风沙区公路防积沙的新型防护栏研究

目的防护栏是保障公路交通安全的重要防护措施,但单一的设计并不能与多种环境相适应。在风沙区的实践活动中发现,安装防护栏的路段常会出现带状积沙,本文针对这一现状,在实地调查的基础上,从空气动力学的角度进行研究,为风沙区路面积沙提供解决方案。方法以公路防护栏为研究对象,对护栏板进行不同孔隙度、不同孔型的改造,利用风洞模拟、克里金插值等方法,分析不同孔洞防护栏对路面风速流场的影响,并计算不同类型防护栏对绝对含沙量的影响,选取适当的配置,达到防止路面积沙的目的。结果传统防护栏背风侧路面近地表风速下降至原风速的80%,在风速为5、8、11 m/s的条件下风沙流绝对含沙量分别下降了44.7%、64.8%和75.1%,护栏板对风沙流的阻挡作用是导致路面积沙的重要因素;新型防护栏能提高风沙流绝对含沙量,大孔型、小孔型防护栏对绝对含沙量的影响随孔隙度没有明显的规律性,但均低于初始水平,长条状孔型防护栏对绝对含沙量的影响随孔隙度的增大而减小,孔隙度达到0.3时绝对含沙量达到初始水平;风沙流结构中含沙量最高的近地表层中,不同孔型防护栏对风速的影响呈现出一致的规律性,随孔隙度的增大而减小,其中大孔型防护栏和小孔型防护栏在不同孔隙度条件下背风侧稳定后风速均小于初始风速,孔隙度为0.3和0.4的长条状孔型防护栏后稳定速度达到初始风速;从风速流场来看,传统防护栏后沿风向形成明显的减速区和低速区,长条状孔型防护栏后风速流场结构较为稳定。结论孔隙度为0.3和0.4的长条状孔型防护栏能起到改善路面风速流场,防止沙区公路积沙的作用。未来针对防护栏的研究应在符合安全标准的基础上,针对不同的行车环境进行相适应的改造,使其充分发挥防护作用。      

策勒绿洲—沙漠过渡带风沙前沿风沙流结构研究

通过对2010年5—11月策勒绿洲—沙漠过渡带流沙前沿50 cm高积沙方口和全方位跃移及全方位蠕移、BNSE集沙系统13个阶段积沙数据进行分析,结合大气象站2 m高同步积沙阶段的平均风速进行分析对比,发现策勒流沙前沿方口积沙仪各高度积沙量随高度分布大部分符合对数、指数和多项式函数分布规律,且拟合程度较好,10 cm和30 cm高度范围的积沙量占总输沙量的百分比分别在23.43%～50.40%和64.30%～83.13%,且分别多集中在40%～50%和80%左右。随着每阶段大于起沙风的平均风速的增大或减小,各积沙仪总输沙率也会总体上呈现相应的增大或减小,二者大致呈正相关关系,积沙仪不同高度不同阶段输沙量的变化除了与风速、地形有很大关系外,通过研究发现每次积沙阶段大于10 mm以上的较大的降雨量将会对积沙仪输沙量和风沙流结构产生一定影响。     

浓缩风能装置流场数值模拟与实验研究

为了完善发展浓缩风能型风力发电机,提高浓缩风能装置的浓缩效果,采用计算流体数值模拟、应用车载法的流场测试与机组输出功率特性分析相结合方法对100W浓缩风能装置浓缩效果进行研究分析。100 W浓缩风能装置流场实测结果与数值模拟比较表明,自然风速10 m/s时浓缩风能装置内各个横断截面流速分布和沿轴向流速分布规律相近,装置内叶轮安装处平均流速表明的气流流速增至自然风速的1.32倍,气流动能增至自然风能的2.25倍。自然风速10.95 m/s时100 W浓缩风能型风力发电机在额定转数400 r/min下输出功率为117.6 W,经计算叶轮安装处风速是前方相同面积来流风速的1.31倍,比流场测试结果略低。对提高浓缩风能装置浓缩效果的研究方法从数值模拟、流场测试和输出功率验证三者进行有机结合,提出了该型转置研究方法。     

基于混合模型的管道输沙特性数值模拟研究

【目的】探索管道水沙两相流的流场结构和输沙特性,为进一步研究管道输沙过程中阻力损失随含沙量、流速等的变化规律奠定基础。【方法】采用多相流混合模型和标准k-ε湍流模型,利用管道清水层流和湍流流场模拟,验证所选模型的可行性,并将模拟得到的管道流场以及阻力情况与实测值和计算值进行对比,确定模型参数,进一步结合小浪底水库现场管道抽沙试验,对管道流量(Q)为620和950m3/h工况下含沙量(Cv)分别为3.74%,10.53%,22.64%,37.74%和45.28%的5种含沙水流进行数值模拟计算,并分析其流场结构和流速、含沙量的垂向分布等水力特性。【结果】根据模拟值与实测值以及计算值的综合对比情况,选定粗糙度0.6mm、粗糙常数0.6、入口湍流强度25%为参数组合来模拟分析管道含沙水流的流动特性,得到了5种含沙量工况下管道输沙过程中的水沙两相流分布和管道横断面的流速分布,以及5种含沙量下横断面流速的垂向分布和含沙量的垂向分布规律,具体表现为:在管道流量Q=620和Q=950m3/h时,管道中心断面水沙呈上小下大的悬移质分布形态,随着水流含沙量的增加,管道底部沙量逐渐增大,当含沙量增加至45.28%时,管道中的水沙几乎为稠密的沙浆,在垂向分布上管道含沙量出现顶部小而底部大的现象。另外,管道的断面流速呈现出顶部流速大而底部流速小的现象,且随着含沙量的增大,高流速区扩大且逐渐向管道顶部上移,与大流量工况相比,小流量时高流速区集中且上移明显。垂向流速分布不再呈对称分布而出现管道顶部大、底部小的分布形态,且随着含沙量增大,不对称性更加明显。【结论】多相流混合模型可用于管道输沙流场的模拟计算,模拟结果表明,挟沙水流极大地改变了管道清水流场时呈轴对称分布的流速形态,表现为管道顶部低含沙区流速大,底部高含沙区流速小,且含沙量越高,不对称性越显著;随着流速增大,水流挟沙能力大大提高,流速分布的不对称性显著降低。     

基于有限元的辊式制粉磨辊温度场分析及试验验证

[目的]研究小麦制粉生产中的磨辊温度场分布和变化的规律.[方法]试验以制粉中的磨辊为研究对象,建立磨辊二维瞬态温度场数值模型,利用有限元分析软件ANSYS对磨辊瞬态温度场进行求解分析,并通过磨辊表面温度实测数据与模拟结果的对比,验证数值模型和模拟结果的可靠性.[结果]在制粉开始阶段,辊体表面温度由25℃迅速升高至60℃...     

基于脉动风作用下的大跨度桥梁拉索风场数值模拟

采用Kaimal脉动风速谱,利用MATLAB模拟脉动风的瞬时风速时程并导入计算流体力学软件中,选择RNGk-ε模型,考虑在高雷诺数的作用下,对大跨度桥梁的拉索风场数值模拟。采用结构性网格建立流场模型,分别选取30 m和80 m高度处分析流场和风压力系数的变化;选取50 m高度处分析速度矢量;选取80 m高度处分析流速和迹线变化;选取拉索中心位置、拉索尾端分析拉索周围压力分布,并进行数值模拟。计算结果表明,对比文献中风洞试验的结果,流场中流体的分布特征符合类似研究的结论,可以得到合理精度的数值解;在拉索周围上、下表面形成涡街,涡流沿中轴线运动并呈现对称的形状;拉索表面压力分布和文献中风洞试验结果较吻合,并且符合工程实际。     

红枣干燥设备的流场仿真研究

为了改善红枣干燥机内部流场的分布情况,以气体运动微分方程和标准k-ε湍流模型为基础,多孔介质模型代替物料层,利用计算流体动力学软件CFD对干燥室的流场进行了数值模拟,得到了热介质在干燥室内的流动情况及入口风速对物料层压降的影响.结果表明:干燥机入口风速为5~7m/s,可满足红枣干燥速率要求;气流进入干燥室后撞击壁面形成的涡流现象,导致物料层风速的不均匀;随着入口风速的增加,干燥室内的压力有所上升,与红枣上下层压降呈有规律的变化.通过对干燥机内部流场的研究,为红枣干燥机的设计改进提供科学依据.     

浓缩风能型风力发电机流场仿真与实验研究

以浓缩风能型风力发电浓缩装置为研究对象,进行了CFD计算和实验验证,结果表明仿真与实验很好的吻合.仿真与实验结果是浓缩装置内流速与来流的风速增加等级基本相近;浓缩装置内的流场以中心轴为轴对称的环形分布流场;工作段(中央圆筒)处呈现以轴为圆心随半径加大风速逐渐增加,近壁面形成一层薄薄的边界层,边界层内速度急剧下降,直到壁面的速度为零.     

不同高度层实测风速与数值模拟风速特征分析

利用山东省地面气象站、梯度测风塔、探空站实测风速资料以及WRF模式模拟风速资料,对比分析了二者边界层不同高度风速分布特征。结果表明,实测结果与模拟结果风速分布特征基本一致,说明WRF数值模拟数据具有较好的代表性,对今后提高高分辨率数值预报和对城市空气污染研究具有重要意义。     

人工鱼礁开口比和迎流面形状对流场效应影响的双因素方差分析

采用基于计算流体动力学模型的方法对人工鱼礁流场效应进行数值模拟,选取单体人工鱼礁模拟近岸海域的鱼礁流场,对其附近流场进行三维数值模拟,在此基础上应用双因素方差分析法分析了人工鱼礁开口比和迎流面形状对流场效应的影响。结果表明：人工鱼礁开口比是鱼礁流场效应的主要影响因素,开口比越小,水流受鱼礁阻隔程度越大,礁前上升流流速越大,背涡流紊流区域越明显,背涡流区域就越长;鱼礁迎流面形状对流场效应的影响次之。     

风沙环境下防风挡沙墙复变作用规律的风洞模拟

【目的】风沙防护是干旱环境下人类基础设施建设和维护的关键工程问题之一,为探明不透风防风阻沙措施风沙运移的变化规律,筛选特殊风沙区域防护体系构建合适设置参数。【方法】采用风洞模拟对不同风向夹角条件下防风挡沙墙的气流速度场、风沙流结构以及沙粒阻截率/输导率的变化规律进行研究。【结果】(1)迎风侧模型4倍障高处始终为气流急剧变化的拐点,且不随着指示风速的变化而变化;当指示风速小于10 m/s,背风侧弱风区或静风区的范围随着指示风速的增大而增大,大于12 m/s则呈相反规律;同一指示风速作用下,随风向夹角的增大有效防护范围逐渐增加。(2)迎风侧积沙主要集中于近地表0～10 cm,平均占总输沙量的85.31%;45°、60°、75°与90°4种风向夹角条件下背风侧输沙量主要集中在20～30 cm高度范围内,分别占总输沙量的71.25%、88.75%、85.25%、86.00%。(3)背风侧0～10 cm高度层沙粒截留随指示风速的增加而增加,75°夹角时最大,平均为95.64%;10～30 cm高度层沙粒输导随着指示风速的增加有增大趋势,45°夹角时最大,平均为81.09%。【结论】指示风速的变化...     

北京市永定河沙地人工植被防风阻沙效益分析

通过对北京市永定河沙地三种人工植被 (梨园、林带、片林 )不同部位的风速、积沙量及其积沙形态特征进行观测与分析 ,比较了不同人工植被防风效益与阻沙效益的差异 .研究结果表明 ,在迎风面 1～ 1 0H范围内片林的防风效能最大 ,为 2 2 % ;在林内距迎风面 1～ 7H范围内梨园防风效能最大 ,为 6 8.8% ;在背风面 1～ 2 0H范围内林带防风效能最大 ,为 32 % .植被阻沙量大小次序为 :梨园 >片林 >林带 .在植被的作用下 ,积沙形态呈现不同的分布规律 .     

基于风洞平台实验的内浮顶罐油气泄漏扩散数值模拟

研究内浮顶罐油气泄漏扩散规律,对于加强环境污染控制、保障罐区安全具有重要意义。建立风洞实验平台,测试小型内浮顶罐风速及浮盘位置对蒸发损耗速率的影响,并考察了风场、浓度场分布规律。基于CFD数值模拟,使用UDF导入环境风,建立了内浮顶罐油气泄漏扩散的数值模型,并通过风洞实验数据验证其模拟的可行性。重点讨论了内浮顶罐外风场及风压分布规律、风速对内浮顶罐油气流场分布及油气扩散浓度的影响。结果表明:浮盘位置越低、风速越大,蒸发速率越快;罐壁的静压力分布规律为迎风侧最大、背风侧居中、罐两侧最小;不同风速下,罐内油气分布整体呈现对称状态;风速越小,油气质量浓度越高,浮盘缝隙处的油气质量浓度最高,并存在安全和环境污染隐患。研究成果对于内浮顶罐设计及运行维护、环保安全管理具有参考价值。     

青藏铁路措那湖沿岸防风固沙工程效益

青藏铁路格拉段北起青海省格尔木,基本沿青藏公路南行抵至拉萨市,线路全长1140km。铁路沿线遭受轻度以上风力侵蚀的线路长约260km,风蚀严重影响着铁路的安全运营。以西藏安多县境内措那湖沿岸布设的以高立式沙障、石方格沙障、碎石压沙措施相结合的综合防风固沙体系为研究对象,对其降低风速和输沙量的特征进行了研究。结果表明:位于风沙流活动前沿的高立式沙障具有显著的降低输沙率和风速的功效,和对照区相比,第1、2,第2、3排高立式沙障中间的输沙率分别降低了72.00%和99.30%;障后的风速降幅也较大,第1排沙障后降低风速的范围为35.54%～92.82%,第2排沙障后降低风速的范围为8.66%～92.98%,第3排沙障后降低风速的范围为26.84%～90.13%。高立式沙障障后不同距离的石方格和碎石压沙防护区的输沙率降幅更大,在距离第3排高立式沙障50和150m处石方格沙障区,其输沙率分别是0.59%和0.24%。距离第3排高立式沙障100和200m处的碎石压沙区,其输沙率分别是0.53%和0.25%。     

风帆体型建筑表面风压的分布特征研究

针对典型风帆体型建筑的风荷载采用风洞试验方法进行研究,给出典型风向下风帆建筑的平均风压和脉动风压的分布特征,探讨该体型建筑产生此类分布的原因,并分析围护结构设计时风帆体型建筑的最不利受风区域.研究表明：风帆容易形成“前压后吸”的风压分布,对于迎风面积大、厚度却相对较小的风帆建筑整体抗风较为不利;脉动风压系数与平均风压系数分布规律较为相似,背风区的风压脉动小于侧风区;当风帆建筑锋利边缘处于侧迎风时,来流风会在锋利边缘发生显著的气动分离,使得该区域出现极大的负压.     

平行高立式沙障对严重沙化草地植被及土壤种子库的影响

以草地严重沙化后形成的沙丘,且其上设置有不同年龄（2～3 a和4～5 a）平行高立式芦苇沙障的地段为研究对象,分别对沙丘不同部位（迎风坡、背风坡和丘间低地）及沙障不同位置（沙障迎风面、背风面和两沙障中间）土壤种子库进行了研究,以同类型未设沙障的地段作对照,并结合沙丘各部位地上植被特征,深入研究了平行高立式沙障对严重沙化草地的影响. 结果表明,在严重沙化草地设置平行高立式沙障,可使植被盖度及植物种类显著增加,有助于生物结皮的发育. 另外,还可有效拦截风沙流中所携带的植物种子,使土壤种子库中具有生命力的种子数量及种类明显增加.      

塔里木河下游柽柳防风固沙功能野外观测研究

采用梯度风自动采集系统对柽柳灌丛附近风速进行观测,并对英苏附近23株柽柳及沙包形态指标进行测量和统计分析,结果表明:柽柳灌丛可以降低迎风侧及背风侧风速,使沙粒在植被底部沉积,积沙体积与柽柳各形态指标相关性大小顺序为:冠幅>叶干重>地上生物量>株高>基径>枝数.柽柳灌丛对植株高度以上风速的影响较小,低于植株高度(0.5,1.0 m和1.5 m)处风速在迎风面1H( H:植株平均高度 )处开始迅速降低,在背风面1H降到最低,之后慢慢恢复到旷野对照点水平.对不同覆盖度柽柳近地表不同高度处风速的观测结果表明:相同高度处风速随植被覆盖度增加而减小,植被覆盖度越大,风速廓线的斜率越小,对风速的削弱效果越好.     

新型生物可降解PLA沙障与传统草方格沙障防风效益

为了解新型材料生物可降解聚乳酸纤维(PLA)沙障防风效益,通过测定PLA沙障样地内不同高度风速,分别研究1 m×1 m、2 m×2 m、3 m×3 m规格PLA沙障防风效能、地表粗糙度与风速廓线特征,同时以相同坡位同种规格的传统半隐蔽式麦草沙障样地和流动沙丘为对照,对比研究了PLA沙障与传统麦草沙障的防风效益。结果表明,新型生物可降解PLA沙障防风效能显著大于麦草沙障,2种类型沙障最大差值可达10.3%,2种材料沙障不同规格防护效果为1 m×1 m规格较其他2种规格更好;2种材料沙障增加地表粗糙度表现为PLA沙障麦草沙障流动沙丘,且均随规格增大呈逐渐下降趋势,在相同地形条件下,PLA沙障地表粗糙度均值为麦草沙障的1.4倍;2种材料沙障在迎风坡坡底、坡中、坡顶及背风坡4种地形下地表粗糙度差异不明显,其地表粗糙度均值为0.7 cm;1 m×1 m规格的PLA方格沙障和麦草沙障内的风速廓线曲线呈现“S”型曲线特征,而在2 m×2 m和3 m×3 m规格的2种材料沙障内,风速廓线与对照裸沙丘相似,其风速廓线均呈指数函数分布。随着沙障规格的增大,降低风速作用减弱,其风速廓线逐渐由“S”型趋向于指数函数曲线。      

考虑脉动风速的平面刚架日光温室结构动力响应规律

日光温室骨架结构属轻型结构,跨度较大,对风荷载较为敏感。为解决风荷载作用下日光温室的动力响应问题,确定骨架结构危险截面的位置,基于Timoshenko梁理论,提出平面刚架模型的日光温室在风荷载作用下的动力响应分析的被研究块体方法。首先根据Timoshenko梁微元体思想,设计被研究块体的构成方式;基于Timoshenko梁理论,推导出平面刚架模型的日光温室钢骨架结构的控制方程,给出了算法的实现过程。然后采用两端自由的变截面梁的弯曲波传播算例,验证方法的有效性。在数值模拟风速、实测风速作用下分别对平面刚架模型的日光温室骨架结构动力响应进行时程分析,得到钢骨架的节点位移和截面应力空间最大值的位置。结果表明:位移的2次峰值分别在迎风面高度1和3m附近,钢骨架中最危险的截面为温室左端附近,应力最大值为321MPa,弯曲应力是引起应力迅速增加的主要原因。脉动风荷载作用的节点位移和截面应力明显大于平均风荷载作用的相应值。日光温室钢骨架结构的动力响应分析需要考虑脉动风荷载的作用,且不能忽略弯曲应力对截面内力的影响。