风沙流对铁路路堤的响应规律及新型挡沙墙设计参数优化模拟研究

摘要

我国是世界上铁路风沙灾害线路最长的国家,有近万公里铁路线路受到风沙灾害的威胁,分布在约30多条荒漠地区的铁路线上。针对不同地区的铁路沙害,国内学者们进行了大量的研究,总结出了铁路沙害特征,提出了许多防治措施,并成功应用于工程实践中,效果显著。但受自然环境制约的影响,对路堤周围风沙流场的认识还存在不足,导致部分防沙体系设计还存在一定的不合理性,没有充分发挥其作用。故为根治铁路沙害,有必要对路堤周围流场特征做进一步研究,优化挡沙墙的设计参数,使得现场防沙体系日趋完善,节约工程造价。 本文基于FLUENT软件建立欧拉双流体非稳态模型,分别对路堤和斜插板挡沙墙周围的风沙流场进行数值模拟,分析风沙两相流对铁路路堤及斜插板挡沙墙的响应规律,为路堤沙害防治与斜插板挡沙墙参数设计提供可靠的理论和技术依据,进一步优化防沙工程措施,保证铁路安全畅通,对铁路的安全运营有着比较重要的现实意义。其主要内容有: (1)通过沙粒受力分析,推导了单个沙粒运动轨迹微分方程,建立了风沙两相流基本方程,并对空气相的湍流运动采用标准k-ε模型,同时流场近壁面采用壁面函数法处理。 (2)数值模拟了净风、携沙风与路堤正交时路堤周围风沙流场运动特性,结果表明:与净风条件下相比,携沙风途经路堤时背风坡紊流区与路堤顶面低速区范围更大,同时在背风坡坡脚附近出现速度突增区;路堤周围气流沿程水平分速度近似呈“W”形分布,沿程竖直分速度近似呈“M”形分布;携沙风在迎风坡坡脚处气流速度轮廓线随高度呈对数形递增分布,迎风坡路肩处风速轮廓线随高度呈“象鼻效应”,背风坡路肩处与背风坡坡脚处风速轮廓线随高度呈倒“S”形分布。风向单一时,随着风速的增大,迎风坡坡脚处的积沙量逐渐减小,背风坡坡脚处的积沙量没有明显的变化,而路堤顶面积沙量有递增的趋势;同时迎风坡积沙量大于背风坡,且路堤顶面积沙量近似成“正态形”分布,中间多,两边少。数值模拟结果与现场实际调查相吻合,所用模型能较好的模拟路堤周围风沙两相流的运动特性。 (3)对不同参数斜插板挡沙墙周围的风沙流场进行了数值模拟,结果表明:风沙流途经挡沙墙时,挡沙墙周围的气流速度发生明显的变化,气流沿程水平分速度在挡沙墙高度范围以下近似呈“V”形分布,在挡沙墙高度以上一定范围内近似呈“W”形分布;背风侧一定高度内风速轮廓线近似呈“S”形分布,气流的变化可分为三部分:低速区、涡旋区和加速区;挡沙墙迎风侧附近的速度轮廓线也呈“S”形分布,但与背风侧相比变化趋势较为平缓。孔隙度越小,背风侧风速减弱效果越好,挡沙墙周围积沙量越大,但背风侧积沙与挡沙墙的间距越小,越容易被埋,导致挡沙墙较早的失去防风阻沙的功能,建议孔隙度取25~40％;插板倾角小于90°背风侧沉沙区紧靠挡沙墙,大于90°背风侧沉沙区与挡沙墙存在一定的距离;插板倾角在90~135°时,大部分沙粒沉积在挡沙墙周围,防沙效果最佳,结合工程造价,倾角宜取110~135°;挡沙墙高度对风沙防治效果具有两面性,一方面随着挡沙墙高度的增加,低速区、涡旋区的气流速度逐渐减小,沙粒更容易沉积在床面;另一方面,随着挡沙墙高度的增加,高速区气流速度与范围逐渐增大,不仅引起部分沙粒由跃移运动转变成悬移运动,而且使得悬移沙粒获得更多的能量,输运到更远的距离,在满足沙粒沉积的条件下,产生沙害;同时,随着挡沙墙高度的增加,沉沙区范围逐渐增大,在多风向环境下沉沙区又会成为新的沙源,在综合考虑工程造价及防沙效果的基础上,挡沙墙高度建议采用1.5~2.0m。 (4)挡沙墙设计参数不仅决定着防沙体系的工作效率,同时决定着工程造价,在设计挡沙墙之前,应详细考察当地风沙流结构特征及携沙高度,结合路堤周围的地形地貌合理设计参数,提高防沙效率,节约工程造价。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究内容

2 基于CFD风沙两相流数学模型与方法

2.1 沙粒运动特征

2.2 气固两相流数学模型

2.3 模型中流体和流动的基本特性

2.4 湍流数值模拟方法

2.5 风沙两相流基本方程

2.6 风沙两相流湍流模型

2.7 壁面函数

2.8 方程的理论解

2.9 方程的数值解

2.10 本章小结

3 风沙两相流对铁路路堤的响应规律

3.1模型建立

3.3 本章小结

4 斜插板挡沙墙设计参数优化

4.1 斜插板挡沙墙构造

4.2模型建立

4.3 数值模拟与结果分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 建议及展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果