野外全风向梯度集沙仪集沙流场特性的数值分析

张云鹏，程建军,朱文智，景文宏

（石河子大学水利建筑工程学院，石河子,832003）

新疆地处亚洲腹地，大陆性气候显著，干燥少雨，夏季酷热，冬季严寒，受西伯利亚、乌拉尔山南下冷空气的影响，风力强劲，大风频繁。新疆铁路风区的大风主要有风速高、风期长、季节性强、风速变化快等特点[1]。常年的风沙侵蚀，不仅对铁路沿线的火车、轨道破坏和磨损很大，对铁路线周边的环境也有很大的影响。因此，研究铁路沿线风沙流结构和风蚀程度，对新疆的社会和经济发展意义重大。

集沙仪是研究风沙流结构和土壤风蚀的重要仪器。集沙仪的工作原理是：风将沙送入集沙仪空腔内，将沙留在腔内后离开。集沙仪通过这种方式在腔内积累沙子，并在给定的时间内对通过集沙仪横截面沙子的流量进行测量[2]。集沙仪作为专门用于收集风蚀颗粒以研究风沙运动规律的采样仪器，其采样性能对于完成野外风蚀观测和室内风洞实验研究具有重要意义。最早的野外风沙观测器是由Bagnold[3]设计的垂直长口形集沙仪，但其无旋转装置；Chepil[4]将集沙仪改造为旋转式，但既不能排气又不适恶劣的风沙天气；Merva和Peterson对改进的Bagnold集沙仪做了进一步的设计研究，研制成了可旋转的通风集沙仪，克服了上述不足，但其较易侵蚀土壤，旋转边与地表平齐的合适位置很难找到；Shao[5]等改进了Bagnold集沙仪，成功研制了由真空泵驱动的垂直集成集沙仪，其进沙口很窄，主要用在便携式风洞内测试风蚀过程中水平沉积流量测定，该集沙仪缺点是没有导向翼板并且集沙口方向是固定的；2011年李荧[6]等对兰新铁路沿线的既无排气孔又不可旋转的集沙仪进行了改进，设计出了全风向梯度集沙仪（图1），该集沙仪是目前国内最先进的集沙仪之一，其集沙高度最高可以达到10 m，并且集沙箱可以随风向变化自动调整，从而使集沙口始终朝向迎风面，满足全风向观测要求，而且气流流通性能好，适合野外戈壁恶劣的工作环境。

集沙仪性能的优劣对后期的输沙率的测定和风沙流结构的研究有很大的影响，所以集沙仪性能的试验和效果的测定是十分重要的。输沙率表示单位时间内通过单位宽度或单位面积的输沙量，不仅是衡量沙区沙害程度的重要指标之一，也是风作用下沙尘和风沙流结构研究中一个重要参数，同时也是防沙治沙工程设计的主要依据。对于风沙活动跃移占主导形式，输沙率主要计算地表0～20 cm的风沙量[7-8]。

CFX流体力学数值分析程序广泛应用于航空航天、汽车、生物技术、环保等领域，同时在风沙环境问题中也有一定的应用。本文利用CFX分析程序对兰新铁路沿线布设的全风向梯度集沙仪进行数值模拟，通过对集沙仪腔内流场要素和集沙效率的研究分析,期望为西北铁路沿线高性能集沙仪的研制和效率稳定集沙仪的设计提供科学理论依据。

图1 全风向梯度集沙仪Fig.1 The full wind gradient sand trap

1 数值分析计算基础

1.1 几何建模

本文运用Solidworks建模软件对改进前的集沙仪和改进后的全风向梯度集沙仪进行建模的，并且在此基础上简化模型。模型的尺寸要求符合集沙仪的实际情况。模型的具体尺寸如下图所示：

图2 集沙仪三维模型及尺寸示意图Fig.2 Three-dimensional model and the specific size of sand traps(a、b：Three-dimensional model of the vent sand trap and the non-vent sand trap,c、d、e、f：The specific size of sand traps)

1.2 网格划分

本文运用CFD-ICEM网格划分工具对模型进行网格划分，网格划分质量的高低对后期的计算分析影响很大。当网格数目达到一定程度时，能够较好地反映出实际情况，而继续增大网格数目，几乎不再能够提高计算精度，却增加了计算所耗资源，降低了计算速度。所以该模型网格划分时，无孔集沙仪（图3a）网格总结点为138192个，网格单元为815909个，有孔集沙仪 （图3b）的网格总结点为139643个，网格单元为823063个。

图3 集沙仪模型网格图Fig.3 The model grid graph of the sand traps

1.3 设置材料

在CFX中，常用的流体类型包括Fluid(流体)和Solid（固体）2种，本文研究风沙二相流，材料为空气和沙粒，不考虑温度的影响和热量的交换。本文假设空气是不可压缩牛顿流体，密度为1.225 kg/m3，动力粘度为 1.7895×10-5kg/（m/s）， 沙粒被视为均匀化球形，其直径为0.1 mm，密度为2.5 g/cm3。

1.4 边界条件

1）进口：速度进口（Velocity Inlet），分别为 7、15、20、25、30 m/s。

2）出口：压力出口（Press Outlet Boundary Condition），出口设置为去气出口（Degassing Condition）。

3）壁面：无滑移壁面（No-slip Wall Boundary Condition）。

1.5 控制方程

因本二相流模拟不考虑热量的交换，是单纯的流场问题，所以不包括能量方程。本模拟采用标准的k-ε模型，其中k为湍动能，ε为湍动能耗散。该模型包括连续方程、动量方程、湍动能k方程和湍动能耗散方程ε，4个方程：具体如下：

1）连续方程：

2）动量方程：

3）湍动能方程：

4）湍动能耗散方程：

上式中，ρ为密度；U为集沙仪周围流场X，Y,Z方向速度矢量；P为压强；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；B为体积力总和；μeff为有效粘度；p'为修正压力；μ为分子粘度；μt为湍动能流粘；σk为k方程湍流模型常数；Pk为湍流剪切产出项；σεRNG为RNG k-ε湍流模型常数；Cε1RNG为 RNG k-ε湍流模型系数；Cε2RNG为 RNG k-ε 湍流模型系数。

1.6 集沙效率的计算方法

Goossens等[9]认为，将试验集沙仪与标准集沙仪在相同条件下观测的输沙率进行比较是确定集沙仪的集沙效率的惟一方法。但是，完全相同的条件是不可能实现的，同时目前尚没有标准集沙仪。董志宝等[10]利用单位宽度的沙盘输沙量作为被认为正确的总输沙率，计算出的集沙效率较为可行，其缺点是需要考虑风洞侧壁的影响，引入修正系数，从而增大了计算的误差。Wim等[11]确定集沙效率的方法和董志宝等的类似，不同的是沙盘宽度与风洞宽度的比为1/3，从而避免风洞侧壁的影响提高计算精度。

本文采用Wim等[11]采用的方法确定集沙仪的集沙效率。集沙效率η定义如下：

式（5）中：mtrap为集沙仪收集到的沙量，kg；mtray为实验前沙盘的盛沙量，kg；wtray为集沙仪进口处的宽度；wtrap为沙盘的宽度。

在模型尺寸以及高度、风速和粒径等都相同的条件下,利用风洞实验，释放10000颗沙粒得到的集沙效率η,试验10次再做平均得到最终的η值。

2 集沙仪腔内流场的计算结果与分析

2.1 集沙仪腔内速度场特性分析

图4是集沙仪的侧面图。在进行风场分析时，选取集沙仪腔内部中心的特征线，并将其划分成19个特征点，然后计算每个特征点的风速值和压强值，再根据提取的数据进行结果分析。

图4 集沙仪选取的特征线及特征点Fig.4 The characteristic line and feature points of sand trips

图5给出了无孔集沙仪和有孔集沙仪在相同风速下集沙腔内流线图。从流线图中可以明显得出有孔集沙仪集沙腔内部的速度远小于无孔集沙仪集沙腔内部的速度，并且有孔集沙仪的内部紊流也比无孔集沙仪的内部紊流要简单的多（虽然看上去有空集沙仪的内部紊流要混乱，但是紊流的速度是很小的）。所以集沙仪设计排气孔很有助于集沙仪对沙粒的捕获从而提高集沙效率，而不至于集沙仪腔内产生很大的紊流从而使沙粒反弹出集沙仪或堆积在集沙口。

图6数据图也印证了在图5中做出的结论。

图6a显示：无孔集沙仪由于内部紊流特别强烈在特征点14处开始进入涡流区速度迅速降低，在涡流区中心特征点16处降为最低。图6b显示：由于有排气孔的存在，并且排气孔在特征点10处的正上方，所以特征点10特别有代表性。由于排气孔很小，所以流量一定的情况下在特征点10处的速度会达到很大，大量的气体通过排气孔排出使集沙腔内的空气的紊流程度降到了最低，这样有助于沙粒的捕获，提高集沙效率。

图5 相同风速下无孔和有孔集沙仪集沙腔内流线图Fig.5 The flow chart of the non-vent sand trap（a）and vent sand trap(b)in the same set of wind speed

图6 无孔和有孔集沙仪分别在不同风速下特征点的速度值Fig.6 The velocity values of non-vent sand trap（a） and vent sand trap(b)feature point in different wind speed values

2.2 集沙仪腔内压强场特性分析

图7是无孔集沙仪和有孔集沙仪在不同风速下特征点的压强值。

图7显示：无孔集沙仪的内部场强在不同风速下都比有孔集沙仪的内部场强大的很多。集沙仪的内部压强越大，内部的紊流涡旋程度越严重，越不易收集沙子。当风速一定时，集沙仪内部的压强很大，但特征点的值基本无变化（图7a），这是由于集沙腔内部的紊流程度很剧烈。由于集沙仪内部的速度场变化从而使其内部产生负压，有助于集沙仪内部气流的流通，提高积集沙效率（图7b）。

图7 无孔集沙仪和有孔集沙仪分别在不同风速下特征点的压强值Fig.7 The pressure values of non-vent sand trap（a）and vent sand trap(b)feature point in different wind speed values

2.3 集沙效率分析

图8是无孔集沙仪和有孔集沙仪分别在风速为7、15、20、25及30 m/s时的集沙效率。此实验是在风速、时间、铺沙量、铺沙面积、厚度等各种条件完全相同情况下,利用风洞实验测得的数据。

由图8可知：无排气孔的集沙效率最低。进沙口上方开孔的集沙效率最高，且均在90%以上。

图8 无孔集沙仪和有孔集沙仪的集沙效率图Fig.8 The sand trap efficiency graph of non-vent sand trap and vent sand trap

4 结语

本文通过ANSYS-CFX数值分析程序模拟了风沙在集沙仪中的运动情况，分析了不同集沙仪设计类型对流场和集沙效率的的影响，结果表明：

1）有排气孔的集沙仪可以明显降低集沙腔内部流体的紊流程度，易于捕获沙粒，提高集沙效率；相反，无排气孔的集沙仪的集沙腔内部流体的紊流复杂，在集沙腔形成涡旋，不易于沙粒的捕获。

2）上述模拟结果与风洞的试验结果基本一致，说明数值模拟的结果是真实可靠的。

3）本文对流场和集沙效率分析的结果可为进一步研制高效集沙仪提供科学依据，同时为铁路沿线防沙提供更可靠的风沙物理参数。

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