格庫鐵路青海段橋梁與風(fēng)沙流互饋過程數(shù)值模擬研究

崔建龍

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司,甘肅 蘭州 730000)

風(fēng)沙是沙漠地區(qū)一種典型的風(fēng)成輸沙方式,對沙漠地區(qū)地形地貌的形成產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[1]。風(fēng)搬運(yùn)沙粒是一個(gè)由地面抬升、擴(kuò)散,最后沉積回地面的過程[2]。通常來說,沙害的形成要滿足3個(gè)基本條件:第一,干旱少雨的氣候條件;第二,強(qiáng)勁的大風(fēng);第三,豐富的沙源。對于沙區(qū)鐵路來說,絕大部分滿足以上條件,故風(fēng)沙危害是目前困擾沙區(qū)鐵路建設(shè)、發(fā)展以及安全運(yùn)行的最主要因素[3-4]。

中國是目前全球沙區(qū)鐵路里程最長的國家,累計(jì)里程達(dá)1.5×104km,同時(shí)也是遭受風(fēng)沙災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一[5]。從我國的第一條沙區(qū)鐵路——包蘭鐵路建成通車,到新近運(yùn)營的格庫鐵路,幾十年間我國已經(jīng)建成了數(shù)十條沙區(qū)鐵路。針對嚴(yán)重的鐵路風(fēng)沙災(zāi)害[6],國內(nèi)外學(xué)者掀起了一場風(fēng)沙防治研究的熱潮,張克存等[7]通過野外風(fēng)洞試驗(yàn),在戈壁和流沙地表下,摸清了風(fēng)沙流的風(fēng)速廓線變化規(guī)律及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的垂直分布特征;謝勝波等[8]對青藏鐵路沿線進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,研究了地形、氣候以及水文特征對鐵路沙害的影響;Remigius[9]在風(fēng)洞中研究了風(fēng)沙躍移動(dòng)力學(xué)和質(zhì)量流,提出了一個(gè)輸沙方程并推導(dǎo)出了顆粒阻力的表達(dá)式。以上學(xué)者基于野外實(shí)地調(diào)查和風(fēng)洞試驗(yàn),獲取了大量的現(xiàn)場資料,為正確地認(rèn)識和防治風(fēng)沙災(zāi)害打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,仿真模擬以其獨(dú)特的優(yōu)勢成為研究風(fēng)沙流問題必不可少的工具之一,如李馳等[10]應(yīng)用CFD數(shù)值模擬的技術(shù)手段對不同路基高度、路面寬度和邊坡坡率的公路進(jìn)行研究,提出了沙漠公路路基的風(fēng)蝕破壞規(guī)律;張軍平等[11]基于Fluent軟件,對鐵路路基附近的風(fēng)沙流場和積沙特征進(jìn)行研究,揭示了風(fēng)沙流與鐵路路基的互饋規(guī)律;Horvat等[12]采用計(jì)算風(fēng)工程的方法獲得了地面的剪應(yīng)力場,得出了沙粒的沉積和侵蝕模式,并討論了不同來流風(fēng)速下,不同鐵路下部結(jié)構(gòu)和軌道系統(tǒng)的積沙分布。以上研究對我國鐵路路基風(fēng)沙防治起到了至關(guān)重要的作用。風(fēng)沙災(zāi)害不僅會(huì)作用于鐵路路基,還會(huì)對鐵路沿線的橋梁產(chǎn)生重要影響,但目前對于風(fēng)沙流與鐵路橋梁的相互作用過程卻鮮有研究。

通過CFD流體仿真的技術(shù)手段,重點(diǎn)研究鐵路橋梁附近的風(fēng)速流場變化特征和風(fēng)速梯度變化趨勢,從而實(shí)現(xiàn)對鐵路橋梁附近流場變化規(guī)律的認(rèn)知和把握,闡釋風(fēng)沙兩相流與鐵路橋梁的互饋規(guī)律,為沙區(qū)鐵路沿線橋梁的建設(shè)提供了參考模式和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域環(huán)境特征

格庫鐵路青海段總里程約506 km,沿途經(jīng)過青藏高原,夾于阿爾金山和昆侖山之間。線路多位于山脈風(fēng)口和下風(fēng)側(cè),風(fēng)力強(qiáng)勁,干旱少雨,季節(jié)變化明顯,且沿線分布大大小小幾十座橋梁。研究區(qū)域附近為沙質(zhì)地表,以中沙和細(xì)沙為主,附近分布各類沙丘,起沙風(fēng)速為6 m/s,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)閃NW、W和NW,年平均降水量40 mm。

1.2 幾何建模

以格庫鐵路青海段沿線一座3～24 m的簡支T型橋梁為對象建立了三維實(shí)體模型,橋梁結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)為:T型梁高2.1 m,橋面寬4.9 m,梁底凈空高2 m。采用AUTOCAD軟件建立1∶1的橋梁三維實(shí)體模型,在SCDM中抽取外流域,基于計(jì)算機(jī)性能和合理試算,流域最終確定為120 m×72 m×20 m。橋梁的三維實(shí)體模型如圖2所示。

圖1 格庫鐵路橋梁附近積沙

圖2 橋梁三維實(shí)體模型(單位:m)

1.3 網(wǎng)格劃分

橋梁實(shí)體模型設(shè)置在距離風(fēng)沙流入口10h(h為橋梁高度,h=4.1 m)處,采用Ansys Meshing進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分?？紤]到計(jì)算精度的要求,需對橋梁附近進(jìn)行10倍網(wǎng)格加密,其中橋梁附近單元尺寸控制為0.1,流域其余部分單元尺寸控制為1,為了使底層網(wǎng)格處于對數(shù)分布律的范圍內(nèi),在底部壁面設(shè)置10層邊界層,其中第一層邊界層的高度為y+,增長速率為1.1,最終參與計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)目為238萬,網(wǎng)格質(zhì)量良好。

1.4 邊界條件與求解參數(shù)的設(shè)置

邊界條件的具體設(shè)置見表1。

表1 邊界條件選用

已有研究表明,風(fēng)速廓線形式會(huì)對模擬結(jié)果產(chǎn)生重要的影響[13],為了使仿真結(jié)果更加精確,故采用自編UDF,使入口處風(fēng)速廓線沿流域高度呈對數(shù)變化,軸線處風(fēng)速大小分別為12 m/s、16 m/s、20 m/s和24 m/s,沙粒體積分?jǐn)?shù)取2%。采用歐拉雙流體非定常模型進(jìn)行瞬態(tài)求解,附加k-epsilon湍流模型,在近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來保證計(jì)算精度,求解方程選用SIMPLEC[14],計(jì)算殘差設(shè)置為10-6,迭代步數(shù)為2 000步,步長為0.1 s,計(jì)算達(dá)到收斂,結(jié)果良好。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 橋梁附近流場特征

風(fēng)是風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力因子,對風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)起著至關(guān)重要的作用。流場分布特征能夠直觀地反映氣流流經(jīng)橋梁附近的變化規(guī)律。因此,想要闡釋橋梁與風(fēng)沙流的互饋過程,首先要摸清橋梁附近速度流場的分布特征。

(1) 梁體周圍 不同來流風(fēng)速下梁體周圍流場分布云圖見圖3。取Y=36 m平面處,入口軸線速度V=24 m/s為例進(jìn)行分析。當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)到梁體附近時(shí),受到梁體的阻礙,在橋梁迎風(fēng)側(cè)形成阻滯減速區(qū),在橋梁上方2 m位置和地面附近各形成一個(gè)氣流增速區(qū),在梁體背風(fēng)側(cè)形成氣流低速區(qū);由于T型箱梁的特殊構(gòu)造,氣流在梁體附近發(fā)生分離,分別在梁體內(nèi)側(cè)和橋梁上表面形成局部低速區(qū),受到逆壓梯度的影響,在梁體背風(fēng)側(cè)形成風(fēng)影區(qū)。氣流繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),失去梁體的阻礙作用,加之過流斷面突然增大,氣流速度緩慢恢復(fù)至初始風(fēng)速。隨著來流風(fēng)速的不斷增大,梁體周圍各速度分區(qū)有不斷擴(kuò)張的趨勢。

圖3 不同來流風(fēng)速下梁體周圍流場分布云圖

(2) 橋墩周圍 不同風(fēng)速下橋墩周圍流場分布云圖見圖4。取Y=24 m平面處,入口軸線速度V=12 m/s和V=24 m/s的流場云圖進(jìn)行分析。當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)到橋墩附近時(shí),受到橋墩的阻礙,在橋墩附近產(chǎn)生明顯的分區(qū)特征:在橋墩迎風(fēng)側(cè)形成阻滯減速區(qū),橋墩上方形成氣流增速區(qū),橋墩背風(fēng)側(cè)形成明顯的風(fēng)影區(qū)、氣流減速區(qū)和速度恢復(fù)區(qū),且隨速度增大,各個(gè)分區(qū)有擴(kuò)大的趨勢。與梁體不同的是,當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)到橋墩附近,氣流只能向上抬升越過阻礙,使得橋墩附近的風(fēng)影區(qū)和低速區(qū)面積增大,導(dǎo)致沙粒更容易在橋墩附近發(fā)生沉積,產(chǎn)生積沙,由此也進(jìn)一步揭示了橋墩附近積沙更嚴(yán)重的原因。

圖4 不同來流風(fēng)速下橋墩周圍流場分布云圖

2.2 水平風(fēng)速梯度變化

風(fēng)沙流是風(fēng)搬運(yùn)沙粒形成的氣固兩相流,當(dāng)風(fēng)吹過沙質(zhì)地表,受到風(fēng)力作用沙粒產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),脫離地表形成風(fēng)沙流。風(fēng)搬運(yùn)沙粒在地表附近隨高度的變化規(guī)律,被稱為風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。大量野外觀測表明,風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)是一種貼近地表的沙粒搬運(yùn)現(xiàn)象,在沙質(zhì)地表下,風(fēng)所搬運(yùn)的沙粒90%以上發(fā)生在距地表30 cm的高度范圍內(nèi),故對近地表風(fēng)速梯度變化趨勢進(jìn)行研究,以此來明晰橋梁與風(fēng)沙流的互饋過程。

不同來流風(fēng)速下水平風(fēng)速梯度變化曲線見圖5。圖5中H為距地面高度。整體上看,不同來流風(fēng)速下,橋梁附近的風(fēng)速變化特征基本一致,以入口軸線速度V=24 m/s為例進(jìn)行分析。H=0.1 m和H=0.3 m處,水平風(fēng)速的變化特征基本一致,H=4.2 m(距橋梁表面0.1 m)和H=4.4 m(距橋梁表面0.3 m)處,水平風(fēng)速的變化特征略有不同。H=0.1 m和H=0.3 m處,氣流在橋梁迎風(fēng)側(cè)約2 m位置處,降低至一個(gè)谷值,之后急劇增大,在橋梁背風(fēng)側(cè)約5 m位置處,達(dá)到一個(gè)峰值,整體呈“W”型變化。H=4.2 m處,氣流遇到橋面后迅速降低跌至谷值,谷值為負(fù)說明在此區(qū)域出現(xiàn)了反向氣流;H=4.4 m處,氣流遇到橋面后陡然升高,隨后迅速跌至谷值,隨來流風(fēng)速的不斷增大,氣流速度的最小值不斷降低。此外,從圖5中還可以看出,距地表0.1 m高度處的速度衰減幅度明顯比距地表0.3 m高度處要大,這是因?yàn)楫?dāng)氣流流經(jīng)地表時(shí),受到邊界效應(yīng)的影響,地表附近會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨高度增加而減小的切向摩擦力,阻礙氣流運(yùn)動(dòng)。

圖5 不同來流風(fēng)速下橋梁附近水平風(fēng)速梯度變化

2.3 橋梁凈空高度

過流斷面對風(fēng)速的大小起著決定性作用,當(dāng)橋梁附近風(fēng)速大于沙粒的起動(dòng)風(fēng)速時(shí),往往會(huì)產(chǎn)生風(fēng)蝕破壞,反之則產(chǎn)生風(fēng)積破壞。對于橋梁來說,凈空高度是氣流流經(jīng)梁底時(shí)的過流斷面。以入口軸線速度V=24 m/s,凈空高度h1分別為2 m、4 m、6 m、8 m為例,研究凈空高度對橋梁附近流場分布特征的影響。

不同凈空高度梁體周圍流場分布特征見圖6。取Y=36 m平面處流場進(jìn)行分析,從圖6可以看出,隨著凈空高度的增加,橋梁迎風(fēng)側(cè)阻滯減速區(qū)和背風(fēng)側(cè)低速區(qū)的面積不斷減小,梁底加速區(qū)的面積不斷增加。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是,隨著凈空高度的增加,過流斷面不斷擴(kuò)大,大部分氣流從橋下凈空流過,使得迎風(fēng)側(cè)阻滯減速區(qū)的面積減小,梁底加速區(qū)的面積增加;氣流繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),橋梁表面和地面附近的2個(gè)氣流增速區(qū)不斷相互擠壓,使得背風(fēng)側(cè)低速區(qū)的面積減小。

圖6 不同凈空高度梁體周圍流場分布云圖

不同凈空高度下橋梁附近的水平風(fēng)速梯度變化曲線見圖7。圖7中H為距地面高度。從圖7可以看出,近地表(距地表0.1 m和0.3 m)處,隨著橋梁凈空高度的增加,速度曲線整體呈下降趨勢,速度曲線的波峰不斷下降,從27.3 m/s降至22.8 m/s,降幅達(dá)16.5%,速度曲線的波谷不斷升高,從10.8 m/s增大至14.9 m/s,增幅達(dá)38%,速度曲線的波動(dòng)幅度不斷減小,當(dāng)橋下凈空為8 m時(shí),近地表處風(fēng)速基本呈“M”型變化。同時(shí)還可以看出,在近橋梁表面處,隨著凈空高度的增加,速度整體變化呈上升趨勢。

圖7 不同凈空高度橋梁附近水平風(fēng)速梯度變化

通過上述分析,凈空高度對橋梁附近的流場分布和風(fēng)速梯度變化有較大影響,隨著凈空高度的增加,橋梁迎風(fēng)側(cè)阻滯減速區(qū)和背風(fēng)側(cè)低速區(qū)的面積不斷減小,近地表處的水平風(fēng)速整體呈下降趨勢,但降幅不大。當(dāng)凈空高度達(dá)到8 m時(shí),速度的波動(dòng)幅度達(dá)到最小,基本趨于穩(wěn)定,說明此時(shí)的風(fēng)沙流仍處于平衡狀態(tài),加之低速區(qū)面積達(dá)到最小,基本不會(huì)在橋梁附近產(chǎn)生積沙。研究中橋梁模型的實(shí)際凈空高度為2.1 m,可近似按凈空高度為2 m的有限元模型進(jìn)行分析。當(dāng)凈空高度為2 m時(shí),過流斷面減小,受到狹管增速效應(yīng)的影響,近地表處風(fēng)速較大,風(fēng)沙流不易在梁底沉積;但受到梁體的阻礙作用,近地表風(fēng)速降低到起動(dòng)風(fēng)速以下,部分蠕移和躍移的沙粒跌落在迎風(fēng)側(cè)阻滯減速區(qū)。部分沙粒躍過鐵路橋梁,由于受到反向氣流的影響,風(fēng)速繼續(xù)下降,氣流的攜沙能力大大降低,大部分沙粒跌落在背風(fēng)側(cè)低速區(qū)。因此,在今后的鐵路橋梁建設(shè)中,在保證設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)的要求下,可以適當(dāng)增加凈空高度來減輕鐵路橋梁積沙。

3 結(jié)論

通過CFD計(jì)算流體力學(xué)研究了不同來流風(fēng)速、不同凈空高度下,橋梁附近的流場分布特征和水平風(fēng)速變化規(guī)律,得到以下結(jié)論:

(1) 風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)到橋梁附近時(shí),產(chǎn)生速度分區(qū),橋梁迎風(fēng)側(cè)形成阻滯減速區(qū),地表附近形成氣流增速區(qū),橋梁背風(fēng)側(cè)形成風(fēng)影區(qū)和氣流低速區(qū);橋墩背風(fēng)側(cè)風(fēng)影區(qū)和氣流低速區(qū)的范圍明顯比橋梁附近大;隨來流速度的增大,各速度分區(qū)有不斷擴(kuò)張的趨勢。

(2) 近地表處,氣流速度整體呈“W”型變化,氣流運(yùn)動(dòng)至橋下凈空時(shí),速度增大至峰值,隨后緩慢下降,且距地表0.1 m高度處的速度衰減幅度明顯比距地表0.3 m高度處要大;H=4.2 m處,在橋面附近出現(xiàn)了反向氣流;H=4.4 m處,氣流遇到橋面后陡然升高,隨后迅速跌至谷值。

(3) 隨著橋梁凈空高度的增加,橋梁迎風(fēng)側(cè)阻滯減速區(qū)和背風(fēng)側(cè)低速區(qū)的面積不斷減小,迎風(fēng)側(cè)氣流的衰減幅度不斷減小,當(dāng)凈空高度達(dá)到6～8 m時(shí),風(fēng)沙流經(jīng)過梁體時(shí)尚處于平衡狀態(tài),基本不會(huì)在橋梁附近產(chǎn)生積沙。

(4) 在保證設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)的要求下,適當(dāng)增加橋梁凈空高度,可以減輕鐵路橋梁附近積沙,保證列車的安全運(yùn)營,這一研究結(jié)果可作為今后沙區(qū)鐵路橋梁的設(shè)計(jì)依據(jù)。