戈壁鐵路沿線防風沙柵欄設計參數優化分析

王海龍，張治，孫婧，劉暢，李玉龍

戈壁鐵路沿線防風沙柵欄設計參數優化分析

王海龍1, 2，張治1, 2，孫婧1，劉暢1，李玉龍1

(1. 河北建筑工程學院 土木工程學院，河北 張家口 0750000；2. 河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 0750000)

鑒于三維多孔防風沙柵欄建立解析求解模型相對困難，運用CFX多孔介質模型進行數值計算，研究重載鐵路沿線高立式防風沙柵欄的優化設計。為同時保證有限體積法的守恒性和有限元法數值精度，對多孔介質模型邊界及求解進行綜合控制。在多種孔隙率高立式防風沙柵欄條件下，對其周圍氣流運動特征進行模擬分析；對其阻沙固沙的效果對比分析后，得到高立式防風沙柵欄的最優孔隙率；利用現場試驗驗證數值模擬結果。研究結果表明：高立式防風沙柵欄孔隙率對繞流流場分布影響顯著，對積沙效果影響較大的流場區域有減速區、加速區、回流渦、科恩達區；在戈壁鐵路沿線常遇風環境下高立式防風沙柵欄最優孔隙率約為30%；現場試驗與數值模擬結果相一致。研究結果可以作為預防和控制戈壁重載鐵路風沙災害的參考。

防風沙柵欄；三維數值模擬；現場試驗；孔隙率；多孔介質

我國西北地區荒漠化嚴重，擁有豐富的鹽湖、有色金屬等資源，但當地的鐵路交通極為匱乏，隨著資源的勘探與開挖，修建鐵路交通運輸線路把資源運輸到東部發達地區變得十分迫切，同時嚴重的風沙災害成為影響鐵路安全運行的主要環境問題之一[1]。從20世紀60年代至今，國內鐵路防風沙措施的研究從6個方面(封、固、阻、輸、改和消)展開，本文研究對象高立式防風沙柵欄屬于阻沙方面，是攔截主風向沙源的重要措施[2]，布設在防護體系前沿平行于鐵路運輸路線。其作用在于改變局部流場，使流經柵欄的風沙流中沙礫沉降，抑制風沙災害的產生，防護效益評估指標通常選用降低風速量[3]。高立式防風沙柵欄主要包括高立式PE網防風沙柵欄、高立式金屬網板防風沙柵欄、混凝土結構防風沙柵欄[4]。在我國高立式PE網防風沙柵欄是應用最為廣泛的防風沙設施，現場調研來看，高立式PE網阻沙能力較強，但在戈壁惡劣自然環境（大風和強紫外線)中布設一段時間后發生剝落、撕裂現象嚴重破壞防風沙效能，同時堆積的沙子和清沙機械均易導致防風沙柵欄損壞。高立式金屬防風沙柵欄具有高強、柔韌、耐久、耐高低溫、便于加工運輸安裝等優良特性，對它的研究日益迫切。現有研究中，景文宏等[5]基于FLUENT歐拉非定常模型針對不同孔隙率的枕軌式擋沙墻進行數值模擬和風洞實驗對擋墻擋風沙功效進行了研究；辛國偉等[6]對掛板式防風沙擋墻進行了三維數值模擬和風洞實驗研究；王連等[7]運用多孔介質模型研究了PE防風沙柵欄流場特性；Cornelis等[8]為了找到最佳的防風沙柵欄孔隙率和所需行數進行了風洞研究。白璐等[9]采用單元孔近似的方法建立數值計算模型，對高立式金屬防風柵欄附近流場進行了分析研究。綜上對于防風沙柵欄效能的試驗多為風洞試驗，高立式金屬防風沙柵欄多孔板結構其孔洞量大，對其進行精確數值建模難度較大，通過單元近似進行數值模擬計算存在誤差。多孔介質模型適用于多孔板結構，目前應用多孔介質方法對金屬多孔板防風沙效能進行研究的三維數值計算模型尚無建立。本文基于CFX有限體積法對多孔介質模型下不同孔隙率的高立式金屬防風沙柵欄對流場的影響進行三維數值計算，對其產生的流場進行分析并研究孔隙率對遮蔽范圍的影響，最后運用現場試驗數據驗證模擬的合理性，從而對高立式金屬防風沙柵欄的設計提供參考值，為其在戈壁鐵路沿線風沙災害區的設置提供理論依據。

1 工程概況

新建地方鐵路魚卡(紅柳)至一里坪線位于青海省海西州大柴旦行委，線路東起魚卡車站途徑雅丹地貌區至紅柳站接軌。雅丹地貌區長度為23.47 km，絕對海拔2 740~2 790 m，地下水埋深淺，地表無植被，土壤沙化嚴重，常年有強烈西北風，具有雨少風大、蒸發量大、晝夜溫差大、霜凍期長等特點。據統計，研究區域瞬時風速可達31.1 m/s，沙塵暴和風暴多發生在3~5月份，年均4~12次，沙塵暴來臨時，風沙流在鐵路道砟上堆積的沙礫將會直接影響列車的行車安全，導致列車脫軌、運輸停滯等嚴重事故，擬在風沙災害嚴重的魚卡(紅柳)至一里坪段設置連續高立式防風沙柵欄保障鐵路運輸安全。

2 數值模擬

2.1 數學模型

本文在三維數值模擬環境下展示高立式防風沙柵欄對流場的影響，由于柵欄實體模型為超薄多孔結構，嚴格按照實際建模，網格單元數目巨大，模擬費效比高。鑒于多孔介質模型將介質區域中固體看做阻力，多孔板、管群或者管束系統都可以運用多孔介質模型通過確定面積孔隙率(=其中的為面孔隙率張量；為允許流體流動的面積；表示控制面)來加以描述，故采用多孔介質模型建立模擬[10]。本模擬不涉及熱傳導問題，不包含能量方程。描述模擬流場的控制方程包括連續性方程、基于-的SST湍流模型方程與動量方程。

取圖1所示作為控制體，控制體表面為控制面。流體流入控制體經過入口面，同時通過出口面流出控制體，控制體內部氣體質量發生變化。根據質量守恒，得到氣流流動連續性方程的積分形式[11]：

式中：為流體速度；為流體密度；表示控制體體積；表示時刻的體積。湍流剪切應力輸運的-的SST模型，能夠準確預測在逆壓力梯度下流動的分離和量進。對平均變形率陡然變化的流動與邊界層發生分離的模型有較好的模擬效果。SST-湍流模型方程[12]如式(2)和式(3)：

不可壓縮黏性氣流動量守恒的Navier-Stokes方程如式(4)：

2.2 數值分析模型的建立

選用1.8 m高20 m寬防風沙柵欄作為基本模型，通過對控制體不同長度、寬度、高度的模型計算對比，得到當模型流場長度100 m，寬度23 m，高度18 m時，控制體流場對防風沙柵欄關注位置流場產生的不利影響可以忽略。幾何模型具有明顯的對稱性，為了減少計算量和時間，運用對稱邊界條件選取模型的1/2進行計算。

對已有的1/2幾何模型用ANSYS進行嚴格的網格劃分，防風沙柵欄處的多孔介質區域做了局部加密，加密區網格尺寸小于0.003 m。對網格進行獨立性分析，選取防風沙柵欄背風側兩點作為監控點，監控參量為風速，結果如表1所示，結果顯示網格單元劃分數量70~140萬時監控參數計算結果穩定，為合理利用計算機資源，選擇劃分結果為70萬的網格進行研究，網格劃分與體積渲染結果如圖1所示。

表1 網格獨立性檢驗結果

2.3 求解控制

選用穩健的入口邊界條件：速度流入口，截面取法向速度，選擇亞音速流態，來控制收斂性與結果準確性，其湍流強度[12]為：

式中：雷諾數=/；是平均速度；是特征長度；是介質密度；是介質動力黏度系數。

空氣密度值取1.342 kg/m3，計算取當地常遇風速10 m/s，馬赫數遠遠小于0.3，模擬計算時按不可壓縮流體及湍流環境處理。計算得到＞2 500屬于湍流，湍流強度取Medium(intensity=5%)穩健出口邊界為壓力邊界條件，湍流描述方法同入口邊界相同?？刂企w邊界選擇自由滑移壁面，地面摩擦系數設置為0.5 m，高立式防風沙柵欄選用多孔介質模型，多孔區域設置為層流模型。對于模型的求解格式選取高階求解模式，收斂均方根殘差值標準設置為1e?6，選用穩態模擬，自動時間尺度[12]。

圖1 3D網格劃分與體積渲染結果示意圖

3 結果分析

3.1 高立式防風沙柵欄孔隙率對流場的影響

高立式防風沙柵欄是風沙流運行的障礙物，在防風沙柵欄前后一定范圍內形成積沙現象[13?14]。本模擬研究防風沙柵欄前后在氣流的作用下，風速的變化情況，任何風向作用下防風沙柵欄的防護問題，近似等價于2個正交風作用的疊加。防風沙柵欄的設置采用與主風向正交的帶狀防風沙柵欄，因此，忽略與風向平行的防風沙柵欄作用，將問題最終歸結為沿風向垂直布置的防風沙柵欄所起的防護作用。

在上述流場作用下得到0%(模擬A)，20%(模擬B)，30%(模擬C)和40%(模擬D)，4種孔隙率下的流場分布云圖如圖2所示(沿平面對稱)。

分析速度云圖可以看出在模擬A，模擬B，模擬C和模擬D下防風沙柵欄對控制體流場產生了明顯影響，形成了外流區、減速區、加速區、回流渦區，在防風沙柵欄迎風側根部還形成了一個小漩渦區(科恩達效應)如圖1所示，它的尺度遠遠小于防風沙柵欄后的回流渦區。

模擬A中防風沙柵欄沒有滲流活動，氣流全部繞流，在網板前遇阻抬升，到達防風沙柵欄上方形成加速區，防風沙柵欄背風側上部高速運動的氣流對網板背風側近地部分氣體產生向上的吸力，回流渦區域上部與加速區域邊界處氣流沿來流風風向風速逐漸減小，壓力增大。在回流渦末端風速不能繼續降低，壓力繼續增大的趨勢不變。因此靠近地面的流體被迫逆流，出現回流現象，后續不斷流入的流體持續形成回流，模擬A形成各工況下尺度最大的回流渦。

(a) 0%孔隙率；(b) 20%孔隙率；(c) 30%孔隙率；(d) 40%孔隙率

模擬B的流場中，由于網板孔隙的存在產生了滲流活動，其與回流渦相互影響導致回流渦尺度減小，由于防風沙柵欄孔隙率較低，繞流活動造成的影響依然明顯，產生的回流渦較模擬A下有所減小，較模擬C回流渦仍然較大。與模擬A相比模擬B加速區減小，減速區尺度也有所減小下降，科恩達效應降低。

模擬C計算結果顯示由于防風沙柵欄孔隙率提高的影響，氣流滲流活動進一步增強，繞流活動繼續減弱。模擬C回流渦尺度、風速與模擬A相比明顯削弱，回流渦尺度受滲流活動增強的影響小于模擬B，加速區流場減小，減速區略微增加，科恩達效應尺度進一步減小。

模擬D下滲流作用繼續增加，繞流作用明顯減弱，防風沙柵欄背風側回流渦基本消失，加速區、減速區、科恩達區較模擬A均大幅減小，說明防風沙柵欄對流場的影響減弱，防風沙效益下降。

3.2 高立式防風沙柵欄孔隙率對遮蔽范圍影響

風速作為遮蔽范圍判斷依據是現在使用較多與實際積沙情況較為符合的遮蔽范圍確定方法。防風沙柵欄積沙堆積的斷面形態近似于防風沙柵欄對風場影響范圍的斷面形態，積沙的最大范圍不超過防風沙柵欄對流場影響區域。將防風沙柵欄前后低于啟沙風速的區域作為防風沙柵欄遮蔽范圍，干燥風沙啟動風速約4~7 m/s，根據現場考察取大柴旦風沙啟動速度為6 m/s。上述模擬下防風沙柵欄作用下流場風速低于6 m/s的遮蔽范圍云圖如圖3所示，黑色區域為風速大于啟沙風速的范圍。

由數值模擬結果可以看出，模擬A的遮蔽長度較長，迎風側由于科恩達效應，砂礫不能在近壁面沉積，減小了遮蔽范圍，防風沙柵欄后回流渦尺度大風蝕嚴重不能實現風沙的有效堆積，遮蔽區域較大。模擬B的防風沙柵欄孔隙增加，迎風側科恩達效應降低，回流渦尺度在滲流作用影響下較模擬A有所減小風蝕作用相對降低，低于風沙啟動風速的遮蔽范圍略微增加。模擬C下迎風側科恩達效應減弱風沙沉積范圍增大，背風側回流渦尺度與強度受氣流通過防風沙柵欄后與回流渦氣流作用耗能而減小，減小了氣流對地面的侵蝕，相比模擬A、模擬B防風沙柵欄背風側回流渦減小較多，遮蔽范圍變化不大，增強了風沙的沉積防止了沙礫被再次啟動進入到流場中，積沙區域最大。模擬D下氣流由于強滲透作用穿過防風沙柵欄沒有有效消耗風能，遮蔽區域減小，回流渦基本消失，防風沙柵欄遮蔽范圍較前3種工況減小。

(a) 0%孔隙率；(b) 20%孔隙率；(c) 30%孔隙率；(d) 40%孔隙率

開孔防風沙柵欄對流場產生顯著影響，不同程度降低了防風沙柵欄前后流場的風速，隨著孔隙率的增大防風沙柵迎風側科恩達效應降低，積沙能力增加，在滲流作用的影響下減小了回流渦，空氣繞流作用逐漸衰減并逐漸低于滲流作用，模擬C下，受滲流作用和繞流作用的共同影響耗散氣流能量防風沙柵欄背風側回流渦相對較小，遮蔽范圍大，可以降低來流風沙礫含量，風沙的沉積效能高。

4 現場試驗

通過對高立式防風沙柵欄不同距離不同高度流場風速的實際測量，得到高立式防風沙柵欄對流場風速的影響，檢驗數值模擬試驗的有效性。本文試驗應用的高立式防風沙柵欄為高立式金屬防風沙柵欄垂直于當地盛行風(西北風)流動方向，高度=1.8 m，長度80 m，孔隙率為30%。試驗采用葉輪式高精度便攜風速溫度測量儀(100836)精度0.001 m/s量測范圍0.001~45 m/s。在試驗段中部防風沙柵欄迎風側10，5和0.05 m，防風沙柵欄背風側0.05，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55和60 m設置測量點。

當地風速12 s中保持=10 m/s時在每個測量點的=0.05 m，=0.9 m，=1.8 m 3個高度處采集風速最大值數據，3 s記錄1次數據連續記錄3次。將現場試驗獲得的數據取樣本均值與數值模擬C下相同位置處風速數值進行比較，繪制折線圖4。

在迎風側距離防風沙柵5.6處，數據測量高度處風速受地面摩擦影響初始風速低于1.0，高度，高度初始風速為1.0。氣流靠近防風沙柵風速逐漸下降。在迎風側近壁面高度處位于科恩達效應區域風速較高，高度處風速降至0.3，高度處位于防風柵頂端防風柵降風速效能較低由于氣流積聚影響導致風速略有上升。背風側近壁面由于氣流滲流與回流渦作用風速下降，高度風速降至0.3，之后進入回流渦區域風速上升。防風沙柵背風側距離2.8處高度處氣流處于回流渦中部底層邊界與地面相交，風速高于風沙啟動風速對地面產生風蝕，高度處于回流渦中心風速從0.3增加至風沙啟動風速，高度處于減速區風速較低。從回流渦至減速區流場風速逐漸降低，5.6高度處位于回流渦與減速區邊界處風速降低至風沙啟動風速以下，高度處位于減速區內風速為0.2，高度處從2.8至5.6氣流壓力不斷增加風速降低，在5.6處風速降為0.05。隨后防風沙柵對流場的影響減弱，氣流速度開始升高，高度，高度，高度分別在背風側距防風沙柵13.9，11.5和10.8處風速達到風沙啟動風速臨界值，隨后風速繼續增大分別在20，22和24處風速升高至初始風速，防風沙柵失去防風阻沙效能。

現場數據與數值模擬數據的差值基本在誤差范圍以內，數值模擬的流線與現場采集數據形成的流線的趨勢基本一致，說明本文選用的計算模型、網格劃分、湍流模型的選取是可行的。

(a) 0.05 m；(b) 0.9 m；(c) 1.8 m

5 結論

1) 現場試驗數據與模擬試驗數據對比表明，多孔介質模型能夠有效模擬多孔板結構，展現氣流通過防風沙柵欄后的流場變化以及風沙堆積情況，證實了防風沙柵欄削弱風速作用及湍動能耗散作用。

2) 運用多孔介質模型模擬了多種孔隙分布形式下，氣流在防風沙柵欄附近形成了外流區、減速區、加速區、回流渦以及科恩達效應。隨著孔隙率的提高，滲流作用逐漸大于繞流作用，防風沙柵欄對流場的影響逐漸降低，回流渦、減速區、加速區等區域逐漸減小，回流渦對柵欄后風蝕與遮蔽范圍有重要影響。

3) 對比上述不同的防風沙柵欄孔隙率模擬結果，當孔隙率約為30%時防風沙柵欄遮蔽范圍大，回流渦較小，能有效使來流風攜帶的風沙沉積，避免地面風蝕，阻固沙效能相對最優，可以用來保護鐵路線路免受風沙沉積影響。

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Optimization analysis of design parameters of prevent wind-sand fence along gobi railway

WANG Hailong1, 2, ZHANG Zhi1, 2, SUN Jing1, LIU Chang1, LI Yulong1

(1. School of Civil Engineering, Hebei University of Architecture, Zhangjiakou 075000, China; 2. Hebei Key Laboratory for Diagnosis, Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering, Zhangjiakou 075000, China)

In order to study the layout of the high vertical wind-sand fence along the heavy-duty railway, it is relatively difficult to establish an analytical solution model for the three-dimensional porous wind-sand fence. The CFX porous medium model was used for numerical calculation. In order to ensure the conservation of the finite volume method and the numerical precision of the finite element method at the same time, the boundary and solution of the porous medium model were comprehensively controlled. Under a variety of high porosity vertical wind-sand fence, the simulation of the surrounding airflow characteristics was carried out. After comparing and analyzing the effect of sand blocking and sand fixation, the optimal porosity of the high vertical wind-sand fence was obtained, and the numerical simulation results were verified by field experiments. The conclusions are as follows: The porosity of the high vertical wind-sand fence has a significant influence on the flow field distribution. The flow field with great influence on the sediment accumulation has a deceleration zone, an acceleration zone, a reflux vortex and Coanda zone. The optimal porosity of the high vertical wind-sand fence in the normal wind environment along the Gobi Railway is about 30%. The field test is consistent with the numerical simulation results. The conclusions of this study can be used as a reference for the prevention and control of heavy-duty railway sand disasters in the Gobi region.

prevent wind-sand fence; three-dimensional numerical simulation; field test; porosity; porous media

U216.41+3

A

1672 ? 7029(2019)06? 1420 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.06.009

2018?08?13

青海省交通建設科技項目(2015-12)；張家口市科學技術研究與發展計劃項目(1811009B-05)

王海龍(1965?)，男，山西襄汾人，教授，博士，從事防災減災工程及防護工程研究；E?mail：wanghailong-65@163.com

(編輯 涂鵬)