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轨枕式挡墙挡风沙功效的数值模拟及试验研究

2016-03-01景文宏,程建军,蒋富强

铁道科学与工程学报 2016年1期
关键词:风洞试验



轨枕式挡墙挡风沙功效的数值模拟及试验研究

景文宏1,程建军1,蒋富强2

(1.石河子大学 水利建筑工程学院,新疆 石河子 832003;

2.中铁西北科学研究院有限公司,甘肃 兰州730000)

摘要:为了对轨枕式挡墙挡风沙功效进行系统研究,从而为工程应用提供参考,基于FLUENT欧拉非定常模型,对不同孔隙率的轨枕式挡墙进行三维数值模拟研究和风洞试验研究。研究结果表明:挡墙孔隙率对挡墙迎风侧流场的影响主要体现在近地表和接近挡墙处,对背风侧涡流区等参数产生较大影响;随挡墙孔隙率增大,背风侧增速区范围变大,涡流区范围减小、位置后移、强度减弱,积沙量增大;若挡墙以防风为主要功能,采用较小孔隙率,可达到较好的防风与防积沙效果,若以阻沙为主要功能,采用25%~30%的挡墙孔隙率,可达到较好积沙效果。

关键词:轨枕式挡墙;三维数值模拟;孔隙率;风洞试验

我国许多铁路处于风沙地带,是世界上铁路风沙线分布最长的国家。强风区内风速高、风期长、起风速度快,曾经多次发生列车被大风吹翻、沙埋铁轨导致列车脱轨或被迫停轮等事故,给铁路运输带来巨大损失。为保障列车运行安全,近年来,采取在强风区铁路沿线修建挡风沙构筑物的措施,并取得显著效果。采用挡墙的主要形式有:对拉式、“L”形、土堤式和轨枕式等。挡墙的设计参数决定其挡风阻沙效果,且对工程造价有一定影响。庞巧东等[1]分别针对“L”形挡墙、对拉式挡墙、土堤式挡墙,通过二维数值模拟对挡墙背风侧流场特征与挡风功效进行了研究;刘凤华[2]通过数值模拟计算,分别针对上述形式挡墙进行了对列车运行安全防护效果影响的研究。但是对于轨枕式挡墙,由于其空隙沿竖向设置,不能通过建立简化的二维模型进行数值模拟计算,而现有研究中,系统的三维数值模拟研究并未建立,风洞试验也鲜有涉及,其参数的设计多是依照经验进行。本文基于FLUENT欧拉非定常模型,对不同孔隙率的轨枕式挡墙进行了三维数值模拟研究,并辅以风洞试验加以验证。从而对轨枕式挡墙的设计参数提出了合理的参考值,为轨枕式挡墙在强风区的应用提供了理论依据。

1轨枕式挡墙的构造

轨枕式挡墙由废旧轨枕并排埋设而成,实际工程中,轨枕式挡墙的构造有2种形式。一种是将废弃轨枕直接插入地下,并用钢绞线串联增加其整体稳定性;另一种是先修建混凝土基础和底座,基础埋入地下,底座上留有插孔,将废弃轨枕插入插孔固定,形成整体。通过采用不同形式的构造,加之对入土深度及混凝土底座高度的改变,可以按照实际工程需要建立不同高度的轨枕式挡墙。通过调整各轨枕之间的间距,可实现对挡墙孔隙率的控制。图1为轨枕式挡墙在实际工程中的应用,其中,图1(a)为一布置在铁轨附近的有底座形式挡墙,主要起挡风作用,图1(b)为一布置在距离铁轨较远处的无底座形式挡墙,主要起挡沙作用。

(a)有底座形式;(b)无底座形式图1 轨枕式挡墙的应用Fig.1 Actual application of the Sleeper typed retaining wall

2三维数值模拟及结果分析

2.1几何模型、边界条件及求解模型

由于轨枕式挡墙的轨枕之间存在竖向空隙,使其沿墙长方向存在不均匀性,故不能采用简化的二维模型进行模拟,必须建立三维立体模型。本文采用三维建模软件建立三维立体模型,模型计算长度为100 m,高度和宽度分别为10 m和20 m,挡风墙中心线距离入口边界40 m,距离出口边界60 m。分别建立孔隙率为3%,5%,10%,15%,20%,25%和30%的轨枕式挡墙模型,并导入ICEM-CFD进行网格划分。网格划分类型为Quad Dominant,划分方法为Patch Dependent,并对挡墙附近的网格进行局部加密。网格划分结果示意图如图2。

图2 网格划分结果示意图Fig.2 Results of meshing

模型入口边界类型为Velocity-Inlet,由于地表粗糙度等因素影响,实际情况中,风速沿高度方向存在变化,为使模型入口风速廓线与实际相符,通过实测风速拟合风速轮廓线方程:

v(z)=0.168v0·ln(40z)

(1)

式中:v(z)为廓线风速,m/s;v0为入口风速,m/s;z为高度,m。通过用户自定义函数(UDF)设置入口边界条件,使风速廓线符合上述方程,定义4个入口风速:6,9,12和15 m/s分别进行计算;模型出口边界类型为Outflow,设定压差为0;模型上面和侧面均采用壁面边界(Wall),边界条件为无滑移的壁面条件,壁面粗糙度(Roughness Height)为0;模型下面和挡墙墙面均采用壁面条件(Wall),边界条件为无滑移的壁面条件,壁面粗糙度(Roughness Height)为0.005 m。边界条件示意图如图3。

图3 边界条件示意图Fig.3 Schematic diagram of boundary conditions

求解模型采用k-ε双方程模型。双方程模型是将速度与长度分开求解的传输模型,其在数学方程和求解精度之间找到了一个最好的平衡点。k-ε模型适合大多数的工程湍流模型,其中k为湍动能,ε为湍动能耗散。

2.2计算结果及分析

2.2.1孔隙率对挡墙周围流场的影响

气流在近地表的运动受到挡风沙构筑物的阻碍后,其流场平顺性发生变化,尤其是挡风沙构筑物的背风侧流场发生显著变化,其变化规律应与挡墙孔隙率有关,随着孔隙率由小逐渐增大,挡墙后流场应呈现出规律性的变化。

孔隙率为3%的挡墙在入口风速为6 m/s的情况下,取计算区域的中间对称面xz面进行研究,挡墙周围流场情况如图4。

注:H为挡墙高度图4 孔隙率3%挡墙周围流场图Fig.4 Flow field around the retaining wall of 3% porosity

可以看出,在挡墙上方偏背风侧的一定范围内,由于气流被挡墙挤压,流速增大,流向改变,故流线密集,且有上扬趋势,定义此区域为挤压上扬区,其长度和高度用Lj和Hj表示。通过Lj和Hj的变化,可以掌握气流流经挡墙时背风侧上方的流场受风速和挡墙孔隙率影响的规律,表1和表2为不同孔隙率的挡墙在各风速下形成的Lj和Hj。

表1和表2中,随着孔隙率增大,Lj和Hj均有先增大后减小的趋势;风速较小时,其达到极值时的孔隙率较大;风速较大时,其达到极值时的孔隙率较小。以上现象说明挡墙背风侧上方流场是挡墙孔隙率和风速共同作用的结果。若想达到较好的干扰效果,实际工程中挡墙孔隙率等参数的设置,应考虑到当地大风频率等实际情况。在大风频率较低时,可以考虑适当增加挡墙孔隙率,反之,则应适当减小。

表1 不同孔隙率挡墙挤压上扬区长度Lj

表2 不同孔隙率挡墙挤压上扬区高度Hj

图4中,在墙后约0.2H处开始出现负向流线,这是由于气压差使流线下弯,在接近地表处返回分离区,补偿挡墙背风侧被吸卷带走的气流,在此范围内形成了涡流区。定义挡墙背风侧首次出现负向流线位置处的x坐标为Lf。通过研究Lf的变化规律,可以掌握挡墙背风侧涡流区受风速和挡墙孔隙率影响的规律。图5为不同孔隙率的挡墙在各风速下的Lf与墙高H比值折线图。

图5 不同孔隙率挡墙各风速下的Lf/HFig.1 Lf/H of different wall porosity underdifferent wind speeds

图5中,随孔隙率增大各风速下的Lf/H均增大,且增量也逐渐增大,说明孔隙率是背风侧涡流区参数的主要影响因素之一,随孔隙率增大,涡流区后移。在孔隙率不变时,Lf/H随风速增大而增大,但这种趋势在孔隙率较大时才逐渐显著。故当实际工程中需要使用较大孔隙率的挡墙时,亦应考虑当地大风频率等因素。

注:位置0处为挡墙所在处,H为挡墙高度。图6 不同孔隙率挡墙迎风侧各处风速廓线Fig.6 Wind profile in the windward side with different wall porosity

模型入口通过UDF自定义函数实现风速廓线。由于挡墙对流场的影响,迎风侧风速廓线随着与挡墙距离的变化而变化,其变化规律应与挡墙孔隙率有关,图6为不同孔隙率挡墙迎风侧各处风速廓线图。从图6可看出,若挡墙孔隙率不变,随着沿程位置与挡墙距离的减小,风速廓线逐渐趋于平缓,接近挡墙处的风速廓线与入口处风速廓线有较明显区别。说明挡墙对迎风侧流场产生干扰,使风速沿高度的变化减弱,这种干扰作用在接近挡墙处较为明显。

孔隙率对挡墙迎风侧风速廓线的影响主要体现在近地表处,当高度大于0.5 m后,各孔隙率挡墙迎风侧风速廓线基本相同。总体而言,孔隙率对挡墙迎风侧的风速廓线的影响主要体现在近地表和接近挡墙处。

2.2.2孔隙率对挡墙周围风速的影响

挡墙对其周围流场风速的影响主要体现在背风侧。图7为入口风速为15 m/s的情况下孔隙率为25%的挡墙周围的风速等值线图,图7(a)为xz对称面,图7(b)为0.5 m高度处xy面。

为突出研究挡墙孔隙率对背风侧风速的影响,定义挡墙的遮蔽效应系数:

η=(v0-vt)/v0

(2)

式中:η为挡墙遮蔽效应系数;v0为起始风速,m/s;vt为挡墙背风侧风速,m/s。

入口风速15 m/s时,各孔隙率挡墙在xz对称面不同位置处的遮蔽效应系数η如图8。

(a)xz对称面;(b)0.5 m高度处xy面图7 风速15 m/s孔隙率25%挡墙周围风速等值线Fig.7 Wind speed contour around the wall with porosity of25% and wind speed of 15 m/s

注:位置0处为挡墙所在处,H为挡墙高。图8 不同孔隙率挡墙15m/s风速下各处遮蔽效应系数ηFig.8 Shadowing effect coefficient η of different wall porosity under wind speed of 15 m/s

图8中,η<0时,说明此处风速较初始风速有所增加,η>1时,说明此处风向为负、形成涡流。

随着孔隙率增大,各曲线均趋于平缓,说明孔隙率的存在减弱了挡墙背风侧各高度处风速沿程的变化,孔隙率越大,这种变化就越小。

5.0 m高度处的曲线出现部分负值,且孔隙率越大,负值范围越大。说明此高度处背风侧一定范围出现增速区,且随挡墙孔隙率增大,增速区范围扩大。

0.5 m高度处曲线高于2.0 m高度处曲线,说明挡墙对于较小高度处遮蔽效应较好。两曲线随孔隙率增加均呈先增加后减小趋势,随孔隙率增大,曲线极大值变小,且极值出现位置后移。两曲线极大值位置附近一定范围内η大于1,随着孔隙率增大,η>1的范围减小且后移。以上现象说明随孔隙率增大背风侧涡流区范围减小、位置后移、强度减弱。

3风洞试验及结果分析

3.1试验设备及方案概况

风洞试验在中科院寒区旱区研究所风洞试验室进行,风洞洞体全长38 m,试验段长21 m,风洞截面积为1.2 m×1.2 m。整个风洞由动力段、整流段、供沙装置、试验段和扩散段五部分组成。

制作孔隙率分别为5%,10%,15%,20%,25%和30%的挡风墙模型,模型高度H=20 cm,为保证强度和刚度,模型采用PVC材料制作。

将上述模型分别置于风洞中进行试验:设定入口风速9 m/s,使用毕托管分别测试挡墙背风侧0.25H,0.5H,1H,2H,3H,5H,7H和10H以及迎风侧0.75H,1.5H,3H和5H处各高度风速值;放置沙源,入口风速调至15 m/s,持续1 min,分别测试各模型墙前、墙后积沙范围和积沙量,在挡墙背风侧3H处设置集沙盒,通过对比各孔隙率挡墙集沙盒集沙数据与未布置挡墙的集沙数据,研究挡墙对积沙的影响。试验布置示意图如图9。

图9 风洞试验布置示意图Fig.9 Layout of wind tunnel test

3.2流场测试结果分析

毕托管测试数据经处理,形成各孔隙率挡墙模型在风速v=9 m/s下的风速等值线图,如图10所示。

(a)孔隙率5%;(b)孔隙率10%;(c)孔隙率15%;(d)孔隙率20%;(e)孔隙率25%;(f)孔隙率30%注:图中坐标单位为cm,横坐标0处为挡墙所在位置,风向由右至左。图10 各孔隙率挡墙风速等值线图Fig.10 Contour map of each porosity

可以明显看出,随着孔隙率的增加,涡流区的范围逐渐减小。当孔隙率为5%时,涡流区长度超过10H,且涡流较剧烈;孔隙率增加到30%时,涡流区长度仅为2H左右,且较微弱。其规律与数值模拟一致。

入口风速设定为9 m/s,可认为风速降低至4 m/s以下处,挡风墙对流场起到了有效影响,故将墙后风速在4 m/s以下的区域定义为有效影响区。不同孔隙率挡墙模型的有效影响区面积S及0.5 m高度处有效影响区长度与墙高比值Ly/H如图11所示。

可以看出,随着孔隙率增大,曲线逐渐趋于平缓,即孔隙率越大,孔隙率的变化对阴影区面积的影响越小,当孔隙率增大到25%时,继续增加孔隙率对有效影响区面积和长度造成的影响甚微。而当孔隙率小于15%时,有效影响区范围较大,可对风速起到有效控制。故布设在铁轨附近、以挡风为主要功能的挡墙,宜设置较小孔隙率。

图11 各孔隙率挡墙模型有效影响区情况Fig.11 Effectively influenced area of different wall porosity

3.3积沙测试结果分析

各孔隙率挡墙模型在15 m/s风速下持续1 min后,其迎风侧和背风侧积沙范围和积沙重量如图12所示。

(a)积沙范围;(b)积沙重量图12 各孔隙率挡墙模型迎风侧、背风侧积沙范围和积沙重量Fig.12 Deposition area and sand weight in windwardand leeward side of different wall porosity

随着孔隙率增大,挡风墙模型背风侧积沙范围长度和积沙重量均增大,且增长率也随孔隙率的增大而增大,当孔隙率大于20%时,背风侧积沙范围长度和积沙重量均达到较高水平,且背风侧曲线远高于迎风侧,当孔隙率较大时,背风侧积沙成为积沙的主要因素。而挡风墙模型迎风侧积沙范围长度和积沙重量均随孔隙率增加而减小,当孔隙率增大到20%时,二者均可控制在较小的范围内。图13为孔隙率30%的挡墙模型两侧积沙情况。

(a)背风侧;(b)迎风侧图13 孔隙率30%挡墙模型两侧积沙情况Fig.13 Deposition of sand in both sides of the wallwith porosity of 30%

根据各孔隙率挡墙背风侧3H处的集沙仪集沙数据和未设置挡墙的集沙数据,计算各孔隙率挡墙在各高度处的截留沙量,见图14。

图14 各孔隙率挡墙在各高度处截留沙量Fig.14 Weight of intercepted sand in different heightwith each wall porosity

从图14可以看出,随着集沙盒中心高度的增加,各曲线均呈下降趋势,且曲线逐渐趋于水平,高度大于10 cm后,曲线接近水平。以上现象说明挡墙截留沙量随着高度的增加而减小,且在高度较小处变化剧烈,挡墙可对其1/2高度以下的部分起到有效的积沙控制作用,高度较大时,作用甚微。

随着孔隙率的增大,各高度的截留沙量呈下降趋势,但当孔隙率由25%增大到30%的过程中,各高度截留沙量基本相同,故在一定范围内增大挡墙孔隙率可以起到有效控制挡墙背风侧积沙的作用,但是孔隙率达到25%以后,继续增大孔隙率已失去作用。

对于较大孔隙率的挡墙,高度大于10 cm部分,截留沙量出现负值,说明在这些位置,挡墙不仅没有起到截沙的作用,反而起到了反作用,其原因是,这些位置位于流场的增速区,气流速度有所增大,其携沙能力增强。

综合考虑,布设在铁轨附近、以挡风为主要功能的挡墙,应设置较小孔隙率,如3%~5%,以减小铁轨附近积沙,同时可达到较好挡风效果,此结论与3.2吻合;若挡墙设置在距铁轨较远处,以阻沙为主要功能,则应设置较大孔隙率,如25%~30%,以达到较好阻沙效果。此结果与数值模拟的结果基本吻合,亦在一定程度上验证了数值模拟的可靠性。

4结论

1)挡墙对迎风侧流场的影响主要体现在近地表处和接近挡墙处,挡墙的干扰使迎风侧沿高度方向的廓线速度逐渐趋于均匀。

2)挡墙背风侧形成涡流区,挡墙孔隙率对背风侧涡流区参数影响较大,背风侧负向流线首次出现位置Lf与墙高H的比值随孔隙率增大而增大,且随风速增大而增大,故实际工程中,应考虑当地大风频率选取挡墙孔隙率。

3)挡墙孔隙率削弱了风速沿程变化的剧烈程度,随孔隙率增大,背风侧增速区范围扩大,涡流区范围减小、位置后移、强度减弱,积沙量增大,但迎风侧积沙量随孔隙率增大而减小。孔隙率较大时,背风侧积沙远超迎风侧,成为积沙主要因素。

4)若挡墙以防风为主要功能,采用较小孔隙率,可同时达到较好防风与防积沙效果,若以阻沙为主要功能,采用25%~30%的挡墙孔隙率,可达到较好积沙效果。

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(编辑阳丽霞)

Numerical simulation and experimental research on effect of sleeper typed retaining wall for wind and sand retainingJING Wenhong1, CHENG Jianjun1,JIANG Fuqiang2

(1. College of Water Resources and Architectural Engineering, Shihezi University,Shihezi 832003,China;

2. Northwest Research Institute Co. Ltd of CREC, Lanzhou 730000,China)

Abstract:As a systematic research on the effect of sleeper typed retaining wall for wind and sand retaining, to provide a reference for the engineering application, the sleeper typed retaining wall with different porosity was simulated, and studied by wind tunnel test based on the FLUENT model. The results showed that: The influence of wall porosity to the windward side flow is small, but large to the vortex parameters in the leeward side; With the increase of porosity, the range of growth area in leeward side increases, the vortex zone reduces and moved backward and weakened while the intercepted sand increases; In addition, if the wall is mainly for wind-breaking, using small wall porosity is better for weakening wind and reducing intercepted sand, but if it mainly for sand resistance, using porosity of 25%~30% can achieve better effect of intercepting sand.

Key words:sleeper typed retaining wall;three dimensional numerical simulation;porosity;wind tunnel test

中图分类号:U216.41+3

文献标志码:A

文章编号:1672-7029(2016)01-0046-09

通讯作者:程建军(1979-),男,河北衡水人,教授,博士,从事铁路风沙防治研究;E-mail:chengdesign@163.com

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51568057,51268050);国家青年科学基金资助项目(50908152)

收稿日期:*2015-05-18

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