馬文勇，崔子晗，柴曉兵

(1. 石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043；2. 河北省風(fēng)工程和風(fēng)能利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050043；3. 石家莊鐵道大學(xué)省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050043)

在多雪大風(fēng)的寒冷地區(qū)，風(fēng)致建筑物周邊積雪堆積會(huì)引發(fā)室外設(shè)施和通行問題，另外，長期積雪的覆蓋和融化也會(huì)加速附屬設(shè)施的腐蝕。建筑物周邊的積雪與其復(fù)雜的三維風(fēng)致繞流狀態(tài)密切相關(guān)，如壁面處氣流的分離、建筑物的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)形成的渦流等都會(huì)對(duì)建筑物附近的積雪堆積情況產(chǎn)生巨大影響。為了探究建筑物附近的積雪現(xiàn)象，使用雪顆粒模擬物降雪的風(fēng)洞試驗(yàn)(Kind[1]、Smedley 等[2]、Nemoto 等[3]、Liu 等[4]、Nikolas 等[5]、Ding 等[6]、Yan 等[7])及數(shù)值模擬方法(Liston 等[8]、Tominaga[9]、周晅毅等[10?13]、Jiang等[14]、孫曉穎等[15]、徐楓等[16]、劉多特等[17? 18])進(jìn)行了很多研究，這些研究成果往往需要以現(xiàn)場實(shí)測(Oikawa 等[19]、Tsuchiya 等[20]、Thiis 等[21])的結(jié)果作為其驗(yàn)證依據(jù)。

影響建筑周邊積雪堆積的因素很多，如雪顆粒的粒徑、雪顆粒之間的粘聚力、雪密度、種類、地面粗糙度、風(fēng)速、風(fēng)吹雪時(shí)長，還有溫度、濕度等其他環(huán)境因素[22?25]。由于風(fēng)吹雪引起的積雪堆積是一個(gè)變化的過程，因此風(fēng)速和持續(xù)時(shí)間對(duì)積雪的堆積形態(tài)會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。

Oikawa 等[26]在日本札幌對(duì)立方體周邊的積雪分布進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，風(fēng)速分別為1.7 m/s、4.6 m/s和5.2 m/s 時(shí)，立方體周圍的積雪分布有明顯差異。Liu 等[4]的風(fēng)雪聯(lián)合試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，其試驗(yàn)結(jié)果表明迎風(fēng)區(qū)積雪堆積有兩種模式，當(dāng)風(fēng)速為1.5 m/s 和2.5 m/s 時(shí)，積雪在迎風(fēng)側(cè)為一個(gè)整體；當(dāng)風(fēng)速為3.5 m/s 和4.5 m/s 時(shí)，積雪分為兩部分，一部分在迎風(fēng)側(cè)底部，另一部分在迎風(fēng)側(cè)前方。周晅毅等[13]采用拉格朗日方法模擬立方體周圍風(fēng)致積雪漂移現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速越高，計(jì)算域中雪顆?？倲?shù)的減少幅度就越大，計(jì)算域內(nèi)的侵蝕或沉積質(zhì)量通量也越大。劉多特[27]對(duì)比5 m/s、15 m/s、25 m/s 風(fēng)速下橋面雪濃度和積雪重分布情況，結(jié)果表明隨著來流風(fēng)速的增大，橋面過剪切范圍隨之增大，積雪面積將有所減小，而當(dāng)風(fēng)速超過某一限值時(shí)，特征吹雪濃度可能發(fā)生輕微減小，此時(shí)，局部積雪深度將不再持續(xù)增大。趙雷等[28]通過研究風(fēng)雪流對(duì)低矮建筑屋蓋的作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速變化，積雪漂移使積雪形態(tài)發(fā)生了改變。以上的研究均表明，風(fēng)速是影響積雪分布的一個(gè)重要參數(shù)，但是其作用機(jī)理和影響特征還不明確。

Beyers 等[29]和Tominaga 等[30]研究表明積雪的累積過程是隨時(shí)間變化的，這意味著積雪深度在不同位置以不同的模式隨時(shí)間不斷變化。在李雪峰[31]的風(fēng)洞試驗(yàn)中，480 s、960 s、1440 s 時(shí)立方體周邊的積雪分布有明顯的差別。趙有栓等[32]采用RSM 湍流模型和k-kl-ω湍流模型分別模擬了立方體模型周圍的風(fēng)致積雪運(yùn)動(dòng)，對(duì)比12 h、24 h、36 h 三個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在風(fēng)致積雪運(yùn)動(dòng)中，立方體周圍的積雪深度隨時(shí)間不斷變化。

Michael 等[33]選定粉碎的胡桃殼模擬雪顆粒，在紐約倫斯勒理工學(xué)院水洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的高低屋蓋屋面積雪重分布試驗(yàn)，試驗(yàn)得到了風(fēng)速和持續(xù)時(shí)間對(duì)高屋蓋屋面積雪傳輸率的影響。張玉杰等[34]基于Euler-Euler 方法，采用Mixture多相流模型，對(duì)輕型四坡房屋表面的積雪分布情況進(jìn)行模擬，研究表明，隨著風(fēng)速和模擬時(shí)間的增大，屋面積雪整體減少。

從已有的研究來看，積雪堆積的演化過程受到風(fēng)速、持續(xù)時(shí)間等各種環(huán)境因素的影響，且其實(shí)測建筑周邊積雪堆積情況與風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較差。為了確保多雪地區(qū)冬季的生存環(huán)境安全、舒適，精確預(yù)測不同地區(qū)建筑周邊積雪分布的演化過程是解決該問題的主要策略，而這又受到風(fēng)吹雪現(xiàn)象復(fù)雜機(jī)理的限制。目前尚沒有成熟的預(yù)測方法，更缺少以自然雪為對(duì)象，且條件較為穩(wěn)定的實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)各種預(yù)測方法進(jìn)行驗(yàn)證，所以建筑物附近積雪現(xiàn)象的再現(xiàn)性還沒有被很好地闡明。

本文選擇在冬季新疆北疆的瑪依塔斯風(fēng)區(qū)，對(duì)不同風(fēng)速下立方體模型的不同積雪堆積階段進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，測量期間無降雪且環(huán)境因素穩(wěn)定。分別對(duì)不同風(fēng)速同一時(shí)刻和不同時(shí)刻同一風(fēng)速的立方體周邊積雪分布進(jìn)行對(duì)比研究，給出了風(fēng)速和持續(xù)時(shí)間對(duì)立方體周邊積雪演化過程的影響，為建筑周邊積雪堆積預(yù)測方法提供了基礎(chǔ)的對(duì)比和驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

1 現(xiàn)場模型試驗(yàn)概況

1.1 實(shí)測場地

實(shí)測時(shí)間為2019 年12 月?2020 年1 月，地點(diǎn)為新疆北疆九大風(fēng)區(qū)之一的瑪依塔斯風(fēng)區(qū)。該區(qū)域地處吾爾喀什爾山和加依爾山之間，東西兩側(cè)分別為準(zhǔn)格爾盆地與塔額盆地。高山、盆地高差大，走廊型山間盆地貫穿于山地之間，形成了狹長的大氣環(huán)流通道，導(dǎo)致瑪依塔斯風(fēng)力強(qiáng)勁且風(fēng)速相對(duì)穩(wěn)定，測試區(qū)域如圖1 所示。

圖1 實(shí)測場地等高線Fig. 1 Contour lines in the field

此處冬季盛行東風(fēng)，在降雪天氣時(shí)可能會(huì)變?yōu)槲黠L(fēng)，每次刮風(fēng)時(shí)的風(fēng)向較為穩(wěn)定[35]，本次實(shí)測采用風(fēng)杯式風(fēng)速風(fēng)向儀測量了實(shí)測場地處測試時(shí)段內(nèi)的風(fēng)向及風(fēng)速，風(fēng)向?yàn)閃SW，風(fēng)速時(shí)程如圖2 所示。

圖2 測量時(shí)段內(nèi)風(fēng)速時(shí)程圖Fig. 2 Wind speed time history during the measurement period

瑪依塔斯氣溫較低，冬季平均氣溫約為?12 ℃，最高氣溫不超過0 ℃，平均濕度約為71%，冬季降水量為109.4 mm，冬春兩季有大范圍降雪，提供了較為穩(wěn)定且十分充足的新雪顆粒。

1.2 風(fēng)吹雪特性

雪顆粒落在放有標(biāo)尺的黑色硬紙板上，拍照記錄多組樣本，并采取圖像處理獲得雪顆粒的投影外形，根據(jù)等效面積法，得到所采樣本雪顆粒平均粒徑約為295 μm，如圖3 所示。

圖3 雪顆粒粒徑測量Fig. 3 Snow particle size measurement

通過篩雪收集一桶雪樣本測量質(zhì)量和體積的方式測量雪的密度，如表1 所示。

表1 雪的堆積密度Table 1 Bulk density of snow

通過篩雪的方式使雪顆粒在圓桶上形成圓錐且再次降落在圓錐上的雪顆?？梢宰匀幌侣鋾r(shí)，測量圓錐側(cè)邊與底面形成的夾角為其休止角，如表2 所示。

表2 雪的休止角Table 2 The angle of repose

表3 為利用自制的雪通量儀測量不同高度雪質(zhì)量和記錄測量時(shí)間的方式得到的不同風(fēng)速下不同高度的雪通量，儀器如圖4 所示，左側(cè)為進(jìn)風(fēng)口，右側(cè)為出風(fēng)口，中間采用設(shè)置隔板的方式存雪。

圖4 雪通量儀Fig. 4 Snow flux meter

表3 雪通量Table 3 Mass flux

結(jié)果表明：絕大部分的雪顆粒在距離地面約2.5 cm 高區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，由此可見新雪顆粒處于躍移層近地面位置，這與現(xiàn)場觀察到的雪顆粒運(yùn)動(dòng)方式一致，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，雪通量隨之增大，這也是導(dǎo)致積雪量增大的原因。

1.3 試驗(yàn)概況

為了便于在惡劣的環(huán)境中根據(jù)風(fēng)向變化調(diào)整模型，立方體由邊長為B=0.3 m、厚5 mm 的木板制成。將其放在長6.6 m、寬3.51 m、厚5 mm 的木底板上，最外圈測點(diǎn)位置距離模型中心前、后、左、右的距離分別為5.5B、15.5B、5.5B、5.5B，使得風(fēng)雪流在模型周圍造成的積雪都落在平坦的底板上，從而觀測更為準(zhǔn)確。風(fēng)速采用風(fēng)杯式風(fēng)速儀測量，風(fēng)速測試點(diǎn)位于模型前側(cè)來流方向1 m 高度處。

為了描述方便，將整體測試區(qū)域劃分為迎風(fēng)區(qū)、尾側(cè)區(qū)和背風(fēng)區(qū)，在模型周邊布置490 個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)插入高18 cm，直徑2.3 mm 的鋼簽，鋼簽上每間隔5 mm 做不同顏色的標(biāo)識(shí)作為雪深量度，測點(diǎn)布置及區(qū)域劃分如圖5(a)所示。在模型底板四周以不同時(shí)間間隔拍攝積雪分布的照片，每組照片將全部測點(diǎn)包括在內(nèi)，讀取鋼簽標(biāo)尺刻度作為積雪深度，實(shí)測照片如圖5(b)所示。

圖5 測試區(qū)域及實(shí)測照片F(xiàn)ig. 5 Measurement region and the photo in the field

在風(fēng)雪流中，采用風(fēng)速風(fēng)向儀測量風(fēng)向及風(fēng)速，并將模型調(diào)整為正面迎風(fēng)，在模型前側(cè)放置擋風(fēng)板，清掃干凈底板上安置模型時(shí)留下的積雪，避免殘留雪對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，隨后撤去擋風(fēng)板，通過不同的角度拍照記錄立方體周邊的積雪分布，由于立方體周圍積雪會(huì)隨著時(shí)間變化，因此要盡可能在積雪發(fā)生顯著變化且最短時(shí)間內(nèi)完成這一過程的記錄。風(fēng)速選取1 m 高度處平均風(fēng)速v=6.7 m/s、v=11.4 m/s。10 min 內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)速時(shí)程如表4 所示。

表4 風(fēng)速測量數(shù)據(jù)Table 4 Wind speed measurement data

時(shí)間選取t=1 min、2 min、4 min、8 min、10 min 作為記錄時(shí)刻，且每組拍攝時(shí)間在30 s 內(nèi)完成，確保每組照片中第一張和最后一張的拍攝時(shí)間相差最小。選取積雪變化較大的t=2 min、4 min、8 min 作為三個(gè)階段進(jìn)行分析，積雪深度采用立方體邊長B無量綱化進(jìn)行整理。

2 研究結(jié)果

2.1 最大積雪深度

如表5 所示，在迎風(fēng)區(qū)，6.7 m/s 風(fēng)速下積雪最大深度位置保持在X/B=?1.3，Y/B=0.17 的位置，11.4 m/s 風(fēng)速下積雪最大深度位置相對(duì)6.7 m/s風(fēng)速下稍微靠近模型了一些，在X/B=?1.1，Y/B=0的位置；在尾側(cè)區(qū)，6.7 m/s 風(fēng)速下積雪最大深度位置保持在X/B=1.83，Y/B=1.83 的位置，11.4 m/s風(fēng)速下積雪最大深度位置相對(duì)6.7 m/s 風(fēng)速下稍微遠(yuǎn)離模型了一些，在X/B=2.17，Y/B=1.5 的位置；在背風(fēng)區(qū)，積雪最大深度位置一直在壁面X/B=0.5，Y/B=0 處。在迎風(fēng)區(qū)和尾側(cè)區(qū)，積雪最大深度隨時(shí)間增長在逐步增大，風(fēng)速越大，積雪最大深度越大。在背風(fēng)區(qū)積雪最大深度一直保持穩(wěn)定，隨時(shí)間變化不大。

表5 積雪最大深度及其位置Table 5 Maximum snow depth and location

如圖6 所示，在2 min 時(shí)，6.7 m/s 風(fēng)速下積雪最大深度位置出現(xiàn)在背風(fēng)區(qū)，而11.4 m/s 風(fēng)速下積雪最大深度位置在背風(fēng)區(qū)和迎風(fēng)區(qū)同時(shí)存在；在4 min 時(shí)，6.7 m/s 風(fēng)速下積雪最大深度位置轉(zhuǎn)移到迎風(fēng)區(qū)，11.4 m/s 風(fēng)速下積雪最大深度位置只出現(xiàn)在迎風(fēng)區(qū)；在8 min 時(shí)，兩種風(fēng)速下積雪最大深度位置均維持在迎風(fēng)區(qū)不再變化?？梢钥闯?，立方體周邊風(fēng)致積雪最大深度位置不受風(fēng)速影響，但隨時(shí)間變化。

圖6 積雪最大深度位置Fig. 6 Location of maximum snow depth

2.2 積雪堆積形狀

圖7 中圖7(a)～圖7(c)分別給出了t=2 min、t=4 min、t=8 min 在6.7 m/s 風(fēng)速下和11.4 m/s 風(fēng)速下的順風(fēng)向中軸線Y/B=0 處的積雪堆積情況，在圖7(c)中，還給出了Oikawa 等[26]的部分實(shí)測數(shù)據(jù)作為參考。積雪深度根據(jù)其實(shí)測模型邊長進(jìn)行無量綱化處理，需要說明的是，本文的測試過程中并未出現(xiàn)降雪，Oikawa 等[26]的測試是在降雪條件下進(jìn)行的，因此，存在70 mm 的基礎(chǔ)雪深，不對(duì)積雪深度做比較。另外，Oikawa 等[26]實(shí)測風(fēng)速為1 m 高度處5.2 m/s，與本文兩種風(fēng)速下的工況形成不同大小風(fēng)速的積雪形態(tài)對(duì)比。

圖7 順風(fēng)向中軸線積雪分布情況Fig. 7 Stream wise snow distribution

如圖7 所示，在靠近立方體迎風(fēng)側(cè)壁面處，由于駐渦的產(chǎn)生，使得風(fēng)速在立方體近壁面處減小，無法帶動(dòng)雪顆粒運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致雪顆粒堆積，駐渦造成的回流區(qū)域風(fēng)速和來流風(fēng)速方向相反且風(fēng)速較大，使其發(fā)生侵蝕，在靠近立方體背風(fēng)側(cè)壁面處，氣流繞過立方體，在兩側(cè)產(chǎn)生馬蹄渦，在模型后側(cè)有回流形成，在馬蹄渦和回流渦的交界處，風(fēng)速減小，積雪從壁面中心處到兩個(gè)角部后方產(chǎn)生堆積，由于回流渦帶動(dòng)的反向氣流使風(fēng)速加強(qiáng)，在背風(fēng)區(qū)也有侵蝕產(chǎn)生，但效果不是太明顯。

在t=2 min 時(shí)，6.7 m/s 風(fēng)速下和11.4 m/s 風(fēng)速下迎風(fēng)區(qū)積雪最大深度位置相同，均在X/B=1.2處，11.4 m/s 風(fēng)速下積雪最大深度為6.7 m/s 風(fēng)速下積雪最大深度的2 倍，背風(fēng)區(qū)無太大差異。在t=4 min 時(shí)，6.7 m/s 風(fēng)速下，迎風(fēng)區(qū)積雪在X/B=?1.3 處積雪達(dá)到最大深度，在X/B=0.8 左右處侵蝕，背風(fēng)區(qū)積雪在壁面處積雪達(dá)到最大深度，在X/B=1.3 左右處侵蝕。11.4 m/s 風(fēng)速下，迎風(fēng)區(qū)積雪深度增大，積雪最大深度位置由于雪顆粒慣性力較大，向靠近模型側(cè)偏移，達(dá)到X/B=?1.1 處，背風(fēng)區(qū)積雪深度增大，積雪范圍增長，當(dāng)壁面處風(fēng)速增大，繞過模型產(chǎn)生的馬蹄渦和流過模型產(chǎn)生的回流渦交界形成的積雪堆積區(qū)域減小，積雪深度也減小。在t=8 min 時(shí)，對(duì)比Oikawa 等[26]的實(shí)測數(shù)據(jù)，當(dāng)風(fēng)速減小為5.2 m/s 時(shí)，迎風(fēng)區(qū)積雪最大深度位置由于雪顆粒慣性力較小，向遠(yuǎn)離模型側(cè)偏移，達(dá)到X/B=?1.5 處，背風(fēng)側(cè)繞過模型產(chǎn)生的馬蹄渦和流過模型產(chǎn)生的回流渦交界形成的積雪堆積區(qū)域增大，壁面處積雪深度加大。風(fēng)速越大，迎風(fēng)區(qū)積雪最大深度位置會(huì)更接近模型，背風(fēng)側(cè)靠近壁面處積雪堆積區(qū)域減小，積雪深度減小，背風(fēng)側(cè)后側(cè)積雪深度增大，范圍增長。背風(fēng)側(cè)遠(yuǎn)離立方體的位置，受到風(fēng)致積雪作用較小，積雪堆積逐漸恢復(fù)到基礎(chǔ)雪深，Oikawa 等[26]實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)雪深為70 mm，本實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)雪深為0 mm，所以存在較大差異。

為了對(duì)比不同風(fēng)速在不同時(shí)間的尾跡變化情況，選取Y/B=?2.17 處的積雪分布情況進(jìn)行了單尾側(cè)區(qū)分析，由于測試條件限制，此處雖偏離尾跡中軸線，但也能反映出尾跡變化趨勢。

對(duì)比圖8 中6.7 m/s 風(fēng)速下和11.4 m/s 風(fēng)速下尾側(cè)區(qū)積雪堆積情況發(fā)現(xiàn)，尾側(cè)區(qū)積雪呈現(xiàn)出流線型，風(fēng)速越大，積雪深度越大，積雪范圍也越廣。相對(duì)于6.7 m/s 風(fēng)速下的積雪最大深度位置，11.4 m/s 風(fēng)速下的積雪最大深度位置離模型位置更遠(yuǎn)。對(duì)比圖8(a)～圖8(c)三個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)測的8 min 內(nèi)，隨著時(shí)間的增長，兩種風(fēng)速下各自的積雪深度在不斷增加，但是積雪范圍并沒有改變。11.4 m/s 風(fēng)速下的積雪范圍要比6.7 m/s 風(fēng)速下積雪范圍更大，由此推測，積雪范圍越廣，積雪深度最大位置相對(duì)于模型距離越遠(yuǎn)。為了觀測積雪范圍是否發(fā)生變化以及驗(yàn)證該結(jié)論，選取11.4 m/s 風(fēng)速的工況進(jìn)行了長達(dá)32 min 的堆積測量，如圖9 所示，尾側(cè)區(qū)積雪范圍明顯增大，積雪深度最大位置也隨積雪范圍的增大而后移。同時(shí)發(fā)現(xiàn)尾側(cè)區(qū)積雪至少在8 min 內(nèi)積雪范圍為一固定值，不隨時(shí)間改變而改變，超過8 min 后，尾側(cè)區(qū)積雪范圍隨時(shí)間增大而增大，積雪深度也相應(yīng)的增加。

圖8 單側(cè)尾跡積雪分布情況Fig. 8 Snow distribution in the lateral side

圖9 11.4 m/s 風(fēng)速下尾側(cè)區(qū)積雪對(duì)比Fig. 9 Comparison of snow distribution in the lateral region at 11.4 m/s

2.3 迎風(fēng)區(qū)兩側(cè)的積雪情況

圖10 中圖10(a)～圖10(c)為X/B=?0.5 處t=2 min、4 min、8 min時(shí)不同風(fēng)速下的積雪分布情況，在模型橫風(fēng)向的兩側(cè)，6.7 m/s 風(fēng)速下，可以看到雪堆積，且隨著時(shí)間的增大，積雪深度也在逐漸加深，而11.4 m/s風(fēng)速下，8 min 前該區(qū)域無積雪堆積，在8 min時(shí)，有少量堆積?？梢砸姷?，在風(fēng)速不同的情況下，立方體迎風(fēng)區(qū)兩側(cè)的積雪分布有明顯的差異，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，在迎風(fēng)區(qū)兩側(cè)很快就有積雪產(chǎn)生，且隨時(shí)間增長積雪深度逐漸增大，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，該區(qū)域短時(shí)間內(nèi)很難形成積雪堆積，經(jīng)過長時(shí)間的累積才會(huì)出現(xiàn)積雪堆積現(xiàn)象。迎風(fēng)區(qū)兩側(cè)是否存在積雪堆積現(xiàn)象，會(huì)引起周圍流場變動(dòng)，從而對(duì)立方體周邊積雪分布造成影響，尤其是迎風(fēng)區(qū)壁面以及背風(fēng)區(qū)的積雪情況。

在迎風(fēng)區(qū)壁面處，由于駐渦和馬蹄渦的影響，積雪從壁面中心到兩個(gè)角部堆積，形成三角形堆積形態(tài)，11.4 m/s 風(fēng)速下的積雪深度要比6.7 m/s風(fēng)速下的積雪深度大。6.7 m/s 風(fēng)速下，該區(qū)域積雪較為穩(wěn)定，隨時(shí)間變化不大，11.4 m/s 風(fēng)速下，積雪深度隨著時(shí)間的增長一直在增大。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，迎風(fēng)區(qū)兩側(cè)已經(jīng)存在積雪，對(duì)迎風(fēng)區(qū)壁面處風(fēng)場有穩(wěn)固的效果，所以此處積雪堆積情況較為穩(wěn)定，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，迎風(fēng)區(qū)兩側(cè)無積雪堆積，迎風(fēng)區(qū)壁面處積雪持續(xù)增加。由圖9(b)中11.4 m/s 風(fēng)速下的積雪分布情況來看，迎風(fēng)區(qū)兩側(cè)已經(jīng)產(chǎn)生積雪堆積，可見隨著時(shí)間的發(fā)展，11.4 m/s風(fēng)速下迎風(fēng)區(qū)壁面的積雪也會(huì)趨于穩(wěn)定。

圖11 中圖11(a)～圖11(c)為背風(fēng)區(qū)X/B=1.83處t=2 min、4 min、8 min 時(shí)不同風(fēng)速下的積雪分布情況，在立方體模型兩側(cè)Y/B1 的位置，積雪隨著時(shí)間的增大深度不斷加深，且具有一定的不對(duì)稱性，根據(jù)在野外的觀測，這種差異是因?yàn)閬砹黠L(fēng)的不穩(wěn)定性以及風(fēng)吹雪的不均勻性引起的，在背風(fēng)區(qū)模型后方的位置，積雪深度隨時(shí)間的增長不斷加深，風(fēng)速越大，積雪深度越大。11.4 m/s 風(fēng)速下在?1

圖11 背風(fēng)區(qū)積雪分布情況Fig. 11 Snow distribution in the leeward region

圖12 流場與積雪堆積示意圖Fig. 12 Schematic diagram of the flow field and snow accumulation

3 結(jié)論

通過對(duì)立方體周邊風(fēng)致積雪演化過程的現(xiàn)場測量，揭示了風(fēng)速及持續(xù)時(shí)間對(duì)立方體周邊積雪堆積的影響，為數(shù)值模擬或風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證提供了參考。根據(jù)對(duì)實(shí)測結(jié)果的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 在無降雪且雪源充足的風(fēng)吹雪環(huán)境下，立方體周邊主要在迎風(fēng)區(qū)、背風(fēng)區(qū)和兩尾側(cè)區(qū)域出現(xiàn)積雪，其中最大積雪深度出現(xiàn)在迎風(fēng)區(qū)壁面附近或者兩側(cè)區(qū)域。風(fēng)速和持續(xù)時(shí)間對(duì)立方體周邊積雪的深度和分布范圍都有明顯的影響；

(2) 風(fēng)速較大時(shí)，迎風(fēng)前壁積雪深度增長較快，尾側(cè)區(qū)積雪范圍更長，背風(fēng)區(qū)靠近壁面處積雪堆積區(qū)域較小，積雪深度也較小，背風(fēng)區(qū)后側(cè)積雪范圍增長，積雪深度增大。較大風(fēng)速對(duì)應(yīng)的積雪最大深度在迎風(fēng)區(qū)和尾側(cè)區(qū)也比低風(fēng)速下的對(duì)應(yīng)值更大，且迎風(fēng)區(qū)積雪最大深度位置會(huì)更接近模型；

(3) 隨著時(shí)間的推移，積雪最大深度位置會(huì)從背風(fēng)區(qū)轉(zhuǎn)移到迎風(fēng)區(qū)，然后穩(wěn)定在迎風(fēng)區(qū)，尾側(cè)區(qū)積雪范圍在初期不變(本測試中的8 min 以內(nèi))，隨著時(shí)間的增長，積雪深度逐漸增大，積雪范圍也進(jìn)一步增大，積雪深度最大位置隨積雪范圍增大而向遠(yuǎn)離模型的方向移動(dòng)；

(4) 立方體兩側(cè)的積雪會(huì)引起流場變化從而對(duì)立方體周邊積雪分布造成影響，較大風(fēng)速時(shí)，迎風(fēng)區(qū)兩側(cè)不易出現(xiàn)積雪。迎風(fēng)區(qū)兩側(cè)無積雪時(shí)，隨著時(shí)間推移，迎風(fēng)側(cè)前壁積雪深度逐漸加大，背風(fēng)區(qū)模型后方積雪深度不斷加深，積雪范圍也比較大；迎風(fēng)區(qū)兩側(cè)有積雪時(shí)，隨著時(shí)間的推移，迎風(fēng)側(cè)前壁積雪穩(wěn)定，背風(fēng)區(qū)模型后方在發(fā)生少量侵蝕后保持穩(wěn)定。