戈壁铁路沿线风沙流运动特性及挡风墙功效研究

摘要

风力是塑造地表形态的主要动力之一，风力对地表的侵蚀会留下大片的戈壁，风沙过程中产生的沉积物便形成了沙漠。风沙运动造成的荒漠化成为全球最严重的自然灾害，对生态环境造成严重影响，威胁人类的生存。而戈壁地区铁路沿线的风沙运动对铁路及其运营维护造成严重危害。因此，对戈壁地区铁路沿线风沙流运动特性及其防治的研究有着重要的意义。
　　本文基于对风沙流运动特性及其防治研究现状的分析，在已有实验和理论分析成果的基础上，利用流体力学、空气动力学、边界层气象学、地质地貌学等多学科的知识对立项题目展开研究，采用理论分析、野外实测、风洞实验和数值模拟等多种手段相结合的方法，对戈壁地区铁路沿线风沙两相流沙粒运动的基本特性、风沙流的输移特性和铁路沿线挡风墙的防沙挡风功效进行了研究。
　　本文首先通过理论计算分析了戈壁近地表沙粒运动的基本特性。经计算，起沙风速均为紊流形式，分析了稳定床面和动床面上风速分布，戈壁地表沙粒运动基本形式，并对沙粒运动受力进行了分析，以及戈壁地表沙粒的流体起动和冲击起动临界风速。
　　通过对铁路沿线风沙运动的长期观测，结合已有的地理气象资料分析了新疆戈壁地表强风沙流形成的原因和该地区风沙流特征。通过对野外所集沙粒的筛分，得到了戈壁地表风沙流结构特征，并结合数值计算得到输沙率。
　　为了获得现有铁路挡风墙的风沙防治效果，利用Fluent软件对戈壁铁路沿线挡风墙背风侧流场进行了数值模拟，得到背风侧流场特征。同时，结合数值计算，得到了不同形式挡风墙的挡风效果。并通过特定地点集沙仪实验的设置，对挡风墙的挡沙效果进行了分析。
　　研究结果显示：戈壁风沙流的主要特点为风沙流运动方向稳定、季节性强、运动速度高、起动速度快、风沙流活动时期长，含沙量大。集沙总量沿高度方向呈指数递减规律，粒径范围0.1~0.25mm之间的沙粒集沙量最大，最为活跃。挡风墙背风侧流场发生较大变化，对拉式挡风墙背风侧形成一个涡流区，而土堤式则没有。高度相同时，对拉式挡风墙挡风效果好于土地式挡风墙。挡风墙高度为3.0m时，对拉式挡风墙能够满足挡风要求，土堤式不能，对拉式挡风墙的阻沙效果显。

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第一章 绪论

1.1风沙流运动研究背景

1.2风沙流运动及防治研究现状

1.3本论文的主要研究对象、方法和内容

第二章 戈壁近地表沙粒运动基本特性

2.1戈壁近地面风速廓线

2.2戈壁近地表沙粒基本运动形式

2.3沙粒受力作用分析

2.4戈壁地表沙粒起动风速

2.5本章小结

第三章 戈壁地区风沙流输移特性

3.1戈壁地表强风沙流形成原因及其特征

3.2戈壁地表风沙流结构特性

3.3戈壁地表最大输沙量的计算

3.4本章小结

第四章 戈壁地区铁路沿线挡风墙功效研究

4.1戈壁地区铁路沿线挡风墙防风主要类型

4.2挡风墙数值分析模型建立

4.3戈壁铁路沿线挡风墙背风侧流场特征

4.4戈壁铁路沿线挡风墙挡风效果分析

4.5戈壁铁路沿线挡风墙挡沙效果分析

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

作 者 简 介

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