王 連，程建軍，智凌巖，辛國偉

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子 832003)

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多孔介質方法對鐵路沿線沙障模擬的適用性分析

王 連，程建軍，智凌巖，辛國偉

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子 832003)

為模擬細孔透隙式鐵路沙障的流場特征，鑒于此類模擬建模的困難性，采用CFD數值模擬程序，基于三維模擬的多孔介質條件對阻沙固沙網和防風沙直立柵欄的流場特征及壓力變化進行模擬分析。通過邊界條件和參數的合理控制得到：直立柵欄流場的數值模擬結果與風洞實驗下的流場速度變化相似；由于柵欄的整流作用，在多孔介質模擬方法下沙障后出現(xiàn)明顯的減速恢復區(qū)，并在其后逐漸恢復為與入口相同的風速廓線流；結合全斷面PE網風洞試驗，采用多孔介質模型可以得到與試驗數據相吻合的模擬結果，且壓降隨入口速度的增加明顯增大；由模擬結果可知，通過參數的合理控制，多孔介質方法可較好地反映此類沙障的流場變化。

多孔介質；沙障；壓降；流場

1 概述

在我國尤其是西北地區(qū)，荒漠化嚴重，風沙災害頻繁，早在20世紀60年代，我國就開始風沙災害的治理工作，從早期的植物防護到如今的機械防護，風沙治理工作取得了相對理想的進展。但面對日漸惡劣的環(huán)境加之不同季節(jié)特殊地理位置的氣候條件，科學工作者仍需針對防風沙障礙物作用效果做進一步研究。目前，PE網應用較為廣泛，其防風固沙性能優(yōu)異，且具有優(yōu)異的抗老化性能，連片使用可顯著增大地面粗糙度，降低來流風速；獨特的上疏下密結構可引導風向沙障較梳的中上部通過，顯著減弱風對地表的挖蝕作用，具有減風、阻沙、導風的綜合效果[1]。尼龍阻沙網作為一種新型的防沙材料，不僅具有防風阻沙效果，還具有疏導沙的作用，在防沙治沙工程中具有廣泛應用前景。

阻沙柵欄又稱高立式沙障，在我國風沙地區(qū)廣泛使用，直立柵欄通過改變局部流場，使一定范圍內的近地表風速明顯降低，使風沙流攜沙于此堆積[2]。柵欄防護體系的最主要作用是降低風速，增加風沙流飽和度，加速柵欄周圍沙粒的沉積，抑制風沙災害發(fā)生，其防護效益通常用削減風速的大小來評價[3]。防風沙柵欄主要用于鐵路沿線對風沙災害的防治，設置在防護體系的最外側，與鐵路走向平行，以減少風沙運動對鐵路沿線運輸的影響，PE網和防風沙柵欄均是沙漠地區(qū)阻沙固沙的理想新型材料。故本文通過計算流體動力學(CFD)數值模擬軟件對二者進行數值模擬，減少實際測試或風洞試驗獲取數據過程中的人力、物力投入。經過多次模擬對比分析，針對不同模型尋找最佳模擬方法，通過對模擬計算過程中不同階段參數的合理控制，并結合風洞實驗的數據加以修正，最終得到合理的計算方法和湍流模型，并分析障后流場的變化和通過防風沙障礙物前后壓力的變化，凸顯防風沙障礙物以降低風速和減少湍流強度為目標的防治原理，為從事風沙研究的工作者提供一定的參考。

2 試驗設計分析

2.1 風洞試驗設計

試驗在中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所風洞實驗室進行，該風洞全長16.2 m，由動力段、試驗段和擴散段構成，試驗段長8 m，橫截面為寬1.3 m、高1 m的矩形，屬直流吹氣式風洞。將測試裝置固定于風洞底板，皮托管伸入孔洞，調整至合適位置并固定，將風洞入口風速調整至不同待測值，待皮托管讀數儀上顯示的壓強數值穩(wěn)定后記錄數值，依次測試各預留孔洞處的壓強數值，即可得到相應風速下PE網前后各處的壓差值。試驗用PE網為甘肅金海阻沙固沙新材料有限公司生產的JGSPE200He18G型固沙網，其孔隙率約60%，孔規(guī)格0.79 mm×0.83 mm。風洞試驗布置如圖1所示。

圖1 風洞試驗布置示意

2.2 全斷面PE網數值模擬

由于實體模型對劃分網格帶來諸多不便，故對于三維的PE網，采用數值模擬軟件自帶的多孔介質模型模擬其壓降隨入口速度的變化，并與試驗數據進行對比分析。

2.2.1 多孔介質模型

多孔介質通常具有30%～60%孔隙度，模擬方式具有多樣性。CFD中多孔介質模型是在定義多孔介質的區(qū)域結合了一個根據經驗假設為主的流動阻力，即在動量方程上增加了一個動量源項，其中源項由兩部分組成，黏性損失項和內部損失項。1856年提出的Darcy關系式第一次描述了多孔介質內單向流速與壓降之間的關系式[4]

(1)

式中，Δp為單相流壓降，kPa；L為多孔介質區(qū)域長度，m；μ為運動黏度，Pa·s；k為滲透率，m2；u為單相流表觀速度，m·s-1。

Forchheimer指出，多孔介質中單項流的壓降實際上由黏性力和慣性力兩部分組成，低雷諾數下慣性力的作用可忽略不計，而高雷諾數下則影響顯著；Ergun總結前人的研究成果，認為高雷諾數下多孔介質中單向流的壓降應表述為速度一次項和二次項之和的形式，并提出Ergun關系式[5-8]。

2.2.2 模型的建立

數值模擬幾何模型如圖2所示。

圖2 數值模擬幾何模型

模型長度方向取41.0 mm，寬度方向取11.4 mm，高度方向取9.8 mm，多孔區(qū)域位于長度中線位置，Δn=0.27 mm，采用全斷面布設多孔區(qū)域以驗證試驗結果。

2.2.3 網格劃分

利用計算流體動力學模擬軟件對既有幾何模型的網格進行劃分，其中對于多孔介質區(qū)域，將其獨立于計算區(qū)域進行網格劃分，并對靠近多孔介質壁面區(qū)域進行網格加密處理，統(tǒng)一采用六面體網格即Hexa Meshing方式進行劃分，最終得到286 110個節(jié)點、830 900個網格面和272 500個網格單元，網格最小正交質量為1.0。劃分網格結果如圖3所示。

圖3 模型網格劃分

2.2.4 模擬計算及邊界條件

多孔介質條件亦稱分布阻力法，是將流動區(qū)域中固體結構的作用看作是附加在流體上的分布阻力，此時多孔模型的阻礙作用不復存在，只需設置相關參數，而數值模擬軟件默認多孔介質區(qū)域的速度為依據體積流量來推斷的表面速度，同時也可以賦予多孔介質內部速度值。多孔介質對湍流的影響是近似的流體力學湍流動量方程

(2)

方程中第一項為時間項；第二項為對流項；第三項為擴散項；最后一項為源項，方程式如下

(3)

式中，Si是i方向(x，y，z)的動量源項，在多孔介質單元中，動量損失對于壓力梯度有貢獻，壓降和流體速度成比例。

湍流模型選擇用于描述湍流充分發(fā)展的可實現(xiàn)型κ-ε兩方程模型，利用基于有限體積法的數值計算方法求解控制方程。研究單相低速流下(即修正的雷諾數Re<10)的流動狀態(tài)時，黏性阻力的影響較大[9]，在基于多孔介質模型的動量方程源項中設置黏性阻力系數1.7×10-8，內部阻力系數1 300，并按各向異性設置，數量級上相差不超過1 000倍，多孔區(qū)域設置為層流模型，其孔隙率保持為1.0。設置入口為速度邊界條件，采用均勻流，并通過設置不同速度以求得各速度下的壓降值，出口為壓力邊界條件，采用湍流強度和水力半徑方式描述湍流過程，對于湍動能、湍流耗散率等均采用二階迎風格式的計算方法，多孔介質區(qū)域設置為對稱(symmetry)邊界條件，因為本次物理模型及湍流形式具有鏡像對稱的特征，在黏性流動計算中也可以使用滑移壁面條件。在進行數值模擬計算過程中，為保證模擬計算良好的收斂性，將流動各個方向速度、湍動能κ和耗散率ε的殘差收斂標準均設為0.001[10]。

2.2.5 結果處理分析

結合風洞試驗，現(xiàn)從數值模擬軟件中選取部分表征壓力變化的后處理圖(圖4、圖5)并進行相關分析。

圖4 5.5 m/s風速下壓力云圖

圖5 11.2 m/s風速下壓力云圖

由數值模擬結果和風洞試驗數據整理得到入口速度和壓降的關系，如圖6所示。

圖6 壓降與速度曲線

2.3 阻沙柵欄數值模擬分析

柵欄作用于地表很大程度上影響了其周圍氣流的流動特性，是原來流經地表的氣流成為一種特殊形式的次生流，進而導致柵欄附近的氣流無論是在流動強度還是流動方向都發(fā)生了很大的變化，尤其是氣流的動量和能量的傳遞方式變得更加復雜[11]。Plate等最早根據對柵欄防護的空氣動力學分析，將繞過二維直立柵欄的流場劃分為外層、中間層、內層、中間和外層之間的混合區(qū)、內層和中間層的混合區(qū)、直立渦旋區(qū)和潛在外流區(qū)等7個區(qū)域[12]。故本文利用基于多孔介質條件的數值模擬軟件模擬阻沙柵欄前后流暢的變化，并體現(xiàn)數值模擬軟件的適應性和便捷性。

2.3.1 阻沙柵欄幾何建模

采用計算機輔助軟件建立模型如圖7所示，實體柵欄模型如圖8所示。

圖7 阻沙柵欄幾何模型

圖8 實體柵欄模型

為了充分描述自然條件下柵欄對來流風速的影響作用，故將計算域取相較于阻沙障礙物尺寸數幾十倍大小。此模型沿風速方向取60 m，沿障礙物縱向取0.16 m，計算域高度取10 m，坐標原點位于阻沙柵欄底部中心處。

2.3.2 網格劃分

利用CFD數值模擬軟件中前處理軟件對已有幾何模型進行嚴格的網格劃分，最終網格相關數據：558 558個節(jié)點、1 623 850個網格面和532 800個網格單元，并在多孔介質區(qū)域進行局部加密，網格質量良好，結果如圖9所示。

圖9 網格劃分結果

2.3.3 邊界條件和計算參數控制

(1)邊界條件的設定

根據空氣動力學原理，當馬赫數小于0.3時為不可壓縮流，故模型入口條件為速度入口，使用UDF編輯入口風速廓線，地表粗糙度設為0.5；對于湍流邊界條件，采用湍動能κ和比耗散率ω兩方程模型的組合，其中

(4)

(5)

出口和上表面條件因均處在湍流充分發(fā)展的情況，故設置為壓力出口，湍流計算方法選擇為湍流強度和水力半徑模式，并設置湍流強度為5，水力半徑為0.375；多孔介質區(qū)域設置成對稱邊界條件，并根據以往文獻關于壓降和風速研究設置相應的分布阻力黏性阻力系數為0.38，慣性阻力系數為300，保持孔隙率為1.0不變。

(2)計算方法及參數控制

湍流計算方法選擇定常狀態(tài)下收斂性較好基于不可壓縮流體的SIMPLEC方式，對于動量、湍動能等離散化問題均采用可以減少擴散誤差的二階迎風格式；選擇標準初始化從所有區(qū)域開始的方法，其他初始值保持缺省狀態(tài)，為確保模擬結果的準確性，對諸如三個方向的速度、湍動能、比耗散率等的監(jiān)視，應保證其殘差收斂標準控制在0.001，并設空氣密度ρ=1.225 kg·m-3，黏度μ=1.789 4×10-5。

2.3.4 計算結果分析

氣流在越過柵欄后形成明顯減速恢復區(qū)，從而降低來流強度，阻止風攜沙繼續(xù)向前運動，障后風速變化最為突出區(qū)段主要分布在柵欄后(1～6)H內；現(xiàn)分別取障后z/h=4.2H和y/h=1.38H處風速變化，并與1983年Bradley和Mulhearn等[14]對防風柵欄的風洞試驗結果進行對比。見圖10、圖11。

注：Uo為上風向入口處y=4.0 m高度處的風速 圖10 z/h=4.2H風速對比

圖11 y/h=1.38H風速對比

由圖12分析得知，在柵欄后z/h=4.2H(H為直立柵欄高度)距離處，來流廓線風速度縱向剖面數值與B&M等風洞實驗數據整體趨勢一致；在y/h=1.38H處，基于多孔介質的數值模擬結果與B&M等在相同條件下相應位置處的風速大小基本一致，相對誤差為2.17%。由此可見，利用數值模擬軟件中自帶的多孔介質模型，通過合理的控制相關參數能有效地模擬一些類似網孔狀的實際工程構筑物，減少人力、物力的消耗；再者，從速度云圖可以看出，對于非定常來流，阻沙柵欄可以明顯減低來流風速，降低來流湍動能，而擠壓上揚區(qū)并不明顯，且在障后形成較不明顯的渦流區(qū)，減少對障后地表的擾動，此結果與張克存等[15]關于直立柵欄風洞模擬試驗或實地觀測結果相符。

圖12 阻沙柵欄速度云圖

直立柵欄作用于地表明顯地影響其周圍氣流的流動特性，氣流繞過柵欄經歷了抬升、加速、沉降和恢復等過程；柵欄對地表的保護作用表現(xiàn)為風速的削減，這是科研工作者用來評價柵欄防護效益的一個常用指標，當氣流越過柵欄后風速急劇降低，最終將導致沙粒減速沉降。本文對直立柵欄基于多孔介質的模擬，從理論上證實了直立柵欄對來流風速的削弱作用和對湍動能的耗散作用，可有效模擬其實際流場變化。

3 結論

采用數值模擬和試驗數據結合的方式尋找采用CFD數值模擬軟件基于多孔介質模型的最佳邊界條件和計算方法，模擬計算中均采用三維建模方法，分別對不同多孔介質模型進行數值模擬分析，結果表明：全斷面PE網基于壓降的數值模擬，在選擇多孔介質模型中，設置動量源項中的黏性阻力系數為1.7×10-8，慣性阻力系數1 300時，可較好地模擬PE網的實際壓降變化，且隨著入口風速的增加，壓降呈明顯的指數方式增加。

對阻沙柵欄的模擬表明，多孔介質條件可準確模擬其實際流場變化，通過對計算過程的嚴格控制，阻沙柵欄可有效降低來流風速，具有顯著的防護效果；對于多孔介質模擬的實用性，不同的模型也具有不同的特點，需要根據具體試驗或數據分析，確定在模擬過程相關參數的設定，以最合理的方式反映實際情況。

目前多孔介質的應用還沒有形成統(tǒng)一理論規(guī)范，還望研究者們在模擬的同時多結合風洞試驗的結果。

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Simulation Applicability Analysis of Sand-protecting Barrier along the Railway Based on Porous Media Method

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

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

To simulate the flow field characteristics of multiaperture sand-protecting barrier along the railway with a view to the difficulties in such simulation modeling， the essay uses CFD numerical simulation program to analyze the flow field characteristics and pressure changes of the polythene net and the upright sand-preventing fence based on the 3D simulation of the porous medium condition. With reasonable control of the boundary conditions and parameters， the results show that (1) the numerical simulation of the upright sand-preventing fence is similar to the rate of flow field in wind tunnel experiment， slow recovery area appears obviously after the barrier in porous media simulation because of the effect of rectification of the fence and returns to the same wind speed profile flow at the entrance; (2) combined with the whole section polythene net wind tunnel test， the same simulation results as the test data are obtained by porous media model and the voltage drop increases obviously with the increase of the inlet velocity. The simulation results show that porous media method can better reflect the changes of the flow field of such barrier with proper control of parameters

Porous medium; Sand-protecting barrier; Voltage drop; Flow field

2016-05-10；

2016-05-19

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

王 連(1992—)，男，碩士研究生，研究方向沙害防治工程，

E-mail:2798895114@qq.com。

1004-2954(2016)11-0018-05

U213.1+54

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.005