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。     

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。     

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。     

风沙流对戈壁地区挡风墙响应规律的数值模拟分析

基于FLUENT欧拉双流体模型,对兰新铁路沿线既有挡风墙周围风沙两相流运动特性进行数值模拟,得到挡风墙背风侧的流场分布特点以及积沙情况。结果表明:挡风墙背风侧风速廓线变化规律呈指数增长趋势,在0.5 m至挡风墙自身高度区间内变化较为复杂,呈先减小后增加的趋势;挡风墙背风侧近地表气流速度反向增大后沿着初始速度的方向减小为0且继续增大至初始速度大小,风速最大值增加的幅度保持在50%左右,风速越大,气流的削弱作用越明显;当初始气流速度为较小时,线路上积沙较少,沙粒多数堆积在挡风墙背风侧墙角处;随着风速的增加,单位时间内通过挡风墙的沙粒增多,由于过流断面减小,气流扩散,更多沙粒沉积在线路上;在强风地区,布设挡风墙时应考察线路上风向的地表情况,沙源比较丰富时应采用工程治沙措施来减小风沙流密度,达到防沙的目的。     

风沙流与铁路涵洞的响应规律研究

研究目的:在风沙灾害多发地区,携沙气流途经铁路涵洞时,受边界效应和狭管加速效应影响,气流会出现明显的扰动,在涵洞周边出现一系列的沙物质蚀积变化,严重时会堵塞桥涵,危及线路安全。针对上述问题,本文采用数值模拟和现场试验相结合的研究方法,研究涵洞风沙灾害形成的机理,对于减缓既有铁路涵洞沙害和新线设计具有重要意义。研究结论:(1)风沙流途经涵洞时,在涵洞进口内侧会形成一个局部高速涡旋区,之后随着气流的推进,涵洞内的风速开始逐渐消减,但其数值依然略高于来流风速;(2)受狭管加速效应影响,涵洞内风速的垂直梯度差会被放大,出现明显的速度分层现象;(3)风沙流沿导流堤向涵洞口行进过程中,风速呈现缓慢降低的变化趋势,易出现沙粒沉降现象;(4)受构筑物形态影响,涵洞进出口的风速曲线呈现开阔的拱形,涵洞口两侧为明显的低速沉沙区,易发生风沙堆积现象;(5)本研究成果可为铁路沿线涵洞风沙灾害防治提供一定的理论支撑。     

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.     

沙漠腹地公路高立式沙障防风阻沙性能研究

通过沙漠腹地现场实测和Fluent软件数值模拟对沙漠腹地公路高立式沙障防风阻沙性能进行研究。采用Fluent软件建立沙障和路基数值模型,基于欧拉双流体模型和多孔介质理论对高立式沙障和路基周围风沙流的运动进行数值模拟。采用三维超声风速仪测量高立式沙障周围气流速度,为数值模拟结果提供验证。通过数值模拟分析不同沙障高度和沙障数量下风沙流的运动规律,确定沙障高度和数量对高立式沙障防风固沙效果的影响。研究结果表明：气流在沙障迎风侧前方区域减速,沙障周围气流速度快速下降导致气流的携沙运动能力减弱,沙粒在沙障周围沉积。在沙障防护下,路基周围风速降低,路基的风蚀风积危害得到缓解。随着沙障的排数或沙障高度的增加,路基沿程的风速逐渐降低。3排及其以上沙障可以较好地阻挡风沙流的运动。5排沙障防护下,路基的迎风侧坡脚离地高度0.5 m处水平风速从11.05 m/s下降至5.37 m/s,风速的降低率达54.13%。在2.0 m沙障的防护下,路基的迎风坡和背风坡的路肩水平风速比1.5 m沙障的相应值低3～5 m/s,降低率最高达61.79%。     

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。     

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%。     

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。     

动车组设备舱内流场计算分析

为清晰掌握动车组在极端温度和恶劣风环境下设备舱内沙尘的流向情况,采用列车空气动力学的数值计算方法,对不同恶劣风环境和高温条件下动车组设备舱内流场进行研究。通过对动车组设备舱内压力场和速度场流向的分析比较,获取了动车组在不同车速和不同风速下,其设备舱内流场变化情况,以及底部开孔对设备舱内流场的影响。     

石太铁路山区段涵洞水害成因分析及防治

山区铁路涵洞每年雨季易发生水害,影响铁路正常运营。为了查明山区铁路涵洞发生水害的原因,提高山区铁路抵御水害的能力,依托石家庄至太原铁路某涵洞水害实际治理工程,对特大洪水造成涵洞闷孔水害的成因进行分析,在调查该地区气象、水文、地质资料的基础上,按照“原状复旧、适当提升、完善排水系统、提升抗洪能力”的原则,经过桥涵水文检算,最终提出框架桥扩孔改造的复旧方案。研究表明:(1)涵洞水害主要表现为杂物拱涵堵塞淤积,道床冲空造成的线路沉降与横移,以及杂物掩埋线路;(2)水害成因可归纳为暴雨历时长、雨强大,涵洞上游自然生态发生变化,涵洞高程低,涵洞前水流转向角度大,以及其他水源汇入等5个方面;(3)建议采用扩孔顶进框架桥复旧方案,可在保证线路安全运营的前提下有效降低水害发生风险。     

深埋风积沙地层隧道掌子面失稳特征研究

研究目的:风积沙是一种黏聚力低、自稳能力差的土体,给隧道设计和施工带来很大困难。本文研究旨为揭示不同掌子面角度下深埋风积沙地层隧道的掌子面失稳特征,从而反馈设计施工。研究结论:(1)掌子面前方失稳区呈楔形状,再向上扩展形成封闭的灯泡状区域,随着掌子面角度增大,失稳区下部扩大,上部缩小,掌子面稳定性逐渐改良;(2)掌子面角度对于失稳区的纵向、横向尺寸影响不大,失稳区前边界约为掌子面前方1倍洞径处,横向跨度约为2倍洞径;(3)失稳土体中存在压力拱,其顶点位于拱底上方1~2倍洞径间,随着掌子面角度增大,失稳区形成的压力拱顶点在下移,跨度在减小;(4)本文推导了适用于深埋风积沙地层的掌子面支护力计算公式,并提出了相关设计施工建议;(5)本研究成果可应用于深埋风积沙隧道,尤其是台阶法或盾构法开挖的隧道。     

高速公路大坪滑坡深部监测动态特征分析

重庆市奉节大坪滑坡是由前级浅层的堆积层滑坡和破碎岩石滑坡组合而成的复合型大型老滑坡。根据勘测结果分析,岩层顺倾地区是滑坡易发地区,由于隧道开挖,引起了大坪老滑坡的整体复活。布置测斜孔对滑坡进行深部位移监测,监测结果分析表明:大坪滑坡存在典型滑动带,降雨对滑坡影响较大,滑动面较深,且滑动面以上滑坡体不同部位变形速率不一致,通过明确滑动带的位置、厚度、滑动方向及变形范围,为工程治理设计提供了依据。     

青藏铁路多年冻土区片石护坡积沙段降温效果监测与分析

青藏铁路多年冻土区的片石护坡路基的大量使用,起到了降低路基基底多年冻土温度和调节多年冻土人为上限形态的作用,为青藏铁路的安全运营提供技术保障。青藏铁路多年冻土区沿线沙害主要分布在线路经过的河谷及湖泊附近,在风沙危害严重地段,片石护坡孔隙被沙害掩埋,改变了片石层传热特性,影响片石护坡的降温效果。通过室内试验及现场地温监测分析,根据不同条件(有无积沙、阴阳坡)对片石护坡的降温效果进行了对比分析,研究结果表明:(1)由于片块石层的大孔隙特性,使得片块石护坡能通过暖季隔热、寒季散热这一机理来对路基体进行降温,测温数据显示降温效果良好;(2)片石护坡积沙后其降温效果明显减弱,通过片石层内0.6 m和0.8 m深度的地温积温比较,积沙路段积温明显高于无积沙路段,其中路基阳坡侧高出约50%,路基阴坡侧高出约100%。     

沙漠铁路勘察设计中主导风向的判断方法

研究目的:我国有很多铁路穿过沙漠地区,为了保证铁路的安全运营,各种防沙工程必不可少。在防沙工程勘察设计中,主导风向的判断尤为重要。现实中,很多沙漠铁路穿越的无人区气象资料不够全面,不能反映防沙工程设计地段的主导风向。本文讨论的通过分析铁路沿线沙丘形态判断主导风向的方法可以为气象资料缺乏地区的防风防沙工程设计提供帮助。研究结论:总结了一种通过分析沙丘形态判断主导风向的方法。在确定沙丘类型及沙丘走向的基础上,判定主导风向一般为从比较缓的迎风坡吹向比较陡的落沙坡。以塔克拉玛干沙漠为例说明并验证了本方法的可行性,可为新建沙漠铁路和铁路防沙工程勘察提供很好的帮助。另外,沙丘形态的塑造还受风速大小的影响,其中的详细关系有待深入研究。     

自然风对高速磁浮列车气动特性的影响

基于可压缩黏性流体的N—S方程和k—ε两方程湍流模型,采用有限容积法对磁浮列车受自然风作用下的气动力特性进行计算分析,结果表明:自然风导致列车表面的压力分布发生变化,除了列车头、尾部压力峰值点发生偏移外,列车迎风侧面的压力随着自然风速的增加而增大,随着自然风与列车之间夹角的增大呈现先增大后减小的变化规律;列车受到气动升力、侧向力以及侧滚力矩、俯仰力矩和偏转力矩的作用也随着自然风与列车之间夹角的增大呈先增大后减小的变化规律,且在自然风向与列车运行方向垂直时达到最大,此时列车受到的气动力及力矩作用均随自然风速的增大而单调增加。     

不同车流对桥梁静三分力及局部风压影响的风洞试验研究

在风-车-桥耦舍系统中,不同交通状态车辆将引起桥梁气动力和局部风压的变化。采用测压法测试了不同车流下桥梁断面三分力系数随攻角的变化情况,研究了不同车流下车辆对三分力系数以及局部风压的影响。研究结果表明：在堵车情况下车辆对桥梁断面三分力影响最大,车辆引起桥梁阻力系数和升力矩系数显著减小,使升力系数增大。在车桥耦舍风场作用下,桥梁顶面迎风侧压力值产生由正到负的剧烈幅值变化。