多孔介質(zhì)方法對鐵路沿線沙障模擬的適用性分析

王 連，程建軍，智凌巖，辛國偉

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832003)

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多孔介質(zhì)方法對鐵路沿線沙障模擬的適用性分析

王 連，程建軍，智凌巖，辛國偉

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832003)

為模擬細孔透隙式鐵路沙障的流場特征，鑒于此類模擬建模的困難性，采用CFD數(shù)值模擬程序，基于三維模擬的多孔介質(zhì)條件對阻沙固沙網(wǎng)和防風(fēng)沙直立柵欄的流場特征及壓力變化進行模擬分析。通過邊界條件和參數(shù)的合理控制得到：直立柵欄流場的數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞實驗下的流場速度變化相似；由于柵欄的整流作用，在多孔介質(zhì)模擬方法下沙障后出現(xiàn)明顯的減速恢復(fù)區(qū)，并在其后逐漸恢復(fù)為與入口相同的風(fēng)速廓線流；結(jié)合全斷面PE網(wǎng)風(fēng)洞試驗，采用多孔介質(zhì)模型可以得到與試驗數(shù)據(jù)相吻合的模擬結(jié)果，且壓降隨入口速度的增加明顯增大；由模擬結(jié)果可知，通過參數(shù)的合理控制，多孔介質(zhì)方法可較好地反映此類沙障的流場變化。

多孔介質(zhì)；沙障；壓降；流場

1 概述

在我國尤其是西北地區(qū)，荒漠化嚴重，風(fēng)沙災(zāi)害頻繁，早在20世紀60年代，我國就開始風(fēng)沙災(zāi)害的治理工作，從早期的植物防護到如今的機械防護，風(fēng)沙治理工作取得了相對理想的進展。但面對日漸惡劣的環(huán)境加之不同季節(jié)特殊地理位置的氣候條件，科學(xué)工作者仍需針對防風(fēng)沙障礙物作用效果做進一步研究。目前，PE網(wǎng)應(yīng)用較為廣泛，其防風(fēng)固沙性能優(yōu)異，且具有優(yōu)異的抗老化性能，連片使用可顯著增大地面粗糙度，降低來流風(fēng)速；獨特的上疏下密結(jié)構(gòu)可引導(dǎo)風(fēng)向沙障較梳的中上部通過，顯著減弱風(fēng)對地表的挖蝕作用，具有減風(fēng)、阻沙、導(dǎo)風(fēng)的綜合效果[1]。尼龍阻沙網(wǎng)作為一種新型的防沙材料，不僅具有防風(fēng)阻沙效果，還具有疏導(dǎo)沙的作用，在防沙治沙工程中具有廣泛應(yīng)用前景。

阻沙柵欄又稱高立式沙障，在我國風(fēng)沙地區(qū)廣泛使用，直立柵欄通過改變局部流場，使一定范圍內(nèi)的近地表風(fēng)速明顯降低，使風(fēng)沙流攜沙于此堆積[2]。柵欄防護體系的最主要作用是降低風(fēng)速，增加風(fēng)沙流飽和度，加速柵欄周圍沙粒的沉積，抑制風(fēng)沙災(zāi)害發(fā)生，其防護效益通常用削減風(fēng)速的大小來評價[3]。防風(fēng)沙柵欄主要用于鐵路沿線對風(fēng)沙災(zāi)害的防治，設(shè)置在防護體系的最外側(cè)，與鐵路走向平行，以減少風(fēng)沙運動對鐵路沿線運輸?shù)挠绊?，PE網(wǎng)和防風(fēng)沙柵欄均是沙漠地區(qū)阻沙固沙的理想新型材料。故本文通過計算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬軟件對二者進行數(shù)值模擬，減少實際測試或風(fēng)洞試驗獲取數(shù)據(jù)過程中的人力、物力投入。經(jīng)過多次模擬對比分析，針對不同模型尋找最佳模擬方法，通過對模擬計算過程中不同階段參數(shù)的合理控制，并結(jié)合風(fēng)洞實驗的數(shù)據(jù)加以修正，最終得到合理的計算方法和湍流模型，并分析障后流場的變化和通過防風(fēng)沙障礙物前后壓力的變化，凸顯防風(fēng)沙障礙物以降低風(fēng)速和減少湍流強度為目標(biāo)的防治原理，為從事風(fēng)沙研究的工作者提供一定的參考。

2 試驗設(shè)計分析

2.1 風(fēng)洞試驗設(shè)計

試驗在中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所風(fēng)洞實驗室進行，該風(fēng)洞全長16.2 m，由動力段、試驗段和擴散段構(gòu)成，試驗段長8 m，橫截面為寬1.3 m、高1 m的矩形，屬直流吹氣式風(fēng)洞。將測試裝置固定于風(fēng)洞底板，皮托管伸入孔洞，調(diào)整至合適位置并固定，將風(fēng)洞入口風(fēng)速調(diào)整至不同待測值，待皮托管讀數(shù)儀上顯示的壓強數(shù)值穩(wěn)定后記錄數(shù)值，依次測試各預(yù)留孔洞處的壓強數(shù)值，即可得到相應(yīng)風(fēng)速下PE網(wǎng)前后各處的壓差值。試驗用PE網(wǎng)為甘肅金海阻沙固沙新材料有限公司生產(chǎn)的JGSPE200He18G型固沙網(wǎng)，其孔隙率約60%，孔規(guī)格0.79 mm×0.83 mm。風(fēng)洞試驗布置如圖1所示。

圖1 風(fēng)洞試驗布置示意

2.2 全斷面PE網(wǎng)數(shù)值模擬

由于實體模型對劃分網(wǎng)格帶來諸多不便，故對于三維的PE網(wǎng)，采用數(shù)值模擬軟件自帶的多孔介質(zhì)模型模擬其壓降隨入口速度的變化，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。

2.2.1 多孔介質(zhì)模型

多孔介質(zhì)通常具有30%～60%孔隙度，模擬方式具有多樣性。CFD中多孔介質(zhì)模型是在定義多孔介質(zhì)的區(qū)域結(jié)合了一個根據(jù)經(jīng)驗假設(shè)為主的流動阻力，即在動量方程上增加了一個動量源項，其中源項由兩部分組成，黏性損失項和內(nèi)部損失項。1856年提出的Darcy關(guān)系式第一次描述了多孔介質(zhì)內(nèi)單向流速與壓降之間的關(guān)系式[4]

(1)

式中，Δp為單相流壓降，kPa；L為多孔介質(zhì)區(qū)域長度，m；μ為運動黏度，Pa·s；k為滲透率，m2；u為單相流表觀速度，m·s-1。

Forchheimer指出，多孔介質(zhì)中單項流的壓降實際上由黏性力和慣性力兩部分組成，低雷諾數(shù)下慣性力的作用可忽略不計，而高雷諾數(shù)下則影響顯著；Ergun總結(jié)前人的研究成果，認為高雷諾數(shù)下多孔介質(zhì)中單向流的壓降應(yīng)表述為速度一次項和二次項之和的形式，并提出Ergun關(guān)系式[5-8]。

2.2.2 模型的建立

數(shù)值模擬幾何模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬幾何模型

模型長度方向取41.0 mm，寬度方向取11.4 mm，高度方向取9.8 mm，多孔區(qū)域位于長度中線位置，Δn=0.27 mm，采用全斷面布設(shè)多孔區(qū)域以驗證試驗結(jié)果。

2.2.3 網(wǎng)格劃分

利用計算流體動力學(xué)模擬軟件對既有幾何模型的網(wǎng)格進行劃分，其中對于多孔介質(zhì)區(qū)域，將其獨立于計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，并對靠近多孔介質(zhì)壁面區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理，統(tǒng)一采用六面體網(wǎng)格即Hexa Meshing方式進行劃分，最終得到286 110個節(jié)點、830 900個網(wǎng)格面和272 500個網(wǎng)格單元，網(wǎng)格最小正交質(zhì)量為1.0。劃分網(wǎng)格結(jié)果如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

2.2.4 模擬計算及邊界條件

多孔介質(zhì)條件亦稱分布阻力法，是將流動區(qū)域中固體結(jié)構(gòu)的作用看作是附加在流體上的分布阻力，此時多孔模型的阻礙作用不復(fù)存在，只需設(shè)置相關(guān)參數(shù)，而數(shù)值模擬軟件默認多孔介質(zhì)區(qū)域的速度為依據(jù)體積流量來推斷的表面速度，同時也可以賦予多孔介質(zhì)內(nèi)部速度值。多孔介質(zhì)對湍流的影響是近似的流體力學(xué)湍流動量方程

(2)

方程中第一項為時間項；第二項為對流項；第三項為擴散項；最后一項為源項，方程式如下

(3)

式中，Si是i方向(x，y，z)的動量源項，在多孔介質(zhì)單元中，動量損失對于壓力梯度有貢獻，壓降和流體速度成比例。

湍流模型選擇用于描述湍流充分發(fā)展的可實現(xiàn)型κ-ε兩方程模型，利用基于有限體積法的數(shù)值計算方法求解控制方程。研究單相低速流下(即修正的雷諾數(shù)Re<10)的流動狀態(tài)時，黏性阻力的影響較大[9]，在基于多孔介質(zhì)模型的動量方程源項中設(shè)置黏性阻力系數(shù)1.7×10-8，內(nèi)部阻力系數(shù)1 300，并按各向異性設(shè)置，數(shù)量級上相差不超過1 000倍，多孔區(qū)域設(shè)置為層流模型，其孔隙率保持為1.0。設(shè)置入口為速度邊界條件，采用均勻流，并通過設(shè)置不同速度以求得各速度下的壓降值，出口為壓力邊界條件，采用湍流強度和水力半徑方式描述湍流過程，對于湍動能、湍流耗散率等均采用二階迎風(fēng)格式的計算方法，多孔介質(zhì)區(qū)域設(shè)置為對稱(symmetry)邊界條件，因為本次物理模型及湍流形式具有鏡像對稱的特征，在黏性流動計算中也可以使用滑移壁面條件。在進行數(shù)值模擬計算過程中，為保證模擬計算良好的收斂性，將流動各個方向速度、湍動能κ和耗散率ε的殘差收斂標(biāo)準均設(shè)為0.001[10]。

2.2.5 結(jié)果處理分析

結(jié)合風(fēng)洞試驗，現(xiàn)從數(shù)值模擬軟件中選取部分表征壓力變化的后處理圖(圖4、圖5)并進行相關(guān)分析。

圖4 5.5 m/s風(fēng)速下壓力云圖

圖5 11.2 m/s風(fēng)速下壓力云圖

由數(shù)值模擬結(jié)果和風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)整理得到入口速度和壓降的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 壓降與速度曲線

2.3 阻沙柵欄數(shù)值模擬分析

柵欄作用于地表很大程度上影響了其周圍氣流的流動特性，是原來流經(jīng)地表的氣流成為一種特殊形式的次生流，進而導(dǎo)致柵欄附近的氣流無論是在流動強度還是流動方向都發(fā)生了很大的變化，尤其是氣流的動量和能量的傳遞方式變得更加復(fù)雜[11]。Plate等最早根據(jù)對柵欄防護的空氣動力學(xué)分析，將繞過二維直立柵欄的流場劃分為外層、中間層、內(nèi)層、中間和外層之間的混合區(qū)、內(nèi)層和中間層的混合區(qū)、直立渦旋區(qū)和潛在外流區(qū)等7個區(qū)域[12]。故本文利用基于多孔介質(zhì)條件的數(shù)值模擬軟件模擬阻沙柵欄前后流暢的變化，并體現(xiàn)數(shù)值模擬軟件的適應(yīng)性和便捷性。

2.3.1 阻沙柵欄幾何建模

采用計算機輔助軟件建立模型如圖7所示，實體柵欄模型如圖8所示。

圖7 阻沙柵欄幾何模型

圖8 實體柵欄模型

為了充分描述自然條件下柵欄對來流風(fēng)速的影響作用，故將計算域取相較于阻沙障礙物尺寸數(shù)幾十倍大小。此模型沿風(fēng)速方向取60 m，沿障礙物縱向取0.16 m，計算域高度取10 m，坐標(biāo)原點位于阻沙柵欄底部中心處。

2.3.2 網(wǎng)格劃分

利用CFD數(shù)值模擬軟件中前處理軟件對已有幾何模型進行嚴格的網(wǎng)格劃分，最終網(wǎng)格相關(guān)數(shù)據(jù)：558 558個節(jié)點、1 623 850個網(wǎng)格面和532 800個網(wǎng)格單元，并在多孔介質(zhì)區(qū)域進行局部加密，網(wǎng)格質(zhì)量良好，結(jié)果如圖9所示。

圖9 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3.3 邊界條件和計算參數(shù)控制

(1)邊界條件的設(shè)定

根據(jù)空氣動力學(xué)原理，當(dāng)馬赫數(shù)小于0.3時為不可壓縮流，故模型入口條件為速度入口，使用UDF編輯入口風(fēng)速廓線，地表粗糙度設(shè)為0.5；對于湍流邊界條件，采用湍動能κ和比耗散率ω兩方程模型的組合，其中

(4)

(5)

出口和上表面條件因均處在湍流充分發(fā)展的情況，故設(shè)置為壓力出口，湍流計算方法選擇為湍流強度和水力半徑模式，并設(shè)置湍流強度為5，水力半徑為0.375；多孔介質(zhì)區(qū)域設(shè)置成對稱邊界條件，并根據(jù)以往文獻關(guān)于壓降和風(fēng)速研究設(shè)置相應(yīng)的分布阻力黏性阻力系數(shù)為0.38，慣性阻力系數(shù)為300，保持孔隙率為1.0不變。

(2)計算方法及參數(shù)控制

湍流計算方法選擇定常狀態(tài)下收斂性較好基于不可壓縮流體的SIMPLEC方式，對于動量、湍動能等離散化問題均采用可以減少擴散誤差的二階迎風(fēng)格式；選擇標(biāo)準初始化從所有區(qū)域開始的方法，其他初始值保持缺省狀態(tài)，為確保模擬結(jié)果的準確性，對諸如三個方向的速度、湍動能、比耗散率等的監(jiān)視，應(yīng)保證其殘差收斂標(biāo)準控制在0.001，并設(shè)空氣密度ρ=1.225 kg·m-3，黏度μ=1.789 4×10-5。

2.3.4 計算結(jié)果分析

氣流在越過柵欄后形成明顯減速恢復(fù)區(qū)，從而降低來流強度，阻止風(fēng)攜沙繼續(xù)向前運動，障后風(fēng)速變化最為突出區(qū)段主要分布在柵欄后(1～6)H內(nèi)；現(xiàn)分別取障后z/h=4.2H和y/h=1.38H處風(fēng)速變化，并與1983年Bradley和Mulhearn等[14]對防風(fēng)柵欄的風(fēng)洞試驗結(jié)果進行對比。見圖10、圖11。

注：Uo為上風(fēng)向入口處y=4.0 m高度處的風(fēng)速 圖10 z/h=4.2H風(fēng)速對比

圖11 y/h=1.38H風(fēng)速對比

由圖12分析得知，在柵欄后z/h=4.2H(H為直立柵欄高度)距離處，來流廓線風(fēng)速度縱向剖面數(shù)值與B&M等風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)整體趨勢一致；在y/h=1.38H處，基于多孔介質(zhì)的數(shù)值模擬結(jié)果與B&M等在相同條件下相應(yīng)位置處的風(fēng)速大小基本一致，相對誤差為2.17%。由此可見，利用數(shù)值模擬軟件中自帶的多孔介質(zhì)模型，通過合理的控制相關(guān)參數(shù)能有效地模擬一些類似網(wǎng)孔狀的實際工程構(gòu)筑物，減少人力、物力的消耗；再者，從速度云圖可以看出，對于非定常來流，阻沙柵欄可以明顯減低來流風(fēng)速，降低來流湍動能，而擠壓上揚區(qū)并不明顯，且在障后形成較不明顯的渦流區(qū)，減少對障后地表的擾動，此結(jié)果與張克存等[15]關(guān)于直立柵欄風(fēng)洞模擬試驗或?qū)嵉赜^測結(jié)果相符。

圖12 阻沙柵欄速度云圖

直立柵欄作用于地表明顯地影響其周圍氣流的流動特性，氣流繞過柵欄經(jīng)歷了抬升、加速、沉降和恢復(fù)等過程；柵欄對地表的保護作用表現(xiàn)為風(fēng)速的削減，這是科研工作者用來評價柵欄防護效益的一個常用指標(biāo)，當(dāng)氣流越過柵欄后風(fēng)速急劇降低，最終將導(dǎo)致沙粒減速沉降。本文對直立柵欄基于多孔介質(zhì)的模擬，從理論上證實了直立柵欄對來流風(fēng)速的削弱作用和對湍動能的耗散作用，可有效模擬其實際流場變化。

3 結(jié)論

采用數(shù)值模擬和試驗數(shù)據(jù)結(jié)合的方式尋找采用CFD數(shù)值模擬軟件基于多孔介質(zhì)模型的最佳邊界條件和計算方法，模擬計算中均采用三維建模方法，分別對不同多孔介質(zhì)模型進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：全斷面PE網(wǎng)基于壓降的數(shù)值模擬，在選擇多孔介質(zhì)模型中，設(shè)置動量源項中的黏性阻力系數(shù)為1.7×10-8，慣性阻力系數(shù)1 300時，可較好地模擬PE網(wǎng)的實際壓降變化，且隨著入口風(fēng)速的增加，壓降呈明顯的指數(shù)方式增加。

對阻沙柵欄的模擬表明，多孔介質(zhì)條件可準確模擬其實際流場變化，通過對計算過程的嚴格控制，阻沙柵欄可有效降低來流風(fēng)速，具有顯著的防護效果；對于多孔介質(zhì)模擬的實用性，不同的模型也具有不同的特點，需要根據(jù)具體試驗或數(shù)據(jù)分析，確定在模擬過程相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，以最合理的方式反映實際情況。

目前多孔介質(zhì)的應(yīng)用還沒有形成統(tǒng)一理論規(guī)范，還望研究者們在模擬的同時多結(jié)合風(fēng)洞試驗的結(jié)果。

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Simulation Applicability Analysis of Sand-protecting Barrier along the Railway Based on Porous Media Method

WANG Lian， CHENG Jian-jun， ZHI Ling-yan， XIN Guo-wei

(College of Water Resources and Architectural Engineering， Shihezi University， Shihezi 832003， China)

To simulate the flow field characteristics of multiaperture sand-protecting barrier along the railway with a view to the difficulties in such simulation modeling， the essay uses CFD numerical simulation program to analyze the flow field characteristics and pressure changes of the polythene net and the upright sand-preventing fence based on the 3D simulation of the porous medium condition. With reasonable control of the boundary conditions and parameters， the results show that (1) the numerical simulation of the upright sand-preventing fence is similar to the rate of flow field in wind tunnel experiment， slow recovery area appears obviously after the barrier in porous media simulation because of the effect of rectification of the fence and returns to the same wind speed profile flow at the entrance; (2) combined with the whole section polythene net wind tunnel test， the same simulation results as the test data are obtained by porous media model and the voltage drop increases obviously with the increase of the inlet velocity. The simulation results show that porous media method can better reflect the changes of the flow field of such barrier with proper control of parameters

Porous medium; Sand-protecting barrier; Voltage drop; Flow field

2016-05-10；

2016-05-19

國家自然科學(xué)基金項目(51568057；51268050；50908152)

王 連(1992—)，男，碩士研究生，研究方向沙害防治工程，

E-mail:2798895114@qq.com。

1004-2954(2016)11-0018-05

U213.1+54

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.005