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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

吸沙式挡沙墙设计及防护效益分析

为了解决沙粒掩埋挡沙墙造成挡沙墙防护效果降低,文中基于k-ε湍流模型的RANS方法和多孔介质模型对不同参数的吸沙式挡沙墙进行数值模拟计算,并采用风洞试验验证文中所选湍流模型和网格划分策略的正确性。研究结果表明：风沙流经过挡沙墙会形成速度分区,分别为墙前减速区、墙后墙体结构导致的局部加速区、墙体正上方加速区、墙后涡流区以及恢复区。随着挡沙墙孔隙率减小,背风侧有效遮蔽区域越大,背风侧积沙位置离墙体越近,吸沙式挡沙墙的最优孔隙率在25%～35%,考虑到制造工艺,孔隙率选35%为宜;文中所设计挡沙墙的吸沙功能良好,吸沙量的大小正相关于孔隙率和来流风速;吸沙式挡沙墙周围的水平风速随高度增加逐渐从“U”型转变为“V”型分布,风速廓线在垂直方向上呈现倒“S”形分布。当风速一定时,有效防护距离随着挡沙墙高度的增加而增大,积沙范围增大;当高度一定时,积沙位置随着来流风速的增大逐渐向下风向转移。挡沙墙高度越高,承受的风压越大,工程造价上升,从防护距离和工程造价两方面考虑,四块挡沙板是吸沙式挡沙墙最合理阻沙高度。     

库布齐沙漠机械防沙措施的防护效益

在库布齐沙漠风沙防治试验场,开展了机械防沙措施的防护效益观测。结果表明:防风效益、阻沙效益和表土含水率等随沙障材料、规模和结构发生变化。1 1 m×1 m植物纤维网沙障和高密度聚乙烯(HDPE)网沙障风速降低比(K值)分别为58.5%和55.7%,均高于同规格的沙柳沙障的18.3%,说明同一规格下植物纤维网防风效果要优于其他材料;2 1 m×1 m植物纤维网沙障和1 m×1 m HDPE沙障的K值均小于相同材料8 m×8 m沙障的K值,说明小规格低立式沙障防风效应,低于相同材料较大规格高立式沙障;3月积沙量数据分析表明,阻沙栅栏能有效减小积沙量,而固沙沙障内积沙量受风向和局部地形影响较大;4不同材料与不同规格沙障内的表土含水率均高于对照区裸沙地,说明防沙措施对保持土壤水分也起到了一定作用。     

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。     

乌兰布和沙漠沿黄段不同治理措施的风沙运移特征及其防护效果

为科学治理黄河乌兰布和沙漠沿岸风沙入黄问题,以该河段沿线流沙为对照,开展了麦草沙障、沙柳沙障、葵花杆沙障和梭梭林为代表的工程与植物固沙实验,对不同治理措施下的风速廓线、粗糙度、风沙流结构、防护效果及其相互关系进行了野外观测与室内分析。结果表明:1)各沙障和梭梭林内风速廓线发生改变,近地表风速显著降低,地表粗糙度和摩阻风速显著增加。2)流沙表面输沙量分布随高度增加呈对数递减,90%集中在0~10cm范围,98%分布在0~30m范围内。3)不同措施的输沙率随风速的增加呈增加趋势,但输沙率仅为流沙的1.07%~38.27%,可很好的控制近地表的流沙活动。4)各类固沙措施的实施效果排序葵花杆沙障>梭梭林>沙柳沙障>麦草沙障,控制流沙效果均达到75%以上,对固定流沙均能起到积极作用。综合考虑固沙效果、成本、运输以及使用寿命等,该地区选择葵花杆沙障和梭梭较为合适。该研究结果可为解决风沙入黄问题、完善黄河沿岸风沙防护体系提供参考。     

巨菌草留茬沙障防风固沙效益及其适宜模式研究

基于对乌兰布和沙漠刘拐沙头黄河沿岸相近株距(10~15 cm)、不同行距(1 m,2 m)、不同留茬高度(10cm,30 cm)巨菌草的防风阻沙试验的观测数据分析。结果表明:(1)巨菌草留茬沙障的防风固沙效益与沙障的高度和行距有直接关系,高度一定,行数越多,带距越小,防护效果越好,但所需材料增加。(2)巨菌草留茬沙障内输沙量主要集中在地表15 cm以下,近地表0~5 cm处沙障对风沙流的阻碍能力较强。沙障行距为1 m、2 m时,高10 cm的沙障分别经9带、12带后风速降至起沙风速以下;高30 cm的沙障对风的阻碍能力增强,分别经7带、9带后地表无流沙运动。(3)沙障的设置应在保证高效的前提下降低成本。行距2 m、高30 cm的巨菌草留茬沙障,气流经过9个条带(18 m宽)后,风速可降至起沙风速以下,此设置模式宜在干旱地区推广。     

乌兰布和沙漠天然灌丛防风阻沙效益研究

对乌兰布和沙漠封沙育草带内的天然灌丛周围风速及输沙量的野外观测结果表明,天然白刺灌丛沙堆对风沙流具有阻滞作用,风沙流在迎风面受阻堆积,在背风面风速下降40.3~42.1%,并形成低速区,引起沙粒堆积;沙蒿灌丛对2m高处风速没有影响,但可引起灌丛背风面近地表0.5m处风速下降20.5%。灌丛的迎风面存在一个减速区,灌丛顶部及两侧为加速区,灌丛背风面存在一个静风区和一个尾流区。灌丛侧面的输沙量最大,背风面输沙量最小,迎风面2H处输沙量大于1H处,这与各点的风速变化是一致的。对不同盖度沙地的输沙量进行的观测表明,输沙能力随植被盖度的增加而减小,流动沙地输沙量最大,在5.6~9.4m/s风速范围内输沙量为2.25~21.75g,半固定沙地的输沙量次之,为0.32~13.58g,固定沙地最小,为0.06~2.29g。     

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。     

典型株型沙生灌丛对风沙流场影响的数值模拟

研究典型株型沙生灌丛周围的流场分布,旨在为干旱、半干旱地区合理选择不同株型的防风沙植被提供理论依据。本文利用FLUENT软件对3类典型株型（坛形、梭形、帚形）灌丛周围的流场进行数值模拟,分析不同植株形态对风沙流的影响,并加以风洞试验验证,结果表明：（1）3类株型周围流场可分为5个区,且株后均存在3个涡流。受涡流强度的影响,在积沙初始阶段,梭形、帚形植株主要在株后6～7 H处积沙,而坛形植株在3 H附近积沙。（2）受植株最大侧影面积高度层的影响,3类株型灌丛株后1 H处的风速极小值依次出现在0.3 m、0.4 m、0.8 m高度处,最优防护高度依次为0.2～0.4 m、0.3～0.6 m、0.8～1 m。3类株型株后的空气动力学粗糙度逐渐减小,且坛形的粗糙度明显高于其他株型。（3）3类株型在-2～10 H范围内均可有效降低风速,株后近地表区防风效益表现为坛形>梭形>帚形,而中高空区防风效益均随株距增加而减小。（4）在T=10 s时,3类植株周围总积沙长度分别为8.5 H、6H、4.5 H,梭梭、沙拐枣分别在距入口5～5.5 m、4.5～6 m处存在不同程度的风蚀现象。对比其他...     

塔里木沙漠公路防沙体系建设几个问题的探讨

沙害主要取决于两个系统因素的共同作用 :动力系统—风力和响应系统—下垫面状况。塔里木沙漠公路沿线风沙地貌形态类型复杂多样 ,沙源充足 ;起沙风频数高 ,作用时间长 ,防沙难度极大。已建成的高立式芦苇阻沙栅栏和 1 m× 1 m半隐蔽芦苇草方格固沙沙障结合的“阻固”体系 ,有效控制了沙害 ,但也存在一定问题。定位观测表明 ,沿线起沙风和输沙方向集中于 NE、ENE、E三个方向 ,占 46%～ 68% ,从理论上说 ,应加大风侧 (路东侧 )防护力度 ,而实际上固沙带内部强烈的风蚀与沙埋过程 ,使其有效年限与设置宽度关系不明显 ,宜采取窄宽度勤维修原则 ,上风侧宽度控制在 3 0 m～ 40 m,每 3～ 4年更新一次并及时维修。下风侧可不设置高立式沙障 ,固沙带宽度控制在 1 0 m～ 1 5 m为宜 ;高立式沙障与半隐蔽方格沙障前沿之间空留宽度控制在 8H以内较为适宜。依沙害程度 ,以单一原状芦苇固定沙障、复膜沙袋阻沙体活动沙障及固定沙障与活动沙障有机结合加强前沿阻沙力度 ;不同沙害部位设置不同规格不同高度的半隐蔽方格沙障、固化路肩边坡创造输沙断面等技术 ,形成立体防护体系 ,足以控制沙害。     

库布齐沙漠飞播成效的研究

通过长期的飞播造林实践证明：1）在库布齐沙漠西段半荒漠地带高大沙丘设置间距4m平铺行列式沙障和间距6m直立行列式沙障,飞播植物成苗率分别为45.6%和46.2%,比其它类型沙障区的成苗率高出8.9%～30.2%,比未设沙障的对照（CK）区高出36.5%～37.1%。2）种子包衣丸化处理后,沙丘迎风坡等不易落种地段的落种...     

浑善达克沙地高速公路沙袋沙障的综合防护效益研究

通过对207国道浑善达克沙地高速公路沙袋沙障综合防护效益进行分析,研究表明沙袋沙障的设置使风速降低比增加了18.96%~8.12%,地表粗糙度提高了825~140.6倍,输沙率减少了0.4~0.5 g.cm-2.min-1,有效减弱了近地层风沙话动的强度。同时沙袋沙障的设置显著提高人工植被的成活率和保存率,丰富度和Shannon-Wiener指数明显增大,土壤理化性质有明显的改善。综合分析表明1.0m×1.0m沙袋沙障的防护效果最为显著。     

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。     

南疆铁路风沙流结构特征研究

通过对南疆铁路戈壁风沙流进行现场观测研究,提出了关于风沙流密度的计算方法,将大风所携沙粒定量化,解决了风沙运动研究中如何利用现场定时观测研究风沙流动态变化的技术难题.根据现场实测资料分析,揭示了南疆铁路风沙流密度随高度和风速的变化关系.从中可以看出,风沙流密度随高度变化显现斜"L"形,以3m高为分界点;而相对的风沙流密...