風(fēng)速廓線形式對(duì)HDPE板高立式沙障風(fēng)沙流場的差異性研究

張 凱，趙沛雯，張興鑫，王起才，郝藝翔

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；3.蘭州交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

格庫鐵路東起青海省格爾木市西至新疆庫爾勒市，是我國第三條進(jìn)疆鐵路。格庫鐵路所經(jīng)地區(qū)屬于典型的溫帶大陸型干旱氣候區(qū)，氣候干燥、風(fēng)大且頻率高，該地區(qū)地形開闊，沙源豐富，因此風(fēng)積沙、戈壁風(fēng)沙流和風(fēng)蝕在全線均較為普遍，風(fēng)沙路段占線路全長的60%以上，見圖1。風(fēng)沙災(zāi)害防治體系可分為化學(xué)、機(jī)械和生物三大類，其中生物防沙體系效果最佳，但由于格庫鐵路青海段大部分位于高鹽漬地區(qū)，受當(dāng)?shù)貧夂蛩囊约巴寥赖拳h(huán)境因素的影響，生物防沙體系無法采用，化學(xué)防沙對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響較大，因此機(jī)械防沙在格庫鐵路防沙中具有不可替代的作用。

圖1 格庫鐵路沿線積沙

機(jī)械防沙措施在沙漠和戈壁鐵路、公路等線路中應(yīng)用較多[1-3]，同時(shí)針對(duì)防沙措施的高立式沙障結(jié)構(gòu)的研究也日趨完善。程建軍等[4]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過導(dǎo)風(fēng)板對(duì)線路過境風(fēng)沙流的輸導(dǎo)效果及其控制機(jī)理進(jìn)行研究；景文宏等[5]基于Fluent歐拉非定常模型，對(duì)不同孔隙率的軌枕式擋墻擋沙效果進(jìn)行研究；辛林桂等[6]利用數(shù)值模擬方法，研究了側(cè)向?qū)成痴现車牧鲌鲅莼?guī)律特征，揭示沙障周圍的流場機(jī)理等等，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類高立式沙障防沙措施展開了大量的室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)[7-9]。然而，大部分學(xué)者在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，并沒有按照現(xiàn)場和風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)速廓線呈對(duì)數(shù)形式[10-11]進(jìn)行模擬，而是假定為均勻假想流，不能真實(shí)反映沙障周圍的流場情況。

因此本文應(yīng)用數(shù)值模擬分析方法，來流風(fēng)速廓線分別采用對(duì)數(shù)流和均勻流兩種形式，對(duì)新型防沙材料HDPE板高立式沙障周圍流場進(jìn)行研究，對(duì)比分析兩種風(fēng)速廓線形式下流場的差異，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，以期為西部戈壁地區(qū)鐵路工程防沙體系的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 數(shù)值模擬

1.1.1 幾何建模

建立二維簡化模型，計(jì)算流域?yàn)?20 m×20 m，HDPE板高立式沙障高度為1.5 m，距離入口40 m，采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖2。由于風(fēng)沙流受邊界層的影響較大[12]，對(duì)HDPE板高立式沙障0.5 m范圍內(nèi)進(jìn)行局部加密。

圖2 結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格局部

1.1.2 邊界條件

模型介質(zhì)類型為fluid，左側(cè)入口為速度入口(velocity-inlet)，右側(cè)出口為出流條件(out-flow)，上壁面采用對(duì)稱邊界條件(symmetry)，HDPE板與模型下壁面采用壁面條件(wall)。

1.1.3 計(jì)算參數(shù)

沙粒主要分布區(qū)間為0.08～0.315 mm，設(shè)定風(fēng)沙流中沙粒ds=0.1 mm，沙粒密度ρs=2 650 kg/m3，由于地表中沙物質(zhì)顆粒所占體積率小于5%，且多相流理論為稀相，取下墊面初始沙粒相體積分?jǐn)?shù)為1%[13]；空氣密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789 4×10-5Pa·s?？紫堵史謩e為30%、40%、50%。均勻流入口速度為24 m/s。

對(duì)數(shù)流軸線入口風(fēng)速與均勻流對(duì)應(yīng)，軸線風(fēng)速為24 m/s，其典型風(fēng)速廓線為

(1)

式中：v(y)為y高度處的速度；v為摩阻風(fēng)速；k為馮卡門系數(shù)，取0.4；y為高度；y0為粗糙長度，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)測(cè)得風(fēng)速廓線。

1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)在中國科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該風(fēng)洞為直流閉口吹氣式，洞體全長為37.78 m，試驗(yàn)段長16.23 m，截面積尺寸0.6 m×1.0 m，風(fēng)速范圍2～40 m/s可調(diào)。HDPE板模型孔隙率分別設(shè)置為30%、40%、50%，為保證試驗(yàn)效果的科學(xué)性，高度按現(xiàn)場實(shí)際高度的1∶10進(jìn)行縮尺，高度為0.15 m，孔的尺寸為16 mm×8 mm，三種模型的長度均為1.0 m，厚度為2 mm(見圖3～圖5)。風(fēng)洞試驗(yàn)要進(jìn)行無柵欄時(shí)的流場試驗(yàn)，作為對(duì)照試驗(yàn)。

在風(fēng)洞試驗(yàn)中，風(fēng)速為24 m/s，進(jìn)行不同孔隙率HDPE板的試驗(yàn)，HDPE板設(shè)在試驗(yàn)段內(nèi)距離出風(fēng)口8 m處，使用10路畢托管(z=0.4、0.8、1.2、2.0、4.0、8.0、12.0、16.0、20.0、24.0 cm)測(cè)量HDPE板柵欄附近的風(fēng)速廓線，柵欄迎風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)為1H和4H，柵欄背風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)分別為1H、2H、6H、10H、20H(H為柵欄高度)，見圖6。對(duì)于沙床試驗(yàn)，距離出風(fēng)口1 m處開始布設(shè)，鋪沙長度為4 m，厚度為5 cm，沙子粒徑主要范圍為0.08～0.315 mm，觀察HDPE板周圍的積沙分布形態(tài)，并用電子秤(精確至0.1 kg)稱取柵欄周圍的沙粒重量。

圖7 風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流形式時(shí)不同孔隙率HDPE板柵欄周圍流場(單位：m/s)

圖3 30%孔隙率HDPE板

圖4 40%孔隙率HDPE板

圖5 50%孔隙率HDPE板

圖6 10路畢托管測(cè)量HDPE板柵欄周圍速度

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1.1 HDPE板周圍流場

選取風(fēng)速v=24 m/s模擬不同孔隙率下HDPE板柵欄周圍流場，圖7和圖8分別為對(duì)數(shù)流和均勻流風(fēng)速廓線形式下HDPE板柵欄周圍流場圖。由圖7可知，風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流形式時(shí)，氣流經(jīng)過HDPE板柵欄，遇到障礙在迎風(fēng)側(cè)下方形成氣流減速區(qū)，大部分氣流遇阻向上，當(dāng)通過柵欄頂部時(shí)，氣流被擠壓并分離，從而形成強(qiáng)剪切層，剪切層的壓力差迫使流線向下彎曲，當(dāng)氣流接近地面時(shí)，氣流又返回分離區(qū)，因此在沙障上方形成了氣流加速區(qū)，而在背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)了渦旋回流區(qū)。當(dāng)孔隙率從30%增大至50%時(shí)，加速區(qū)范圍逐漸減小，渦旋回流區(qū)長度逐漸減小。隨著孔隙率的增大，柵欄周圍的加速區(qū)速度最大值逐漸減小，障后回流區(qū)速度(負(fù)值)也逐漸減小，原因是孔隙率越大，上下層氣流產(chǎn)生速度差越小，使得氣流發(fā)生分流較小，逆壓梯度值進(jìn)而較低，導(dǎo)致回流區(qū)范圍縮小。當(dāng)孔隙率為50%時(shí)，回流區(qū)范圍很小且近乎消失。

由圖8可知，風(fēng)速廓線為均勻流形式時(shí)，孔隙率為30%和40%時(shí)，存在氣流減速區(qū)、氣流加速區(qū)和渦旋回流區(qū)，當(dāng)孔隙率為50%時(shí)，存在氣流減速區(qū)、氣流加速區(qū)，但是渦旋回流區(qū)消失。隨著孔隙率的增大，柵欄周圍的加速區(qū)速度最大值逐漸較小，回流區(qū)速度逐漸減小，當(dāng)孔隙率為50%時(shí)，柵欄障后速度均為正值。兩種風(fēng)速廓線氣流經(jīng)過HDPE板柵欄時(shí)，流場存在明顯差異：風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流時(shí)，柵欄周圍加速區(qū)范圍擴(kuò)大，且存在明顯的回流區(qū)；風(fēng)速廓線為均勻流時(shí)，柵欄周圍加速區(qū)范圍較小，回流區(qū)相對(duì)不明顯。這是因?yàn)榫鶆蛄髟诮乇硖幍乃俣纫h(yuǎn)大于對(duì)數(shù)流近地表處的速度，大部分氣流在經(jīng)過障礙物后，上層氣流對(duì)下層氣流的影響相對(duì)較小。

2.1.2 HDPE板周圍風(fēng)速廓線

圖8 風(fēng)速廓線為均勻流形式時(shí)不同孔隙率HDPE板柵欄周圍流場(單位：m/s)

對(duì)數(shù)流和均勻流風(fēng)速廓線形式下HDPE板柵欄周圍風(fēng)速廓線曲線如圖9和圖10所示。由圖9可知，風(fēng)速相同時(shí)，不同孔隙率HDPE板柵欄周圍的風(fēng)速廓線呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，在障前1H處風(fēng)速廓線開始發(fā)生變化，柵欄障前風(fēng)速下降主要在HDPE板柵欄高度以下范圍內(nèi)，其主要原因是柵欄前的氣流擁擠效應(yīng)導(dǎo)致的。在柵欄障后20H處開始恢復(fù)到原來的風(fēng)速廓線，表明流場的風(fēng)速廓線逐漸關(guān)閉，并且柵欄對(duì)流場控制作用的影響逐漸消失。隨著孔隙率的增大，在柵欄后的最小值(負(fù)值)逐漸減小，說明渦旋回流區(qū)范圍減??；從障后20H處恢復(fù)程度來看，50%孔隙率HDPE板的風(fēng)速廓線與初始風(fēng)速廓線最相似，30%孔隙率HDPE板的風(fēng)速廓線與初始風(fēng)速廓線一致性較差，說明這三種孔隙率，在柵欄障后20H處，30%孔隙率HDPE板柵欄防護(hù)作用最優(yōu)。

圖9 對(duì)數(shù)流形式下不同孔隙率HDPE板周圍風(fēng)速廓線曲線

圖10 均勻流形式下不同孔隙率HDPE板周圍風(fēng)速廓線曲線

由圖10可知，均勻流和對(duì)數(shù)流變化規(guī)律一致，不同孔隙率HDPE板柵欄周圍的風(fēng)速廓線呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。隨著孔隙率的增大，在柵欄障后的最小值(負(fù)值)逐漸減小，說明渦旋回流區(qū)范圍減小，當(dāng)孔隙率為50%時(shí)，柵欄后的最小值為正值，不存在渦旋回流區(qū)，與2.1.1節(jié)一致。從障后20H處恢復(fù)程度來看，30%孔隙率HDPE板的風(fēng)速廓線與初始風(fēng)速廓線最相似，50%孔隙率HDPE板的風(fēng)速廓線與初始風(fēng)速廓線一致性較差，說明在柵欄障后20H處，50%孔隙率HDPE板柵欄防護(hù)作用最優(yōu)。

2.1.3 HDPE板周圍積沙分布

當(dāng)風(fēng)沙流經(jīng)過擋沙障時(shí)，受擋沙障的影響，在其周圍速度降低至起沙速度以下，沙粒沉落并形成積沙。積沙形態(tài)及分布與擋沙障的孔隙率密切相關(guān)。相同來流風(fēng)速下，孔隙率不同，使其周圍速度不同，導(dǎo)致?lián)跎痴现車e沙形態(tài)分布不同。

由圖11可知，對(duì)數(shù)流形式下，30%孔隙率和50%孔隙率HDPE板周圍積沙形態(tài)和積沙量明顯不同，孔隙率為30%時(shí)，迎風(fēng)側(cè)積沙遠(yuǎn)大于背風(fēng)側(cè)積沙，孔隙率為50%時(shí)，背風(fēng)側(cè)積沙較多，迎風(fēng)側(cè)幾乎沒有積沙。30%孔隙率HDPE板周圍積沙明顯多于50%孔隙率HDPE板周圍積沙。由圖12可知，均勻流形式下，30%孔隙率和50%孔隙率HDPE板周圍積沙主要分布在背風(fēng)側(cè)，迎風(fēng)側(cè)積沙較少。這是因?yàn)橄鄬?duì)于對(duì)數(shù)流，均勻流在柵欄以下速度較大，柵欄前速度雖然降低，但仍大于起沙風(fēng)速，只有少量沙粒會(huì)與柵欄碰撞，落在迎風(fēng)側(cè)，因此迎風(fēng)側(cè)積沙較少。對(duì)比兩種形式的積沙量，可以明顯看出對(duì)數(shù)風(fēng)速廓線形式下30%孔隙率的HDPE板柵欄阻沙最優(yōu)。

圖13 風(fēng)洞中不同孔隙率HDPE板周圍風(fēng)速廓線曲線

圖11 對(duì)數(shù)流形式下HDPE板周圍積沙分布

圖12 均勻流形式下HDPE板周圍積沙分布

2.2 風(fēng)洞結(jié)果及分析

2.2.1 HDPE板周圍風(fēng)速廓線

在風(fēng)洞試驗(yàn)下不同孔隙率HDPE板周圍風(fēng)速廓線曲線見圖13。由圖13可知，孔隙率分別為30%、40%、50%時(shí)，加速區(qū)最大風(fēng)速分別為28.0、26.0、23.1 m/s，回流區(qū)最小值分別為-3.7、-1.0、5.8 m/s，隨著孔隙率的增大，加速區(qū)最大風(fēng)速減小，回流區(qū)最小值逐漸增大。沿著不同孔隙率HDPE板柵欄，在障前1H處風(fēng)速廓線開始發(fā)生變化，在障后20H處風(fēng)速廓線逐漸恢復(fù)，比較三種孔隙率下柵欄障后20H處風(fēng)速廓線與初始風(fēng)速廓線的一致性，孔隙率50%>40%>30%，與對(duì)數(shù)流數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。但對(duì)數(shù)流中50%孔隙率的數(shù)值模擬有回流區(qū)，而在風(fēng)洞中不存在回流區(qū)，其原因是風(fēng)洞中的粗糙度、實(shí)際風(fēng)速以及模型高度與數(shù)值模擬中有差異。因此從HDPE板周圍風(fēng)速廓線曲線分析，數(shù)值模擬中對(duì)數(shù)流結(jié)果較均勻流結(jié)果更切合現(xiàn)場實(shí)際結(jié)果。

2.2.2 HDPE板周圍積沙分布

在風(fēng)洞試驗(yàn)中，30%和50%孔隙率HDPE板周圍積沙分布見圖14。由圖14可知，孔隙率為30%時(shí)，積沙主要分布在迎風(fēng)側(cè)，孔隙率為50%時(shí)，積沙主要分布在背風(fēng)側(cè)。30%孔隙率HDPE板周圍的沙粒質(zhì)量為34.6 kg，50%孔隙率HDPE板周圍的沙粒質(zhì)量為11.3 kg，前者為后者的3.06倍，30%孔隙率明顯多于50%孔隙率HDPE板周圍的積沙，說明30%孔隙率的HDPE板柵欄使得周圍風(fēng)速降低更明顯，特別是在柵欄的迎風(fēng)側(cè)，同時(shí)當(dāng)HDPE板孔隙率為30%時(shí)，柵欄起的阻沙防護(hù)效果更優(yōu)。對(duì)比上文中均勻流和對(duì)數(shù)流數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流形式時(shí)，對(duì)數(shù)流模擬結(jié)果與風(fēng)洞一致性更好，原因是均勻流形式忽略了地表邊界層的影響，與對(duì)數(shù)流相比，實(shí)際增大了氣流的動(dòng)量和動(dòng)能[15]。

3 結(jié)論

依據(jù)新建格庫鐵路現(xiàn)場環(huán)境，對(duì)風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流和均勻流形式下的HDPE板柵欄進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1)風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流時(shí)，柵欄周圍加速區(qū)范圍擴(kuò)大，且存在明顯的回流區(qū)；風(fēng)速廓線為均勻流時(shí)，柵欄周圍加速區(qū)范圍較小，回流區(qū)相對(duì)不明顯。

(2)風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流時(shí)，在柵欄障后20H處，30%孔隙率HDPE板柵欄防護(hù)作用最優(yōu)，且積沙主要分布在迎風(fēng)側(cè)，孔隙率為50%時(shí)，積沙主要分布在背風(fēng)側(cè)；風(fēng)速廓線為均勻流時(shí)，在柵欄障后20H處，50%孔隙率HDPE板柵欄防護(hù)作用最優(yōu)，兩種孔隙率的柵欄積沙均主要分布在背風(fēng)側(cè)。兩種風(fēng)速廓線形式下，30%孔隙率HDPE板周圍積沙明顯多于50%孔隙率HDPE板周圍積沙。

(3)從風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果來看，分析HDPE板周圍風(fēng)速廓線恢復(fù)情況、柵欄周圍的積沙形態(tài)及重量等方面，對(duì)數(shù)流數(shù)值模擬結(jié)果較均勻流結(jié)果更切合現(xiàn)場實(shí)際結(jié)果，當(dāng)孔隙率為30%時(shí)，HDPE板柵欄起的阻沙防護(hù)效果更優(yōu)。

(4)實(shí)際現(xiàn)場中，由于受地形、地貌等的影響，風(fēng)沙來流形式變化多樣，風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)形式只是其中較為典型的一種。因此在實(shí)際數(shù)值模擬過程中，要對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)研，并充分考慮來流條件的影響。