風速廓線形式對HDPE板高立式沙障風沙流場的差異性研究

張 凱，趙沛雯，張興鑫，王起才，郝藝翔

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；3.蘭州交通大學 經濟管理學院，甘肅 蘭州 730070)

格庫鐵路東起青海省格爾木市西至新疆庫爾勒市，是我國第三條進疆鐵路。格庫鐵路所經地區屬于典型的溫帶大陸型干旱氣候區，氣候干燥、風大且頻率高，該地區地形開闊，沙源豐富，因此風積沙、戈壁風沙流和風蝕在全線均較為普遍，風沙路段占線路全長的60%以上，見圖1。風沙災害防治體系可分為化學、機械和生物三大類，其中生物防沙體系效果最佳，但由于格庫鐵路青海段大部分位于高鹽漬地區，受當地氣候水文以及土壤等環境因素的影響，生物防沙體系無法采用，化學防沙對當地環境影響較大，因此機械防沙在格庫鐵路防沙中具有不可替代的作用。

圖1 格庫鐵路沿線積沙

機械防沙措施在沙漠和戈壁鐵路、公路等線路中應用較多[1-3]，同時針對防沙措施的高立式沙障結構的研究也日趨完善。程建軍等[4]采用數值模擬和現場實測數據，通過導風板對線路過境風沙流的輸導效果及其控制機理進行研究；景文宏等[5]基于Fluent歐拉非定常模型，對不同孔隙率的軌枕式擋墻擋沙效果進行研究；辛林桂等[6]利用數值模擬方法，研究了側向導沙沙障周圍的流場演化規律特征，揭示沙障周圍的流場機理等等，國內外學者對各類高立式沙障防沙措施展開了大量的室內風洞試驗、數值模擬和現場試驗[7-9]。然而，大部分學者在進行數值模擬時，并沒有按照現場和風洞試驗的風速廓線呈對數形式[10-11]進行模擬，而是假定為均勻假想流，不能真實反映沙障周圍的流場情況。

因此本文應用數值模擬分析方法，來流風速廓線分別采用對數流和均勻流兩種形式，對新型防沙材料HDPE板高立式沙障周圍流場進行研究，對比分析兩種風速廓線形式下流場的差異，并通過風洞試驗驗證數值模擬結果的準確性，以期為西部戈壁地區鐵路工程防沙體系的設計提供理論支撐。

1 試驗

1.1 數值模擬

1.1.1 幾何建模

建立二維簡化模型，計算流域為120 m×20 m，HDPE板高立式沙障高度為1.5 m，距離入口40 m，采用結構性網格進行網格劃分，見圖2。由于風沙流受邊界層的影響較大[12]，對HDPE板高立式沙障0.5 m范圍內進行局部加密。

圖2 結構性網格局部

1.1.2 邊界條件

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

1.1.3 計算參數

沙粒主要分布區間為0.08～0.315 mm，設定風沙流中沙粒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數為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。

對數流軸線入口風速與均勻流對應，軸線風速為24 m/s，其典型風速廓線為

(1)

式中：v(y)為y高度處的速度；v為摩阻風速；k為馮卡門系數，取0.4；y為高度；y0為粗糙長度，通過現場數據測得風速廓線。

1.2 風洞試驗

風洞試驗在中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室進行。該風洞為直流閉口吹氣式，洞體全長為37.78 m，試驗段長16.23 m，截面積尺寸0.6 m×1.0 m，風速范圍2～40 m/s可調。HDPE板模型孔隙率分別設置為30%、40%、50%，為保證試驗效果的科學性，高度按現場實際高度的1∶10進行縮尺，高度為0.15 m，孔的尺寸為16 mm×8 mm，三種模型的長度均為1.0 m，厚度為2 mm(見圖3～圖5)。風洞試驗要進行無柵欄時的流場試驗，作為對照試驗。

在風洞試驗中，風速為24 m/s，進行不同孔隙率HDPE板的試驗，HDPE板設在試驗段內距離出風口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)測量HDPE板柵欄附近的風速廓線，柵欄迎風側測點為1H和4H，柵欄背風側測點分別為1H、2H、6H、10H、20H(H為柵欄高度)，見圖6。對于沙床試驗，距離出風口1 m處開始布設，鋪沙長度為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，并用電子秤(精確至0.1 kg)稱取柵欄周圍的沙粒重量。

圖7 風速廓線為對數流形式時不同孔隙率HDPE板柵欄周圍流場(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路畢托管測量HDPE板柵欄周圍速度

2 試驗結果及分析

2.1 數值模擬結果及分析

2.1.1 HDPE板周圍流場

選取風速v=24 m/s模擬不同孔隙率下HDPE板柵欄周圍流場，圖7和圖8分別為對數流和均勻流風速廓線形式下HDPE板柵欄周圍流場圖。由圖7可知，風速廓線為對數流形式時，氣流經過HDPE板柵欄，遇到障礙在迎風側下方形成氣流減速區，大部分氣流遇阻向上，當通過柵欄頂部時，氣流被擠壓并分離，從而形成強剪切層，剪切層的壓力差迫使流線向下彎曲，當氣流接近地面時，氣流又返回分離區，因此在沙障上方形成了氣流加速區，而在背風側出現了渦旋回流區。當孔隙率從30%增大至50%時，加速區范圍逐漸減小，渦旋回流區長度逐漸減小。隨著孔隙率的增大，柵欄周圍的加速區速度最大值逐漸減小，障后回流區速度(負值)也逐漸減小，原因是孔隙率越大，上下層氣流產生速度差越小，使得氣流發生分流較小，逆壓梯度值進而較低，導致回流區范圍縮小。當孔隙率為50%時，回流區范圍很小且近乎消失。

由圖8可知，風速廓線為均勻流形式時，孔隙率為30%和40%時，存在氣流減速區、氣流加速區和渦旋回流區，當孔隙率為50%時，存在氣流減速區、氣流加速區，但是渦旋回流區消失。隨著孔隙率的增大，柵欄周圍的加速區速度最大值逐漸較小，回流區速度逐漸減小，當孔隙率為50%時，柵欄障后速度均為正值。兩種風速廓線氣流經過HDPE板柵欄時，流場存在明顯差異：風速廓線為對數流時，柵欄周圍加速區范圍擴大，且存在明顯的回流區；風速廓線為均勻流時，柵欄周圍加速區范圍較小，回流區相對不明顯。這是因為均勻流在近地表處的速度要遠大于對數流近地表處的速度，大部分氣流在經過障礙物后，上層氣流對下層氣流的影響相對較小。

2.1.2 HDPE板周圍風速廓線

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

對數流和均勻流風速廓線形式下HDPE板柵欄周圍風速廓線曲線如圖9和圖10所示。由圖9可知，風速相同時，不同孔隙率HDPE板柵欄周圍的風速廓線呈現相似的變化規律，在障前1H處風速廓線開始發生變化，柵欄障前風速下降主要在HDPE板柵欄高度以下范圍內，其主要原因是柵欄前的氣流擁擠效應導致的。在柵欄障后20H處開始恢復到原來的風速廓線，表明流場的風速廓線逐漸關閉，并且柵欄對流場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(負值)逐漸減小，說明渦旋回流區范圍減小；從障后20H處恢復程度來看，50%孔隙率HDPE板的風速廓線與初始風速廓線最相似，30%孔隙率HDPE板的風速廓線與初始風速廓線一致性較差，說明這三種孔隙率，在柵欄障后20H處，30%孔隙率HDPE板柵欄防護作用最優。

圖9 對數流形式下不同孔隙率HDPE板周圍風速廓線曲線

圖10 均勻流形式下不同孔隙率HDPE板周圍風速廓線曲線

由圖10可知，均勻流和對數流變化規律一致，不同孔隙率HDPE板柵欄周圍的風速廓線呈現出相似的變化規律。隨著孔隙率的增大，在柵欄障后的最小值(負值)逐漸減小，說明渦旋回流區范圍減小，當孔隙率為50%時，柵欄后的最小值為正值，不存在渦旋回流區，與2.1.1節一致。從障后20H處恢復程度來看，30%孔隙率HDPE板的風速廓線與初始風速廓線最相似，50%孔隙率HDPE板的風速廓線與初始風速廓線一致性較差，說明在柵欄障后20H處，50%孔隙率HDPE板柵欄防護作用最優。

2.1.3 HDPE板周圍積沙分布

當風沙流經過擋沙障時，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。積沙形態及分布與擋沙障的孔隙率密切相關。相同來流風速下，孔隙率不同，使其周圍速度不同，導致擋沙障周圍積沙形態分布不同。

由圖11可知，對數流形式下，30%孔隙率和50%孔隙率HDPE板周圍積沙形態和積沙量明顯不同，孔隙率為30%時，迎風側積沙遠大于背風側積沙，孔隙率為50%時，背風側積沙較多，迎風側幾乎沒有積沙。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側，迎風側積沙較少。這是因為相對于對數流，均勻流在柵欄以下速度較大，柵欄前速度雖然降低，但仍大于起沙風速，只有少量沙粒會與柵欄碰撞，落在迎風側，因此迎風側積沙較少。對比兩種形式的積沙量，可以明顯看出對數風速廓線形式下30%孔隙率的HDPE板柵欄阻沙最優。

圖13 風洞中不同孔隙率HDPE板周圍風速廓線曲線

圖11 對數流形式下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 風洞結果及分析

2.2.1 HDPE板周圍風速廓線

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

2.2.2 HDPE板周圍積沙分布

在風洞試驗中，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，積沙主要分布在迎風側，孔隙率為50%時，積沙主要分布在背風側。30%孔隙率HDPE板周圍的沙粒質量為34.6 kg，50%孔隙率HDPE板周圍的沙粒質量為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板柵欄使得周圍風速降低更明顯，特別是在柵欄的迎風側，同時當HDPE板孔隙率為30%時，柵欄起的阻沙防護效果更優。對比上文中均勻流和對數流數值模擬結果，可以看出風速廓線為對數流形式時，對數流模擬結果與風洞一致性更好，原因是均勻流形式忽略了地表邊界層的影響，與對數流相比，實際增大了氣流的動量和動能[15]。

3 結論

依據新建格庫鐵路現場環境，對風速廓線為對數流和均勻流形式下的HDPE板柵欄進行數值模擬，并結合風洞試驗，得出如下結論：

(1)風速廓線為對數流時，柵欄周圍加速區范圍擴大，且存在明顯的回流區；風速廓線為均勻流時，柵欄周圍加速區范圍較小，回流區相對不明顯。

(2)風速廓線為對數流時，在柵欄障后20H處，30%孔隙率HDPE板柵欄防護作用最優，且積沙主要分布在迎風側，孔隙率為50%時，積沙主要分布在背風側；風速廓線為均勻流時，在柵欄障后20H處，50%孔隙率HDPE板柵欄防護作用最優，兩種孔隙率的柵欄積沙均主要分布在背風側。兩種風速廓線形式下，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)從風洞試驗結果來看，分析HDPE板周圍風速廓線恢復情況、柵欄周圍的積沙形態及重量等方面，對數流數值模擬結果較均勻流結果更切合現場實際結果，當孔隙率為30%時，HDPE板柵欄起的阻沙防護效果更優。

(4)實際現場中，由于受地形、地貌等的影響，風沙來流形式變化多樣，風速廓線為對數形式只是其中較為典型的一種。因此在實際數值模擬過程中，要對現場進行調研，并充分考慮來流條件的影響。