基于CFD的挡风墙防风效果仿真

李家乐，赵文举，严正

(1.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃 兰州730050；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072;3.天津大学水利仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

土壤风蚀是西北干旱半干旱地区土地退化的主要原因之一[1]，采用挡风墙、直立残茬、植被覆盖、砂石覆盖等多种保护性耕作模式能有效改善地表风场，显著减少土壤风蚀对作物带来的不利影响.在研究土壤风蚀及其防治方面，许多专家学者进行大量研究，取得了很多成果.吴芳芳等[2]从气候因子、地形因子、土壤因子以及植被盖度4个方面进行分析,表明气候、土壤及植被盖度共同影响该区域的土壤风蚀状况.张春来等[3]研究了植被覆盖对土壤风蚀的影响，植被覆盖条件下空气动力学粗糙度和摩阻速率的增大对土壤风蚀具有显著的影响.GONG等[4]的研究表明侵蚀最严重的地区主要分布在大沙漠地区或低覆盖草地；赵文举等[5]研究砂石覆盖对近地表风场的影响，表明砂石覆盖能明显改善近地表风场、有效减小风蚀、保持土壤水分和减缓土地退化.

目前，国内外保护性耕作模式的抗风蚀研究大多侧重于作物留茬、植物覆盖、砂石覆盖等保护措施[6]，但是对于挡风墙的研究还鲜有报道.因此，文中基于CFD方法对W型挡风墙结构的防风效果进行仿真研究，对比分析在5，13 m/s风速下，3，5 m这2种高度挡风墙的防风效果，给出挡风墙背风侧近地表风场的变化规律，以期为荒漠地区土壤侵蚀的防治和水土保持提供理论依据.

1 CFD数值模拟分析

1.1 挡风墙概述

挡风墙材料就地取材，以砾石、沙子、黏土为材料，为有效降低土壤改良区域的风速，进而减少土壤改良区域的水分蒸发，挡风墙形式采取W型，墙高有3，5 m这2种，假定挡风墙墙厚1 m足以抵抗风压.对于地面上的挡风墙，由于风从正面吹过来，则流场有1个对称面，此对称面两侧的流动是完全相同的，只要计算对称面的一侧流动即可，故在计算过程中，均采取对称面作为计算边界；挡风墙、地面及计算区域顶面按光滑壁面处理，给定无滑移边界条件.布置形式如图1所示.

图1 W型挡风墙的结构形式Fig.1 Structure of W-type wind wall

1.2 控制方程

CFD是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟，为把原来物理量在时间域及空间域上连续的场(如速度场和压力场)用一系列有限个离散点上的变量值的集合代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值，可得到流场内各个位置上基本物理量的分布.

连续性方程为

(1)

式中：ρ为流体密度；v为流体速度；U为控制体；S为控制面.等式左边第一项表示控制体U内部质量的增量；第二项表示通过控制面S流入控制体的净通量[7].

动量方程为

(2)

(3)

(4)

式中：u,v,w分别为流体速度在x,y,z方向的分量；t为时间；为笛卡尔坐标系下的向量算子，为流体微元上的压力；τxy为切应力；f为作用在单位质量流体微元上的体积力[8].

能量方程为

(5)

1.3 湍流模型的建立

模拟视空气流动为完全湍流的流动过程，忽略分子黏性的影响，选用标准k-ε方程进行计算，湍流动能输运方程可以通过精确的方程推导得到，耗散率输运方程可以通过物理推理、数学模拟相似原型方程得到.

1) 湍流动能k的输运方程为

(6)

2) 湍流动能耗散率ε的输运方程为

(7)

式中：μ为动力黏度；k为湍流动能；σε,C1ε,C2ε为湍流模型常数，分别取1.3，1.44，1.92，1.00.

1.4 网格划分

利用Gambit生成网格，并导出网格文件，采用Tet/Hybrid：主要以四面体网格形式，在适当位置包含六面体、锥形和楔形网格.模拟主要对挡风墙的防风效果进行仿真分析.模型尺寸为50 m×20 m×15 m,网格模型如图2所示.

图2 流体域网格模型Fig.2 Mesh pattern of fluid domain

1.5 Fluent计算

1.5.1 求解器及计算方法

Fluent提供了分离式求解器和耦合式求解器2种，采取不直接求解各个控制方程的联立方程组，而是顺序地、逐个地求解各个变量，主要使用与低速领域的分离式求解器.

空间流场处于湍流状态，采用工程上应用较广的k-ε双方程模型进行计算.采用 Simple 算法进行计算求解.它是一种主要用于求解不可压缩流场的数值计算方法.其基本思想:对给定的压力场求解离散形式的动量方程，得到速度场.由压力修正方程得出压力修正值，通过修正后的压力场得到新的速度值，然后检查是否收敛，若不收敛继续迭代计算，如此反复直到计算结果收敛为止.

1.5.2 边界条件

设模型进口为速度进口，出口为自由出流，温度为288.15 K，压强为 1.03 ×105Pa.

2 结果与分析

以位于甘肃省中部的景泰县为例，建立W型挡风墙结构模型并对防风效果展开分析.景泰县地处干旱荒漠风沙地带，主要特点是干旱少雨，蒸发量大，风沙天数每年7 级以上有 200 d.当地日平均风速5 m/s，大风日年平均风速为13 m/s，故选取5 m/s和13 m/s为模拟风速.

2.1 风速为5 m/s时的影响

以对称面为参考面，风速在5,13 m/s情况下，高度为3,5 m的挡风墙速度v分布如图3所示，图中H为挡风墙高度，V为风速.图3a—3d的初始风速分别为5,13 m/s，墙体高度分别为3，5 m，共4种组合.由图3a,3b分析，当风速为5 m/s时，挡风墙高度不同对风场的影响则不同，从外侧吹来的风经挡风墙的阻碍，气流沿着挡风墙迎风侧壁面向上滑移，以较大风速进入上部空间形成加速效应，使得吹至挡风墙上部的风速加速放大，并于挡风墙背风侧上部空间形成涡流.对于3 m挡风墙，迎风侧当风吹过挡风墙后，由速度分布图可知由绿色逐渐变为黄色，近地表风速逐渐衰减.在挡风墙背风侧风速呈三角形的形式以极小的速度逐渐增大.对于5 m高挡风墙，迎风侧风的运动和速度变化趋势与3 m高挡风墙基本相同，背风侧存在显著差异，具体体现为3 m挡风墙背风侧近地表风速呈三角形逐渐增加，5 m高挡风墙背风侧呈矩形逐渐增加，表明5 m高挡风墙遮挡区域大，并且背风侧风速变化较不均匀.表明在5 m/s风速作用下，3 m和5 m高挡风墙均有效遮蔽了环境风使得近地表上部空间风速有效降低，防风效果明显.

图3 挡风墙处风速分布图Fig.3 Velocity distribution of wind wall

为了进一步定量研究挡风墙对于地表风场的影响，采用计算风速残余系数的方法，以便直观地表示出某点的风速削弱程度.风速残余系数可按式(8)计算，环境风速残余系数越小，防风效果越好.

(8)

式中:ηd为风速残余系数；vc为风场中任意点处计算风速；vi为风场初始速度.

现将风速为5 m/s情况下，挡风墙周围不同高度流场风速和风速残余系数ηd列入表1，表中L为流场距挡风墙背风侧的距离，h为距地面高度,H为挡风墙高度.

表1 风速为5 m/s时挡风墙周围流场风速(风速残余系数)Tab.1 Wind velocity(residual coefficient) around wind wall at velocity of 5 m/s

表1中，括号内数值为风速残余系数，左侧为3 m高挡风墙周围流场风速、风速残余系数，右侧分别为5 m高挡风墙周围流场风速、风速残余系数.

由表1可以看出，当气流通过挡风墙时，小于墙高3 m内的位置继续减速，而高于墙体高度的位置开始加速，充分说明存在明显的分区作用.随后，高于墙体高度的气流开始减速，低于墙体高度气流开始加速，并随着距离的增加风速逐渐趋于平稳.在5 m/s风速的作用下，3 m高挡风墙在距地面3 m以上的高度空间内，流场风速均大于初始风速5 m/s，且挡风墙上部空间流场风速随高度增加而增加.在距地面3 m以下高度空间内，挡风墙背风侧相同距离处，流场风速随着高度增加而增加，且在不同位置处增速不同.在距地面相同高度处，风场流速随着距离的增加逐渐增加，残余系数随流经长度的增加而增加，在12 m处残余系数为0.91～0.98,仍不超过1.00，挡风效果明显.

在风速为5 m/s的作用下，5 m高挡风墙防风效果和3 m高挡风墙防风效果基本相同.相对于3 m高挡风墙，距5 m高挡风墙较近的背风侧风速变化较为均匀.在h<3.1 m，L<6.0 m范围以内，近地表风速残余系数为3 m挡风墙的2.02%～93.40%，在h<3.1 m，L>6.0 m范围以内近地表风速残余系数为3 m挡风墙的74.60%～89.40%，大幅削减近地表风速，遮挡区域明显增加，防风效果更加明显.

2.2 风速为13 m/s时的影响

当风速为13 m/s，墙体高度为3 m和5 m时仿真计算得到的挡风墙周围速度场分布分别如图3c,3d所示.观察图3c,3d,可知在13 m/s的环境风作用下，在挡风墙上空形成的涡流面积逐渐增大，加速效应较5 m/s风速下更加明显.在同一风速13 m/s作用下，高度为5 m的挡风墙能够较好地控制上部空间的涡流，且在背风侧能够削减较大部分面积的风速.在相同高度下，随着距离挡风墙背风侧的增加，高度为3 m的挡风墙相对于5 m高的挡风墙能够更加均匀地控制流场风速的变化.

为了进一步定量研究挡风墙对于地表风场的影响，将13 m/s风速作用下挡风墙周围流场风速和残余系数的具体计算结果列入表2，表中括号内数值为风速残余系数.表2中，左侧分别为3 m高挡风墙周围流场风速、风速残余系数，右侧分别为5 m高挡风墙周围流场风速、风速残余系数.

表2 风速为13m/s时挡风墙周围流场风速(风速残余系数)Tab.2 Wind velocity(residual coefficient) around wind wall at velocity of 13 m/s

由表2可以分析出之前相似的结论，不同之处在于13 m/s风速作用下，高度为3 m的挡风墙防风效果明显下降，当高度相同时，在挡风墙上部空间形成持续的加速流场，直至L=12 m仍处于加速状态.相对于高度为3 m的挡风墙，高度为5 m挡风墙防风效果良好，在h<3.1 m，L<6.0 m范围内，近地表风速残余系数为3 m挡风墙的5.2%～43.5%，在h<3.1 m，L>6.0 m范围内近地表风速残余系数为3 m挡风墙的4.8%～73.3%.

3 结 论

荒漠地区挡风墙的设置可有效削减近地表风速，明显改善近地表风场，具有良好的水土保持效果，是减少土壤风蚀的有效措施.基于CFD仿真模拟进行研究，在5,13 m/s不同风速下，分别对3,5 m不同高度挡风墙进行研究，并通过计算有关数据得出以下结论：

1) 当气流通过挡风墙时，小于墙高的位置速度大幅降低，而高于墙体高度的位置开始加速，存在明显的分区作用.随后，高于墙体高度的气流开始减速，低于墙体高度气流开始加速，并随着距离的增加风速逐渐趋于平稳.当风吹过挡风墙后，由速度分布云图可知，近地表区域由绿色逐渐变为黄色甚至部分变为蓝色，近地表风速逐渐衰减，表明挡风墙布置可削减近地表风速，改善地表风场.

2) 风速为5 m/s时，随着流经长度增加，3 m高挡风墙背风侧风速从0呈三角形趋势逐渐增加，在距离挡风墙背风侧相同距离处，随着距地面高度增加，风场流速逐渐增加.随着流经长度的增加，5 m高挡风墙背风侧风速从0呈矩形趋势逐渐增加，防风效果与3 m高挡风墙相似，在h<3.1 m，L<6.0 m范围内，近地表风速残余系数为3 m挡风墙的2.02%～93.4%；在h<3.1 m，L>6.0 m范围内，近地表风速残余系数为3 m挡风墙的74.6%～89.4%.

3) 在风速为13 m/s时，随着流经长度增加，在3 m高挡风墙背风侧风速仍呈三角形趋势增加，挡风墙上空形成的涡流面积逐渐增大，加速效应较5 m/s风速下更加明显.随着流经长度的增加，在5 m高挡风墙背风侧风速从0仍呈矩形趋势逐渐增加，挡风墙上空形成的涡流面积逐渐增大，相比3 m高挡风墙能够更好地控制涡流面积，背风侧削减近地表风速的面积更大，在h<3.1m，L<6.0 m范围内，近地表风速残余系数为3 m挡风墙的5.2%～43.5%；在h<3.1 m，L>6.0 m范围内,近地表风速残余系数为3 m挡风墙的4.8%～73.3%.