高立式尼龍網(wǎng)沙障周?chē)L(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值模擬與試驗(yàn)

賈光普，左合君，王海兵，閆 敏，姚云峰，韓雪瑩，劉 峰

高立式尼龍網(wǎng)沙障周?chē)L(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值模擬與試驗(yàn)

賈光普，左合君※，王海兵，閆 敏，姚云峰，韓雪瑩，劉 峰

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院/內(nèi)蒙古風(fēng)沙物理與防沙治沙工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018）

為探究沙障影響下的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，明晰不同情況高立式尼龍網(wǎng)沙障周?chē)娘L(fēng)速變化和積沙分布，補(bǔ)充野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題。該研究以磴口-烏斯太的穿沙公路為研究背景，基于FLUENT數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同障排數(shù)量、沙障高度及入口風(fēng)速下高立式尼龍網(wǎng)沙障周?chē)娘L(fēng)速和積沙分布進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)野外試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：不同情況高立式沙障沿水平方向的流場(chǎng)形式均以“V”和“W”型存在，而高立式沙障背風(fēng)側(cè)垂直方向的風(fēng)速廓線形式主要以“S”型為主；風(fēng)速為8 m/s，相鄰障排間距為3 m條件下，分析不同障排數(shù)量對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的影響發(fā)現(xiàn)，單排、雙排和三排高立式沙障的防護(hù)范圍分別為第一排沙障至其后的6、13和20 m處，隨沙障排數(shù)的增加總積沙量呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)；風(fēng)速為10 m/s，雙排沙障間距8 m條件下分析沙障高度對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的影響發(fā)現(xiàn)，60、100、120和150 cm高立式沙障的水平流場(chǎng)分層點(diǎn)分別為0.8、1.2、1.5和2.0 m；沙障高度150 cm，雙排沙障間距20 m條件下分析入口風(fēng)速對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速增至15 m/s以上時(shí)，150 cm的雙排沙障背風(fēng)側(cè)基本上無(wú)積沙分布，高立式沙障逐漸失去了防護(hù)作用。經(jīng)野外驗(yàn)證真實(shí)值與模擬值的最大相對(duì)誤差為8.18 %，最小相對(duì)誤差為1.32 %，驗(yàn)證了模擬的合理性，該研究成果較好地反映了高立式沙障周?chē)娘L(fēng)沙運(yùn)動(dòng)情況，為后續(xù)研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和依據(jù)。

風(fēng)；沙；試驗(yàn)；尼龍網(wǎng)沙障；風(fēng)速變化；積沙分布；FLUENT數(shù)值模擬

0 引 言

沙漠化作為全球重大環(huán)境問(wèn)題之一，引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。中國(guó)是受荒漠化嚴(yán)重危害的國(guó)家之一，眾多科研工作者圍繞風(fēng)沙活動(dòng)及其危害開(kāi)展了許多的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、沙漠環(huán)境及其演變過(guò)程研究[1-3]。隨著中國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施[4]，如何有效的利用工程治沙措施改善荒漠化地區(qū)的風(fēng)沙環(huán)境已成為一個(gè)迫切的問(wèn)題。

沙障是目前線性治沙工程的主要措施之一，其基本原理是有效降低近地表的風(fēng)速，減弱輸沙強(qiáng)度，最終達(dá)到風(fēng)雖過(guò)而沙不起的效果。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)野外實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)方法對(duì)沙障的蝕積規(guī)律[5-6]、沙障風(fēng)荷載[7]、沉積物粒度特征[8-9]、空氣動(dòng)力學(xué)特性[10]、沙障類(lèi)型[11-12]以及布設(shè)規(guī)格[13]等方面進(jìn)行了研究。隨著數(shù)值模擬方法的逐漸興起，廣泛應(yīng)用于計(jì)算流體力學(xué)、風(fēng)沙物理學(xué)以及風(fēng)沙環(huán)境等多種領(lǐng)域[14-15]。陳柏羽等[16]利用數(shù)值模擬的方法分析了高立式蘆葦沙障周?chē)娘L(fēng)沙流場(chǎng)并優(yōu)化了多排沙障的鋪設(shè)間距問(wèn)題；張軍平等[17]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)蘭新鐵路戈壁地區(qū)路基周?chē)L(fēng)沙流場(chǎng)數(shù)值分析，得出其周?chē)牧鲌?chǎng)和積沙分布；石龍等[18]通過(guò)FLUENT歐拉雙流體非定常模型，對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的斜插板擋沙墻周?chē)L(fēng)沙兩相流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，得出各項(xiàng)參數(shù)對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的影響。大量學(xué)者基于不同參數(shù)的數(shù)值模擬[19-22]，以及優(yōu)化防治風(fēng)沙災(zāi)害措施周?chē)熬植康娘L(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)情況，現(xiàn)已成為計(jì)算分析復(fù)雜沙障風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的重要工具。

高立式沙障是當(dāng)前半干旱區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)固沙造林的優(yōu)先措施和極端干旱區(qū)重要防沙阻沙措施[23-24]。目前，針對(duì)高立式尼龍網(wǎng)沙障的風(fēng)沙兩相流研究主要從風(fēng)沙兩相流的角度分析其變化，即數(shù)值模擬的方法，所謂風(fēng)沙兩相流就是含有沙粒的運(yùn)動(dòng)氣流，是一種典型的氣-固混合流。有學(xué)者利用風(fēng)洞試驗(yàn)，也可以模擬出不同模型的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和風(fēng)速廓線變化[25]；與風(fēng)洞試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試成本低、參數(shù)修改便捷；與野外試驗(yàn)相比，其不受外界及自然條件的限制，研究費(fèi)用也相對(duì)較少[26]。眾多學(xué)者通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)僅單排沙障風(fēng)場(chǎng)特性和沙障背風(fēng)側(cè)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[16,18]，但對(duì)于雙排甚至三排的高立式沙障下的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特性研究未見(jiàn)報(bào)道，本文運(yùn)用FLUENT數(shù)值模擬方法，結(jié)合野外試驗(yàn)驗(yàn)證，擬解決由于野外試驗(yàn)條件的限定，無(wú)法對(duì)多種情形下的沙障進(jìn)行風(fēng)沙流場(chǎng)的測(cè)定問(wèn)題，并為高立式沙障的鋪設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

1.1.1 幾何建模

實(shí)際自然界的流場(chǎng)是三維多物理場(chǎng)耦合存在的，為使模型整個(gè)區(qū)域氣流充分發(fā)展，避免繞流和渦流對(duì)出口邊界條件和試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，理論上計(jì)算區(qū)域越大越好，本試驗(yàn)?zāi)M情況為風(fēng)沙流，采用歐拉雙流體模型（Eulerian Model）進(jìn)行求解，在FLUENT中視為氣-固兩相流，但由于風(fēng)沙流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沙粒主要受重力和拖拽力的影響，作用力方向基本在同一個(gè)平面，故可以看作二維平面問(wèn)題處理，本文運(yùn)用AUTO CAD建立二維模型，在野外試驗(yàn)和大量試算的基礎(chǔ)上確定了計(jì)算區(qū)域、邊界條件，見(jiàn)圖1（以雙排沙障為例），并模擬分析不同障排數(shù)量、沙障高度和入口風(fēng)速條件下風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特性，具體試驗(yàn)及參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。在距計(jì)算區(qū)域底邊界分別0.2、0.4、0.6、0.8、1.2、1.5和2.0 m處設(shè)置水平方向監(jiān)測(cè)線。以入口方向第一排沙障位置為參照點(diǎn)，左側(cè)為迎風(fēng)側(cè)，沙障間的區(qū)域?yàn)檫^(guò)渡區(qū)，最后排沙障的右側(cè)為背風(fēng)側(cè)。在計(jì)算域底邊上進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布設(shè)，由于沙障高度對(duì)不同位置的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特性有重要影響，因此在沙障迎風(fēng)側(cè)、過(guò)渡區(qū)和背風(fēng)側(cè)以沙障高度的不同倍數(shù)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布設(shè)，如單排沙障迎風(fēng)側(cè)（0.5、2、4、6、8、10），換算成距原點(diǎn)的水平位置分別為19.7、18.8、17.6、16.4、15.2和14.0 m，其他測(cè)點(diǎn)換算為水平位置具體見(jiàn)表1。

注：H為沙障高度，cm。

表1 不同情況下的沙障試驗(yàn)參數(shù)

1.1.2 網(wǎng)格劃分

沙障模型計(jì)算域整體呈不規(guī)則型，網(wǎng)格劃分類(lèi)型為四邊形網(wǎng)格（Quad形式）和三角形網(wǎng)格（Tri形式）混合的形式，劃分形式采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（Pave法），其原因由于沙粒主要集中在離地表0～50 cm左右運(yùn)動(dòng)，故沙障模型下部進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格數(shù)量為2.0′105個(gè)。

1.1.3 參數(shù)設(shè)置

本試驗(yàn)數(shù)值模擬采用歐拉雙流體模型，其具體參數(shù)設(shè)置[27]如表2所示。耦合算法采用SIMPLEC，入口邊界速度通過(guò)UDF導(dǎo)入C語(yǔ)言自編程序載入廓線方程為：

1.1.4 控制方程

表2 數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置

1.2 野外試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，本研究以雙排沙障為例開(kāi)展野外試驗(yàn)（圖2）。試驗(yàn)區(qū)位于巴彥淖爾市磴口-烏斯太的穿沙公路2 km處，其地理坐標(biāo)40°07′27″～40°10′29″N，106°43′17″～106°48′36″E，屬于烏蘭布和沙漠沿黃段，北部多固定和半固定沙丘，沙源豐富，風(fēng)沙活動(dòng)頻繁，為觀測(cè)沙障周?chē)娘L(fēng)沙流場(chǎng)研究提供了良好的地理?xiàng)l件。野外鋪設(shè)4種高度（60、100、120和150 cm）的雙排沙障，布設(shè)間距均為8 m，與不同沙障高度的數(shù)值模擬形成對(duì)比試驗(yàn)。風(fēng)杯觀測(cè)高度分別為20、50、100和150 cm。為了便于對(duì)比，簡(jiǎn)化野外試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)位置，迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)和過(guò)渡區(qū)與數(shù)值模擬的規(guī)定方式一致，雙排沙障的迎風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)位置為16、17、18、19 m，過(guò)渡區(qū)測(cè)點(diǎn)位置為21、23、25和27 m，背風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)位置為29、30、32和34 m），4種高度沙障斷開(kāi)布設(shè)，避免邊界效應(yīng)的影響。

圖2 雙排沙障野外試驗(yàn)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同障排數(shù)量下的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特性

由圖3不同障排數(shù)量沙障周?chē)乃斤L(fēng)速變化可知，當(dāng)氣流運(yùn)行至沙障迎風(fēng)側(cè)時(shí)，垂直方向 0.2～2.0 m內(nèi)明顯有分層現(xiàn)象，0.2～0.6 m內(nèi)氣流在阻遇沙障時(shí)急劇下降，單排沙障流場(chǎng)形式呈現(xiàn)“V”型；雙排沙障流場(chǎng)形式為“W”型；三排沙障流場(chǎng)形式為多“V”型，且三排沙障的氣流形式最復(fù)雜。水平監(jiān)測(cè)線（0.8 m）為單排、雙排和三排的水平氣流的分層點(diǎn)，整體呈現(xiàn)先上升后下降的形式，表現(xiàn)為倒“U”型。單排、雙排和三排沙障的防風(fēng)效果分別至26、33和40 m時(shí)逐漸恢復(fù)至入口風(fēng)速，說(shuō)明沙障防護(hù)范圍分別為第一排沙障至其后的6、13和20 m處。

注：入口風(fēng)速為8 m·s-1；沙障高度為60 cm；相鄰沙障間距為3 m。圖4、圖5同。

由圖4可知，單排、雙排和三排沙障迎風(fēng)側(cè)的風(fēng)速廓線在靠近沙障18.8～20.0 m范圍時(shí)，風(fēng)速廓線表現(xiàn)出“S”型，說(shuō)明此時(shí)風(fēng)速出現(xiàn)了反向氣流，形成了渦流區(qū)或風(fēng)影區(qū)。隨著障排數(shù)量的增加，垂直方向0～0.5 m范圍內(nèi)單排、雙排和三排沙障的風(fēng)廓線變化范圍分別為3.5～5.0、3.5～5.5到3.5～6.0 m/s逐漸增大，說(shuō)明其防風(fēng)效果逐漸增強(qiáng)。從單排、雙排和三排沙障背風(fēng)側(cè)的風(fēng)速廓線可知，單排沙障在20.6～21.2 m之間出現(xiàn)風(fēng)速變化的拐點(diǎn)，雙排沙障在23.3～24.2 m之間均出現(xiàn)了風(fēng)速變化的拐點(diǎn)，第三排沙障在26.6～27.2 m之間出現(xiàn)風(fēng)速變化的拐點(diǎn)。由圖4的過(guò)渡區(qū)風(fēng)速廓線變化幅度可知，三排沙障的過(guò)渡區(qū)風(fēng)速廓線更趨于“S”型，說(shuō)明三排沙障的防護(hù)效果優(yōu)于雙排沙障的防護(hù)效果。

圖5為模擬不同障排數(shù)量的積沙分布云圖，圖中不同顏色代表沙粒不同的體積分?jǐn)?shù)，紅色為最大值代表沙粒已經(jīng)基本上在此區(qū)域位置沉積，其他顏色代表沙粒以不同的形式（懸移、躍移和蠕移）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。整體而言，三排沙障的積沙量最多，雙排沙障積沙量次之，單排沙障積沙量最小。單排沙障（圖5a）在沙障的迎風(fēng)側(cè)有少量的積沙，但積沙現(xiàn)象不明顯，沙粒在經(jīng)過(guò)單排沙障時(shí)，其背風(fēng)側(cè)基本無(wú)沙粒沉積，而是在一定距離后再積沙，其體積分?jǐn)?shù)在0.4～0.8之間。雙排沙障而言（圖5b），沙粒在經(jīng)過(guò)雙排沙障時(shí)，在沙障迎風(fēng)側(cè)有少量積沙，且積沙現(xiàn)象不明顯。受第一排沙障的影響，在雙排沙障的積沙范圍變大，沙粒主要集中在雙排沙障的過(guò)渡區(qū)和背風(fēng)側(cè)，總體的體積分?jǐn)?shù)在0.6～1.0之間。三排沙障（圖 5c），沙粒在經(jīng)過(guò)三排沙障時(shí)，沙障的迎風(fēng)側(cè)積沙現(xiàn)象不明顯，第一排與第二排沙障的過(guò)渡區(qū)積沙區(qū)域主要集中在靠近第二排沙障的左側(cè)，呈現(xiàn)類(lèi)似“拱形”型的積沙形態(tài)，體積分?jǐn)?shù)在0.4～0.8之間。攜沙氣流在經(jīng)過(guò)第二排沙障與第三排沙障過(guò)渡區(qū)時(shí)大量沉積，其體積分?jǐn)?shù)在0.4～0.9之間，沙粒在背風(fēng)側(cè)后一定距離積沙，其體積分?jǐn)?shù)在0.4～0.7之間。

圖5 不同障排數(shù)量沙障周?chē)姆e沙分布

2.2 不同高度沙障周?chē)娘L(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特性

沙障高度直接影響著沙障的流場(chǎng)形式和范圍，同時(shí)也影響著工程的造價(jià)。當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，選取了4種（60、100、120和150 cm）高度的雙排沙障水平方向監(jiān)測(cè)線上的速度分布（圖6）。流場(chǎng)整體呈現(xiàn)沙障迎風(fēng)側(cè)變化平穩(wěn)，氣流至沙障迎風(fēng)側(cè)時(shí)，垂直方向0.2～2.0 m內(nèi)出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，60、100、120和150 cm沙障的水平氣流分層點(diǎn)分別為0.8、1.2、1.5到2.0 m，說(shuō)明沙障高度越高，沙障的防護(hù)效果越強(qiáng)。雙排沙障的過(guò)渡區(qū)流場(chǎng)形式表現(xiàn)出“W”型。

隨著沙障高度增加，4種高度的雙排沙障迎風(fēng)側(cè)18.5～20.0 m范圍內(nèi)形成“S”型的風(fēng)速廓線形式，且影響范圍逐漸增加。60、100、120和150 cm雙排沙障過(guò)渡區(qū)的風(fēng)速廓線波動(dòng)逐漸增加，所形成大小不一渦流區(qū)的數(shù)量越多，能量消耗越大，防風(fēng)效果越強(qiáng)。雙排沙障背風(fēng)側(cè)風(fēng)速廓線隨著與第二排沙障距離的增加，逐漸恢復(fù)至入口風(fēng)速。

注：入口風(fēng)速為10 m·s-1。沙障類(lèi)型為雙排。沙障間距為8 m. 圖7同。

由圖7可知，不同高度雙排沙障的積沙分布情況，攜沙氣流經(jīng)過(guò)雙排沙障時(shí)，總積沙量表現(xiàn)為100 cm雙排沙障積沙量最大，60 cm雙排沙障的積沙量次之，120 cm和150 cm雙排沙障的積沙量與100 cm沙障的積沙量相似，但積沙的位置分布差異很大，4種高度雙排沙障迎風(fēng)側(cè)有少量積沙，受前排沙障影響，雙排沙障過(guò)渡區(qū)積沙區(qū)域主要集中在第二排沙障左側(cè)，體積分?jǐn)?shù)在0.6～1.0之間。

圖7 不同高度雙排沙障周?chē)姆e沙分布

2.3 不同入口風(fēng)速下沙障的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特性

圖8為不同入口風(fēng)速下（10、15和20 m/s）的水平方向監(jiān)測(cè)線上的速度分布情況。雙排沙障周?chē)乃搅鲌?chǎng)趨勢(shì)基本一致，垂直方向0.2～2.0 m內(nèi)出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，1.5 m為不同風(fēng)速的水平流場(chǎng)的分層點(diǎn)，150 cm雙排沙障過(guò)渡區(qū)的風(fēng)速波動(dòng)范圍分別為0～8、0～9和0～12 m/s，說(shuō)明隨著入口風(fēng)速的增大，雙排沙障的防風(fēng)效果逐漸下降。

雙排沙障迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速廓線呈現(xiàn)“S”型，形成了渦流區(qū)。當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，在沙障迎風(fēng)側(cè)19.3 m和過(guò)渡區(qū)37.5 m處出現(xiàn)風(fēng)速拐點(diǎn)，分別為2.5和5.5 m/s；當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時(shí)，拐點(diǎn)風(fēng)速為5.0和8.0 m/s；風(fēng)速為20 m/s時(shí)，拐點(diǎn)風(fēng)速為7.0和10.0 m/s。雙排沙障過(guò)渡區(qū)，由于阻滯消能的作用，使風(fēng)速急劇降低。當(dāng)氣流運(yùn)行至沙障背風(fēng)側(cè)時(shí)，41～47 m處的風(fēng)速廓線呈現(xiàn)“S”型，但隨著風(fēng)速的增加，趨勢(shì)逐漸減緩。

圖9為雙排沙障不同風(fēng)速下的沙障積沙分布情況，當(dāng)入口風(fēng)速為10 m/s時(shí)，迎風(fēng)側(cè)的積沙體積分?jǐn)?shù)在0.3～0.5之間，過(guò)渡區(qū)積沙在間距的1/3處開(kāi)始，體積分?jǐn)?shù)在0.4～0.9之間，其背風(fēng)側(cè)基本無(wú)積沙；當(dāng)入口風(fēng)速為15 m/s時(shí)，過(guò)渡區(qū)積沙在間距的1/2處開(kāi)始，體積分?jǐn)?shù)在0.4～0.9之間；當(dāng)風(fēng)速增至20 m/s時(shí)，過(guò)渡區(qū)基本無(wú)積沙分布，說(shuō)明隨著風(fēng)速增大，沙障的防風(fēng)阻沙效果逐漸消失，沙障失去了防護(hù)效益。

注：沙障類(lèi)型為雙排；沙障高度為150 cm；沙障間距為20 m。圖9同。

2.4 野外試驗(yàn)驗(yàn)證

以雙排沙障為例，針對(duì)不同沙障高度下的水平風(fēng)速進(jìn)行野外試驗(yàn)。由表3可知，真實(shí)值與模擬值的最大相對(duì)誤差為8.18 %，最小相對(duì)誤差為1.32 %，野外布設(shè)沙障（60、100、120和150 cm）的平均相對(duì)誤差分別為5.68%、5.55%、5.88%和4.00%，將野外真實(shí)值與模擬值進(jìn)行線性回歸分析，2均大于0.9，綜上說(shuō)明數(shù)值模擬設(shè)置的模型參數(shù)及設(shè)計(jì)可靠性較高，真實(shí)值和模擬值總體之間相關(guān)性較好。

圖9 不同入口風(fēng)速下的積沙分布

表3 不同高度雙排沙障周?chē)斤L(fēng)速真實(shí)值與模擬值對(duì)比

3 討 論

基于FLUENT數(shù)值模擬的方法對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬，各類(lèi)型沙障（尼龍網(wǎng)沙障、擋沙墻、防風(fēng)擋板、草方格沙障等）在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，均把其視為障礙物，如石龍等[18]在研究新型斜插板對(duì)風(fēng)沙流的影響時(shí)指出，氣流在障礙物前后形成速度降低區(qū)，即為沙粒沉降區(qū)，在水平方向氣流水平變化呈現(xiàn)“V”或“W”型，在單排擋沙墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)速廓線呈現(xiàn)“S”型。本試驗(yàn)在模擬時(shí)選取了7個(gè)沿水平方向的監(jiān)測(cè)線梯度，將流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分解為水平風(fēng)速和風(fēng)速廓線變化，為更加清晰的了解沙障周?chē)牧鲌?chǎng)變化情況，從整體的水平流場(chǎng)變化中可以發(fā)現(xiàn)，氣流經(jīng)沙障體系作用下，流場(chǎng)形式均為抬升、加速、減速、逐漸恢復(fù)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。積沙量范圍分別隨著沙障數(shù)量增多而增大，隨著沙障高度增高而增大，隨著入口風(fēng)速增大而減小。張凱等[30]研究高立式HDPE板沙障防風(fēng)效益時(shí)得出，不同風(fēng)速水平流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相似，且隨著風(fēng)速的增加防護(hù)距離逐漸減小，沙障的防護(hù)效益逐漸降低，與本文在研究不同風(fēng)速風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特性時(shí)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相似，隨著風(fēng)速增加，流場(chǎng)波動(dòng)幅度逐漸減小，防護(hù)效益減小。辛國(guó)偉等[31]研究不同形式廓線對(duì)風(fēng)沙流場(chǎng)和風(fēng)沙堆積的影響時(shí)得出，不同形式廓線存在較大差異，但在自然過(guò)程中均勻流并不存在，大多數(shù)以對(duì)數(shù)流為主，本文通過(guò)以UDF導(dǎo)入C語(yǔ)言自編程序載入廓線方程的方法，避免了由于風(fēng)速形式的變化產(chǎn)生的風(fēng)沙流場(chǎng)和積沙分布的影響，更具實(shí)踐意義。

本研究對(duì)不同障排數(shù)量、不同高度和不同入口風(fēng)速下的尼龍網(wǎng)沙障風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行模擬，基本了解了各情況對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特性的影響。從模擬結(jié)果上看，與野外實(shí)測(cè)的結(jié)果相一致，且擬合度較高。目前大多數(shù)學(xué)者模擬的沙障為擋沙墻[32-34]，由于墻體比較堅(jiān)硬，尼龍網(wǎng)材質(zhì)比較柔軟，發(fā)生碰撞時(shí)消耗的動(dòng)能大于尼龍網(wǎng)所消耗的動(dòng)能，鋪設(shè)時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況進(jìn)行布設(shè)，后期模擬試驗(yàn)需增加孔隙度和間距等參數(shù)模擬，以此完善多排高立式沙障鋪設(shè)的經(jīng)驗(yàn)化問(wèn)題，對(duì)實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

4 結(jié) 論

通過(guò)FLUENT數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)下高立式沙障周?chē)娘L(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行歸納和總結(jié)：

1）從不同情形下的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)模擬可知，水平方向的流場(chǎng)主要以“V”和“W”型存在，而垂直方向的風(fēng)速廓線主要以“S”型為主。

2）不同障排數(shù)量的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)可知，風(fēng)速為8 m/s時(shí)，單排、雙排和三排沙障的防護(hù)范圍分別為第一排沙障至其后的6、13和20 m處，三者的積沙量隨著障排數(shù)的增多而增加；不同沙障高度的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)可知，當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，60、100、120和150 cm的沙障水平氣流分層點(diǎn)分別為0.8、1.2、1.5和2.0 m；由不同入口風(fēng)速的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)模擬可知，當(dāng)風(fēng)速增至15 m/s以上時(shí)，150 cm的雙排高立式沙障逐漸失去了防風(fēng)阻沙作用。

3）結(jié)合野外實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比和線性回歸可得到數(shù)據(jù)的擬合度較好，誤差分析表明，數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性高，可將此數(shù)值模型作為彌補(bǔ)野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不足，其最小相對(duì)誤差為1.32 %，最大相對(duì)誤差為8.18 %，總體平均相對(duì)誤差為5.28 %。

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Numerical simulation and experiment of wind-sand movement characteristics around high vertical nylon mesh sand barriers

Jia Guangpu, Zuo Hejun※, Wang Haibing, Yan Min, Yao Yunfeng, Han Xueying, Liu Feng

(,,010018,)

This study aims to explore the movement law of wind and sand for the high vertical nylon mesh sand barrier, thereby to make up for the difficulty in the collecting data from field experiments, particularly on the sound reference for engineering sand control. Taking the Dengkou-Ustai sand-crossing highway as the background, a combination of the FLUENT numerical simulation and field test was used to investigate the design parameters of barrier rows, heights of sand barriers, and inlet wind speeds. A numerical simulation was carried out to obtain the change of wind speed, as well as the sand distribution of windward side, leeward side, and transition zone of net sand barrier. A field experiment was conducted to measure the specific parameters, and then the recorded data was later used for the error and linear correlation analysis. The results show that the air flow field in the horizontal direction represented in the form of "V" and "W" in the vertical sand barriers under different design parameters. The profile of wind speed shaped mainly in "S" for the transition zone of sand barriers. It infers that the wind speed has reversed airflow at this time, forming a vortex area or wind shadow area. The height of sand barrier directly determined the form and scope of flow field at the leeward side of sand barrier, as well as the cost of the project.When the wind speed is 8 m/s, as the number and height of barriers increased, the wind-proof effect became more obvious, and the amount of sand accumulation showed an increasing trend, and the influence ranges of single row, double row, three row sand barriers were from first row sand barrier to behind it 6, 13 and 20 m; when the wind speed is 10 m/s, as the height of the sand barrier increased, the airflow demarcation point gradually rised. The airflow demarcation points of sand barriers with heights 60, 100, 120, 150 cm were 0.8, 1.2, 1.5, 2.0 m, respectively. The airflow gradually returned to the wind speed in the wilderness, as the airflow moved away from the sand barrier.When the wind speed increased above 15m/s, the high vertical sand barrier gradually lost its protective effect. Error analysis was used to verify the high reliability of data, where the minimum relative error was 1.32%, the maximum relative error was 8.18%. The numerical model can be used to serve as an alternative approach for the insufficient data in field experiments. The combination of numerical simulation and field test can be used to mutually verify the optimal predict model in the preliminary screening for the indoor use, and acquire the movement rules of wind and sand, indicating an achievement can be gained in the effort at the field. The measurement cost normally was high, while the speed gradient of wind was not easy to measurement. A recommendation was made during this time that the design parameters can be reasonably selected according to the local wind conditions in the actual laying in the field.

wind; sand; experiments; nylon net sand barrier; wind speed change; sand accumulation distribution; FLUENT numerical simulation

賈光普，左合君，王海兵，等. 高立式尼龍網(wǎng)沙障周?chē)L(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(18)：109-117.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.014 http://www.tcsae.org

Jia Guangpu, Zuo Hejun, Wang Haibing, et al. Numerical simulation and experiment of wind-sand movement characteristics around high vertical nylon mesh sand barriers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 109-117. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.014 http://www.tcsae.org

2020-05-19

2020-08-18

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“烏蘭布和沙漠生態(tài)園區(qū)沙產(chǎn)業(yè)技術(shù)和模式集成與示范”（2016YFC0501009）和內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2019ZD007）共同資助

賈光普，博士生，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。Email：jgp1012@126.com

左合君，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事荒漠化防治、道路風(fēng)沙及風(fēng)吹雪災(zāi)害防治研究。Email：zuohj@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.014

U213.1+54

A

1002-6819(2020)-18-0109-09