辛国伟，程建军，杨印海

(1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003；2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

中国是世界上沙漠铁路分布面积最广的国家之一[1]。沙漠铁路面临的主要灾害是风沙侵蚀，新建的兰新二线、包兰铁路及临策铁路面临的风沙问题尤其严重[2-5]。

为减小风沙对铁路的侵蚀，保障列车运行安全，一大批机械防沙工程在青藏铁路及新疆戈壁铁路沿线建立，一方面是抵御风沙灾害的迫切需要，另一方面是由于这些地区短期难以建立起植物防沙体系。机械防沙体系主要由阻沙工程、固沙工程及导沙工程组成，阻沙工程在整个机械防沙体系中位于迎风侧最前端，拦截道路沿线主风侧风沙流中的沙粒，使其在挡墙前后沉降，形成挡沙堤，从而阻止或减少气流所携沙粒进入轨道周围[6，7]。阻沙工程结构形式多样，但基于其迎风面孔隙物理特征参数，可分为两大类，即开孔方向以纵向为主的沙障和开孔方向以横向为主的沙障，纵向开孔的沙障较典型的是轨枕式挡沙墙，横向开孔则有挂板式、插板式以及斜插板式挡沙墙。文献[8]对斜插板进行数值模拟，分析挡墙孔隙率、高度以及倾角对风沙流特性的影响，并就工程造价提出挡墙设计中的部分关键参数。文献[9]对轨枕式挡沙墙防风效率及挡墙透隙率进行系统研究，提出轨枕式挡沙墙在防风及防沙情况下的合理孔隙率。目前对挂板式挡墙的防风沙效果原理尚不清楚，实际要达到较好的防护效果，除挡墙高度外，还要考虑风速与孔隙率的关系。传统挂板式挡墙的孔隙分布只有均匀开孔，没有考虑不同开孔形式对挡墙周围流场特性及积沙分布的影响，现有风洞试验及数值模拟也鲜有涉及。

挂板式挡墙作为一种常见的沙障结构在防沙工程中的应用至今不足10年，对于其防风沙效果以及如何与其他工程措施配套使用目前还是以工程经验为主，缺乏较系统的试验与理论研究。本文以高2 m、孔隙率25%的挂板式挡沙墙为例，结合现场调查、风洞试验及数值模拟对不同孔隙分布下的挡沙墙进行风沙流数值分析。以现场实测数据为入口风速条件，以数值模拟为主要研究手段，以风洞试验为验证手段。通过CFD流体计算软件、风洞试验及现场实测三者结合，揭示挂板式挡沙墙在孔隙分布特征影响下的风沙流规律，为铁路沿线防沙工程的设计提供理论依据。

1 试验设计

1.1 现场测试方法

野外测试地点在南疆铁路线吐鲁番至鱼儿沟段托克逊地区，测试系统主塔高10.0 m，分别在0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、9.0、10.0 m这7个高程点设置梯度风速仪，测试各高度处风速值。由于风况、仪器设备故障等问题，仅获得部分有效观测数据。

所测数据经处理后用Origin绘图并拟合，得出风速廓线。另通过任意两高度风速获得摩阻风速并求取平均值，由粗糙元平均高度H估算粗糙度长度y0=0.025 m，推导得出风速廓线方程[10，11]。不同高度风速拟合值、计算值与实测值对比显示，拟合值更接近实测值，如图1所示，故选用拟合值作为本数值模拟入口风速初始值。利用用户自定义函数(UDF)嵌入C语言自编函数，实现对数流入口边界条件的设定。

图1 不同高度风速拟合值、实测值和计算值对比曲线

1.2 风洞试验设计

风洞试验在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所风洞实验室进行。该风洞洞体全长38 m，试验段长21 m，风洞横断面1.2 m×1.2 m；风洞由动力段、整流段、供沙装置、试验段和扩散段五部分组成。

试验模型为三种不同孔隙分布的挡墙，其孔隙率均为25%，孔隙分布特征为上疏下密、上密下疏及均匀开孔三种。为保证强度和刚度，三种挡墙模型均采用PVC材料制作，模型高度H=20 cm，长度L=110 cm。由于挡墙背风侧流场变化较大，故背风侧布设测试点多于迎风侧。

分别对上述三种挡墙模型进行风洞试验：来流风速选取6 m/s、9 m/s、12 m/s、15 m/s四组指示风速，并用皮托管分别测试挡墙背风侧0.25H、0.5H、1H、2H、3H、5H、7H、10H及迎风侧0.75H、1.5H、3H、5H各高度处的风速值；放置沙源，持续吹沙约1 min，观测各模型前后积沙范围与积沙量，并在挡墙背风侧3H处设置集沙盒，分别测得三种孔隙分布下的积沙量，通过与空场(相同风速与沙源，但无挡墙)中集沙盒积沙量比较，研究挡墙对积沙分布的影响。试验布置如图2所示。

图2 风洞试验测试原理及试验段设计

1.3 数值模拟设计

1.3.1 几何建模

由AutoCAD建立三维模型，CFD流体计算软件进行网格划分及数值模拟，再用TECPLOT进行后处理。计算区域以风洞尺寸为基础，其高宽应用模型相似原理，相似比为1∶10，即高12 m，宽12 m，长为100 m(挡墙影响范围±20H)；挡墙高2 m，厚0.3 m。计算区域示意如图3所示。

图3 均匀开孔挡墙模型及边界条件示意

1.3.2 网格划分

由于挡墙的存在，模型计算区域为不规则形状，故网格划分采用Tetrahedrons(四面体网格形式)，划分方法采用Patch Dependent法(协调分片算法)，并对挡墙附近的网格进行局部加密，共划分网格约4 000 000个。网格划分结果如图4所示。

图4 网格划分示意

1.3.3 边界条件

根据空气动力学原理，当流体的马赫数小于0.3时为不可压缩流，本文风沙流马赫数均小于0.3[12]，故模型入口条件为速度入口(VELOCITY-INLET)。由于流态充分发展条件下才采用自由出流，而此模型出口不能确保为自由出流，故模型出口条件为压力出口(PRESSURE-OUTLET)，其压差为0。挡墙前后壁面采用滑移壁面边界条件，类型为WALL，粗糙度为Ks，其他壁面粗糙度默认为0。介质沙粒为连续相，类型为FLUID。

1.3.4 计算参数

风沙流携沙粒径一般在0.075～0.25 mm[13]，本文风沙流携沙粒径ds=0.1 mm，沙粒密度ρs=2 600 kg/m3，黏度μ=0.047 Pa·s，初始沙相体积分数为1%。空气密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789×10-5Pa·s，压力为常压；入口为典型风速廓线流(对数流)，即

(1)

式中：v为摩阻风速；y0为粗糙长度；k为冯卡门系数，取0.4；y为高度；v(y)为y高度处的风速值。

1.3.5 求解模型

计算域求解模型采用欧拉双流体非定常模型，附加k-ε湍流模型，湍流强度I=0.05，湍流半径R=0.5 m。方程组求解计算方法采用SIMPLEC算法。

1.3.6 控制方程

本文模拟气流为不可压缩流，模拟包含的控制方程主要有连续方程、动量方程和k-ε湍流模型方程等，具体方程见文献[14，15]。

1.3.7 计算过程及精度控制

为与风洞试验测试原理保持一致，本文模拟先进行净风试验，再进行携沙试验。模拟离散格式采用QUICK格式(此种格式主要应用于四面体网格，可以减少假扩散误差，具有较高的精度及稳定性)；计算收敛标准为物理收敛，即各分量值变化趋势达到稳定，其值分布按负指数形式变化，大小为10-6量级。

2 数值模拟结果分析

2.1 不同孔隙分布对挡墙周围流场的影响

孔隙分布特征决定着挡墙背风侧气流的过风量及速度，是影响挡墙防风挡沙效果的主要因素之一。以15 m/s为例模拟挡墙周围风速(净风)变化情况，三种孔隙分布下的速度变化云图如图5所示(沿xz方向对称面)。分析图5可知，三种孔隙分布下挡墙周围均形成速度分区：减速区、加速区、回流区。速度分区的原因在于挡墙是一种带尖缘的钝体，气流经过时在其顶端部位受到挤压而分离，形成一个强剪切层，剪切层两侧的压差使流线向下弯曲，而在气流接近地面时又返回了分离区，补偿了由于卷吸而带走的那部分气流，所以在挡墙背风侧形成一个很大的涡流区[16]。从图5还可看到，来流风场遇到挡墙后，其流场特征发生明显变化，风速等值线在挡墙顶部上升，呈拱形；在背风侧有效影响范围内，沿x轴方向形成回流区，且回流区位置与挡墙距离及高度明显不同。

注：图5中数字表示风速，m/s，图6同。图5 不同开孔形式下挡墙周围流场分布

为评价不同孔隙分布下挡墙对流场的影响，定义涡旋回流区(蓝色区域)最大高度与最长距离(图6)之比为挡墙有效影响系数，用δ表示，即

(2)

图6 风速15 m/s时挡墙周围流场分布图

式中：δ为挡墙有效影响系数；hmax为回流区最大高度；lmax为回流区最大长度。δ越小，表明挡墙有效影响区域越大；反之，挡墙有效影响区域越小。通过δ值的变化，可以有效掌握气流流经挡墙时背风侧流场受风速影响的规律。表1为不同孔隙分布时挡墙在各风速下形成的δ值。从表1可以看出，孔隙分布特征不同，δ值变化趋势不同：风速较小时，三种孔隙分布下挡墙有效影响系数相差不大；风速较大时，上密下疏分布的δ值均小于其他两种，且随风速增大，三种孔隙分布的δ值均减小。以上数据说明挡墙背风侧涡旋回流区与恢复区是孔隙分布特征和风速共同作用的结果，若想达到较好的防风效果，实际工程中应考虑挡墙孔隙分布特征及当地大风状况等。

表1 不同开孔形式下挡墙有效影响系数

为进一步分析孔隙分布特征对背风侧流场的影响与控制，绘出背风侧0.5 m高处沿水平方向风速变化曲线(15 m/s)，如图7所示。从图7可以看出，在挡墙背风侧沿水平方向上，风速变化均呈V形分布。上疏下密分布时，风速极值差(3.9 m/s)最小，背风侧涡旋回流区与恢复区长度最小，说明气流的减弱效果最差，防风效果最不理想。上密下疏分布时，风速极值差(9.4 m/s)最大，涡旋回流区与恢复区长度最大，图像整体靠下，说明风速减弱效果最好，防风效果最佳。在均匀分布时，背风侧气流速度变化介于两者之间，气流极值差与涡旋回流区长度较理想，且背风侧约20 m范围内，风速基本在起沙风速(6 m/s)以下。因此，以挡风为主要目的时，铁路沿线挡墙孔隙分布应设置为上密下疏型。

图7 不同开孔形式下挡墙背风侧距床面0.5m处风速变化曲线

2.2 不同孔隙分布对挡墙周围积沙形态的影响

风沙流运动过程中受挡墙影响，在其周围运行速度降低，沙粒沉落，形成积沙。不同孔隙分布特征下挡墙前后流速不同，其带动沙粒运动的速度也不同，从而导致挡墙周围积沙形态分布不一。图8为不同开孔形式下挡墙周围积沙分布图。从图8可以看出，来流风速(携沙)一定且风向与挡墙正交时，不同孔隙分布下挡墙周围积沙形态及积沙量明显不同：均匀开孔及上密下疏分布时，积沙主要位于背风侧，迎风侧积沙较少，其防沙效果较差；孔隙上疏下密分布时，积沙主要集中在迎风侧，背风侧积沙较少，防沙效果较好。同时还可发现，与其他两种孔隙分布下的挡墙相比，上疏下密分布时挡墙背风侧积沙紧靠挡沙墙；其他两种分布下，沉积的沙堆与挡墙存在一定距离。由此说明，孔隙上疏下密分布的挡墙具有较好的防沙效果。

图8 不同开孔形式下挡墙周围积沙分布图

注：不同颜色代表积沙分布的多少，红色区域代表积沙最多，蓝色区域代表没有积沙，其他颜色代表沙粒还在运动。

当来流风速小于起沙风速时，沙粒在重力作用下形成堆积。不同起始流速在流经挡墙时积沙分布如图9所示(上疏下密)。从图9可见，随着来流风速增大，挡墙迎风侧积沙减少，背风侧积沙增多。这是因为来流速度较小时，受挡墙影响风沙流速度降低，当低于沙粒起动速度时迎风侧形成积沙，仅有少部分沙粒经过挡墙在背风侧形成积沙；来流速度较大时，经挡墙影响的速度虽有减小，但仍大于起沙速度，近地表沙粒仍能跃移绕过挡墙在背风侧形成积沙。但需指出，在低风速下(6～15 m/s)其结果如此，而在高风速下大部分沙粒会越过挡墙在背风侧形成积沙，迎风侧积沙相对较少。

图9 不同风速时挡墙周围积沙分布

3 风洞试验结果分析

3.1 流场分析

风洞试验中流场数据由皮托管测得，所测数据经Surfer处理形成速度流场图。图10为三种孔隙分布下挡墙模型在风速v=9 m/s时的风速等值线图。从图10可以看出，挡墙孔隙分布形式不同，背风侧形成涡流区的大小也不同。上疏下密分布时，涡流区较小，说明此种分布形式下挡墙有效影响区域较小；均匀分布时，背风侧靠近地表处透风量增大，涡流区后移，挡墙影响范围扩大；上密下疏分布时，由于近地表的透风量进一步增大，涡流区影响范围及长度较其他两种都增大。数值模拟(图5)与上述变化趋势大体一致，由此说明模拟结果的准确性。

注：图中横坐标表示位置，m;纵坐标表示高度，m。图10 不同孔隙分布下风速等值线

3.2 积沙分析

不同孔隙分布下的挡墙模型在9 m/s时持续吹沙约1 min后，通过集沙盒收集空洞来沙量与三种孔隙下的积沙量(背风侧3H处)绘制条形图，如图11所示。从图11可看出，集沙盒1层的截沙量最多，7层以上几乎没有截沙能力。随集沙盒高度的增加，三种孔隙分布下挡墙的截沙量依次减小。同时还可发现，孔隙上疏下密分布时挡墙截沙量较其他两种减小，说明此种分布下迎风侧积沙量比其他两种多。图12为不同孔隙分布下挡墙两侧积沙情况(风向如箭头所示)。通过与数值模拟积沙分布比较，可发现风洞试验积沙分布与数值模拟(图8)结果能够较好吻合。

图11 不同开孔形式下挡墙截沙量(风速9 m/s)

注：空洞来沙量为无挡墙时集沙盒中积沙量；挡墙截沙量是设置挡墙后集沙盒中积沙量。

综上，实际工程中挡墙若以挡风为主，其开孔应设置成上密下疏型；若以阻沙为主要目的，则应设置成上疏下密分布。

(a1)均匀开孔背风侧 (a2)均匀开孔迎风侧

(b1)上疏下密背风侧 (b2)上疏下密迎风侧

(c1)上密下疏背风侧 (c2)上密下疏迎风侧图12 不同孔隙分布下挡墙两侧积沙情况

4 讨论

风速廓线是表征近地表风速变化的基本方法，也是揭示风沙运动及风沙堆积的有效途径之一。当近地表风速大于起沙风速时，沙粒开始移动；当风速小于起沙风速时，沙粒受重力作用跌在地表形成积沙。通过研究挡墙前后风速廓线的变化，可直观了解风沙流场及积沙形态的变化。

图13为来流风速15 m/s时三种开孔形式下挡墙背风侧(1H、2H、5H、10H)风速廓线变化图。由图13可见，三种孔隙分布下的风速廓线在2 m以上变化趋势大体相同，而在2 m以下位置变化明显。在背风侧1H～5H范围内，三种开孔形式下挡墙透风量上密下疏最大，均匀开孔次之，上疏下密最小；在5H～10H范围内，相对于入口处风速变化，此处风速廓线变化已不明显，有逐渐恢复原廓线形式的趋势。文献[17]在风洞试验中应用精细皮托管测得的风速廓线，其近地表转折特征与图13能够较好吻合。

图13 不同开孔形式下挡墙背风侧各处风速廓线(来流风速15 m/s)

注：位置0处为挡墙位置；H为挡墙高度。

从铁路沿线防风沙角度来讲，经挡墙拦截后的风流到达铁轨附近时速度应降为最低，并应使沙沉积在挡墙迎风侧或紧靠背风侧，以避免线路积沙。结合图5、图8及图10可知，在挡墙背风侧水平方向4～5 m(挡墙距铁轨最佳设置距离)范围内[18]，上密下疏分布时达到的最大风速约为0.54 m/s，均匀开孔时约为3 m/s(负向)，上疏下密时约为6 m/s(负向)。分析三种孔隙下的积沙分布可发现，只有上疏下密的积沙形态符合防沙工程要求。产生这些变化的原因在于近地表风速廓线呈对数变化，即随着高度的增加速度逐渐变大，携沙气流只存在于距床面0～20 cm的范围内，并以蠕移、跃移、悬移的形式运动。不同开孔形式实质上对应了风速廓线的变化规律，即不同高度处开孔大小不一，风速较大处开孔较小，沙流密度较大处开孔较密，从而使挡墙拦截风沙流的效果不同。

5 结论

(1)三种孔隙分布形式下，气流在挡墙周围均形成减速区、涡流区和加速区。减速区与加速区受孔隙分布的影响较小，但背风侧涡流区受其影响较大。

(2)孔隙分布特征对挡墙防风效率影响较大，靠近地表处孔隙越大，挡墙防护距离越长，其防风效果越好，随着风速增大，此种影响加剧。实际工程中，应考虑当地大风状况选取合理开孔形式。

(3)三种孔隙分布下挡墙周围的积沙分布不同：均匀开孔及上密下疏分布积沙主要位于背风侧且与挡墙有一定距离；而上疏下密时迎风侧、背风侧均有分布，且迎风侧多于背风侧，符合防沙工程要求。

(4)不同风速对挡墙周围积沙分布及背风侧涡流区影响不同。来流风速越大、背风侧回流区高度越小、恢复区长度越大，迎风侧积沙越少、背风侧积沙越多。

(5)三种孔隙分布导致流场及积沙变化的原因在于风速廓线的变化。实际风速廓线呈对数变化，即随着高度的增加速度逐渐增大，而携沙气流只存在于近地表处。不同开孔形式实质上对应了风速廓线的变化规律，即不同高度处开孔大小不一，从而使挡墙拦截风沙的效果不同。

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