风速廓线形式对HDPE板高立式沙障风沙流场的差异性研究

张 凯，赵沛雯，张兴鑫，王起才，郝艺翔

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070；3.兰州交通大学 经济管理学院，甘肃 兰州 730070)

格库铁路东起青海省格尔木市西至新疆库尔勒市，是我国第三条进疆铁路。格库铁路所经地区属于典型的温带大陆型干旱气候区，气候干燥、风大且频率高，该地区地形开阔，沙源丰富，因此风积沙、戈壁风沙流和风蚀在全线均较为普遍，风沙路段占线路全长的60%以上，见图1。风沙灾害防治体系可分为化学、机械和生物三大类，其中生物防沙体系效果最佳，但由于格库铁路青海段大部分位于高盐渍地区，受当地气候水文以及土壤等环境因素的影响，生物防沙体系无法采用，化学防沙对当地环境影响较大，因此机械防沙在格库铁路防沙中具有不可替代的作用。

图1 格库铁路沿线积沙

机械防沙措施在沙漠和戈壁铁路、公路等线路中应用较多[1-3]，同时针对防沙措施的高立式沙障结构的研究也日趋完善。程建军等[4]采用数值模拟和现场实测数据，通过导风板对线路过境风沙流的输导效果及其控制机理进行研究；景文宏等[5]基于Fluent欧拉非定常模型，对不同孔隙率的轨枕式挡墙挡沙效果进行研究；辛林桂等[6]利用数值模拟方法，研究了侧向导沙沙障周围的流场演化规律特征，揭示沙障周围的流场机理等等，国内外学者对各类高立式沙障防沙措施展开了大量的室内风洞试验、数值模拟和现场试验[7-9]。然而，大部分学者在进行数值模拟时，并没有按照现场和风洞试验的风速廓线呈对数形式[10-11]进行模拟，而是假定为均匀假想流，不能真实反映沙障周围的流场情况。

因此本文应用数值模拟分析方法，来流风速廓线分别采用对数流和均匀流两种形式，对新型防沙材料HDPE板高立式沙障周围流场进行研究，对比分析两种风速廓线形式下流场的差异，并通过风洞试验验证数值模拟结果的准确性，以期为西部戈壁地区铁路工程防沙体系的设计提供理论支撑。

1 试验

1.1 数值模拟

1.1.1 几何建模

建立二维简化模型，计算流域为120 m×20 m，HDPE板高立式沙障高度为1.5 m，距离入口40 m，采用结构性网格进行网格划分，见图2。由于风沙流受边界层的影响较大[12]，对HDPE板高立式沙障0.5 m范围内进行局部加密。

图2 结构性网格局部

1.1.2 边界条件

模型介质类型为fluid，左侧入口为速度入口(velocity-inlet)，右侧出口为出流条件(out-flow)，上壁面采用对称边界条件(symmetry)，HDPE板与模型下壁面采用壁面条件(wall)。

1.1.3 计算参数

沙粒主要分布区间为0.08～0.315 mm，设定风沙流中沙粒ds=0.1 mm，沙粒密度ρs=2 650 kg/m3，由于地表中沙物质颗粒所占体积率小于5%，且多相流理论为稀相，取下垫面初始沙粒相体积分数为1%[13]；空气密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789 4×10-5Pa·s。孔隙率分别为30%、40%、50%。均匀流入口速度为24 m/s。

对数流轴线入口风速与均匀流对应，轴线风速为24 m/s，其典型风速廓线为

(1)

式中：v(y)为y高度处的速度；v为摩阻风速；k为冯卡门系数，取0.4；y为高度；y0为粗糙长度，通过现场数据测得风速廓线。

1.2 风洞试验

风洞试验在中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室进行。该风洞为直流闭口吹气式，洞体全长为37.78 m，试验段长16.23 m，截面积尺寸0.6 m×1.0 m，风速范围2～40 m/s可调。HDPE板模型孔隙率分别设置为30%、40%、50%，为保证试验效果的科学性，高度按现场实际高度的1∶10进行缩尺，高度为0.15 m，孔的尺寸为16 mm×8 mm，三种模型的长度均为1.0 m，厚度为2 mm(见图3～图5)。风洞试验要进行无栅栏时的流场试验，作为对照试验。

在风洞试验中，风速为24 m/s，进行不同孔隙率HDPE板的试验，HDPE板设在试验段内距离出风口8 m处，使用10路毕托管(z=0.4、0.8、1.2、2.0、4.0、8.0、12.0、16.0、20.0、24.0 cm)测量HDPE板栅栏附近的风速廓线，栅栏迎风侧测点为1H和4H，栅栏背风侧测点分别为1H、2H、6H、10H、20H(H为栅栏高度)，见图6。对于沙床试验，距离出风口1 m处开始布设，铺沙长度为4 m，厚度为5 cm，沙子粒径主要范围为0.08～0.315 mm，观察HDPE板周围的积沙分布形态，并用电子秤(精确至0.1 kg)称取栅栏周围的沙粒重量。

图7 风速廓线为对数流形式时不同孔隙率HDPE板栅栏周围流场(单位：m/s)

图3 30%孔隙率HDPE板

图4 40%孔隙率HDPE板

图5 50%孔隙率HDPE板

图6 10路毕托管测量HDPE板栅栏周围速度

2 试验结果及分析

2.1 数值模拟结果及分析

2.1.1 HDPE板周围流场

选取风速v=24 m/s模拟不同孔隙率下HDPE板栅栏周围流场，图7和图8分别为对数流和均匀流风速廓线形式下HDPE板栅栏周围流场图。由图7可知，风速廓线为对数流形式时，气流经过HDPE板栅栏，遇到障碍在迎风侧下方形成气流减速区，大部分气流遇阻向上，当通过栅栏顶部时，气流被挤压并分离，从而形成强剪切层，剪切层的压力差迫使流线向下弯曲，当气流接近地面时，气流又返回分离区，因此在沙障上方形成了气流加速区，而在背风侧出现了涡旋回流区。当孔隙率从30%增大至50%时，加速区范围逐渐减小，涡旋回流区长度逐渐减小。随着孔隙率的增大，栅栏周围的加速区速度最大值逐渐减小，障后回流区速度(负值)也逐渐减小，原因是孔隙率越大，上下层气流产生速度差越小，使得气流发生分流较小，逆压梯度值进而较低，导致回流区范围缩小。当孔隙率为50%时，回流区范围很小且近乎消失。

由图8可知，风速廓线为均匀流形式时，孔隙率为30%和40%时，存在气流减速区、气流加速区和涡旋回流区，当孔隙率为50%时，存在气流减速区、气流加速区，但是涡旋回流区消失。随着孔隙率的增大，栅栏周围的加速区速度最大值逐渐较小，回流区速度逐渐减小，当孔隙率为50%时，栅栏障后速度均为正值。两种风速廓线气流经过HDPE板栅栏时，流场存在明显差异：风速廓线为对数流时，栅栏周围加速区范围扩大，且存在明显的回流区；风速廓线为均匀流时，栅栏周围加速区范围较小，回流区相对不明显。这是因为均匀流在近地表处的速度要远大于对数流近地表处的速度，大部分气流在经过障碍物后，上层气流对下层气流的影响相对较小。

2.1.2 HDPE板周围风速廓线

图8 风速廓线为均匀流形式时不同孔隙率HDPE板栅栏周围流场(单位：m/s)

对数流和均匀流风速廓线形式下HDPE板栅栏周围风速廓线曲线如图9和图10所示。由图9可知，风速相同时，不同孔隙率HDPE板栅栏周围的风速廓线呈现相似的变化规律，在障前1H处风速廓线开始发生变化，栅栏障前风速下降主要在HDPE板栅栏高度以下范围内，其主要原因是栅栏前的气流拥挤效应导致的。在栅栏障后20H处开始恢复到原来的风速廓线，表明流场的风速廓线逐渐关闭，并且栅栏对流场控制作用的影响逐渐消失。随着孔隙率的增大，在栅栏后的最小值(负值)逐渐减小，说明涡旋回流区范围减小；从障后20H处恢复程度来看，50%孔隙率HDPE板的风速廓线与初始风速廓线最相似，30%孔隙率HDPE板的风速廓线与初始风速廓线一致性较差，说明这三种孔隙率，在栅栏障后20H处，30%孔隙率HDPE板栅栏防护作用最优。

图9 对数流形式下不同孔隙率HDPE板周围风速廓线曲线

图10 均匀流形式下不同孔隙率HDPE板周围风速廓线曲线

由图10可知，均匀流和对数流变化规律一致，不同孔隙率HDPE板栅栏周围的风速廓线呈现出相似的变化规律。随着孔隙率的增大，在栅栏障后的最小值(负值)逐渐减小，说明涡旋回流区范围减小，当孔隙率为50%时，栅栏后的最小值为正值，不存在涡旋回流区，与2.1.1节一致。从障后20H处恢复程度来看，30%孔隙率HDPE板的风速廓线与初始风速廓线最相似，50%孔隙率HDPE板的风速廓线与初始风速廓线一致性较差，说明在栅栏障后20H处，50%孔隙率HDPE板栅栏防护作用最优。

2.1.3 HDPE板周围积沙分布

当风沙流经过挡沙障时，受挡沙障的影响，在其周围速度降低至起沙速度以下，沙粒沉落并形成积沙。积沙形态及分布与挡沙障的孔隙率密切相关。相同来流风速下，孔隙率不同，使其周围速度不同，导致挡沙障周围积沙形态分布不同。

由图11可知，对数流形式下，30%孔隙率和50%孔隙率HDPE板周围积沙形态和积沙量明显不同，孔隙率为30%时，迎风侧积沙远大于背风侧积沙，孔隙率为50%时，背风侧积沙较多，迎风侧几乎没有积沙。30%孔隙率HDPE板周围积沙明显多于50%孔隙率HDPE板周围积沙。由图12可知，均匀流形式下，30%孔隙率和50%孔隙率HDPE板周围积沙主要分布在背风侧，迎风侧积沙较少。这是因为相对于对数流，均匀流在栅栏以下速度较大，栅栏前速度虽然降低，但仍大于起沙风速，只有少量沙粒会与栅栏碰撞，落在迎风侧，因此迎风侧积沙较少。对比两种形式的积沙量，可以明显看出对数风速廓线形式下30%孔隙率的HDPE板栅栏阻沙最优。

图13 风洞中不同孔隙率HDPE板周围风速廓线曲线

图11 对数流形式下HDPE板周围积沙分布

图12 均匀流形式下HDPE板周围积沙分布

2.2 风洞结果及分析

2.2.1 HDPE板周围风速廓线

在风洞试验下不同孔隙率HDPE板周围风速廓线曲线见图13。由图13可知，孔隙率分别为30%、40%、50%时，加速区最大风速分别为28.0、26.0、23.1 m/s，回流区最小值分别为-3.7、-1.0、5.8 m/s，随着孔隙率的增大，加速区最大风速减小，回流区最小值逐渐增大。沿着不同孔隙率HDPE板栅栏，在障前1H处风速廓线开始发生变化，在障后20H处风速廓线逐渐恢复，比较三种孔隙率下栅栏障后20H处风速廓线与初始风速廓线的一致性，孔隙率50%>40%>30%，与对数流数值模拟结果相吻合。但对数流中50%孔隙率的数值模拟有回流区，而在风洞中不存在回流区，其原因是风洞中的粗糙度、实际风速以及模型高度与数值模拟中有差异。因此从HDPE板周围风速廓线曲线分析，数值模拟中对数流结果较均匀流结果更切合现场实际结果。

2.2.2 HDPE板周围积沙分布

在风洞试验中，30%和50%孔隙率HDPE板周围积沙分布见图14。由图14可知，孔隙率为30%时，积沙主要分布在迎风侧，孔隙率为50%时，积沙主要分布在背风侧。30%孔隙率HDPE板周围的沙粒质量为34.6 kg，50%孔隙率HDPE板周围的沙粒质量为11.3 kg，前者为后者的3.06倍，30%孔隙率明显多于50%孔隙率HDPE板周围的积沙，说明30%孔隙率的HDPE板栅栏使得周围风速降低更明显，特别是在栅栏的迎风侧，同时当HDPE板孔隙率为30%时，栅栏起的阻沙防护效果更优。对比上文中均匀流和对数流数值模拟结果，可以看出风速廓线为对数流形式时，对数流模拟结果与风洞一致性更好，原因是均匀流形式忽略了地表边界层的影响，与对数流相比，实际增大了气流的动量和动能[15]。

3 结论

依据新建格库铁路现场环境，对风速廓线为对数流和均匀流形式下的HDPE板栅栏进行数值模拟，并结合风洞试验，得出如下结论：

(1)风速廓线为对数流时，栅栏周围加速区范围扩大，且存在明显的回流区；风速廓线为均匀流时，栅栏周围加速区范围较小，回流区相对不明显。

(2)风速廓线为对数流时，在栅栏障后20H处，30%孔隙率HDPE板栅栏防护作用最优，且积沙主要分布在迎风侧，孔隙率为50%时，积沙主要分布在背风侧；风速廓线为均匀流时，在栅栏障后20H处，50%孔隙率HDPE板栅栏防护作用最优，两种孔隙率的栅栏积沙均主要分布在背风侧。两种风速廓线形式下，30%孔隙率HDPE板周围积沙明显多于50%孔隙率HDPE板周围积沙。

(3)从风洞试验结果来看，分析HDPE板周围风速廓线恢复情况、栅栏周围的积沙形态及重量等方面，对数流数值模拟结果较均匀流结果更切合现场实际结果，当孔隙率为30%时，HDPE板栅栏起的阻沙防护效果更优。

(4)实际现场中，由于受地形、地貌等的影响，风沙来流形式变化多样，风速廓线为对数形式只是其中较为典型的一种。因此在实际数值模拟过程中，要对现场进行调研，并充分考虑来流条件的影响。