風沙兩相流對鐵路路堤及防風擋沙墻響應規(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，在強氣流運動作用下，戈壁地表嚴重失穩(wěn)，風沙災害頻發(fā)，造成列車傾覆和線路積沙等危害，運輸時常迫停，每年因風沙災害造成的直接經(jīng)濟損失多達數(shù)億多元。通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)在鐵路沿線迎風側(cè)修建防風擋沙墻是鐵路安全運營的一項重要措施，以減小列車受到的傾覆力和凈化風沙流的目的。目前對于擋風墻的研究成果主要集中在防止列車傾覆的角度，而對擋風墻造成的線路積沙問題研究較少，事實證明，在擋風墻為機車的穩(wěn)定性運營提供安全保障的同時，

2、也會造成線路積沙，鐵路擋沙墻目前主要靠經(jīng)驗布設(shè)，沒有一個統(tǒng)一的標準，往往會造成擋沙效果不理想或者擋沙材料的浪費。
　　本文基于FLUENT數(shù)值試驗方法，模擬風沙兩相流途經(jīng)不同類型擋風墻背風側(cè)流場的變化情況，并對擋風墻背風側(cè)線路積沙形態(tài)進行研究，為鐵路防風防沙提供依據(jù)；模擬風沙兩相流途經(jīng)擋沙墻后路堤周圍流場的變化情況，并對路基頂面線路積沙形態(tài)進行研究，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，提高防沙效益。其主要內(nèi)容有：
　?。?）擋風墻背風側(cè)2m處風速

3、廓線變化呈三個階段：在0~0.5m之間呈指數(shù)增長趨勢，并隨著擋風墻高度的增加，風速增加幅度越大；在0.5m至擋風墻自身高度區(qū)間內(nèi)變化較為復雜，呈先減小后增加的趨勢；在擋風墻0.5m以上部分為加速區(qū)，呈指數(shù)增長趨勢急劇增加。擋風墻背風側(cè)近地表氣流變化呈三個階段：距擋風墻10m以內(nèi)，風速沿著與初始氣流速度相反的方向增大，并且隨著擋風墻高度增加風速增加幅度越大；距擋風墻背風側(cè)10m~20m之間，風速從反向的最大值減小至0并且急劇恢復至初始速度

4、；20m之后逐漸恢復至初始速度。
　?。?）擋風墻高度一定時，隨著風速的增加，擋風墻背風側(cè)渦旋區(qū)的氣流豎向速度變化逐漸趨于復雜化，距床面4m以上，風速呈線性急劇增加；擋風墻背風側(cè)近地表風速最大值增加的幅度保持在50％左右，風速越大，氣流的削弱作用越明顯。擋風墻背風側(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，并且在距擋風墻背風側(cè)同一距離處，土堤式擋風墻背風側(cè)的風速大小始終大于柱板式擋風墻。
　

5、?。?）當初始氣流速度為10m/s、20m/s時，線路上積沙較少，沙粒多數(shù)堆積在擋風墻背風側(cè)墻角處；隨著風速的增加，初始氣流速度為30m/s、40m/s時，單位時間內(nèi)通過擋風墻的沙粒更多，由于過流斷面減小，氣流擴散，更多沙粒沉積在線路上。當初始氣流速度為10m/s時，沙粒多數(shù)堆積在擋風墻背風側(cè)墻角處；隨著風速增加到20m/s時，土堤式擋風墻背風側(cè)沙粒多數(shù)堆積在擋風墻背風側(cè)墻角處，而柱板式擋風墻背風側(cè)線路上有大量積沙，造成線路沙害。

6、>　　（4）路堤高度為5m，無擋沙墻時，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；在線路迎風側(cè)布設(shè)擋沙墻后，會在路基頂面近地表處形成相對高速區(qū)，沙粒難以沉積在此處，以達到防沙作用。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以上且風向始終與初始氣流速度方向一致，說明擋沙效果良好?？紤]到擋沙墻越高，受到的側(cè)向風壓越大，埋深深度越大，工

7、程造價越大，綜合防沙效果考慮，取2.0m高度為宜。戈壁地區(qū)風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，當路堤高度大于攜沙高度時，可不用布設(shè)擋沙墻。
　?。?）風沙流是一個動態(tài)的過程，布設(shè)擋沙墻時，應根據(jù)當?shù)厝?0%以上的風速風向考慮。路堤高度為5m，攜沙風速度為10m/s~20m/s時，擋沙墻宜布設(shè)在線路迎風側(cè)15m~20m之間；攜沙風速度為20m/s~30m