斜插板式沙障插板傾角影響下風沙流特征的數值模擬

丁泊淞, 高 麗, 程建軍, 陳柏羽

(石河子大學 水利建筑工程學院, 新疆 石河子 832003)

蘭新高鐵是一條橫貫中國甘肅、青海和新疆3省區(qū)的鐵路大動脈，作為亞歐大陸橋鐵路通道的重要組成部分，對促進邊疆地區(qū)民族團結及加快西北地區(qū)經濟建設具有重要意義[1]。然而，蘭新鐵路新疆段需穿越四大戈壁風區(qū)，風區(qū)內自然條件極其惡劣，普遍存在風速高、風期長、起動風速快等特點，鐵路安全正常運營受到嚴重威脅[2-5]。

為抵御戈壁大風區(qū)極端的風沙災害，多種機械防沙措施應用在蘭新高鐵沿線，取得了一定效果[6-11]。斜插板式沙障是由中鐵西北科學研究院有限公司提出的一種新型透風式沙障，具有抗風能力強、結構可靠、耐久性好等優(yōu)點，已應用于蘭新鐵路沿線的風沙災害防治[12-13]。斜插板式沙障主體結構由數塊橫截面為平行四邊形的混凝土插板構成，插板之間相互平行且與主導風向呈一定夾角，彼此保持一定距離以形成特定孔隙率(見圖1)。關于斜插板式沙障的防風阻沙效果，已有學者進行了相關調查及研究：石龍等[12]對不同設計參數的斜插板式沙障進行了研究，結果表明沙障孔隙率宜為25%～40%，高度宜為1.5～2 m；李凱崇等[13]對斜插板式沙障進行了現場觀測，發(fā)現其消減風能效果優(yōu)異，并且風沙流經過墻體后沙粒的細組分含量明顯增加；Cheng 等[14]通過風洞試驗及現場調查發(fā)現，斜插板式沙障具有獨特的篩分沙粒作用。

圖1 斜插板式沙障示意圖

斜插板式沙障的孔隙結構為狹長的斜導孔，特殊的孔隙形式能夠迫使風沙流受沙障阻礙后，沿斜導孔向上爬升，克服重力做功，從而達到消減風沙流運動風能的作用，所以，插板與風向的夾角通常小于90°，蘭新鐵路沿線使用的斜插板式沙障正是這一類型[13-15]。然而，目前關于斜插板式沙障插板傾角(<90°)影響下的風沙流特征規(guī)律的研究較少，不足以揭示插板傾角變化對風沙流的作用規(guī)律。

為優(yōu)化既有沙障的結構形式，以發(fā)揮最大擋沙功效，本文基于CFD數值模擬方法，對具有不同插板傾角(15°，30°，45°和60°)但孔隙率均為30%的斜插板式沙障進行風沙流數值模擬，以期進一步揭示插板傾角影響下的風沙流特征規(guī)律，為鐵路沿線斜插板式沙障的優(yōu)化設計提供理論依據。

1 數值模擬方法

1.1 幾何建模及網格劃分

運用AutoCAD對4種具有不同插板傾角(α=15°,30°,45°,60°)但孔隙率均為30%的斜插板式沙障進行幾何建模。由于斜插板式沙障在結構上呈幾何對稱，因此，可將其簡化為二維模型計算。計算域長度為150 m，高度為30 m，沙障高度為2 m(H=200 cm)，放置在距入口50 m處。計算域模型及邊界條件見圖2。

圖2 計算域模型及邊界條件示意圖

計算域模型網格劃分類型采用三角形網格(triangles)，并對地面及沙障附近的網格進行加密，網格尺寸增長率為1.1，網格質量平均值約為0.95，計算域模型網格數量約為4.00×104個，網格質量優(yōu)良。計算域網格劃分結果見圖3。

圖3 計算域網格劃分示意圖

1.2 計算參數及控制方程

本文模擬工況下風沙流馬赫數均小于0.3，可認為是不可壓縮流動，模型出口邊界條件為壓力出口(pressure-outlet)，壓力差為0，模型入口邊界條件設置為速度入口(velocity-inlet)，入口為典型風速廓線流[16-18]：

(1)

式中：V為摩阻風速;k為卡門常數,取固定值0.4,y為高度;V(y)為y高度處的風速值；y0為地表粗糙度,取沙粒平均粒徑的1/30[19]。

風沙流沙粒粒徑通常在0.075～0.25 mm之間，本文數值模擬中沙粒粒徑設定為ds=0.15 mm，形狀類型為顆粒(Granular)，沙粒密度ρs=2 650 kg/m3，黏度μs=0.004 7 Pa·s，初始沙粒體積分數為1%，類型為FLUID，空氣密度ρk=1.225 kg/m3，空氣動力粘度μk=1.789×10-5Pa·s[20-21]。模擬風速選取10，15，20 m/s 3種。

原題①②③三個小問一步步地引導考生深入探究距離概念d(A,B)的性質.如果考生不能在短時間內有效的理解這個抽象距離概念，就只能“望題興嘆”了.這讓我們教師意識到今后課堂上的概念教學中，必須摒棄那種“重結果，輕過程”([12]) 的講授方式，讓學生們親自體會并參與到概念的形成過程中來.

本文數值模擬中主要的控制方程有連續(xù)性方程、動量方程、和k-ε湍流方程等：

(1) 連續(xù)性方程[22]：

(2)

式中：u為速度矢量;ux,uy,uz分別為3個方向的速度矢量;ρ為密度;t為時間。

(2) 動量方程[22]：

(3)

(4)

(5)

式中：▽為劈形算符；ρ為流體微元上的壓力;fx,fy,fz分別表示x,y,z3個方向的質量力;τ為流體內應力張量的分量。

(3)k-ε湍流方程[23]：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(6)

(7)

方程組求解計算方法采用SIMPLEC算法，該算法適用于不可壓縮流動，并且可以加快迭代過程的收斂，各分量值收斂標準為物理收斂，大小為10-6量級。

2 結果與分析

2.1 流場變化規(guī)律

氣流受沙障阻礙時，會產生分離而后重新匯聚，在沙障周圍形成明顯的流場分區(qū)，其特征可以反映沙障阻風效果。以15 m/s風速為例，繪制4種斜插板式沙障周圍風速等值線(見圖4)?？梢钥闯觯?種具有不同插板傾角的沙障周圍均有迎風側減速區(qū)、上方加速區(qū)和背風側渦流區(qū)生成，但受插板傾角變化影響，流場分區(qū)變化趨勢不盡相同：對于迎風側減速區(qū)而言，其范圍受插板傾角影響較小，4種沙障的減速區(qū)范圍無明顯差異；對于上方加速區(qū)而言，其范圍存在隨插板傾角增大而增大的變化規(guī)律；對于背風側渦流區(qū)而言，隨插板傾角逐漸增大，渦流區(qū)范圍逐漸增大，渦流區(qū)內反向氣流流速也相應提高。

注：①圖中“a，b，c，d”分別表示插板傾角15°，30°，45°，60°； ②橫縱坐標單位H為沙障高度(H=200 cm)，例如x=2時，表示距離沙障2 H(即400 cm)處的位置，y=2時，表示距離地面2 H(即400 cm)處的高度，正值表示迎風側，負值表示背風側。下同。

流線圖可以表示某一時刻氣流的運動趨勢，流線上的箭頭方向可以指示氣流流向，流線的疏密程度可以反映流速大小。以風速15 m/s為例，繪制4種沙障周圍流線圖(見圖5)。可以看出，4種傾角的插板對氣流作用規(guī)律相同：迎風側氣流流經斜導孔時，貼近地面的氣流先向下運動再沿斜導孔向上運動，而靠近沙障上端的氣流則順勢向上通過斜導孔，兩部分氣流經過斜導孔后在背風側重新匯集，而后受背風側渦流區(qū)反向氣流的作用，流經斜導孔的氣流與水平風向夾角進一步加大。但插板傾角不同，沙障對迎風側氣流的影響程度明顯不同：插板傾角較小時，迎風側貼近地面的流線向下彎曲的程度較小，氣流向下彎曲運動的趨勢較弱(見圖5a)，隨著插板傾角逐漸增大，貼近地面的流線向下彎曲的程度逐漸增大，氣流向下彎曲運動的趨勢較強(見圖5d)；另外，插板傾角對沙障背風側氣流也具有顯著影響，隨插板傾角逐漸增大，背風側流線與水平風向的夾角逐漸增大，氣流聚集加速程度也逐漸增強。這一結論與Cheng等[14]人所做的斜插板式沙障風沙流場特征野外試驗結果相吻合，驗證了數值模擬的準確性。

圖5 來流風速為15 m/s時的斜插板式沙障周圍流線特征

產生上述變化規(guī)律的原因在于不同傾角的插板對迎風側氣流的擠壓程度不同，存在隨插板傾角增大而增強的變化規(guī)律，二者呈正相關。插板傾角較大時，插板對迎風側氣流的擠壓作用較強，近地面的氣流需以較大的角度向下運動才能通過斜導孔，同時，較大的插板傾角也使得沙障對氣流的阻滯作用較強，導致背風側渦流區(qū)范圍較大，在渦流區(qū)反向氣流的附加作用下，流經斜導孔的這一部分氣流與水平風向的夾角進一步增大。

為進一步分析插板傾角對斜插板式沙障周圍流場的影響，繪制不同風速下4種沙障前后距地面0.5 m高度處風速變化曲線(見圖6)。從圖6可以看出，不同風速下，4種沙障周圍風速變化規(guī)律一致，均呈“U”型分布。對于同一風速而言，背風側渦流區(qū)內風速極小值存在隨插板傾角增大而減小的變化規(guī)律，二者呈負相關，這也進一步表明，增大插板傾角可以增強沙障對氣流的阻礙作用，背風側渦流區(qū)內反向氣流流速相應增大。

2.2 積沙遷移規(guī)律

以15 m/s風速為例，繪制4種沙障周圍積沙分布(見圖7)。由圖7可以看出，4種沙障周圍積沙遷移規(guī)律相似，即迎風側積沙量較少且緊貼沙障分布，主要積沙分布范圍在背風側且與沙障保持一定距離。隨插板傾角逐漸增大，沙障迎風側積沙量逐漸增多，而背風側整體積沙量逐漸減少，背風側主要積沙范圍與沙障之間的距離也逐漸增大，但對于背風側1 H范圍內而言，積沙量反而逐漸增多。

產生上述積沙遷移規(guī)律的主要原因是4種沙障所消減的風沙流運動風能不同：風沙流受沙障阻礙時，迎風側風沙流流速有所降低，風沙流經過斜導孔時，具有一定傾角的插板會迫使氣流向上運動，在此過程中，風沙流與斜導孔壁面相互作用，其運動風能逐漸減小，另外，風沙流向上運動的過程中，風沙流的部分動能轉化為重力勢能，氣流攜沙能力進一步降低。當插板傾角較小時，迎風側風沙流流速降幅較小，風沙流經過斜導孔時損失的動能也較少，氣流攜沙能力降低幅度較小，因此，迎風側堆積的沙粒較少，更多的沙粒隨氣流運動至背風側后逐漸堆積；而當插板傾角較大時，迎風側風沙流流速降幅較大，風沙流經過斜導孔時損失的動能也較多，導致氣流攜沙能力降低幅度較大，因此，在重力主導作用下，沙粒更易沉積在沙障附近，而背風側主要積沙范圍內的積沙量較少。

3 結論及討論

(1) 斜插板式沙障周圍流場分區(qū)可分為迎風側減速區(qū)、上方加速區(qū)和背風側渦流區(qū)。受插板傾角變化影響，流場分區(qū)變化趨勢不盡相同：隨插板傾角逐漸增大，迎風側減速區(qū)范圍無明顯變化，上方加速區(qū)和背風側渦流區(qū)范圍逐漸增大。

(2) 斜插板式沙障周圍氣流的運動趨勢受插板傾角影響呈規(guī)律性變化，隨插板傾角逐漸增大，迎風側近地表處氣流受到的擠壓作用逐漸增強，氣流向下彎曲運動的趨勢逐漸增強，背風側向上運動的氣流與水平風向的夾角逐漸增大，氣流聚集加速程度也逐漸增強。

(3) 不同風速下，4種斜插板式沙障周圍風速均呈“U”型分布。對同一風速而言，背風側渦流區(qū)內風速極小值存在隨插板傾角增大而減小的變化規(guī)律，二者呈負相關。

(4) 4種斜插板式沙障迎風側積沙較少且緊貼沙障分布，主要積沙分布范圍集中在背風側，且與沙障之間存在一定距離。隨插板傾角逐漸增大，迎風側積沙量逐漸增多，而背風側整體積沙量逐漸減少，但背風側1 H范圍內積沙逐漸增多，并且背風側主要積沙分布范圍與沙障之間的距離也逐漸增大。

基于目前斜插板式沙障的研究現狀，降低斜插板板材在生產過程中原材料獲取及運輸所產生的高昂成本將成為日后研究工作的重點，后續(xù)可以著重研究利用就地取材的方式生產板材，可考慮在控制成本的前提下添加纖維絲等材料以保證其強度達到使用要求，使斜插板式沙障在沙區(qū)鐵路或公路工程風沙防治中達到“以沙治沙”的效果。