风沙流对戈壁地区挡风墙响应规律的数值模拟分析

李晓军，蒋富强

(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州　730070; 2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州　730000)



风沙流对戈壁地区挡风墙响应规律的数值模拟分析

李晓军1，2，蒋富强2

(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州730070; 2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州730000)

摘要:基于FLUENT欧拉双流体模型，对兰新铁路沿线既有挡风墙周围风沙两相流运动特性进行数值模拟，得到挡风墙背风侧的流场分布特点以及积沙情况。结果表明:挡风墙背风侧风速廓线变化规律呈指数增长趋势，在0.5 m至挡风墙自身高度区间内变化较为复杂，呈先减小后增加的趋势;挡风墙背风侧近地表气流速度反向增大后沿着初始速度的方向减小为0且继续增大至初始速度大小，风速最大值增加的幅度保持在50%左右，风速越大，气流的削弱作用越明显;当初始气流速度为较小时，线路上积沙较少，沙粒多数堆积在挡风墙背风侧墙角处;随着风速的增加，单位时间内通过挡风墙的沙粒增多，由于过流断面减小，气流扩散，更多沙粒沉积在线路上;在强风地区，布设挡风墙时应考察线路上风向的地表情况，沙源比较丰富时应采用工程治沙措施来减小风沙流密度，达到防沙的目的。

关键词:兰新铁路;挡风墙;风沙两相流;数值模拟

兰新铁路沿天山山前戈壁地带穿过，绝大部分路段处在干旱荒漠风沙地带，在寒潮天气的影响下，形成了特殊的大风天气，风力强劲，风向多变，大风频繁，途经安西风区、烟墩风区、百里风区、三十里风区和达坂城风区等五大风区，尤其以百里风区风力最为强劲，风速最高可达60 m/s，局部地段每年有200 d风力在8级以上［1-2］。在强气流运动作用下，戈壁地表严重失稳，风沙灾害频发，造成路基风蚀和线路积沙等危害，运输时常迫停，每年因大风停运造成的直接经济损失达数亿多元。通过调查研究在铁路沿线迎风侧修建挡风墙是铁路安全运营的一项重要措施［3-5］。

对风沙流的研究已经有了很长的一段历史，近几年来，国内外众多学者采用风洞实验及数值模拟等手段对路基以及挡风墙的功效进行了研究，并得到了不少成果［6-9］。文献［10］通过对路堤周围风沙两相流运动特性进行数值模拟研究，发现沙粒速度与风速相互影响形成一种反馈机制并揭示了路基迎风坡积沙量大于背风坡的形成机理。文献［11］通过对戈壁区路基周围风沙流进行数值模拟研究，发现在路基周围有气流的相对高速区和相对低速区，在相对高速区产生风蚀沙害，在相对低速区产生积沙。文献［12］通过实验测定挡风墙的表面压力分布、最佳疏透度、路基高度和不同轨心距的挡风墙合理高度等指标，发现挡风墙工程以高3 m紧密结构矩形体为宜。文献［13］通过实地调查分析与现场测试，发现3 m高挡风墙在墙后距离5 m以内存在低速涡旋积沙区，当平均风速不大于41 m/s且上风区没有新的沙源补充时，通常设置的3 m高挡风墙基本可以阻挡风沙流的运动。

这些成果都是从挡风墙防止列车倾覆的角度去研究，并没有考虑到挡风墙造成的沙害问题，事实证明，在挡风墙为机车的稳定性运营提供安全保障的同时，也会造成线路积沙。本文基于FLUENT软件，模拟风沙两相流途经挡风墙不同几何条件时挡风墙背风侧流场的变化情况，并对挡风墙背风侧线路积沙形态进行研究，为铁路防风防沙提供依据。

1　数值分析模型建立

兰新线位于戈壁滩地段，沙源较为丰富，并且途经五大风区，风力强劲，大风经常卷起地面的沙子击碎车窗玻璃，为此，兰新线挡风墙的实际高度设定为3 m，正好位于客车车窗玻璃上方。同时，兰新线上的风为季风，风向较为稳定，因此，兰新线修建的是单侧挡风墙［14］。具体参数设置过程如下。

1.1控制方程

由于铁路沿线横向风速一般小于50 m/s，马赫数小于0.3，故流动按二维不可压缩处理［15］。另外，本模型不考虑热量的交换，是单纯流场问题，不用包含能量方程。所以描述防风挡沙墙后的风场的控制方程主要包括连续方程、动量方程和湍流模型方程，本文采用的湍流方程式k－ε湍流模型。

动量方程

式中，ux、uy为速度分量;为速度矢量;ρ为密度; g为重力加速度;τ是因分子黏性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力分量; P为流体微元体的压强; t为时间。单位统一为国际单位。

连续方程

式中，k为湍动能;μt为湍动粘度;ε为湍动耗散率; u为速度分量; G由平均速度梯度引起的湍动能产生;σk、σε为相对应的普朗特系数; C为经验常数。

1.2计算区域

为了让气流的绕流和流场发展充分，为避免路堤背风侧涡旋流对出口边界条件的影响，理论上计算区域应越大越好。应用Gambit软件建立二维计算模型，通过试算，模型总体尺寸取为120 m×25 m。为节约计算资源，将路堤模型靠近风速入口40 m处，此时，挡风墙后面流场基本达到充分发展，计算区域更大时计算结果改变很小。模型中取路堤高度3 m，路堤边坡坡率为1∶1.75，对在不同几何条件下的挡风墙进行数值模拟。

1.3网格划分及边界设置

本文所建模型较为复杂，为节省工作量采用Pave法将区域划分为非结构性网格，网格类型为Tri(三角形)网格形式。由风沙流的分布特点可知近地表的沙粒运动更加复杂，因此防风挡沙墙及其路堤周围部分网格划分较为密集，而在进口、出口和上侧划分较为稀疏。这样划分既考虑到模拟计算的收敛时间、计算机的计算能力，又充分考虑到了在重点部位划分密集以保证模拟准确性的原则，从而严格控制了网格的数量，提高了计算精度和效率。网格整体数量超过了60万，计算模型的网格划分如图1所示。入口采用速度入口边界(VELOCITY_INLET)，出口采用出口流动边界(OUTFLOW)，地面、挡风墙与其他边界采用固体无滑移壁面边界(WALL)。

图1　计算模型的网格划分

1.4FLUENT求解模型及参数选取

本次试验采用欧拉两相非定常模型、k－ε湍流模型(采用标准壁面函数)的标准格式。指定空气为基本相，定义沙作为第二相，由于此次模拟戈壁地区风沙流，取沙相的体积分数为0.02［10］。风沙之间采用Schiller-naumann计算两相之间的阻力，并考虑沙的重力。入口处的风沙流速度分别取10、20、30、40 m/s，风沙流中的沙粒粒径一般在0.075～0.25 mm，本次计算取0.1 mm。由于采用欧拉双流体计算模型，计算方法采用一阶迎风格式。

2　数值模拟分析与讨论

2.1挡风墙背风侧流场特征分析

采用FLUEN软件对给出的有关流场的基本方程数值求解后，可得到在不同条件下路堤周围的流场特征。

图2为挡风墙高度为3 m，风沙流初始速度为20 m/s时路堤周围气流速度矢量图。

图2　设置3 m高挡风墙时路堤周围气流速度矢量图

按照能量守恒定理，一部分气流通过挡风墙时速度增加，所携带的沙粒速度也增加，必然有一部分沙粒速度降低，沉积在挡风墙背风侧，造成线路积沙，给行车运营带来不便。从图2中不难看出，受挡风墙和路堤影响，周围气流速度发生改变。当气流途经路堤和挡风墙时，气流速度形成分区:随着气流靠近挡风墙，过流断面减小，气流被压缩发生绕流，在迎风侧墙底形成涡旋流，携沙风速度减小，一部分沙粒在此处堆积。当气流绕过挡风墙以后，过流断面增大，气流发生扩散，携沙风会带走一部分沙粒直接跃过线路上方被带向远处，另一部分则会落下，在挡风墙背风侧堆积;受逆压梯度的影响在路基顶面上方形成气流紊流区，并且形成了一个明显的涡流，此处沙粒运动比较复杂，在涡流作用下，部分沙粒会堆积在挡风墙背风侧墙角位置处，另一部分沙粒在反向风的作用下从路堤背风侧坡脚朝着线路运动并在此处重新进行二次堆积。

2.2高度对挡风墙周围风沙流运动特性的影响

挡风墙在为列车的安全运营提供保障的同时，不可避免地造成了线路积沙，为了研究挡风墙背风侧风沙流结构与挡风墙高度的关系，分别取挡风墙高度为3.0、3.5、4.0 m，初始风沙流瞬时速度20 m/s为例进行数值模拟研究。

风沙流是指含有沙粒的运动气流，其形成必须要具备地表较为丰富的沙物质和一定的风力。风是沙粒运动的动力来源，研究背风侧流场情况主要是研究气流速率的变化情况。如图3所示，不同高度挡风墙背风侧一定高度内的风速垂直轮廓线呈现出大致相同的走势规律，可分为3个阶段。在0～0.5 m风速增大较快，呈指数分布规律，并且随着挡风墙高度的增加，风速增加的幅度较大，当挡风墙高度为3 m时，在这个阶段内最大风速约为7 m/s，当挡风墙高度为4 m时，最大风速约为9 m/s。在0.5 m以上至挡风墙自身高度区间内风速变化较为复杂，呈先减小后增大的趋势，并且风速较低，基本保持在2～9 m/s，挡风墙高度越高，距床面同一高度处风速越大。在挡风墙高度0.5 m以上部分区间为加速区，随着挡风墙高度的增加风速呈指数分布规律急剧上升恢复至初始风速。挡风墙高度越高，恢复初始速度的位置距离路基顶面的高度越高，说明涡旋区范围越大，基本都在挡风墙本身高度以上1 m位置处恢复至初始速度。

图3　不同高度条件下风速垂直轮廓线图(背风侧距挡风墙2 m处)

风沙流是一种风吹沙动的现象，近地表风速对沙粒的运动有着显著的作用，所以研究近地表风速对挡风墙背风侧的积沙形态有着重要意义。图4为3种高度挡风墙距床面0.5 m处的风速变化曲线。取近地表的x方向速度进行研究，负值代表该区域内存在回流，气流速度方向与初始方向相反。由图4可以看出，风速呈现出先增大后减小再增大的趋势。距挡风墙10 m以内，风速沿着与初始气流速度相反的方向增大，并且随着挡风墙高度的增加风速增加幅度越大，当挡风墙高度为3 m时，在这个阶段内最大风速约为7.5 m/s，当挡风墙高度为4 m时，最大风速约为12 m/s。距挡风墙背风侧10～20 m，风速从反向的最大值减小至0并且急剧恢复至初始速度，说明此处产生了一个明显的涡旋。距挡风墙背风侧约20 m时，由于背风侧路基边坡的扰动作用，此处产生了一个较小的涡流，在此之后距挡风墙约55 m处风速恢复至初始速度，并且随着挡风墙高度的增大，恢复至初始速度的位置距离挡风墙越远，说明挡风墙高度越高，挡风墙背风侧形成的涡流范围越大，涡流区长度越长。

图4　不同高度条件下背风侧距床面0.5 m处风速变化曲线

2.3挡风墙背风侧不同风速下风沙流运动特性

风速是沙粒运动的动力条件，也是影响沙粒运动形式的主要因素之一。为了验证背风侧气流随着风速的变化情况，取挡风墙高度为3.5 m，分别取风速为10、20、30 m/s和40 m/s进行数值模拟计算。

研究风速变化情况对挡风墙背风侧的积沙形态以及形成机理有着重要作用。故描绘距挡沙墙背风侧2 m处的风速廓线图以及近地表的风速变化曲线，从图5中可以看出，在0～0.5 m，风速变化趋势基本一致，呈指数分布逐渐增大，当初始风速为10 m/s时，在这个阶段内，最大风速为5 m/s，当初始风速为40 m/s时，最大风速为15 m/s，风速越大增加幅度越大。在0.5～4 m的涡旋区内，当风沙流初始速度为10 m/s时，气流速度变化较为平缓，基本保持在5 m/s左右。随着风速的增加，涡旋区的气流速度变化逐渐趋于复杂化，在距床面约2 m高度处，气流速度减至最小值，当风沙流初始风速为10 m/s时，气流速度从5 m/s减至4 m/s，当初始风速为40 m/s时，气流速度从15 m/s减至5 m/s，风沙流初始速度越大，气流衰减的幅度越小，随着远离床面，风速逐渐增加，初始风速越大，增加的幅度越大。距床面4 m以上，风速呈线性急剧增加，恢复至初始速度。由此可以说明，当风沙流速度越大时，单位时间内通过挡风墙的沙粒越多，随着过流断面减小，沉积在线路上的沙粒越多更容易形成积沙。

图5　不同风速条件下风速垂直轮廓线(背风侧距挡风墙2 m处)

图6　不同风速条件下背风侧距床面0.5 m处风速变化曲线

取近地表的x方向速度进行研究，负值代表该区域内存在回流，气流速度方向与初始方向相反。从图6可以看出，在距挡风墙背风侧0～5 m，风速变化趋势基本一致，呈反向增大的趋势。在这个阶段内，风速最大值增加的幅度保持在50%左右，当初始风速为10 m/s时，最大风速为5 m/s，当初始风速为40 m/s时，最大风速为23 m/s，风速越大增加幅度越大。在距挡风墙背风侧5～20 m，风速沿着初始风速的方向减小为0，同时保持风向不变继续增大恢复至初始速度大小。在初始风速为40 m/s时，风速极值差最大，风速从－23 m/s变为29 m/s，说明风速越大时，气流的削弱效果最明显。在距离挡风墙背风侧约20 m处，风速逐渐恢复至初始速度，并且风速越大，恢复至初始速度的位置距离挡风墙越远，说明涡流区长度也随着风速的增加而增大，表明挡风墙背风侧积沙区逐渐远离挡风墙，直接影响背风侧的积沙形态和积沙位置。

2.4挡风墙背风侧积沙形态分析

风是沙粒运动的直接动力，风速的大小直接影响挡风墙背风侧的积沙分布。路堤对风沙流的运动起到一定的阻碍作用，使一部分携沙风速度减小，沙粒掉落从而导致线路积沙，而布设挡风墙以后使得这种阻碍效果加剧。

为了研究风速对挡风墙背风侧线路积沙的影响，分别取风沙流初始速度为10、20、30、40 m/s(风向从左向右，以下沙粒体积分数云图相同)，挡风墙高度为3 m分别进行数值模拟。图7为t= 5 s时不同风速条件下挡风墙背风侧风沙流场沙粒体积分数云图(不同的颜色代表沙粒各种不同的体积分数，红色最大，蓝色最小)，红色表示沙粒已经沉积在此处，其他颜色代表着沙粒还在以不同的形式继续运动。从图7可以看出，当风速较小时，线路上基本无积沙，沙粒多数堆积在挡风墙墙角的位置以及背风侧路肩的位置，随着风速的增加，单位时间内跃过挡风墙的沙粒越多，在挡风墙背风侧涡旋作用下，堆积在挡风墙背风侧墙角的积沙逐渐向线路上移动，如图7(c)、(d)所示，沙粒基本上堆积在靠近挡风墙侧的线路上，在轨枕以及轨道等构筑物的影响下逐渐在线路上形成积沙，可见风速越大，沙粒越容易被风吹起，随着过流断面减小，沙粒越容易沉积。并且随着风速的增大，反向风的影响也越大，沉积在背风侧路基边坡处的积沙在反向风的作用下被带到线路上造成二次堆积。图8为兰新第二双线某段铁路风沙侵袭后的线路积沙情况，由图8可以看出，线路积沙的位置与图7(c)、7(d)基本一致，可见，数值模拟与现场实际调查相一致。

图7　t=5 s时路堤顶面风沙流场沙粒体积分数云图

图8　兰新第二双线某段线路积沙

图9为风沙流初始速度10 m/s时，不同时刻的沙粒体积分数云图。由图9可以看出，在风速比较低时线路上的积沙比较少，且沙粒继续运动，沙粒大多数堆积在挡风墙背风侧墙角处，也有少部分堆积在背风侧路肩处。图10为风沙流初始速度30 m/s时，不同时刻的沙粒体积分数云图。由图10可以看出，风速比较大时，线路上会有积沙，并且随着时间的推移，挡风墙背风侧的沙粒朝着线路上运动，一部分被线路上的轨枕轨道等构筑物拦住造成线路积沙。对比图9和图10可知，随着风沙流初始速度的增大，风携带沙的能力增强，更容易吹起沙粒，当携沙风通过挡风墙时，由于过流断面减小，气流扩散，大部分沙粒沉积下来，所以更容易引起线路积沙。另一部分沙粒在携沙风经过挡风墙时直接被风带走，落在挡风墙背风侧路堤坡脚处，在反向风的作用下又重新被吹起来落到线路上，造成二次堆积，风速越大反向风的影响越大。故在风速较大的地区，布设挡风墙时应注意道路积沙的防治。

图9　风沙流速度v=10 m/s时不同时刻路堤顶面沙粒体积分数云图

图10　风沙流速度v=30 m/s时不同时刻路堤顶面沙粒体积分数云图

3　结论

(1)挡风墙背风侧风速廓线变化呈三个阶段:在0～0.5 m之间呈指数增长趋势，并随着挡风墙高度的增加，风速增加幅度越大;在0.5 m至挡风墙自身高度区间内变化较为复杂，呈先减小后增加的趋势;在挡风墙0.5 m以上部分为加速区，呈指数增长趋势急剧增加。

(2)挡风墙背风侧近地表气流变化呈3个阶段:距挡风墙10 m以内，风速沿着与初始气流速度相反的方向增大，并且随着挡风墙高度增加风速增加幅度越大;距挡风墙背风侧10～20 m，风速从反向的最大值减小至0并且急剧恢复至初始速度; 20 m之后逐渐恢复至初始速度。

(3)挡风墙高度一定时，随着风速的增加，挡风墙背风侧涡旋区的气流竖向速度变化逐渐趋于复杂化，距床面4 m以上，风速呈线性急剧增加;挡风墙背风侧近地表风速最大值增加的幅度保持在50%左右，风速越大，气流的削弱作用越明显。

(4)当初始气流速度为10、20 m/s时，线路上积沙较少，沙粒多数堆积在挡风墙背风侧墙角处;随着风速的增加，初始气流速度为30、40 m/s时，单位时间内通过挡风墙的沙粒更多，由于过流断面减小，气流扩散，更多沙粒沉积在线路上。

(5)在强风地区，布设挡风墙时在满足抗倾覆力矩的条件下，不建议加高挡风墙，同时应考察线路上风向的地表情况，沙源比较丰富时应采用挡沙堤、高立式、中立式挡沙墙相结合的工程治沙措施来减小风沙流密度，达到防沙的目的。

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Numerical Simulation Analysis of Response Law of Wind-blown Sand Flow around Wind-break Wall in Gobi Area

LI Xiao-jun1，2，JIANG Fu-qiang2
(1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China; 2.Northwest Research Institute Co.，C.R.E.C.Lanzhou 730000，China)

Abstract:Numerical Simulation of the motion characteristics of wind-blown sand flow around the existing wind-break wall along Lanzhou-Urumqi Railway based on FLUENT eulerian two-fluid model is conducted to identify the distribution features of the flow field and accumulated sand at the leeward side of wind-break.The results show that，wind profile change law shows an exponential increasing tendency at the leeward side of wind-break wall，the changes at the height of 0.5 m to wind-break wall itself are complex and tend to decrease and then increase; the airflow velocity on near-surface at the leeward side of wind-break wall is increased in the reserve direction，reduced to 0 along the direction of the initial velocity，continued to increase to the initial velocity，and the maximum wind speed increase rate remains at about 50%，the higher the wind speed，the more obvious the airflow of weakening effect; when the initial velocity is small，less sand is accumulated on the line，and sand accumulation is concentrated at the corner of the leeward side of wind-break wall; with the increase of wind speed，more sand passes through the windbreak in unit time and even more sand is deposited along the line due to the reduction of flow cross-section and diffusion of air; in strong wind areas，the surface conditions affecting wind direction should be investigated before wind-break wall is located，engineering measures should be taken where sand source is rich to reduce sand flow density and prevent sand invasion.

Key words:Lanzhou-Uremqi Railway; Windbreak wall; Wind-blown-sand of two phase flow; Numerical simulation

作者简介:李晓军(1989—)，男，硕士研究生，E-mail:472775921@ qq.com。

收稿日期:2015-08-13;修回日期:2015-08-19

文章编号:1004-2954(2016) 03-0047-05

中图分类号:U216.41+3

文献标识码:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.011