沙儀提供科學依據(jù)，同時為鐵路沿線防沙提供更可靠的風沙物理參數(shù)。

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