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。     

新建格库铁路挡沙堤阻沙机理研究

文中基于FLUENT有限元软件,对挡沙堤周围流场和沙粒运动轨迹进行数值模拟。结果表明:当风沙流流经挡沙堤时,会在挡沙堤周围形成堤前减速区,集流加速区,高速区,背风低速区和速度恢复区;在气流速度恢复过程中,不同高度的气流层(某一高度处的气流)速度恢复到稳定值所需要的距离不同,气流层所处高度越大,经过挡沙堤后,恢复到初始速度所需的距离越小;随着初始风速的增大,挡沙堤有效防护距离在减小。通过不同风速下挡沙堤周围流场分析,1.5m高挡沙堤有效防护距离为12～20m,在有效防护距离之外,需要设置截沙沟来增强拦截效率;利用DPM模拟了沙粒运动轨迹,沙粒落点在10H左右的位置。综合流场分析和DPM模拟结果,推荐截沙沟的设置距离为8H～12H,可为现场施工提供一定理论支撑。     

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。     

挡雪墙阻雪效果风洞模拟试验研究

挡雪墙是公路风吹雪雪害防治中常用的一项技术,但其设置参数一直缺乏系统研究。基于风洞模拟试验,利用积雪堆积厚度等值线和积雪堆积剖面线分析,对与主害风垂直时两种高度(1.5m/2.0m)的不透风式挡雪墙积雪形态及积雪量进行研究,结果表明:在吹雪30s条件下,不透风式1.5m/2.0m挡雪墙迎风侧积雪量明显大于背风侧,且挡雪墙越高,其挡雪功能越好。两种高度的挡雪墙在其迎风侧积雪堆积厚度(D)与挡雪墙墙高(H)为3阶多项式函数关系,且堆积曲线趋势基本一致;而背风侧则为2阶多项式函数关系,1.5m高挡雪墙在其迎风侧和背风侧风雪流堆积厚度相对较小且趋势线较平缓。综合分析表明,2.0m的挡雪墙其阻雪效果优于1.5m。     

新疆和田河流域单株柽柳灌丛流场的实验研究

柽柳是新疆和田河流域广泛分布的一种灌木,是影响柽柳灌丛沙堆发育的主要因素之一.依据风沙运动实验相似理论,以新疆和田河流域的柽柳灌丛为原型,用塑料制作成高(h)10 cm、冠幅10 cm×10 cm单株柽柳灌丛实验模型,在风洞中选用6,8,10,12 m/s和14 m/s5组不同风速,分别对单株柽柳灌丛模型作纯气流流场的模拟实验和在风沙流作用条件下单株柽柳灌丛周围沙粒蚀积特征的观测.模拟实验表明:在不同动力条件作用下,单株柽柳灌丛迎风侧的"足部"为一明显的气流减速区,但沙粒的蚀积特征表现为风蚀;在单株柽柳灌丛的上方一倍植株高度的范围内为气流加速区;在单株柽柳灌丛的背风侧顺风向为弱涡流区,表现为积沙、气流恢复区、风蚀;而在单株柽柳灌丛的两侧为气流的加速区,表现为强烈的风蚀;随着实验风速的增加,单株柽柳灌丛后涡流区内,积沙形成的沙条长短轴的长度经历了一个先减小后增大的变化过程;柽柳灌丛引发的风沙流流场结构的变化,干扰了风沙流的运行,对于维持柽柳灌丛沙堆的形态,促进柽柳灌丛沙堆的增长具有重要的作用.     

风沙区高速公路波形梁护栏附属设施影响下的气流变化及蚀积特征

为揭示风沙地区高速公路波形梁护栏对气流的影响，探究护栏影响下的高速公路路面积沙原因，文中采用Realizable k-ε方程结合增强壁面函数模型对路面波形梁护栏作用下的气流流场进行模拟，分析波形梁护栏影响下的三维气流场。结果表明：气流通过波形梁护栏时，在护栏底部和顶部受压加速，护栏正后方受到加速气流的分离填补，在护栏后侧形成对称涡，近地表气流向y+方向扩散形成上升流，地表剪切力增大，涡耗散消失后，地表气流动能最小。随着来流气流速度增加，护栏后方的涡呈现作用范围增大且涡周期脱落趋势。对照波形梁护栏影响下的气流特征和野外护栏影响下的积沙堆积部位有很好的映证关系，即风速在6-7m/s时，积沙部位在护栏后方2.5H处，即涡流耗散的边界。针对于三维风速和湍流难以直观测量的困难，该模拟计算为认识下空上密型构造物对流体的影响提供了方法和思路。     

高立式尼龙网沙障防风阻沙特征及其合理配置

高立式沙障在线性工程风沙灾害防护中被广泛应用,布置模式直接影响工程防风阻沙效率和成本效益。在乌兰布和沙漠穿沙公路迎风侧,选择上疏下密式尼龙阻沙网分别设计4种高度单行、4种高度3种间距双行沙障来模拟风沙灾害防治观测场,使用阶梯式集沙仪与HOBO风速采集仪对不同风速下防风阻沙效率参数进行观测。结果表明:(1)低风速(12 m·s-1)背景下,高立式尼龙阻沙网沙障障后有效防护距离单行为3H(相同沙障高度的距离)以内,双行为12H。(2)单行高立式尼龙阻沙网沙障的障后3H沙障截留率平均为85.14%,障后5H平均为91.23%;双行障后3H平均为93.53%。(3)在中低风能地区线性工程防护中配置尼龙阻沙网时,不建议使用0.6 m及以下高度沙障;8 m·s~(-1)风速及以下可配置1 m高度单行尼龙阻沙网沙障;8～12 m·s~(-1)风速可配置间距8H、高度0.8～1.0 m双行尼龙阻沙网;在大风速区(12 m·s~(-1))选择拓宽间距至10H、高度1.2 m尼龙网沙障多条带复式配置。此模式可优化治沙工程设计,完善线路工程沙害防治体系。     

塔克拉玛干沙漠4种结构尼龙阻沙网的防风阻沙效益对比

常用尼龙阻沙网的孔隙度为均匀分布,而风沙流结构在垂直方向上是非均匀分布的。通过设计4种孔隙度非均匀分布的尼龙阻沙网：大条带上疏下密式（A）、大条带上密下疏式（B）、小条带疏密相间式（C）,将其布设在塔克拉玛干沙漠腹地的垄间平地,以均匀结构阻沙网为对照（CK）。对4种阻沙网前后的风速变化、防风效能、积沙形态、积沙量进行对比。结果表明：① B阻沙网有效防护距离最短,仅为6H（H为阻沙网的高度）,其余3种结构有效防护距离差别不大,均为15H;在网后10H处0.15 m、0.3 m和0.5 m 3个观测高度,风速削弱程度的平均值存在明显差异,呈C>A>B>CK。② 在风季后期,4种结构阻沙网前后积沙量B最小,其余3种类型差别不大。③ 综合考虑防风和阻沙效益,C阻沙网提供了一个较好的结构模式,防护效益最好,B阻沙网最差,A和CK阻沙网效益相差不大。研究结果为高立式沙障结构优化设计提供了参考依据。     

策勒流沙前沿柽柳灌丛沙堆地表蚀积变化特征

为了研究柽柳灌丛沙堆表面蚀积变化特征及其风沙环境演变方向,采用插钎法对策勒流沙地半球形柽柳灌丛沙堆进行地表蚀积变化观测,结合同步气象数据,采用数理统计和函数拟合方法分析,结果表明:柽柳灌丛沙堆迎风坡和顶部为风积区,沙堆外围西北区、北翼区、南翼区均为年蚀积动态平衡区,在一年内既不风蚀也不风积。灌丛沙堆外围的西南区为严重的沙丘前移风蚀区,受多风向变化影响,沙堆外围的东侧背风区为轻微-中等程度的风蚀区。沙堆表面年净风积量为0.47 m3,风蚀量为0.004 8 m3,风蚀主要发生在背风坡坡底和裸露的坡脚上。沙堆表面风积量与每个阶段起沙风时间呈一定相关性,除了北翼区表面风积量与大于起沙风平均风速中等相关外,其余几个观测小区风蚀量、风积量与对应的大于起沙风的平均风速之间相关性较差,沙堆西区、北翼区、背风区表面风蚀量与起沙风时间为中等程度相关性,背风区的相关性最好,灌丛沙堆表面和外围南翼区风积量与每个阶段起沙风时间呈中等程度相关性。     

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。     

尼龙网方格沙障防风效应复变规律

方格沙障的布设参数直接影响防风效应的复变作用,定量表达其复变规律,对于沙障配置模式的确定具有重要意义。在乌兰布和沙漠机械整平的风沙观测场,铺设9种不同高度、规格的尼龙网方格沙障,观测其在不同风速背景下的风速流场特征,揭示方格沙障防风效应的复变规律。结果表明:尼龙网方格沙障防风效应复合变化受不同指示风速下,沙障高度与规格共同的影响。沙障内部0. 1 m高度的风速随防护宽度的增加呈对数函数递减,指示风速增大1 m·s~(-1),风速衰减率增加0. 07倍;沙障高度增大0. 1 m,风速衰减率增加0. 20倍;方格边长增大1 m,风速衰减率减小0. 07倍。观测的9种规格方格沙障,30 cm高度1 m×1 m规格沙障复变作用最强,15 cm高度2 m×2 m规格沙障复变作用最弱。该结果可为确定沙障合理防护宽度、节约沙障铺设成本、优化沙障布设技术提供基础数据和理论支撑。     

青藏铁路沱沱河路段流场特征及沙害形成机理

通过对青藏铁路沱沱河路段路基流场结构、风速廓线特征的风洞模拟实验研究,发现气流在途经铁路路基时,路基断面对近地表流场改变极大,在其两侧形成明显的遇阻抬升区、集流加速区、减速沉降区以及消散恢复区。铁路沙害的形成主要是路基迎风侧气流由于遇阻抬升和集流加速,对路肩和路基中上部产生风蚀;随着气流加速抬升,底层砂粒以跌落沉降的方式堆积在路基迎风坡坡脚,造成路基沙埋;当气流越过路基,在背风侧由于减速沉降和涡旋运动,风沙流处于过饱和状态,将所携带的大量砂粒堆积在背风坡。     

河西绿洲边缘积沙带的成因初探

甘肃河西地区经过半个多世纪的防沙治沙,在绿洲边缘形成了一条积沙带。绿洲边缘积沙带是一个新的科学问题。为了研究积沙带的形成及其与环境因子的关系,文中对河西走廊东端至走廊中西部绿洲边缘的积沙带进行了调查,运用SPSS软件进行了统计分析。结果表明:1)河西走廊东端至中西部绿洲边缘积沙带平均高12.77m,平均带宽308.48m。2)积沙带形成的沙源因素是其上风向主风方向经过沙漠的距离;积沙带形成的气候因素是年降水和年平均风速;3)积沙带的高度和宽度与其上的天然植被盖度为极显著正相关关系,但与包括人工植被的植被总盖度相关不显著。4)降水条件是决定积沙带高度的关键因子。降水通过改变土壤水分条件从而影响植被盖度,进而影响积沙带的发育。     

内蒙古高原小叶锦鸡儿灌丛沙堆对气流结构与风蚀的影响

小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)灌丛沙堆是内蒙古高原东南部农牧交错区的主要风沙堆积类型。通过对该区典型灌丛沙堆周围风沙气流的野外观测,结果表明,气流方向与强度和输沙率,随沙堆不同位置而发生变化。绕过沙堆两侧的气流和越过沙堆上部的气流在背风侧汇集,并在同等沙堆高度的范围内和1.5倍沙堆高度的水平范围内出现涡流。从灌丛沙堆迎风坡脚经南北两侧至背风坡脚以及背风侧5倍沙堆高度的水平距离间,风速依次出现逐渐增大—最大—逐渐减小—最小—回増至旷野风速的变化过程。在不同风向条件下,灌丛沙堆背风侧气流的风速廓线,并不完全遵循对数变化规律,沙堆南侧气流在0.3~0.6 m高度处出现变异。另外,沙堆周围输沙率在迎风侧和南北两侧与风速变化基本一致,但在背风侧因气流方向紊乱而出现变异。输沙率随高度增加,在沙堆迎风侧至两侧各部位呈有规律递减,但在背风侧无规律。     

沙质地表与砾质戈壁风沙运动对比研究——以敦煌莫高窟窟顶风沙运动为例

通过野外观测资料分析,阐明在沙质地表下,风速相当时不同风向风沙流的结构不同,即含沙量影响风沙流结构.一般随着含沙量的增大,各层的绝对输沙量相应增加,相对输沙量在下层增加,上层减少.但也有不一致的情况,本次野外观测就出现了下层减少上层增加的情况.戈壁风沙流结构与沙质地表显著不同,其风沙流结构呈独特的"象鼻"效应,即在一定高度有一个最大输沙量,且这个高度随风速的增大而增加.西北风作用下,自鸣沙山至窟顶输沙量逐渐减少.戈壁具有一定的阻沙效应,风速为7.7 m/s时,每100 m阻沙率达10%左右.沙山前沿固沙带对输沙量起着重要作用,有防护措施与无防护设施相比较,西北风的输沙量可减少95%左右.偏东北风在缺少沙源的情况下,主要以输送为主,偏南风实际输沙量明显小于偏西北风,输沙量由沙源地到窟区逐渐减少.     

高立式沙障不同叠加模式的阻沙量对比分析

为了解决尼龙阻沙网在沙埋情况下的防风阻沙,采用不同叠加模式的尼龙阻沙网进行防护。设置3种高立式沙障叠加模式方案,叠加位置分别位于迎风坡、阻沙网、背风坡,迎风坡与背风坡叠加的尼龙阻沙网与原有阻沙障距离和长度均相同,叠加的阻沙网高度为沙埋原有阻沙障的一半,且叠加的尼龙阻沙网需高出原有尼龙阻沙障。选择高1.2 m的沙埋阻沙障进行叠加,迎风与背风坡叠加的位置距原有阻沙障水平距离约45 cm。通过野外观测发现：① 不同叠加模式的高立式沙障阻沙量不同,即阻沙网＞迎风坡＞背风坡;② 3种不同叠加模式的积沙量都随着阻沙网的不断叠加而增加,且增加的阻沙量越来越大;③ 随着阻沙网的不断叠加,3种不同叠加模式的单位阻沙成本不断变化。迎风坡与阻沙网模式的单位阻沙成本不断降低,最后趋于平稳;背风坡模式有所不同,其单位阻沙成本先有所增加,然后再下降,最终趋于平稳。阻沙成本为：阻沙网<迎风坡<背风坡。     

新疆策勒4个典型下垫面近地层风速脉动特征

以塔克拉玛干沙漠南缘策勒沙漠-绿洲过渡带为研究区,对流沙地、半固定沙地、固定沙地和绿洲内部4个下垫面平均风速、风速脉动和风向脉动特征进行分析,探讨风速、风向脉动差异原因。结果表明:1平均风速与阵风风速之间符合线性相关性,相关性随着距离地表高度的增大而增大,各高度平均风速与阵风风速都呈极显著正相关(P0.01);2从流沙前缘沿主风向至绿洲内部,随着植被盖度的增加,平均风速逐渐降低,且离地表越近降低的幅度越大;3随距离地表高度的增大,各测点风速脉动强度呈现先增大后减小的趋势,风速脉动相对值呈减小的趋势。从流沙地、半固定沙地、固定沙地到绿洲内部,风速脉动强度和风速脉动相对值总体上呈现增大的趋势,而在4个下垫面中,绿洲内部不同高度的风速脉动强度在夏季表现为最小,在冬季表现为最大;4风向脉动幅度以流沙地最小,半固定沙地、固定沙地次之,绿洲内部最大,即随植被覆盖度增加而增大。     

植被沙障对近地表风沙流特征影响的风洞实验

植被沙障在一些地区已成为沙害防治的有效手段,其应用也越来越广泛,但对其治沙机理尚不很清楚.在盖度为10%,15%,20%,30%,40%,60%情况下,对植被沙障的防风固沙效益进行了风洞试验.实验风速设置为6,8,11 m/s,测定不同植被盖度的风速廓线特征、风沙流结构特征及其防沙效果.实验结果表明:①积沙总量随盖度增加而逐渐降低,风沙流中的砂粒分布在一定的高度范围内,但分布的高度随盖度的增加呈下降趋势;②植株的茂密程度对风沙流的结构有明显影响,盖度越高,积沙量越集中在下部;③盖度并不是导致积沙量为零的唯一指标,风蚀是否发生,还与植被的疏透度、防护林的高度等有关.     

老哈河下游背风侧谷坡的风速脉动特征

基于老哈河下游春季起沙风地面4.00m高度范围内实地观测的风速数据,从风速脉动、风速脉动强度两个方面对背风侧谷坡顶和坡脚的风速脉动特征进行分析.结果表明:①坡顶除在0.25 m高度受地表植被和沙粒的跃移运动影响外,风速脉动值和强度都随着距地表高度的增加而逐渐加大,其最大脉动值超过4.00 m·s-1,风速脉动相对值(阵性度)基本稳定;②背风坡脚因谷坡地形突变产生的“二次流”,使风速脉动值和相对值都不稳定,脉动强度随着距地表高度的增加而逐渐加大,其最大脉动值超过3.00 m·s-1;③背风坡顶和坡脚各自高度的风速脉动频率具有一致性,但脉动频率不稳定,无明显周期性.坡顶的风速脉动值和强度都大于背风坡脚,但风速脉动相对值小于背风坡脚.