風(fēng)沙兩相流對(duì)鐵路路堤及防風(fēng)擋沙墻響應(yīng)規(guī)律的數(shù)值模擬研究.pdf

1、蘭新鐵路沿天山山前戈壁地帶穿過，在強(qiáng)氣流運(yùn)動(dòng)作用下，戈壁地表嚴(yán)重失穩(wěn)，風(fēng)沙災(zāi)害頻發(fā)，造成列車傾覆和線路積沙等危害，運(yùn)輸時(shí)常迫停，每年因風(fēng)沙災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)數(shù)億多元。通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)在鐵路沿線迎風(fēng)側(cè)修建防風(fēng)擋沙墻是鐵路安全運(yùn)營的一項(xiàng)重要措施，以減小列車受到的傾覆力和凈化風(fēng)沙流的目的。目前對(duì)于擋風(fēng)墻的研究成果主要集中在防止列車傾覆的角度，而對(duì)擋風(fēng)墻造成的線路積沙問題研究較少，事實(shí)證明，在擋風(fēng)墻為機(jī)車的穩(wěn)定性運(yùn)營提供安全保障的同時(shí)，

2、也會(huì)造成線路積沙，鐵路擋沙墻目前主要靠經(jīng)驗(yàn)布設(shè)，沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，往往會(huì)造成擋沙效果不理想或者擋沙材料的浪費(fèi)。
　　本文基于FLUENT數(shù)值試驗(yàn)方法，模擬風(fēng)沙兩相流途經(jīng)不同類型擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)的變化情況，并對(duì)擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)線路積沙形態(tài)進(jìn)行研究，為鐵路防風(fēng)防沙提供依據(jù)；模擬風(fēng)沙兩相流途經(jīng)擋沙墻后路堤周圍流場(chǎng)的變化情況，并對(duì)路基頂面線路積沙形態(tài)進(jìn)行研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高防沙效益。其主要內(nèi)容有：
　　（1）擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)2m處風(fēng)速

3、廓線變化呈三個(gè)階段：在0~0.5m之間呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，并隨著擋風(fēng)墻高度的增加，風(fēng)速增加幅度越大；在0.5m至擋風(fēng)墻自身高度區(qū)間內(nèi)變化較為復(fù)雜，呈先減小后增加的趨勢(shì)；在擋風(fēng)墻0.5m以上部分為加速區(qū)，呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)急劇增加。擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)近地表氣流變化呈三個(gè)階段：距擋風(fēng)墻10m以內(nèi)，風(fēng)速沿著與初始?xì)饬魉俣认喾吹姆较蛟龃?，并且隨著擋風(fēng)墻高度增加風(fēng)速增加幅度越大；距擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)10m~20m之間，風(fēng)速從反向的最大值減小至0并且急劇恢復(fù)至初始速度

4、；20m之后逐漸恢復(fù)至初始速度。
　　（2）擋風(fēng)墻高度一定時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)渦旋區(qū)的氣流豎向速度變化逐漸趨于復(fù)雜化，距床面4m以上，風(fēng)速呈線性急劇增加；擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)近地表風(fēng)速最大值增加的幅度保持在50％左右，風(fēng)速越大，氣流的削弱作用越明顯。擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)近地表氣流速度反向增大后沿著初始速度的方向減小為0且繼續(xù)增大至初始速度大小，并且在距擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)同一距離處，土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的風(fēng)速大小始終大于柱板式擋風(fēng)墻。
　

5、　（3）當(dāng)初始?xì)饬魉俣葹?0m/s、20m/s時(shí)，線路上積沙較少，沙粒多數(shù)堆積在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)墻角處；隨著風(fēng)速的增加，初始?xì)饬魉俣葹?0m/s、40m/s時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過擋風(fēng)墻的沙粒更多，由于過流斷面減小，氣流擴(kuò)散，更多沙粒沉積在線路上。當(dāng)初始?xì)饬魉俣葹?0m/s時(shí)，沙粒多數(shù)堆積在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)墻角處；隨著風(fēng)速增加到20m/s時(shí)，土堤式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)沙粒多數(shù)堆積在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)墻角處，而柱板式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)線路上有大量積沙，造成線路沙害。

6、>　?。?）路堤高度為5m，無擋沙墻時(shí)，氣流在路基頂面近地表處形成低速紊流區(qū)，沙粒易沉積在此處，造成線路積沙；在線路迎風(fēng)側(cè)布設(shè)擋沙墻后，會(huì)在路基頂面近地表處形成相對(duì)高速區(qū)，沙粒難以沉積在此處，以達(dá)到防沙作用。路堤高度為5m，氣流途經(jīng)2.0m、2.5m高度擋沙墻后，路基頂面處較為干凈，在路基頂面近地表處氣流速度基本保持在10m/s以上且風(fēng)向始終與初始?xì)饬魉俣确较蛞恢?，說明擋沙效果良好?？紤]到擋沙墻越高，受到的側(cè)向風(fēng)壓越大，埋深深度越大，工

7、程造價(jià)越大，綜合防沙效果考慮，取2.0m高度為宜。戈壁地區(qū)風(fēng)沙路基宜以路堤通過，且路堤高度不宜小于3m，戈壁地區(qū)路堤高度基本在6m以下，擋沙墻高度取1.5m~2.0m為宜，當(dāng)路堤高度大于攜沙高度時(shí)，可不用布設(shè)擋沙墻。
　　（5）風(fēng)沙流是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，布設(shè)擋沙墻時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厝?0%以上的風(fēng)速風(fēng)向考慮。路堤高度為5m，攜沙風(fēng)速度為10m/s~20m/s時(shí)，擋沙墻宜布設(shè)在線路迎風(fēng)側(cè)15m~20m之間；攜沙風(fēng)速度為20m/s~30m