鐵路沿線地表條件與風沙流場的互饋規律研究

辛國偉，程建軍，王　連，智凌巖，辛林桂

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子　832003)

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鐵路沿線地表條件與風沙流場的互饋規律研究

辛國偉，程建軍，王連，智凌巖，辛林桂

(石河子大學水利建筑工程學院，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沙流場的互饋規律及擋沙墻擋風沙的功效，基于數值模擬及風洞實驗，對不同地表粗糙度下的風沙流場進行數值分析，揭示地表粗糙度對流場表征量諸如風速、積沙形態的影響規律。結果表明：不同粗糙度下擋沙墻周圍速度均形成減速區、渦流區與加速區，其中，加速區受粗糙度影響較大；粗糙度越大對近地表(1 m以下)速度削弱越大，但在1 m以上風速受其影響減弱；不同粗糙度下擋沙墻周圍積沙分布不同，粗糙度越大，迎風側積沙位移越長，風沙流飽和路徑越小；隨風速的增大，4類粗糙度下的積沙長度都表現為迎風側減少，背風側增多。

地表粗糙度；風沙兩相流；擋沙墻；數值模擬；風洞實驗

風沙運動是影響鐵路運輸安全的主要災害之一。隨著我國鐵路運營速度的全面提升，風沙運動對列車安全運行的影響愈加突出，新建的蘭新二線(百里風區)及青藏鐵路(格拉段)面臨的風沙災害尤為嚴重。

為了保障列車的運輸安全，目前國內對沙漠鐵路沿線風沙災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沙災害，但生物防沙體系的建立對當地水文地質條件有較高的要求，且需要一定的建設周期，而工程防沙體系的建立方便快捷，對自然環境要求較低，在大多數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、輸沙措施及導沙措施。現階段對上述兩類防沙體系及防護效益的研究主要有現場勘測、風洞實驗及數值模擬。現場勘測受場地局限、觀測誤差及風速不穩定等條件限制，不能準確摸清實際地形地貌條件下的風沙流特征，而風洞實驗與數值模擬則主要集中在單風向定常風速、平坦地表等給定控制條件下沙粒輸運、風場變化及其與擋沙墻相互作用的規律與特征，這使得現有的風沙運動理論、風洞實驗及數值模型遠未達到準確預測野外真實環境下擋沙墻周圍風沙運動的程度[1-6]。實際環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雜地形，因此研究復雜地形下鐵路沿線風沙流場的變化對預測野外真實環境下的風沙流運動具有重要的指導意義[7]。

為摸清鐵路沿線地表條件對擋沙墻周圍風沙流場變化規律的控制與影響，揭示地表條件與流場之間的映射關系，本文將現場實測、風洞實驗及數值模擬相結合進行研究。其中，現場實測數據為入口風速條件，數值模擬為主要研究手段，風洞實驗為驗證手段。通過運用CFD計算程序設定平坦地表粗糙度，對擋沙墻周圍的風沙流場特征進行數值分析，全面揭示地表條件控制下的風沙流規律，為后期沙害防治工程實踐提供理論依據和參考。

1　實驗設計

1.1風洞實驗設計

風洞實驗在中科院寒區旱區研究所風洞實驗室進行。該風洞洞體全長38 m，實驗段長21 m，風洞橫斷面為1.2 m×1.2 m；風洞由動力段、整流段、供沙裝置、實驗段和擴散段5部分組成。

實驗模型為實體式擋沙墻，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行風洞實驗：選取6、9、12、15 m/s 4組指示風速，使用皮托管分別測試擋沙墻迎風側0.75H、1.5H、3H、5H及背風側0.25H、0.5H、1H、2H、3H、5H、7H、10H處各高度的風速值。然后進行風沙流實驗：在模型上風側放置沙源，持續吹沙約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)的下墊面進行實驗。其實驗布置示意如圖1所示。

圖1　風洞實驗布置示意

1.2數值模擬設計

1.2.1模型建立

由AUTOCAD建立二維模型，CFD流體力學軟件網格劃分及數值模擬，TECPLOT進行后處理。計算區域長度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　計算區域示意(單位：m)

1.2.2網格劃分

由于擋沙墻的存在，計算模型為不規則形狀，故其網格劃分類型采用Quad，即四邊形網格形式，劃分方法采用pave法(非結構化網格)，劃分網格數約1.0×105個，并在擋沙墻周圍進行網格加密，如圖3所示。

圖3　網格劃分示意

1.2.3邊界條件

根據空氣動力學原理，當馬赫數小于0.3時空氣流為不可壓縮流，風沙兩相流馬赫數均小于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充分發展條件下才能采用，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為0。介質沙粒為連續相，其類型為FLUID。

1.2.4計算參數

風沙流攜沙粒徑一般在0.075～0.25 mm，本文風沙流攜沙粒徑ds=0.1 mm，沙粒密度ρs=2 600 kg·m-3，黏度μ=0.047 Pa·s，據統計風沙流密度的數量級在10-5(g·m-3)，且沙相為稀相，故初始沙相體積分數取為1%[9-11]。空氣密度ρ=1.225 kg·m-3，黏度μ=1.789×10-5Pa·s，壓力為常壓；典型風速廓線為

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

本文風速廓線通過實測數據進行擬合及推導，對比選取最優形式進行模擬。其實測數據在南疆鐵路線吐魯番至魚兒溝段托克遜地區進行，設置數據測試點后用梯度風速儀測試測點各高度處的風速值，經處理后用Origin軟件進行擬合[12]。推導通過測定任意兩高度上風速獲得摩阻風速并求取平均值，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值模擬入口的風速初始值。利用用戶自定義函數(UDF)嵌入C語言自編函數，實現對數流入口邊界條件的設定。

圖4　不同高度風速擬合值、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，以提高計算準確性。方程組求解計算方法采用SIMPLEC算法。

2　結果分析與討論

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)是指近地表風速為零的高度，它是反映地表對風阻抗的重要參數[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沙流的阻抗作用及擋沙墻防沙固沙效應不同，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，以降低來流風速從而達到擋沙效果[15，16]。本文運用數值模擬的方式對4種固定規格的地表粗糙度(0.001，0.01，0.1，0.2 m)進行對比，以探究不同地表粗糙度對來流風速的減弱情況。其來流形式為對數流，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　不同粗糙度下擋沙墻周圍流場速度分布云圖

從圖6可以發現，4種地表粗糙度下擋沙墻周圍均形成速度分區：減速區、渦流區及加速區。速度分區的原因在于擋沙墻是一種帶尖緣的鈍體，風沙流經過時在其頂端部位受到了擠壓從而產生了分離，形成一個強剪切層，剪切層兩側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，補償了由于卷吸而帶走的那部分氣流，所以在擋沙墻背風側形成一個很大的渦流區[17，18]。同時也可發現，不同地表粗糙度，對擋沙墻迎風側速度削弱程度不同。粗糙度越大，對近地表風速的削弱越大(障前綠色部分)，風沙流到達沙障前速度變小，遇到擋沙墻后形成的速度分區也存在較明顯的變化。從圖6擋沙墻周圍速度分區可以發現，4種粗糙度下，迎風側減速區與背風側渦流區(藍色部分)變化大致一樣，但斜上方形成的加速區范圍卻逐漸變小。說明地表粗糙度對減速區與渦流區影響較弱，但對加速區影響較大。產生此種變化的原因是遠離近地表處速度較大，近地表風速較小且被削弱，在相同時間內上層氣流運動路程比下層長，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速間接影響擋沙墻周圍的流場變化。

風沙流在入障前有一個減速區，其范圍大于障前4H(H為擋沙墻高)。由圖6可知，擋沙墻對其迎風側0～10 m內風速有阻礙作用，而10～60 m范圍內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數一定，所以在此范圍內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，隨著粗糙度的增大，擋沙墻前速度呈遞減規律，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，對風速的阻力變大。此外，風沙流在距地表1 m范圍內攜沙量集中，沙粒運動對氣流也有阻礙作用；而1 m以上受粗糙度影響減弱，對風速的阻力減小，攜沙量也變小，使得速度逐漸沿對數曲線遞增。圖7為背風側5 m處風洞實驗與數值模擬速度對比示意。當地表粗糙度為0.001 m時，兩者差距較小，誤差不超過0.15[19](數值模擬速度值大于風洞實驗值)。

表1　擋沙墻前10 m不同高度處氣流速度變化

圖7　數值模擬與風洞實驗背風側速度對比示意

2.2擋沙墻周圍風速廓線的變化

風速廓線是表征近地表風速變化的基本方法，也是揭示風沙運動及風沙堆積的有效途徑之一。一般情況下，風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，風速廓線會呈現出一定的變化。2 m高度范圍內風速廓線變化如圖8所示。由圖8可知，風速廓線變化明顯的區域主要在1 m以下，且越靠近擋沙墻，風速廓線轉折段越明顯；而在1 m以上范圍內遞增趨勢逐漸變緩，有恢復至直線趨勢。同時也可發現，隨距擋沙墻距離的減小，風速廓線在近地表1 m以下位置遞減幅度擴大，這與任春勇等人[20]的結論相一致。地表粗糙度對風速廓線的影響，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，使得沙粒在風沙流活動層的高度分布受下墊面粗糙度的影響，最終導致近地表風沙流風速廓線的變化與凈風條件下存在一定的區別。

2.3地表粗糙度對擋沙墻周圍積沙分布的影響

風沙流運動過程中由于受地表粗糙度影響，運行速度減低，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，從而導致擋沙墻迎風側積沙長度越長；同時還可發現，擋沙墻背風側隨粗糙度增大，其積沙量有減少趨勢。其原因在于低風速(15 m/s)下，地表粗糙度較小時，迎風側的速度雖有衰減，但仍大于起沙風速，風沙流仍處于欠飽和狀態，部分沙粒仍可躍過擋沙墻在背風側形成積沙；而地表粗糙度較大時，迎風側速度被削弱較大，其風沙流可能處于飽和狀態，在遇到擋沙墻后大部分沉落在迎風側，僅有少部分沙粒可躍過擋沙墻在背風側形成積沙。

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

2.4風速對擋沙墻周圍積沙分布的影響

風是沙粒運動的動力條件，當風速大于起沙風速時，沙粒開始移動；當風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為不同風速(粗糙度0.001 m)下的積沙分布。從圖中可發現，來流速度越大，擋沙墻迎風側積沙減少，背風側則表現出增大的趨勢。這是由于擋沙墻聚風效應的影響，隨著風速的增大，擋沙墻背風側回流區范圍變大，積沙區域也增大。圖11為風洞實驗積沙分布(風向從上到下)。從圖可見，數值模擬與風洞實驗結果基本吻合，由此說明模擬結果的準確性。

圖10　不同風速時擋沙墻周圍積沙分布

圖11　風洞實驗積沙分布

2.5地表粗糙度對風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，當含沙量達到飽和時，就發生堆積。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，兩者相關性如圖12所示。由圖12可知，隨地表粗糙度增大，風沙流飽和路徑長度逐漸減小，且其函數曲線呈指數規律。原因是地表粗糙度越大，氣流運行速度受到的阻礙越大，附面層發生分離形成渦旋，降低近地面層的風速，從而削弱氣流輸沙的能量以及攜沙的能力，使無力載運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沙兩相流運動進行了數值模擬研究，得出以下結論。

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

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

(3)4種地表粗糙度下積沙形態都表現為風速越大，擋沙墻迎風側積沙越少，背風側越多；不同地表粗糙度下，擋沙墻周圍堆積沙的位移及形態隨粗糙度增大表現出一定的遞增性，但與風沙流飽和路徑長度呈負相關。

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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，工學博士，從事鐵路風沙防治研究，E-mail:chengdesign@163.com。

1004-2954(2016)09-0022-06

U216.41+3

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.005