劉 暢,王海龍,,孫 婧

(1.石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院,石家莊 050043;2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北建筑工程學(xué)院),河北 張家口 075132)

風(fēng)沙地區(qū)的鐵路線路受到風(fēng)沙災(zāi)害影響,會(huì)造成如鋼軌磨蝕、沙埋,列車側(cè)翻等諸多問(wèn)題。目前防沙措施主要采用植物治沙、機(jī)械治沙、化學(xué)治沙等方法,因不同區(qū)域的風(fēng)力、風(fēng)向、地形和線路條件的特殊性,往往需要因地制宜的設(shè)計(jì)防沙措施。具有建設(shè)周期短、見效快特點(diǎn)的機(jī)械治沙,成為惡劣環(huán)境中的首選防護(hù)措施[1]。關(guān)于機(jī)械措施的相關(guān)研究主要圍繞設(shè)計(jì)參數(shù)、防護(hù)效果等方面。文獻(xiàn)[2]通過(guò)研究風(fēng)場(chǎng)風(fēng)切變速度變化從而優(yōu)化防風(fēng)沙障設(shè)計(jì)參數(shù)。文獻(xiàn)[3]根據(jù)歐拉雙流體模型得到土堤式擋沙墻和柱板式擋沙墻的流場(chǎng)分布特點(diǎn)和路基積沙的形態(tài),進(jìn)而評(píng)價(jià)防風(fēng)效果。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)HDPE材料提出新型功能沙障,并通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)得到其有效防護(hù)距離和防護(hù)效果。文獻(xiàn)[5]采取數(shù)值模擬手段,針對(duì)西北荒漠地區(qū)最為常見的兩種工程措施——防風(fēng)擋沙墻與草方格沙障進(jìn)行深入研究,對(duì)其設(shè)計(jì)參數(shù)提出相應(yīng)改進(jìn)措施。文獻(xiàn)[6]通過(guò)Fluent對(duì)蘭新高鐵沿線風(fēng)沙流場(chǎng)數(shù)值模擬得出,設(shè)置擋沙墻使得線路兩側(cè)防風(fēng)效果較好,有效保障高鐵的運(yùn)營(yíng)安全。值得注意的是,目前工程問(wèn)題普遍采用雷諾平均方法(Reynolds averaged Navier-Stokes equations,RANS)設(shè)計(jì)防護(hù)措施的結(jié)構(gòu)參數(shù),通過(guò)模擬單相流場(chǎng)或采用歐拉雙流體方法獲得風(fēng)沙流場(chǎng)特征,其中,歐拉雙流體將顆粒相視為連續(xù)相進(jìn)行模擬計(jì)算[7]。而實(shí)際的風(fēng)沙流場(chǎng)屬于非定常流動(dòng),在非定常流動(dòng)下沙粒的運(yùn)動(dòng)分布是不均勻的,且在不同的風(fēng)條件下輸沙率表現(xiàn)為“鋸齒型現(xiàn)象”[8]。因此本文采用大渦模擬(large eddy simulation,LES)獲得風(fēng)沙流場(chǎng)的非定常脈動(dòng)特性[9-10],并結(jié)合在歐拉-拉格朗日框架下的離散相模型(discrete phase model,DPM)模擬沙顆粒。LES大多被用來(lái)研究建筑風(fēng)壓分布和氣動(dòng)荷載的模擬、污染擴(kuò)散以及山地風(fēng)場(chǎng)的模擬等[11-12],而關(guān)于風(fēng)沙躍移及防風(fēng)固沙措施的研究較少。真實(shí)環(huán)境中沙塵(顆粒相)的體積分?jǐn)?shù)小于10%,且顆粒會(huì)隨渦流運(yùn)動(dòng)聚集而并不是均勻分布[13],所以采用LES-DPM更適用于表現(xiàn)風(fēng)沙流場(chǎng)特性。

在前期對(duì)青海省新建地方鐵路魚卡(紅柳)至一里坪線路的考察中發(fā)現(xiàn)[14],路塹的下凹結(jié)構(gòu)更容易導(dǎo)致塹底線路積沙嚴(yán)重,成為鐵路產(chǎn)生沙害的主要原因。目前常見的風(fēng)沙防護(hù)措施模擬方法多在平坦床面設(shè)計(jì),因此,為分析在風(fēng)沙環(huán)境下路塹工況下湍流與沙粒的相互作用規(guī)律,保護(hù)鐵路工程免受風(fēng)沙災(zāi)害,本文采用歐拉-拉格朗日法針對(duì)該工況進(jìn)行模擬分析,研究湍流結(jié)構(gòu)與顆粒運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在關(guān)系,并提出相應(yīng)的防護(hù)結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)比研究流場(chǎng)及積沙分布情況,可為鐵路路塹在工程應(yīng)用中的風(fēng)沙災(zāi)害治理提供理論基礎(chǔ)。

1 風(fēng)沙流場(chǎng)數(shù)值模型的建立

1.1 數(shù)值模型的建立

真實(shí)環(huán)境中,風(fēng)場(chǎng)具有非定常脈動(dòng)特性、不同沙顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡也并不相同。LES對(duì)大于濾波尺度的渦流可進(jìn)行直接求解,獲得更多的湍流信息;DPM則可以求解每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)方程,獲得如速度、位置、路徑等信息,更易于表現(xiàn)沙顆粒的離散型和隨機(jī)性。因此采用LES結(jié)合DPM更加適合于風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的模擬。

故利用ANSYS Fluent仿真軟件,并采用用戶自定義函數(shù)(UDF)對(duì)邊界條件及顆粒設(shè)置進(jìn)行修正,建立三維風(fēng)沙流場(chǎng)模型,并對(duì)鐵路路塹流場(chǎng)進(jìn)行分析。

1.2 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

選擇某一單線鐵路路塹結(jié)構(gòu)作為流場(chǎng)模型。其中,路基面寬度為8.6 m、邊坡坡率為1∶1.5,路基兩側(cè)設(shè)置高度為1 m的側(cè)溝,并在側(cè)溝外側(cè)設(shè)置2 m寬的平臺(tái),路基面為有砟軌道單線直線軌道(對(duì)某些細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化),計(jì)算域的具體尺寸如圖1所示。流場(chǎng)整體計(jì)算域尺寸為429.6 m×100 m×60 m,來(lái)流風(fēng)向垂直于線路方向。為滿足大渦模擬的網(wǎng)格要求,準(zhǔn)確捕捉計(jì)算模型周圍流場(chǎng)的復(fù)雜湍流特性,對(duì)周圍網(wǎng)格需進(jìn)行加密處理。網(wǎng)格增長(zhǎng)率為1.1,通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,最終該計(jì)算域的總網(wǎng)格數(shù)為336.46萬(wàn)。

圖1 計(jì)算域及邊界條件

1.3 邊界條件及求解算法設(shè)定

邊界條件如圖1所示,將流場(chǎng)入口設(shè)置為速度入口,并將NSRFG[15]作為L(zhǎng)ES模擬計(jì)算的入流邊界條件,生成湍流場(chǎng)所需的脈動(dòng)風(fēng)速信息,參考高度(10 m)的風(fēng)速設(shè)置為10 m/s,采用UDF將其加載至速度入口的網(wǎng)格之中。路塹表面及平坦地面設(shè)置為無(wú)滑移壁面,流場(chǎng)頂面及兩側(cè)設(shè)置為對(duì)稱邊界,出口為壓力出口。速度壓力耦合方程采用SIMPLE法進(jìn)行求解,非線性對(duì)流項(xiàng)為二階迎風(fēng)格式離散,動(dòng)量方程采用有界中心差分格式,時(shí)間離散為二階隱式格式,亞格子模型為壁面自適應(yīng)局部渦粘模型(WALE)。收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10-5。模型計(jì)算時(shí)對(duì)入口邊界選取某一參考點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),可得到NSRFG所生成的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線(圖2)。

圖2 某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)(35,7.5,0)流向風(fēng)速時(shí)程

為構(gòu)建風(fēng)沙兩相流運(yùn)動(dòng),需在路塹前z=50～80 m地面以較小速度0.1 m/s向流場(chǎng)注入顆粒(圖1),模擬地面積沙,同時(shí)在y=2 m高度以0.1 m/s向空中注入顆粒,模擬遠(yuǎn)處的風(fēng)攜沙。顆粒的邊界條件中,除了地面為反彈(reflect)外,其余壁面均為逃逸(escape)。計(jì)算時(shí)顆粒假定為球體,注入顆粒的粒徑需服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),將計(jì)算中的沙粒平均粒徑取2.5×10-4m,標(biāo)準(zhǔn)差為0.7×10-4。根據(jù)Box-Muller算法,通過(guò)UDF編譯可將DPM中的注入顆粒設(shè)定為滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)粒徑。

由于拉格朗日離散模型中顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡強(qiáng)烈依賴湍流流場(chǎng)的流動(dòng)特征,同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的有效性,需先對(duì)純流場(chǎng)進(jìn)行LES瞬態(tài)計(jì)算。其中,時(shí)間步長(zhǎng)取為0.05 s,計(jì)算時(shí)長(zhǎng)40 s,當(dāng)?shù)玫匠錆M不同尺度湍流的計(jì)算域后,向湍流流場(chǎng)內(nèi)開始注入顆粒,此階段的時(shí)間步長(zhǎng)為0.02 s。繼續(xù)模擬40 s后,顆粒在流場(chǎng)內(nèi)充分運(yùn)動(dòng),并得到相應(yīng)的流場(chǎng)信息。

2 平衡態(tài)湍流風(fēng)場(chǎng)的驗(yàn)證

2.1 風(fēng)洞試驗(yàn)簡(jiǎn)介

風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果是參考在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心STU-1風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)。低速實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)24 m,寬4.4 m,高3 m,低速實(shí)驗(yàn)段的可調(diào)最大風(fēng)速為30 m/s。由于處于風(fēng)沙災(zāi)害的鐵路工程大多在沙漠或荒漠地區(qū),因此地貌粗糙度為A類。參考風(fēng)速設(shè)置約為10 m/s。試驗(yàn)中風(fēng)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)采用TFI眼鏡蛇三維脈動(dòng)風(fēng)速測(cè)量?jī)x,精度為0.5 m/s,采樣頻率及時(shí)間分別為330 Hz和100 s。

2.2 驗(yàn)證平衡態(tài)湍流風(fēng)場(chǎng)

向流場(chǎng)內(nèi)注入的顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)強(qiáng)烈依賴所在流場(chǎng)的湍流結(jié)構(gòu),所以需要先保證流場(chǎng)滿足大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)特性,即對(duì)大氣邊界層空流域進(jìn)行模擬驗(yàn)證。圖3為采用NSRFG方法模擬得到的風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度剖面與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[16]的對(duì)比結(jié)果。其中,Zg為梯度高度,Ug為梯度高度風(fēng)速,Iu為順風(fēng)向湍流強(qiáng)度,α為風(fēng)剖面指數(shù)。圖3中模擬得到的平均風(fēng)速與目標(biāo)風(fēng)速剖面基本保持一致,而流場(chǎng)中湍流強(qiáng)度剖面相較于規(guī)范值與風(fēng)洞試驗(yàn)值有一定的衰減。但總體而言,入口采用NSRFG方法生成的湍流流場(chǎng)基本滿足大氣邊界層目標(biāo)湍流風(fēng)場(chǎng)特性的要求,所構(gòu)建的湍流流場(chǎng)可以準(zhǔn)確模擬大氣邊界層的湍流特性。

圖3 平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度剖面對(duì)比

3 風(fēng)沙流場(chǎng)特征分析

3.1 渦結(jié)構(gòu)特性及流場(chǎng)特征分析

在風(fēng)沙環(huán)境下,鐵路工程選擇路堤作為鐵路路基時(shí),對(duì)鐵路及列車的防護(hù)手段多采用“阻隔遠(yuǎn)處風(fēng)攜沙,降低路基面風(fēng)速”的思路。圖4為采用Q準(zhǔn)則[17]作為判定方法所得到的路塹與路堤兩種路基形式下風(fēng)沙流場(chǎng)的瞬時(shí)渦型圖對(duì)比,顯而易見,路基周圍的渦團(tuán)結(jié)構(gòu)大不相同。圖4(a)中路塹內(nèi)多為復(fù)雜密實(shí)的渦旋結(jié)構(gòu),路塹上半部存在馬蹄渦,而鋼軌附近多為破碎低速渦團(tuán)。而圖4(b)在路基面上多為附著在鋼軌附近的錐形渦,馬蹄渦則聚集在路堤后遮蔽區(qū)內(nèi)。馬蹄渦所在區(qū)域會(huì)導(dǎo)致氣流流動(dòng)方向反向(即形成回流),這些回流渦旋會(huì)增加鋼軌附近的積沙量并影響列車的正常運(yùn)營(yíng)及增加清沙維護(hù)成本?？梢娫陲L(fēng)沙流場(chǎng)中,路塹結(jié)構(gòu)的沙埋風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于路堤結(jié)構(gòu),因此無(wú)法采用路堤結(jié)構(gòu)所考慮的導(dǎo)沙、輸沙思路。

圖4 基于Q準(zhǔn)則的瞬時(shí)渦結(jié)構(gòu)對(duì)比(Q>3)

考慮到大渦模擬會(huì)反映湍流脈動(dòng)的流場(chǎng)特征,圖5是某y-z截面的瞬時(shí)風(fēng)速云圖。在參考高度風(fēng)速為10 m/s的前提下,可以發(fā)現(xiàn)在路塹內(nèi)部風(fēng)速值基本不超過(guò)11 m/s,左邊坡附近風(fēng)速均小于5.6 m/s;路塹的下凹形式對(duì)路基面形成天然阻風(fēng)效果,導(dǎo)致距路基面一定高度內(nèi)風(fēng)速均小于3.6 m/s,形成低速區(qū)。

圖5 x=35 m的y-z截面風(fēng)速云圖

3.2 流場(chǎng)顆粒分布規(guī)律

為直觀得到流場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)顆粒的分布規(guī)律,將來(lái)流方向(z向)不同位置顆粒水平速度與顆粒粒徑分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到圖6。由圖6可見,整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)分布不同速度的運(yùn)動(dòng)顆粒。研究發(fā)現(xiàn)最易躍移的沙粒粒徑為0.10～0.25 mm[18],在路塹前流場(chǎng)(即z=100～116 m)分布的大部分小粒徑顆粒(d≤0.267 mm)均保持低速運(yùn)動(dòng),速度為0～4.70 m/s,而大粒徑顆粒運(yùn)動(dòng)距離基本保持在25～41 m之間。小粒徑顆粒運(yùn)動(dòng)至路塹內(nèi)后,流向速度迅速增加,速度達(dá)到-7.31～14.90 m/s,說(shuō)明顆粒會(huì)在路塹內(nèi)開始反向運(yùn)動(dòng)并出現(xiàn)速度較大的反向運(yùn)動(dòng)顆粒。圖7中的藍(lán)色流線表示氣流的運(yùn)動(dòng)軌跡,可發(fā)現(xiàn)路塹內(nèi)部的氣流流動(dòng)方向交錯(cuò)復(fù)雜,并且出現(xiàn)不同于流向方向的反向回流,即產(chǎn)生“窩風(fēng)”現(xiàn)象;同時(shí)顆粒會(huì)因?yàn)槲闪鞫案C”在下凹結(jié)構(gòu)內(nèi)而很難再次輸導(dǎo)到路塹外,最終沉降在鐵路線路周圍。

圖6 顆粒速度與粒徑統(tǒng)計(jì)

圖7 流場(chǎng)內(nèi)部分三維流線

另外,很多風(fēng)沙災(zāi)害地區(qū)的瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)到每秒幾十米,會(huì)導(dǎo)致更多沙粒進(jìn)入路塹內(nèi)后難以輸導(dǎo)出去,鋼軌的掩埋風(fēng)險(xiǎn)更大。

4 防護(hù)措施設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

由3.1節(jié)分析可知,針對(duì)存在路塹結(jié)構(gòu)的風(fēng)沙流場(chǎng),防風(fēng)固沙措施的設(shè)計(jì)應(yīng)該著重在路面阻沙,防止來(lái)流風(fēng)沙進(jìn)入路塹內(nèi),對(duì)鐵路工程造成風(fēng)蝕、沙埋等風(fēng)沙危害。

4.1 單排擋沙墻防護(hù)效果分析

根據(jù)前期在青海紅一線的防護(hù)研究,擋沙墻可以改變流場(chǎng)分布,并在其后形成一定范圍的低速遮蔽區(qū)。遮蔽區(qū)有利于沙顆粒的沉降,防止沙顆粒再次起動(dòng)。當(dāng)擋沙墻布置較遠(yuǎn)時(shí),鐵路路基未處在低速遮蔽區(qū)的保護(hù)范圍內(nèi),路基附近的地表流沙易被再次揚(yáng)起。同時(shí),風(fēng)沙地區(qū)90%的移動(dòng)沙顆粒集中在地表高度30 cm以下,選擇2 m高的擋沙墻即可達(dá)到良好的防風(fēng)阻沙效果。因此考慮顆粒起動(dòng)條件、擋沙墻遮蔽區(qū)距離,探究擋沙墻布設(shè)位置對(duì)含路塹流場(chǎng)湍流結(jié)構(gòu)分布的影響,將2 m高的擋沙墻分別設(shè)置在距離路塹0、10、20 m的不同位置處(圖8),作為工況1、工況2、工況3對(duì)比分析。

圖8 擋沙墻與路塹布置間距示意圖

4.1.1 流場(chǎng)特征分析

圖9為3種工況流場(chǎng)某y-z截面的瞬時(shí)風(fēng)速云圖(x=50 m)?？芍庇^看出,3種工況都會(huì)將氣流抬升一定高度,在路塹內(nèi)形成更大范圍的低速區(qū);同時(shí),工況2、3還會(huì)在擋沙墻后平坦區(qū)域形成低速區(qū)。隨著布設(shè)距離的增加,工況1中的氣流紊亂區(qū)(圖9(a)區(qū)域Ⅰ)會(huì)逐漸擴(kuò)散至整個(gè)塹內(nèi),湍流結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜。

圖9 3種工況下y-z截面風(fēng)速云圖(x=50 m)

為進(jìn)一步研究路塹內(nèi)的湍流變化,將3種工況的路塹中心位置的垂直風(fēng)速廓線進(jìn)行對(duì)比得到圖10。路塹內(nèi)出現(xiàn)的“S”型曲線表示此處存在紊流,沙粒在紊流作用下更易沉降堆積。由圖10可知,工況1中路塹內(nèi)均為低速渦流,且低速區(qū)高度在11.7～12.7 m之間。工況2相對(duì)工況1,在相同高度下流向風(fēng)速增大,紊流變化范圍也增大。工況3中流向速度變化范圍更大。這都表明,受擋沙墻抬升的氣流在路塹內(nèi)開始下沉,并且隨著擋沙墻與路塹距離的增加,抬升氣流下沉位置會(huì)不斷提前。但是另一方面,結(jié)合圖9可見,當(dāng)擋沙墻與路塹存在一定間距后,其后形成的遮蔽區(qū)會(huì)讓一部分越過(guò)擋沙墻的沙粒在遮蔽區(qū)沉降,減少了沙粒向路塹內(nèi)移動(dòng)的比重。因此還需探討3種工況下的顆粒運(yùn)動(dòng)分布規(guī)律。

4.1.2 防沙效果分析

圖11是計(jì)算40 s后的3種工況所在流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)顆粒分布。工況1中塹內(nèi)的顆粒數(shù)較多,并且已有部分顆粒沉降在鋼軌附近及側(cè)溝內(nèi)。而工況2、3顆粒分布的一個(gè)明顯特點(diǎn)為:在區(qū)域一平坦路面上存在一定量的沉降顆粒,并且大部分聚集在靠近擋沙墻一側(cè)。

按照?qǐng)D11將3種工況下流場(chǎng)內(nèi)不同區(qū)域的運(yùn)動(dòng)顆粒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到圖12,其中,由于工況1中擋沙墻設(shè)置在路塹左邊坡頂,因此擋沙墻后平坦地面上無(wú)顆粒沉降,即顆粒數(shù)為0個(gè)。由圖12可見,隨著擋沙墻與路塹間距增加,在相同時(shí)刻下,區(qū)域一顆粒數(shù)量逐漸增加,區(qū)域二的顆粒數(shù)逐漸降低。工況2、工況3中,擋沙墻后的回流區(qū)導(dǎo)致沉降的顆粒占越過(guò)擋沙墻的總顆粒數(shù)的45.8%、76.0%。

圖12 3種工況下不同位置顆粒統(tǒng)計(jì)

因此,通過(guò)綜合對(duì)比擋沙墻在不同布置間距下的流場(chǎng)特征及防沙效果后發(fā)現(xiàn),在距路塹段一定距離內(nèi)布置擋沙墻,通過(guò)擋沙墻對(duì)流場(chǎng)整體進(jìn)行調(diào)節(jié),在擋沙墻阻擋大部分顆粒的基礎(chǔ)上,利用其后的低速回流區(qū),可使一部分通過(guò)抬升氣流而越過(guò)擋沙墻的顆粒隨渦旋運(yùn)動(dòng)并逐漸沉降在擋沙墻回流區(qū)的平坦地面上。而工況3在相同計(jì)算參數(shù)下,擋沙墻后沉積更多的顆粒,所以高度為2 m的擋沙墻布置在距路塹20 m時(shí),相比于另外兩中工況,可產(chǎn)生良好的阻沙效果。

4.2 雙排擋沙墻防護(hù)效果分析

為進(jìn)一步阻擋擋沙墻后遮蔽區(qū)內(nèi)的空中懸移顆粒向路塹段移動(dòng),針對(duì)工況1、3中顆粒運(yùn)動(dòng)分布特點(diǎn),在路塹左邊坡塹頂邊緣加設(shè)一排擋沙墻,可進(jìn)一步增強(qiáng)擋沙墻的阻沙能力(圖13)。本節(jié)選擇兩種工況進(jìn)行對(duì)比分析,分別為工況2-2:擋沙墻1高度為2 m,擋沙墻2高度為2 m;工況2-3:擋沙墻1高度為2 m,擋沙墻2高度為3 m,計(jì)算模型中其他計(jì)算參數(shù)均與4.1節(jié)相同。

圖13 雙排擋沙墻示意圖

4.2.1 流場(chǎng)特征分析

圖14為工況2-2、2-3在某y-z截面的流向風(fēng)速云圖。可以發(fā)現(xiàn),處于路塹邊緣處的擋沙墻可以進(jìn)一步抬升上部擠壓氣流,工況2-3明顯增大了回流區(qū)范圍。通過(guò)擋沙墻2與路塹邊坡的共同作用,使得在塹內(nèi)路基面都存在一定范圍的低速回流區(qū),其流向風(fēng)速小于5 m/s。對(duì)比發(fā)現(xiàn),工況2-3中擋沙墻2對(duì)路塹內(nèi)的防護(hù)范圍要大于工況2-2,在路塹內(nèi)有更大范圍的低速回流區(qū),可降低對(duì)鋼軌及運(yùn)營(yíng)列車的風(fēng)沙威脅。

圖14 兩種工況y-z截面流向風(fēng)速云圖(x=50 m)

4.2.2 防沙效果分析

圖15為進(jìn)入流場(chǎng)內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)40 s后顆粒的運(yùn)動(dòng)位置及其瞬時(shí)流向速度圖。工況2-2、2-3的顆粒分布規(guī)律均表現(xiàn)為:擋沙墻1可阻擋大部分入射顆粒;其余一部分空中顆粒或接觸壁面后的反彈顆粒會(huì)隨抬升氣流越過(guò)擋沙墻1,并因低速回流區(qū)和逆壓梯度影響而逐漸沉積在擋沙墻1和2之間;還有一部分顆粒在抬升氣流中獲得較大運(yùn)動(dòng)速度,未在擋沙墻1和2之間區(qū)域沉降,而是越過(guò)擋沙墻2后繼續(xù)向路塹段運(yùn)動(dòng)。并且工況2-3中路塹段內(nèi)的顆粒數(shù)小于工況2-2。

圖15 顆粒運(yùn)動(dòng)位置與流向速度分布云圖

將雙排擋沙墻所在的路塹流場(chǎng)分為代表?yè)跎硥?、2之間的區(qū)域Ⅰ、代表路塹段內(nèi)部的區(qū)域Ⅱ、代表路塹后的平坦地面的區(qū)域Ⅲ(圖15)。對(duì)工況2-2、2-3中顆粒所在位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到圖16。由圖16可見,在相同顆粒入射時(shí)間內(nèi),區(qū)域Ⅰ中工況2-3相較工況2-2顆粒數(shù)減少29.8%、區(qū)域Ⅱ中工況2-3相較工況2-2顆粒數(shù)減少43.9%、區(qū)域Ⅲ中工況2-3相較工況2-2顆粒數(shù)減少10.5%。

圖16 不同區(qū)域顆粒統(tǒng)計(jì)

另外,將工況2-2、2-3與4.1.2節(jié)中的3種工況的顆粒數(shù)占比(即路塹內(nèi)的顆粒數(shù)與入射進(jìn)流場(chǎng)的總顆粒數(shù)的比值)進(jìn)行對(duì)比,得到圖17。由圖17可見,當(dāng)采用不同高度的擋沙墻進(jìn)行雙層防護(hù)后,可進(jìn)一步改善整體流場(chǎng)特征、減少路塹內(nèi)的運(yùn)動(dòng)顆粒。工況2-3中較高的擋沙墻2可防止處于較高位置、較大速度的顆粒向路塹段移動(dòng),因此該工況中進(jìn)入路塹內(nèi)的顆粒數(shù)量占比最小。本節(jié)只模擬了顆粒入射后40 s的顆粒運(yùn)動(dòng)情況,當(dāng)計(jì)算時(shí)間增加后,工況2-2、2-3在區(qū)域Ⅱ內(nèi)顆粒數(shù)量的差距還會(huì)更加明顯。

圖17 進(jìn)入路塹內(nèi)的顆粒數(shù)占比

5 結(jié) 論

路塹的下凹結(jié)構(gòu)形式會(huì)導(dǎo)致其所在的流場(chǎng)特征及顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與凸起的路堤結(jié)構(gòu)有所不同?；贚ES-DPM構(gòu)建某單線鐵路路塹風(fēng)沙流場(chǎng),對(duì)其流場(chǎng)分布和顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了研究,討論了含路塹的流場(chǎng)的防護(hù)措施優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要結(jié)論如下:

1)路塹內(nèi)路塹內(nèi)的紊流變化復(fù)雜,沙粒更易沉降、堆積在鋼軌內(nèi),沙埋風(fēng)險(xiǎn)大大增加;路塹邊坡對(duì)路基面形成天然阻風(fēng)效果,路基面一定高度內(nèi)風(fēng)速均小于3.6 m/s,沉降沙粒不易輸導(dǎo)出去。

2)通過(guò)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及分布規(guī)律進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),小粒徑顆粒會(huì)隨渦旋氣流在塹內(nèi)運(yùn)動(dòng),速度達(dá)到-7.31～14.90 m/s;而大粒徑顆粒基本在平坦地面上蠕移。因此粒徑越小越易在湍流場(chǎng)內(nèi)持續(xù)獲得動(dòng)能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

3)針對(duì)路塹特有的流場(chǎng)特征將高度為2 m的擋沙墻設(shè)置在距路塹20 m處可獲得良好的防護(hù)效果。該工況下,擋沙墻可利用對(duì)流場(chǎng)的整體調(diào)節(jié)使部分顆粒沉積在平坦地面上,大大減少了沙粒向路塹內(nèi)移動(dòng)的比重,減少了鐵路被沙埋的風(fēng)險(xiǎn)。

4)在工程成本允許的前提下,可在路塹邊緣加設(shè)一排擋沙墻加強(qiáng)防風(fēng)固沙的效果。間隔20 m的雙排擋沙墻利用高度差(2 m/3 m)可以增大回流區(qū)范圍,阻擋較高區(qū)域的運(yùn)動(dòng)顆粒,相比于單排擋沙墻可有效減少來(lái)流風(fēng)攜沙運(yùn)動(dòng)至路塹內(nèi),降低對(duì)鋼軌及運(yùn)營(yíng)列車的風(fēng)沙威脅。