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。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

多孔介质方法对铁路沿线沙障模拟的适用性分析

为模拟细孔透隙式铁路沙障的流场特征,鉴于此类模拟建模的困难性,采用CFD数值模拟程序,基于三维模拟的多孔介质条件对阻沙固沙网和防风沙直立栅栏的流场特征及压力变化进行模拟分析。通过边界条件和参数的合理控制得到:直立栅栏流场的数值模拟结果与风洞实验下的流场速度变化相似;由于栅栏的整流作用,在多孔介质模拟方法下沙障后出现明显的减速恢复区,并在其后逐渐恢复为与入口相同的风速廓线流;结合全断面PE网风洞试验,采用多孔介质模型可以得到与试验数据相吻合的模拟结果,且压降随入口速度的增加明显增大;由模拟结果可知,通过参数的合理控制,多孔介质方法可较好地反映此类沙障的流场变化。     

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。     

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。     

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。     

兰新铁路十三间房段的戈壁风沙流特征分析

研究目的:通过对兰新铁路"百里风区"风沙成因进行分析,研究戈壁砾漠地区风沙流密度沿高度变化的特点,不同高度风沙流密度与风速的关系及大风携沙的粒径分布特征。研究结论:戈壁地区大风携沙主要集中在3 m以下,约占总携沙量的87%左右;在同一高度条件下,风沙流密度随着风速的增加显现e的指数增加;而当风速条件一致时,风沙流密度随着高度的增加显现下降趋势。集沙颗粒分析则指出:在不大于3 m的高度范围内百里风区的风沙流运动形式是以跃移为主;超过3 m以后,则以悬移为主。     

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。     

铁路沿线不同沙害区域机械防沙措施设计研究

为解决沙区铁路所面临的风沙危害,设计相应的机械防沙措施,以拟建鄂托克前旗—上海庙铁路(简称“鄂上铁路”)为研究背景,在测量区域风速及输沙量基础上,对满足防沙需要的沙障设置进行三维数值模拟研究,并辅以风洞实验验证。研究表明,沙害中等区域流沙量较少,沙障拦截效率高,单道沙障和草方格搭配使用可满足防沙需要;沙害严重区域流沙量较多,单道沙障防护效率降低,双道沙障和草方格搭配使用方可满足防沙需要。研究表明：(1)鄂上铁路沙害中等区域,设置单道30%孔隙率沙障和10 m草方格后其防护效益达60%,可满足此区域防沙需要;(2)鄂上铁路沙害严重区域,设置双排沙障并加设10 m草方格后其防护效益达62%,可满足防沙需要;(3)沙害严重区域双排沙障之间的合理间距为10H(H为沙障高),草方格与双排沙障的合理间距为15H。研究结果表明,实际布设沙障时,防沙效益受多种因素影响,可适当增加草方格设置宽度,增大防沙效益设计余量,尽可能减少风沙对线路的影响。     

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。     

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。