基于Fluent的擋雪板設(shè)置方式研究

李楚鵬，陳 芳，高 崇

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，新疆 烏魯木齊830014）

風(fēng)吹雪是指由達(dá)到起動(dòng)速度的風(fēng)帶動(dòng)起分散的、不同粒徑的雪粒，在近地面流動(dòng)的一種較為復(fù)雜的流體，也稱風(fēng)雪流。風(fēng)吹雪危害主要是視線障礙危害和背風(fēng)積雪危害，一般發(fā)生在緯度高、海拔高、地勢起伏大的積雪山區(qū)，我國北方常遭受風(fēng)吹雪害的影響，尤其是新疆的北疆地區(qū)和天山地帶經(jīng)常遭受此類氣候?yàn)?zāi)害。每年冬季風(fēng)吹雪這一極端的特殊氣候現(xiàn)象給當(dāng)?shù)氐慕煌ò踩斐蓸O大影響。目前國內(nèi)外已經(jīng)研究出多種防治公路風(fēng)吹雪災(zāi)害的辦法，擋雪板是一種切實(shí)有效且應(yīng)用廣泛的防治措施。

從風(fēng)吹雪害的形成機(jī)理入手，結(jié)合塔城地區(qū)公路雪害防治工程的擋雪板應(yīng)用，運(yùn)用Fluent數(shù)值模擬擋雪板不同設(shè)置方式對防雪效果的影響。相比風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件模擬具有成本低廉的優(yōu)勢，周期較短且易于獲得比較完整的數(shù)據(jù)，具有能模擬多種特殊情況下風(fēng)吹雪現(xiàn)象的特點(diǎn)，給公路風(fēng)吹雪害防治工程的設(shè)施布設(shè)提供了仿真依據(jù)。

1 擋雪板防雪原理

擋雪板一般設(shè)置于道路的迎風(fēng)側(cè)，當(dāng)風(fēng)雪流通過時(shí)，流體受到壓縮，在擋雪板附近形成渦旋減速區(qū)，風(fēng)速因受到阻礙而減小，當(dāng)減小到風(fēng)雪流的一般起動(dòng)速度時(shí)（6m／s），大量雪粒子就開始在擋雪板前后沉積。

如圖1所示，擋雪板設(shè)置在道路的一側(cè)，破壞了道路兩側(cè)原有的流場，當(dāng)風(fēng)雪流流經(jīng)擋雪板時(shí)，受到壓縮與干擾，速度下降明顯，雪粒逐漸在擋雪板前后沉積、堆積。擋雪板背風(fēng)側(cè)的積雪量要明顯大于迎風(fēng)側(cè)。

圖1 擋雪板防雪示意圖

2 仿真原理

計(jì)算流體商業(yè)軟件Fluent，是通用的CFD軟件包，用來模擬不可壓縮至高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流體運(yùn)動(dòng)。因?yàn)椴捎昧硕喾N數(shù)值求解方法以及多重網(wǎng)格加速迭代收斂技術(shù)，所以Fluent可以達(dá)到最佳的求解精度和收斂速度。由于Fluent具有靈動(dòng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格化技術(shù)，以及豐富且成熟的物理模型，使得Fluent在變換與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流等方面都有著廣泛應(yīng)用，所以可采用CFD軟件包仿真公路風(fēng)吹雪的流體運(yùn)動(dòng)。

風(fēng)吹雪是一種較為復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)，它的形成受周圍環(huán)境、起動(dòng)風(fēng)速、路線地形、移雪量等條件制約。本文主要模擬擋雪板設(shè)置對防風(fēng)雪效果的影響，因此采用Fluent作為模擬擋雪板防雪效果的計(jì)算工具。

2.1 仿真方法及模型選擇

1）風(fēng)吹雪屬于二相流，因此可采取歐拉—?dú)W拉方法，將不同的相變成耦合的連續(xù)介質(zhì)。考慮相體積的不可占性，引入相體積率（Phasic Volume Fraction）這一概念?？臻g對相的時(shí)間求導(dǎo)就是相的體積率，所有相的體積率之和為1。從其他各相的守恒方程能推導(dǎo)一系列方程，這些相都具有相似的形式，由現(xiàn)場觀測得到的數(shù)據(jù)可建立一些特定的關(guān)系，進(jìn)而使上述方程封閉，計(jì)算結(jié)果收斂。

2）混合物（Mixture）模型適用于兩相流或多相流（流體或者顆粒）。在Eulerian模型中，所有相都被認(rèn)為是耦合的連續(xù)流，Mixture模型求解采用混合物的動(dòng)量方程，并通過相對速度來描述離散相。在實(shí)際情況中，風(fēng)吹運(yùn)動(dòng)中的雪粒子相互間存在作用力（比如靜力），但這些作用力的規(guī)律目前不是很清楚，還不能被利用；一般情況下Mixture模型求解方程比Eulerian模型少一部分，所以Mixture模型計(jì)算快，同時(shí)Mixture模型的計(jì)算比Eulerian模型更穩(wěn)定，所以仿真模型選擇Mixture模型。

2.2 控制方程

風(fēng)雪二相流視為連續(xù)相，滿足連續(xù)性方程，其微分形式的表達(dá)式為

式中:ρ為不可壓縮空氣密度，t為時(shí)間，ui為粘性系數(shù)，xi為坐標(biāo)矢量。

Fluent求解的能量方程為

式中:keff＝ki＋k為方程有效導(dǎo)熱系數(shù)（湍流導(dǎo)熱系數(shù)由湍流模型定義）；Jj′為組分的擴(kuò)散通量；方程等號右邊三項(xiàng)分別為導(dǎo)熱項(xiàng)，組分?jǐn)U散相，粘性耗散項(xiàng)；Sh為化學(xué)反應(yīng)熱和其他體積熱源。

風(fēng)吹雪中雪粒子的運(yùn)動(dòng)形式一般分三種:蠕動(dòng)（滑移），躍動(dòng)，懸浮。越來越多學(xué)者認(rèn)為湍流對雪粒子運(yùn)動(dòng)有一定影響，尤其在懸浮狀態(tài)，但目前風(fēng)吹雪二相流理論還不成熟，湍流影響模型也不完全清楚，為簡化計(jì)算，省略湍流對風(fēng)雪流的影響。

3 仿真過程及結(jié)果分析

擋雪板的防雪效果由透風(fēng)率、擋雪板高度、布置與路肩距離等因素決定。本文研究在擋雪板高度一定，有無透風(fēng)率，布置離道路側(cè)0.5m、20m、50m擋雪板的模擬防雪效果，并對結(jié)果進(jìn)行比對分析。

二維模型選用了塔城地區(qū)S201線典型路堤橫斷面作為模擬用路，路基寬為12.0m，路堤高為1.5m，邊坡比為1∶3，用CAD建好二維模型，再導(dǎo)入Gambit軟件對模型作網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

3.1 無透風(fēng)率

假設(shè)在15m／s穩(wěn)定風(fēng)速下（塔城地區(qū)近年來冬季大風(fēng)頻率最高風(fēng)速為15m／s左右）。路肩邊緣設(shè)置擋雪板，會(huì)在路面產(chǎn)生大量積雪，需要鏟雪車來回清理，嚴(yán)重影響交通暢行，因此不考慮將擋雪板設(shè)置于路肩旁，在距離路肩25m、50m處設(shè)置擋雪板，并在此次模擬中采用透風(fēng)率為0%、25%、75%的擋雪板進(jìn)行對比試驗(yàn)。

首先進(jìn)行的是透風(fēng)率為0的擋雪板計(jì)算機(jī)模擬，假設(shè)環(huán)境溫度為270K（－3℃），得到如下2張實(shí)驗(yàn)?zāi)M跡線云圖，如圖3、圖4所示。

圖2 路基二維模型網(wǎng)格化

圖3 距離為25m不透風(fēng)擋雪板跡線

圖4 距離為50m不透風(fēng)擋雪板跡線

3.2 有透風(fēng)率

透風(fēng)率為25%的擋雪板數(shù)值模擬，假設(shè)環(huán)境溫度為270K（－3℃），得到下面兩張實(shí)驗(yàn)?zāi)M跡線云圖，如圖5、圖6所示。

透風(fēng)率為75%的擋雪板數(shù)值模擬，假設(shè)環(huán)境溫度為270K（－3℃），得到如下兩張實(shí)驗(yàn)?zāi)M跡線云圖，如圖7、圖8所示。

通過使用Fluent對風(fēng)吹雪流場進(jìn)行仿真模擬，對跡線圖進(jìn)行分析可知，擋雪板的設(shè)置改變了原來路基附近的流場，當(dāng)風(fēng)雪流經(jīng)過擋雪板的阻擋時(shí)，風(fēng)被壓縮，風(fēng)吹雪的路徑方向發(fā)生變化，在擋雪板附近形成渦流減速區(qū)。

圖5 距離為25m、25%透風(fēng)率擋雪板的跡線云圖

圖6 距離為50m、25%透風(fēng)率擋雪板的跡線云

圖7 距離為25m、75%透風(fēng)率的擋雪板的跡線云

圖8 距離為50m、75%透風(fēng)率的擋雪板跡線云

從3組模擬試驗(yàn)的跡線圖分析可知:第一，當(dāng)擋雪板為不透風(fēng)時(shí)，風(fēng)吹雪經(jīng)過擋雪板，受到阻擋，迎風(fēng)面積雪堆積到一定程度，風(fēng)吹雪流繞過擋雪板，風(fēng)能并沒有減弱。當(dāng)擋雪板有一定的透風(fēng)率（為25%）時(shí)，風(fēng)吹雪經(jīng)過擋雪板后有十分顯著的阻擋作用，壓縮空氣、降低風(fēng)速，雪粒沉積后減輕了風(fēng)吹雪對行車駕駛員視線的影響。透風(fēng)率為75%時(shí)，風(fēng)雪流受擋雪板的壓縮和擾動(dòng)作用減小，風(fēng)吹雪流經(jīng)過擋雪板前后的運(yùn)動(dòng)變化不明顯。第二，擋雪板的設(shè)置距離也對風(fēng)雪流路徑有影響，擋雪板設(shè)置距離為25m時(shí)，路基、邊坡處均形成了減速區(qū)，導(dǎo)致雪粒在坡腳沉積，如果輸雪量足夠多，路面會(huì)產(chǎn)生大量積雪；擋雪板設(shè)置距離為25m時(shí)，不透風(fēng)擋雪板路面形成紊流區(qū)，而透風(fēng)擋雪板路基、邊坡處均形成減速區(qū)；擋雪板距離為50m時(shí)，從擋雪板至迎風(fēng)坡腳都會(huì)有雪粒沉積，保證路面不會(huì)有大量積雪。

擋雪板合理設(shè)置對防雪效果至關(guān)重要。通過上述分析，結(jié)合塔城地區(qū)公路風(fēng)吹雪害的防治工程。由S201線擋雪板觀測結(jié)果可知，在其他條件一定時(shí)，透風(fēng)率為25%且距離路肩50m的擋雪板防雪效果最佳。

5 結(jié)束語

綜上所述，利用計(jì)算機(jī)模擬擋雪板的防雪效果時(shí)間短、成本低、結(jié)果較精確，為擋雪板及其他防雪設(shè)施的設(shè)置提供了一種切實(shí)可行的分析方法。計(jì)算模擬的結(jié)果與工程現(xiàn)場觀測效果大致吻合，合理設(shè)置擋雪板能有效減少風(fēng)吹雪對交通運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>

［1］ 陳曉光，李俊超，李長林，等.風(fēng)吹雪對公路交通的危害及其對策研討［J］.公路，2001（6）:113－117.

［2］ 應(yīng)成亮，李紅，張霞，等.防雪柵設(shè)計(jì)高度的數(shù)值仿真研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（3）:54－57.

［3］ 黃海云，張山清，沙曼曼，等.1961～2008年塔城地區(qū)氣候變化特征 ［J］.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（3）:242－248.

［4］ 陳玉璞，王惠民.流體動(dòng)力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2013.

［5］ 周晅毅，劉長卿，顧明，等.拉格朗日方法在風(fēng)雪運(yùn)動(dòng)模擬應(yīng)用［J］.工程力學(xué)，2015，32（1）:36－42.

［6］ 周晅毅，顧明.風(fēng)致積雪漂移堆積效應(yīng)的研究進(jìn)展［J］.工程力學(xué)，2008，25（7）:5－11.

［7］ 謝榮發(fā)，楊俊恒，王伊立.冰雪環(huán)境下道路通行能力研究［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2014，16（5）:50－52.