沙漠腹地公路高立式沙障防风阻沙性能研究

2023-02-24杨伟超岳欢邓锷

铁道科学与工程学报 2023年1期

杨伟超，岳欢，邓锷

(1. 中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075；2. 中南大学高速铁路建造技术国家工程研究中心，湖南长沙 410075；3. 香港理工大学国家轨道交通电气化与自动化工程技术研究中心香港分中心，中国香港 999077；4. 香港理工大学土木与环境工程系，中国香港 999077)

沙漠腹地地形起伏大，风沙运动活跃，年风沙天数多达200 d，最大风力11级，风沙危害严重。风沙危害产生于风沙运动的整个过程中，沙粒脱离地表过程中形成风蚀危害，移动过程中形成风沙流危害，沙粒再堆积形成沙埋危害。随着西北公路建设的快速发展，更多的公路将横穿沙漠腹地，车辆的运行安全将受到风沙流的威胁。高速公路的设计时速往往高达100 km/h，其不允许路面出现沙粒堆积，这对高速公路防护设施的防沙性能提出了极高的要求。高立式沙障的工作原理是增加沙漠地表粗糙度、人为改变风速廓线，达到减弱地表风速、减小风力的作用。实验表明：采用高立式沙障进行防风固沙的区域，其地表粗糙度最高可达到其他区域的200倍以上，风沙流动率最小甚至可达到其他区域的1%及以下。因此，高立式沙障在沙漠腹地公路沿线逐渐被广泛应用。国内外学者对风沙流运动和风沙防治展开了大量的研究，现场实测主要集中在风沙流的输移特征及其结构等方面[1-9]；数值计算主要采用风沙两相流和颗粒流2种计算方法。部分研究者采用数值模拟研究了风沙流在涵洞、轨道、路堤和路堑的运动规律[10-14]。张军平等[15]运用Fluent软件，采用风沙两相流计算方法对兰新铁路路基周围风沙流特征进行数值分析。结果表明，迎风侧坡脚、路基表面附近和背风侧坡脚产生积沙，迎风侧路肩上方产生风蚀沙害；且迎风侧坡脚的积沙多于背风侧坡脚。韩峰等[16-18]模拟了风沙流对挡沙墙的响应规律并对挡沙墙的设计参数进行优化。基于气固两相流模拟，李驰等[19]通过Fluent运用k-ε湍流模型，对风沙环境下沙漠路基的风蚀破坏规律进行数值模拟研究，总结出路基坡面特征点的风速变化规律，对路基合理高度给出了建议。王连等[20]通过Fluent数值模拟的多孔介质条件沙障的计算结果与全断面PE网风洞试验数据对比；证明通过参数的合理控制，多孔介质方法适用于尼龙网沙障的数值模拟。SARAFRAZI等[21]研究者基于雷诺时均湍流模型和密集离散相法研究了沙尘暴期间铁路线旁挡风墙的挡沙性能。结果表明：沙子颗粒直径越大，挡风墙后的有效遮掩距离越小，而增大风速又会增大该距离。最终确定了挡风墙与轨道之间的最佳距离。现有研究多数针对风沙在沙漠公路和铁路的运动规律进行分析，高立式沙障及其参数对风沙流运动规律影响的研究鲜有报导。本文基于沙漠腹地风场测试和Fluent欧拉两相流数值模拟，研究高立式沙障和沙漠腹地公路周围的风沙流结构，得出高立式沙障及参数变化对风沙流运动和沙粒沉积特征的影响规律，以期为沙漠腹地公路的风沙流灾害防治提供参考。

1 风沙两相流数值模型

1.1 几何建模及网格划分

高立式沙障示意图如图1所示，采用ICEM CFD软件建立二维简化模型(图2)，计算域的长度为196 m，高度为30 m，计算域入口距第1排沙障25 m，计算域的出口距路基75 m，路基顶面宽度为26 m(双向4车道)，边坡坡率为1:4，沙障高度分别为1.5，1.7和2.0 m，沙障分别为2～5排。网格划分采用CFD的六面体网格加依附于六面体网格的附加边界层网格，对近地表区域和栅栏模型附近网格进行局部加密；最小网格尺寸约为1 mm，检查网格质量合格。最终，栅栏模型网格总数约为180万。

图1 高立式沙障示意图Fig. 1 Schematic diagram of high vertical sand barrier

图2 沙障和路基的几何模型Fig. 2 Geometric model of sand barrier and roadbed

1.2 计算参数和边界条件

沙障和路基的网格和边界条件如图3所示。速度入口风沙流的速度取20 m/s，采用式(1)生成风速轮廓线；风沙流中沙粒粒径取0.1 mm；采用开口率为50%的沙障，多孔介质的透风率为50%。左侧采用速度入口(Velocity-inlet)，右侧采用出口(outlet)；顶部采用对称边界(Symmetry)，地面及路基采用无滑移wall (No-slip Wall)，粗糙高度为0.02 m[11]。在沙障前方设置0.15 m高，20 m长的区域沙床。

图3 沙障和路基网格和边界条件Fig. 3 Sand barrier and subgrade mesh and boundary conditions

式中：ν*为摩阻风速；k为粗糙长度；k为冯卡门常数，通常取0.4；z0为粗糙高度。

1.3 FLUENT求解模型

求解模型采用欧拉双流体非定常模型。假设湍流完全发展，采用k-ε湍流模型与多相流模型，湍流强度I=0.05。流场求解算法采用SIMPLEC算法。

2 数值模型验证

2.1 网格独立性验证

为验证数值模型的网格独立性，通过调整沙障和路基边界层的网格尺寸参数分别建立了低、中、高3种分辨率级别的网格模型。3个模型的总网格单元数分别为100万(低分辨率)、180万(中分辨率)和300万(高分辨率)，在垂直沙障方向施加恒定风速为20 m/s的来流风。在速度入口后5 m以风速轮廓线为监测指标，图4给出了3个模型监测指标的对比情况。结果表明，网格单元数量为180万的模型与单元数量为300万的模型计算结果吻合较好，相对误差仅相差约3%。因此，采用具有180万网格单元数量的模型是合理的。

图4 不同网格分辨率条件下风速轮廓线对比Fig. 4 Comparison of wind speed profiles under different grid resolutions

2.2 数值模拟与沙漠腹地实测验证

2.2.1 高立式沙障的防风阻沙性能现场测试

为验证欧拉双流体和多孔介质模型的合理性，在宁夏中卫沙漠公路实验基地对高立式沙障的防风阻沙性能进行测试并与数值模拟结果进行对比论证。如图5所示，共布置2台Gill Wind Master Pro型三维超声风速仪，第1台风速仪在第1排沙障迎风侧前方1 m，距离地面高度1 m处，第2台风速仪布置在第4排沙障背风侧后1 m，距离地面高度1 m高度处。风速仪分辨率为0.01 m/s，精度可达1.5%RMS@12 m/s，采样和输出频率均为32 Hz。数据采集系统由Campbell CR6型数据采集器、储存卡以及接头转换器组装而成，通过USB数据线将采集的数据导入计算机终端进行处理，采样时间从2022年3月7号12:00时至3月12号12:00时。

图5 沙漠公路实验基地沙障测试图Fig. 5 Sand barrier in the desert highway experimental base

图6为3月10号捕捉到大风天的风速时程数据，经测定沙粒的启动风速大于5.2 m/s，所以选取风速大于5.2 m/s的风速数据进行分析得到如图7所示的风向玫瑰图，主流风向基本垂直于沙障，范围在350°～5°内。经计算大于5.2 m/s的风速数据的平均风速为7.86 m/s，湍流强度为0.05，数值模拟取该湍流强度较为合理。高立式沙障周围沙尘沉积情况如图8所示，沙尘在第1排沙障迎风侧沉积，沙尘成分大多为草木等碎屑以及大颗粒沙粒(颗粒直径大于0.125 mm)，沙尘沉积厚度最高为11 cm，极细小沙尘(0.063～0.125 mm)穿过第1排沙障在沙障内部沉积或继续运动，因此有必要设置多层沙障以阻挡小颗粒沙尘运动。

图6 大风期风速时程图Fig. 6 Wind speed time history during strong wind period

图7 风向玫瑰图Fig. 7 Wind rose diagram

图8 沙障迎风面沙尘Fig. 8 Sand and dust of sand barrier windward side

2.2.2 实测风速与数值模拟风速验证

通过编制UDF程序将沙漠腹地15 s实测风速加载至Velocity-inlet边界，在数值模型布置2个风速测点与实测风速值进行对比；在第1排沙障迎风侧前方1 m，距离地面高度1 m布置风速监测点1号，第2排沙障背风侧后方1 m，距离地面高度1 m布置风速监测点2号。由图9可知，模型中的风速监测值与沙漠腹地实测值基本吻合，证明多孔介质和欧拉双流体非定常模型可以比较精确地模拟风沙流对高立式沙障的响应规律。

图9 数值模拟风速值与实测值对比Fig. 9 Comparison of numerical simulation wind speed value and measured value

3 数值结果分析

3.1 沙障周围风沙流速度分布特征

以初始风速20 m/s为例，模拟风沙流在沙障和路基的运动规律，得到路基高度2.5 m，坡度1:4；4排1.7 m高沙障周围风沙流流线图如图10所示，主导风向从左到右。

图10 4排高度1.7 m沙障的风沙流流线图Fig. 10 Streamline figure of wind and sand flow of 4 rows of sand barriers with a height of 1.7 m

由图10分析可知：沙障使气流扰动，沙障周围气流出现分区。沙障对气流的阻挡，在第1排沙障前面形成减速区(A区)，风速降至6 m/s以下；气流在沙障上部被抬升，在第1排沙障的上方形成紊流区(B区)，风速在6～20 m/s快速变化。在两排沙障中间形成了涡旋低速区(C区)，风速在0～4 m/s之间；第1排沙障和第2排沙障之间往往形成回流，第2排沙障的上升气流越过沙障汇入第1排的下沉气流，再次进入涡旋并随其运动。之后由于沙障对气流的扰动逐渐减小，风速逐渐恢复到主流区的风速形成层流稳定区(D区)。

3.2 沙障周围风沙流压力分布特征

以初始速度20 m/s为例，模拟沙障和路基共同作用下风沙流运动规律，得到路基高度2.5 m，坡度1:4；4排1.7 m高沙障周围压力云图如图11所示，主导风向从左到右。

由图11分析可知：由于沙障对气流的阻挡，气流在沙障的迎风侧被压缩，则高于标准大气压形成高正压区(A区)，正压达90 Pa；气流速度在沙障的背风侧快速降低，风沙流在沙障的背风侧形成涡旋流，同时气流的压力低于标准大气压，在前两排沙障中处于高低负压区(C区)，低压可达-90 Pa；在沙障上方，气流速度的快速变化造成沙障上方形成湍流区，气压由正压快速降至负压，此区域称为压力过渡区(B区)。气流经过沙障后压力会恢复到标准大气压，此区域称为压力恢复区(D区)。

图11 4排高度1.7 m沙障的风沙流压力图Fig. 11 Wind-sand flow pressure figure of 4 rows of sand barriers with a height of 1.7 m

3.3 沙障排数对风沙流运动特性的影响

随着沙障排数的增加，风沙流的运动规律将发生极大的改变，为了更好地研究多排沙障周围风沙流运动，提取距地面0.5 m高度处的水平和竖直风速沿程分布图如图12所示，0.5 m高度不同排数沙障下坡脚、路肩速度变化表如表1所示。

图12 不同沙障排数下距离地面0.5 m高度风速分布图Fig. 12 Distribution of wind speed at 0.5 m height above the ground under different numbers of sand barriers

表1 0.5 m高度不同排数沙障下坡脚、路肩速度变化Table 1 Variation table of the downhill foot and road shoulder speed of different rows of sand barriers at a height of 0.5 m

3.3.1 水平风速

水平风速大体呈现“V”型趋势，气流在第1排沙障的前方被快速阻挡，水平风速降至0 m/s左右与李凯崇等[22]的HDPE网沙障的设置角度对风沙流影响的实验结果大致相同。气流速度远离沙障后逐渐恢复，但未能恢复到无防护时相应的风速。在路面高度0.5 m处，5排沙障的防护下，路基的迎风侧坡脚和路肩的水平风速分别从11.05 m/s，20.22 m/s下降至5.37 m/s，14.59 m/s，速度的降低率达54.13%，27.83%；路基的背风侧路肩的水平风速分别从22.31 m/s，9.44 m/s下降至15.63 m/s，7.50 m/s左右，速度的降低率达29.92%，21.84%。可见，随着沙障排数的增加，高立式沙障周围风速骤减，沙尘的运动速率在沙障内部逐步降低；同时路基沿程的水平风速也逐步降低，减小路基的风蚀危害。

3.3.2 竖直风速

沙障对气流的抬升作用，越靠近沙障气流竖直风速越大，并在第1排沙障的正上方达到峰值4 m/s；气流穿越沙障后下沉，风速逐渐减小，负峰值出现在第1排和第2排沙障中间处达到-3 m/s。第1排和第2排沙障对气流的竖直风速影响最大，随着沙障排数的增加，竖直风速同样呈现正负值波动，方向复杂多变，进一步验证了涡旋流的存在。在路肩的迎风侧，竖直风速由无防护的4.2 m/s降低至2.7 m/s左右，竖直风速小于沙粒的最小启动速度(5.2 m/s)，沙粒难以再次跃移，说明沙障达到了理想的防沙效果。

3.3.3 沙障周围风沙流的运动特征

图13为不同沙障排数下沙粒体积分数云图，风向从左到右，不同颜色代表不同的体积分数(蓝色为最小，红色为最大)。红色区域代表沙粒基本已沉积在此处，其他颜色代表沙粒在以蠕移、跃移、悬移的方式运动。

图13 沙障高度为1.7 m，不同排数沙障的沙粒体积分数云图Fig. 13 Cloud figure of sand volume fraction with different row numbers of sand barriers with a height of 1.7 m

由图13分析可知：随着沙障排数的增大，沉积在沙障周围的总积沙量与积沙高度均发生明显变化。当只有2排沙障时，大颗粒沙尘在沙障迎风侧部分沉积，小颗粒沙尘沙粒穿过2排沙障随着气流运动到路基的迎风坡。布置3排沙障时，仅有少量沙粒运动至路基。当布置4到5排沙障时，可以发现沙粒大量沉积在第1排和第2排沙障的中间，后两排沙障拦截少量跃移过前排沙障的沙粒。由此可见，沙障至少设置3排及以上。

3.4 沙障高度对风沙流运动特性的影响

初始风速速度20 m/s，风向从左到右，路堑高度2.5 m，坡度1:4，对沙障高度1.5 m和2.0 m，4排高立式沙障进行数值模拟。提取路面0.5 m的水平和竖直风速，分析沙障对气流的减速效果，得到0.5 m高度风速沿程如图14所示和0.5 m高度4排沙障下坡脚、路肩速度变化表如表2所示。1.5 m和2.0 m高度沙障排数下沙粒体积分数云图如图15所示。

图15 沙障排数为4，不同沙障高度的沙粒体积分数云图Fig. 15 Number of sand barriers is 4， and the cloud figure of sand volume fraction at different sand barrier heights

表2 0.5 m高度4排不同高度沙障下坡脚、路肩速度变化Table 2 Variation table of downhill foot and road shoulder speed of 4 rows of sand barriers with different heights at a height of 0.5 m

图14 距离地面0.5 m高度风速分布图Fig. 14 Distribution figure of wind speed at 0.5 m height above the ground

3.4.1 水平和竖直风速

在2.0 m沙障的防护下，路基的迎风坡路肩水平风速比1.5 m沙障的相应值低3～5 m/s，风速的降低率最高达61.79%；竖直风速也比1.5 m沙障的相应值低0.5 m/s。由此可见，风速值一定时，随着沙障高度的增加，沙障背风侧低速涡流区范围逐渐增大，防沙效果得到显著的提高，跃移穿过沙障的沙尘减少。

3.4.2 沙障周围风沙流的运动特征

1.5 m高的沙障的积沙主要沉积在前3排沙障，在第1排和第2排沙障内部出现沙粒的堆积较多。可能是第1排沙障周围风速较大导致更多沙粒越过第1排沙障而继续运动。2.0 m高度的沙障，使风速快速的降低，第1排沙障前方有明显的减速区；沙粒主要在第1排沙障迎风侧前沉积，第1排和第2排沙粒堆积较少。