斜插板式沙障插板倾角影响下风沙流特征的数值模拟

丁泊淞, 高 丽, 程建军, 陈柏羽

(石河子大学 水利建筑工程学院, 新疆 石河子 832003)

兰新高铁是一条横贯中国甘肃、青海和新疆3省区的铁路大动脉，作为亚欧大陆桥铁路通道的重要组成部分，对促进边疆地区民族团结及加快西北地区经济建设具有重要意义[1]。然而，兰新铁路新疆段需穿越四大戈壁风区，风区内自然条件极其恶劣，普遍存在风速高、风期长、起动风速快等特点，铁路安全正常运营受到严重威胁[2-5]。

为抵御戈壁大风区极端的风沙灾害，多种机械防沙措施应用在兰新高铁沿线，取得了一定效果[6-11]。斜插板式沙障是由中铁西北科学研究院有限公司提出的一种新型透风式沙障，具有抗风能力强、结构可靠、耐久性好等优点，已应用于兰新铁路沿线的风沙灾害防治[12-13]。斜插板式沙障主体结构由数块横截面为平行四边形的混凝土插板构成，插板之间相互平行且与主导风向呈一定夹角，彼此保持一定距离以形成特定孔隙率(见图1)。关于斜插板式沙障的防风阻沙效果，已有学者进行了相关调查及研究：石龙等[12]对不同设计参数的斜插板式沙障进行了研究，结果表明沙障孔隙率宜为25%～40%，高度宜为1.5～2 m；李凯崇等[13]对斜插板式沙障进行了现场观测，发现其消减风能效果优异，并且风沙流经过墙体后沙粒的细组分含量明显增加；Cheng 等[14]通过风洞试验及现场调查发现，斜插板式沙障具有独特的筛分沙粒作用。

图1 斜插板式沙障示意图

斜插板式沙障的孔隙结构为狭长的斜导孔，特殊的孔隙形式能够迫使风沙流受沙障阻碍后，沿斜导孔向上爬升，克服重力做功，从而达到消减风沙流运动风能的作用，所以，插板与风向的夹角通常小于90°，兰新铁路沿线使用的斜插板式沙障正是这一类型[13-15]。然而，目前关于斜插板式沙障插板倾角(<90°)影响下的风沙流特征规律的研究较少，不足以揭示插板倾角变化对风沙流的作用规律。

为优化既有沙障的结构形式，以发挥最大挡沙功效，本文基于CFD数值模拟方法，对具有不同插板倾角(15°，30°，45°和60°)但孔隙率均为30%的斜插板式沙障进行风沙流数值模拟，以期进一步揭示插板倾角影响下的风沙流特征规律，为铁路沿线斜插板式沙障的优化设计提供理论依据。

1 数值模拟方法

1.1 几何建模及网格划分

运用AutoCAD对4种具有不同插板倾角(α=15°,30°,45°,60°)但孔隙率均为30%的斜插板式沙障进行几何建模。由于斜插板式沙障在结构上呈几何对称，因此，可将其简化为二维模型计算。计算域长度为150 m，高度为30 m，沙障高度为2 m(H=200 cm)，放置在距入口50 m处。计算域模型及边界条件见图2。

图2 计算域模型及边界条件示意图

计算域模型网格划分类型采用三角形网格(triangles)，并对地面及沙障附近的网格进行加密，网格尺寸增长率为1.1，网格质量平均值约为0.95，计算域模型网格数量约为4.00×104个，网格质量优良。计算域网格划分结果见图3。

图3 计算域网格划分示意图

1.2 计算参数及控制方程

本文模拟工况下风沙流马赫数均小于0.3，可认为是不可压缩流动，模型出口边界条件为压力出口(pressure-outlet)，压力差为0，模型入口边界条件设置为速度入口(velocity-inlet)，入口为典型风速廓线流[16-18]：

(1)

式中：V为摩阻风速;k为卡门常数,取固定值0.4,y为高度;V(y)为y高度处的风速值；y0为地表粗糙度,取沙粒平均粒径的1/30[19]。

风沙流沙粒粒径通常在0.075～0.25 mm之间，本文数值模拟中沙粒粒径设定为ds=0.15 mm，形状类型为颗粒(Granular)，沙粒密度ρs=2 650 kg/m3，黏度μs=0.004 7 Pa·s，初始沙粒体积分数为1%，类型为FLUID，空气密度ρk=1.225 kg/m3，空气动力粘度μk=1.789×10-5Pa·s[20-21]。模拟风速选取10，15，20 m/s 3种。

原题①②③三个小问一步步地引导考生深入探究距离概念d(A,B)的性质.如果考生不能在短时间内有效的理解这个抽象距离概念，就只能“望题兴叹”了.这让我们教师意识到今后课堂上的概念教学中，必须摒弃那种“重结果，轻过程”([12]) 的讲授方式，让学生们亲自体会并参与到概念的形成过程中来.

本文数值模拟中主要的控制方程有连续性方程、动量方程、和k-ε湍流方程等：

(1) 连续性方程[22]：

(2)

式中：u为速度矢量;ux,uy,uz分别为3个方向的速度矢量;ρ为密度;t为时间。

(2) 动量方程[22]：

(3)

(4)

(5)

式中：▽为劈形算符；ρ为流体微元上的压力;fx,fy,fz分别表示x,y,z3个方向的质量力;τ为流体内应力张量的分量。

(3)k-ε湍流方程[23]：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(6)

(7)

方程组求解计算方法采用SIMPLEC算法，该算法适用于不可压缩流动，并且可以加快迭代过程的收敛，各分量值收敛标准为物理收敛，大小为10-6量级。

2 结果与分析

2.1 流场变化规律

气流受沙障阻碍时，会产生分离而后重新汇聚，在沙障周围形成明显的流场分区，其特征可以反映沙障阻风效果。以15 m/s风速为例，绘制4种斜插板式沙障周围风速等值线(见图4)。可以看出，4种具有不同插板倾角的沙障周围均有迎风侧减速区、上方加速区和背风侧涡流区生成，但受插板倾角变化影响，流场分区变化趋势不尽相同：对于迎风侧减速区而言，其范围受插板倾角影响较小，4种沙障的减速区范围无明显差异；对于上方加速区而言，其范围存在随插板倾角增大而增大的变化规律；对于背风侧涡流区而言，随插板倾角逐渐增大，涡流区范围逐渐增大，涡流区内反向气流流速也相应提高。

注：①图中“a，b，c，d”分别表示插板倾角15°，30°，45°，60°； ②横纵坐标单位H为沙障高度(H=200 cm)，例如x=2时，表示距离沙障2 H(即400 cm)处的位置，y=2时，表示距离地面2 H(即400 cm)处的高度，正值表示迎风侧，负值表示背风侧。下同。

流线图可以表示某一时刻气流的运动趋势，流线上的箭头方向可以指示气流流向，流线的疏密程度可以反映流速大小。以风速15 m/s为例，绘制4种沙障周围流线图(见图5)。可以看出，4种倾角的插板对气流作用规律相同：迎风侧气流流经斜导孔时，贴近地面的气流先向下运动再沿斜导孔向上运动，而靠近沙障上端的气流则顺势向上通过斜导孔，两部分气流经过斜导孔后在背风侧重新汇集，而后受背风侧涡流区反向气流的作用，流经斜导孔的气流与水平风向夹角进一步加大。但插板倾角不同，沙障对迎风侧气流的影响程度明显不同：插板倾角较小时，迎风侧贴近地面的流线向下弯曲的程度较小，气流向下弯曲运动的趋势较弱(见图5a)，随着插板倾角逐渐增大，贴近地面的流线向下弯曲的程度逐渐增大，气流向下弯曲运动的趋势较强(见图5d)；另外，插板倾角对沙障背风侧气流也具有显著影响，随插板倾角逐渐增大，背风侧流线与水平风向的夹角逐渐增大，气流聚集加速程度也逐渐增强。这一结论与Cheng等[14]人所做的斜插板式沙障风沙流场特征野外试验结果相吻合，验证了数值模拟的准确性。

图5 来流风速为15 m/s时的斜插板式沙障周围流线特征

产生上述变化规律的原因在于不同倾角的插板对迎风侧气流的挤压程度不同，存在随插板倾角增大而增强的变化规律，二者呈正相关。插板倾角较大时，插板对迎风侧气流的挤压作用较强，近地面的气流需以较大的角度向下运动才能通过斜导孔，同时，较大的插板倾角也使得沙障对气流的阻滞作用较强，导致背风侧涡流区范围较大，在涡流区反向气流的附加作用下，流经斜导孔的这一部分气流与水平风向的夹角进一步增大。

为进一步分析插板倾角对斜插板式沙障周围流场的影响，绘制不同风速下4种沙障前后距地面0.5 m高度处风速变化曲线(见图6)。从图6可以看出，不同风速下，4种沙障周围风速变化规律一致，均呈“U”型分布。对于同一风速而言，背风侧涡流区内风速极小值存在随插板倾角增大而减小的变化规律，二者呈负相关，这也进一步表明，增大插板倾角可以增强沙障对气流的阻碍作用，背风侧涡流区内反向气流流速相应增大。

2.2 积沙迁移规律

以15 m/s风速为例，绘制4种沙障周围积沙分布(见图7)。由图7可以看出，4种沙障周围积沙迁移规律相似，即迎风侧积沙量较少且紧贴沙障分布，主要积沙分布范围在背风侧且与沙障保持一定距离。随插板倾角逐渐增大，沙障迎风侧积沙量逐渐增多，而背风侧整体积沙量逐渐减少，背风侧主要积沙范围与沙障之间的距离也逐渐增大，但对于背风侧1 H范围内而言，积沙量反而逐渐增多。

产生上述积沙迁移规律的主要原因是4种沙障所消减的风沙流运动风能不同：风沙流受沙障阻碍时，迎风侧风沙流流速有所降低，风沙流经过斜导孔时，具有一定倾角的插板会迫使气流向上运动，在此过程中，风沙流与斜导孔壁面相互作用，其运动风能逐渐减小，另外，风沙流向上运动的过程中，风沙流的部分动能转化为重力势能，气流携沙能力进一步降低。当插板倾角较小时，迎风侧风沙流流速降幅较小，风沙流经过斜导孔时损失的动能也较少，气流携沙能力降低幅度较小，因此，迎风侧堆积的沙粒较少，更多的沙粒随气流运动至背风侧后逐渐堆积；而当插板倾角较大时，迎风侧风沙流流速降幅较大，风沙流经过斜导孔时损失的动能也较多，导致气流携沙能力降低幅度较大，因此，在重力主导作用下，沙粒更易沉积在沙障附近，而背风侧主要积沙范围内的积沙量较少。

3 结论及讨论

(1) 斜插板式沙障周围流场分区可分为迎风侧减速区、上方加速区和背风侧涡流区。受插板倾角变化影响，流场分区变化趋势不尽相同：随插板倾角逐渐增大，迎风侧减速区范围无明显变化，上方加速区和背风侧涡流区范围逐渐增大。

(2) 斜插板式沙障周围气流的运动趋势受插板倾角影响呈规律性变化，随插板倾角逐渐增大，迎风侧近地表处气流受到的挤压作用逐渐增强，气流向下弯曲运动的趋势逐渐增强，背风侧向上运动的气流与水平风向的夹角逐渐增大，气流聚集加速程度也逐渐增强。

(3) 不同风速下，4种斜插板式沙障周围风速均呈“U”型分布。对同一风速而言，背风侧涡流区内风速极小值存在随插板倾角增大而减小的变化规律，二者呈负相关。

(4) 4种斜插板式沙障迎风侧积沙较少且紧贴沙障分布，主要积沙分布范围集中在背风侧，且与沙障之间存在一定距离。随插板倾角逐渐增大，迎风侧积沙量逐渐增多，而背风侧整体积沙量逐渐减少，但背风侧1 H范围内积沙逐渐增多，并且背风侧主要积沙分布范围与沙障之间的距离也逐渐增大。

基于目前斜插板式沙障的研究现状，降低斜插板板材在生产过程中原材料获取及运输所产生的高昂成本将成为日后研究工作的重点，后续可以着重研究利用就地取材的方式生产板材，可考虑在控制成本的前提下添加纤维丝等材料以保证其强度达到使用要求，使斜插板式沙障在沙区铁路或公路工程风沙防治中达到“以沙治沙”的效果。