張家口公路以及行車安全防風(fēng)固沙設(shè)計參數(shù)的數(shù)值模擬

孫 婧 李家園 安艷玲 蘭建偉

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室，河北 張家口 075000；3.河北省高校道橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與維修加固應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 張家口 075000)

0 引 言

北京與張家口成功申辦冬奧會，公路的建設(shè)更是邁入了發(fā)展的快車道.隨著張家口交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量、規(guī)模不斷擴大的同時，也帶來了一些困擾.由于該地區(qū)所處環(huán)境為多風(fēng)沙帶，公路施工建設(shè)完成后，由于風(fēng)沙的侵蝕對公路行車安全造成極大隱患，同時使公路耐久性縮短，養(yǎng)護(hù)成本提高，因此保護(hù)公路路基、保障行車安全的任務(wù)迫在眉睫.

在風(fēng)沙災(zāi)害地區(qū)，為了減少風(fēng)沙對公路行車安全的危害以及保護(hù)路基，國內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗以及模擬分析.胡朋[1]等人運用有限元分析軟件先建立路堤有限元模型，分別在不同高度下的路堤風(fēng)速流場中進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明：路堤的高度決定了路堤上風(fēng)速的大小，路堤越高風(fēng)速越大，對行車安全的影響越大，根據(jù)這一規(guī)律提出行車安全的風(fēng)速區(qū)域.梁國華[2]等通過ANSYS軟件分別模擬出大車小車的實體模型并對它們施加一定的載荷和自由約束作為車輛滑移的指標(biāo)，并且根據(jù)不同情況進(jìn)行了120多種模擬計算，并根據(jù)結(jié)果劃分出行車安全評估登記劃分方案.羅澤軒[3]等在側(cè)風(fēng)作用下采用雙向耦合的方法對汽車進(jìn)行了偽階躍瞬態(tài)數(shù)值模擬分析，并且與傳統(tǒng)的單向耦合方法進(jìn)行了對比，結(jié)果表明：汽車在側(cè)風(fēng)作用下穩(wěn)定性問題的研究采用雙向耦合方法更符合實際.王海龍[4]等通過ANSYS CFX多孔介質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值計算并分析高立式防風(fēng)柵欄孔隙率的大小對路基防風(fēng)阻沙的影響，結(jié)果表明：在戈壁鐵路沿線常遇風(fēng)環(huán)境下高立式防風(fēng)沙柵欄最優(yōu)孔隙率約為30%，此時能有效使來流風(fēng)攜帶的風(fēng)沙沉積，避免地面風(fēng)蝕，阻固沙效能相對最優(yōu)，可以用來保護(hù)鐵路線路免受風(fēng)沙沉積影響.張立群[5]等利用ANSYS CFD數(shù)值仿真模擬FLUENT不同工況下防風(fēng)沙網(wǎng)板的防風(fēng)阻沙能力，結(jié)果表明：孔隙率為0和低開孔率(<20%)有較好的遮蔽效果，此時風(fēng)速最高降幅可達(dá)93%.

針對張家口地區(qū)氣象特點，并結(jié)合本地地質(zhì)條件，設(shè)計將防風(fēng)柵欄和固沙磚聯(lián)合使用，通過數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，以獲得側(cè)風(fēng)區(qū)段側(cè)風(fēng)通過防風(fēng)屏障后形成的庇護(hù)區(qū)域?qū)囕v行車安全的影響規(guī)律，為以后工程實際提供理論依據(jù).

1 工程概況和研究方法

課題選取京張運輸線高速公路小型汽車防側(cè)風(fēng)為重點研究對象，基于結(jié)構(gòu)風(fēng)工程和流體動力學(xué)，從分析極端自然風(fēng)對車輛的影響入手，研究適用于強風(fēng)區(qū)域較理想的防風(fēng)結(jié)構(gòu)體系.此運輸線大多處于多風(fēng)沙的地段，張家口地區(qū)天氣氣候復(fù)雜，氣候干旱、風(fēng)多雨少、無霜期短，風(fēng)沙、風(fēng)積雪等自然災(zāi)害頻繁.氣候特點：冬季寒冷而漫長，春季干燥多風(fēng)沙.冬季末到春季末都是是一年四季大風(fēng)出現(xiàn)比較頻繁的季節(jié)，大風(fēng)日數(shù)約占全年大風(fēng)日數(shù)的50%之多.冬季結(jié)束到春季氣溫回暖，由于張家口地區(qū)的海拔在1000m左右，因此在太陽的照射下，近地表周圍的土壤所受太陽能增加，一方面使地表表土壤解凍加快；在大風(fēng)的作用下，近地面風(fēng)沙沉向空中吹氣，出現(xiàn)沙塵天氣，尤其是張家口壩上地區(qū)地勢寬闊平坦，植被覆蓋率低，多沙土壤，春季是沙塵暴的多發(fā)季節(jié).到2019年，張家口市高速公路的通車?yán)锍桃堰_(dá)到1212公里，風(fēng)沙帶公路的占比約為30%，因此，采用遠(yuǎn)阻近固的方式來設(shè)計防風(fēng)沙設(shè)施.“遠(yuǎn)阻”則通過采用的是不同孔隙率的高立式防風(fēng)柵欄來降低風(fēng)速.“近固”則通過固結(jié)沙粒來制作固沙磚，代替了原有的草方格沙障.

由于張家口地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙氣候特點，利用ANSYS數(shù)值模擬仿真軟件FLUENT，模擬出3種不同孔隙率的防風(fēng)沙障以及背風(fēng)側(cè)的固沙磚共同保護(hù)路基，通過分析這三種工況下分析風(fēng)速云圖、風(fēng)速矢量圖等來確定防風(fēng)柵欄、固沙沙障的形式，研究防風(fēng)柵欄作用下對自然風(fēng)的削弱作用和不同擋風(fēng)屏障對流場的影響以及變化規(guī)律.以深入了解其對流場的影響對高速車輛安全行駛的作用機理.

2 模型分析

2.1 物理模型

在分析模擬當(dāng)中，把固沙磚、防風(fēng)柵欄作為張家口地區(qū)環(huán)境下數(shù)值分析的計算模型.計算區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)會直接影響風(fēng)沙流湍化程度的是否充分，并會影響計算結(jié)果的精確性與可靠性.雖然在理論上，計算的流場區(qū)域越大，防風(fēng)柵欄與固沙磚周圍流場的湍化程度受流場區(qū)域的影響越小，計算的結(jié)果與現(xiàn)場實驗的結(jié)果越接近、越可靠，但是這樣做的結(jié)果無疑會使計算量大大增加，也會伴隨著計算效率的降低.相反，當(dāng)流場區(qū)域設(shè)置偏小，計算量減小，但是無法反應(yīng)實際當(dāng)中流場區(qū)域的湍流情況，從而誤差也會大幅增加，合理的邊界尺寸也是流場模型建立非常關(guān)鍵的一步.經(jīng)過多次現(xiàn)場勘以及多次數(shù)值模擬流場區(qū)域，在ANSYS ICEAM CFD中建立二維模型，流場區(qū)域的總體尺寸為40×5m，路堤簡化為等腰梯形剛體，上底長7m，下底長10m.高立式防風(fēng)沙障的開孔率為0%、20%、40%，放置在進(jìn)風(fēng)口5m處.固沙磚放置在防風(fēng)沙障后10m處，為了減小計算量并且為了增加模擬的準(zhǔn)確性，固沙磚的基本參數(shù)是經(jīng)過多次模擬試驗分析找到最有利的固沙磚的基本參數(shù)，從而確定固沙磚的鋪設(shè)寬度為5m，間隔為1m，固沙磚的孔隙率為5%.路基在距離第一排固沙磚10m的位置.X軸方向為風(fēng)速方向，Y軸地面向上方向.

2.2 控制方程

本文為了將使模擬數(shù)值與實際流場誤差降到最低，并且使計算量降低，風(fēng)沙流在不考慮流體的壓縮性、忽略顆粒與顆粒之間的相互碰撞[6].為了接近張家口地區(qū)的大氣流場，認(rèn)為大氣流場是屬于穩(wěn)態(tài)、絕熱、紊流，并采用k-ε紊流模型，采用如下的方程[8]進(jìn)行計算：

(1)連續(xù)方程

(1)

(2)動量守恒方程

(2)

式子中Si是源項，可分為慣性損失和黏性損失

(3)

(2)標(biāo)準(zhǔn)k-ε的耗散率方程及湍流能.

(4)

式子中Gk為平均速度梯度而產(chǎn)生的湍動能.

即

(5)

式子中C1ε、C1ε、σε、σk分別取系統(tǒng)默認(rèn)值：1.44、1.92、1、1.3.

(6)

2.3 其他設(shè)置

2.3.1 邊界條件

邊界條件的設(shè)置對模擬結(jié)果有很大的影響.邊界條件的設(shè)置如表1所示

表1 邊界條件設(shè)置

2.3.2 網(wǎng)格的劃分

本文模擬的流場采用2D簡化模型，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.為了精準(zhǔn)計算精度和加快計算效率，經(jīng)過多次計算找到風(fēng)沙流易湍流區(qū)域，并對此區(qū)域進(jìn)行加密，此時工況一的計算網(wǎng)格數(shù)量為97998，工況二的計算網(wǎng)格數(shù)量為94522，工況三的計算網(wǎng)格為96525，三個工況均采用SIMPLE算法，離散格式才用的二階迎風(fēng)格式，此方式綜合一階迎風(fēng)格式的速度，并且還有著比一階迎風(fēng)格式更高的精度，并在Residual中設(shè)置收斂誤差為10-6.進(jìn)口風(fēng)速設(shè)置為20m/s，松弛因子數(shù)采用軟件默認(rèn).

3 計算結(jié)果分析

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定的速度的時候，地面的沙粒就會隨風(fēng)運動，沙粒的運動形式主要根據(jù)風(fēng)速的風(fēng)速的大小、顆粒的質(zhì)量不同而定，沙顆粒主要有躍移、蠕移和懸移等運動形式.高立式防風(fēng)柵欄的作用就是降低沙粒的啟動風(fēng)速，固柵欄前后一定的范圍內(nèi)會存在一定范圍的沙粒的堆積現(xiàn)象[7].本文模擬的版塊主要是分析柵欄前后流場的變化，因為本文采用的是2D模型，進(jìn)口風(fēng)速只有一個走向，就是是從左往右平行于上下邊界，但會隨著沙障、固沙磚、路堤的作用會在流場內(nèi)部發(fā)生紊流、湍流等現(xiàn)象.因此將通過控制防風(fēng)柵欄的孔隙率，研究柵欄前后流場的變化.在上述流場中，對孔隙率為0%、20%、40%的防風(fēng)柵欄進(jìn)行了模擬分析，得到如圖1、2、3所示的柵欄前5m后10m速度云圖、速度矢量圖與固沙磚前后的速度云圖、速度矢量圖.

分析圖1的風(fēng)速云圖明顯地可以看出風(fēng)速在防風(fēng)柵欄并沒有滲流活動，導(dǎo)致氣流全部饒流，在遇到柵欄后受到阻礙而被抬升，并且在柵欄上方形成加速區(qū)，使得進(jìn)口風(fēng)在柵欄背風(fēng)側(cè)附近會對部分氣體產(chǎn)生向上的吸力，加速區(qū)域邊界和回流區(qū)域附近的氣流沿著X軸方向逐漸減小，其壓力會逐漸增強.可以看出回流區(qū)末端的風(fēng)速不能繼降低，壓力不斷上升的趨勢還會保持不變.根據(jù)風(fēng)速矢量圖可以看出，在靠近地面的氣流的方向被迫發(fā)生逆流，并且隨著進(jìn)口風(fēng)速的不斷輸入，這時此工況下將形成最大的回流區(qū)域，雖然進(jìn)口流體經(jīng)過防風(fēng)柵欄和固沙磚這倆層屏障到達(dá)路堤時，速度已經(jīng)降低了48.9%.但是對于此地區(qū)還是能夠達(dá)到一些細(xì)小顆粒的啟動速度，對側(cè)風(fēng)行車安全造成威脅以及路堤造成損失.

(a)高立式防風(fēng)柵欄前后風(fēng)速云圖和風(fēng)速矢量圖

分析圖2分析速度云圖和速度矢量圖可以看出對整體的控制流場產(chǎn)生了顯著的影響，由于沙障孔隙的存在，氣流經(jīng)過時會產(chǎn)生滲流現(xiàn)象，并且與回流窩相互作用則會抵消一部分回流區(qū)域，導(dǎo)致回流區(qū)域減小.由于沙障的的孔隙率不是很大，氣流饒流造成的影響依然顯著，但是產(chǎn)生的回流區(qū)域與圖1模擬的工況有所下降.與圖1氣流產(chǎn)生的加速區(qū)相比減小，風(fēng)速減速區(qū)域的范圍相繼減小，此時流體經(jīng)過防風(fēng)柵欄與固沙磚時，由于防風(fēng)柵欄的孔隙率的增大，這樣流體在孔隙處與防風(fēng)柵欄頂面會形成加速區(qū)，相對于圖1釋放了在防風(fēng)柵欄頂面出壓力，流體經(jīng)過倆層防風(fēng)固沙到達(dá)路堤時，風(fēng)速已經(jīng)降到了3.2m/s，降低了84%.

(a)高立式防風(fēng)柵欄風(fēng)速云圖和風(fēng)速矢量圖

分析圖3的模擬分析風(fēng)速云圖和風(fēng)速矢量圖，流場的滲流作用進(jìn)一步加強，隨著防風(fēng)沙障的孔隙率增加到40%時，其中的饒流作用會逐步減小.防風(fēng)柵欄背風(fēng)側(cè)的回流基本消失殆盡，流場整體的氣流加速區(qū)、氣流減速去相比工況一大幅度的縮減，由于沙障的孔隙率過大，當(dāng)來流風(fēng)速經(jīng)過第一層沙障時風(fēng)速的降低相對圖2、圖1并不明顯，當(dāng)流體到達(dá)路堤時風(fēng)速達(dá)到8.9m/s，路肩的風(fēng)速為7.9m/s，還是能達(dá)到少量細(xì)小風(fēng)沙的啟動速度，此工況的防沙效益并不是最佳.

(a)高立式防風(fēng)柵欄風(fēng)速云圖和風(fēng)速矢量圖

綜合來看，三種不同開孔率的防風(fēng)沙障以及后面流場的影響明顯是不同的，在防風(fēng)柵欄周圍的風(fēng)速降低也是不同的，因為孔隙率的不同，科恩達(dá)效應(yīng)也會有所不同，隨著開孔率的增加而增強，固定風(fēng)沙的能力也變強，在流場滲流的影響下，回流窩的區(qū)域也逐漸減小.空氣的饒流的影響作用衰減，并且對流場影響程度低于滲流.在工況二下流場受滲流作用以及饒流作用的共同影響相對較低，可以通過此工況來降低進(jìn)口風(fēng)沙流的沙礫含量，風(fēng)沙的沉積效果較好，此時“遠(yuǎn)阻”的效果最佳.

顯然三種工況下的固沙磚上方的風(fēng)速大小略有差異，但三種工況下的固沙磚的擺放位置及固沙磚的基本參數(shù)是相同的，包括固沙磚的長寬高以及孔隙率，因此固沙模式是相同的，因此在固沙磚周圍形成的回流區(qū)域、湍流區(qū)域以及加速減速區(qū)域的大小都是由它們前方防風(fēng)柵欄孔隙率的大小所造成的整個流場風(fēng)速大小不同所決定的.經(jīng)過多次模擬分析以及前期試驗確定了基本參數(shù)，在路基附近實現(xiàn)“近固”.

4 結(jié) 論

本文通過模擬試驗分析方法，研究三種不同工況下，不同孔隙率的防風(fēng)沙障和固沙磚對風(fēng)沙的遠(yuǎn)阻近固效果的研究，通過對比分析得到結(jié)論：

(1)孔隙率為0%、40%的防風(fēng)柵欄，雖然進(jìn)口風(fēng)速到達(dá)路堤時分別降到48.9%、55.5%，但對于側(cè)風(fēng)下行車安全還是有一定的威脅.

(2)孔隙率為20%的防風(fēng)沙障在三種工況下，遮蔽范圍最廣泛，回流區(qū)域比較小，此工況下防風(fēng)柵欄與后面的固沙磚搭配起來阻風(fēng)固沙效果最佳，使得進(jìn)口風(fēng)速最大降低84%，進(jìn)口風(fēng)速降到側(cè)風(fēng)下汽車行駛安全的最低標(biāo)準(zhǔn)，能使進(jìn)口風(fēng)中的沙粒得到最大沉積，同時減小了風(fēng)沙對路基的侵蝕.