沙漠地區三種風沙側向輸導工程的數值模擬

辛林桂, 程建軍, 王 連, 智凌巖, 陳柏羽, 王 瑞

(石河子大學 水利建筑工程學院, 新疆 石河子 832003)

中國西北地區包括陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區和新疆維吾爾自治區5個省、自治區，深居中國西北部內陸，屬于溫帶大陸性氣候，具有面積廣大、干旱缺水、荒漠廣布、風沙較多、生態脆弱、人口稀少、開發難度較大等特點[1-3]。隨著經濟水平的飛速提高致使交通線路產生了跨越式的發展，但是由于這些地區特殊的地理和氣候環境，交通線路的運營不可避免的會遇到風沙運動的問題[4-6]。在風沙地區的沙障結構是通用的，包括固沙工程[7-9]、阻沙工程[10-14]、輸導沙工程[15]。在單向風況條件下，當風力強勁，沙源豐富的情況下，單純地采用阻、固沙措施雖能在短時間內控制沙害，但當沙障前積沙隨時間急劇增加時，沙障阻沙功能衰退，會引發更大的沙害。因此，利用有利地形，借助風力采用輸導措施比阻固沙更為合理、有效。目前，較為常見的輸導沙工程有：羽毛排工程和一字排工程，其中羽毛排工程又根據來流不同的通過形式分為封閉式和開放式兩種。輸導沙工程在實際工程的使用中多是依據經驗布置，并且國內外對不同輸導措施的作用機理和輸導理論的研究鮮有報道。

因此，本文以風信數據為基礎，采取CFD數值模擬的方法，研究風速較大沙源豐富、風速較大沙源一般和風速一般沙源豐富等工況時不同側向輸導工程的風沙流場特征，為側向輸導工程的研究和使用提供理論基礎。

1 數值模型建立

1.1 風信數據采集

本研究在位于新疆維吾爾自治區哈密市的百里風區了墩車站附近布設測點一個(簡稱了墩測點)，了墩站建于1960年，距離蘭州火車站1 455 km，距上行車站雅子泉火車站29 km，距下行車站紅層火車站11 km，是百里風區的一個重要車站。在了墩站附近布設測點，對高度2 m處的風速風向情況進行了為期半年的監測，獲得實測數據，對于掌握百里風區內的荒漠和戈壁地區的風速風向狀況具有重大意義。圖1為2011年7—12月了墩測點2 m高度處各月份最大風速玫瑰圖，各月最大風速集中發生在N，NNW和NW方向，最大平均風速約為20 m/s，其余各方向最大平均風速約為10 m/s。

圖1 了墩測點2 m高度處最大風速(m/s)玫瑰圖

1.2 試驗設計

戈壁、荒漠地區以了墩地區為例，根據風速大小可以將風速較大時設置為20 m/s，風速一般時10 m/s，再由風攜沙模型，根據沙源多少可以將沙源豐富時含沙量設置為2%，沙源一般時含沙量設置為1%，表1為不同工況時風速和含沙量的設置情況。本文針對不同的風速條件及沙源情況，分為3種工況研究側向3種輸導工程的適用條件，封閉式羽毛排、開放式羽毛排和一字排的工程示意圖如圖2所示。

表1 3種工況的風速和含沙量

圖2 3種側向輸導工程示意圖

1.3 模型建立及參數設置

計算域尺寸為150 m×30 m×20 m，3種側向輸導工程的位置示意圖如圖3所示。組成封閉式羽毛排與開放式羽毛排工程的5片單片羽毛排尺寸為4 m×2 m×0.2 m，各相鄰單片羽毛排的間距和夾角均為0.5 m，主排軸與風向的夾角為30°；一字排高度為2 m，厚度為0.2 m，與風向的夾角為30°，其在迎風面的投影長度與封閉式羽毛排相同。由于輸導工程結構不對稱，網格采用四面體網格劃分，對地面及工程附近進行局部加密如圖3所示，經計算檢查后網格個數約為8.00×105個，單元質量(element quality)均值為0.880 69，偏斜度(skewness)均值為0.149 65，并且計算檢查后質量良好無負體積出現。本文模擬工況條件為風攜沙且風沙流的馬赫數均小于0.3，故將模型入口設置為均勻流速度入口(velocity-inlet)，出口設置為壓力差為0的壓力出口(pressure-outlet)，其他邊界條件為墻(wall)，并且上邊界與左右邊界的粗糙度值為0，下邊界為默認值[16-17]。根據風沙流各項運動特性，將速度入口分為空氣入口及高度為2 m的空氣和沙子入口，空氣的密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789×105Pa·s，沙子的直徑ds=0.15 mm，密度ρs=2 600 kg/m3，黏度μs=0.004 7 Pa·s，風速大小及沙子的體積分數根據模擬工況而定[18-19]。風沙流為氣固兩相流，沙顆粒為稀相，可以使用的歐拉雙流體模型進行求解，本文只研究流場和積沙，控制方程考慮基本方程、質量守恒方程、動量守恒方程，附加標準k-ε湍流模型[20]，把沙顆粒和空氣看成兩種流體，空間各點都有其不同的速度和密度，兩種流體存在同一空間并相互滲透，但各有不同的體積分數，相互有滑移；沙相選取Syamlal-obrien模型，空氣與沙顆粒選取Schiller-naumann模型，使沙顆粒與沙顆粒、沙顆粒與空氣有相互作用，并保證來流中沙顆粒的紊流輸運取決于氣固間的作用力[21-22]。在進行數值計算時為使計算結果精度和收斂性良好，使用SIMPLE算法對方程組進求解，并將各個方向上的速度、湍動能k和耗散率ε的殘差收斂標準均設置為1.00×10-5。

圖3 模型的建立及網格劃分

2 結果與分析

2.1 3種側向輸導工程的流場對比分析

計算域中取高度為0.5 m水平切面，風速為15 m/s時，3種側向輸導工程的風速云圖如圖4所示。

由圖4可得，側向輸導工程的作用機理不同于普通的阻固沙結構，主要是邊界層上的剪切流作用下的平面繞流，流場可劃分為輸導區和減速區，其中減速區又可分為障前減速區和障后減速區。封閉式羽毛排、開放式羽毛排和一字排的流場特征有明顯區別，封閉式羽毛排由相互搭接的單片羽毛排構成，相鄰單片羽毛排間有一定的重疊長度和間距，利于對工程前方的來流風速的減弱，使障前和障后的減速區的面積明顯高于開放式羽毛排和一字排；開放式羽毛排不同于封閉式羽毛排，工程前方的來流從相鄰的單片羽毛排的間距中通過，在障前形成范圍較小鋸齒狀減速區，并且由于其通透結構，在工程前后壓力差的作用下，使相鄰羽毛排之間形成了小范圍的加速區，并減小了障后減速區的面積；一字排為普通擋沙墻與風向形成一定夾角時演變而來，隨著夾角的增大，普通擋沙墻對來流的阻擋作用逐漸減弱，障前的減速區逐漸減小，障后的回流區逐漸變為減速區，進而才能對來流進行側向輸導。

圖4 風速15 m/s條件下3種側向輸導工程周圍速度云圖

風速分別為10，15，20 m/s時，分別在3種側向輸導工程的頭部、中間和尾部前方1 m處的風速廓線如圖5所示。由于結構的差異，3種側向輸導結構頭部、中間和尾部的風速廓線形狀、分布和數值大小不相同。隨著風速的增大，3種側向輸導結構頭部、中間和尾部風速廓線的間距在不斷增大，說明風速在增加，封閉式羽毛排、開放式羽毛排和一字排對其流場的影響的作用在不斷增大，同時輸導能力也在不斷增大。分別對比3種側向輸導結構頭部、中間和尾部的風速廓線發現，由于封閉式羽毛排和一字排的輸導發生在工程前方，開放式羽毛排的輸導發生在排間，所以來流風速在開放式羽毛排前的減速效果不明顯，在封閉式羽毛排和一字排前的減速效果比較明顯，并且一字排是不透風的體結構，風速廓線受到工程遮蔽效應的影響，變化規律不明顯，而封閉式羽毛排各單排的間距和重疊長度可有效的減少迎風面上的阻力和工程前后的壓力差，使風速逐級遞減。工程中間近地面的風速受其他不確定因素的影響較少，其風速的大小可以決定輸導能力的高低，在風速為10 m/s時，只有一字排中間的近地面風速大于6 m/s，風速為15，20 m/s時，3種側向輸導結構的近地面風速都大于6 m/s，且一字排中間的近地面風速最大約為14 m/s。

2.2 3種側向輸導工程的積沙對比分析

側向輸導工程的輸導率的高低可以決定工程的適用性和耐久性，基于風速較大沙源豐富、風速較大沙源一般和風速一般沙源豐富3種工況取高度為0.01 m的截面，分別對封閉式羽毛排、開放式羽毛排和一字排進行積沙對比分析可以充分研究其適用工況，為其在實際工程中的使用提供理論的參考。

2.2.1 工況1風速較大沙源豐富 來流的風速較大且沙源豐富時，3種側向輸導工程的積沙體積分數云圖如圖6所示。由于工況1風速為20 m/s且沙子的體積分數為2%，較大的風速可以為工程側向輸導提供足夠的動能，但來流中沙子的體積分數較大，容易造成堆積。封閉式羽毛排的積沙區域主要為工程前方，大量沙顆粒在工程前方產生堆積后，少量沙顆粒通過各羽毛排的間距運動到工程后方的保護區域，并且每個單片羽毛排上的積沙量在逐漸增加，在工程后方形成了壟狀堆積。

風沙來流經過組成開放式羽毛排工程的各排間后會擴散減速，開放式羽毛排工程前方的積沙較少，沙顆粒主要沉積在工程后方，并且由于主流主要從排間通過，輸導方向后方的沉積量也不大。一字排在對來流輸導后積沙主要在工程前側，工程后方的保護區域內沒有沙顆粒的沉積，經過工程前方的輸導，工程尾部的積沙量大于工程頭部，在工程的后方產出了壟狀堆積。因輸導產生的沙顆粒堆積面積的分布可用于對比3種側向輸導工程對工況1的輸導效率，封閉式羽毛排和一字排形成的堆積面積明顯大于開放式羽毛排，說明封閉式羽毛排和一字排的輸導效率高于開放式羽毛排，并且由于一字排形成的壟狀堆積較窄，工程后方也沒有積沙區域的產生。因此，風速較大沙源豐富(工況1)時，應選用一字排對來流進行的側向輸導。

圖5 三種側向輸導工程周圍的風速廓線

圖6 工況1條件下3種側向輸導工程積沙云圖

2.2.2 工況2風速較大沙源一般 模擬工況2為風速較大沙源一般時，風速為20 m/s沙子的體積分數為1%，3種側向輸導工程的積沙體積分數云圖如圖7所示。對比3種側向輸導工程的積沙云圖可得，由于沙顆粒含量較少，工程周圍的沉積也較少，封閉式羽毛排與一字排沙顆粒的堆積發生在前側，開放式羽毛排的堆積發生在工程后側。此種工況下風能可以提供足夠的輸導動力且沙顆粒較少不利于減速沉積，來流通過封閉式羽毛排與一字排時，由于主流從工程前方經過其輸導效率較高，大部分沙顆粒將會沿著輸導方向運動到指定的區域產生堆積，長此以往使工程預后較差將縮短工程的使用年限，而來流通過開放式羽毛排時，沙顆粒將分為3部分，一部分沉積在羽毛排附近，一部沿著輸導方向運動在指定區域沉積，一部分在風速的作用下以非堆積搬移的形式通過保護區，因其對沙顆粒的分流作用使工程的使用年限大大提高。因此，風速較大沙源一般(工況2)時，應選用開放式羽毛排對來流進行的側向輸導。

圖7 工況2條件下3種側向輸導工程積沙云圖

2.2.3 工況3風速一般沙源豐富 工況3為風速一般沙源豐富，風速為10 m/s沙子的體積分數為2%，由于沙顆粒含量較大輸導力不足，容易造成沙顆粒的堆積，3種側向輸導工程的積沙體積分數云圖如圖8所示。風速一般，來流經過側向輸導工程產生的輸導力較小，開放式羽毛排工程前后都有大范圍積沙分布，其后方保護區內的堆積范圍大于工程前側，在野外不定常風速下，大量的障后積沙可能對保護區產生危害；封閉式羽毛排與一字排都在工程前方形成了大范圍的積沙，但一字排的側向輸導能力強于封閉式羽毛排，使封閉式羽毛排工程前側的積沙量大于一字排，后方的堆積量相反，所以，封閉式羽毛排在工況3下，使大量的沙顆粒沉積在工程前側，減少輸導區域的堆積，使其使用年限優于一字排。因此，風速一般沙源豐富(工況3)時，應選用封閉式羽毛排對來流進行的側向輸導。

圖8 工況3條件下3種側向輸導工程積沙云圖

3 結 論

(1) 3種側向輸導工程流場按風速大小可劃分為輸導區和減速區，但由于結構的不同，開放式羽毛排主流從排前經過，輸導區內風速廓線變化較小，并且工程前側的減速區面積小于其他兩種輸導工程；封閉式羽毛排和一字排主流從排前經過，輸導區內風速廓線變化較大，但封閉式羽毛排前側的減速區面積大于一字排。

(2) 利用風速大小及含沙量將環境分為風速較大沙源豐富、風速較大沙源一般和風速一般沙源豐富3種工況研究3種側向輸導工程的積沙形態，發現不同工況下封閉式羽毛排、開放式羽毛排和一字排的適用條件也不同，對其實際工程的應用有重大意義。

(3) 由于風速強弱沙顆粒含量不同，一字排的實體擋墻結構可以有效遮蔽后方保護區，開放式羽毛排式使沙顆粒以非堆積搬運的形式通過保護區，封閉式羽毛排使沙顆粒逐級沉積減少后方堆積的壓力。因此，風速較大沙源豐富，風速較大沙源一般和風速一般沙源風速時，應分別使用一字排、開放式羽毛排和封閉式羽毛排對來流進行輸導。