辛林桂, 程建軍, 王 連, 智凌巖, 陳柏羽, 王 瑞

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

中國(guó)西北地區(qū)包括陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)5個(gè)省、自治區(qū)，深居中國(guó)西北部?jī)?nèi)陸，屬于溫帶大陸性氣候，具有面積廣大、干旱缺水、荒漠廣布、風(fēng)沙較多、生態(tài)脆弱、人口稀少、開(kāi)發(fā)難度較大等特點(diǎn)[1-3]。隨著經(jīng)濟(jì)水平的飛速提高致使交通線路產(chǎn)生了跨越式的發(fā)展，但是由于這些地區(qū)特殊的地理和氣候環(huán)境，交通線路的運(yùn)營(yíng)不可避免的會(huì)遇到風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題[4-6]。在風(fēng)沙地區(qū)的沙障結(jié)構(gòu)是通用的，包括固沙工程[7-9]、阻沙工程[10-14]、輸導(dǎo)沙工程[15]。在單向風(fēng)況條件下，當(dāng)風(fēng)力強(qiáng)勁，沙源豐富的情況下，單純地采用阻、固沙措施雖能在短時(shí)間內(nèi)控制沙害，但當(dāng)沙障前積沙隨時(shí)間急劇增加時(shí)，沙障阻沙功能衰退，會(huì)引發(fā)更大的沙害。因此，利用有利地形，借助風(fēng)力采用輸導(dǎo)措施比阻固沙更為合理、有效。目前，較為常見(jiàn)的輸導(dǎo)沙工程有：羽毛排工程和一字排工程，其中羽毛排工程又根據(jù)來(lái)流不同的通過(guò)形式分為封閉式和開(kāi)放式兩種。輸導(dǎo)沙工程在實(shí)際工程的使用中多是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)布置，并且國(guó)內(nèi)外對(duì)不同輸導(dǎo)措施的作用機(jī)理和輸導(dǎo)理論的研究鮮有報(bào)道。

因此，本文以風(fēng)信數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采取CFD數(shù)值模擬的方法，研究風(fēng)速較大沙源豐富、風(fēng)速較大沙源一般和風(fēng)速一般沙源豐富等工況時(shí)不同側(cè)向輸導(dǎo)工程的風(fēng)沙流場(chǎng)特征，為側(cè)向輸導(dǎo)工程的研究和使用提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模型建立

1.1 風(fēng)信數(shù)據(jù)采集

本研究在位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密市的百里風(fēng)區(qū)了墩車站附近布設(shè)測(cè)點(diǎn)一個(gè)(簡(jiǎn)稱了墩測(cè)點(diǎn))，了墩站建于1960年，距離蘭州火車站1 455 km，距上行車站雅子泉火車站29 km，距下行車站紅層火車站11 km，是百里風(fēng)區(qū)的一個(gè)重要車站。在了墩站附近布設(shè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)高度2 m處的風(fēng)速風(fēng)向情況進(jìn)行了為期半年的監(jiān)測(cè)，獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于掌握百里風(fēng)區(qū)內(nèi)的荒漠和戈壁地區(qū)的風(fēng)速風(fēng)向狀況具有重大意義。圖1為2011年7—12月了墩測(cè)點(diǎn)2 m高度處各月份最大風(fēng)速玫瑰圖，各月最大風(fēng)速集中發(fā)生在N，NNW和NW方向，最大平均風(fēng)速約為20 m/s，其余各方向最大平均風(fēng)速約為10 m/s。

圖1 了墩測(cè)點(diǎn)2 m高度處最大風(fēng)速(m/s)玫瑰圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

戈壁、荒漠地區(qū)以了墩地區(qū)為例，根據(jù)風(fēng)速大小可以將風(fēng)速較大時(shí)設(shè)置為20 m/s，風(fēng)速一般時(shí)10 m/s，再由風(fēng)攜沙模型，根據(jù)沙源多少可以將沙源豐富時(shí)含沙量設(shè)置為2%，沙源一般時(shí)含沙量設(shè)置為1%，表1為不同工況時(shí)風(fēng)速和含沙量的設(shè)置情況。本文針對(duì)不同的風(fēng)速條件及沙源情況，分為3種工況研究側(cè)向3種輸導(dǎo)工程的適用條件，封閉式羽毛排、開(kāi)放式羽毛排和一字排的工程示意圖如圖2所示。

表1 3種工況的風(fēng)速和含沙量

圖2 3種側(cè)向輸導(dǎo)工程示意圖

1.3 模型建立及參數(shù)設(shè)置

計(jì)算域尺寸為150 m×30 m×20 m，3種側(cè)向輸導(dǎo)工程的位置示意圖如圖3所示。組成封閉式羽毛排與開(kāi)放式羽毛排工程的5片單片羽毛排尺寸為4 m×2 m×0.2 m，各相鄰單片羽毛排的間距和夾角均為0.5 m，主排軸與風(fēng)向的夾角為30°；一字排高度為2 m，厚度為0.2 m，與風(fēng)向的夾角為30°，其在迎風(fēng)面的投影長(zhǎng)度與封閉式羽毛排相同。由于輸導(dǎo)工程結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格劃分，對(duì)地面及工程附近進(jìn)行局部加密如圖3所示，經(jīng)計(jì)算檢查后網(wǎng)格個(gè)數(shù)約為8.00×105個(gè)，單元質(zhì)量(element quality)均值為0.880 69，偏斜度(skewness)均值為0.149 65，并且計(jì)算檢查后質(zhì)量良好無(wú)負(fù)體積出現(xiàn)。本文模擬工況條件為風(fēng)攜沙且風(fēng)沙流的馬赫數(shù)均小于0.3，故將模型入口設(shè)置為均勻流速度入口(velocity-inlet)，出口設(shè)置為壓力差為0的壓力出口(pressure-outlet)，其他邊界條件為墻(wall)，并且上邊界與左右邊界的粗糙度值為0，下邊界為默認(rèn)值[16-17]。根據(jù)風(fēng)沙流各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)特性，將速度入口分為空氣入口及高度為2 m的空氣和沙子入口，空氣的密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789×105Pa·s，沙子的直徑ds=0.15 mm，密度ρs=2 600 kg/m3，黏度μs=0.004 7 Pa·s，風(fēng)速大小及沙子的體積分?jǐn)?shù)根據(jù)模擬工況而定[18-19]。風(fēng)沙流為氣固兩相流，沙顆粒為稀相，可以使用的歐拉雙流體模型進(jìn)行求解，本文只研究流場(chǎng)和積沙，控制方程考慮基本方程、質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程，附加標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[20]，把沙顆粒和空氣看成兩種流體，空間各點(diǎn)都有其不同的速度和密度，兩種流體存在同一空間并相互滲透，但各有不同的體積分?jǐn)?shù)，相互有滑移；沙相選取Syamlal-obrien模型，空氣與沙顆粒選取Schiller-naumann模型，使沙顆粒與沙顆粒、沙顆粒與空氣有相互作用，并保證來(lái)流中沙顆粒的紊流輸運(yùn)取決于氣固間的作用力[21-22]。在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)為使計(jì)算結(jié)果精度和收斂性良好，使用SIMPLE算法對(duì)方程組進(jìn)求解，并將各個(gè)方向上的速度、湍動(dòng)能k和耗散率ε的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)置為1.00×10-5。

圖3 模型的建立及網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 3種側(cè)向輸導(dǎo)工程的流場(chǎng)對(duì)比分析

計(jì)算域中取高度為0.5 m水平切面，風(fēng)速為15 m/s時(shí)，3種側(cè)向輸導(dǎo)工程的風(fēng)速云圖如圖4所示。

由圖4可得，側(cè)向輸導(dǎo)工程的作用機(jī)理不同于普通的阻固沙結(jié)構(gòu)，主要是邊界層上的剪切流作用下的平面繞流，流場(chǎng)可劃分為輸導(dǎo)區(qū)和減速區(qū)，其中減速區(qū)又可分為障前減速區(qū)和障后減速區(qū)。封閉式羽毛排、開(kāi)放式羽毛排和一字排的流場(chǎng)特征有明顯區(qū)別，封閉式羽毛排由相互搭接的單片羽毛排構(gòu)成，相鄰單片羽毛排間有一定的重疊長(zhǎng)度和間距，利于對(duì)工程前方的來(lái)流風(fēng)速的減弱，使障前和障后的減速區(qū)的面積明顯高于開(kāi)放式羽毛排和一字排；開(kāi)放式羽毛排不同于封閉式羽毛排，工程前方的來(lái)流從相鄰的單片羽毛排的間距中通過(guò)，在障前形成范圍較小鋸齒狀減速區(qū)，并且由于其通透結(jié)構(gòu)，在工程前后壓力差的作用下，使相鄰羽毛排之間形成了小范圍的加速區(qū)，并減小了障后減速區(qū)的面積；一字排為普通擋沙墻與風(fēng)向形成一定夾角時(shí)演變而來(lái)，隨著夾角的增大，普通擋沙墻對(duì)來(lái)流的阻擋作用逐漸減弱，障前的減速區(qū)逐漸減小，障后的回流區(qū)逐漸變?yōu)闇p速區(qū)，進(jìn)而才能對(duì)來(lái)流進(jìn)行側(cè)向輸導(dǎo)。

圖4 風(fēng)速15 m/s條件下3種側(cè)向輸導(dǎo)工程周圍速度云圖

風(fēng)速分別為10，15，20 m/s時(shí)，分別在3種側(cè)向輸導(dǎo)工程的頭部、中間和尾部前方1 m處的風(fēng)速廓線如圖5所示。由于結(jié)構(gòu)的差異，3種側(cè)向輸導(dǎo)結(jié)構(gòu)頭部、中間和尾部的風(fēng)速廓線形狀、分布和數(shù)值大小不相同。隨著風(fēng)速的增大，3種側(cè)向輸導(dǎo)結(jié)構(gòu)頭部、中間和尾部風(fēng)速廓線的間距在不斷增大，說(shuō)明風(fēng)速在增加，封閉式羽毛排、開(kāi)放式羽毛排和一字排對(duì)其流場(chǎng)的影響的作用在不斷增大，同時(shí)輸導(dǎo)能力也在不斷增大。分別對(duì)比3種側(cè)向輸導(dǎo)結(jié)構(gòu)頭部、中間和尾部的風(fēng)速廓線發(fā)現(xiàn)，由于封閉式羽毛排和一字排的輸導(dǎo)發(fā)生在工程前方，開(kāi)放式羽毛排的輸導(dǎo)發(fā)生在排間，所以來(lái)流風(fēng)速在開(kāi)放式羽毛排前的減速效果不明顯，在封閉式羽毛排和一字排前的減速效果比較明顯，并且一字排是不透風(fēng)的體結(jié)構(gòu)，風(fēng)速廓線受到工程遮蔽效應(yīng)的影響，變化規(guī)律不明顯，而封閉式羽毛排各單排的間距和重疊長(zhǎng)度可有效的減少迎風(fēng)面上的阻力和工程前后的壓力差，使風(fēng)速逐級(jí)遞減。工程中間近地面的風(fēng)速受其他不確定因素的影響較少，其風(fēng)速的大小可以決定輸導(dǎo)能力的高低，在風(fēng)速為10 m/s時(shí)，只有一字排中間的近地面風(fēng)速大于6 m/s，風(fēng)速為15，20 m/s時(shí)，3種側(cè)向輸導(dǎo)結(jié)構(gòu)的近地面風(fēng)速都大于6 m/s，且一字排中間的近地面風(fēng)速最大約為14 m/s。

2.2 3種側(cè)向輸導(dǎo)工程的積沙對(duì)比分析

側(cè)向輸導(dǎo)工程的輸導(dǎo)率的高低可以決定工程的適用性和耐久性，基于風(fēng)速較大沙源豐富、風(fēng)速較大沙源一般和風(fēng)速一般沙源豐富3種工況取高度為0.01 m的截面，分別對(duì)封閉式羽毛排、開(kāi)放式羽毛排和一字排進(jìn)行積沙對(duì)比分析可以充分研究其適用工況，為其在實(shí)際工程中的使用提供理論的參考。

2.2.1 工況1風(fēng)速較大沙源豐富 來(lái)流的風(fēng)速較大且沙源豐富時(shí)，3種側(cè)向輸導(dǎo)工程的積沙體積分?jǐn)?shù)云圖如圖6所示。由于工況1風(fēng)速為20 m/s且沙子的體積分?jǐn)?shù)為2%，較大的風(fēng)速可以為工程側(cè)向輸導(dǎo)提供足夠的動(dòng)能，但來(lái)流中沙子的體積分?jǐn)?shù)較大，容易造成堆積。封閉式羽毛排的積沙區(qū)域主要為工程前方，大量沙顆粒在工程前方產(chǎn)生堆積后，少量沙顆粒通過(guò)各羽毛排的間距運(yùn)動(dòng)到工程后方的保護(hù)區(qū)域，并且每個(gè)單片羽毛排上的積沙量在逐漸增加，在工程后方形成了壟狀堆積。

風(fēng)沙來(lái)流經(jīng)過(guò)組成開(kāi)放式羽毛排工程的各排間后會(huì)擴(kuò)散減速，開(kāi)放式羽毛排工程前方的積沙較少，沙顆粒主要沉積在工程后方，并且由于主流主要從排間通過(guò)，輸導(dǎo)方向后方的沉積量也不大。一字排在對(duì)來(lái)流輸導(dǎo)后積沙主要在工程前側(cè)，工程后方的保護(hù)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有沙顆粒的沉積，經(jīng)過(guò)工程前方的輸導(dǎo)，工程尾部的積沙量大于工程頭部，在工程的后方產(chǎn)出了壟狀堆積。因輸導(dǎo)產(chǎn)生的沙顆粒堆積面積的分布可用于對(duì)比3種側(cè)向輸導(dǎo)工程對(duì)工況1的輸導(dǎo)效率，封閉式羽毛排和一字排形成的堆積面積明顯大于開(kāi)放式羽毛排，說(shuō)明封閉式羽毛排和一字排的輸導(dǎo)效率高于開(kāi)放式羽毛排，并且由于一字排形成的壟狀堆積較窄，工程后方也沒(méi)有積沙區(qū)域的產(chǎn)生。因此，風(fēng)速較大沙源豐富(工況1)時(shí)，應(yīng)選用一字排對(duì)來(lái)流進(jìn)行的側(cè)向輸導(dǎo)。

圖5 三種側(cè)向輸導(dǎo)工程周圍的風(fēng)速廓線

圖6 工況1條件下3種側(cè)向輸導(dǎo)工程積沙云圖

2.2.2 工況2風(fēng)速較大沙源一般 模擬工況2為風(fēng)速較大沙源一般時(shí)，風(fēng)速為20 m/s沙子的體積分?jǐn)?shù)為1%，3種側(cè)向輸導(dǎo)工程的積沙體積分?jǐn)?shù)云圖如圖7所示。對(duì)比3種側(cè)向輸導(dǎo)工程的積沙云圖可得，由于沙顆粒含量較少，工程周圍的沉積也較少，封閉式羽毛排與一字排沙顆粒的堆積發(fā)生在前側(cè)，開(kāi)放式羽毛排的堆積發(fā)生在工程后側(cè)。此種工況下風(fēng)能可以提供足夠的輸導(dǎo)動(dòng)力且沙顆粒較少不利于減速沉積，來(lái)流通過(guò)封閉式羽毛排與一字排時(shí)，由于主流從工程前方經(jīng)過(guò)其輸導(dǎo)效率較高，大部分沙顆粒將會(huì)沿著輸導(dǎo)方向運(yùn)動(dòng)到指定的區(qū)域產(chǎn)生堆積，長(zhǎng)此以往使工程預(yù)后較差將縮短工程的使用年限，而來(lái)流通過(guò)開(kāi)放式羽毛排時(shí)，沙顆粒將分為3部分，一部分沉積在羽毛排附近，一部沿著輸導(dǎo)方向運(yùn)動(dòng)在指定區(qū)域沉積，一部分在風(fēng)速的作用下以非堆積搬移的形式通過(guò)保護(hù)區(qū)，因其對(duì)沙顆粒的分流作用使工程的使用年限大大提高。因此，風(fēng)速較大沙源一般(工況2)時(shí)，應(yīng)選用開(kāi)放式羽毛排對(duì)來(lái)流進(jìn)行的側(cè)向輸導(dǎo)。

圖7 工況2條件下3種側(cè)向輸導(dǎo)工程積沙云圖

2.2.3 工況3風(fēng)速一般沙源豐富 工況3為風(fēng)速一般沙源豐富，風(fēng)速為10 m/s沙子的體積分?jǐn)?shù)為2%，由于沙顆粒含量較大輸導(dǎo)力不足，容易造成沙顆粒的堆積，3種側(cè)向輸導(dǎo)工程的積沙體積分?jǐn)?shù)云圖如圖8所示。風(fēng)速一般，來(lái)流經(jīng)過(guò)側(cè)向輸導(dǎo)工程產(chǎn)生的輸導(dǎo)力較小，開(kāi)放式羽毛排工程前后都有大范圍積沙分布，其后方保護(hù)區(qū)內(nèi)的堆積范圍大于工程前側(cè)，在野外不定常風(fēng)速下，大量的障后積沙可能對(duì)保護(hù)區(qū)產(chǎn)生危害；封閉式羽毛排與一字排都在工程前方形成了大范圍的積沙，但一字排的側(cè)向輸導(dǎo)能力強(qiáng)于封閉式羽毛排，使封閉式羽毛排工程前側(cè)的積沙量大于一字排，后方的堆積量相反，所以，封閉式羽毛排在工況3下，使大量的沙顆粒沉積在工程前側(cè)，減少輸導(dǎo)區(qū)域的堆積，使其使用年限優(yōu)于一字排。因此，風(fēng)速一般沙源豐富(工況3)時(shí)，應(yīng)選用封閉式羽毛排對(duì)來(lái)流進(jìn)行的側(cè)向輸導(dǎo)。

圖8 工況3條件下3種側(cè)向輸導(dǎo)工程積沙云圖

3 結(jié) 論

(1) 3種側(cè)向輸導(dǎo)工程流場(chǎng)按風(fēng)速大小可劃分為輸導(dǎo)區(qū)和減速區(qū)，但由于結(jié)構(gòu)的不同，開(kāi)放式羽毛排主流從排前經(jīng)過(guò)，輸導(dǎo)區(qū)內(nèi)風(fēng)速廓線變化較小，并且工程前側(cè)的減速區(qū)面積小于其他兩種輸導(dǎo)工程；封閉式羽毛排和一字排主流從排前經(jīng)過(guò)，輸導(dǎo)區(qū)內(nèi)風(fēng)速廓線變化較大，但封閉式羽毛排前側(cè)的減速區(qū)面積大于一字排。

(2) 利用風(fēng)速大小及含沙量將環(huán)境分為風(fēng)速較大沙源豐富、風(fēng)速較大沙源一般和風(fēng)速一般沙源豐富3種工況研究3種側(cè)向輸導(dǎo)工程的積沙形態(tài)，發(fā)現(xiàn)不同工況下封閉式羽毛排、開(kāi)放式羽毛排和一字排的適用條件也不同，對(duì)其實(shí)際工程的應(yīng)用有重大意義。

(3) 由于風(fēng)速?gòu)?qiáng)弱沙顆粒含量不同，一字排的實(shí)體擋墻結(jié)構(gòu)可以有效遮蔽后方保護(hù)區(qū)，開(kāi)放式羽毛排式使沙顆粒以非堆積搬運(yùn)的形式通過(guò)保護(hù)區(qū)，封閉式羽毛排使沙顆粒逐級(jí)沉積減少后方堆積的壓力。因此，風(fēng)速較大沙源豐富，風(fēng)速較大沙源一般和風(fēng)速一般沙源風(fēng)速時(shí)，應(yīng)分別使用一字排、開(kāi)放式羽毛排和封閉式羽毛排對(duì)來(lái)流進(jìn)行輸導(dǎo)。