建筑物风沙流场与荷载的风洞试验研究

通过风洞试验研究了同一风速下不同落沙量时的风沙流场特性,包括风速、湍流度和沙浓度的分布规律,基于流场分析的结果在该风沙环境下开展了风洞高频动态天平测力试验,探究了风沙流场中建筑物迎风面所受到的风压力和沙粒冲击力规律,并采用沿高度方向等分迎风面的方法对风沙荷载沿建筑物高度方向的变化规律进行了探究。研究结果表明:风沙流场下的沙浓度梯度分布与落沙量及高度有关。沙颗粒对风速有一定的削弱作用,而对湍流度有一定的增强作用,且沙浓度越大该削弱作用和增强作用越明显。风沙流场下建筑物迎风面所受到的风压力和沙粒冲击力之和随着高度和沙浓度的增大而增大;其中风压力随着高度的增大而增大,而随着沙浓度的增大而减小,沙粒冲击力随着高度的增加而减小,而随着沙浓度的增大而增大。

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。

铁路沿线挂板式沙障开孔特征与风沙流场的影响研究

为研究铁路沿线挂板式挡墙阻挡风沙的效果,本文基于欧拉双流体非定常模型,对不同开孔形式的挂板式挡墙进行三维数值模拟及风洞实验研究。结果表明:三种孔隙分布下,气流在挡墙周围均形成速度分区,其中,减速区与加速区受孔隙分布影响较小,涡流区受其影响较大;靠近地表时孔隙越大、挡墙防护距离越长,防风效果越好;不同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时积沙主要位于背风侧,上疏下密分布时两侧均有积沙,迎风侧积沙多于背风侧,防沙效果较好;不同风速对挡墙周围积沙分布及背风侧涡流区影响较大,来流风速越大、背风侧涡流区高度越小、恢复区越长,迎风侧积沙越少、背风侧积沙越大。

流动沙丘区公路路基风沙流场数值模拟及路面沙害形成机制

基于CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟,以青海省中灶火省道303公路为研究区域,对流动沙丘区公路路基风沙流场进行了模拟分析,揭示了流动沙丘区路面沙害的形成机制,以期为流动沙丘区路面沙害的防治提供理论依据。数值模拟结果表明:当气流经过流动沙丘和路基时,气流速度产生分区;当存在流动沙丘时,路基周边的减速区范围明显增大,路基坡面和背风坡全部处于气流低速区的范围,沙丘高度以上,在沙丘顶部气流速度急剧增大,受障碍物自身形状的影响,风速变化由“Ω”型分布变为“M”型分布。当沙丘表面的原有防护体系疏于维护、更新,沙粒在沙丘附近大量堆积,沙丘会慢慢沿主风向移动,成为沙源,掩埋路基而形成沙害。数值模拟结果与现场实际相吻合,证实了数值模拟的准确性。对于流动沙丘区公路的沙害防治,应详细考察当地的地貌形态及风沙流运动规律,定期检查维护原有防护体系,及时清理积沙,既要阻止风沙流对沙丘进行沙源供给,又要防止沙丘本身成为沙源。

水平轴风力机叶片在风沙流场中的数值模拟

采用计算流体力学软件FLUENT,选用SSTκ-ω湍流模型对750kW水平轴风力机叶片进行三维定常流风场和风沙离散项的数值模拟,得出叶片周围风场绕流特性。模拟结果表明风力机叶片迎风面受风压最大,风绕流风力机叶片发生分离和涡流现象。在风沙离散项中风带动沙粒的不均匀性使风力机叶片周围沙粒迹线出现分离,在叶片中部及叶尖处浓密。因此,应在风力机迎风面中部及叶尖处增设耐磨层,防止风沙频繁地区风沙对叶片产生的风蚀现象。

沙漠高速公路边坡风沙流场特征分析

依托沙漠腹地乌玛高速公路工程,通过采集腾格里沙漠气象数据,结合Fluent软件数值模拟方法,研究了沙漠高速公路不同边坡坡度对风沙流场的速度与体积浓度分布的影响。模拟结果显示:不同坡度的路基表面风沙速度流场特征一致。从迎风侧坡脚至背风侧坡脚处,风沙速度变化呈现“上升-下降-上升”的分布趋势,其中坡度更陡的路基风沙速度大小变化增加;不同坡度路基的沙粒体积浓度分布特征一致,沙粒主要在坡脚、中央分隔带处沉积,边坡坡度越陡,积沙量就越大。当边坡1∶3的路基变成边坡1∶5的路基时,最大风速降低了8.3%,坡脚处沙粒体积浓度降低了8.6%,路面降低与中央分隔带都有消减。建议对于沙漠腹地高速公路的建设,应更全面考察当地的气象因素及地貌形态,拟定最合适的路基断面形式,以免造成沙埋、风蚀等沙害。

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。

风沙绕流建筑物流场的数值模拟研究

利用计算流体力学模拟软件FLUENT,选用基于雷诺平均的标准k-ε湍流模型对风沙绕流建筑物的三维定常风流场进行数值模拟,分析建筑物周围风流场的分布情况和沙尘绕流建筑物的运动轨迹。计算结果表明建筑物迎风面受到压力最大,背风面受到负压的影响,风流绕流建筑物发生风流的分离,脱落,涡旋,汇合等现象。模拟结果为沙尘防治和城市建筑风环境的改善提供参考。

风扬沙环境下风沙流场风洞试验研究

通过风沙风洞试验模拟风吹床面沙环境,对不同风洞控制风速和不同沙尘粒径条件下风沙流场内沙浓度垂向分布特性比较得知:沙浓度的大小分布与沙粒径、控制风速以及高度均相关;同种粒径沙供沙床面情况下,风速越大,相同位置处的沙浓度越大,沙浓度随风速的增大而增大,随高度的增加呈指数递减;同一高度位置在相同风速下,粗沙、细沙、混合沙的沙浓度依次增大。获得床面供沙风速剖面只在高于沙床面约0.3m的范围内发生变化,相比于净风,有沙床面此高度范围内的风速小于净风速。在沙粒跃移层内,三种粒径沙对风速都有明显的削弱作用,对湍流强度却有明显的增强作用,且其显著程度与各自沙浓度的垂向分布特征有直接关系,都随着沙浓度的变化同时增大或减小。

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。

包兰铁路沙坡头段风沙运动规律及其与防护体系的相互作用

包兰铁路沙坡头段是穿越流动沙丘最长，受到风沙危害最为严重的路段，自建成运营45a以来，其有效而稳定的防护体系受到世人的关注和公认。通过前期23a的防沙实践和后期22a的监测证实：①该地区存在着一个较为稳定的风沙流场，具有三组不同风向，主风向为W-NNW，次主风向为NE—E、WSW—S，此种风沙流场格局具有明显的季节变化，是塑造格状沙丘形态和造成对铁路危害的重要因素。②沙丘移动过程表现为格状沙丘主梁沿主风向前后摆动，以缓慢的速度向前推移，其移动量为2～5m·a^-1，造成风沙危害的最直接的原因是格状沙丘副梁的迅速前移，22a平均移动速度为0．527m·a^-1。合成移动方向为318．6°（NW→SE）。③从理论上考虑，前移的沙体是一种对防护体系的潜在威胁，即可能在固沙带前缘形成高大的沙堤掩埋防护体系。可是，实际上随着防护体系的建立和逐步的完善，不但有效的保障铁路的安全，而且同时也抑制了年总输沙量的25％；并改变了风沙流场的某些性质或作用，进而控制了风沙活动的方向与活动强度。在迎风坡的风蚀和背风坡的积沙致使沙丘高度相应的降低，这种变化规律具有从流沙区向固沙区逐渐衰减的趋势。

关于风沙层中颗粒垂向浓度分布规律等的思考

本文采用统计平均方法和二相流连续介质模型方法研究了风沙流场中颗粒浓度和输运通量沿高度的分布规律．结果表明：即使对均匀沙这一简单情形，现有的理论模型也很难证明这两个量一定服从负指数分布．针对负指数分布是经验规律这一事实，我们对现阶段常用的测算颗粒浓度的方法进行讨论，指出引进更高精度实验手段的必要性．

基于FLUENT 的直流漏沙式风沙风洞研究

目前的风沙风洞大多适用于风沙地貌、风沙环境的研究以及防护治理,而用于结构风工程的风沙风洞很少,因为其需要在一定高度处能够实现风速和风沙浓度可调的均匀稳定段.为了研究直流漏沙式风沙风洞中风沙流的分布规律,运用FLUENT建立风洞模型,通过对已有的漏沙风洞试验进行数值模拟,验证了模型的正确性.进一步基于风洞风速、漏沙体积分数、漏沙速度等参数对风洞风沙流的影响规律,提出了一种新型的水平多口风洞漏沙装置.对该风沙风洞的分析表明:在试验模拟浓度的范围内,风洞风速越大,同一位置的沙粒分布高度越高;漏沙体积分数和漏沙速度主要影响单位时间内进入风洞的沙粒质量,且试验位置沙粒浓度的峰值与单位时间进入风洞的沙粒质量成正比;该风沙风洞可以得到约1/2风洞高度的沙粒浓度均匀试验段,并可以通过调节漏沙体积分数、漏沙速度和试验位置可得到试验所需的试验风速及对应的沙粒浓度,使其能很好地完成风工程中的风沙定量试验.

斜插板式沙障插板倾角影响下风沙流特征的数值模拟

[目的]优化既有沙障的结构形式,以发挥最大挡沙功效,揭示铁路沿线斜插板式沙障的风沙流特征和规律,为风沙灾害防治提供相关的设计参考和科学依据。[方法]基于欧拉双流体非定常模型对具有不同插板倾角(15°,30°,45°和60°)但孔隙率均为30%的斜插板式沙障进行数值模拟。[结果]①随插板倾角逐渐增大,沙障迎风侧减速区范围无明显变化,上方加速区和背风侧涡流区范围逐渐增大,迎风侧气流向下弯曲运动的趋势逐渐增强,背风侧向上运动的气流与水平风向夹角逐渐增大。②不同风速下,4种斜插板式沙障周围风速均呈“U”型分布,对同一风速而言,背风侧涡流区内风速极小值与插板倾角呈负相关。[结论]随插板倾角逐渐增大,沙障迎风侧积沙量逐渐增多,背风侧整体积沙量逐渐减少但背风侧1 H范围内积沙量逐渐增多,背风侧主要积沙分布范围与沙障之间的距离逐渐增大。

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。

草方格沙障尺寸分析的简单模型

针对草方格沙障防护区域内流场的特点 ,提出一个单排理想涡列模型 ,用以模拟实际风沙流场。在此基础上 ,利用流体力学的分析方法 ,给出了与目前工程实际所建议的尺寸比较吻合的草方格沙障间距 (或草方格边长 )与出露草头高度的对应关系。

青藏铁路涵洞周围沙害形成机理的数值分析

针对青藏铁路涵洞沙害形成情况,采用数值模拟和现场测试相结合的手段,对涵洞周围风沙流场特征进行分析,探究了沙害形成机理,并对风沙地区涵洞的设计提出了建议。结果表明:风沙流途经涵洞时,气流速度发生了变化使得风速重新分布,在涵洞背风侧形成相对弱风区,在迎风侧涵洞口形成相对强风区;洞口气流速度衰减是涵洞产生沙害的直接原因,积沙从洞口逐渐向内延伸长,最终堵塞涵洞;涵洞宽度一定时,高度越高洞口气流速度衰减幅度越小,越不容易引起积沙;在风沙地区设计涵洞,条件允许时建议提高涵洞高度。

新疆S214省道高立式芦苇沙障合理间距分析

以新疆S214省道沙害防治区段为背景,应用CFD(computational fluid dynamics)数值模拟方法分析了高立式芦苇沙障周围的风沙流场,结果表明:高立式芦苇沙障周围流场可分为迎风侧减速区,上方加速区和背风侧恢复区,背风侧无明显涡流区生成,沙障间的合理间距与风速呈负相关。现场布置模式对20 m·s^-1的风沙流有较好防护效果,低于此风速时,第二道沙障背风侧基本无恢复区生成,后两道沙障迎风侧积沙较多且紧贴沙障分布,压埋沙障速度较快。通过相贴原理优化沙障间距,可以充分发挥各道沙障的防护作用,有效抵御风沙流侵袭,适当延长沙障使用年限。根据前人观测数据、现场调查和数值模拟结果,建议研究区内高立式芦苇沙障间距宜为20~25 m。该研究结果可为研究区内高立式芦苇沙障的合理布置提供理论依据,也可为其他风沙防护工程的建设提供参考。