黨海明,趙耀軍,扎西鄧珠,楊 林,李 勇

(1.青藏集團(tuán)有限公司格爾木工務(wù)段,青海格爾木 816000； 2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730070)

中國(guó)是世界上鐵路運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的國(guó)家之一，也是遭受鐵路風(fēng)沙災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，如蘭新高速鐵路、蘭新鐵路、青藏鐵路、臨策鐵路、包蘭鐵路等[1-5]。受風(fēng)沙災(zāi)害影響，鐵路相關(guān)部門每年需要投入大量的人力、財(cái)力和物力保障鐵路安全暢通。為減輕風(fēng)沙災(zāi)害對(duì)鐵路造成的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[6-8]、風(fēng)洞試驗(yàn)[9-11]和數(shù)值模擬[12-14]等手段進(jìn)行大量研究，剖析了區(qū)域風(fēng)沙環(huán)境和鐵路風(fēng)沙災(zāi)害形成機(jī)理[15-16]，并提出了多種風(fēng)沙防護(hù)措施，部分應(yīng)用在實(shí)際工程中，取得了良好的防沙效果[17-19]。

總體來(lái)看，鐵路風(fēng)沙防治措施可大致分為兩類：生物防沙和機(jī)械防沙[20]。前者是利用植物進(jìn)行防沙，具有一勞永逸和改善生態(tài)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)植被的立地條件要求高，前期需要機(jī)械防沙保持其成活率，并且需長(zhǎng)期灌溉維養(yǎng)，相應(yīng)的工程費(fèi)用也較高。后者是利用鋼筋混凝土、蘆葦把子、HDPE網(wǎng)、石棉瓦、卵石、黏土、化學(xué)材料等進(jìn)行防沙，具有見(jiàn)效快、施工便捷、不受環(huán)境制約、工程費(fèi)用相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，但需通過(guò)定期清除周圍積沙保持其高效性。由于鐵路工程屬于線性建筑，沿線穿越多種微地貌，具有跨度空間大的特點(diǎn)，西北荒漠區(qū)新建鐵路沿線滿足植物治沙條件的區(qū)段較少，因此，大部分路段均采用機(jī)械防沙。然而，氣流受到機(jī)械防沙措施的擾動(dòng)作用后，會(huì)在其頂部形成氣流加速區(qū)，導(dǎo)致部分沙粒越過(guò)擋沙墻，一定程度上降低了防沙效率。倘若能夠降低防沙措施頂部的氣流速度，則可能削弱該區(qū)域氣流的攜沙能力，從而提高防沙措施的阻沙效率。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種新型的可調(diào)式擋沙墻，即通過(guò)風(fēng)能自動(dòng)調(diào)整其底部擋板的開(kāi)口角度，從而削弱頂部氣流的速度，達(dá)到提高其防沙效率的目的；同時(shí)，基于數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)，研究可調(diào)式擋沙墻的防沙性能，并對(duì)其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期為防沙工程的設(shè)計(jì)提供參考和新思路。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

本次試驗(yàn)在寧夏沙坡頭中科院寒旱所風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，風(fēng)洞總長(zhǎng)38 m，試驗(yàn)段長(zhǎng)21 m，來(lái)流風(fēng)速可在0～40 m/s內(nèi)調(diào)整。風(fēng)洞試驗(yàn)中可調(diào)式擋沙墻模型如圖1所示，主要由2根立柱、4塊掛板和1塊擋板構(gòu)成。其中，1號(hào)掛板、2號(hào)掛板和擋板固定在立柱上，3號(hào)掛板和4號(hào)掛板可以隨轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn)。擋沙墻高60 cm，掛板長(zhǎng)、寬、高為107.7 cm×11.25 cm×0.7 cm，擋板長(zhǎng)、寬、高為107.7 cm×10.0 cm×0.7 cm，4號(hào)掛板與擋板之間存在5 cm空隙。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)中可調(diào)式沙墻模型示意(單位：cm)

風(fēng)洞試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)擋沙墻周圍的風(fēng)速變化情況，風(fēng)速數(shù)據(jù)采用皮托管進(jìn)行收集，風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置在迎風(fēng)側(cè)0.3H(H為擋沙墻高度)、0.5H、0.8H、1.0H、1.5H、2.0H、2.5H、3.0H、3.5H、4.0H、4.5H、5.0H、7.0H、9.0H、12.0H、15.0H以及背風(fēng)側(cè)0.3H、0.5H、0.8H、1.0H、1.5H、2.0H、2.5H、3.0H、3.5H、4.0H、4.5H、5.0H、7.0H、10.0H處，皮托管的監(jiān)測(cè)高度分別為6，9，13，16，27，63，121，202，353，499，600 mm，入流風(fēng)速分別取10，15，20 m/s。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

仿真模型計(jì)算域尺寸為100 m(長(zhǎng))×30 m(寬)，擋沙墻距離入口25 m，其尺寸與風(fēng)洞試驗(yàn)中的擋沙墻模型相似比為1∶3，即數(shù)值模擬中擋沙墻高度為1.80 m。計(jì)算域中采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格單元總數(shù)均超過(guò)65萬(wàn)個(gè)。仿真模型入口邊界定義為Velocity-inlet，出口邊界定義為Out-flow，壁面邊界條件定義為Wall。

2.2 控制方程

本研究中的風(fēng)沙流采用歐拉雙流體模型進(jìn)行模擬，其控制方程主要包括質(zhì)量方程和動(dòng)量方程，相應(yīng)的表達(dá)式如下。

質(zhì)量方程

(1)

式中，當(dāng)j=1時(shí)為氣相，當(dāng)j=2時(shí)為固相；βj為第j相的體積分?jǐn)?shù)，其中，β1+β2=1；ρj為第j相的密度；vj為第j相的速度。

動(dòng)量方程

氣相

-β1?p+?·τ1+β1ρ1g+I12(v1-v2)

(2)

固相

?·τ2+β2ρ2g+I21(v2-v1)(3)

式中，τ1和τ2分別為氣相、固相應(yīng)力應(yīng)變張量；p為氣相和固相共享壓力；g為重力加速度；I12=I21為兩相動(dòng)量交換系數(shù)；p2為固相壓力。

2.3 計(jì)算參數(shù)

風(fēng)沙流模型中將空氣設(shè)置為稀相，密度1.225 kg/m3；沙粒設(shè)置為固相，密度2 600 kg/m3；風(fēng)沙流中沙粒體積分?jǐn)?shù)取為0.02，固相設(shè)置為球形，粒徑取為0.125 mm。在CFD軟件中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)掛板的轉(zhuǎn)動(dòng)和風(fēng)沙兩相流的耦合，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求特別高。為節(jié)約計(jì)算資源，本文將3號(hào)和4號(hào)掛板分別固定為10°，15°，20°，研究不同風(fēng)速環(huán)境下不同掛板角度的擋沙墻周圍風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特性。

3 結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖2為風(fēng)速v=25 m/s，3號(hào)和4號(hào)掛板傾角(與垂直方向的夾角)分別為α3=10°和α4=20°工況下速度等值線。由圖2可以看出，可調(diào)式擋沙墻周圍速度分布形態(tài)與其他擋沙墻的類似，分別在擋沙墻迎風(fēng)側(cè)、頂部和背風(fēng)側(cè)形成減速區(qū)、加速區(qū)和紊流區(qū)。值得注意的是，在3號(hào)和4號(hào)掛板的背風(fēng)側(cè)氣流速度略微增加，形成局部高速區(qū)，主要原因是氣流在通過(guò)3號(hào)和4號(hào)掛板空隙處過(guò)流斷面減小，在“狹管效應(yīng)”作用下氣流速度得到加強(qiáng)。圖3為上述工況下對(duì)應(yīng)的氣流流線，不難發(fā)現(xiàn)，擋沙墻周圍出現(xiàn)多個(gè)渦旋流，且背風(fēng)側(cè)渦旋流的數(shù)量和尺寸遠(yuǎn)大于迎風(fēng)側(cè)。從渦旋流的發(fā)育程度分析，可調(diào)式擋沙墻背風(fēng)側(cè)的沉沙效率遠(yuǎn)高于迎風(fēng)側(cè)。

注：1.L為距擋沙墻的距離，正值代表背風(fēng)側(cè)，負(fù)值代表迎風(fēng)側(cè)；2.H為距離地表的高度；3.風(fēng)向從左到右； 下同。圖2 可調(diào)式擋沙墻周圍速度等值線

圖3 可調(diào)式擋沙墻周圍氣流流線

3.2 相對(duì)風(fēng)速

圖4為擋沙墻周圍的相對(duì)風(fēng)速變化趨勢(shì)，很容易看到，相對(duì)風(fēng)速隨距離近似呈“V”形分布，風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可靠度。此外，根據(jù)相對(duì)風(fēng)速的變化速率可大致分為4個(gè)段落：當(dāng)-10h≤S≤-2h時(shí)，風(fēng)速略微減小，減幅在20%范圍以內(nèi)；當(dāng)-2h

注：h為擋沙墻高度。圖4 距地表0.75h高度處相對(duì)風(fēng)速變化趨勢(shì)

3.3 積沙分布特征

圖5為風(fēng)速v=25 m/s，α3=10°和α4=20°工況下基于數(shù)值模擬的擋沙墻周圍積沙分布形態(tài)，很容易看到，積沙主要分布在背風(fēng)側(cè)，迎風(fēng)側(cè)幾乎無(wú)積沙，這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果一致(圖6)，說(shuō)明本文仿真模型能夠很好地模擬擋沙墻周圍的風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特征，具有較高可信度。此外，注意到背風(fēng)側(cè)積沙與擋沙墻之間存在一定距離，主要原因在于3號(hào)和4號(hào)掛板的背風(fēng)側(cè)存在氣流高速區(qū)，該區(qū)域氣流的攜沙能力得到加強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)到此的沙粒很難沉積。

圖5 基于數(shù)值模擬的可調(diào)式擋沙墻周圍積沙分布形態(tài)

圖6 可調(diào)式擋沙墻周圍現(xiàn)場(chǎng)積沙分布形態(tài)

3.4 掛板設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

擋沙墻掛板的旋轉(zhuǎn)角度不僅與其質(zhì)量有關(guān)，還與環(huán)境風(fēng)速有關(guān)。通常情況下，區(qū)域風(fēng)速比較穩(wěn)定，在一定范圍之內(nèi)，掛板的質(zhì)量可以人為控制，因此，可通過(guò)調(diào)整擋板的質(zhì)量來(lái)控制擋沙墻的防沙性能。

由于采用風(fēng)沙兩相流計(jì)算擋沙墻周圍的積沙形態(tài)需大量的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源，而前述分析表明通過(guò)擋沙墻周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和相對(duì)風(fēng)速可以較好地預(yù)測(cè)擋沙墻的防沙性能。因此，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源，首先利用單相流模擬了多種工況下?lián)跎硥χ車鷼饬鬟\(yùn)動(dòng)狀態(tài)；然后通過(guò)對(duì)比分析篩選出兩塊掛板角度大小的最優(yōu)關(guān)系；最后利用氣固兩相流模型得出不同風(fēng)速下最優(yōu)的掛板夾角。

流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和相對(duì)風(fēng)速分析表明，同等條件下可調(diào)式擋沙墻掛板角度α3≤α4時(shí)防沙性能優(yōu)于α3>α4，故下述分析的擋沙墻模型掛板均在α3≤α4條件下進(jìn)行。圖7～圖9為3種風(fēng)速下掛板角度對(duì)擋沙墻周圍積沙形態(tài)的影響，可以看出，25 m/s風(fēng)速下，3號(hào)掛板在10°～20°且4號(hào)掛板在15°～20°時(shí)，擋沙墻防沙性能最佳；35 m/s風(fēng)速下，3號(hào)和4號(hào)掛板均在15°～20°時(shí)，擋沙墻防沙性能最佳；45 m/s風(fēng)速下，3號(hào)掛板在15°～20°且4號(hào)掛板在20°左右時(shí)，擋沙墻防沙性能最佳。實(shí)際工程中可先掌握區(qū)域環(huán)境風(fēng)速，然后根據(jù)風(fēng)力和掛板角度確定兩塊掛板的質(zhì)量，使擋沙墻的防沙效率達(dá)到最優(yōu)。

圖7 25 m/s風(fēng)速下不同掛板角度的擋沙墻周圍積沙形態(tài)

圖8 35 m/s風(fēng)速下不同掛板角度的擋沙墻周圍積沙形態(tài)

圖9 45 m/s風(fēng)速下不同掛板角度的擋沙墻周圍積沙形態(tài)

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)擋沙墻存在的不足，提出一種新型可調(diào)式擋沙墻，并結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)其防沙性能進(jìn)行分析，同時(shí)優(yōu)化了不同風(fēng)速下掛板的設(shè)計(jì)參數(shù)，得到以下結(jié)論。

(1)氣流經(jīng)過(guò)可調(diào)式擋沙墻時(shí)，速度重新分布，分別在擋沙墻迎風(fēng)側(cè)、頂部和背風(fēng)側(cè)形成減速區(qū)、加速區(qū)和紊流區(qū)，這與傳統(tǒng)擋沙墻的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)類似，但受“狹管效應(yīng)”影響，在能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)的掛板背風(fēng)側(cè)形成局部氣流高速區(qū)。

(2)擋沙墻背風(fēng)側(cè)渦旋流的尺寸和數(shù)量遠(yuǎn)大于迎風(fēng)側(cè)，風(fēng)速衰減能力也遠(yuǎn)強(qiáng)于迎風(fēng)側(cè)，從渦旋流的發(fā)育程度和沙粒動(dòng)能的來(lái)源分析，擋沙墻的背風(fēng)側(cè)是主要沉沙區(qū)。

(3)可調(diào)式擋沙墻的積沙分布形態(tài)與風(fēng)速和掛板角度相關(guān)，但積沙主要集中在背風(fēng)側(cè)，且與擋沙墻存在一定的距離，而迎風(fēng)側(cè)幾乎無(wú)積沙，這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果相吻合。此外，數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)得到的相對(duì)風(fēng)速也基本一致，表明數(shù)值結(jié)果具有較高的可信度。

(4)可調(diào)式擋沙墻的防沙性能與掛板傾角和風(fēng)力有關(guān)，在不同風(fēng)速環(huán)境下，掛板的最優(yōu)設(shè)計(jì)值如下：在25 m/s風(fēng)速下，3號(hào)掛板和4號(hào)掛板傾角的最佳組合分別為10°～20°和15°～20°，35 m/s風(fēng)速下，3號(hào)掛板和4號(hào)掛板傾角的最佳組合為均為15°～20°；45 m/s風(fēng)速下，3號(hào)掛板和4號(hào)掛板傾角的最佳組合分別為15°～20°和20°。