沙墙吸能作用对爆炸冲击波影响的数值分析

由沙袋堆积起来的沙墙对强冲击波具有很好的消波吸能作用,在爆炸实验中对结构有一定的防护作用。沙墙在爆炸冲击波作用下,飞散形成颗粒相,吸收冲击波的能量,降低冲击波对结构的冲击作用。分别使用通用非线性动力学数值计算程序LS-DYNA和自编的多相流程序,计算了某封闭空间中沙墙对爆炸冲击波消波吸能的作用。自编的多相流程序可以计算沙子的飞散,可以考虑对流、辐射传热的吸能作用。LS-DYNA没有这些功能,但是却可以模拟复杂的爆炸与结构相互作用的问题。两种程序对比计算的结果可为使用商业软件LS-DYNA进行类似的复杂数值计算提供参考和修正。

兰新铁路挡沙墙位置对低矮路堑中客车气动性能的影响

采用计算流体力学方法对兰新(甘肃兰州—新疆乌鲁木齐)铁路挡沙墙对低矮路堑中客车气动性能的影响进行数值模拟。研究结果表明:低矮路堑无挡沙墙时,列车受到较大的横向力、升力和倾覆力矩作用,当在路堑迎风侧设置距离上边缘一定距离的挡沙墙后,列车气动力明显减小;当距离L=5 m时,迎风线整车阻力、横向力、升力和倾覆力矩分别减少25.0%,88.9%,75.4%和83.6%,背风线整车阻力、横向力、升力和倾覆力矩分别减少44.2%,82.2%,74.4%和76.5%;设置挡沙墙后,随着距离越来越近,车体迎风侧正压区域逐渐变为小负压区域,顶部负压减小,整个车体基本处于小负压环境中,车体整体受力情况明显改善。

PDV法测量内部爆炸作用下沙墙外层速度

为研究爆炸波与沙墙相互作用机理,采用光子多普勒速度测量技术(PDV)获得内部爆炸作用下沙墙外层速度。设计一维点对称模型的实验构型,制备系列透明的塑料壳体;先将球形装药放置于球壳中心,再将细沙装入壳体形成封闭的球壳沙墙。对4发不同比距离的沙墙进行PDV测速实验,均获得沙墙外层的速度历程。在爆炸当量最大的一发实验中,其沙墙外层的速度值在首峰约520m/s后先略有下降再继续上升,在有效时长末端达到最大约690 m/s。实验证明:在爆炸波与沙墙相互作用机理的研究中,光子多普勒速度测量技术可以发挥一定的作用。

兰新高铁沿线插板式挡沙墙防沙性能研究

为保障兰新高铁风沙路段的列车安全运营,铁路沿线大范围安装了插板式挡沙墙,由于缺乏系统的研究,导致挡沙墙一些防沙性能还未完全掌握。结合数值模拟和风洞试验,对插板式挡沙墙的防沙性能进行系统分析,并探讨孔隙率、积沙量对其影响。研究结果表明:插板式挡沙墙高效防沙区顺风向主要集中在迎风侧2H至背风侧7.5H范围内,垂直方向主要集中在高度0.6H以下(H为挡沙墙高度);随着环境风速和距地表高度的增大,插板式挡沙墙的阻沙性能呈递减趋势;孔隙率越大,插板式挡沙墙背风侧循环泡尺寸越小,对气流扰动的能力越强,但其扰动范围越小,综合考虑孔隙率取20%左右比较合理;插板式挡沙墙周围的风积沙越多,其防沙效果越差,为保证挡沙墙高效的工作,有必要及时清理其周围的风积沙。

斜插板挡沙墙风沙防治现场试验研究

通过对兰新第2双线试验段不同类型挡沙墙前后风沙流场的现场观测,研究斜插板挡沙墙风沙防治原理及效果。研究结果表明:风沙流途经挡沙墙后,会在墙体背风侧出现一个明显的低速沉沙区,斜插板挡沙墙对风能的消减能力要略高于插板式挡沙墙,其风能最大消减率约为86%。挡沙墙的阻沙率随高度的增加呈负相关变化,当高度超过挡沙墙高度后,挡沙墙对上层气流的扰动明显变弱,斜插板挡沙墙的阻沙效果明显优于插板式挡沙墙,2.0m高斜插板挡沙墙的累计阻沙率约为43.32%。风沙流经过斜插板挡沙墙后,大风所携沙砾的粒径百分比会发生一定的改变,沙砾粒径中细组分的含量明显增加,但整体依然以0.1～0.25mm和小于0.075mm粒径的沙砾为主。

风沙地区铁路路堑挡沙墙设计参数优化与防护效果

为探究风沙地区铁路路堑流场中的湍流-沙颗粒运动特性,针对性地优化设计防护措施的结构参数,对某铁路路堑流场进行了数值模拟分析。基于欧拉-拉格朗日框架建立了LES-DPM三维湍流流场模型,研究路堑在风沙地貌下的风沙流特性及沙颗粒运动规律,并根据其风沙运动特点设计单排挡沙墙和双排挡沙墙两种类型的风沙防护措施,同时通过对不同距离、不同排列方式的流场特征和防沙效果进行对比获取最优的风沙防护措施设计参数。研究结果表明:路堑结构因下凹结构导致堑内出现大量小尺度马蹄涡,钢轨附近多为破碎的低速涡团,湍流结构复杂;钢轨附近风速均小于3.6 m/s,移动沙粒易受逆压梯度影响及紊流作用向路堑内沉降;由于路堑流场的沙埋风险大大增加,对比发现,将高度2 m的挡沙墙布置在迎风侧距路堑20 m可获得最佳的防护效果,大部分颗粒被阻隔在挡沙墙前,越过挡沙墙的颗粒大多沉降在其后回流区内,且粒径均小于0.125 mm;同时发现,当采用前低后高的双排挡沙墙(2 m/3 m)可以进一步增加低速回流区范围并减少运动至路堑内的颗粒数量,提高防护效果。

基于FLUENT的挡沙墙挡沙机理数值模拟研究

基于FLUENT欧拉双流体模型,对新疆戈壁区沿线既有挡沙墙周围风沙两相流运动特性进行数值模拟,得到了挡沙墙背风侧的流场分布特点.结果表明:气流途经挡沙墙后会在挡沙墙迎风侧形成了一个低速区,在背风侧形成一个巨大的涡流,部分沙粒会堆积在低速区内,起到净化风沙流的作用;当携沙风通过不同高度的挡沙墙时,气流的风速轮廓线变化规律呈先减小后增大的趋势,且挡沙墙越高,对气流的削弱作用越明显.

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。

挡沙墙开孔方式与阻沙效果的关系研究

研究目的:挡沙墙作为一种常见的工程阻沙措施,主要起拦截过境沙物质、保护铁路建(构)筑物的作用。关于挡沙墙的作用机理,已开展了大量研究,并取得了较为显著的成果;但对墙体开孔方式与阻沙效果之间的关系则研究过少。基于此,本文主要是通过对不同开孔方式下挡沙墙周边流场形态和阻沙率的研究,来优化挡沙墙的设计参数,以期为后期铁路风沙防护工程设计和施工提供参考依据。研究结论:(1)挡沙墙周边的积沙量与墙体开孔角度呈现一定的正态分布特征,当墙体开孔为135°时,积沙量达到最大;(2)气流经过挡沙墙时,其水平流场呈现"V"字形变化,气流在墙体处风速达到最低;(3)挡沙墙的阻沙率随高度呈现不规则的拱形变化,在1 m高度以下,135°开孔的挡沙墙阻沙率最高,45°次之,0°最低;(4)挡沙墙前后的积沙形态呈现抛物线形,135°开孔挡沙墙背风侧积沙的抛射角最大,线性最陡,沙脊线距离墙体最远,更有利于清理搬运;(5)该研究结果对于挡沙墙的设计和施工具有一定的借鉴指导意义。

兰新高速铁路风沙区段挡沙墙设计参数试验研究

兰新二线风沙路基主要集中于烟墩风区及百里风区,大风条件下极易形成风沙流,挡沙墙是解决风沙对铁路危害的主要措施。为充分发挥挡沙墙的防风沙作用,针对兰新高速铁路沿线风沙流成因及规律进行分析,对挡沙墙高宽比、孔隙率和高度3个参数分别进行对比试验,提出适合该地区铁路防沙的挡沙墙优化设计思路。结果表明:当挡沙墙高度一定时,风沙防护效果与挡沙墙的宽度显现出一定的负相关变化;对于均匀结构的网状沙障来说,孔隙率为40%的防沙效果最优,30%的次之,50%的相对最差;从不同高度挡沙墙的风沙防护效果来看,高度为2.0 m的挡沙墙的风沙防护效果相对较好,高度为2.5 m和1.5 m挡沙墙防沙效果略差。

风沙环境下防风挡沙墙复变作用规律的风洞模拟

【目的】风沙防护是干旱环境下人类基础设施建设和维护的关键工程问题之一,为探明不透风防风阻沙措施风沙运移的变化规律,筛选特殊风沙区域防护体系构建合适设置参数。【方法】采用风洞模拟对不同风向夹角条件下防风挡沙墙的气流速度场、风沙流结构以及沙粒阻截率/输导率的变化规律进行研究。【结果】(1)迎风侧模型4倍障高处始终为气流急剧变化的拐点,且不随着指示风速的变化而变化;当指示风速小于10 m/s,背风侧弱风区或静风区的范围随着指示风速的增大而增大,大于12 m/s则呈相反规律;同一指示风速作用下,随风向夹角的增大有效防护范围逐渐增加。(2)迎风侧积沙主要集中于近地表0~10 cm,平均占总输沙量的85.31%;45°、60°、75°与90°4种风向夹角条件下背风侧输沙量主要集中在20~30 cm高度范围内,分别占总输沙量的71.25%、88.75%、85.25%、86.00%。(3)背风侧0~10 cm高度层沙粒截留随指示风速的增加而增加,75°夹角时最大,平均为95.64%;10~30 cm高度层沙粒输导随着指示风速的增加有增大趋势,45°夹角时最大,平均为81.09%。【结论】指示风速的变化对防风挡沙墙气流速度场变化规律影响不显著,而对背风侧弱风区或静风区的范围影响较大,75°时有效防护范围最佳;迎风侧输沙量随高度的增加逐渐减少,背风侧随高度的增大呈现出先增加后减少的变化趋势;作为防风阻沙措施风向夹角应设置为75°左右。

铁路挡沙墙防沙效果分析及设计参数优化研究

文章基于FLUENT欧拉双流体模型,模拟风沙两相流与路堤正交时,风沙流途经挡沙墙后路堤周围的流场变化情况,并对路堤周围积沙进行数值模拟,分析不同挡沙墙设计参数对防沙效果的影响。研究结果表明:(1)迎风侧20 m处布设挡沙墙后,气流在路基顶面近地表处形成相对高速区,沙粒难以沉积在此处,可达到防沙的目的;(2)路堤高度为5 m,气流途经2.0 m、2.5 m高度挡沙墙后,在路基顶面近地表处气流速度较大且风向始终与初始气流速度方向一致,说明挡沙效果良好;(3)戈壁地区挡沙墙高度取1.5~2.0 m为宜;(4)路堤高度为5 m;携沙风速度为10~20 m/s时,挡沙墙宜布设在线路迎风侧15~20 m之间;携沙风速度为20~30 m/s时,挡沙墙宜布设在线路迎风侧20~25 m之间;携沙风速度超过30 m/s时,建议布设多排阻沙栅栏;(5)随着路堤高度的降低,挡沙墙的布设位置应远离线路,以达到最佳的防沙效果。

可调式铁路挡沙墙防沙性能研究

为减小传统铁路挡沙墙顶部气流加速区越过的沙粒数量,一定程度上提高挡沙墙的阻沙效率,提出一种挂板可以随风力转动的新型挡沙墙(可调式挡沙墙),并利用风洞试验和数值模拟对其防沙性能进行分析。研究结果表明:可调式挡沙墙的流场结构与传统的挡沙墙类似,但受“狭管效应”的影响,在能够随风力转动的挂板背风侧形成了局部的气流高速区;挡沙墙背风侧涡旋流的发育程度明显强于迎风侧,风速衰减能力背风侧也远强于迎风侧,挡沙墙背风侧是主要沉沙区;可调式挡沙墙周围的积沙主要分布在背风侧,且与挡沙墙存在一定的距离;挡沙墙防沙性能与挂板倾角和风速相关,最优设计参数:25 m/s风速下3号和4号挂板倾角组合为10°~20°和15°~20°,35 m/s风速下3号和4号挂板倾角组合均为15°~20°;45 m/s风速下3号和4号挂板倾角组合为15°~20°和20°左右;数值模拟结果与风洞试验和现场调查结果一致,具有较高的可信度;可调式挡沙墙可以削弱其顶部加速区的风速,达到提高其防沙效率的目的,尤其适合于挡沙墙顶部加速效应明显的强风地区。

吸沙式挡沙墙设计及防护效益分析

为了解决沙粒掩埋挡沙墙造成挡沙墙防护效果降低,文中基于k-ε湍流模型的RANS方法和多孔介质模型对不同参数的吸沙式挡沙墙进行数值模拟计算,并采用风洞试验验证文中所选湍流模型和网格划分策略的正确性。研究结果表明:风沙流经过挡沙墙会形成速度分区,分别为墙前减速区、墙后墙体结构导致的局部加速区、墙体正上方加速区、墙后涡流区以及恢复区。随着挡沙墙孔隙率减小,背风侧有效遮蔽区域越大,背风侧积沙位置离墙体越近,吸沙式挡沙墙的最优孔隙率在25%~35%,考虑到制造工艺,孔隙率选35%为宜;文中所设计挡沙墙的吸沙功能良好,吸沙量的大小正相关于孔隙率和来流风速;吸沙式挡沙墙周围的水平风速随高度增加逐渐从“U”型转变为“V”型分布,风速廓线在垂直方向上呈现倒“S”形分布。当风速一定时,有效防护距离随着挡沙墙高度的增加而增大,积沙范围增大;当高度一定时,积沙位置随着来流风速的增大逐渐向下风向转移。挡沙墙高度越高,承受的风压越大,工程造价上升,从防护距离和工程造价两方面考虑,四块挡沙板是吸沙式挡沙墙最合理阻沙高度。

沙墙吸能作用对爆炸冲击波影响的实验研究

在爆炸冲击波作用下沙墙快速飞散,爆炸能量转换为沙粒动能和细化沙粒的摩擦做功,因此由沙袋堆积起来组成的沙墙对强冲击波具有消波吸能作用,对爆炸实验结构起到防护作用。本文利用366gTNT当量的球形药球中心起爆,进行了沙墙消波吸能作用下密闭柱形容器承受载荷的实验。实验结果表明:沙墙使冲击波峰值超压降低最高可达6倍,到时也明显拉长,容器外壁应变峰值至少降低30%,端盖加速度峰值降幅也达到50%,充分说明了沙墙消波吸能的作用。

斜插板挡沙墙设计参数优化数值模拟

本文基于FLUENT欧拉双流体非定常模型,对不同设计参数的斜插板挡沙墙周围风沙两相流运动特性进行了数值模拟。结果表明:挡沙墙透风率越小,积沙量越大,但沉积的沙堆越靠近挡沙墙,越容易被埋,透风率宜设计为25%~40%;插板倾角小于90°,背风侧沉沙区紧靠挡沙墙,大于90°,背风侧沉沙区与挡沙墙存在一定的距离;插板倾角在90°~135°时,大部分沙粒沉积在挡沙墙周围,防沙效果最佳,结合工程造价,倾角宜取110°~135°;背风侧有效影响范围区内,风速在水平方向与垂直方向风速轮廓线分别呈左'V'形分布与倒'S'形分布;风速一定时,背风侧空气动力有效阴影区范围随挡沙墙高度的增加而逐渐增大;挡沙墙高度一定时,背风侧沉沙区随风速的增大向下风向移动;挡沙墙高度越大,承受的风压越大,工程造价越高,综合考虑工程造价及防沙效果的基础上,挡沙墙高度建议采用1.5~2.0m。

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。

青藏铁路沿线不同类型挡沙墙阻沙率

基于风洞试验对青藏铁路沿线不同类型防沙措施防沙效果进行模拟研究,探讨了不同类型挡沙墙的防沙效果。结果表明:挂板式、轨枕式和箱式挡沙墙输沙率随高度基本呈递增缓变型趋势,最大输沙率低于20%;铃铛式和高立式聚乙烯(PE)网挡沙墙随高度呈递减陡降型趋势,距地表6~8 cm处为转折点,转折点以上输沙率随高度增大急剧减小,转折点以下输沙率随高度变化较为平缓,最大输沙率低于50%。随着风速的增大,各挡沙墙的阻沙率呈递减趋势:挂板式和轨枕式挡沙墙对风速的敏感性最弱,整体阻沙效果较优,可大范围推广;箱式挡沙墙对风速的敏感性较弱,建议在风速18 m·s^-1以下的地区使用;PE网挡沙墙防沙效果对风速的敏感性最强,建议在风速10 m·s^-1以下的地区使用。

锡北地方铁路风沙防治措施研究

为了探究高含盐细砂地区风沙流对铁路运营的影响,为该类地区铁路的设计及修建提供理论依据和实践参考,开展了以锡铁山至北霍布逊铁路线建设为实例的风沙防治措施研究。首先根据工程地质条件确定出了混凝土插板式挡沙墙与地表石方格相结合的风沙灾害防治方式;然后通过CFX软件对风沙湍流场进行了有限元数值模拟,发现了挡沙墙之间的距离对防风沙效果的影响规律;最后根据数值模拟结果得出了1.5 m高的挡沙墙之间的最佳距离为30 m,并进行了实地监测验证了其良好的防风沙效果,并基于实测数据(挡沙墙附近积沙高度达67.5 cm)推荐定期清理墙后积沙的时间3 a。

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。