斜插板式沙障插板傾角影響下風(fēng)沙流特征的數(shù)值模擬

丁泊淞, 高 麗, 程建軍, 陳柏羽

(石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院, 新疆 石河子 832003)

蘭新高鐵是一條橫貫中國甘肅、青海和新疆3省區(qū)的鐵路大動(dòng)脈，作為亞歐大陸橋鐵路通道的重要組成部分，對(duì)促進(jìn)邊疆地區(qū)民族團(tuán)結(jié)及加快西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義[1]。然而，蘭新鐵路新疆段需穿越四大戈壁風(fēng)區(qū)，風(fēng)區(qū)內(nèi)自然條件極其惡劣，普遍存在風(fēng)速高、風(fēng)期長、起動(dòng)風(fēng)速快等特點(diǎn)，鐵路安全正常運(yùn)營受到嚴(yán)重威脅[2-5]。

為抵御戈壁大風(fēng)區(qū)極端的風(fēng)沙災(zāi)害，多種機(jī)械防沙措施應(yīng)用在蘭新高鐵沿線，取得了一定效果[6-11]。斜插板式沙障是由中鐵西北科學(xué)研究院有限公司提出的一種新型透風(fēng)式沙障，具有抗風(fēng)能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可靠、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于蘭新鐵路沿線的風(fēng)沙災(zāi)害防治[12-13]。斜插板式沙障主體結(jié)構(gòu)由數(shù)塊橫截面為平行四邊形的混凝土插板構(gòu)成，插板之間相互平行且與主導(dǎo)風(fēng)向呈一定夾角，彼此保持一定距離以形成特定孔隙率(見圖1)。關(guān)于斜插板式沙障的防風(fēng)阻沙效果，已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)調(diào)查及研究：石龍等[12]對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的斜插板式沙障進(jìn)行了研究，結(jié)果表明沙障孔隙率宜為25%～40%，高度宜為1.5～2 m；李凱崇等[13]對(duì)斜插板式沙障進(jìn)行了現(xiàn)場觀測，發(fā)現(xiàn)其消減風(fēng)能效果優(yōu)異，并且風(fēng)沙流經(jīng)過墻體后沙粒的細(xì)組分含量明顯增加；Cheng 等[14]通過風(fēng)洞試驗(yàn)及現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，斜插板式沙障具有獨(dú)特的篩分沙粒作用。

圖1 斜插板式沙障示意圖

斜插板式沙障的孔隙結(jié)構(gòu)為狹長的斜導(dǎo)孔，特殊的孔隙形式能夠迫使風(fēng)沙流受沙障阻礙后，沿斜導(dǎo)孔向上爬升，克服重力做功，從而達(dá)到消減風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)風(fēng)能的作用，所以，插板與風(fēng)向的夾角通常小于90°，蘭新鐵路沿線使用的斜插板式沙障正是這一類型[13-15]。然而，目前關(guān)于斜插板式沙障插板傾角(<90°)影響下的風(fēng)沙流特征規(guī)律的研究較少，不足以揭示插板傾角變化對(duì)風(fēng)沙流的作用規(guī)律。

為優(yōu)化既有沙障的結(jié)構(gòu)形式，以發(fā)揮最大擋沙功效，本文基于CFD數(shù)值模擬方法，對(duì)具有不同插板傾角(15°，30°，45°和60°)但孔隙率均為30%的斜插板式沙障進(jìn)行風(fēng)沙流數(shù)值模擬，以期進(jìn)一步揭示插板傾角影響下的風(fēng)沙流特征規(guī)律，為鐵路沿線斜插板式沙障的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

運(yùn)用AutoCAD對(duì)4種具有不同插板傾角(α=15°,30°,45°,60°)但孔隙率均為30%的斜插板式沙障進(jìn)行幾何建模。由于斜插板式沙障在結(jié)構(gòu)上呈幾何對(duì)稱，因此，可將其簡化為二維模型計(jì)算。計(jì)算域長度為150 m，高度為30 m，沙障高度為2 m(H=200 cm)，放置在距入口50 m處。計(jì)算域模型及邊界條件見圖2。

圖2 計(jì)算域模型及邊界條件示意圖

計(jì)算域模型網(wǎng)格劃分類型采用三角形網(wǎng)格(triangles)，并對(duì)地面及沙障附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格尺寸增長率為1.1，網(wǎng)格質(zhì)量平均值約為0.95，計(jì)算域模型網(wǎng)格數(shù)量約為4.00×104個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)良。計(jì)算域網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖3。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格劃分示意圖

1.2 計(jì)算參數(shù)及控制方程

本文模擬工況下風(fēng)沙流馬赫數(shù)均小于0.3，可認(rèn)為是不可壓縮流動(dòng)，模型出口邊界條件為壓力出口(pressure-outlet)，壓力差為0，模型入口邊界條件設(shè)置為速度入口(velocity-inlet)，入口為典型風(fēng)速廓線流[16-18]：

(1)

式中：V為摩阻風(fēng)速;k為卡門常數(shù),取固定值0.4,y為高度;V(y)為y高度處的風(fēng)速值；y0為地表粗糙度,取沙粒平均粒徑的1/30[19]。

風(fēng)沙流沙粒粒徑通常在0.075～0.25 mm之間，本文數(shù)值模擬中沙粒粒徑設(shè)定為ds=0.15 mm，形狀類型為顆粒(Granular)，沙粒密度ρs=2 650 kg/m3，黏度μs=0.004 7 Pa·s，初始沙粒體積分?jǐn)?shù)為1%，類型為FLUID，空氣密度ρk=1.225 kg/m3，空氣動(dòng)力粘度μk=1.789×10-5Pa·s[20-21]。模擬風(fēng)速選取10，15，20 m/s 3種。

原題①②③三個(gè)小問一步步地引導(dǎo)考生深入探究距離概念d(A,B)的性質(zhì).如果考生不能在短時(shí)間內(nèi)有效的理解這個(gè)抽象距離概念，就只能“望題興嘆”了.這讓我們教師意識(shí)到今后課堂上的概念教學(xué)中，必須摒棄那種“重結(jié)果，輕過程”([12]) 的講授方式，讓學(xué)生們親自體會(huì)并參與到概念的形成過程中來.

本文數(shù)值模擬中主要的控制方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、和k-ε湍流方程等：

(1) 連續(xù)性方程[22]：

(2)

式中：u為速度矢量;ux,uy,uz分別為3個(gè)方向的速度矢量;ρ為密度;t為時(shí)間。

(2) 動(dòng)量方程[22]：

(3)

(4)

(5)

式中：▽為劈形算符；ρ為流體微元上的壓力;fx,fy,fz分別表示x,y,z3個(gè)方向的質(zhì)量力;τ為流體內(nèi)應(yīng)力張量的分量。

(3)k-ε湍流方程[23]：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(6)

(7)

方程組求解計(jì)算方法采用SIMPLEC算法，該算法適用于不可壓縮流動(dòng)，并且可以加快迭代過程的收斂，各分量值收斂標(biāo)準(zhǔn)為物理收斂，大小為10-6量級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 流場變化規(guī)律

氣流受沙障阻礙時(shí)，會(huì)產(chǎn)生分離而后重新匯聚，在沙障周圍形成明顯的流場分區(qū)，其特征可以反映沙障阻風(fēng)效果。以15 m/s風(fēng)速為例，繪制4種斜插板式沙障周圍風(fēng)速等值線(見圖4)。可以看出，4種具有不同插板傾角的沙障周圍均有迎風(fēng)側(cè)減速區(qū)、上方加速區(qū)和背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)生成，但受插板傾角變化影響，流場分區(qū)變化趨勢(shì)不盡相同：對(duì)于迎風(fēng)側(cè)減速區(qū)而言，其范圍受插板傾角影響較小，4種沙障的減速區(qū)范圍無明顯差異；對(duì)于上方加速區(qū)而言，其范圍存在隨插板傾角增大而增大的變化規(guī)律；對(duì)于背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)而言，隨插板傾角逐漸增大，渦流區(qū)范圍逐漸增大，渦流區(qū)內(nèi)反向氣流流速也相應(yīng)提高。

注：①圖中“a，b，c，d”分別表示插板傾角15°，30°，45°，60°； ②橫縱坐標(biāo)單位H為沙障高度(H=200 cm)，例如x=2時(shí)，表示距離沙障2 H(即400 cm)處的位置，y=2時(shí)，表示距離地面2 H(即400 cm)處的高度，正值表示迎風(fēng)側(cè)，負(fù)值表示背風(fēng)側(cè)。下同。

流線圖可以表示某一時(shí)刻氣流的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，流線上的箭頭方向可以指示氣流流向，流線的疏密程度可以反映流速大小。以風(fēng)速15 m/s為例，繪制4種沙障周圍流線圖(見圖5)。可以看出，4種傾角的插板對(duì)氣流作用規(guī)律相同：迎風(fēng)側(cè)氣流流經(jīng)斜導(dǎo)孔時(shí)，貼近地面的氣流先向下運(yùn)動(dòng)再沿斜導(dǎo)孔向上運(yùn)動(dòng)，而靠近沙障上端的氣流則順勢(shì)向上通過斜導(dǎo)孔，兩部分氣流經(jīng)過斜導(dǎo)孔后在背風(fēng)側(cè)重新匯集，而后受背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)反向氣流的作用，流經(jīng)斜導(dǎo)孔的氣流與水平風(fēng)向夾角進(jìn)一步加大。但插板傾角不同，沙障對(duì)迎風(fēng)側(cè)氣流的影響程度明顯不同：插板傾角較小時(shí)，迎風(fēng)側(cè)貼近地面的流線向下彎曲的程度較小，氣流向下彎曲運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)較弱(見圖5a)，隨著插板傾角逐漸增大，貼近地面的流線向下彎曲的程度逐漸增大，氣流向下彎曲運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)較強(qiáng)(見圖5d)；另外，插板傾角對(duì)沙障背風(fēng)側(cè)氣流也具有顯著影響，隨插板傾角逐漸增大，背風(fēng)側(cè)流線與水平風(fēng)向的夾角逐漸增大，氣流聚集加速程度也逐漸增強(qiáng)。這一結(jié)論與Cheng等[14]人所做的斜插板式沙障風(fēng)沙流場特征野外試驗(yàn)結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

圖5 來流風(fēng)速為15 m/s時(shí)的斜插板式沙障周圍流線特征

產(chǎn)生上述變化規(guī)律的原因在于不同傾角的插板對(duì)迎風(fēng)側(cè)氣流的擠壓程度不同，存在隨插板傾角增大而增強(qiáng)的變化規(guī)律，二者呈正相關(guān)。插板傾角較大時(shí)，插板對(duì)迎風(fēng)側(cè)氣流的擠壓作用較強(qiáng)，近地面的氣流需以較大的角度向下運(yùn)動(dòng)才能通過斜導(dǎo)孔，同時(shí)，較大的插板傾角也使得沙障對(duì)氣流的阻滯作用較強(qiáng)，導(dǎo)致背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)范圍較大，在渦流區(qū)反向氣流的附加作用下，流經(jīng)斜導(dǎo)孔的這一部分氣流與水平風(fēng)向的夾角進(jìn)一步增大。

為進(jìn)一步分析插板傾角對(duì)斜插板式沙障周圍流場的影響，繪制不同風(fēng)速下4種沙障前后距地面0.5 m高度處風(fēng)速變化曲線(見圖6)。從圖6可以看出，不同風(fēng)速下，4種沙障周圍風(fēng)速變化規(guī)律一致，均呈“U”型分布。對(duì)于同一風(fēng)速而言，背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)內(nèi)風(fēng)速極小值存在隨插板傾角增大而減小的變化規(guī)律，二者呈負(fù)相關(guān)，這也進(jìn)一步表明，增大插板傾角可以增強(qiáng)沙障對(duì)氣流的阻礙作用，背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)內(nèi)反向氣流流速相應(yīng)增大。

2.2 積沙遷移規(guī)律

以15 m/s風(fēng)速為例，繪制4種沙障周圍積沙分布(見圖7)。由圖7可以看出，4種沙障周圍積沙遷移規(guī)律相似，即迎風(fēng)側(cè)積沙量較少且緊貼沙障分布，主要積沙分布范圍在背風(fēng)側(cè)且與沙障保持一定距離。隨插板傾角逐漸增大，沙障迎風(fēng)側(cè)積沙量逐漸增多，而背風(fēng)側(cè)整體積沙量逐漸減少，背風(fēng)側(cè)主要積沙范圍與沙障之間的距離也逐漸增大，但對(duì)于背風(fēng)側(cè)1 H范圍內(nèi)而言，積沙量反而逐漸增多。

產(chǎn)生上述積沙遷移規(guī)律的主要原因是4種沙障所消減的風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)風(fēng)能不同：風(fēng)沙流受沙障阻礙時(shí)，迎風(fēng)側(cè)風(fēng)沙流流速有所降低，風(fēng)沙流經(jīng)過斜導(dǎo)孔時(shí)，具有一定傾角的插板會(huì)迫使氣流向上運(yùn)動(dòng)，在此過程中，風(fēng)沙流與斜導(dǎo)孔壁面相互作用，其運(yùn)動(dòng)風(fēng)能逐漸減小，另外，風(fēng)沙流向上運(yùn)動(dòng)的過程中，風(fēng)沙流的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，氣流攜沙能力進(jìn)一步降低。當(dāng)插板傾角較小時(shí)，迎風(fēng)側(cè)風(fēng)沙流流速降幅較小，風(fēng)沙流經(jīng)過斜導(dǎo)孔時(shí)損失的動(dòng)能也較少，氣流攜沙能力降低幅度較小，因此，迎風(fēng)側(cè)堆積的沙粒較少，更多的沙粒隨氣流運(yùn)動(dòng)至背風(fēng)側(cè)后逐漸堆積；而當(dāng)插板傾角較大時(shí)，迎風(fēng)側(cè)風(fēng)沙流流速降幅較大，風(fēng)沙流經(jīng)過斜導(dǎo)孔時(shí)損失的動(dòng)能也較多，導(dǎo)致氣流攜沙能力降低幅度較大，因此，在重力主導(dǎo)作用下，沙粒更易沉積在沙障附近，而背風(fēng)側(cè)主要積沙范圍內(nèi)的積沙量較少。

3 結(jié)論及討論

(1) 斜插板式沙障周圍流場分區(qū)可分為迎風(fēng)側(cè)減速區(qū)、上方加速區(qū)和背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)。受插板傾角變化影響，流場分區(qū)變化趨勢(shì)不盡相同：隨插板傾角逐漸增大，迎風(fēng)側(cè)減速區(qū)范圍無明顯變化，上方加速區(qū)和背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)范圍逐漸增大。

(2) 斜插板式沙障周圍氣流的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)受插板傾角影響呈規(guī)律性變化，隨插板傾角逐漸增大，迎風(fēng)側(cè)近地表處氣流受到的擠壓作用逐漸增強(qiáng)，氣流向下彎曲運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)，背風(fēng)側(cè)向上運(yùn)動(dòng)的氣流與水平風(fēng)向的夾角逐漸增大，氣流聚集加速程度也逐漸增強(qiáng)。

(3) 不同風(fēng)速下，4種斜插板式沙障周圍風(fēng)速均呈“U”型分布。對(duì)同一風(fēng)速而言，背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)內(nèi)風(fēng)速極小值存在隨插板傾角增大而減小的變化規(guī)律，二者呈負(fù)相關(guān)。

(4) 4種斜插板式沙障迎風(fēng)側(cè)積沙較少且緊貼沙障分布，主要積沙分布范圍集中在背風(fēng)側(cè)，且與沙障之間存在一定距離。隨插板傾角逐漸增大，迎風(fēng)側(cè)積沙量逐漸增多，而背風(fēng)側(cè)整體積沙量逐漸減少，但背風(fēng)側(cè)1 H范圍內(nèi)積沙逐漸增多，并且背風(fēng)側(cè)主要積沙分布范圍與沙障之間的距離也逐漸增大。

基于目前斜插板式沙障的研究現(xiàn)狀，降低斜插板板材在生產(chǎn)過程中原材料獲取及運(yùn)輸所產(chǎn)生的高昂成本將成為日后研究工作的重點(diǎn)，后續(xù)可以著重研究利用就地取材的方式生產(chǎn)板材，可考慮在控制成本的前提下添加纖維絲等材料以保證其強(qiáng)度達(dá)到使用要求，使斜插板式沙障在沙區(qū)鐵路或公路工程風(fēng)沙防治中達(dá)到“以沙治沙”的效果。