辛國偉，程建軍，王　連，智凌巖，辛林桂

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

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鐵路沿線地表條件與風(fēng)沙流場的互饋規(guī)律研究

辛國偉，程建軍，王連，智凌巖，辛林桂

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子832003)

為研究鐵路沿線不同地表條件與擋沙墻周圍風(fēng)沙流場的互饋規(guī)律及擋沙墻擋風(fēng)沙的功效，基于數(shù)值模擬及風(fēng)洞實驗，對不同地表粗糙度下的風(fēng)沙流場進(jìn)行數(shù)值分析，揭示地表粗糙度對流場表征量諸如風(fēng)速、積沙形態(tài)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：不同粗糙度下?lián)跎硥χ車俣染纬蓽p速區(qū)、渦流區(qū)與加速區(qū)，其中，加速區(qū)受粗糙度影響較大；粗糙度越大對近地表(1 m以下)速度削弱越大，但在1 m以上風(fēng)速受其影響減弱；不同粗糙度下?lián)跎硥χ車e沙分布不同，粗糙度越大，迎風(fēng)側(cè)積沙位移越長，風(fēng)沙流飽和路徑越??；隨風(fēng)速的增大，4類粗糙度下的積沙長度都表現(xiàn)為迎風(fēng)側(cè)減少，背風(fēng)側(cè)增多。

地表粗糙度；風(fēng)沙兩相流；擋沙墻；數(shù)值模擬；風(fēng)洞實驗

風(fēng)沙運(yùn)動是影響鐵路運(yùn)輸安全的主要災(zāi)害之一。隨著我國鐵路運(yùn)營速度的全面提升，風(fēng)沙運(yùn)動對列車安全運(yùn)行的影響愈加突出，新建的蘭新二線(百里風(fēng)區(qū))及青藏鐵路(格拉段)面臨的風(fēng)沙災(zāi)害尤為嚴(yán)重。

為了保障列車的運(yùn)輸安全，目前國內(nèi)對沙漠鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害采取的防沙措施主要包括生物防沙及工程防沙。生物防沙可從根本上防治風(fēng)沙災(zāi)害，但生物防沙體系的建立對當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件有較高的要求，且需要一定的建設(shè)周期，而工程防沙體系的建立方便快捷，對自然環(huán)境要求較低，在大多數(shù)情況下是生物防沙不可或缺的輔助手段。工程防沙從其作用原理和功能劃分，一般有固沙措施、阻沙措施、輸沙措施及導(dǎo)沙措施?，F(xiàn)階段對上述兩類防沙體系及防護(hù)效益的研究主要有現(xiàn)場勘測、風(fēng)洞實驗及數(shù)值模擬?，F(xiàn)場勘測受場地局限、觀測誤差及風(fēng)速不穩(wěn)定等條件限制，不能準(zhǔn)確摸清實際地形地貌條件下的風(fēng)沙流特征，而風(fēng)洞實驗與數(shù)值模擬則主要集中在單風(fēng)向定常風(fēng)速、平坦地表等給定控制條件下沙粒輸運(yùn)、風(fēng)場變化及其與擋沙墻相互作用的規(guī)律與特征，這使得現(xiàn)有的風(fēng)沙運(yùn)動理論、風(fēng)洞實驗及數(shù)值模型遠(yuǎn)未達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)測野外真實環(huán)境下?lián)跎硥χ車L(fēng)沙運(yùn)動的程度[1-6]。實際環(huán)境中鐵路沿線一般都是由沙丘、矮樹叢及連綿山巒等地表障礙物組成的小尺度復(fù)雜地形，因此研究復(fù)雜地形下鐵路沿線風(fēng)沙流場的變化對預(yù)測野外真實環(huán)境下的風(fēng)沙流運(yùn)動具有重要的指導(dǎo)意義[7]。

為摸清鐵路沿線地表條件對擋沙墻周圍風(fēng)沙流場變化規(guī)律的控制與影響，揭示地表條件與流場之間的映射關(guān)系，本文將現(xiàn)場實測、風(fēng)洞實驗及數(shù)值模擬相結(jié)合進(jìn)行研究。其中，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為入口風(fēng)速條件，數(shù)值模擬為主要研究手段，風(fēng)洞實驗為驗證手段。通過運(yùn)用CFD計算程序設(shè)定平坦地表粗糙度，對擋沙墻周圍的風(fēng)沙流場特征進(jìn)行數(shù)值分析，全面揭示地表條件控制下的風(fēng)沙流規(guī)律，為后期沙害防治工程實踐提供理論依據(jù)和參考。

1　實驗設(shè)計

1.1風(fēng)洞實驗設(shè)計

風(fēng)洞實驗在中科院寒區(qū)旱區(qū)研究所風(fēng)洞實驗室進(jìn)行。該風(fēng)洞洞體全長38 m，實驗段長21 m，風(fēng)洞橫斷面為1.2 m×1.2 m；風(fēng)洞由動力段、整流段、供沙裝置、實驗段和擴(kuò)散段5部分組成。

實驗?zāi)Ｐ蜑閷嶓w式擋沙墻，擋沙墻模型由PVC材料制作，模型高度H=20 cm，長度L=110 cm。對上述擋沙墻模型進(jìn)行風(fēng)洞實驗：選取6、9、12、15 m/s 4組指示風(fēng)速，使用皮托管分別測試擋沙墻迎風(fēng)側(cè)0.75H、1.5H、3H、5H及背風(fēng)側(cè)0.25H、0.5H、1H、2H、3H、5H、7H、10H處各高度的風(fēng)速值。然后進(jìn)行風(fēng)沙流實驗：在模型上風(fēng)側(cè)放置沙源，持續(xù)吹沙約1 min后，分別測試擋沙墻前、后的積沙范圍以及積沙量。

因風(fēng)洞實驗裝置因素，本實驗只針對粗糙度為0.001(木板粗糙度約0.001)的下墊面進(jìn)行實驗。其實驗布置示意如圖1所示。

圖1　風(fēng)洞實驗布置示意

1.2數(shù)值模擬設(shè)計

1.2.1模型建立

由AUTOCAD建立二維模型，CFD流體力學(xué)軟件網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬，TECPLOT進(jìn)行后處理。計算區(qū)域長度120 m，高度30 m，擋沙墻高度2 m，寬度0.3 m。如圖2所示。

圖2　計算區(qū)域示意(單位：m)

1.2.2網(wǎng)格劃分

由于擋沙墻的存在，計算模型為不規(guī)則形狀，故其網(wǎng)格劃分類型采用Quad，即四邊形網(wǎng)格形式，劃分方法采用pave法(非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格)，劃分網(wǎng)格數(shù)約1.0×105個，并在擋沙墻周圍進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖3所示。

圖3　網(wǎng)格劃分示意

1.2.3邊界條件

根據(jù)空氣動力學(xué)原理，當(dāng)馬赫數(shù)小于0.3時空氣流為不可壓縮流，風(fēng)沙兩相流馬赫數(shù)均小于0.3[8]，故計算模型入口條件為速度入口(VELOCITY-INLET)；自由出流必須在流態(tài)充分發(fā)展條件下才能采用，而此模型出口不能確保為自由出流，故模型出口條件為壓力出口(PRESSURE-OUTLET)，其壓差為零。擋沙墻前后壁面采用滑移壁面邊界條件，其類型為WALL，粗糙度厚度值為Ks，其他壁面粗糙度默認(rèn)為0。介質(zhì)沙粒為連續(xù)相，其類型為FLUID。

1.2.4計算參數(shù)

風(fēng)沙流攜沙粒徑一般在0.075～0.25 mm，本文風(fēng)沙流攜沙粒徑ds=0.1 mm，沙粒密度ρs=2 600 kg·m-3，黏度μ=0.047 Pa·s，據(jù)統(tǒng)計風(fēng)沙流密度的數(shù)量級在10-5(g·m-3)，且沙相為稀相，故初始沙相體積分?jǐn)?shù)取為1%[9-11]?？諝饷芏圈?1.225 kg·m-3，黏度μ=1.789×10-5Pa·s，壓力為常壓；典型風(fēng)速廓線為

式中，v為摩阻風(fēng)速；k為馮卡門系數(shù)，取0.4；y0為粗糙長度；y為高度；v(y)為y高度處的風(fēng)速值。

本文風(fēng)速廓線通過實測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合及推導(dǎo)，對比選取最優(yōu)形式進(jìn)行模擬。其實測數(shù)據(jù)在南疆鐵路線吐魯番至魚兒溝段托克遜地區(qū)進(jìn)行，設(shè)置數(shù)據(jù)測試點后用梯度風(fēng)速儀測試測點各高度處的風(fēng)速值，經(jīng)處理后用Origin軟件進(jìn)行擬合[12]。推導(dǎo)通過測定任意兩高度上風(fēng)速獲得摩阻風(fēng)速并求取平均值，并由粗糙元平均高度H估算粗糙度長度y0=0.025，最終得出廓線方程[13]。不同高度風(fēng)速擬合值、實測值及計算值對比顯示擬合值更接近實測值，如圖4所示，故選用擬合值作為本數(shù)值模擬入口的風(fēng)速初始值。利用用戶自定義函數(shù)(UDF)嵌入C語言自編函數(shù)，實現(xiàn)對數(shù)流入口邊界條件的設(shè)定。

圖4　不同高度風(fēng)速擬合值、實測值及計算值對比

1.2.5求解模型

計算域求解模型采用歐拉雙流體非定常模型，附加k-ε湍流模型，湍流強(qiáng)度I=0.05，湍流半徑R=0.5，并選取Syamlal-O’Brien 曳力模型，兩相流采用具有二階截差的QUICK格式，以提高計算準(zhǔn)確性。方程組求解計算方法采用SIMPLEC算法。

2　結(jié)果分析與討論

2.1地表粗糙度對擋沙墻周圍流場特征的影響

地表粗糙度(KS)是指近地表風(fēng)速為零的高度，它是反映地表對風(fēng)阻抗的重要參數(shù)[14]。防沙工程中常見的地表粗糙度如圖5所示，不同地表粗糙度對風(fēng)沙流的阻抗作用及擋沙墻防沙固沙效應(yīng)不同，對擋沙墻前后積沙量及積沙長度的影響也不同。許多學(xué)者研究報道地表覆蓋物或起伏地形能夠增大地表粗糙度，以降低來流風(fēng)速從而達(dá)到擋沙效果[15，16]。本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方式對4種固定規(guī)格的地表粗糙度(0.001，0.01，0.1，0.2 m)進(jìn)行對比，以探究不同地表粗糙度對來流風(fēng)速的減弱情況。其來流形式為對數(shù)流，初始速度大小為20 m/s(10 m高處)。

圖5　不同類型地表粗糙度

地表粗糙度決定擋沙墻周圍氣流速度的大小，從而間接影響沙粒在擋沙墻周圍的分布。以20 m/s為例模擬了4種粗糙度下的流場變化情況，其速度變化云圖如圖6所示。

圖6　不同粗糙度下?lián)跎硥χ車鲌鏊俣确植荚茍D

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，4種地表粗糙度下?lián)跎硥χ車纬伤俣确謪^(qū)：減速區(qū)、渦流區(qū)及加速區(qū)。速度分區(qū)的原因在于擋沙墻是一種帶尖緣的鈍體，風(fēng)沙流經(jīng)過時在其頂端部位受到了擠壓從而產(chǎn)生了分離，形成一個強(qiáng)剪切層，剪切層兩側(cè)的壓差使流線向下彎曲，而在氣流接近地面時又返回了分離區(qū)，補(bǔ)償了由于卷吸而帶走的那部分氣流，所以在擋沙墻背風(fēng)側(cè)形成一個很大的渦流區(qū)[17，18]。同時也可發(fā)現(xiàn)，不同地表粗糙度，對擋沙墻迎風(fēng)側(cè)速度削弱程度不同。粗糙度越大，對近地表風(fēng)速的削弱越大(障前綠色部分)，風(fēng)沙流到達(dá)沙障前速度變小，遇到擋沙墻后形成的速度分區(qū)也存在較明顯的變化。從圖6擋沙墻周圍速度分區(qū)可以發(fā)現(xiàn)，4種粗糙度下，迎風(fēng)側(cè)減速區(qū)與背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)(藍(lán)色部分)變化大致一樣，但斜上方形成的加速區(qū)范圍卻逐漸變小。說明地表粗糙度對減速區(qū)與渦流區(qū)影響較弱，但對加速區(qū)影響較大。產(chǎn)生此種變化的原因是遠(yuǎn)離近地表處速度較大，近地表風(fēng)速較小且被削弱，在相同時間內(nèi)上層氣流運(yùn)動路程比下層長，在遇到擋沙墻后近地表速度又急劇減小，上層氣流與下層氣流的速度差增大。粗糙度越大，下層氣流速度被削弱越大，速度差越大。所以，地表粗糙度通過影響近地表風(fēng)速間接影響擋沙墻周圍的流場變化。

風(fēng)沙流在入障前有一個減速區(qū)，其范圍大于障前4H(H為擋沙墻高)。由圖6可知，擋沙墻對其迎風(fēng)側(cè)0～10 m內(nèi)風(fēng)速有阻礙作用，而10～60 m范圍內(nèi)氣流速度主要受沙粒及地表粗糙度影響。由于所取沙粒體積分?jǐn)?shù)一定，所以在此范圍內(nèi)氣流速度主要受地表粗糙度影響。障前10 m位置處速度變化情況如表1所示。從表1可以看出：在1 m高度范圍內(nèi)，隨著粗糙度的增大，擋沙墻前速度呈遞減規(guī)律，且遞減程度增大；而在1.5 m及2 m高度處，隨著粗糙度的增大速度呈遞增規(guī)律，但遞增程度減弱。其原因是粗糙度越大，出露在地表的零速度高度越大，對氣流紊動性的影響程度加劇，對風(fēng)速的阻力變大。此外，風(fēng)沙流在距地表1 m范圍內(nèi)攜沙量集中，沙粒運(yùn)動對氣流也有阻礙作用；而1 m以上受粗糙度影響減弱，對風(fēng)速的阻力減小，攜沙量也變小，使得速度逐漸沿對數(shù)曲線遞增。圖7為背風(fēng)側(cè)5 m處風(fēng)洞實驗與數(shù)值模擬速度對比示意。當(dāng)?shù)乇泶植诙葹?.001 m時，兩者差距較小，誤差不超過0.15[19](數(shù)值模擬速度值大于風(fēng)洞實驗值)。

表1　擋沙墻前10 m不同高度處氣流速度變化

圖7　數(shù)值模擬與風(fēng)洞實驗背風(fēng)側(cè)速度對比示意

2.2擋沙墻周圍風(fēng)速廓線的變化

風(fēng)速廓線是表征近地表風(fēng)速變化的基本方法，也是揭示風(fēng)沙運(yùn)動及風(fēng)沙堆積的有效途徑之一。一般情況下，風(fēng)速廓線隨高度的增加逐漸接近于某一固定值，但近地表由于受粗糙度影響速度遞減，風(fēng)速廓線會呈現(xiàn)出一定的變化。2 m高度范圍內(nèi)風(fēng)速廓線變化如圖8所示。由圖8可知，風(fēng)速廓線變化明顯的區(qū)域主要在1 m以下，且越靠近擋沙墻，風(fēng)速廓線轉(zhuǎn)折段越明顯；而在1 m以上范圍內(nèi)遞增趨勢逐漸變緩，有恢復(fù)至直線趨勢。同時也可發(fā)現(xiàn)，隨距擋沙墻距離的減小，風(fēng)速廓線在近地表1 m以下位置遞減幅度擴(kuò)大，這與任春勇等人[20]的結(jié)論相一致。地表粗糙度對風(fēng)速廓線的影響，實際上是下墊面狀況對氣流紊動性的影響，由于攜沙氣流的能量分布在垂直高度上變化很大，使得沙粒在風(fēng)沙流活動層的高度分布受下墊面粗糙度的影響，最終導(dǎo)致近地表風(fēng)沙流風(fēng)速廓線的變化與凈風(fēng)條件下存在一定的區(qū)別。

2.3地表粗糙度對擋沙墻周圍積沙分布的影響

風(fēng)沙流運(yùn)動過程中由于受地表粗糙度影響，運(yùn)行速度減低，所攜沙粒在遇到擋沙墻后大部分沉積擋沙墻周圍。圖9為15 m/s時不同地表粗糙度下的積沙分布圖。從圖中可以看出，粗糙度越大，對近地表氣流速度的削弱越大，從而導(dǎo)致?lián)跎硥τL(fēng)側(cè)積沙長度越長；同時還可發(fā)現(xiàn)，擋沙墻背風(fēng)側(cè)隨粗糙度增大，其積沙量有減少趨勢。其原因在于低風(fēng)速(15 m/s)下，地表粗糙度較小時，迎風(fēng)側(cè)的速度雖有衰減，但仍大于起沙風(fēng)速，風(fēng)沙流仍處于欠飽和狀態(tài)，部分沙粒仍可躍過擋沙墻在背風(fēng)側(cè)形成積沙；而地表粗糙度較大時，迎風(fēng)側(cè)速度被削弱較大，其風(fēng)沙流可能處于飽和狀態(tài)，在遇到擋沙墻后大部分沉落在迎風(fēng)側(cè)，僅有少部分沙?？绍S過擋沙墻在背風(fēng)側(cè)形成積沙。

注：不同顏色代表積沙分布的多少，紅色區(qū)域代表積沙最多，藍(lán)色區(qū)域代表沒有積沙，其他顏色代表沙粒還在運(yùn)動。圖9　不同地表粗糙度下的積沙分布

2.4風(fēng)速對擋沙墻周圍積沙分布的影響

風(fēng)是沙粒運(yùn)動的動力條件，當(dāng)風(fēng)速大于起沙風(fēng)速時，沙粒開始移動；當(dāng)風(fēng)速不足以使沙粒移動時，大部分沙粒會在重力作用下沉積在地表面上。圖10為不同風(fēng)速(粗糙度0.001 m)下的積沙分布。從圖中可發(fā)現(xiàn)，來流速度越大，擋沙墻迎風(fēng)側(cè)積沙減少，背風(fēng)側(cè)則表現(xiàn)出增大的趨勢。這是由于擋沙墻聚風(fēng)效應(yīng)的影響，隨著風(fēng)速的增大，擋沙墻背風(fēng)側(cè)回流區(qū)范圍變大，積沙區(qū)域也增大。圖11為風(fēng)洞實驗積沙分布(風(fēng)向從上到下)。從圖可見，數(shù)值模擬與風(fēng)洞實驗結(jié)果基本吻合，由此說明模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖10　不同風(fēng)速時擋沙墻周圍積沙分布

圖11　風(fēng)洞實驗積沙分布

2.5地表粗糙度對風(fēng)沙流飽和路徑長度的影響

氣流中的輸沙量，從入口起點開始逐漸增加，當(dāng)含沙量達(dá)到飽和時，就發(fā)生堆積。由入口起點到沙粒沉落堆積的一段距離稱為飽和路徑長度[21]。地表粗糙度對飽和路徑長度有決定性影響，兩者相關(guān)性如圖12所示。由圖12可知，隨地表粗糙度增大，風(fēng)沙流飽和路徑長度逐漸減小，且其函數(shù)曲線呈指數(shù)規(guī)律。原因是地表粗糙度越大，氣流運(yùn)行速度受到的阻礙越大，附面層發(fā)生分離形成渦旋，降低近地面層的風(fēng)速，從而削弱氣流輸沙的能量以及攜沙的能力，使無力載運(yùn)的沙粒跌落在擋沙墻附近，形成沙粒堆積。由此可見，在同一來流風(fēng)速下，粗糙度越大，在擋沙墻前積沙的位移也越長。

圖12　不同地表粗糙度對飽和路徑長度的影響

3　結(jié)論

本文基于歐拉雙流體非定常模型，對不同地表粗糙度下的風(fēng)沙兩相流運(yùn)動進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出以下結(jié)論。

(1)氣流在擋沙墻周圍均形成減速區(qū)、渦流區(qū)和加速區(qū)；減速區(qū)與渦流區(qū)受地表粗糙度的影響較弱，但加速區(qū)受其影響較大。

(2)不同地表粗糙度對近地表風(fēng)速減弱程度不同。在1 m以下位置，粗糙度增大，對風(fēng)速削弱程度加劇，離地表越近，削弱程度越大；而在1 m以上位置，粗糙度對風(fēng)速影響減弱。

(3)4種地表粗糙度下積沙形態(tài)都表現(xiàn)為風(fēng)速越大，擋沙墻迎風(fēng)側(cè)積沙越少，背風(fēng)側(cè)越多；不同地表粗糙度下，擋沙墻周圍堆積沙的位移及形態(tài)隨粗糙度增大表現(xiàn)出一定的遞增性，但與風(fēng)沙流飽和路徑長度呈負(fù)相關(guān)。

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Research on the Law of Mutual Feedback between Ground Surface Condition and Wind-sand Field along the Railway

XIN Guo-wei， CHENG Jian-jun， WANG Lian， ZHI Ling-yan， XIN Lin-gui

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

To understand the law of interaction between different ground surface conditions and the wind-sand field around the sand retaining wall and the effect of the sand retaining wall， different surface roughness of the wind-sand is analyzed based on numerical simulation and wind tunnel experiments to reveal the effect of ground surface roughness on such wind-sand field token states as wind speed and sand form. The results show that different surface roughness degrees all result in deceleration zone， vortex area and accelerating zone around the retaining wall， and the acceleration zone is much influenced by the roughness; the greater the roughness， the bigger the near surface (less than 1 m) deceleration， but the wind speed is less influenced above 1 m; the sand distribution is different around the retaining walls of different roughness; the greater the roughness， the longer the sand displacement on the windward side and the smaller the sand saturation and the flow path; with the increase of wind speed， the length of the sand deposition on the windward side decreases and that on the leeward side increases for all the four kinds of roughness．

Ground surface roughness; Wind-blown sand flow; Sand-retaining wall; Numerical simulation; Wind tunnel test

2016-01-09；

2016-03-13

國家自然科學(xué)基金項目(51568057；51268050；50908152)

辛國偉(1990—)，男，碩士研究生，E-mail:942974011@qq.com。

程建軍(1979—)，男，教授，工學(xué)博士，從事鐵路風(fēng)沙防治研究，E-mail:chengdesign@163.com。

1004-2954(2016)09-0022-06

U216.41+3

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.005