王海龙，张治，孙婧，刘畅，李玉龙

戈壁铁路沿线防风沙栅栏设计参数优化分析

王海龙1, 2，张治1, 2，孙婧1，刘畅1，李玉龙1

(1. 河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 0750000；2. 河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 0750000)

鉴于三维多孔防风沙栅栏建立解析求解模型相对困难，运用CFX多孔介质模型进行数值计算，研究重载铁路沿线高立式防风沙栅栏的优化设计。为同时保证有限体积法的守恒性和有限元法数值精度，对多孔介质模型边界及求解进行综合控制。在多种孔隙率高立式防风沙栅栏条件下，对其周围气流运动特征进行模拟分析；对其阻沙固沙的效果对比分析后，得到高立式防风沙栅栏的最优孔隙率；利用现场试验验证数值模拟结果。研究结果表明：高立式防风沙栅栏孔隙率对绕流流场分布影响显著，对积沙效果影响较大的流场区域有减速区、加速区、回流涡、科恩达区；在戈壁铁路沿线常遇风环境下高立式防风沙栅栏最优孔隙率约为30%；现场试验与数值模拟结果相一致。研究结果可以作为预防和控制戈壁重载铁路风沙灾害的参考。

防风沙栅栏；三维数值模拟；现场试验；孔隙率；多孔介质

我国西北地区荒漠化严重，拥有丰富的盐湖、有色金属等资源，但当地的铁路交通极为匮乏，随着资源的勘探与开挖，修建铁路交通运输线路把资源运输到东部发达地区变得十分迫切，同时严重的风沙灾害成为影响铁路安全运行的主要环境问题之一[1]。从20世纪60年代至今，国内铁路防风沙措施的研究从6个方面(封、固、阻、输、改和消)展开，本文研究对象高立式防风沙栅栏属于阻沙方面，是拦截主风向沙源的重要措施[2]，布设在防护体系前沿平行于铁路运输路线。其作用在于改变局部流场，使流经栅栏的风沙流中沙砾沉降，抑制风沙灾害的产生，防护效益评估指标通常选用降低风速量[3]。高立式防风沙栅栏主要包括高立式PE网防风沙栅栏、高立式金属网板防风沙栅栏、混凝土结构防风沙栅栏[4]。在我国高立式PE网防风沙栅栏是应用最为广泛的防风沙设施，现场调研来看，高立式PE网阻沙能力较强，但在戈壁恶劣自然环境（大风和强紫外线)中布设一段时间后发生剥落、撕裂现象严重破坏防风沙效能，同时堆积的沙子和清沙机械均易导致防风沙栅栏损坏。高立式金属防风沙栅栏具有高强、柔韧、耐久、耐高低温、便于加工运输安装等优良特性，对它的研究日益迫切。现有研究中，景文宏等[5]基于FLUENT欧拉非定常模型针对不同孔隙率的枕轨式挡沙墙进行数值模拟和风洞实验对挡墙挡风沙功效进行了研究；辛国伟等[6]对挂板式防风沙挡墙进行了三维数值模拟和风洞实验研究；王连等[7]运用多孔介质模型研究了PE防风沙栅栏流场特性；Cornelis等[8]为了找到最佳的防风沙栅栏孔隙率和所需行数进行了风洞研究。白璐等[9]采用单元孔近似的方法建立数值计算模型，对高立式金属防风栅栏附近流场进行了分析研究。综上对于防风沙栅栏效能的试验多为风洞试验，高立式金属防风沙栅栏多孔板结构其孔洞量大，对其进行精确数值建模难度较大，通过单元近似进行数值模拟计算存在误差。多孔介质模型适用于多孔板结构，目前应用多孔介质方法对金属多孔板防风沙效能进行研究的三维数值计算模型尚无建立。本文基于CFX有限体积法对多孔介质模型下不同孔隙率的高立式金属防风沙栅栏对流场的影响进行三维数值计算，对其产生的流场进行分析并研究孔隙率对遮蔽范围的影响，最后运用现场试验数据验证模拟的合理性，从而对高立式金属防风沙栅栏的设计提供参考值，为其在戈壁铁路沿线风沙灾害区的设置提供理论依据。

1 工程概况

新建地方铁路鱼卡(红柳)至一里坪线位于青海省海西州大柴旦行委，线路东起鱼卡车站途径雅丹地貌区至红柳站接轨。雅丹地貌区长度为23.47 km，绝对海拔2 740~2 790 m，地下水埋深浅，地表无植被，土壤沙化严重，常年有强烈西北风，具有雨少风大、蒸发量大、昼夜温差大、霜冻期长等特点。据统计，研究区域瞬时风速可达31.1 m/s，沙尘暴和风暴多发生在3~5月份，年均4~12次，沙尘暴来临时，风沙流在铁路道砟上堆积的沙砾将会直接影响列车的行车安全，导致列车脱轨、运输停滞等严重事故，拟在风沙灾害严重的鱼卡(红柳)至一里坪段设置连续高立式防风沙栅栏保障铁路运输安全。

2 数值模拟

2.1 数学模型

本文在三维数值模拟环境下展示高立式防风沙栅栏对流场的影响，由于栅栏实体模型为超薄多孔结构，严格按照实际建模，网格单元数目巨大，模拟费效比高。鉴于多孔介质模型将介质区域中固体看做阻力，多孔板、管群或者管束系统都可以运用多孔介质模型通过确定面积孔隙率(=其中的为面孔隙率张量；为允许流体流动的面积；表示控制面)来加以描述，故采用多孔介质模型建立模拟[10]。本模拟不涉及热传导问题，不包含能量方程。描述模拟流场的控制方程包括连续性方程、基于-的SST湍流模型方程与动量方程。

取图1所示作为控制体，控制体表面为控制面。流体流入控制体经过入口面，同时通过出口面流出控制体，控制体内部气体质量发生变化。根据质量守恒，得到气流流动连续性方程的积分形式[11]：

式中：为流体速度；为流体密度；表示控制体体积；表示时刻的体积。湍流剪切应力输运的-的SST模型，能够准确预测在逆压力梯度下流动的分离和量进。对平均变形率陡然变化的流动与边界层发生分离的模型有较好的模拟效果。SST-湍流模型方程[12]如式(2)和式(3)：

不可压缩黏性气流动量守恒的Navier-Stokes方程如式(4)：

2.2 数值分析模型的建立

选用1.8 m高20 m宽防风沙栅栏作为基本模型，通过对控制体不同长度、宽度、高度的模型计算对比，得到当模型流场长度100 m，宽度23 m，高度18 m时，控制体流场对防风沙栅栏关注位置流场产生的不利影响可以忽略。几何模型具有明显的对称性，为了减少计算量和时间，运用对称边界条件选取模型的1/2进行计算。

对已有的1/2几何模型用ANSYS进行严格的网格划分，防风沙栅栏处的多孔介质区域做了局部加密，加密区网格尺寸小于0.003 m。对网格进行独立性分析，选取防风沙栅栏背风侧两点作为监控点，监控参量为风速，结果如表1所示，结果显示网格单元划分数量70~140万时监控参数计算结果稳定，为合理利用计算机资源，选择划分结果为70万的网格进行研究，网格划分与体积渲染结果如图1所示。

表1 网格独立性检验结果

2.3 求解控制

选用稳健的入口边界条件：速度流入口，截面取法向速度，选择亚音速流态，来控制收敛性与结果准确性，其湍流强度[12]为：

式中：雷诺数=/；是平均速度；是特征长度；是介质密度；是介质动力黏度系数。

空气密度值取1.342 kg/m³，计算取当地常遇风速10 m/s，马赫数远远小于0.3，模拟计算时按不可压缩流体及湍流环境处理。计算得到＞2 500属于湍流，湍流强度取Medium(intensity=5%)稳健出口边界为压力边界条件，湍流描述方法同入口边界相同。控制体边界选择自由滑移壁面，地面摩擦系数设置为0.5 m，高立式防风沙栅栏选用多孔介质模型，多孔区域设置为层流模型。对于模型的求解格式选取高阶求解模式，收敛均方根残差值标准设置为1e−6，选用稳态模拟，自动时间尺度[12]。

图1 3D网格划分与体积渲染结果示意图

3 结果分析

3.1 高立式防风沙栅栏孔隙率对流场的影响

高立式防风沙栅栏是风沙流运行的障碍物，在防风沙栅栏前后一定范围内形成积沙现象[13−14]。本模拟研究防风沙栅栏前后在气流的作用下，风速的变化情况，任何风向作用下防风沙栅栏的防护问题，近似等价于2个正交风作用的叠加。防风沙栅栏的设置采用与主风向正交的带状防风沙栅栏，因此，忽略与风向平行的防风沙栅栏作用，将问题最终归结为沿风向垂直布置的防风沙栅栏所起的防护作用。

在上述流场作用下得到0%(模拟A)，20%(模拟B)，30%(模拟C)和40%(模拟D)，4种孔隙率下的流场分布云图如图2所示(沿平面对称)。

分析速度云图可以看出在模拟A，模拟B，模拟C和模拟D下防风沙栅栏对控制体流场产生了明显影响，形成了外流区、减速区、加速区、回流涡区，在防风沙栅栏迎风侧根部还形成了一个小漩涡区(科恩达效应)如图1所示，它的尺度远远小于防风沙栅栏后的回流涡区。

模拟A中防风沙栅栏没有渗流活动，气流全部绕流，在网板前遇阻抬升，到达防风沙栅栏上方形成加速区，防风沙栅栏背风侧上部高速运动的气流对网板背风侧近地部分气体产生向上的吸力，回流涡区域上部与加速区域边界处气流沿来流风风向风速逐渐减小，压力增大。在回流涡末端风速不能继续降低，压力继续增大的趋势不变。因此靠近地面的流体被迫逆流，出现回流现象，后续不断流入的流体持续形成回流，模拟A形成各工况下尺度最大的回流涡。

(a) 0%孔隙率；(b) 20%孔隙率；(c) 30%孔隙率；(d) 40%孔隙率

模拟B的流场中，由于网板孔隙的存在产生了渗流活动，其与回流涡相互影响导致回流涡尺度减小，由于防风沙栅栏孔隙率较低，绕流活动造成的影响依然明显，产生的回流涡较模拟A下有所减小，较模拟C回流涡仍然较大。与模拟A相比模拟B加速区减小，减速区尺度也有所减小下降，科恩达效应降低。

模拟C计算结果显示由于防风沙栅栏孔隙率提高的影响，气流渗流活动进一步增强，绕流活动继续减弱。模拟C回流涡尺度、风速与模拟A相比明显削弱，回流涡尺度受渗流活动增强的影响小于模拟B，加速区流场减小，减速区略微增加，科恩达效应尺度进一步减小。

模拟D下渗流作用继续增加，绕流作用明显减弱，防风沙栅栏背风侧回流涡基本消失，加速区、减速区、科恩达区较模拟A均大幅减小，说明防风沙栅栏对流场的影响减弱，防风沙效益下降。

3.2 高立式防风沙栅栏孔隙率对遮蔽范围影响

风速作为遮蔽范围判断依据是现在使用较多与实际积沙情况较为符合的遮蔽范围确定方法。防风沙栅栏积沙堆积的断面形态近似于防风沙栅栏对风场影响范围的断面形态，积沙的最大范围不超过防风沙栅栏对流场影响区域。将防风沙栅栏前后低于启沙风速的区域作为防风沙栅栏遮蔽范围，干燥风沙启动风速约4~7 m/s，根据现场考察取大柴旦风沙启动速度为6 m/s。上述模拟下防风沙栅栏作用下流场风速低于6 m/s的遮蔽范围云图如图3所示，黑色区域为风速大于启沙风速的范围。

由数值模拟结果可以看出，模拟A的遮蔽长度较长，迎风侧由于科恩达效应，砂砾不能在近壁面沉积，减小了遮蔽范围，防风沙栅栏后回流涡尺度大风蚀严重不能实现风沙的有效堆积，遮蔽区域较大。模拟B的防风沙栅栏孔隙增加，迎风侧科恩达效应降低，回流涡尺度在渗流作用影响下较模拟A有所减小风蚀作用相对降低，低于风沙启动风速的遮蔽范围略微增加。模拟C下迎风侧科恩达效应减弱风沙沉积范围增大，背风侧回流涡尺度与强度受气流通过防风沙栅栏后与回流涡气流作用耗能而减小，减小了气流对地面的侵蚀，相比模拟A、模拟B防风沙栅栏背风侧回流涡减小较多，遮蔽范围变化不大，增强了风沙的沉积防止了沙砾被再次启动进入到流场中，积沙区域最大。模拟D下气流由于强渗透作用穿过防风沙栅栏没有有效消耗风能，遮蔽区域减小，回流涡基本消失，防风沙栅栏遮蔽范围较前3种工况减小。

(a) 0%孔隙率；(b) 20%孔隙率；(c) 30%孔隙率；(d) 40%孔隙率

开孔防风沙栅栏对流场产生显著影响，不同程度降低了防风沙栅栏前后流场的风速，随着孔隙率的增大防风沙栅迎风侧科恩达效应降低，积沙能力增加，在渗流作用的影响下减小了回流涡，空气绕流作用逐渐衰减并逐渐低于渗流作用，模拟C下，受渗流作用和绕流作用的共同影响耗散气流能量防风沙栅栏背风侧回流涡相对较小，遮蔽范围大，可以降低来流风沙砾含量，风沙的沉积效能高。

4 现场试验

通过对高立式防风沙栅栏不同距离不同高度流场风速的实际测量，得到高立式防风沙栅栏对流场风速的影响，检验数值模拟试验的有效性。本文试验应用的高立式防风沙栅栏为高立式金属防风沙栅栏垂直于当地盛行风(西北风)流动方向，高度=1.8 m，长度80 m，孔隙率为30%。试验采用叶轮式高精度便携风速温度测量仪(100836)精度0.001 m/s量测范围0.001~45 m/s。在试验段中部防风沙栅栏迎风侧10，5和0.05 m，防风沙栅栏背风侧0.05，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55和60 m设置测量点。

当地风速12 s中保持=10 m/s时在每个测量点的=0.05 m，=0.9 m，=1.8 m 3个高度处采集风速最大值数据，3 s记录1次数据连续记录3次。将现场试验获得的数据取样本均值与数值模拟C下相同位置处风速数值进行比较，绘制折线图4。

在迎风侧距离防风沙栅5.6处，数据测量高度处风速受地面摩擦影响初始风速低于1.0，高度，高度初始风速为1.0。气流靠近防风沙栅风速逐渐下降。在迎风侧近壁面高度处位于科恩达效应区域风速较高，高度处风速降至0.3，高度处位于防风栅顶端防风栅降风速效能较低由于气流积聚影响导致风速略有上升。背风侧近壁面由于气流渗流与回流涡作用风速下降，高度风速降至0.3，之后进入回流涡区域风速上升。防风沙栅背风侧距离2.8处高度处气流处于回流涡中部底层边界与地面相交，风速高于风沙启动风速对地面产生风蚀，高度处于回流涡中心风速从0.3增加至风沙启动风速，高度处于减速区风速较低。从回流涡至减速区流场风速逐渐降低，5.6高度处位于回流涡与减速区边界处风速降低至风沙启动风速以下，高度处位于减速区内风速为0.2，高度处从2.8至5.6气流压力不断增加风速降低，在5.6处风速降为0.05。随后防风沙栅对流场的影响减弱，气流速度开始升高，高度，高度，高度分别在背风侧距防风沙栅13.9，11.5和10.8处风速达到风沙启动风速临界值，随后风速继续增大分别在20，22和24处风速升高至初始风速，防风沙栅失去防风阻沙效能。

现场数据与数值模拟数据的差值基本在误差范围以内，数值模拟的流线与现场采集数据形成的流线的趋势基本一致，说明本文选用的计算模型、网格划分、湍流模型的选取是可行的。

(a) 0.05 m；(b) 0.9 m；(c) 1.8 m

5 结论

1) 现场试验数据与模拟试验数据对比表明，多孔介质模型能够有效模拟多孔板结构，展现气流通过防风沙栅栏后的流场变化以及风沙堆积情况，证实了防风沙栅栏削弱风速作用及湍动能耗散作用。

2) 运用多孔介质模型模拟了多种孔隙分布形式下，气流在防风沙栅栏附近形成了外流区、减速区、加速区、回流涡以及科恩达效应。随着孔隙率的提高，渗流作用逐渐大于绕流作用，防风沙栅栏对流场的影响逐渐降低，回流涡、减速区、加速区等区域逐渐减小，回流涡对栅栏后风蚀与遮蔽范围有重要影响。

3) 对比上述不同的防风沙栅栏孔隙率模拟结果，当孔隙率约为30%时防风沙栅栏遮蔽范围大，回流涡较小，能有效使来流风携带的风沙沉积，避免地面风蚀，阻固沙效能相对最优，可以用来保护铁路线路免受风沙沉积影响。

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Optimization analysis of design parameters of prevent wind-sand fence along gobi railway

WANG Hailong1, 2, ZHANG Zhi1, 2, SUN Jing1, LIU Chang1, LI Yulong1

(1. School of Civil Engineering, Hebei University of Architecture, Zhangjiakou 075000, China; 2. Hebei Key Laboratory for Diagnosis, Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering, Zhangjiakou 075000, China)

In order to study the layout of the high vertical wind-sand fence along the heavy-duty railway, it is relatively difficult to establish an analytical solution model for the three-dimensional porous wind-sand fence. The CFX porous medium model was used for numerical calculation. In order to ensure the conservation of the finite volume method and the numerical precision of the finite element method at the same time, the boundary and solution of the porous medium model were comprehensively controlled. Under a variety of high porosity vertical wind-sand fence, the simulation of the surrounding airflow characteristics was carried out. After comparing and analyzing the effect of sand blocking and sand fixation, the optimal porosity of the high vertical wind-sand fence was obtained, and the numerical simulation results were verified by field experiments. The conclusions are as follows: The porosity of the high vertical wind-sand fence has a significant influence on the flow field distribution. The flow field with great influence on the sediment accumulation has a deceleration zone, an acceleration zone, a reflux vortex and Coanda zone. The optimal porosity of the high vertical wind-sand fence in the normal wind environment along the Gobi Railway is about 30%. The field test is consistent with the numerical simulation results. The conclusions of this study can be used as a reference for the prevention and control of heavy-duty railway sand disasters in the Gobi region.

prevent wind-sand fence; three-dimensional numerical simulation; field test; porosity; porous media

U216.41+3

A

1672 − 7029(2019)06− 1420 − 07

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.06.009

2018−08−13

青海省交通建设科技项目(2015-12)；张家口市科学技术研究与发展计划项目(1811009B-05)

王海龙(1965−)，男，山西襄汾人，教授，博士，从事防灾减灾工程及防护工程研究；E−mail：wanghailong-65@163.com

(编辑 涂鹏)