基于離散伴隨求解器的鐵路下導(dǎo)風(fēng)工程外形優(yōu)化研究

陳柏羽，程建軍，辛林桂，丁泊淞

基于離散伴隨求解器的鐵路下導(dǎo)風(fēng)工程外形優(yōu)化研究

陳柏羽，程建軍，辛林桂，丁泊淞

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

為提高鐵路沿線前傾式下導(dǎo)風(fēng)工程輸導(dǎo)效果，基于離散伴隨求解器對前傾式下導(dǎo)風(fēng)工程導(dǎo)風(fēng)板進(jìn)行局部外形優(yōu)化，并運(yùn)用數(shù)值模擬分析優(yōu)化前后下導(dǎo)風(fēng)工程控制下的風(fēng)沙流場。研究結(jié)果表明：導(dǎo)風(fēng)板形狀敏感性存在由中部向兩端逐漸增大的分布規(guī)律，其數(shù)值大小與風(fēng)速呈正相關(guān)，通過優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板外形可以有效降低導(dǎo)風(fēng)板阻力，減少氣流經(jīng)過導(dǎo)風(fēng)板時損耗的動能，氣流通過保護(hù)區(qū)時具有更高的運(yùn)動風(fēng)能；導(dǎo)風(fēng)板外形優(yōu)化可以增加導(dǎo)風(fēng)板有效輸導(dǎo)高度，擴(kuò)大保護(hù)區(qū)范圍，提高保護(hù)區(qū)風(fēng)速，導(dǎo)風(fēng)板聚集壓縮加速氣流的效果更好；導(dǎo)風(fēng)板外形優(yōu)化可以增強(qiáng)導(dǎo)風(fēng)板輸沙效果，減少鐵軌附近的積沙量，增大鐵路與鐵路背風(fēng)側(cè)積沙范圍之間的距離，延長下導(dǎo)風(fēng)工程使用年限。

下導(dǎo)風(fēng)工程；離散伴隨求解器；外形優(yōu)化；數(shù)值模擬

下導(dǎo)風(fēng)工程又稱聚風(fēng)板工程，由柵欄工程發(fā)展而來，廣泛應(yīng)用于防治風(fēng)沙、風(fēng)吹雪對鐵路和公路的危害[1]。下導(dǎo)風(fēng)工程的排列和結(jié)構(gòu)形式多樣，根據(jù)導(dǎo)風(fēng)板傾角不同分為直立式(傾角=90°)、前傾式(傾角＜90°)和后傾式(傾角＞90°)3種[2]。導(dǎo)風(fēng)板寬度、傾角及下口高度作為下導(dǎo)風(fēng)工程的主要結(jié)構(gòu)特征，直接影響著下導(dǎo)風(fēng)工程的輸導(dǎo)效果，已有學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究：劉賢萬等[1]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究導(dǎo)風(fēng)板傾角對輸沙效果的影響，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)風(fēng)板采用偏離直立的傾角可以有效減少板前和板后沙粒堆積。程建軍等[3]通過三維數(shù)值模擬對比分析直立式和前傾式導(dǎo)風(fēng)板的輸沙效果，結(jié)果表明前傾式導(dǎo)風(fēng)板的輸沙效果明顯優(yōu)于直立式導(dǎo)風(fēng)板。辛林桂等[4]通過數(shù)值模擬對下導(dǎo)風(fēng)工程的主要影響參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)風(fēng)板與風(fēng)向夾角為60°、下口高度為2 m時輸沙效果較好。LIU等[5]通過數(shù)值模擬研究具有不同下口高度的直立式下導(dǎo)風(fēng)工程，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)風(fēng)板背風(fēng)側(cè)保護(hù)區(qū)范圍與下口高度呈正相關(guān)。相較于導(dǎo)風(fēng)板寬度、傾角及下口高度等，導(dǎo)風(fēng)板外形通常被認(rèn)為是影響下導(dǎo)風(fēng)工程輸導(dǎo)效果的次要因素，因此關(guān)于導(dǎo)風(fēng)板外形優(yōu)化的研究較少。另外，導(dǎo)風(fēng)板氣動外形優(yōu)化涉及諸多變量，傳統(tǒng)試錯法在處理這類問題時存在一定局限性，往往需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能達(dá)到設(shè)計目標(biāo)[6]。而伴隨方程法是一種基于梯度算法的優(yōu)化方法，其計算量與目標(biāo)變量數(shù)目無關(guān)，可大幅降低計算成本[7]。1974年P(guān)ironneau[8]首次將伴隨方程法應(yīng)用于流體動力學(xué)，隨后Jameson[9]將其擴(kuò)展至航空領(lǐng)域并用于飛行器翼型優(yōu)化，此后伴隨方程法一直作為空氣動力學(xué)領(lǐng)域的主要優(yōu)化方法[10]。目前已有學(xué)者基于伴隨方程法開發(fā)出可用于工程實(shí)際的軟件工具[11?14]。其中，離散伴隨求解器作為一種基于離散伴隨方程法開發(fā)的CFD優(yōu)化工具，旨在進(jìn)一步開發(fā)和改進(jìn)流體系統(tǒng)的性能。它擴(kuò)展了傳統(tǒng)流體求解器的分析范疇，僅通過一次計算就能提供流體系統(tǒng)詳細(xì)的性能敏感性數(shù)據(jù)，例如阻力、升力和壓力等，敏感性數(shù)據(jù)的可視化可指導(dǎo)設(shè)計人員對目標(biāo)幾何形狀進(jìn)行正確的改進(jìn)，同時離散伴隨求解器內(nèi)置的網(wǎng)格變形工具也可根據(jù)性能敏感性數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格自由變形，從而能實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計。目前，隨著CFD技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，基于伴隨方程法的氣動外形優(yōu)化設(shè)計技術(shù)日趨完善，已在空氣動力學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[15?17]，然而尚未有基于伴隨求解技術(shù)進(jìn)行風(fēng)沙防護(hù)工程外形優(yōu)化方面的研究。本文基于離散伴隨求解器對前傾式下導(dǎo)風(fēng)工程導(dǎo)風(fēng)板進(jìn)行局部外形優(yōu)化，在保證導(dǎo)風(fēng)板風(fēng)向投影面積、傾角及下口高度一定的情況下，通過降低導(dǎo)風(fēng)板阻力來減少氣流經(jīng)過導(dǎo)風(fēng)板時產(chǎn)生的動能損耗，進(jìn)一步提高導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果。為下導(dǎo)風(fēng)工程的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

運(yùn)用AutoCAD對前傾式下導(dǎo)風(fēng)工程進(jìn)行幾何建模。由于下導(dǎo)風(fēng)工程在結(jié)構(gòu)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，導(dǎo)風(fēng)板放置在距入口60 m處，導(dǎo)風(fēng)板寬度為3 m，與水平風(fēng)向夾角60°，下口高度為1.5 m。計算域模型如圖1所示。

流體計算域模型網(wǎng)格劃分類型采用四邊形主導(dǎo)(Quadrilateral Dominant)，并對導(dǎo)風(fēng)板附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，增長率為1.1，網(wǎng)格質(zhì)量平均值為0.983 8。計算域模型網(wǎng)格數(shù)量約為5×104個。計算域網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖1 計算域模型及邊界條件示意圖

圖2 計算域網(wǎng)格劃分示意圖

1.2 計算參數(shù)及控制方程

根據(jù)空氣動力學(xué)原理，風(fēng)沙流馬赫數(shù)均小于0.3時被認(rèn)為是不可壓縮流動[17]，模型入口邊界條件為速度入口(Velocity-inlet)。由于計算域中流態(tài)充分發(fā)展條件下才采用自由出流，而此模型中出口不能保證自由出流，故模型出口邊界條件為壓力出口(Pressure-outlet)，壓力差為0。計算域模型上下邊界條件為Wall，下邊界粗糙度為0.001，上邊界粗糙度為0?？諝饷芏萲=1.225 kg/m3，空氣動力黏度=1.789×10?5Pa·s，壓力為常壓。風(fēng)沙流中沙粒粒徑通常為0.075~0.25 mm，本文取沙粒粒徑s=0.15 mm，沙粒密度s=2 650 kg/m3，黏度=0.004 7 Pa·s[18]，初始沙粒體積分?jǐn)?shù)為1%，類型為FLUID。入流風(fēng)速選取10，15和20 m/s 3種。

計算域求解模型采用歐拉雙流體模型，附加-湍流模型，湍流強(qiáng)度=0.05，湍流半徑=0.5，并選取Syamlal-O’Brien 曳力模型[19]。所需控制方程主要有連續(xù)性方程、動量方程和-湍流方程[20]。方程組求解計算方法采用SIMPLEC算法，此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(biāo)準(zhǔn)為10?6量級。

2 離散伴隨方法

2.1 優(yōu)化流程

導(dǎo)風(fēng)板外形優(yōu)化系統(tǒng)主要包括幾何建模工具、網(wǎng)格劃分工具、CFD程序及離散伴隨求解器。其中離散伴隨求解器的工作流程與傳統(tǒng)CFD程序類似，即參數(shù)設(shè)置、初始化伴隨場并迭代至收斂，其計算量也與傳統(tǒng)CFD程序相當(dāng)。導(dǎo)風(fēng)板外形優(yōu)化設(shè)計流程如下：1) 計算域幾何建模及網(wǎng)格劃分；2) 利用CFD程序求解計算域模型并得到穩(wěn)定收斂的流場解；3) 離散伴隨求解器基于梯度算法求解伴隨方程；4) 輸出模型的敏感性數(shù)據(jù)；5) 離散伴隨求解器內(nèi)置的網(wǎng)格變形工具根據(jù)敏感性數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格自由變形；6) 重復(fù)上述過程直至目標(biāo)變量收斂，設(shè)計目標(biāo)達(dá)成后，將最終模型網(wǎng)格化并通過CFD程序重新評估該幾何形狀?；陔x散伴隨求解器進(jìn)行導(dǎo)風(fēng)板外形優(yōu)化的流程如圖3所示。

2.2 計算參數(shù)及網(wǎng)格變形控制

以導(dǎo)風(fēng)板所受阻力為目標(biāo)變量，阻力敏感性取向(Sensitivity orientation)設(shè)定為最小化(Minimize)。離散格式采用二階迎風(fēng)格式(Second order upwind)，各分量值收斂標(biāo)準(zhǔn)為10?6量級。

圖3 優(yōu)化流程示意圖

網(wǎng)格變形對象為導(dǎo)風(fēng)板，網(wǎng)格變形比例因子(Freeform scale factor)為0.1。單次優(yōu)化的阻力降低幅度為2%。網(wǎng)格變形區(qū)域高度為1 m，寬度為5 m。同時，網(wǎng)格變形區(qū)域內(nèi)和坐標(biāo)方向控制點(diǎn)數(shù)量各為20個。網(wǎng)格變形區(qū)域如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格變形區(qū)域示意圖

3 導(dǎo)風(fēng)板外形優(yōu)化結(jié)果與分析

下導(dǎo)風(fēng)板主要借助風(fēng)的動力作用，使風(fēng)沙流通過導(dǎo)風(fēng)板下口時，風(fēng)道斷面減小導(dǎo)致風(fēng)速增大，從而使風(fēng)沙流加速通過線路并清除線路上的積沙[3]。然而，導(dǎo)風(fēng)板在聚集加速氣流的過程中會將導(dǎo)風(fēng)板所在流層的流體動能和位能轉(zhuǎn)化為加強(qiáng)導(dǎo)風(fēng)板上、下端流體運(yùn)動的動能和位能[1]。這一過程勢必會損耗氣流的部分動能，而損耗動能的大小可通過導(dǎo)風(fēng)板所受阻力來體現(xiàn)[2]。因此，在保證導(dǎo)風(fēng)板風(fēng)向投影面積、傾角和下口高度一定的情況下，對導(dǎo)風(fēng)板局部外形進(jìn)行正確的減阻設(shè)計，可以有效降低氣流經(jīng)過導(dǎo)風(fēng)板時產(chǎn)生的動能損耗，增加導(dǎo)風(fēng)板下端氣流的運(yùn)動風(fēng)能，進(jìn)一步提高導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果。

3.1 形狀敏感性分析

基于穩(wěn)定收斂的流場解，離散伴隨求解器可從中推導(dǎo)出流體系統(tǒng)詳細(xì)的敏感性數(shù)據(jù)。值得注意的是，敏感性數(shù)據(jù)僅針對于指定的目標(biāo)變量及當(dāng)前的入流條件，伴隨優(yōu)化結(jié)果隨目標(biāo)變量和入流條件的變化而變化。因此，在使用伴隨方法進(jìn)行氣動外形優(yōu)化時通常選取某一風(fēng)速下求解出的流場信息作為伴隨優(yōu)化依據(jù)[6]。圖5為不同風(fēng)速下導(dǎo)風(fēng)板形狀敏感性示意圖?？梢钥闯?，不同風(fēng)速下導(dǎo)風(fēng)板形狀敏感性均存在由中部向兩端逐漸增大的分布規(guī)律，且對同一區(qū)域而言，形狀敏感性的分布和方向不受風(fēng)速影響，僅在數(shù)值大小上與風(fēng)速呈正相關(guān)。由于風(fēng)速會影響敏感性數(shù)據(jù)，從而影響伴隨優(yōu)化結(jié)果，所以，為便于研究，本文以風(fēng)速15 m/s時計算出的流場信息作為伴隨優(yōu)化依據(jù)，進(jìn)行導(dǎo)風(fēng)板外形局部優(yōu)化。

從圖5可知，改變導(dǎo)風(fēng)板上下端外形可以顯著降低導(dǎo)風(fēng)板阻力，但導(dǎo)風(fēng)板上端變形會向后彎曲，導(dǎo)致更多氣流從導(dǎo)風(fēng)板上端分離，經(jīng)導(dǎo)風(fēng)板聚集加速后通過下口的氣流減少，這降低了導(dǎo)風(fēng)板輸沙效果。因此本文通過約束網(wǎng)格變形區(qū)域，僅對導(dǎo)風(fēng)板下部進(jìn)行減阻外形優(yōu)化。

(a) 風(fēng)速：10 m/s；(b) 風(fēng)速：15 m/s；(c) 風(fēng)速：20 m/s

圖6 優(yōu)化前后導(dǎo)風(fēng)板外形對比圖

優(yōu)化前后導(dǎo)風(fēng)板外形對比如圖6所示?？梢钥闯觯瑑?yōu)化后導(dǎo)風(fēng)板下部與導(dǎo)風(fēng)板主體呈一定角度，轉(zhuǎn)角處近似由一段弧形平滑過渡，導(dǎo)風(fēng)板下部與氣流夾角變小。導(dǎo)風(fēng)板下部與氣流夾角變小使得導(dǎo)風(fēng)板下端對氣流剪切作用減弱，氣流損耗的運(yùn)動風(fēng)能減少，此外，轉(zhuǎn)角處由弧形過渡也使氣流沿導(dǎo)風(fēng)板流動更加平順，進(jìn)一步減少了氣流流動過程中的動能損耗。

圖7為優(yōu)化過程中導(dǎo)風(fēng)板阻力變化曲線。可以看出，在最初的幾輪優(yōu)化循環(huán)中，阻力降低顯著，隨優(yōu)化循環(huán)次數(shù)的增加，導(dǎo)風(fēng)板單次優(yōu)化降低的阻力值逐漸減少并最終趨于收斂。經(jīng)30輪優(yōu)化循環(huán)后，導(dǎo)風(fēng)板阻力由最初的660.68 N降低至543.01 N，導(dǎo)風(fēng)板阻力降低17.81%。這表明氣流經(jīng)過導(dǎo)風(fēng)板時損耗的動能顯著降低，氣流能以更高的動能通過導(dǎo)風(fēng)板下口。同時阻力降低也表明下導(dǎo)風(fēng)工程在極端風(fēng)環(huán)境下的抗傾覆能力增強(qiáng)，下導(dǎo)風(fēng)工程結(jié)構(gòu)可靠度相對較高。

圖7 導(dǎo)風(fēng)板阻力變化曲線

3.2 流場分析

導(dǎo)風(fēng)板所在流層氣流沿導(dǎo)風(fēng)板流動時會在板面某一點(diǎn)產(chǎn)生分離，即氣流分離點(diǎn)，該點(diǎn)以上氣流沿板面向上流動并加速導(dǎo)風(fēng)板上端，而該點(diǎn)以下氣流沿板面向下流動并加速通過下口。如圖8所示。據(jù)此，本文定義氣流分離點(diǎn)至導(dǎo)風(fēng)板下端點(diǎn)之間的豎直高度為導(dǎo)風(fēng)板有效輸導(dǎo)高度。在導(dǎo)風(fēng)板風(fēng)向投影面積、傾角及下口高度一定的情況下，導(dǎo)風(fēng)板有效輸導(dǎo)高度越高，表明經(jīng)導(dǎo)風(fēng)板聚集壓縮加速的氣流越多，導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果越好。以風(fēng)速15 m/s為例，優(yōu)化前導(dǎo)風(fēng)板有效輸導(dǎo)高度為1.74 m，而優(yōu)化后導(dǎo)風(fēng)板有效輸導(dǎo)高度為2.05 m。相較而言，氣流分離點(diǎn)向上提升0.31 m，導(dǎo)風(fēng)板有效輸導(dǎo)高度增加17.82%。由此可見，優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板外形可以將其所在流層中更多的氣流聚集壓縮并加速通過下口，導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果更加顯著。

導(dǎo)風(fēng)板外形決定著導(dǎo)風(fēng)板周圍氣流的流向及流速，是影響導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果的結(jié)構(gòu)特征之一，其周圍流場分區(qū)與普通擋墻類似，也有減速區(qū)，渦流區(qū)及加速區(qū)生成。特別的是，導(dǎo)風(fēng)板的加速區(qū)可根據(jù)所處位置不同分為上下兩部分，下方加速區(qū)通常稱為保護(hù)區(qū)，其范圍和風(fēng)速大小可以反映導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果。如圖9所示。形成流場分區(qū)的原因在于導(dǎo)風(fēng)板是一種帶尖緣的鈍體，當(dāng)氣流受擠壓繞過導(dǎo)風(fēng)板兩端時會在上下端點(diǎn)處產(chǎn)生分離形成強(qiáng)剪切層，強(qiáng)剪切層兩側(cè)的壓力差迫使流線向?qū)эL(fēng)板中部彎曲，從而在導(dǎo)風(fēng)板背風(fēng)側(cè)形成渦流區(qū)，在導(dǎo)風(fēng)板上下端形成加速區(qū)[21]。

(a) 優(yōu)化前；(b) 優(yōu)化后

從圖9可知，優(yōu)化前后的流場分區(qū)范圍明顯不同：相較于優(yōu)化前，優(yōu)化后導(dǎo)風(fēng)板保護(hù)區(qū)長度明顯增加，而迎風(fēng)側(cè)減速區(qū)、上方加速區(qū)及背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)范圍則明顯減小。下方保護(hù)區(qū)變化趨勢表明優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板外形有利于增大導(dǎo)風(fēng)板吹刮范圍，提高導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果。而上方加速區(qū)及背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)變化趨勢表明優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板外形可以減弱導(dǎo)風(fēng)板背風(fēng)側(cè)氣流對列車及受電弓等設(shè)施的干擾，更利于列車高速通行。為進(jìn)一步比較優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板外形對保護(hù)區(qū)風(fēng)速的影響，繪制不同風(fēng)速下導(dǎo)風(fēng)板背風(fēng)側(cè)0.5 m高度處風(fēng)速變化曲線，如圖10所示。可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的保護(hù)區(qū)風(fēng)速明顯高于優(yōu)化前，并且隨風(fēng)速增大，外形優(yōu)化體現(xiàn)出的優(yōu)勢越顯著。例如，在3種風(fēng)速條件下，優(yōu)化前背風(fēng)側(cè)0.5 m高度處風(fēng)速極大值分別為13.06，20.51和26.31 m/s，而優(yōu)化后0.5 m高度處風(fēng)速極大值分別為13.68，21.70和27.91 m/s，較優(yōu)化前分別提高4.75%，5.80%和6.08%?？梢姡瑑?yōu)化導(dǎo)風(fēng)板外形可以增大導(dǎo)風(fēng)板保護(hù)區(qū)范圍，同時也可以提高保護(hù)區(qū)內(nèi)氣流流速，導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果進(jìn)一步增強(qiáng)。

(a) 優(yōu)化前；(b) 優(yōu)化后

圖10 導(dǎo)風(fēng)板背風(fēng)側(cè)0.5 m高度處風(fēng)速變化曲線

3.3 鐵路積沙分析

圖11為不同風(fēng)速時導(dǎo)風(fēng)板外形優(yōu)化前后鐵路積沙分布情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，不論風(fēng)速如何，2種導(dǎo)風(fēng)板控制下的鐵路附近均有積沙分布。鐵路附近容易積沙的主要原因是由于枕木、鐵軌等結(jié)構(gòu)凹凸不平，對鐵路附近流場產(chǎn)生擾動，加速區(qū)無法完全覆蓋鐵路，另外，軌道凹形槽結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致鐵軌附近存在小范圍渦流區(qū)，易使沙粒在鐵軌附近堆積[4]。

從圖11可知，風(fēng)速為10 m/s時，在鐵路兩側(cè)及鐵軌之間均勻積沙分布，導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果不太理想；風(fēng)速為15 m/s時，鐵路迎風(fēng)側(cè)基本無積沙，鐵軌之間積沙有所減少，鐵路背風(fēng)側(cè)積沙范圍與鐵路之間的距離增大，導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果有所提高；風(fēng)速為20 m/s時，鐵路迎風(fēng)側(cè)與鐵軌之間積沙進(jìn)一步減少，且鐵路背風(fēng)側(cè)積沙范圍與鐵路之間的距離進(jìn)一步增大，導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果較好?？梢?，鐵路周圍積沙分布有隨風(fēng)速的增大而減少的變化規(guī)律，這也證實(shí)了風(fēng)速是影響導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果的主導(dǎo)因素。另外，鐵路積沙分布也受導(dǎo)風(fēng)板外形影響：在相同風(fēng)速下，優(yōu)化前鐵軌附近積沙量較多，鐵路背風(fēng)側(cè)積沙范圍與鐵路之間的距離相對較近；而優(yōu)化后鐵軌附近積沙量明顯減少，鐵路背風(fēng)側(cè)積沙范圍與鐵路之間的距離相對較遠(yuǎn)。由此可見，優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板外形可增強(qiáng)下導(dǎo)風(fēng)工程輸導(dǎo)效果，延長下導(dǎo)風(fēng)工程使用年限。

圖11 下導(dǎo)風(fēng)工程控制下鐵路積沙分布圖

注：圖中“A”代表優(yōu)化前，“B”代表優(yōu)化后。

4 結(jié)論

1) 前傾式導(dǎo)風(fēng)板形狀敏感性存在由中部向兩端逐漸增大的分布規(guī)律，其數(shù)值大小與風(fēng)速呈正相關(guān)。通過對導(dǎo)風(fēng)板下部外形優(yōu)化，導(dǎo)風(fēng)板所受阻力由660.68 N降低至543.01 N，阻力值降低17.81%，氣流經(jīng)過導(dǎo)風(fēng)板時損耗的動能顯著降低，導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果增強(qiáng)。

2) 優(yōu)化與否，導(dǎo)風(fēng)板周圍均有明顯的減速區(qū)、渦流區(qū)及加速區(qū)生成。但優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板外形可以減小導(dǎo)風(fēng)板迎風(fēng)側(cè)減速區(qū)、背風(fēng)側(cè)回流區(qū)及上方加速區(qū)范圍，增大下方保護(hù)區(qū)范圍及風(fēng)速，并且可以增加導(dǎo)風(fēng)板有效輸導(dǎo)高度，導(dǎo)風(fēng)板聚集壓縮加速氣流效果更加顯著。

3) 鐵路結(jié)構(gòu)易使沙粒堆積在鐵軌附近及線路背風(fēng)側(cè)，通過優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板外形可以進(jìn)一步減少鐵軌之間的積沙量，增大鐵路背風(fēng)側(cè)積沙范圍與鐵路之間的距離，延長下導(dǎo)風(fēng)工程使用年限。

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Shape optimization of blower fences of railway based on discrete adjoint solver

CHEN Boyu, CHENG Jianjun, XIN Lingui, DING Bosong

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

In order to reveal the transport effects of the blower fence along the railway, a discrete adjoint solver was used to optimize the local shape of the blower fence. The wind and sand flow field under the control of the blower fence before and after the optimization was studied by numerical simulation. The results show that: The shape sensitivity of the air deflector is gradually increased from the middle to the both ends of the air deflector, and its value is positively correlated with the wind speed. By optimizing the shape of the air deflector, the air deflector resistance can be effectively reduced, and the kinetic energy lost when the airflow passes through the air deflector is reduced, and the airflow passes through the protection zone to have higher wind energy; The shape optimization of the air deflector can increase the effective transmission height of the air deflector, expand the range of the protection zone, increase the wind speed of the protection zone. The effect of the air deflector gathering and compressing the accelerated airflow is better; The shape optimization of air deflector can enhance the effect of sediment transport, reduce the amount of sediment accumulated near the railroad, increase the distance between the range of sediment accumulated on the leeward side of the railway and the railway, and prolong the service life of the blower fence.

blower fence; discrete adjoint solver; shape optimization; numerical simulation

X169

A

1672 ? 7029(2019)08? 1923 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.08.008

2018?11?05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51641808，51568057，51268050)

程建軍(1979?)，男，河北衡水人，教授，博士，從事道路風(fēng)沙防治研究；E?mail：chengdesign@163.com

(編輯 涂鵬)