铁路沿线挡沙堤设计参数优化分析

应用Fluent软件对风沙地区铁路沿线挡沙堤周围气流运动特性进行数值模拟,探讨挡沙堤风沙防护效果的关键影响因素。研究结果表明:挡沙堤周围气流在迎风坡、堤顶和背风坡分别形成减速区、高速区和紊流区;挡沙堤越高,坡度越大,迎风坡坡脚风速衰减幅度越大,背风侧回流风速峰值和回流区长度越大,防沙效果越好;综合考虑防护效果和工程造价,建议挡沙堤的布设高度宜取为1.5~2.0 m,坡率宜取为1∶1.5;截沙沟、挡沙堤组合式防沙工程,宜将截沙沟设置在上风向。提出了一种新型的挡沙堤顶部加设中立式高密度聚乙烯网沙障的复合式挡沙堤,与传统挡沙堤相比,其性能优,而工程造价大幅降低。建议防沙设计中优先采用新型挡沙堤。     

新建格库铁路HDPE板高立式沙障防风效益数值模拟研究

以新建格库铁路风沙试验段为背景,基于Fluent欧拉双流体模型,对HDPE板高立式阻沙沙障周围风沙流运动特征进行了数值模拟,得出了HDPE板周围风沙流运动变化规律,分析了三道连续HDPE板沙障的合理间距问题,结果表明:当风沙流经过HDPE沙障时,会形成速度分区,孔隙率为10%和25%时,速度分区分别为气流减速区、气流加速区、气流高速区、低速回流区、速度突增区及消散恢复区,孔隙率增大至40%～50%时,速度突增区消失及低速回流区消失;风速相同时,HDPE板孔隙率越大,其有效防护距离越大;孔隙率一定时,入口初始风速越大,HDPE板沙障有效防护距离越小;三道连续HDPE板沙障,合理间距布设为30 m时,不仅是一种阻沙措施,也可作为一种固沙措施。     

兰新铁路戈壁地区路基周围风沙流运动特征数值分析

运用FLUENT软件,进行兰新铁路戈壁地区路基周围风沙流场数值分析。结果表明,在路基周围风沙流场中,迎风侧坡脚、路基表面附近和背风侧坡脚出现气流运动的相对低速区,迎风侧路肩上方出现气流运动的相对高速区;在相对高速区产生风蚀沙害;在相对低速区产生积沙,且迎风侧坡脚的积沙多于背风侧坡脚。设置不同高度挡沙墙的路基周围风沙流场数值分析表明,流场中的最大风速区由迎风侧路肩上方前移至挡沙墙的上方,减弱了风沙流对迎风侧路肩的风蚀,且积沙大部分落在挡沙墙的前面,跃过挡沙墙的沙粒在挡沙墙和路基之间相对低速旋流的作用下继续跌落。因此挡沙墙的合理高度应满足:气流中大部分沙粒被挡沙墙拦截,在迎风侧路肩处不出现相对高速区,以避免迎风侧路肩产生强烈风蚀,且相对高低速区界线平稳穿过路基表面。     

新恩铁路风沙路基平面防护工程试验研究

新恩铁路穿越毛乌素沙漠的活动沙丘和半固定沙丘。为防止铁路路基在风季遭受沙埋,需在路基两侧设置平面防护工程。根据气象风沙监测的结果,选取有代表性的路基地段,分别进行机械固沙辅以植物防护及栽种树枝沙障固沙的现场试验研究。试验结果表明:在流动沙丘段设置规格为1 m×1 m、高度为0.25 m的经编防风固沙网格,网格内种植灌木,并于迎风侧最外侧设置2排高度为1.5 m的高立式沙障;在半固定沙丘试验段选择直径不小于10 mm、长度为55 cm的沙柳树枝沙障固沙(沙柳不小于70%的成活率),并于迎风侧最外侧设高立式沙障。经现场监测,两种措施均能有效降低风速,减少输沙量,达到防沙治沙效果。通过试验,制定了本线风沙路基平面防护的主要措施并推广应用。现铁路已通车多年,防沙效果良好。     

不同类型挡沙墙风沙防护机理的风洞实验研究

研究目的:通过对板式挡沙墙、轨枕挡沙墙、高立式PE网沙障等防风固沙措施进行风洞实验研究,测定8 m/s、10 m/s、18 m/s、25 m/s等不同风速条件下,各种沙障的风速廓线特征、风速流场特征和输沙率等,研究它们的风沙防护机理,并对其防护效果进行评价。研究结论:(1)通过研究发现,当运动气流途经各种阻沙措施后,会在墙体前后出现明显的风力消减效果;(2)当高度一致时,板式挡沙墙和轨枕挡沙墙对运动气流的消减能力要明显的优于孔隙率为40%的高立式PE网沙障,使得近地表的风速接近于0;(3)板式挡沙墙和轨枕挡沙墙的输沙率明显小于40%高立式PE网沙障,在墙体自身高度范围内,其输沙率基本都接近于0,风沙流净化能力较优;(4)本研究成果可为铁路沿线防风挡沙墙的设计提供一定的理论支撑。     

风沙两相流对铁路路堤响应规律的数值模拟研究

基于FLENT欧拉双流体模型,对路堤周围风沙两相流运动特性进行数值模拟,并将模拟结果与现场实际调查进行比较。结果表明,所用模型能较好地模拟路堤周围风沙两相流的运动特性,数值模拟与现场调查相吻合。数值模拟分析表明:路堤周围气流速度产生分区,分别形成减速区、加速区、高速区、低速区与紊流区;沙粒速度与风速相互影响,形成一种反馈机制;在过渡区内,当风速大于起沙风速时,沙粒速度与风速呈正相关;正交单向来风条件下,揭示了迎风坡积沙量大于背风坡的形成机理;路堤顶面积沙量呈"正态形"分布,中间多,两边少;迎风坡积沙量随着风速增大而减小,背风坡无明显变化;不同地表条件对风沙流密度及结构影响显著,决定着工程防沙措施。     

铁路沿线联合沙障阻风固沙机理的数值模拟研究

目前铁路上常见风沙病害即为风蚀和沙埋，为保证铁路运输安全，基于欧拉-拉格朗日离散模型，对前期已确定设计参数的由透风栅栏及固沙砖沙障的联合沙障优化措施对路堤周围风沙流场积沙分布的防护效果进行研究分析。结果表明：由于透风栅栏的作用，其后风速降低约50%,部分风沙流受阻抬升导致流场4.5 m以上形成风速加速区；透风栅栏与固沙砖沙障联合作用，在距地面近2 m处风速小于5 m/s,有利于沙粒的沉降，路堤上已沉积在表面的沙粒也不易再次移动；路堤顶面风速降低23.5%,更有利于平稳输导风沙流，减少人工清沙频率，提高防沙效益；联合沙障优化措施在参考风速为分别为5.93、10.38、18.67 m/s时均可有效净化来流风沙；联合沙障有效颗粒防护率可达到89%以上，针对粒径d≥0.1 mm的颗粒，3种入口风速的防护率分别为99.9%、93.6%、94.7%。     

风速廓线形式对HDPE板高立式沙障风沙流场的差异性研究

以格库铁路路基风沙防护为背景,在不同来流风速廓线形式下对不同孔隙率(30%、40%、50%)HDPE板栅栏进行数值模拟,对比分析风速廓线形式对栅栏周围流场及积沙分布的影响,并通过风洞试验进行验证,得出数值模拟中适合现场的风速廓线形式。结果表明:对数流形式时,栅栏周围加速区范围扩大,且存在明显的回流区,均匀流形式时,栅栏周围加速区范围较小,回流区相对不明显。对数流和均匀流形式下,在栅栏障后20H处,分别为30%和50%孔隙率HDPE板栅栏防护作用最优。对数流形式下,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;均匀流形式下,积沙主要分布在背风侧。对比风洞试验结果,对数流模拟结果较均匀流结果更切合现场实际。     

沙漠铁路固沙砖设计参数的数值模拟

为了研究适应于青海雅丹地貌区沙漠铁路地质条件、气候环境等因素的新型固沙沙障,结合当地情况采用不破坏当地地貌环境的固沙砖作为固沙沙障。通过数值模拟软件Fluent,计算来流风速为26. 7 m/s工况下,对比分析固沙砖不同设计参数的阻沙固沙效果,确定固沙砖最优设计参数。结果表明:当固沙砖高度为40 cm、孔隙率为5%、铺设为1 m×1 m的规格时,可以充分利用涡旋作用,使大部分沙粒沉积在固沙区内;固沙区内部与上部的速度差可以达到27. 5 m/s,形成明显的速度梯度,亦有利于携沙风中沙粒沉降;固沙区内部风速降低最高幅度为93. 3%,近地表风速小于沙粒起动风速,有效遮蔽距离最大,有效遮蔽高度可达到0. 6 m。     

南疆戈壁区HDPE板沙障风沙防护机理及效果评价

依托格库铁路风沙防护工程,通过不同类型风沙防护措施前后流场和输沙率的测定,研究新型HDPE板沙障风沙防治机理及效果。结果表明:风沙流途经HDPE板沙障后,会在障后的0.5～10倍沙障高度范围内形成1个明显的绝对低速区,其1/2障高处的最大风力消减率可达94.4%;在沙障高度范围内,阻沙率呈现一定的正态分布,最大阻沙率出现在1/2障高附近;风速与阻沙率呈负相关性,风速越高,阻沙率越低;风速在0～16 m·s~(-1)范围内,单道HDPE板沙障的总阻沙率超过70%;当2道沙障的布设间距为5～15倍沙障高度范围内时,沙障的布设间距与整体阻沙率呈一定的负相关性,但整体差异不明显。     

铁路侧向导沙沙障流场演化规律研究

铁路沿线的侧向导沙工程主要应用于风沙来流的侧向输导,使线路免受风沙危害。应用CFD数值模拟方法研究铁路沿线羽毛状侧向导沙沙障周围的流场演化规律特征,通过研究不同主风向与沙障夹角以及在风速改变时沙障周围的流场分区特征,揭示侧向输导沙障周围的流场机理。研究结果表明:羽毛排周围流场显著区别于其他挡风沙构筑物的流场规律,回流区随着主风向与羽毛排夹角的增大而增大,当主风向与羽毛排夹角小于30°时,流场分区显示降速区即积沙区在迎风侧一侧而偏离线路;羽毛排周围的回流区会影响羽毛排前方的速度大小,使速度廓线产生波动,主风向与羽毛排的夹角小于30°时波动较小,利于风沙侧向输导,使过境风沙流向远离线路方向运动。     

铁路沿线地表条件与风沙流场的互馈规律研究

为研究铁路沿线不同地表条件与挡沙墙周围风沙流场的互馈规律及挡沙墙挡风沙的功效,基于数值模拟及风洞实验,对不同地表粗糙度下的风沙流场进行数值分析,揭示地表粗糙度对流场表征量诸如风速、积沙形态的影响规律。结果表明:不同粗糙度下挡沙墙周围速度均形成减速区、涡流区与加速区,其中,加速区受粗糙度影响较大;粗糙度越大对近地表(1 m以下)速度削弱越大,但在1 m以上风速受其影响减弱;不同粗糙度下挡沙墙周围积沙分布不同,粗糙度越大,迎风侧积沙位移越长,风沙流饱和路径越小;随风速的增大,4类粗糙度下的积沙长度都表现为迎风侧减少,背风侧增多。     

风区高速铁路路基沙害防治研究与设计

研究目的:兰新第二双线通过的烟墩风区及百里风区,风速高,风沙流对高速铁路的危害严重,为有效的避免或减少沙害对无砟轨道铁路路基的危害,研究强风形成机理、风沙流活动规律、风沙两相流的特点,建立风区路基防沙对策技术体系,研究成果应用于本线的防沙设计与施工。研究结论:通过现场实测、室内试验、风洞试验以及数值分析等,研究戈壁风沙流的运动特征,得出:(1)主导风向与挡沙墙垂直时,防沙效果最佳,当挡沙墙与主导风向夹角逐渐变小时,挡沙墙的导沙作用明显;(2)挡沙墙高度2 m、透风率40%时挡沙效果最佳;(3)采用高立式挡沙墙阻沙,石方格沙障固沙的措施适宜于本线的风沙防治;(4)防沙工程有效地减轻了沙害对列车运营的影响,对于列车全天侯运行提供了技术保障;(5)该研究成果可为戈壁强风区风沙防治提供参考,为相关规范的修订提供理论技术支持。     

HDPE网沙障布设角度对风沙流结构特征的影响

研究目的:HDPE网沙障作为一种常见的阻沙措施,被广泛地应用于公路铁路等风沙灾害防护领域,能起到较好的效果。本文主要依托现场调研和风洞试验等手段,探讨HDPE网沙障布设角度对风沙流结构特征的影响,并分析其布设方式对整体防护效果的贡献,为后期风沙防护工程设计和施工提供借鉴或参考。研究结论:(1)在0°～90°范围内,HDPE网沙障和风向夹角的大小与其平均风力消减效果呈正相关变化,在18 m/s风速下,30°夹角沙障的风力消减率为61.4%,60°为70.2%,90°时可达到75.8%;(2)沙障阻沙率随夹角的大小呈现一定的不规则变化,在近地表,角度越大,阻沙率越高;之后随着高度的增加,夹角大小对阻沙率的影响不大;(3)沙障夹角大小与障后低速区长度呈正相关变化,在90°时其障后低速区(风速7 m/s)的长度可达24H(H为沙障高度),之后随着角度的减小,低速区长度呈现急剧下降趋势;(4)沙障夹角大小与障后积沙量呈现明显的正相关变化,90°时障后积沙范围和积沙量最多,风沙防护效果最优;(5)本研究结果对于铁路公路等领域的风沙灾害防治工程具有一定的借鉴指导意义。     

综合防风固沙体系设计参数优化研究

基于Fluent欧拉-拉格朗日模型，对由立面网板及前期设计的环保固沙砖沙障相结合的新型综合防风固沙体系风沙流场进行数值模拟研究。研究结果表明，综合防风固沙体系中阻沙措施(立面网板)可有效改善原始流场形态，防护高度在1.2倍立面网板高度以下；大粒径砂粒大部分沉积在固沙砖沙障之间，且体系后区域砂粒浓度明显减小，具有良好的风沙净化作用；当立面网板与固沙砖沙障设计间距为5～10 m时，固沙砖沙障内部易形成良好涡旋，有利于砂粒聚集；随着间距变化，综合防风固沙体系有效安全距离呈现先减小后增大的趋势；当固沙砖沙障铺设位置超过阻沙措施原有遮蔽距离后，两者将失去协同防护作用。综合考虑流场情况及防护距离，立面网板与固沙砖沙障设计间距建议设定约10 m。     

兰新高铁沿线不同挡沙墙防护效果评价

研究目的:兰新高铁作为我国穿越大风戈壁荒漠区的第一条高速铁路,在运营过程中不可避免地会遇到风沙问题。为保障列车的安全运营,在线路两侧布设了多种防沙措施,取得了一定的效果。但由于铁路具有运距长、地域跨度大等特点,在一些区段,虽然布设了风沙防护措施,依然出现了风沙灾害。本文主要利用现场实测等研究手段,探讨兰新高铁戈壁大风区不同挡沙墙的风沙防护效果,以期为后期的工程维养和补充设计提供一定的技术支持。研究结论:(1)受挡沙墙影响,墙体前后会出现明显的气流扰动,3种挡沙墙中斜插板挡沙墙的消能效果最高,高立式PE网沙障次之,直插板挡沙墙最弱;(2)挡沙墙的阻沙率随高度的增加显现降低的趋势,在4 m高度内,高立式PE网沙障的阻沙率最高,可达85.82%,斜插板和直插板挡沙墙的阻沙率则分别为60.34%和52.92%;(3)挡沙墙前后的风沙流结构存在一定的差别,迎风侧积沙中粗颗粒组分的含量明显要高于背风侧,但整体依然以0.1~0.25 mm和0.25~0.5 mm粒径段的沙粒为主;(4)该研究结论对于戈壁大风区高速铁路风沙灾害防治具有一定的借鉴指导意义。     

高原与戈壁地区风沙流结构特性差异研究

研究目的:通过现场实测及室内试验等研究手段,分析研究了青藏高原和新疆戈壁强风地区风沙流运动变化规律,探讨了二者风沙流结构差异及具体表现形式,为上述地区风沙灾害防护工程的设计施工提供一定的基础数据及理论支撑。研究结论:(1)受风力筛选作用的影响,风沙流中沙粒粒径组成呈现正态分布,都以小于0.25 mm粒径段的沙粒为主;(2)青藏高原和戈壁强风地区的起沙风速存在明显的差异,戈壁地区起沙风速约为11.0~20.0 m/s,远大于青藏高原地区7.0 m/s的起沙风速;(3)大风携沙量与高度呈现e的幂指数变化,随着高度的增加,大风携沙量呈下降的趋势;(4)在近地表0.5 m高度范围内,青藏高原地区的集沙量为总集沙量的90%左右,而戈壁强风地区仅为76%;(5)本研究成果可以为类似环境条件下风沙灾害防护工程的设计修建提供一定的参考。     

青藏铁路格拉段高立式沙障防风固沙效果研究

青藏铁路格拉段线路全长1 140 km,沿线冻融侵蚀、风力侵蚀和水力侵蚀交替出现,遭受轻度以上风力侵蚀的路段长约260 km.铁路未通车前,在秀水河段已出现集沙掩埋轨枕的现象,风沙危害严重地影响行车安全.风蚀防治工程不仅保护铁路免遭风蚀危害,同时对保护当地的生态环境具有重要的作用.本文对高立式沙障的防护效果进行观测分析,结果表明,高立式沙障具有显著的防护效果,使路基免于风沙危害.特别是高立式沙障的多排布设构成的综合防护体系,防风蚀效果显著,从阶梯式集沙仪的观测结果来看,它可使风蚀量明显降低.     

格库铁路青海段沙害成因及防沙措施

通过对格库(格尔木—库尔勒)铁路的调查发现,沿线主要存在沙埋路基、桥梁附近积沙和沙子进入道砟3种沙害形式。运用ANSYS/Fluent软件模拟路基和桥梁周围的流场结构,并根据沙害的严重程度建立了阻沙和固沙相结合的防沙体系。研究结果表明:路基和桥梁周围的气流场结构相似,都形成了迎风侧减速区、集流加速区、高速区、低速区和速度恢复区,不同点是桥梁周围形成了2个集流加速区和高速区;积沙都是发生在风速降低的地方;路基背风侧坡脚积沙最多,桥梁积沙主要位于桥梁的迎风侧和背风侧,桥梁下积沙较少;道床背风侧积沙多于迎风侧,道床内轨枕积沙沿着主导风向呈现出逐渐增多的趋势。最后对现场建立的防沙体系的工作原理进行了分析。     

南疆戈壁区机械防沙措施阻沙效益的风洞测试研究

为探讨机械防沙措施对风沙流的流场和风速消减效果的影响规律,基于试验模拟的方法,依托格库铁路风沙防护工程,开展针对不同的机械防沙屏障材料的风洞模型试验.在此基础上探讨风沙流在不同类型阻沙措施下的流场分布情况,分析防沙措施的流场消减效果和阻沙效果.研究结果表明:风沙流经过不同类型阻沙措施后,流场会在沙障前后出现明显的差异,尤其是在障后0～15H范围内,风速值差异巨大.芦苇束沙障和HDPE板沙障流场分布情况较为类似,其风速消减幅度最大;米字型板和HDPE网沙障风速消减效果居中;棋盘式沙障风力消减效果相对最小.沙障的阻沙效果是多因素综合作用下的结果,风速的大小和沙障的阻沙效果呈现负相关变化,风速越高,阻沙效率越差.研究结果可为格库铁路新疆段沙害防治提供科学依据.