李楚鵬，陳 芳，高 崇

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學 機械交通學院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆交通建設集團股份有限公司，新疆 烏魯木齊830014）

風吹雪是指由達到起動速度的風帶動起分散的、不同粒徑的雪粒，在近地面流動的一種較為復雜的流體，也稱風雪流。風吹雪危害主要是視線障礙危害和背風積雪危害，一般發(fā)生在緯度高、海拔高、地勢起伏大的積雪山區(qū)，我國北方常遭受風吹雪害的影響，尤其是新疆的北疆地區(qū)和天山地帶經(jīng)常遭受此類氣候災害。每年冬季風吹雪這一極端的特殊氣候現(xiàn)象給當?shù)氐慕煌ò踩斐蓸O大影響。目前國內(nèi)外已經(jīng)研究出多種防治公路風吹雪災害的辦法，擋雪板是一種切實有效且應用廣泛的防治措施。

從風吹雪害的形成機理入手，結(jié)合塔城地區(qū)公路雪害防治工程的擋雪板應用，運用Fluent數(shù)值模擬擋雪板不同設置方式對防雪效果的影響。相比風洞實驗模擬運用計算機仿真軟件模擬具有成本低廉的優(yōu)勢，周期較短且易于獲得比較完整的數(shù)據(jù)，具有能模擬多種特殊情況下風吹雪現(xiàn)象的特點，給公路風吹雪害防治工程的設施布設提供了仿真依據(jù)。

1 擋雪板防雪原理

擋雪板一般設置于道路的迎風側(cè)，當風雪流通過時，流體受到壓縮，在擋雪板附近形成渦旋減速區(qū)，風速因受到阻礙而減小，當減小到風雪流的一般起動速度時（6m／s），大量雪粒子就開始在擋雪板前后沉積。

如圖1所示，擋雪板設置在道路的一側(cè)，破壞了道路兩側(cè)原有的流場，當風雪流流經(jīng)擋雪板時，受到壓縮與干擾，速度下降明顯，雪粒逐漸在擋雪板前后沉積、堆積。擋雪板背風側(cè)的積雪量要明顯大于迎風側(cè)。

圖1 擋雪板防雪示意圖

2 仿真原理

計算流體商業(yè)軟件Fluent，是通用的CFD軟件包，用來模擬不可壓縮至高度可壓縮范圍內(nèi)的復雜流體運動。因為采用了多種數(shù)值求解方法以及多重網(wǎng)格加速迭代收斂技術，所以Fluent可以達到最佳的求解精度和收斂速度。由于Fluent具有靈動的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應網(wǎng)格化技術，以及豐富且成熟的物理模型，使得Fluent在變換與湍流、傳熱與相變、化學反應與燃燒、多相流等方面都有著廣泛應用，所以可采用CFD軟件包仿真公路風吹雪的流體運動。

風吹雪是一種較為復雜的湍流運動，它的形成受周圍環(huán)境、起動風速、路線地形、移雪量等條件制約。本文主要模擬擋雪板設置對防風雪效果的影響，因此采用Fluent作為模擬擋雪板防雪效果的計算工具。

2.1 仿真方法及模型選擇

1）風吹雪屬于二相流，因此可采取歐拉—歐拉方法，將不同的相變成耦合的連續(xù)介質(zhì)?？紤]相體積的不可占性，引入相體積率（Phasic Volume Fraction）這一概念。空間對相的時間求導就是相的體積率，所有相的體積率之和為1。從其他各相的守恒方程能推導一系列方程，這些相都具有相似的形式，由現(xiàn)場觀測得到的數(shù)據(jù)可建立一些特定的關系，進而使上述方程封閉，計算結(jié)果收斂。

2）混合物（Mixture）模型適用于兩相流或多相流（流體或者顆粒）。在Eulerian模型中，所有相都被認為是耦合的連續(xù)流，Mixture模型求解采用混合物的動量方程，并通過相對速度來描述離散相。在實際情況中，風吹運動中的雪粒子相互間存在作用力（比如靜力），但這些作用力的規(guī)律目前不是很清楚，還不能被利用；一般情況下Mixture模型求解方程比Eulerian模型少一部分，所以Mixture模型計算快，同時Mixture模型的計算比Eulerian模型更穩(wěn)定，所以仿真模型選擇Mixture模型。

2.2 控制方程

風雪二相流視為連續(xù)相，滿足連續(xù)性方程，其微分形式的表達式為

式中:ρ為不可壓縮空氣密度，t為時間，ui為粘性系數(shù)，xi為坐標矢量。

Fluent求解的能量方程為

式中:keff＝ki＋k為方程有效導熱系數(shù)（湍流導熱系數(shù)由湍流模型定義）；Jj′為組分的擴散通量；方程等號右邊三項分別為導熱項，組分擴散相，粘性耗散項；Sh為化學反應熱和其他體積熱源。

風吹雪中雪粒子的運動形式一般分三種:蠕動（滑移），躍動，懸浮。越來越多學者認為湍流對雪粒子運動有一定影響，尤其在懸浮狀態(tài)，但目前風吹雪二相流理論還不成熟，湍流影響模型也不完全清楚，為簡化計算，省略湍流對風雪流的影響。

3 仿真過程及結(jié)果分析

擋雪板的防雪效果由透風率、擋雪板高度、布置與路肩距離等因素決定。本文研究在擋雪板高度一定，有無透風率，布置離道路側(cè)0.5m、20m、50m擋雪板的模擬防雪效果，并對結(jié)果進行比對分析。

二維模型選用了塔城地區(qū)S201線典型路堤橫斷面作為模擬用路，路基寬為12.0m，路堤高為1.5m，邊坡比為1∶3，用CAD建好二維模型，再導入Gambit軟件對模型作網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

3.1 無透風率

假設在15m／s穩(wěn)定風速下（塔城地區(qū)近年來冬季大風頻率最高風速為15m／s左右）。路肩邊緣設置擋雪板，會在路面產(chǎn)生大量積雪，需要鏟雪車來回清理，嚴重影響交通暢行，因此不考慮將擋雪板設置于路肩旁，在距離路肩25m、50m處設置擋雪板，并在此次模擬中采用透風率為0%、25%、75%的擋雪板進行對比試驗。

首先進行的是透風率為0的擋雪板計算機模擬，假設環(huán)境溫度為270K（－3℃），得到如下2張實驗模擬跡線云圖，如圖3、圖4所示。

圖2 路基二維模型網(wǎng)格化

圖3 距離為25m不透風擋雪板跡線

圖4 距離為50m不透風擋雪板跡線

3.2 有透風率

透風率為25%的擋雪板數(shù)值模擬，假設環(huán)境溫度為270K（－3℃），得到下面兩張實驗模擬跡線云圖，如圖5、圖6所示。

透風率為75%的擋雪板數(shù)值模擬，假設環(huán)境溫度為270K（－3℃），得到如下兩張實驗模擬跡線云圖，如圖7、圖8所示。

通過使用Fluent對風吹雪流場進行仿真模擬，對跡線圖進行分析可知，擋雪板的設置改變了原來路基附近的流場，當風雪流經(jīng)過擋雪板的阻擋時，風被壓縮，風吹雪的路徑方向發(fā)生變化，在擋雪板附近形成渦流減速區(qū)。

圖5 距離為25m、25%透風率擋雪板的跡線云圖

圖6 距離為50m、25%透風率擋雪板的跡線云

圖7 距離為25m、75%透風率的擋雪板的跡線云

圖8 距離為50m、75%透風率的擋雪板跡線云

從3組模擬試驗的跡線圖分析可知:第一，當擋雪板為不透風時，風吹雪經(jīng)過擋雪板，受到阻擋，迎風面積雪堆積到一定程度，風吹雪流繞過擋雪板，風能并沒有減弱。當擋雪板有一定的透風率（為25%）時，風吹雪經(jīng)過擋雪板后有十分顯著的阻擋作用，壓縮空氣、降低風速，雪粒沉積后減輕了風吹雪對行車駕駛員視線的影響。透風率為75%時，風雪流受擋雪板的壓縮和擾動作用減小，風吹雪流經(jīng)過擋雪板前后的運動變化不明顯。第二，擋雪板的設置距離也對風雪流路徑有影響，擋雪板設置距離為25m時，路基、邊坡處均形成了減速區(qū)，導致雪粒在坡腳沉積，如果輸雪量足夠多，路面會產(chǎn)生大量積雪；擋雪板設置距離為25m時，不透風擋雪板路面形成紊流區(qū)，而透風擋雪板路基、邊坡處均形成減速區(qū)；擋雪板距離為50m時，從擋雪板至迎風坡腳都會有雪粒沉積，保證路面不會有大量積雪。

擋雪板合理設置對防雪效果至關重要。通過上述分析，結(jié)合塔城地區(qū)公路風吹雪害的防治工程。由S201線擋雪板觀測結(jié)果可知，在其他條件一定時，透風率為25%且距離路肩50m的擋雪板防雪效果最佳。

5 結(jié)束語

綜上所述，利用計算機模擬擋雪板的防雪效果時間短、成本低、結(jié)果較精確，為擋雪板及其他防雪設施的設置提供了一種切實可行的分析方法。計算模擬的結(jié)果與工程現(xiàn)場觀測效果大致吻合，合理設置擋雪板能有效減少風吹雪對交通運輸?shù)挠绊憽?/p>

［1］ 陳曉光，李俊超，李長林，等.風吹雪對公路交通的危害及其對策研討［J］.公路，2001（6）:113－117.

［2］ 應成亮，李紅，張霞，等.防雪柵設計高度的數(shù)值仿真研究［J］.長春理工大學學報，2006（3）:54－57.

［3］ 黃海云，張山清，沙曼曼，等.1961～2008年塔城地區(qū)氣候變化特征 ［J］.新疆農(nóng)業(yè)大學學報，2012（3）:242－248.

［4］ 陳玉璞，王惠民.流體動力學［M］.北京:清華大學出版社，2013.

［5］ 周晅毅，劉長卿，顧明，等.拉格朗日方法在風雪運動模擬應用［J］.工程力學，2015，32（1）:36－42.

［6］ 周晅毅，顧明.風致積雪漂移堆積效應的研究進展［J］.工程力學，2008，25（7）:5－11.

［7］ 謝榮發(fā)，楊俊恒，王伊立.冰雪環(huán)境下道路通行能力研究［J］.交通科技與經(jīng)濟，2014，16（5）:50－52.