高立式尼龙网沙障周围风沙运动特性的数值模拟与试验

贾光普，左合君，王海兵，闫 敏，姚云峰，韩雪莹，刘 峰

高立式尼龙网沙障周围风沙运动特性的数值模拟与试验

贾光普，左合君※，王海兵，闫 敏，姚云峰，韩雪莹，刘 峰

（内蒙古农业大学沙漠治理学院/内蒙古风沙物理与防沙治沙工程重点实验室，呼和浩特 010018）

为探究沙障影响下的风沙运动规律，明晰不同情况高立式尼龙网沙障周围的风速变化和积沙分布，补充野外试验数据不足的问题。该研究以磴口-乌斯太的穿沙公路为研究背景，基于FLUENT数值模拟的方法，对不同障排数量、沙障高度及入口风速下高立式尼龙网沙障周围的风速和积沙分布进行数值模拟，并通过野外试验进行验证。结果表明：不同情况高立式沙障沿水平方向的流场形式均以“V”和“W”型存在，而高立式沙障背风侧垂直方向的风速廓线形式主要以“S”型为主；风速为8 m/s，相邻障排间距为3 m条件下，分析不同障排数量对风沙运动的影响发现，单排、双排和三排高立式沙障的防护范围分别为第一排沙障至其后的6、13和20 m处，随沙障排数的增加总积沙量呈现递增趋势；风速为10 m/s，双排沙障间距8 m条件下分析沙障高度对风沙运动的影响发现，60、100、120和150 cm高立式沙障的水平流场分层点分别为0.8、1.2、1.5和2.0 m；沙障高度150 cm，双排沙障间距20 m条件下分析入口风速对风沙运动的影响发现，当风速增至15 m/s以上时，150 cm的双排沙障背风侧基本上无积沙分布，高立式沙障逐渐失去了防护作用。经野外验证真实值与模拟值的最大相对误差为8.18 %，最小相对误差为1.32 %，验证了模拟的合理性，该研究成果较好地反映了高立式沙障周围的风沙运动情况，为后续研究提供了数据基础和依据。

风；沙；试验；尼龙网沙障；风速变化；积沙分布；FLUENT数值模拟

0 引 言

沙漠化作为全球重大环境问题之一，引起了国际社会的广泛关注。中国是受荒漠化严重危害的国家之一，众多科研工作者围绕风沙活动及其危害开展了许多的风沙运动规律、沙漠环境及其演变过程研究[1-3]。随着中国“一带一路”战略的实施[4]，如何有效的利用工程治沙措施改善荒漠化地区的风沙环境已成为一个迫切的问题。

沙障是目前线性治沙工程的主要措施之一，其基本原理是有效降低近地表的风速，减弱输沙强度，最终达到风虽过而沙不起的效果。现阶段，国内外研究人员通过野外实测和风洞试验方法对沙障的蚀积规律[5-6]、沙障风荷载[7]、沉积物粒度特征[8-9]、空气动力学特性[10]、沙障类型[11-12]以及布设规格[13]等方面进行了研究。随着数值模拟方法的逐渐兴起，广泛应用于计算流体力学、风沙物理学以及风沙环境等多种领域[14-15]。陈柏羽等[16]利用数值模拟的方法分析了高立式芦苇沙障周围的风沙流场并优化了多排沙障的铺设间距问题；张军平等[17]通过数值模拟对兰新铁路戈壁地区路基周围风沙流场数值分析，得出其周围的流场和积沙分布；石龙等[18]通过FLUENT欧拉双流体非定常模型，对不同设计参数的斜插板挡沙墙周围风沙两相流运动特性进行数值模拟，得出各项参数对风沙运动的影响。大量学者基于不同参数的数值模拟[19-22]，以及优化防治风沙灾害措施周围及局部的风沙流运动情况，现已成为计算分析复杂沙障风沙运动的重要工具。

高立式沙障是当前半干旱区、半湿润区固沙造林的优先措施和极端干旱区重要防沙阻沙措施[23-24]。目前，针对高立式尼龙网沙障的风沙两相流研究主要从风沙两相流的角度分析其变化，即数值模拟的方法，所谓风沙两相流就是含有沙粒的运动气流，是一种典型的气-固混合流。有学者利用风洞试验，也可以模拟出不同模型的流场结构和风速廓线变化[25]；与风洞试验相比，数值模拟的优点是测试成本低、参数修改便捷；与野外试验相比，其不受外界及自然条件的限制，研究费用也相对较少[26]。众多学者通过风洞试验和数值模拟对仅单排沙障风场特性和沙障背风侧的流场结构进行研究[16,18]，但对于双排甚至三排的高立式沙障下的风沙运动特性研究未见报道，本文运用FLUENT数值模拟方法，结合野外试验验证，拟解决由于野外试验条件的限定，无法对多种情形下的沙障进行风沙流场的测定问题，并为高立式沙障的铺设提供参考。

1 试验设计

1.1 数值模拟设计

1.1.1 几何建模

实际自然界的流场是三维多物理场耦合存在的，为使模型整个区域气流充分发展，避免绕流和涡流对出口边界条件和试验结果产生影响，理论上计算区域越大越好，本试验模拟情况为风沙流，采用欧拉双流体模型（Eulerian Model）进行求解，在FLUENT中视为气-固两相流，但由于风沙流在运动过程中沙粒主要受重力和拖拽力的影响，作用力方向基本在同一个平面，故可以看作二维平面问题处理，本文运用AUTO CAD建立二维模型，在野外试验和大量试算的基础上确定了计算区域、边界条件，见图1（以双排沙障为例），并模拟分析不同障排数量、沙障高度和入口风速条件下风沙运动特性，具体试验及参数设置见表1。在距计算区域底边界分别0.2、0.4、0.6、0.8、1.2、1.5和2.0 m处设置水平方向监测线。以入口方向第一排沙障位置为参照点，左侧为迎风侧，沙障间的区域为过渡区，最后排沙障的右侧为背风侧。在计算域底边上进行测点布设，由于沙障高度对不同位置的风沙运动特性有重要影响，因此在沙障迎风侧、过渡区和背风侧以沙障高度的不同倍数进行测点布设，如单排沙障迎风侧（0.5、2、4、6、8、10），换算成距原点的水平位置分别为19.7、18.8、17.6、16.4、15.2和14.0 m，其他测点换算为水平位置具体见表1。

注：H为沙障高度，cm。

表1 不同情况下的沙障试验参数

1.1.2 网格划分

沙障模型计算域整体呈不规则型，网格划分类型为四边形网格（Quad形式）和三角形网格（Tri形式）混合的形式，划分形式采用非结构化网格（Pave法），其原因由于沙粒主要集中在离地表0～50 cm左右运动，故沙障模型下部进行网格加密处理，网格数量为2.0´105个。

1.1.3 参数设置

本试验数值模拟采用欧拉双流体模型，其具体参数设置[27]如表2所示。耦合算法采用SIMPLEC，入口边界速度通过UDF导入C语言自编程序载入廓线方程为：

1.1.4 控制方程

表2 数值模拟的参数设置

1.2 野外试验设计

为了验证数值模拟结果的可靠性，本研究以双排沙障为例开展野外试验（图2）。试验区位于巴彦淖尔市磴口-乌斯太的穿沙公路2 km处，其地理坐标40°07′27″～40°10′29″N，106°43′17″～106°48′36″E，属于乌兰布和沙漠沿黄段，北部多固定和半固定沙丘，沙源丰富，风沙活动频繁，为观测沙障周围的风沙流场研究提供了良好的地理条件。野外铺设4种高度（60、100、120和150 cm）的双排沙障，布设间距均为8 m，与不同沙障高度的数值模拟形成对比试验。风杯观测高度分别为20、50、100和150 cm。为了便于对比，简化野外试验的测点位置，迎风侧、背风侧和过渡区与数值模拟的规定方式一致，双排沙障的迎风侧测点位置为16、17、18、19 m，过渡区测点位置为21、23、25和27 m，背风侧测点位置为29、30、32和34 m），4种高度沙障断开布设，避免边界效应的影响。

图2 双排沙障野外试验

2 结果与分析

2.1 不同障排数量下的风沙运动特性

由图3不同障排数量沙障周围的水平风速变化可知，当气流运行至沙障迎风侧时，垂直方向 0.2～2.0 m内明显有分层现象，0.2～0.6 m内气流在阻遇沙障时急剧下降，单排沙障流场形式呈现“V”型；双排沙障流场形式为“W”型；三排沙障流场形式为多“V”型，且三排沙障的气流形式最复杂。水平监测线（0.8 m）为单排、双排和三排的水平气流的分层点，整体呈现先上升后下降的形式，表现为倒“U”型。单排、双排和三排沙障的防风效果分别至26、33和40 m时逐渐恢复至入口风速，说明沙障防护范围分别为第一排沙障至其后的6、13和20 m处。

注：入口风速为8 m·s-1；沙障高度为60 cm；相邻沙障间距为3 m。图4、图5同。

由图4可知，单排、双排和三排沙障迎风侧的风速廓线在靠近沙障18.8～20.0 m范围时，风速廓线表现出“S”型，说明此时风速出现了反向气流，形成了涡流区或风影区。随着障排数量的增加，垂直方向0～0.5 m范围内单排、双排和三排沙障的风廓线变化范围分别为3.5～5.0、3.5～5.5到3.5～6.0 m/s逐渐增大，说明其防风效果逐渐增强。从单排、双排和三排沙障背风侧的风速廓线可知，单排沙障在20.6～21.2 m之间出现风速变化的拐点，双排沙障在23.3～24.2 m之间均出现了风速变化的拐点，第三排沙障在26.6～27.2 m之间出现风速变化的拐点。由图4的过渡区风速廓线变化幅度可知，三排沙障的过渡区风速廓线更趋于“S”型，说明三排沙障的防护效果优于双排沙障的防护效果。

图5为模拟不同障排数量的积沙分布云图，图中不同颜色代表沙粒不同的体积分数，红色为最大值代表沙粒已经基本上在此区域位置沉积，其他颜色代表沙粒以不同的形式（悬移、跃移和蠕移）进行运动。整体而言，三排沙障的积沙量最多，双排沙障积沙量次之，单排沙障积沙量最小。单排沙障（图5a）在沙障的迎风侧有少量的积沙，但积沙现象不明显，沙粒在经过单排沙障时，其背风侧基本无沙粒沉积，而是在一定距离后再积沙，其体积分数在0.4～0.8之间。双排沙障而言（图5b），沙粒在经过双排沙障时，在沙障迎风侧有少量积沙，且积沙现象不明显。受第一排沙障的影响，在双排沙障的积沙范围变大，沙粒主要集中在双排沙障的过渡区和背风侧，总体的体积分数在0.6～1.0之间。三排沙障（图 5c），沙粒在经过三排沙障时，沙障的迎风侧积沙现象不明显，第一排与第二排沙障的过渡区积沙区域主要集中在靠近第二排沙障的左侧，呈现类似“拱形”型的积沙形态，体积分数在0.4～0.8之间。携沙气流在经过第二排沙障与第三排沙障过渡区时大量沉积，其体积分数在0.4～0.9之间，沙粒在背风侧后一定距离积沙，其体积分数在0.4～0.7之间。

图5 不同障排数量沙障周围的积沙分布

2.2 不同高度沙障周围的风沙运动特性

沙障高度直接影响着沙障的流场形式和范围，同时也影响着工程的造价。当风速为10 m/s时，选取了4种（60、100、120和150 cm）高度的双排沙障水平方向监测线上的速度分布（图6）。流场整体呈现沙障迎风侧变化平稳，气流至沙障迎风侧时，垂直方向0.2～2.0 m内出现明显的分层现象，60、100、120和150 cm沙障的水平气流分层点分别为0.8、1.2、1.5到2.0 m，说明沙障高度越高，沙障的防护效果越强。双排沙障的过渡区流场形式表现出“W”型。

随着沙障高度增加，4种高度的双排沙障迎风侧18.5～20.0 m范围内形成“S”型的风速廓线形式，且影响范围逐渐增加。60、100、120和150 cm双排沙障过渡区的风速廓线波动逐渐增加，所形成大小不一涡流区的数量越多，能量消耗越大，防风效果越强。双排沙障背风侧风速廓线随着与第二排沙障距离的增加，逐渐恢复至入口风速。

注：入口风速为10 m·s-1。沙障类型为双排。沙障间距为8 m. 图7同。

由图7可知，不同高度双排沙障的积沙分布情况，携沙气流经过双排沙障时，总积沙量表现为100 cm双排沙障积沙量最大，60 cm双排沙障的积沙量次之，120 cm和150 cm双排沙障的积沙量与100 cm沙障的积沙量相似，但积沙的位置分布差异很大，4种高度双排沙障迎风侧有少量积沙，受前排沙障影响，双排沙障过渡区积沙区域主要集中在第二排沙障左侧，体积分数在0.6～1.0之间。

图7 不同高度双排沙障周围的积沙分布

2.3 不同入口风速下沙障的风沙运动特性

图8为不同入口风速下（10、15和20 m/s）的水平方向监测线上的速度分布情况。双排沙障周围的水平流场趋势基本一致，垂直方向0.2～2.0 m内出现明显的分层现象，1.5 m为不同风速的水平流场的分层点，150 cm双排沙障过渡区的风速波动范围分别为0～8、0～9和0～12 m/s，说明随着入口风速的增大，双排沙障的防风效果逐渐下降。

双排沙障迎风侧风速廓线呈现“S”型，形成了涡流区。当风速为10 m/s时，在沙障迎风侧19.3 m和过渡区37.5 m处出现风速拐点，分别为2.5和5.5 m/s；当风速为15 m/s时，拐点风速为5.0和8.0 m/s；风速为20 m/s时，拐点风速为7.0和10.0 m/s。双排沙障过渡区，由于阻滞消能的作用，使风速急剧降低。当气流运行至沙障背风侧时，41～47 m处的风速廓线呈现“S”型，但随着风速的增加，趋势逐渐减缓。

图9为双排沙障不同风速下的沙障积沙分布情况，当入口风速为10 m/s时，迎风侧的积沙体积分数在0.3～0.5之间，过渡区积沙在间距的1/3处开始，体积分数在0.4～0.9之间，其背风侧基本无积沙；当入口风速为15 m/s时，过渡区积沙在间距的1/2处开始，体积分数在0.4～0.9之间；当风速增至20 m/s时，过渡区基本无积沙分布，说明随着风速增大，沙障的防风阻沙效果逐渐消失，沙障失去了防护效益。

注：沙障类型为双排；沙障高度为150 cm；沙障间距为20 m。图9同。

2.4 野外试验验证

以双排沙障为例，针对不同沙障高度下的水平风速进行野外试验。由表3可知，真实值与模拟值的最大相对误差为8.18 %，最小相对误差为1.32 %，野外布设沙障（60、100、120和150 cm）的平均相对误差分别为5.68%、5.55%、5.88%和4.00%，将野外真实值与模拟值进行线性回归分析，2均大于0.9，综上说明数值模拟设置的模型参数及设计可靠性较高，真实值和模拟值总体之间相关性较好。

图9 不同入口风速下的积沙分布

表3 不同高度双排沙障周围水平风速真实值与模拟值对比

3 讨 论

基于FLUENT数值模拟的方法对风沙运动进行了模拟，各类型沙障（尼龙网沙障、挡沙墙、防风挡板、草方格沙障等）在进行数值模拟时，均把其视为障碍物，如石龙等[18]在研究新型斜插板对风沙流的影响时指出，气流在障碍物前后形成速度降低区，即为沙粒沉降区，在水平方向气流水平变化呈现“V”或“W”型，在单排挡沙墙背风侧风速廓线呈现“S”型。本试验在模拟时选取了7个沿水平方向的监测线梯度，将流场结构分解为水平风速和风速廓线变化，为更加清晰的了解沙障周围的流场变化情况，从整体的水平流场变化中可以发现，气流经沙障体系作用下，流场形式均为抬升、加速、减速、逐渐恢复的流场结构。积沙量范围分别随着沙障数量增多而增大，随着沙障高度增高而增大，随着入口风速增大而减小。张凯等[30]研究高立式HDPE板沙障防风效益时得出，不同风速水平流场结构相似，且随着风速的增加防护距离逐渐减小，沙障的防护效益逐渐降低，与本文在研究不同风速风沙流运动特性时的流场结构相似，随着风速增加，流场波动幅度逐渐减小，防护效益减小。辛国伟等[31]研究不同形式廓线对风沙流场和风沙堆积的影响时得出，不同形式廓线存在较大差异，但在自然过程中均匀流并不存在，大多数以对数流为主，本文通过以UDF导入C语言自编程序载入廓线方程的方法，避免了由于风速形式的变化产生的风沙流场和积沙分布的影响，更具实践意义。

本研究对不同障排数量、不同高度和不同入口风速下的尼龙网沙障风沙流运动特性进行模拟，基本了解了各情况对风沙运动特性的影响。从模拟结果上看，与野外实测的结果相一致，且拟合度较高。目前大多数学者模拟的沙障为挡沙墙[32-34]，由于墙体比较坚硬，尼龙网材质比较柔软，发生碰撞时消耗的动能大于尼龙网所消耗的动能，铺设时应根据当地的实际情况进行布设，后期模拟试验需增加孔隙度和间距等参数模拟，以此完善多排高立式沙障铺设的经验化问题，对实际应用提供数据参考。

4 结 论

通过FLUENT数值模拟的方法，对不同设计参数下高立式沙障周围的风沙运动规律进行归纳和总结：

1）从不同情形下的风沙运动模拟可知，水平方向的流场主要以“V”和“W”型存在，而垂直方向的风速廓线主要以“S”型为主。

2）不同障排数量的风沙运动可知，风速为8 m/s时，单排、双排和三排沙障的防护范围分别为第一排沙障至其后的6、13和20 m处，三者的积沙量随着障排数的增多而增加；不同沙障高度的风沙运动可知，当风速为10 m/s时，60、100、120和150 cm的沙障水平气流分层点分别为0.8、1.2、1.5和2.0 m；由不同入口风速的风沙运动模拟可知，当风速增至15 m/s以上时，150 cm的双排高立式沙障逐渐失去了防风阻沙作用。

3）结合野外实测值与模拟值的对比和线性回归可得到数据的拟合度较好，误差分析表明，数据结果的可靠性高，可将此数值模型作为弥补野外试验数据的不足，其最小相对误差为1.32 %，最大相对误差为8.18 %，总体平均相对误差为5.28 %。

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Numerical simulation and experiment of wind-sand movement characteristics around high vertical nylon mesh sand barriers

Jia Guangpu, Zuo Hejun※, Wang Haibing, Yan Min, Yao Yunfeng, Han Xueying, Liu Feng

(,,010018,)

This study aims to explore the movement law of wind and sand for the high vertical nylon mesh sand barrier, thereby to make up for the difficulty in the collecting data from field experiments, particularly on the sound reference for engineering sand control. Taking the Dengkou-Ustai sand-crossing highway as the background, a combination of the FLUENT numerical simulation and field test was used to investigate the design parameters of barrier rows, heights of sand barriers, and inlet wind speeds. A numerical simulation was carried out to obtain the change of wind speed, as well as the sand distribution of windward side, leeward side, and transition zone of net sand barrier. A field experiment was conducted to measure the specific parameters, and then the recorded data was later used for the error and linear correlation analysis. The results show that the air flow field in the horizontal direction represented in the form of "V" and "W" in the vertical sand barriers under different design parameters. The profile of wind speed shaped mainly in "S" for the transition zone of sand barriers. It infers that the wind speed has reversed airflow at this time, forming a vortex area or wind shadow area. The height of sand barrier directly determined the form and scope of flow field at the leeward side of sand barrier, as well as the cost of the project.When the wind speed is 8 m/s, as the number and height of barriers increased, the wind-proof effect became more obvious, and the amount of sand accumulation showed an increasing trend, and the influence ranges of single row, double row, three row sand barriers were from first row sand barrier to behind it 6, 13 and 20 m; when the wind speed is 10 m/s, as the height of the sand barrier increased, the airflow demarcation point gradually rised. The airflow demarcation points of sand barriers with heights 60, 100, 120, 150 cm were 0.8, 1.2, 1.5, 2.0 m, respectively. The airflow gradually returned to the wind speed in the wilderness, as the airflow moved away from the sand barrier.When the wind speed increased above 15m/s, the high vertical sand barrier gradually lost its protective effect. Error analysis was used to verify the high reliability of data, where the minimum relative error was 1.32%, the maximum relative error was 8.18%. The numerical model can be used to serve as an alternative approach for the insufficient data in field experiments. The combination of numerical simulation and field test can be used to mutually verify the optimal predict model in the preliminary screening for the indoor use, and acquire the movement rules of wind and sand, indicating an achievement can be gained in the effort at the field. The measurement cost normally was high, while the speed gradient of wind was not easy to measurement. A recommendation was made during this time that the design parameters can be reasonably selected according to the local wind conditions in the actual laying in the field.

wind; sand; experiments; nylon net sand barrier; wind speed change; sand accumulation distribution; FLUENT numerical simulation

贾光普，左合君，王海兵，等. 高立式尼龙网沙障周围风沙运动特性的数值模拟与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(18)：109-117.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.014 http://www.tcsae.org

Jia Guangpu, Zuo Hejun, Wang Haibing, et al. Numerical simulation and experiment of wind-sand movement characteristics around high vertical nylon mesh sand barriers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 109-117. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.014 http://www.tcsae.org

2020-05-19

2020-08-18

国家重点研发计划“乌兰布和沙漠生态园区沙产业技术和模式集成与示范”（2016YFC0501009）和内蒙古自治区科技重大专项（2019ZD007）共同资助

贾光普，博士生，主要从事水土保持与荒漠化防治研究。Email：jgp1012@126.com

左合君，教授，博士生导师，主要从事荒漠化防治、道路风沙及风吹雪灾害防治研究。Email：zuohj@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.014

U213.1+54

A

1002-6819(2020)-18-0109-09