铁路沿线下导风板对风沙流场的控制规律

程建军，智凌岩，薛春晓，蒋富强

(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)

我国是世界上铁路通过风沙地带里程最长的国家，有多条线路处于风沙地带，发生风沙灾害较为频繁，因此研究铁路沿线的风沙治理十分必要。目前铁路沿线风沙灾害防治大体可分为植物治沙和工程治沙两大类。其中的工程治沙从作用原理和功能一般分为固沙措施、阻沙措施和输沙措施3种[1-2]。近年来学者们对阻沙、固沙措施已进行了全面的研究，景文宏等人[3]对枕轨式挡墙进行了全面研究，分析了其在风沙流中的流场特性和积沙特征。朱文智等人[4]对土堤式挡风墙加高挡板在风沙流中的稳定性进行了研究，确定了1种安全埋深计算方式。辛国伟等人[5]研究了铁路沿线挂板式沙障开孔与风沙流场的互馈影响。

阻沙固沙工程措施布置在铁路沿线距离路基一定范围之外，风沙测试研究不影响通车，实施方便，因此研究较为成熟。而输沙措施针对线路路基范围，测试困难且影响列车通行，因此对输沙工程措施的研究一直处于停滞状态。近年来快速发展的数值计算方法使得针对该问题的研究出现新的进展。下导风板(又称聚风板)是一种典型的输沙工程措施。本文应用CFD(Computational Fluid Dynamics)对下导风板的风沙流场特性和输沙性能进行模拟研究。

1　下导风板构造及参数

根据原理不同，导风板可分为下导风板和侧导风板。本文以下导风板为研究对象。

1.1　下导风板构造

下导风板是借助于风的动力作用，使风沙流通过导风板下口时，风道断面减小，速度增大，从而将积沙从线路上吹走，清除线路上的积沙。下导风板的实际应用如图1所示。

图1　前倾式下导风板的工程应用

下导风板的形式按导风板迎风面与水平面的夹角不同可分为前倾式、后倾式和直立式3种。前倾式的导风板迎风面与水平面的夹角小于90°；后倾式的夹角大于90°，直立式的夹角为90°。本文对比研究前倾式下导风板和直立式下导风板。

前倾式下导风板的构造如图2所示，直立式下导风板的构造图如图3所示。

图2　前倾式下导风板构造图

图3　直立式下导风板构造图

1.2　下导风板参数确定

下导风板的吹刮宽度D是指要防护的线路不产生积沙的宽度。吹刮宽度一般根据要求而定，也常把线路路基宽度定为吹刮宽度。吹刮宽度和板长及板与水平面的倾角有一定的关系。

吹刮宽度可由导风板的长度和下口高度确定，计算式如下[6]。

D=CLsin(α-11°)sinγcosβ

(1)

式中：C为与下导风板规格类型参数k及风速、吹沙量有关的系数；α为迎风面板的水平倾角；γ为主导风向和铁路线路中线间的夹角；β为从铁路线路起的山坡平均坡度角；11°为风的扩散角；L为导风板的长度。

考虑到各地风速和吹沙量的不同，为可靠起见，应将下导风板的长度加大20%～25%计算。

下导风板规格类型参数k的计算式为

(2)

2　数值计算模型及计算参数

2.1　模型网格

采用AutoCAD建立下导风板及铁路线路的三维模型，如图4和图5所示。计算域为长200 m、宽30 m、高60 m的矩形区域，下导风板模型放置在距入口80 m处，如图6所示。

图4　前倾式下导风板三维模型示意图

图5　直立式下导风板三维模型示意图

图6　计算域模型示意图

网格采用Tetrahedrons法，在模型底面采用Inflation加密，指定First Layer Height为Y+，加密网格层数为30，增长比率为1.2。网格划分结果如图7所示。

2.2　计算参数

模拟工况为风携沙，设定入口边界条件为速度入口(Velocity-Inlet)，入口设定沙的体积份数为0.35；出口边界条件为压力出口(Pressure-outlet)；计算域上边界也设定为压力出口(Pressure-outlet)，其压差为0 Pa；下边界条件为Wall，下边界的粗糙度为2 mm；因计算模型仅选取了有限组导风板，故为保证计算的准确性，计算域左右边界设定为对称面(Symmetry)。

图7　网格划分结果

计算模型采用欧拉双流体模型[7]并附加标准湍流模型，湍流强度I=0.05，湍流半径R=1 m，并选取Syamlal-O’Brien曳力模型。方程组求解计算方法采用SIMPLEC算法。

3　数值模拟结果分析

3.1　不同类型下导风板流场

在不同来流速度作用下，不同类型下导风板周围流场形态大致相似。流场分为降速区、作用区、涡流区、增速区和减速区，如图8所示。

图8　前倾式下导风板流场特征(单位：m·s-1)

因导风板下部开口，来流经过下导风板时，从开口部位经过的来流风速会明显增加。定义此速度增大区域为作用区。其作用是使线路路面范围的风速增大，带走线路路面上的积沙，进而使线路路面上无积沙，即作用区的风速越大，其输沙的效果越好。

评价不同类型下导风板的输沙功效，主要是对比分析其作用区的作用能力。因线路积沙仅在近地面处，故选取线路上1.5 m高度范围内作用区为研究对象，对比相同来流风速下不同类型导风板下线路上相同位置高度处的输沙效果。图9为不同来流风速下2种下导风板作用区风速随高度的变化曲线。

图9不同来流风速下2种下导风板作用区风速随高度变化曲线

由图9可知：不同来流风速条件下，2种导风板作用区风速随高度变化的趋势相似。前倾式下导风板作用区的风速随高度先近似线性增大，仅在高度0.75 m处发生“错位”，在1 m高度处达到最大值，之后风速近似线性降低，在1.75 m处有小段曲线。而直立式下导风板作用区的风速随高度先线性增大，在1.35 m高度处达到最大值，之后风速下降。

对比同一来流风速下2种下导风板作用区风速的变化曲线可知，前倾式下导风板作用区风速大于相同高度处直立式下导风板作用区风速，并且随高度增加，前倾式下导风板作用区风速增长较快，明显大于直立式下导风板作用区风速。前倾式下导风板作用区风速随高度的增加而较快达到最大值，并且该最大值明显大于直立式下导风板作用区风速最大值。

出现以上现象是因为线路和两侧导风板结构相对固定，仅来流风速的改变并不影响导风板周围的流场特征和风速变化，所以不同来流风速下各导风板作用区的风速沿高度方向的变化曲线一致。

由于前倾式下导风板向下倾斜更利于集聚气流，使气流经过导风板时聚集压缩加速；而直立式下导风板对气流没有聚集作用，对作用区风速的加速作用仅是因导风板的阻碍作用所致。故前倾式下导风板的聚集作用使作用区的风速及风速最大值均明显大于直立式下导风板作用区的风速和风速最大值，并且其风速沿高度增长迅速，能在较低位置处达到最大值，更有利于利用风力除去铁路路面上的积沙。

3.2　不同类型下导风板输沙效果

图10和图11分别给出了设置2种类型下导风板时不同风速下铁路线路路面的积沙情况。

由图10和图11可知：下导风板的输沙功效仅在来流达到一定风速时能发挥效果，随风速的增大，其输沙功效越好；前倾式下导风板在风速较小时仅有较弱的输沙能力，线路路面上会有一定量的积沙，随风速增大其输沙能力增强，当风速大于12 m·s-1时，线路路面上的积沙很少，说明此时导风板的输沙能力发挥了较好的效果；直立式下导风板在风速较小时没有发挥输沙功效，线路路面上有大量的积沙，会影响列车的安全运行；随风速增大线路路面积沙有所减少，说明直立式下导风板的输沙功效开始发挥功效，当风速大于15 m·s-1时其输沙能力才能发挥较好的效果。

对比图10和图11可知：风速较小时，在设置前倾式下导风板时线路路面有一定量积沙，而在设置直立式下导风时线路路面有大量的积沙，说明风速较小时前倾式下导风板有较小的输沙能力，而直立式下导风板不但无输沙能力反而会使沙聚集在线路上；随风速的增大，前倾式下导风板和直立式下导风板的输沙能力都逐步增强，但前倾式下导风板的输沙能力增长较为迅速，更能较快发挥较好的输沙效果，而直立式下导风板要发挥较好的输沙效果需要较大的风速。

图10不同来流风速时设置前倾式下导风板条件下铁路积沙云图(单位：沙所占的体积分数)

图11不同来流风速时设置直立式下导风板条件下铁路积沙云图(单位：沙所占的体积分数)

产生以上现象的原因是：风速较小时，作用区虽然对来流有一定的加速效果，但由于线路路面高度较低位置的风速仍然很小，来流很难使沙粒获得足够的速度能量越过线路[8]；直立式下导风板作用区的风速明显小于前倾式下导风板作用区的风速，所以来流速度较小时直立式下导风板更易使线路产生大量积沙。

4　现场试验及结果分析

青藏线希格段伏沙梁地区为南北走向，线路长8.3 km(K712+000—K720+300)，以低路堤通过，每年风季(3—7月)线路遭到沙埋。由于地处查尔汗盐湖边缘，地下水矿化度高，无天然植被，植物固沙无法进行，所以不得不定期人工清沙。

为解决铁道线路沙埋问题，参考国内外治沙经验[9-22]，在青藏线K715+900—K716+000范围内平行线路布置了下导风板输沙设施，如图12所示，其中下导风板的下开口高度根据试验要求可上下移动0.3 m。

图12　下导风板输沙工程措施布置断面图

4.1　风速

图13给出了设置下导风板后线路附近风速增减百分率等值线图。

由图13可知：线路上方强风区的风速明显增大，弱风区的风速明显降低，与前倾式下导风板的数值模拟结果基本一致，说明了数值模拟的准确性。试验线路上方的强风区即为数值模拟结果中的作用区，而弱风区即为数值模拟结果中的涡流区。

由试验数据可知：

(1)1987年6月27日刮西北风时，风速小于该地区最大风速，设置下导风板后强风区分布在道心，其风速在道心增大128%，在右侧钢轨至下导风板间达132%，在迎风侧为60%～70%，在左侧坡脚外为40%～50%。

(2)1988年6月11日刮西北偏西风时，风速为该地区最大风速，设置下导风板后强风区也分布在道心，其风速在道心增大140%。

图13　设置下导风板后线路附近风速增减百分率等值线图(单位：%)

可见，设置前倾式下导风板会在线路上形成较大的强风区(作用区)，该区域风速会有明显的加速效果。

4.2　积沙

设置前倾式下导风板1年(1986年9月—1987年8月，全年平均风速小于往年平均风速)后，道心积沙厚5～10 cm，但轨底无积沙，其年积沙量为0.78 m3·m-1；在左侧下导风板的下风侧，顺风向从路肩开始出现积沙，宽度约8～14 m，厚度约5～15 cm，其年积沙量为1.0 m3·m-1；在右侧下导风板的迎风侧；逆风向从路肩开始出现积沙，宽度约10～20 m，厚度约20～25 cm，其年积沙量为0.5 m3·m-1。1987年8月清除原有道心积沙后又经过1年(1987年9月—1988年10月，全年平均风速与往年平均风速持平)，道心积沙厚0～5 cm，其年积沙量为0.35 m3·m-1；左侧下导风板下风侧的积沙厚16 cm，宽8 m，其年积沙量为0.64 m3·m-1，右侧下导风板迎风侧的积沙宽6 m，厚8 cm，其年积沙量为0.28 m3·m-1。

布设下导风板前后各部位年积沙量对比如图14所示。

图14　布设下导风板前后年积沙量对比图

4.3　综合分析

布设下导风板后强风区分布在道心，由于下导风板的聚集气流作用，在线路道心处风速被提高28%～40%，且随全年平均风速的增大而增大。布设下导风板后，道心处的年积沙量为0.035 m3·m-1，线路下风侧和迎风侧的年积沙量分别为0.28和0.64 m3·m-1；未布设下导风板时，道心处的积沙量为0.078 m3·m-1，线路下风侧和迎风侧的年积沙量分别为0.5和1.0 m3·m-1，减小明显，风速越大，下导风板的输沙效果越显著。

5　结　论

(1)不同类型下导风板的流场分区大致相似，分为降速区、作用区、涡流区、增速区和减速区。前倾式下导风板作用区的风速明显大于直立式下导风板作用区的风速，并且其作用区风速最大值的位置高度(距路面1 m)明显低于直立式下导风板作用区风速最大值的位置高度(距路面1.35 m)。

(2)不同类型下导风板均需风速达到一定速度时才能发挥其输沙效果。风速较小时反而更容易使线路上产生积沙。前倾式下导风板达到较好输沙效果所需的风速(大于12 m·s-1)小于直立式下导风板达到较好输沙效果所需的风速(15 m·s-1)，相同风速下前倾式下导风板的输沙效果优于直立式下导风板的输沙效果。

(3)由前倾式下导风板现场的观测数据结果可知，风速越大对其作用区风速的加速效果越明显；随风速增大，道心、线路下风侧和迎风侧的年积沙都有所减少，并且道心的年积沙量减少最为明显，说明风速越大其输沙效果越显著。

[1]韩致文,王涛,董治宝,等.风沙危害防治的主要工程措施及其机理[J].地理科学进展,2004 (1):13-21.

(HAN Zhiwen, WANG Tao, DONG Zhibao,et al. Main Engineering Measurements and Mechanism of Blown Sand Hazard Control [J]. Progress in Geography, 2004(1):13-21. in Chinese)

[2]张军平,王引生,蒋富强.兰新铁路戈壁地区路基周围风沙流运动特征数值分析[J].中国铁道科学,2011,32(4):14-18.

(ZHANG Junping, WANG Yinsheng, JIANG Fuqiang. Numerical Analysis on the Features of Sand Flow Movement around the Embankment of Lan-Xin Railway in Gobi Region [J]. China Railway Science, 2011,32(4):14-18. in Chinese)

[3]程建军，蒋富强，杨印海，等.戈壁铁路沿线风沙灾害特征与挡风沙措施及功效研究[J].中国铁道科学，2010,31(5)：15-20.

(CHENG Jianjun, JIANG Fuqiang, YANG Yinhai,et al. Study on the Hazard Characteristics of the Drifting Sand along the Railway in Gobi Area and the Efficacy of the Control Engineering Measures[J]. China Railway Science,2010,31(5):15-20. in Chinese)

[4]景文宏,程建军,蒋富强.轨枕式挡墙挡风沙功效的数值模拟及试验研究[J].铁道科学与工程学报,2016,13(1): 46-54.

(JING Wenhong, CHENG Jianjun, JIANG Fuqiang. Numerical Simulation and Experimental Research on Effect of Sleeper Typed Retaining Wall for Wind and Sand Retaining [J].Journal of Railway Science and Engineering, 2016,13(1):46-54. in Chinese)

[5]朱文智,程建军,张云鹏,等.土堤式挡风墙加高挡板稳定性分析及研究[J].铁道标准设计,2015(1):16-20.

(ZHU Wenzhi, CHENG Jianjun, ZHANG Yunpeng,et al. Analysis and Research on the Stability of Earth Embankment Wind-Break Wall with High Dam Board [J].Railway Standard Design,2015(1):16-20. in Chinese)

[6]辛国伟,程建军,杨印海.铁路沿线挂板式沙障开孔特征与风沙流场的影响研究[J].铁道学报,2016,38(10):99-107.

(XIN Guowei, CHENG Jianjun, YANG Yinhai. Study on Effect of Characteristics of Hanging-Type Concrete Sand Barrier Opening and Wind-Sand Field along Railway [J]. Journal of the China Railway Society, 2016, 38(10):99-107. in Chinese)

[7]铁道部第一勘测设计院.特殊条件下路基[M].北京:人民铁道出版社,1978.

[8]王康龙.风沙流的双流体模型参数及输沙量分布特征研究[D].兰州：兰州大学, 2014.

(WANG Kanglong. Investigation of Parameters in Two-Phase Model for Windblown Sand Movement and Characteristic of Mass Flux Distribution [D]. Lanzhou： Lanzhou University, 2014. in Chinese)

[9]OWEN P R. Saltation of Uniform Grains in Air [J].Journal of Fluid Mechanics，1964, 20(2):225-242.

[10]波得普梁夫 H A.铁路防沙[M].北京：人民铁道出版社,1958.

[11]查基洛夫 P C.沙漠铁路[M].兰州：铁道部科学研究院西北研究所，1984.

[12]中国科学院兰州冰川冻土沙漠研究所.沙漠的治理[M].北京：科学出版社，1976.

[13]刘贤万,凌裕泉,贺大良,等.下导风工程的风洞实验研究—[1]平面上的实验[J].中国沙漠, 1982,2(4):14-21.

(LIU Xianwan, LING Yuquan， HE Daliang, et al. Aviation Baffle Wind Tunnel Experiment—[1] Experiment on Plane [J]. China Desert,1982,2(4):14-21.. in Chinese)

[14]刘贤万,凌裕泉,贺大良,等.下导风工程的风洞实验研究—[2]地形条件下的实验[J].中国沙漠,1983,3(3):25-34.

(LIU Xianwan, LING Yuquan, HE Daliang,et al. Aviation Baffle Wind Tunnel Experiment—[2] Experiments under Topographic Conditions[J]. China Desert, 1983, 3(3):25-34. in Chinese)

[15]波塔帕夫.铁路防雪[M].北京：人民铁道出版社,1960.

[16]新疆维吾尔自治区气象局气象研究所.公路风吹雪的雪阻防治[M].北京：科学出版社,1976.

[17]徐宏重,钱征宇,叶学周，等.青藏高原铁路沙害防治研究(之二)“加强风力障、高大挡沙墙”在青藏线铁路防沙工程中的应用的研究[R].兰州：铁道部科学研究院西北研究所,1988.

[18]CHENG Jianjun, XUE Cunxiao. The Sand-Damage-Prevention Engineering System for the Railway in the Desert Region of the Qinghai-Tibet Plateau[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics,2014, 125:30-37.

[19]CHENG Jianjun, JIANG Fuqiang, XUE Cunxiao, et al.Characteristics of the Disastrous Wind-Sand Environment along Railways in the Gobi Area of Xinjiang, China[J].Atmospheric Environment,2015, 102:344-354.

[20]CHENG Jianjun, LEI Jiaqiang, LI Shengyu,et al.Disturbance of the Inclined Inserting-Type Sand Fence to Wind-Sand Flow Fields and Its Sand Control Characteristics[J].Aeolian Research,2016, 21:139-150.

[21]CHENG Jianjun, LEI Jiaqiang, LI Shengyu,et al.Effect of Hanging-Type Sand Fence on Characteristics of Wind-Sand Flow Fields[J].Wind and Structures,2016, 22(5):555-571.

[22]CHENG Jianjun,XIN Guowei, ZHI Lingyan,et al.Unloading Characteristics of Sand-Drift in Wind-Shallow Areas along Railway and the Effect of Sand Removal by Force of Wind[J].Scientific Reports,2017, (1):1-11.