基于風洞模擬的不同出風口高度導風板的聚風效應

徐錚錚, 高 永,2,3, 韓彥隆,2,3, 張 超, 田曉寧, 王 鵬

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 呼和浩特 010011; 2.內蒙古杭錦荒漠生態系統國家定位觀測研究站,內蒙古 鄂爾多斯 017400; 3.內蒙古自治區風沙物理與防沙治沙工程重點實驗室, 呼和浩特 010011)

在荒漠化防治進程中,輸(導)沙工程措施可以改變風沙流的結構和方向改變沙物質的蝕積狀態,包括導風板工程、羽毛排導沙工程和輸沙斷面工程等。其中導風板工程由柵欄工程發展而來,是一種典型的輸沙工程措施,根據原理不同可分為下導風板和側導風板[1]。常被應用于鐵路[2]、公路的沙害[3]及風吹雪防治工作中[4]。目前導風板應用已深入到生產、生活等[5]方方面面,而在荒漠化防治領域,對于導風板組成的下導風工程的作用機理及工程體系等問題缺乏系統研究。其主要包括導風板不同傾角[6]、線路清沙[7]及其結構的優化配置等方面[7-8]。在風力強勁、沙源豐富的高大密集型流動沙丘地區,采用固沙、阻沙措施雖在短時間內可以達到控制沙害的目的,但隨時間推移會造成更大的沙害[9]。導風板工程的作用機理是通過聚合加速作用使風沙流體加速通過區域,氣流本身攜帶的沙物質基本不會降落在防護區內,防護區內積沙也會被吹走,達到聚風輸沙的目的[10]。并且因其成本低廉、體積小、易于運輸以及可實現大規模施工等優勢,被廣泛應用于輸沙工程。因此,利用地形借助風力設置導風板工程措施在高大密集型流動沙丘的開發利用中更為有效。作為導風板工程的主要組成結構,其板面高度和開口高度直接影響工程聚風輸沙能力[11],合理確定導風板板面高度與出風口高度對于獲得高聚風輸沙效益具有重要意義。作為風沙流常用的3種研究方法之一,相較于野外觀測,風洞試驗可以有效控制風力條件,而相較于數值模擬過于理想化的模擬環境,風洞試驗又幾乎可以完美模擬自然狀況下的流場分布,并還原沙粒受力運動狀態。因此,基于前人研究,運用風洞模擬手段,對與風向呈不同角度設置的不同出風口高度前傾式45°導風板的流場特征進行系統研究,實現對其流場規律的認識與把握,而后采用多元回歸法建立導風板聚風效應定量模型,為預測不同條件下導風板干擾下風速,進而確定其配置模式提供理論支撐。

1 試驗設計

1.1 試驗風洞

試驗在中國林業科學研究院沙漠林業試驗中心可適應野外起伏地形的便攜式環境風洞開展。由入口段、動力段、導流段、整流段、過渡段和試驗段等組成的開口吹氣直流式風洞,建成于2013年,洞體總長30 m(本文安裝長度18 m),橫斷面面積1.80 m×1.90 m(內壁尺寸:寬×高)。風洞通過變頻器調節風速,設計最大風速18 m/s,氣流穩定性小于4%,風洞下邊界層厚度28 cm。該風洞可以進行土壤風蝕、風沙動力地貌、風沙防治工程、種子風力傳播等模擬試驗研究。

1.2 試驗材料

試驗所用導風板原型為封閉式導風板,實際板面規格為2 m(長)×1 m(寬),本試驗模型按5∶1將導風板縮小為40 cm×20 cm,材質為三合板,采用固定支撐架支撐于地面(圖1)。模型在風洞試驗段中的最大阻塞率為2.3%,滿足風洞試驗對阻塞率的要求[12]。

圖1 導風板模型示意圖Fig. 1 Schematic diagram of wind guide plate model

1.3 試驗方案

本試驗選取4種出風口高度的前傾式45°導風板進行試驗,分別為h=3 cm,h=5 cm,h=7 cm和h=9 cm(換算為野外實際規格分別為h=15 cm,h=25 cm,h=35 cm和h=45 cm)。設置4個風向夾角,β=90°,β=60°,β=45°和β=30°。風速采用TSI AIRPRO風速計AP500進行測定。在凈風條件下,選擇3種風速梯度(4 m/s,6 m/s,8 m/s)進行空洞和不同模型氣流速度場測定,設置數據采集頻率為1 s,待氣流穩定后,記錄吹刮時間為1 min。測風高度分別為:1/2出風口高度處(1/2h)、出風口高度處(h)、導風板板面1/2處(1/2L),30 cm和40 cm。如圖2所示,測點位置為模型迎風側3H,模型背風側:0.5H,1H,2H,3H,4H,5H,7H,9H,其中H表示模型高度(4個導風板模型高度分別為H=18.2 cm,H=20.2 cm,H=22.2 cm和H=24.2 cm)。測點換算為水平距離見表1。在空洞條件下測定風洞試驗段上述各測點的風速作為對照風速。

表1 三種風速梯度下不同出風口高度導風板觀測點位Table 1 Observation points of wind guide plate at different air outlet heights under three wind speed shavings

圖2 風洞內不同角度導風板測點位置示意圖(俯視圖)Fig. 2 Schematic diagram of measuring points of wind guide plate at different angles in the wind tunnel(top view)

1.4 數據處理方法

采用Excel 2019對1 min內所測持續穩定(±4%)的風速數據進行平均,采用Surfer 21.1,Origin 2021軟件進行風速流場和相對風速等的制圖,利用SPSS 22.0的線性回歸分析功能模塊對導風板干擾下風速與各個因素之間的關系進行分析并構建預測模型。

采用相對風速對導風板的聚風效能變化進行定量分析。相對風速計算方法如下:

(1)

式中:u′為相對風速;u(x,y)為距離導風板x處,高度y處的平均風速(m/s);U(x0,y0)為空洞下試驗段水平距離x,高度y處的平均風速(m/s)。

2 結果與分析

2.1 導風板對風速流場的影響

圖4—7分別為β=90°,β=60°,β=45°與β=30°4種風向夾角條件下,導風板模型縱剖面風速流場特征。以空洞測得的風速流場作為對照。對比圖3可知,在測定范圍內,各風速流場大體可分為4個重新組合的風速能區,但能區大小、強弱各有不同。來流受到導風板阻擋后能量強烈衰減,導致其進風口區域風速明顯下降,形成降速區并在模型中后部形成較為明顯的風影區(后文將降速區及風影區統稱為弱風速區)。當氣流到達導風板處時,在板面某一點產生分離,一部分氣流被迫抬升形成繞流,在導風板頂部形成增速區;另一部分氣流沿板面向下流動與近地表氣流相匯加速通過出風口,在出風口處產生狹管效應,形成一定范圍的強風區。而后氣流到達相對寬闊地域時發生擴散,形成風速減弱區。隨著導風板與主風向夾角β的減小,導風板垂直風向投影面積減小,流經導風板處的氣流產生平行和垂直導風板方向的分量,使導風板側導效應加強,流動的區域逐漸合并,劃分的區域越來越少。此時,過境氣流在背風側匯集,又產生新的集流加速區。

注:水平距離0表示模型擺放位置,“-”表示導風板模型迎風側。圖3 空洞風速流場Fig. 3 Air velocity flow field of cavity

圖4 β=90°導風板風速流場Fig. 4 Wind velocity flow field diagram of the wind guide plate when the wind direction angle β=90°

當風向夾角β=90°時,不同風速條件下不同出風口高度導風板流場特征如圖4所示。4個出風口高度導風板頂部增速區分布范圍依次為-1.4～4.1H,-2.4～1.9H,-1.1～0.9H,-2.3～1.6H。增速區內最大風速分別為4.28,4.35,4.21,4.28 m/s,較CK同位置分別增加8.91%,10.69%,7.13%,8.91%。隨風速增大,頂部增速區逐漸向導風板處移動。當h≤5 cm時,隨風速增大導風板頂部增速區影響范圍呈減小趨勢;h>5 cm時則呈逐漸增大趨勢。h=3 cm和h=7 cm導風板在4 m/s風速條件下無強風區。h=5 cm和h=9 cm導風板強風區分布范圍分別為-1.6～0.8H和-1.5～0.7H。強風區內最大風速分別為4.07,3.97 m/s,較CK同位置分別增加29.21%,23.29%。當h≤5 cm時,隨風速的增大導風板強風區影響范圍呈減小趨勢;h>5 cm時呈逐漸增大趨勢。隨導風板出風口高度的增加,強風區的影響范圍呈先增大后減小再增大趨勢。弱風區的影響范圍隨風速的增大逐漸增大。且出風口高度越高,弱風區影響范圍越小。擴散減速區隨風速的增大影響范圍逐漸增大。隨出風口高度的升高,擴散減速區由原來的1個區逐漸分解為2個區域。

當β=60°時(圖5),4個出風口高度導風板頂部增速區分布范圍分別為-0.5～1.9H,-0.5～0.7H,-1.1～0.8H,-3～3.6H。增速區內最大風速分別為4.18,4.06,4.19,4.38 m/s,較CK同位置分別增加6.41%,3.36%,6.67%,11.51%。當h≤7 cm時,隨風速增大導風板頂部增速區影響范圍呈先增大后減小趨勢;h>7 cm時,則呈減小趨勢。h=3 cm,h=5 cm和h=7 cm導風板強風區分布范圍分別為-0.9～0.6H,0～0.4H,-1.4～0.8H,h=9 cm導風板無強風區。強風區內最大風速分別為3.40,3.28,3.84 m/s,較CK同位置分別增加8.28%,4.13%,20.0%。隨導風板出風口高度增加,強風區影響范圍呈增加趨勢。隨風速增大,弱風區無明顯變化。擴散減速區影響范圍隨風速增大逐漸增大。隨出風口高度增加,擴散減速區逐漸分解為兩個區域,且影響范圍逐漸減小。

圖5 β=60°導風板風速流場Fig. 5 Wind velocity flow field diagram of the wind guide plate when the wind direction angle β=60°

當β=45°時(圖6),4個出風口高度導風板頂部增速區分布范圍分別為-0.4～0.7H,-0.3～0.5H,-1.6～1.8H和-3～9H。增速區內最大風速分別為4.07,3.96,4.19,4.38 m/s,較CK同位置分別增加3.61%,0.81%,6.67%,11.51%。隨風速增大,h=3 cm導風板頂部增速區影響范圍呈先增大后減小趨勢;h=5 cm和h=9 cm導風板呈逐漸增大趨勢;h=7 cm導風板呈先減小后增大趨勢。頂部增速區影響范圍隨出風口高度的增加呈先減小后增大趨勢。在該風向夾角條件下,導風板垂直風向投影面積減小,導風板側導作用加強。各風速條件下,4個出風口高度的導風板均無強風區。過境氣流在背風側匯集,形成新的集流加速區。h=3 cm導風板無集流加速區,其余3個出風口高度導風板集流加速區分布范圍分別為0.2～1.0H,-0.1～2.9H和1.3～9H。隨風速及出風口高度的增加,集流加速區影響范圍均逐漸增大。

圖6 β=45°導風板風速流場Fig. 6 Wind velocity flow field diagram of the wind guide plate when the wind direction angle β=45°

如圖7所示,當β=30°時,h=3 cm和h=5 cm導風板無頂部增速區,其余導風板頂部增速區分布范圍分別為-2.5～4.5H和-3～3.4H。增速區內最大風速分別為4.20,4.23 m/s,較CK同位置分別增加6.92%,7.69%。隨風速的增大,h=3 cm,h=5 cm和h=9 cm導風板頂部增速區影響范圍逐漸增大,h=7 cm導風板頂部增速區影響范圍呈先減小后增加的趨勢。頂部增速區影響范圍隨出風口高度的增加呈增大趨勢。僅h=5 cm導風板在6,8 m/s風速條件下存在強風區,分布范圍分別為-1.3～1H和-0.5～0.4H。強風區內最大風速分別為5.43,6.96 m/s,較CK同位置分別增加12.55%,44.27%。h=7 cm和h=9 cm導風板集流加速區分布范圍分別為0.4～2.4H,1.7～4.5H。隨風速的增大,集流加速區影響范圍逐漸增大。

2.2 導風板相對風速變化特征

相對風速反映導風板聚風能力的變化特征。相對風速越大,導風板聚風效能越高。對來流中顆粒物起疏導作用的主要為近地面的強風區,故對導風板1/2出風口高度處相對風速特征進行分析。

如圖8所示,不同的風向夾角條件下,隨著導風板出風口高度的增加,導風板1/2出風口高度處相對風速變化趨勢存在差異。當β=90°(圖A—C)時,導風板1/2出風口高度處相對風速隨出風口高度的變化呈現出先升高再降低然后升高的趨勢。4個出風口高度導風板相對風速平均值分別為1.14,1.31,1.13,1.25;β=60°(圖D—F)時,呈先升高后降低趨勢。4個出風口高度導風板相對風速平均值分別為0.93,1.13,1.23,1.14;β=45°(圖G—I)時,呈逐漸升高趨勢。4個出風口高度導風板相對風速平均值分別為0.85,0.90,0.99,1.03;β=30°(圖J—L)時,呈先升高后降低趨勢。4個出風口高度導風板相對風速平均值分別為0.87,1.05,1.00,0.97。說明不同的風向夾角、不同出風口高度的導風板對相對風速變化的影響程度存在差異,β=90°,β=60°和β=45°時,h=9 cm導風板對相對風速變化影響的波動性更大,β=30°時,h=5 cm導風板對相對風速變化影響的波動性更大。

綜上所述,不同風向夾角、不同出風口高度的導風板對相對風速變化的影響程度存在差異。當迎風夾角β=90°和β=60°時,各導風板在1/2出風口高度處相對風速均隨水平距離的增加均呈先增加后減小再增加而后趨于穩定的趨勢。由于出風口狹管效應,絕大部分導風板均能在水平測點0.5H處達到相對風速峰值。而后由于氣流發生擴散,在水平測點2H(在4 m/s風速條件下,h=9 cm導風板為3H)處風速減弱為最低值。當迎風夾角β=45°和β=30°時,導風板垂直風向投影面積急劇減小,側導作用加強。此時,過境氣流在導風板后匯集,對水平距離1H后的氣流有較大的加速效果。

2.3 導風板聚風效果的預測模型

多元線性回歸模型是描述變量的相關性模型,在滿足模型決定系數、相關性檢驗等基礎上,可對因變量進行預測[13]。研究表明,導風板傾角、氣流擴散角、山坡坡度、風向與下導風走向的夾角以及風速等均能作為下導風防護效果的標志[14]。在前人研究的基礎上,本研究選取風向的夾角(β)、出風口高度(h)、來流風速(V0)和距離導風板水平距離(x)4個影響因素作為自變量,運用多元回歸分析方法,建立導風板1/2出風口高度處風速多元回歸預測模型。

利用SPSS軟件對3個風速條件下4個風向夾角、4個出風口高度的導風板各9個水平點位的432個樣本數據進行多元線性回歸。回歸分析結果見表2—4。

表2 模型摘要bTable 2 Model summaryb

此多元回歸模型方程調整后的決定系數R2=0.758(表2),說明自變量(風向的夾角、出風口高度、來流風速以及距離導風板的水平距離)可以解釋因變量(導風板干擾下1/2出風口高度處的風速)75.8%的變化,模型擬合程度較高。對回歸方程進行顯著性檢驗(表3),得出p值為0.000<0.05,認為自變量和因變量有很強的相關性,回歸方程有顯著意義。由表4可知,所選參數p值均小于0.05,可見其對導風板風速均有顯著影響,參數選用較為合理,且VIF值均小于5無多重共線性問題。各因素對風速的影響程度為來流風速>導風板出風口高度>距離導風板的水平距離>風向夾角。可得最終預測模型為

表3 F檢驗aTable 3 F testa

表4 系數aTable 4 Coefficienta

V(x)=-0.144+0.145h+(-0.022)β+

0.808V0+0.092x

(2)

式中:V(x)為導風板干擾下1/2出風口高度處的風速(m/s);h為出風口高度,本文取3,5,7,9 cm;β為風向夾角,取90°,60°,45°,30°;V0為來流風速,取4,6,8 m/s;x為距離導風板的水平距離,取-3,0.5,1,2,3,4,5,7,9H(“-”號代表導風板模型迎風側,H代表導風板模型高,單位為cm)。

3 討 論

本研究對不同風速條件下,與風向呈不同夾角的不同出風口高度導風板的流場特性進行風洞模擬,基本掌握了各條件下的流場特征。在自然過程中,風向是不固定的,本研究通過調整導風板與風向的夾角,模擬了自然狀況下多變的風向,更具實踐意義。從風洞模擬結果來看,與韓彥隆[15]對不同傾角導風板聚風輸沙機理的野外試驗流場規律相一致,表明導風板風洞試驗和野外試驗對于流場的作用具有一定的相似性,可為實際應用提供理論參考依據。

導風板布設與地面呈45°角,將導風板所在流層流體的動能和位能重新分配,加強了導風板上、下端流體運動的能量,使原來流經地表的“一次流”變為人為干擾下的“次生流”[16-17]。研究表明,4種不同出風口高度的導風板在不同風向夾角條件下均表現出明顯的流速分區特征。大體可以劃分為4個典型區域:頂部增速區、底部強風區、弱風區及擴散減速區。

這些典型區域分別表示氣流的不同運移特征,影響了導風板周圍沙粒的躍移傳輸及沉積特征[18]。來流到達導風板處時在板面某一點產生分離,一部分氣流被迫抬升,與上方氣流匯合,在頂部形成增速區。另一部分氣流沿板面向下流動與近地表氣流相匯加速通過出風口,在出風口處產生狹管效應,導致氣流攜沙能力加強。辛林桂[7]、陳柏羽[8]等認為導風板與擋沙墻對風速流場的作用具有一定的相似性,都是一種帶有尖緣的鈍體,也有減速區,渦流區以及上方加速區和下方加速區生成,此與本研究結果一致。且加速區的范圍和風速大小可以反映導風板輸導效果。導風板與光伏電板結構類似,其對過境氣流的作用機理也類似。陳曦[19]、唐國棟[16]、袁方等[20]、孫濤等[21]研究顯示光伏電板出風口后方出現一定范圍的風速增大,此與本研究結果一致。石龍等[22]對擋風墻設置向上開口的斜插板,通過向上輸導過境氣流以減小對過往車輛的影響,起到了同導風板相似的輸導作用。蔣富強等[23]通過進行擋風墻下部開口疏導線路積沙試驗,結果表明開口后鐵軌支撐層臺階氣流處在加速區,使其積沙量和積沙面積均顯著減小。劉賢萬[24]、張超[25]等研究發現,下導風工程在板后貼近地層會出現一個風速減弱區域。同樣,本研究結果中在模型背風側2H附近風速也出現了一定程度的減弱。分析原因可能是氣流通過導風板與地面形成的狹管后進入開闊區域會出現一定程度的擴散,從而使得風速再次減弱。且隨出風口高度的增加氣流通過狹管后受到的擠壓減小,擴散能力減弱,使得擴散減速區逐漸分解,且影響范圍逐漸減小。本研究還發現,當β<60°時,各導風板均無底部強風區和擴散減速區,而是在導風板背風側產生新的氣流加強區。分析原因可能是由于風向夾角變小,導風板側導作用加強,流動的區域逐漸合并,導致劃分的區域越來越少,過境氣流在板后一定距離重新聚集導致風速加大。各風向夾角條件下,隨出風口高度的增加導風板強風區呈逐漸增大趨勢,分析原因可能是出風口高度的增加有助于導風板匯聚更多的風能,更有利于狹管效應的產生。隨風向夾角的增大,h≤5 cm導風板強風區影響范圍逐漸增大,而h≥7 cm導風板強風區的影響范圍則逐漸減小,以風向夾角β=60°時,h=9 cm導風板強風區影響范圍為最大。將出風口高度為9 cm的導風板(換算為野外實際規格分別為h=45 cm)與主風向呈60°設置于沙丘迎風坡,能有效影響過境氣流的運動規律,降低沙丘高度,減小高大密集型流動沙丘的治理難度;更有利于背風坡和丘間低地水源涵養,提升人工植被成活率及生態系統的穩定性。

4 結 論

(1) 整體來看,不同出風口高度導風板風速流場均可劃分為增速區、強風區,弱風區及擴散減速區。隨風向夾角逐漸減小,導風板側導作用增強,流動的區域逐漸合并,劃分的區域減少,過境氣流在導風板背風側聚集從而產生新的集流增速區。不同出風口高度及風向夾角下導風板流場特征存在顯著差異。β=90°時,h=3 cm導風板頂部增速區影響范圍最大,h=5 cm導風板底部強風區影響范圍最大。風向夾角β=60°時,h=7 cm和h=9 cm導風板形成的強風區面積明顯大于其他導風板,以h=9 cm導風板影響范圍為最大。β=45°和β=30°時,h=9 cm導風板頂部增速區和集流加速區影響范圍均最大。總體來看在聚風效果上,β=60°時h=9 cm導風板優于其他導風板。

(2)β=90°和β=60°時各導風板1/2出風口高度處相對風速隨水平距離的變化近似呈“N”形變化。由于狹管效應,絕大部分均能在0.5H處達到相對風速峰值,而后氣流發生擴散,到2H處降為相對風速最低值。當迎風夾角β=45°和β=30°時,導風板側導效應增強,過境氣流在背風側匯集,此時對水平測點1H后的氣流有較大的加速效果。β=90°,β=60°和β=45°時,h=9 cm導風板對相對風速變化影響的波動性更大;β=30°時,h=5 cm導風板對相對風速變化影響的波動性更大。導風板1/2出風口高度處風速預測模型V(x)=-0.144+0.145h+(-0.022)β+0.808V0+0.092x(R2=0.758),模型擬合程度較高。