基于Fluent的挡雪板设置方式研究

2015-03-10李楚鹏

交通科技与经济 2015年5期

李楚鹏，陈芳，高崇

（1.新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐830052；2.新疆交通建设集团股份有限公司，新疆乌鲁木齐830014）

风吹雪是指由达到起动速度的风带动起分散的、不同粒径的雪粒，在近地面流动的一种较为复杂的流体，也称风雪流。风吹雪危害主要是视线障碍危害和背风积雪危害，一般发生在纬度高、海拔高、地势起伏大的积雪山区，我国北方常遭受风吹雪害的影响，尤其是新疆的北疆地区和天山地带经常遭受此类气候灾害。每年冬季风吹雪这一极端的特殊气候现象给当地的交通安全造成极大影响。目前国内外已经研究出多种防治公路风吹雪灾害的办法，挡雪板是一种切实有效且应用广泛的防治措施。

从风吹雪害的形成机理入手，结合塔城地区公路雪害防治工程的挡雪板应用，运用Fluent数值模拟挡雪板不同设置方式对防雪效果的影响。相比风洞实验模拟运用计算机仿真软件模拟具有成本低廉的优势，周期较短且易于获得比较完整的数据，具有能模拟多种特殊情况下风吹雪现象的特点，给公路风吹雪害防治工程的设施布设提供了仿真依据。

1 挡雪板防雪原理

挡雪板一般设置于道路的迎风侧，当风雪流通过时，流体受到压缩，在挡雪板附近形成涡旋减速区，风速因受到阻碍而减小，当减小到风雪流的一般起动速度时（6m／s），大量雪粒子就开始在挡雪板前后沉积。

如图1所示，挡雪板设置在道路的一侧，破坏了道路两侧原有的流场，当风雪流流经挡雪板时，受到压缩与干扰，速度下降明显，雪粒逐渐在挡雪板前后沉积、堆积。挡雪板背风侧的积雪量要明显大于迎风侧。

图1 挡雪板防雪示意图

2 仿真原理

计算流体商业软件Fluent，是通用的CFD软件包，用来模拟不可压缩至高度可压缩范围内的复杂流体运动。因为采用了多种数值求解方法以及多重网格加速迭代收敛技术，所以Fluent可以达到最佳的求解精度和收敛速度。由于Fluent具有灵动的非结构化网格和基于解的自适应网格化技术，以及丰富且成熟的物理模型，使得Fluent在变换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流等方面都有着广泛应用，所以可采用CFD软件包仿真公路风吹雪的流体运动。

风吹雪是一种较为复杂的湍流运动，它的形成受周围环境、起动风速、路线地形、移雪量等条件制约。本文主要模拟挡雪板设置对防风雪效果的影响，因此采用Fluent作为模拟挡雪板防雪效果的计算工具。

2.1 仿真方法及模型选择

1）风吹雪属于二相流，因此可采取欧拉—欧拉方法，将不同的相变成耦合的连续介质。考虑相体积的不可占性，引入相体积率（Phasic Volume Fraction）这一概念。空间对相的时间求导就是相的体积率，所有相的体积率之和为1。从其他各相的守恒方程能推导一系列方程，这些相都具有相似的形式，由现场观测得到的数据可建立一些特定的关系，进而使上述方程封闭，计算结果收敛。

2）混合物（Mixture）模型适用于两相流或多相流（流体或者颗粒）。在Eulerian模型中，所有相都被认为是耦合的连续流，Mixture模型求解采用混合物的动量方程，并通过相对速度来描述离散相。在实际情况中，风吹运动中的雪粒子相互间存在作用力（比如静力），但这些作用力的规律目前不是很清楚，还不能被利用；一般情况下Mixture模型求解方程比Eulerian模型少一部分，所以Mixture模型计算快，同时Mixture模型的计算比Eulerian模型更稳定，所以仿真模型选择Mixture模型。

2.2 控制方程

风雪二相流视为连续相，满足连续性方程，其微分形式的表达式为

式中:ρ为不可压缩空气密度，t为时间，ui为粘性系数，xi为坐标矢量。

Fluent求解的能量方程为

式中:keff＝ki＋k为方程有效导热系数（湍流导热系数由湍流模型定义）；Jj′为组分的扩散通量；方程等号右边三项分别为导热项，组分扩散相，粘性耗散项；Sh为化学反应热和其他体积热源。

风吹雪中雪粒子的运动形式一般分三种:蠕动（滑移），跃动，悬浮。越来越多学者认为湍流对雪粒子运动有一定影响，尤其在悬浮状态，但目前风吹雪二相流理论还不成熟，湍流影响模型也不完全清楚，为简化计算，省略湍流对风雪流的影响。

3 仿真过程及结果分析

挡雪板的防雪效果由透风率、挡雪板高度、布置与路肩距离等因素决定。本文研究在挡雪板高度一定，有无透风率，布置离道路侧0.5m、20m、50m挡雪板的模拟防雪效果，并对结果进行比对分析。

二维模型选用了塔城地区S201线典型路堤横断面作为模拟用路，路基宽为12.0m，路堤高为1.5m，边坡比为1∶3，用CAD建好二维模型，再导入Gambit软件对模型作网格划分，如图2所示。

3.1 无透风率

假设在15m／s稳定风速下（塔城地区近年来冬季大风频率最高风速为15m／s左右）。路肩边缘设置挡雪板，会在路面产生大量积雪，需要铲雪车来回清理，严重影响交通畅行，因此不考虑将挡雪板设置于路肩旁，在距离路肩25m、50m处设置挡雪板，并在此次模拟中采用透风率为0%、25%、75%的挡雪板进行对比试验。

首先进行的是透风率为0的挡雪板计算机模拟，假设环境温度为270K（－3℃），得到如下2张实验模拟迹线云图，如图3、图4所示。

图2 路基二维模型网格化

图3 距离为25m不透风挡雪板迹线

图4 距离为50m不透风挡雪板迹线

3.2 有透风率

透风率为25%的挡雪板数值模拟，假设环境温度为270K（－3℃），得到下面两张实验模拟迹线云图，如图5、图6所示。

透风率为75%的挡雪板数值模拟，假设环境温度为270K（－3℃），得到如下两张实验模拟迹线云图，如图7、图8所示。

通过使用Fluent对风吹雪流场进行仿真模拟，对迹线图进行分析可知，挡雪板的设置改变了原来路基附近的流场，当风雪流经过挡雪板的阻挡时，风被压缩，风吹雪的路径方向发生变化，在挡雪板附近形成涡流减速区。

图5 距离为25m、25%透风率挡雪板的迹线云图

图6 距离为50m、25%透风率挡雪板的迹线云

图7 距离为25m、75%透风率的挡雪板的迹线云

图8 距离为50m、75%透风率的挡雪板迹线云

从3组模拟试验的迹线图分析可知:第一，当挡雪板为不透风时，风吹雪经过挡雪板，受到阻挡，迎风面积雪堆积到一定程度，风吹雪流绕过挡雪板，风能并没有减弱。当挡雪板有一定的透风率（为25%）时，风吹雪经过挡雪板后有十分显著的阻挡作用，压缩空气、降低风速，雪粒沉积后减轻了风吹雪对行车驾驶员视线的影响。透风率为75%时，风雪流受挡雪板的压缩和扰动作用减小，风吹雪流经过挡雪板前后的运动变化不明显。第二，挡雪板的设置距离也对风雪流路径有影响，挡雪板设置距离为25m时，路基、边坡处均形成了减速区，导致雪粒在坡脚沉积，如果输雪量足够多，路面会产生大量积雪；挡雪板设置距离为25m时，不透风挡雪板路面形成紊流区，而透风挡雪板路基、边坡处均形成减速区；挡雪板距离为50m时，从挡雪板至迎风坡脚都会有雪粒沉积，保证路面不会有大量积雪。

挡雪板合理设置对防雪效果至关重要。通过上述分析，结合塔城地区公路风吹雪害的防治工程。由S201线挡雪板观测结果可知，在其他条件一定时，透风率为25%且距离路肩50m的挡雪板防雪效果最佳。