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        風(fēng)速廓線形式對(duì)HDPE板高立式沙障風(fēng)沙流場(chǎng)的差異性研究

        2020-10-09 02:01:38趙沛雯張興鑫王起才郝藝翔
        鐵道學(xué)報(bào) 2020年9期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速

        張 凱,趙沛雯,張興鑫,王起才,郝藝翔

        (1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070;3.蘭州交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

        格庫(kù)鐵路東起青海省格爾木市西至新疆庫(kù)爾勒市,是我國(guó)第三條進(jìn)疆鐵路。格庫(kù)鐵路所經(jīng)地區(qū)屬于典型的溫帶大陸型干旱氣候區(qū),氣候干燥、風(fēng)大且頻率高,該地區(qū)地形開闊,沙源豐富,因此風(fēng)積沙、戈壁風(fēng)沙流和風(fēng)蝕在全線均較為普遍,風(fēng)沙路段占線路全長(zhǎng)的60%以上,見圖1。風(fēng)沙災(zāi)害防治體系可分為化學(xué)、機(jī)械和生物三大類,其中生物防沙體系效果最佳,但由于格庫(kù)鐵路青海段大部分位于高鹽漬地區(qū),受當(dāng)?shù)貧夂蛩囊约巴寥赖拳h(huán)境因素的影響,生物防沙體系無法采用,化學(xué)防沙對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響較大,因此機(jī)械防沙在格庫(kù)鐵路防沙中具有不可替代的作用。

        圖1 格庫(kù)鐵路沿線積沙

        機(jī)械防沙措施在沙漠和戈壁鐵路、公路等線路中應(yīng)用較多[1-3],同時(shí)針對(duì)防沙措施的高立式沙障結(jié)構(gòu)的研究也日趨完善。程建軍等[4]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過導(dǎo)風(fēng)板對(duì)線路過境風(fēng)沙流的輸導(dǎo)效果及其控制機(jī)理進(jìn)行研究;景文宏等[5]基于Fluent歐拉非定常模型,對(duì)不同孔隙率的軌枕式擋墻擋沙效果進(jìn)行研究;辛林桂等[6]利用數(shù)值模擬方法,研究了側(cè)向?qū)成痴现車牧鲌?chǎng)演化規(guī)律特征,揭示沙障周圍的流場(chǎng)機(jī)理等等,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類高立式沙障防沙措施展開了大量的室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[7-9]。然而,大部分學(xué)者在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),并沒有按照現(xiàn)場(chǎng)和風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)速廓線呈對(duì)數(shù)形式[10-11]進(jìn)行模擬,而是假定為均勻假想流,不能真實(shí)反映沙障周圍的流場(chǎng)情況。

        因此本文應(yīng)用數(shù)值模擬分析方法,來流風(fēng)速廓線分別采用對(duì)數(shù)流和均勻流兩種形式,對(duì)新型防沙材料HDPE板高立式沙障周圍流場(chǎng)進(jìn)行研究,對(duì)比分析兩種風(fēng)速廓線形式下流場(chǎng)的差異,并通過風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,以期為西部戈壁地區(qū)鐵路工程防沙體系的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

        1 試驗(yàn)

        1.1 數(shù)值模擬

        1.1.1 幾何建模

        建立二維簡(jiǎn)化模型,計(jì)算流域?yàn)?20 m×20 m,HDPE板高立式沙障高度為1.5 m,距離入口40 m,采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,見圖2。由于風(fēng)沙流受邊界層的影響較大[12],對(duì)HDPE板高立式沙障0.5 m范圍內(nèi)進(jìn)行局部加密。

        圖2 結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格局部

        1.1.2 邊界條件

        模型介質(zhì)類型為fluid,左側(cè)入口為速度入口(velocity-inlet),右側(cè)出口為出流條件(out-flow),上壁面采用對(duì)稱邊界條件(symmetry),HDPE板與模型下壁面采用壁面條件(wall)。

        1.1.3 計(jì)算參數(shù)

        沙粒主要分布區(qū)間為0.08~0.315 mm,設(shè)定風(fēng)沙流中沙粒ds=0.1 mm,沙粒密度ρs=2 650 kg/m3,由于地表中沙物質(zhì)顆粒所占體積率小于5%,且多相流理論為稀相,取下墊面初始沙粒相體積分?jǐn)?shù)為1%[13];空氣密度ρ=1.225 kg/m3,黏度μ=1.789 4×10-5Pa·s。孔隙率分別為30%、40%、50%。均勻流入口速度為24 m/s。

        對(duì)數(shù)流軸線入口風(fēng)速與均勻流對(duì)應(yīng),軸線風(fēng)速為24 m/s,其典型風(fēng)速廓線為

        (1)

        式中:v(y)為y高度處的速度;v為摩阻風(fēng)速;k為馮卡門系數(shù),取0.4;y為高度;y0為粗糙長(zhǎng)度,通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)得風(fēng)速廓線。

        1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

        風(fēng)洞試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該風(fēng)洞為直流閉口吹氣式,洞體全長(zhǎng)為37.78 m,試驗(yàn)段長(zhǎng)16.23 m,截面積尺寸0.6 m×1.0 m,風(fēng)速范圍2~40 m/s可調(diào)。HDPE板模型孔隙率分別設(shè)置為30%、40%、50%,為保證試驗(yàn)效果的科學(xué)性,高度按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際高度的1∶10進(jìn)行縮尺,高度為0.15 m,孔的尺寸為16 mm×8 mm,三種模型的長(zhǎng)度均為1.0 m,厚度為2 mm(見圖3~圖5)。風(fēng)洞試驗(yàn)要進(jìn)行無柵欄時(shí)的流場(chǎng)試驗(yàn),作為對(duì)照試驗(yàn)。

        在風(fēng)洞試驗(yàn)中,風(fēng)速為24 m/s,進(jìn)行不同孔隙率HDPE板的試驗(yàn),HDPE板設(shè)在試驗(yàn)段內(nèi)距離出風(fēng)口8 m處,使用10路畢托管(z=0.4、0.8、1.2、2.0、4.0、8.0、12.0、16.0、20.0、24.0 cm)測(cè)量HDPE板柵欄附近的風(fēng)速廓線,柵欄迎風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)為1H和4H,柵欄背風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)分別為1H、2H、6H、10H、20H(H為柵欄高度),見圖6。對(duì)于沙床試驗(yàn),距離出風(fēng)口1 m處開始布設(shè),鋪沙長(zhǎng)度為4 m,厚度為5 cm,沙子粒徑主要范圍為0.08~0.315 mm,觀察HDPE板周圍的積沙分布形態(tài),并用電子秤(精確至0.1 kg)稱取柵欄周圍的沙粒重量。

        圖7 風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流形式時(shí)不同孔隙率HDPE板柵欄周圍流場(chǎng)(單位:m/s)

        圖3 30%孔隙率HDPE板

        圖4 40%孔隙率HDPE板

        圖5 50%孔隙率HDPE板

        圖6 10路畢托管測(cè)量HDPE板柵欄周圍速度

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

        2.1.1 HDPE板周圍流場(chǎng)

        選取風(fēng)速v=24 m/s模擬不同孔隙率下HDPE板柵欄周圍流場(chǎng),圖7和圖8分別為對(duì)數(shù)流和均勻流風(fēng)速廓線形式下HDPE板柵欄周圍流場(chǎng)圖。由圖7可知,風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流形式時(shí),氣流經(jīng)過HDPE板柵欄,遇到障礙在迎風(fēng)側(cè)下方形成氣流減速區(qū),大部分氣流遇阻向上,當(dāng)通過柵欄頂部時(shí),氣流被擠壓并分離,從而形成強(qiáng)剪切層,剪切層的壓力差迫使流線向下彎曲,當(dāng)氣流接近地面時(shí),氣流又返回分離區(qū),因此在沙障上方形成了氣流加速區(qū),而在背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)了渦旋回流區(qū)。當(dāng)孔隙率從30%增大至50%時(shí),加速區(qū)范圍逐漸減小,渦旋回流區(qū)長(zhǎng)度逐漸減小。隨著孔隙率的增大,柵欄周圍的加速區(qū)速度最大值逐漸減小,障后回流區(qū)速度(負(fù)值)也逐漸減小,原因是孔隙率越大,上下層氣流產(chǎn)生速度差越小,使得氣流發(fā)生分流較小,逆壓梯度值進(jìn)而較低,導(dǎo)致回流區(qū)范圍縮小。當(dāng)孔隙率為50%時(shí),回流區(qū)范圍很小且近乎消失。

        由圖8可知,風(fēng)速廓線為均勻流形式時(shí),孔隙率為30%和40%時(shí),存在氣流減速區(qū)、氣流加速區(qū)和渦旋回流區(qū),當(dāng)孔隙率為50%時(shí),存在氣流減速區(qū)、氣流加速區(qū),但是渦旋回流區(qū)消失。隨著孔隙率的增大,柵欄周圍的加速區(qū)速度最大值逐漸較小,回流區(qū)速度逐漸減小,當(dāng)孔隙率為50%時(shí),柵欄障后速度均為正值。兩種風(fēng)速廓線氣流經(jīng)過HDPE板柵欄時(shí),流場(chǎng)存在明顯差異:風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流時(shí),柵欄周圍加速區(qū)范圍擴(kuò)大,且存在明顯的回流區(qū);風(fēng)速廓線為均勻流時(shí),柵欄周圍加速區(qū)范圍較小,回流區(qū)相對(duì)不明顯。這是因?yàn)榫鶆蛄髟诮乇硖幍乃俣纫h(yuǎn)大于對(duì)數(shù)流近地表處的速度,大部分氣流在經(jīng)過障礙物后,上層氣流對(duì)下層氣流的影響相對(duì)較小。

        2.1.2 HDPE板周圍風(fēng)速廓線

        圖8 風(fēng)速廓線為均勻流形式時(shí)不同孔隙率HDPE板柵欄周圍流場(chǎng)(單位:m/s)

        對(duì)數(shù)流和均勻流風(fēng)速廓線形式下HDPE板柵欄周圍風(fēng)速廓線曲線如圖9和圖10所示。由圖9可知,風(fēng)速相同時(shí),不同孔隙率HDPE板柵欄周圍的風(fēng)速廓線呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律,在障前1H處風(fēng)速廓線開始發(fā)生變化,柵欄障前風(fēng)速下降主要在HDPE板柵欄高度以下范圍內(nèi),其主要原因是柵欄前的氣流擁擠效應(yīng)導(dǎo)致的。在柵欄障后20H處開始恢復(fù)到原來的風(fēng)速廓線,表明流場(chǎng)的風(fēng)速廓線逐漸關(guān)閉,并且柵欄對(duì)流場(chǎng)控制作用的影響逐漸消失。隨著孔隙率的增大,在柵欄后的最小值(負(fù)值)逐漸減小,說明渦旋回流區(qū)范圍減??;從障后20H處恢復(fù)程度來看,50%孔隙率HDPE板的風(fēng)速廓線與初始風(fēng)速廓線最相似,30%孔隙率HDPE板的風(fēng)速廓線與初始風(fēng)速廓線一致性較差,說明這三種孔隙率,在柵欄障后20H處,30%孔隙率HDPE板柵欄防護(hù)作用最優(yōu)。

        圖9 對(duì)數(shù)流形式下不同孔隙率HDPE板周圍風(fēng)速廓線曲線

        圖10 均勻流形式下不同孔隙率HDPE板周圍風(fēng)速廓線曲線

        由圖10可知,均勻流和對(duì)數(shù)流變化規(guī)律一致,不同孔隙率HDPE板柵欄周圍的風(fēng)速廓線呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。隨著孔隙率的增大,在柵欄障后的最小值(負(fù)值)逐漸減小,說明渦旋回流區(qū)范圍減小,當(dāng)孔隙率為50%時(shí),柵欄后的最小值為正值,不存在渦旋回流區(qū),與2.1.1節(jié)一致。從障后20H處恢復(fù)程度來看,30%孔隙率HDPE板的風(fēng)速廓線與初始風(fēng)速廓線最相似,50%孔隙率HDPE板的風(fēng)速廓線與初始風(fēng)速廓線一致性較差,說明在柵欄障后20H處,50%孔隙率HDPE板柵欄防護(hù)作用最優(yōu)。

        2.1.3 HDPE板周圍積沙分布

        當(dāng)風(fēng)沙流經(jīng)過擋沙障時(shí),受擋沙障的影響,在其周圍速度降低至起沙速度以下,沙粒沉落并形成積沙。積沙形態(tài)及分布與擋沙障的孔隙率密切相關(guān)。相同來流風(fēng)速下,孔隙率不同,使其周圍速度不同,導(dǎo)致?lián)跎痴现車e沙形態(tài)分布不同。

        由圖11可知,對(duì)數(shù)流形式下,30%孔隙率和50%孔隙率HDPE板周圍積沙形態(tài)和積沙量明顯不同,孔隙率為30%時(shí),迎風(fēng)側(cè)積沙遠(yuǎn)大于背風(fēng)側(cè)積沙,孔隙率為50%時(shí),背風(fēng)側(cè)積沙較多,迎風(fēng)側(cè)幾乎沒有積沙。30%孔隙率HDPE板周圍積沙明顯多于50%孔隙率HDPE板周圍積沙。由圖12可知,均勻流形式下,30%孔隙率和50%孔隙率HDPE板周圍積沙主要分布在背風(fēng)側(cè),迎風(fēng)側(cè)積沙較少。這是因?yàn)橄鄬?duì)于對(duì)數(shù)流,均勻流在柵欄以下速度較大,柵欄前速度雖然降低,但仍大于起沙風(fēng)速,只有少量沙粒會(huì)與柵欄碰撞,落在迎風(fēng)側(cè),因此迎風(fēng)側(cè)積沙較少。對(duì)比兩種形式的積沙量,可以明顯看出對(duì)數(shù)風(fēng)速廓線形式下30%孔隙率的HDPE板柵欄阻沙最優(yōu)。

        圖13 風(fēng)洞中不同孔隙率HDPE板周圍風(fēng)速廓線曲線

        圖11 對(duì)數(shù)流形式下HDPE板周圍積沙分布

        圖12 均勻流形式下HDPE板周圍積沙分布

        2.2 風(fēng)洞結(jié)果及分析

        2.2.1 HDPE板周圍風(fēng)速廓線

        在風(fēng)洞試驗(yàn)下不同孔隙率HDPE板周圍風(fēng)速廓線曲線見圖13。由圖13可知,孔隙率分別為30%、40%、50%時(shí),加速區(qū)最大風(fēng)速分別為28.0、26.0、23.1 m/s,回流區(qū)最小值分別為-3.7、-1.0、5.8 m/s,隨著孔隙率的增大,加速區(qū)最大風(fēng)速減小,回流區(qū)最小值逐漸增大。沿著不同孔隙率HDPE板柵欄,在障前1H處風(fēng)速廓線開始發(fā)生變化,在障后20H處風(fēng)速廓線逐漸恢復(fù),比較三種孔隙率下柵欄障后20H處風(fēng)速廓線與初始風(fēng)速廓線的一致性,孔隙率50%>40%>30%,與對(duì)數(shù)流數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。但對(duì)數(shù)流中50%孔隙率的數(shù)值模擬有回流區(qū),而在風(fēng)洞中不存在回流區(qū),其原因是風(fēng)洞中的粗糙度、實(shí)際風(fēng)速以及模型高度與數(shù)值模擬中有差異。因此從HDPE板周圍風(fēng)速廓線曲線分析,數(shù)值模擬中對(duì)數(shù)流結(jié)果較均勻流結(jié)果更切合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)果。

        2.2.2 HDPE板周圍積沙分布

        在風(fēng)洞試驗(yàn)中,30%和50%孔隙率HDPE板周圍積沙分布見圖14。由圖14可知,孔隙率為30%時(shí),積沙主要分布在迎風(fēng)側(cè),孔隙率為50%時(shí),積沙主要分布在背風(fēng)側(cè)。30%孔隙率HDPE板周圍的沙粒質(zhì)量為34.6 kg,50%孔隙率HDPE板周圍的沙粒質(zhì)量為11.3 kg,前者為后者的3.06倍,30%孔隙率明顯多于50%孔隙率HDPE板周圍的積沙,說明30%孔隙率的HDPE板柵欄使得周圍風(fēng)速降低更明顯,特別是在柵欄的迎風(fēng)側(cè),同時(shí)當(dāng)HDPE板孔隙率為30%時(shí),柵欄起的阻沙防護(hù)效果更優(yōu)。對(duì)比上文中均勻流和對(duì)數(shù)流數(shù)值模擬結(jié)果,可以看出風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流形式時(shí),對(duì)數(shù)流模擬結(jié)果與風(fēng)洞一致性更好,原因是均勻流形式忽略了地表邊界層的影響,與對(duì)數(shù)流相比,實(shí)際增大了氣流的動(dòng)量和動(dòng)能[15]。

        3 結(jié)論

        依據(jù)新建格庫(kù)鐵路現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,對(duì)風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流和均勻流形式下的HDPE板柵欄進(jìn)行數(shù)值模擬,并結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn),得出如下結(jié)論:

        (1)風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流時(shí),柵欄周圍加速區(qū)范圍擴(kuò)大,且存在明顯的回流區(qū);風(fēng)速廓線為均勻流時(shí),柵欄周圍加速區(qū)范圍較小,回流區(qū)相對(duì)不明顯。

        (2)風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)流時(shí),在柵欄障后20H處,30%孔隙率HDPE板柵欄防護(hù)作用最優(yōu),且積沙主要分布在迎風(fēng)側(cè),孔隙率為50%時(shí),積沙主要分布在背風(fēng)側(cè);風(fēng)速廓線為均勻流時(shí),在柵欄障后20H處,50%孔隙率HDPE板柵欄防護(hù)作用最優(yōu),兩種孔隙率的柵欄積沙均主要分布在背風(fēng)側(cè)。兩種風(fēng)速廓線形式下,30%孔隙率HDPE板周圍積沙明顯多于50%孔隙率HDPE板周圍積沙。

        (3)從風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果來看,分析HDPE板周圍風(fēng)速廓線恢復(fù)情況、柵欄周圍的積沙形態(tài)及重量等方面,對(duì)數(shù)流數(shù)值模擬結(jié)果較均勻流結(jié)果更切合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)果,當(dāng)孔隙率為30%時(shí),HDPE板柵欄起的阻沙防護(hù)效果更優(yōu)。

        (4)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中,由于受地形、地貌等的影響,風(fēng)沙來流形式變化多樣,風(fēng)速廓線為對(duì)數(shù)形式只是其中較為典型的一種。因此在實(shí)際數(shù)值模擬過程中,要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研,并充分考慮來流條件的影響。

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