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。

铁路沿线下导风板对风沙流场的控制规律

为了揭示风沙地带铁路沿线下导风板输沙工程措施对线路过境风沙流的输导效果及其控制机理,基于CFD(Computational Fluid Dynamics)的计算原理,采用三维数值计算分析方法并结合下导风板输沙的现场实测数据,分析下导风板对风沙流场的控制规律。结果表明:下导风板的输沙能力在风速较大(大于12m·s-1)时有较好效果,且前倾式下导风板的输沙能力明显强于直立式下导风板。现场实测也表明:采用前倾式下导风板输沙措施后,会在线路上形成较大的强风区(作用区),使线路迎风断面的各部位年积沙量均有显著减少,线路道心积沙量减少56%,下导风板前积沙量减少44%,下导风板后积沙量减少36%;现场实测结论与数值计算规律一致。建议在处于风沙区的铁路沿线采用下导风板治理铁路沙害时,要因地制宜并考虑当地的风况(风向、风速变化)特点进行下导风板工程的布置,才能取得较好的风沙输导功效。

沙漠地区道路涵洞周围流场规律及积沙特征研究

涵洞作为沙漠地区道路工程路基的重要组成部分之一,是保障道路安全的重要基础设施。但沙漠地区道路涵洞较易发生风沙灾害,故对其进行系统全面研究非常必要。通过对不同来流风速大小和不同来流方向下涵洞进行三维数值模拟,对比分析不同风速、不同来流方向下的涵洞周围积沙特征,并总结相关结论。研究结果和结论:对比不同来流方向下的涵洞流场特征,得出来流与涵洞夹角为20°时涵洞对洞前洞后流场影响最大,洞前有大面积增速区,洞后速度下降最为迅速。对比不同来流大小及方向下的涵洞周围积沙特征,可知随来流风速增大涵洞前积沙先增大后减少;洞腔内部随风速增大积沙会有所增多;洞后积沙随风速增大会明显增加。同一风速下夹角增大洞前积沙明显增多,且夹角越大洞前积沙横移越明显;洞后积沙随夹角增大会明显减小。

基于动网格的铁路沿线孔板式沙障流固耦合数值模拟

孔板式沙障是新型多孔的阻风沙构筑物,具有很好的阻风沙功效,但孔板式沙障的应用必须考虑其在风荷载作用下的流场特征以及力学特性。对孔板式沙障进行三维流固耦合数值模拟,分析其在固定孔隙率不变的情况下,孔径变化时沙障周围流场特性以及孔隙率不变孔径变化对沙障位移、应力特征的影响,并总结相关规律特征。研究结果和结论:不同孔径沙障在障后均无涡流区仅有大面积减速区,且减速区随孔径减小而增大,减速效果也随之增强;孔径的变化对沙障的受力特征和变形位移分布无影响,仅对其量值有影响;沙障立柱受力最大位置在距柱底(4.5±0.025)cm,且孔径越小其最大值越大;来流首次接触沙障时会产生"冲击效应",其"冲击效应"最大值为沙障变形的最大值即最危险值,孔径越小,其"冲击效应"最大值越大,稳定状态下的位移值也越大。

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。

沙漠地区三种风沙侧向输导工程的数值模拟

[目的]研究沙漠地区交通线路周围侧向输导工程的风沙流场规律,为侧向输导工程的应用提供理论基础。[方法]基于新疆维吾尔自治区哈密市了墩地区风信数据和CFD三维数值模拟,建立不同工况对3种侧向输导工程的风沙流场进行对比分析。[结果]3种侧向输导工程由于结构的不同,风沙流通过开放式羽毛排的排间间距进行侧向输导,封闭式羽毛排和一字排则在排前进行输导。3种侧向输导工程流场作用区域都由输导区和减速区构成,但开放式羽毛排的减速区面积明显小于封闭式羽毛排和一字排。风速较大沙源丰富应使用一字排,风速较大沙源一般应使用开放式羽毛排,风速一般沙源丰富应使用封闭式羽毛排。[结论]侧向输导工程可以对风沙流进行有效输导,不同类型的侧向输导结构适用于不同的工况。

箱体式活动沙障风沙流场特征

研究在野外调查的基础上,采用计算流体力学三维数值建模方法并结合室内风洞试验,分析了箱体式活动沙障在孔隙率与风速变化作用下的控沙特点及其周围风沙流场的演化过程。分析结果表明:在沙障的控制下,顺着风向在沙障前后依次出现减速区、减速上扬区、加速区与障后涡流区,在沙障腔体内形成明显的腔内减速区与涡流区,过境风沙流在沙障的减速区、障后涡流区与腔体内发生沉落,可见箱体式活动沙障发挥了控沙作用;随着风速增大,障前减速上扬区高度增大,但沙障迎风侧孔隙率的变化对减速上扬区高度没有影响;当沙障迎风侧横板孔隙率小于5%时,对来流的消减效果显著,积沙在沙障前卸载,不能充分发挥沙障背风侧涡流区的控沙作用;当孔隙率大于25%时,沙障能够充分发挥控沙作用,在沙障的迎风侧、背风侧与腔体内都有积沙卸载;当孔隙率继续增大至30%时,沙障控沙效果没有明显提高;选定孔隙率为30%条件下,随着风速的增大,沙障后积沙增加,沙障腔体内积沙减少,而沙障迎风侧积沙出现先增加后减少的变化趋势。

来流廓线对风沙流场和风沙堆积影响的数值模拟——以挡沙墙为例

来流风速廓线是控制与影响风沙流场变化的关键因素。基于CFD欧拉非定常模型,通过对不同来流廓线形式在特定粗糙度下垫面的数值分析,探究来流廓线对流场风速与积沙形态的影响。结果表明:2种来流廓线形式均在挡沙墙周围形成速度分区。其中,在背风侧,均匀流时回流区不明显,对数流时则回流区较明显;在迎风侧,均匀流时速度发生突变,对数流时则呈对数规律递增;不同来流形式下挡沙墙积沙分布不同,均匀流时只在背风侧形成积沙,而对数流时两侧均有积沙,且迎风侧积沙多于背风侧,来流速度越大,迎风侧积沙减小,而背风侧增多。

基于Design Exploration方法对铁路下导风工程关键设计参数的优化

应用数值模拟和优化分析方法,对铁路沿线的下导风工程的风沙流场特征进行了系统研究,并对下导风工程的主要影响参数进行了优化分析。结果表明:(1)下导风工程会对风沙来流进行输导,并在导风板下风口一定范围内形成加速区,使来流中的颗粒物以非堆积的形式通过保护区;(2)铁路线路的上部构件会阻碍下导风工程作用效果,在轨道后方形成减速区,造成沙子的沉积;(3)下导风工程布置在铁路两侧时使用较小的导风板倾角和较大的下风口高度,可以减少风沙在铁路附近的堆积,使风沙流顺利通过保护区;(4)导风板水平倾角与铁轨前沙子的质量流率、铁轨道心风速呈正相关,下风口高度与铁轨前沙子的质量流率、铁轨道心风速呈负相关性,下风口高度在影响因素中占主导。