李曉軍，蔣富強(qiáng)

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州　730070; 2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州　730000)

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風(fēng)沙流對(duì)戈壁地區(qū)擋風(fēng)墻響應(yīng)規(guī)律的數(shù)值模擬分析

李曉軍1，2，蔣富強(qiáng)2

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州730070; 2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州730000)

摘要:基于FLUENT歐拉雙流體模型，對(duì)蘭新鐵路沿線既有擋風(fēng)墻周圍風(fēng)沙兩相流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，得到擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的流場(chǎng)分布特點(diǎn)以及積沙情況。結(jié)果表明:擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)速廓線變化規(guī)律呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，在0.5 m至擋風(fēng)墻自身高度區(qū)間內(nèi)變化較為復(fù)雜，呈先減小后增加的趨勢(shì);擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)近地表氣流速度反向增大后沿著初始速度的方向減小為0且繼續(xù)增大至初始速度大小，風(fēng)速最大值增加的幅度保持在50%左右，風(fēng)速越大，氣流的削弱作用越明顯;當(dāng)初始?xì)饬魉俣葹檩^小時(shí)，線路上積沙較少，沙粒多數(shù)堆積在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)墻角處;隨著風(fēng)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)通過擋風(fēng)墻的沙粒增多，由于過流斷面減小，氣流擴(kuò)散，更多沙粒沉積在線路上;在強(qiáng)風(fēng)地區(qū)，布設(shè)擋風(fēng)墻時(shí)應(yīng)考察線路上風(fēng)向的地表情況，沙源比較豐富時(shí)應(yīng)采用工程治沙措施來減小風(fēng)沙流密度，達(dá)到防沙的目的。

關(guān)鍵詞:蘭新鐵路;擋風(fēng)墻;風(fēng)沙兩相流;數(shù)值模擬

蘭新鐵路沿天山山前戈壁地帶穿過，絕大部分路段處在干旱荒漠風(fēng)沙地帶，在寒潮天氣的影響下，形成了特殊的大風(fēng)天氣，風(fēng)力強(qiáng)勁，風(fēng)向多變，大風(fēng)頻繁，途經(jīng)安西風(fēng)區(qū)、煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)和達(dá)坂城風(fēng)區(qū)等五大風(fēng)區(qū)，尤其以百里風(fēng)區(qū)風(fēng)力最為強(qiáng)勁，風(fēng)速最高可達(dá)60 m/s，局部地段每年有200 d風(fēng)力在8級(jí)以上［1-2］。在強(qiáng)氣流運(yùn)動(dòng)作用下，戈壁地表嚴(yán)重失穩(wěn)，風(fēng)沙災(zāi)害頻發(fā)，造成路基風(fēng)蝕和線路積沙等危害，運(yùn)輸時(shí)常迫停，每年因大風(fēng)停運(yùn)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億多元。通過調(diào)查研究在鐵路沿線迎風(fēng)側(cè)修建擋風(fēng)墻是鐵路安全運(yùn)營(yíng)的一項(xiàng)重要措施［3-5］。

對(duì)風(fēng)沙流的研究已經(jīng)有了很長(zhǎng)的一段歷史，近幾年來，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬等手段對(duì)路基以及擋風(fēng)墻的功效進(jìn)行了研究，并得到了不少成果［6-9］。文獻(xiàn)［10］通過對(duì)路堤周圍風(fēng)沙兩相流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)沙粒速度與風(fēng)速相互影響形成一種反饋機(jī)制并揭示了路基迎風(fēng)坡積沙量大于背風(fēng)坡的形成機(jī)理。文獻(xiàn)［11］通過對(duì)戈壁區(qū)路基周圍風(fēng)沙流進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)在路基周圍有氣流的相對(duì)高速區(qū)和相對(duì)低速區(qū)，在相對(duì)高速區(qū)產(chǎn)生風(fēng)蝕沙害，在相對(duì)低速區(qū)產(chǎn)生積沙。文獻(xiàn)［12］通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定擋風(fēng)墻的表面壓力分布、最佳疏透度、路基高度和不同軌心距的擋風(fēng)墻合理高度等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)擋風(fēng)墻工程以高3 m緊密結(jié)構(gòu)矩形體為宜。文獻(xiàn)［13］通過實(shí)地調(diào)查分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)3 m高擋風(fēng)墻在墻后距離5 m以內(nèi)存在低速渦旋積沙區(qū)，當(dāng)平均風(fēng)速不大于41 m/s且上風(fēng)區(qū)沒有新的沙源補(bǔ)充時(shí)，通常設(shè)置的3 m高擋風(fēng)墻基本可以阻擋風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)。

這些成果都是從擋風(fēng)墻防止列車傾覆的角度去研究，并沒有考慮到擋風(fēng)墻造成的沙害問題，事實(shí)證明，在擋風(fēng)墻為機(jī)車的穩(wěn)定性運(yùn)營(yíng)提供安全保障的同時(shí)，也會(huì)造成線路積沙。本文基于FLUENT軟件，模擬風(fēng)沙兩相流途經(jīng)擋風(fēng)墻不同幾何條件時(shí)擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)的變化情況，并對(duì)擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)線路積沙形態(tài)進(jìn)行研究，為鐵路防風(fēng)防沙提供依據(jù)。

1　數(shù)值分析模型建立

蘭新線位于戈壁灘地段，沙源較為豐富，并且途經(jīng)五大風(fēng)區(qū)，風(fēng)力強(qiáng)勁，大風(fēng)經(jīng)常卷起地面的沙子擊碎車窗玻璃，為此，蘭新線擋風(fēng)墻的實(shí)際高度設(shè)定為3 m，正好位于客車車窗玻璃上方。同時(shí)，蘭新線上的風(fēng)為季風(fēng)，風(fēng)向較為穩(wěn)定，因此，蘭新線修建的是單側(cè)擋風(fēng)墻［14］。具體參數(shù)設(shè)置過程如下。

1.1控制方程

由于鐵路沿線橫向風(fēng)速一般小于50 m/s，馬赫數(shù)小于0.3，故流動(dòng)按二維不可壓縮處理［15］。另外，本模型不考慮熱量的交換，是單純流場(chǎng)問題，不用包含能量方程。所以描述防風(fēng)擋沙墻后的風(fēng)場(chǎng)的控制方程主要包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程和湍流模型方程，本文采用的湍流方程式k－ε湍流模型。

動(dòng)量方程

式中，ux、uy為速度分量;為速度矢量;ρ為密度; g為重力加速度;τ是因分子黏性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的黏性應(yīng)力分量; P為流體微元體的壓強(qiáng); t為時(shí)間。單位統(tǒng)一為國(guó)際單位。

連續(xù)方程

式中，k為湍動(dòng)能;μt為湍動(dòng)粘度;ε為湍動(dòng)耗散率; u為速度分量; G由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;σk、σε為相對(duì)應(yīng)的普朗特系數(shù); C為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.2計(jì)算區(qū)域

為了讓氣流的繞流和流場(chǎng)發(fā)展充分，為避免路堤背風(fēng)側(cè)渦旋流對(duì)出口邊界條件的影響，理論上計(jì)算區(qū)域應(yīng)越大越好。應(yīng)用Gambit軟件建立二維計(jì)算模型，通過試算，模型總體尺寸取為120 m×25 m。為節(jié)約計(jì)算資源，將路堤模型靠近風(fēng)速入口40 m處，此時(shí)，擋風(fēng)墻后面流場(chǎng)基本達(dá)到充分發(fā)展，計(jì)算區(qū)域更大時(shí)計(jì)算結(jié)果改變很小。模型中取路堤高度3 m，路堤邊坡坡率為1∶1.75，對(duì)在不同幾何條件下的擋風(fēng)墻進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.3網(wǎng)格劃分及邊界設(shè)置

本文所建模型較為復(fù)雜，為節(jié)省工作量采用Pave法將區(qū)域劃分為非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為Tri(三角形)網(wǎng)格形式。由風(fēng)沙流的分布特點(diǎn)可知近地表的沙粒運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，因此防風(fēng)擋沙墻及其路堤周圍部分網(wǎng)格劃分較為密集，而在進(jìn)口、出口和上側(cè)劃分較為稀疏。這樣劃分既考慮到模擬計(jì)算的收斂時(shí)間、計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，又充分考慮到了在重點(diǎn)部位劃分密集以保證模擬準(zhǔn)確性的原則，從而嚴(yán)格控制了網(wǎng)格的數(shù)量，提高了計(jì)算精度和效率。網(wǎng)格整體數(shù)量超過了60萬，計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示。入口采用速度入口邊界(VELOCITY_INLET)，出口采用出口流動(dòng)邊界(OUTFLOW)，地面、擋風(fēng)墻與其他邊界采用固體無滑移壁面邊界(WALL)。

圖1　計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分

1.4FLUENT求解模型及參數(shù)選取

本次試驗(yàn)采用歐拉兩相非定常模型、k－ε湍流模型(采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù))的標(biāo)準(zhǔn)格式。指定空氣為基本相，定義沙作為第二相，由于此次模擬戈壁地區(qū)風(fēng)沙流，取沙相的體積分?jǐn)?shù)為0.02［10］。風(fēng)沙之間采用Schiller-naumann計(jì)算兩相之間的阻力，并考慮沙的重力。入口處的風(fēng)沙流速度分別取10、20、30、40 m/s，風(fēng)沙流中的沙粒粒徑一般在0.075～0.25 mm，本次計(jì)算取0.1 mm。由于采用歐拉雙流體計(jì)算模型，計(jì)算方法采用一階迎風(fēng)格式。

2　數(shù)值模擬分析與討論

2.1擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)特征分析

采用FLUEN軟件對(duì)給出的有關(guān)流場(chǎng)的基本方程數(shù)值求解后，可得到在不同條件下路堤周圍的流場(chǎng)特征。

圖2為擋風(fēng)墻高度為3 m，風(fēng)沙流初始速度為20 m/s時(shí)路堤周圍氣流速度矢量圖。

圖2　設(shè)置3 m高擋風(fēng)墻時(shí)路堤周圍氣流速度矢量圖

按照能量守恒定理，一部分氣流通過擋風(fēng)墻時(shí)速度增加，所攜帶的沙粒速度也增加，必然有一部分沙粒速度降低，沉積在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)，造成線路積沙，給行車運(yùn)營(yíng)帶來不便。從圖2中不難看出，受擋風(fēng)墻和路堤影響，周圍氣流速度發(fā)生改變。當(dāng)氣流途經(jīng)路堤和擋風(fēng)墻時(shí)，氣流速度形成分區(qū):隨著氣流靠近擋風(fēng)墻，過流斷面減小，氣流被壓縮發(fā)生繞流，在迎風(fēng)側(cè)墻底形成渦旋流，攜沙風(fēng)速度減小，一部分沙粒在此處堆積。當(dāng)氣流繞過擋風(fēng)墻以后，過流斷面增大，氣流發(fā)生擴(kuò)散，攜沙風(fēng)會(huì)帶走一部分沙粒直接躍過線路上方被帶向遠(yuǎn)處，另一部分則會(huì)落下，在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)堆積;受逆壓梯度的影響在路基頂面上方形成氣流紊流區(qū)，并且形成了一個(gè)明顯的渦流，此處沙粒運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，在渦流作用下，部分沙粒會(huì)堆積在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)墻角位置處，另一部分沙粒在反向風(fēng)的作用下從路堤背風(fēng)側(cè)坡腳朝著線路運(yùn)動(dòng)并在此處重新進(jìn)行二次堆積。

2.2高度對(duì)擋風(fēng)墻周圍風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特性的影響

擋風(fēng)墻在為列車的安全運(yùn)營(yíng)提供保障的同時(shí)，不可避免地造成了線路積沙，為了研究擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)與擋風(fēng)墻高度的關(guān)系，分別取擋風(fēng)墻高度為3.0、3.5、4.0 m，初始風(fēng)沙流瞬時(shí)速度20 m/s為例進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

風(fēng)沙流是指含有沙粒的運(yùn)動(dòng)氣流，其形成必須要具備地表較為豐富的沙物質(zhì)和一定的風(fēng)力。風(fēng)是沙粒運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源，研究背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)情況主要是研究氣流速率的變化情況。如圖3所示，不同高度擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)一定高度內(nèi)的風(fēng)速垂直輪廓線呈現(xiàn)出大致相同的走勢(shì)規(guī)律，可分為3個(gè)階段。在0～0.5 m風(fēng)速增大較快，呈指數(shù)分布規(guī)律，并且隨著擋風(fēng)墻高度的增加，風(fēng)速增加的幅度較大，當(dāng)擋風(fēng)墻高度為3 m時(shí)，在這個(gè)階段內(nèi)最大風(fēng)速約為7 m/s，當(dāng)擋風(fēng)墻高度為4 m時(shí)，最大風(fēng)速約為9 m/s。在0.5 m以上至擋風(fēng)墻自身高度區(qū)間內(nèi)風(fēng)速變化較為復(fù)雜，呈先減小后增大的趨勢(shì)，并且風(fēng)速較低，基本保持在2～9 m/s，擋風(fēng)墻高度越高，距床面同一高度處風(fēng)速越大。在擋風(fēng)墻高度0.5 m以上部分區(qū)間為加速區(qū)，隨著擋風(fēng)墻高度的增加風(fēng)速呈指數(shù)分布規(guī)律急劇上升恢復(fù)至初始風(fēng)速。擋風(fēng)墻高度越高，恢復(fù)初始速度的位置距離路基頂面的高度越高，說明渦旋區(qū)范圍越大，基本都在擋風(fēng)墻本身高度以上1 m位置處恢復(fù)至初始速度。

圖3　不同高度條件下風(fēng)速垂直輪廓線圖(背風(fēng)側(cè)距擋風(fēng)墻2 m處)

風(fēng)沙流是一種風(fēng)吹沙動(dòng)的現(xiàn)象，近地表風(fēng)速對(duì)沙粒的運(yùn)動(dòng)有著顯著的作用，所以研究近地表風(fēng)速對(duì)擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的積沙形態(tài)有著重要意義。圖4為3種高度擋風(fēng)墻距床面0.5 m處的風(fēng)速變化曲線。取近地表的x方向速度進(jìn)行研究，負(fù)值代表該區(qū)域內(nèi)存在回流，氣流速度方向與初始方向相反。由圖4可以看出，風(fēng)速呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的趨勢(shì)。距擋風(fēng)墻10 m以內(nèi)，風(fēng)速沿著與初始?xì)饬魉俣认喾吹姆较蛟龃?，并且隨著擋風(fēng)墻高度的增加風(fēng)速增加幅度越大，當(dāng)擋風(fēng)墻高度為3 m時(shí)，在這個(gè)階段內(nèi)最大風(fēng)速約為7.5 m/s，當(dāng)擋風(fēng)墻高度為4 m時(shí)，最大風(fēng)速約為12 m/s。距擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)10～20 m，風(fēng)速從反向的最大值減小至0并且急劇恢復(fù)至初始速度，說明此處產(chǎn)生了一個(gè)明顯的渦旋。距擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)約20 m時(shí)，由于背風(fēng)側(cè)路基邊坡的擾動(dòng)作用，此處產(chǎn)生了一個(gè)較小的渦流，在此之后距擋風(fēng)墻約55 m處風(fēng)速恢復(fù)至初始速度，并且隨著擋風(fēng)墻高度的增大，恢復(fù)至初始速度的位置距離擋風(fēng)墻越遠(yuǎn)，說明擋風(fēng)墻高度越高，擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)形成的渦流范圍越大，渦流區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

圖4　不同高度條件下背風(fēng)側(cè)距床面0.5 m處風(fēng)速變化曲線

2.3擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)不同風(fēng)速下風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特性

風(fēng)速是沙粒運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力條件，也是影響沙粒運(yùn)動(dòng)形式的主要因素之一。為了驗(yàn)證背風(fēng)側(cè)氣流隨著風(fēng)速的變化情況，取擋風(fēng)墻高度為3.5 m，分別取風(fēng)速為10、20、30 m/s和40 m/s進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

研究風(fēng)速變化情況對(duì)擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的積沙形態(tài)以及形成機(jī)理有著重要作用。故描繪距擋沙墻背風(fēng)側(cè)2 m處的風(fēng)速廓線圖以及近地表的風(fēng)速變化曲線，從圖5中可以看出，在0～0.5 m，風(fēng)速變化趨勢(shì)基本一致，呈指數(shù)分布逐漸增大，當(dāng)初始風(fēng)速為10 m/s時(shí)，在這個(gè)階段內(nèi)，最大風(fēng)速為5 m/s，當(dāng)初始風(fēng)速為40 m/s時(shí)，最大風(fēng)速為15 m/s，風(fēng)速越大增加幅度越大。在0.5～4 m的渦旋區(qū)內(nèi)，當(dāng)風(fēng)沙流初始速度為10 m/s時(shí)，氣流速度變化較為平緩，基本保持在5 m/s左右。隨著風(fēng)速的增加，渦旋區(qū)的氣流速度變化逐漸趨于復(fù)雜化，在距床面約2 m高度處，氣流速度減至最小值，當(dāng)風(fēng)沙流初始風(fēng)速為10 m/s時(shí)，氣流速度從5 m/s減至4 m/s，當(dāng)初始風(fēng)速為40 m/s時(shí)，氣流速度從15 m/s減至5 m/s，風(fēng)沙流初始速度越大，氣流衰減的幅度越小，隨著遠(yuǎn)離床面，風(fēng)速逐漸增加，初始風(fēng)速越大，增加的幅度越大。距床面4 m以上，風(fēng)速呈線性急劇增加，恢復(fù)至初始速度。由此可以說明，當(dāng)風(fēng)沙流速度越大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過擋風(fēng)墻的沙粒越多，隨著過流斷面減小，沉積在線路上的沙粒越多更容易形成積沙。

圖5　不同風(fēng)速條件下風(fēng)速垂直輪廓線(背風(fēng)側(cè)距擋風(fēng)墻2 m處)

圖6　不同風(fēng)速條件下背風(fēng)側(cè)距床面0.5 m處風(fēng)速變化曲線

取近地表的x方向速度進(jìn)行研究，負(fù)值代表該區(qū)域內(nèi)存在回流，氣流速度方向與初始方向相反。從圖6可以看出，在距擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)0～5 m，風(fēng)速變化趨勢(shì)基本一致，呈反向增大的趨勢(shì)。在這個(gè)階段內(nèi)，風(fēng)速最大值增加的幅度保持在50%左右，當(dāng)初始風(fēng)速為10 m/s時(shí)，最大風(fēng)速為5 m/s，當(dāng)初始風(fēng)速為40 m/s時(shí)，最大風(fēng)速為23 m/s，風(fēng)速越大增加幅度越大。在距擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)5～20 m，風(fēng)速沿著初始風(fēng)速的方向減小為0，同時(shí)保持風(fēng)向不變繼續(xù)增大恢復(fù)至初始速度大小。在初始風(fēng)速為40 m/s時(shí)，風(fēng)速極值差最大，風(fēng)速從－23 m/s變?yōu)?9 m/s，說明風(fēng)速越大時(shí)，氣流的削弱效果最明顯。在距離擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)約20 m處，風(fēng)速逐漸恢復(fù)至初始速度，并且風(fēng)速越大，恢復(fù)至初始速度的位置距離擋風(fēng)墻越遠(yuǎn)，說明渦流區(qū)長(zhǎng)度也隨著風(fēng)速的增加而增大，表明擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)積沙區(qū)逐漸遠(yuǎn)離擋風(fēng)墻，直接影響背風(fēng)側(cè)的積沙形態(tài)和積沙位置。

2.4擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)積沙形態(tài)分析

風(fēng)是沙粒運(yùn)動(dòng)的直接動(dòng)力，風(fēng)速的大小直接影響擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的積沙分布。路堤對(duì)風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)起到一定的阻礙作用，使一部分?jǐn)y沙風(fēng)速度減小，沙粒掉落從而導(dǎo)致線路積沙，而布設(shè)擋風(fēng)墻以后使得這種阻礙效果加劇。

為了研究風(fēng)速對(duì)擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)線路積沙的影響，分別取風(fēng)沙流初始速度為10、20、30、40 m/s(風(fēng)向從左向右，以下沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖相同)，擋風(fēng)墻高度為3 m分別進(jìn)行數(shù)值模擬。圖7為t= 5 s時(shí)不同風(fēng)速條件下?lián)躏L(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)沙流場(chǎng)沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖(不同的顏色代表沙粒各種不同的體積分?jǐn)?shù)，紅色最大，藍(lán)色最小)，紅色表示沙粒已經(jīng)沉積在此處，其他顏色代表著沙粒還在以不同的形式繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。從圖7可以看出，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，線路上基本無積沙，沙粒多數(shù)堆積在擋風(fēng)墻墻角的位置以及背風(fēng)側(cè)路肩的位置，隨著風(fēng)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)躍過擋風(fēng)墻的沙粒越多，在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)渦旋作用下，堆積在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)墻角的積沙逐漸向線路上移動(dòng)，如圖7(c)、(d)所示，沙?；旧隙逊e在靠近擋風(fēng)墻側(cè)的線路上，在軌枕以及軌道等構(gòu)筑物的影響下逐漸在線路上形成積沙，可見風(fēng)速越大，沙粒越容易被風(fēng)吹起，隨著過流斷面減小，沙粒越容易沉積。并且隨著風(fēng)速的增大，反向風(fēng)的影響也越大，沉積在背風(fēng)側(cè)路基邊坡處的積沙在反向風(fēng)的作用下被帶到線路上造成二次堆積。圖8為蘭新第二雙線某段鐵路風(fēng)沙侵襲后的線路積沙情況，由圖8可以看出，線路積沙的位置與圖7(c)、7(d)基本一致，可見，數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查相一致。

圖7　t=5 s時(shí)路堤頂面風(fēng)沙流場(chǎng)沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖

圖8　蘭新第二雙線某段線路積沙

圖9為風(fēng)沙流初始速度10 m/s時(shí)，不同時(shí)刻的沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖。由圖9可以看出，在風(fēng)速比較低時(shí)線路上的積沙比較少，且沙粒繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，沙粒大多數(shù)堆積在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)墻角處，也有少部分堆積在背風(fēng)側(cè)路肩處。圖10為風(fēng)沙流初始速度30 m/s時(shí)，不同時(shí)刻的沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖。由圖10可以看出，風(fēng)速比較大時(shí)，線路上會(huì)有積沙，并且隨著時(shí)間的推移，擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的沙粒朝著線路上運(yùn)動(dòng)，一部分被線路上的軌枕軌道等構(gòu)筑物攔住造成線路積沙。對(duì)比圖9和圖10可知，隨著風(fēng)沙流初始速度的增大，風(fēng)攜帶沙的能力增強(qiáng)，更容易吹起沙粒，當(dāng)攜沙風(fēng)通過擋風(fēng)墻時(shí)，由于過流斷面減小，氣流擴(kuò)散，大部分沙粒沉積下來，所以更容易引起線路積沙。另一部分沙粒在攜沙風(fēng)經(jīng)過擋風(fēng)墻時(shí)直接被風(fēng)帶走，落在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)路堤坡腳處，在反向風(fēng)的作用下又重新被吹起來落到線路上，造成二次堆積，風(fēng)速越大反向風(fēng)的影響越大。故在風(fēng)速較大的地區(qū)，布設(shè)擋風(fēng)墻時(shí)應(yīng)注意道路積沙的防治。

圖9　風(fēng)沙流速度v=10 m/s時(shí)不同時(shí)刻路堤頂面沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖

圖10　風(fēng)沙流速度v=30 m/s時(shí)不同時(shí)刻路堤頂面沙粒體積分?jǐn)?shù)云圖

3　結(jié)論

(1)擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)速廓線變化呈三個(gè)階段:在0～0.5 m之間呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，并隨著擋風(fēng)墻高度的增加，風(fēng)速增加幅度越大;在0.5 m至擋風(fēng)墻自身高度區(qū)間內(nèi)變化較為復(fù)雜，呈先減小后增加的趨勢(shì);在擋風(fēng)墻0.5 m以上部分為加速區(qū)，呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)急劇增加。

(2)擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)近地表氣流變化呈3個(gè)階段:距擋風(fēng)墻10 m以內(nèi)，風(fēng)速沿著與初始?xì)饬魉俣认喾吹姆较蛟龃?，并且隨著擋風(fēng)墻高度增加風(fēng)速增加幅度越大;距擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)10～20 m，風(fēng)速從反向的最大值減小至0并且急劇恢復(fù)至初始速度; 20 m之后逐漸恢復(fù)至初始速度。

(3)擋風(fēng)墻高度一定時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)渦旋區(qū)的氣流豎向速度變化逐漸趨于復(fù)雜化，距床面4 m以上，風(fēng)速呈線性急劇增加;擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)近地表風(fēng)速最大值增加的幅度保持在50%左右，風(fēng)速越大，氣流的削弱作用越明顯。

(4)當(dāng)初始?xì)饬魉俣葹?0、20 m/s時(shí)，線路上積沙較少，沙粒多數(shù)堆積在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)墻角處;隨著風(fēng)速的增加，初始?xì)饬魉俣葹?0、40 m/s時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過擋風(fēng)墻的沙粒更多，由于過流斷面減小，氣流擴(kuò)散，更多沙粒沉積在線路上。

(5)在強(qiáng)風(fēng)地區(qū)，布設(shè)擋風(fēng)墻時(shí)在滿足抗傾覆力矩的條件下，不建議加高擋風(fēng)墻，同時(shí)應(yīng)考察線路上風(fēng)向的地表情況，沙源比較豐富時(shí)應(yīng)采用擋沙堤、高立式、中立式擋沙墻相結(jié)合的工程治沙措施來減小風(fēng)沙流密度，達(dá)到防沙的目的。

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Numerical Simulation Analysis of Response Law of Wind-blown Sand Flow around Wind-break Wall in Gobi Area

LI Xiao-jun1，2，JIANG Fu-qiang2
(1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China; 2.Northwest Research Institute Co.，C.R.E.C.Lanzhou 730000，China)

Abstract:Numerical Simulation of the motion characteristics of wind-blown sand flow around the existing wind-break wall along Lanzhou-Urumqi Railway based on FLUENT eulerian two-fluid model is conducted to identify the distribution features of the flow field and accumulated sand at the leeward side of wind-break.The results show that，wind profile change law shows an exponential increasing tendency at the leeward side of wind-break wall，the changes at the height of 0.5 m to wind-break wall itself are complex and tend to decrease and then increase; the airflow velocity on near-surface at the leeward side of wind-break wall is increased in the reserve direction，reduced to 0 along the direction of the initial velocity，continued to increase to the initial velocity，and the maximum wind speed increase rate remains at about 50%，the higher the wind speed，the more obvious the airflow of weakening effect; when the initial velocity is small，less sand is accumulated on the line，and sand accumulation is concentrated at the corner of the leeward side of wind-break wall; with the increase of wind speed，more sand passes through the windbreak in unit time and even more sand is deposited along the line due to the reduction of flow cross-section and diffusion of air; in strong wind areas，the surface conditions affecting wind direction should be investigated before wind-break wall is located，engineering measures should be taken where sand source is rich to reduce sand flow density and prevent sand invasion.

Key words:Lanzhou-Uremqi Railway; Windbreak wall; Wind-blown-sand of two phase flow; Numerical simulation

作者簡(jiǎn)介:李曉軍(1989—)，男，碩士研究生，E-mail:472775921@ qq.com。

收稿日期:2015-08-13;修回日期:2015-08-19

文章編號(hào):1004-2954(2016) 03-0047-05

中圖分類號(hào):U216.41+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.011