张家口公路以及行车安全防风固沙设计参数的数值模拟

孙 婧 李家园 安艳玲 兰建伟

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000；3.河北省高校道桥结构健康监测与维修加固应用技术研发中心，河北 张家口 075000)

0 引 言

北京与张家口成功申办冬奥会，公路的建设更是迈入了发展的快车道.随着张家口交通运输基础设施数量、规模不断扩大的同时，也带来了一些困扰.由于该地区所处环境为多风沙带，公路施工建设完成后，由于风沙的侵蚀对公路行车安全造成极大隐患，同时使公路耐久性缩短，养护成本提高，因此保护公路路基、保障行车安全的任务迫在眉睫.

在风沙灾害地区，为了减少风沙对公路行车安全的危害以及保护路基，国内外的学者进行了大量的试验以及模拟分析.胡朋[1]等人运用有限元分析软件先建立路堤有限元模型，分别在不同高度下的路堤风速流场中进行了模拟分析，结果表明：路堤的高度决定了路堤上风速的大小，路堤越高风速越大，对行车安全的影响越大，根据这一规律提出行车安全的风速区域.梁国华[2]等通过ANSYS软件分别模拟出大车小车的实体模型并对它们施加一定的载荷和自由约束作为车辆滑移的指标，并且根据不同情况进行了120多种模拟计算，并根据结果划分出行车安全评估登记划分方案.罗泽轩[3]等在侧风作用下采用双向耦合的方法对汽车进行了伪阶跃瞬态数值模拟分析，并且与传统的单向耦合方法进行了对比，结果表明：汽车在侧风作用下稳定性问题的研究采用双向耦合方法更符合实际.王海龙[4]等通过ANSYS CFX多孔介质模型进行数值计算并分析高立式防风栅栏孔隙率的大小对路基防风阻沙的影响，结果表明：在戈壁铁路沿线常遇风环境下高立式防风沙栅栏最优孔隙率约为30%，此时能有效使来流风携带的风沙沉积，避免地面风蚀，阻固沙效能相对最优，可以用来保护铁路线路免受风沙沉积影响.张立群[5]等利用ANSYS CFD数值仿真模拟FLUENT不同工况下防风沙网板的防风阻沙能力，结果表明：孔隙率为0和低开孔率(<20%)有较好的遮蔽效果，此时风速最高降幅可达93%.

针对张家口地区气象特点，并结合本地地质条件，设计将防风栅栏和固沙砖联合使用，通过数值模拟优化结构参数，以获得侧风区段侧风通过防风屏障后形成的庇护区域对车辆行车安全的影响规律，为以后工程实际提供理论依据.

1 工程概况和研究方法

课题选取京张运输线高速公路小型汽车防侧风为重点研究对象，基于结构风工程和流体动力学，从分析极端自然风对车辆的影响入手，研究适用于强风区域较理想的防风结构体系.此运输线大多处于多风沙的地段，张家口地区天气气候复杂，气候干旱、风多雨少、无霜期短，风沙、风积雪等自然灾害频繁.气候特点：冬季寒冷而漫长，春季干燥多风沙.冬季末到春季末都是是一年四季大风出现比较频繁的季节，大风日数约占全年大风日数的50%之多.冬季结束到春季气温回暖，由于张家口地区的海拔在1000m左右，因此在太阳的照射下，近地表周围的土壤所受太阳能增加，一方面使地表表土壤解冻加快；在大风的作用下，近地面风沙沉向空中吹气，出现沙尘天气，尤其是张家口坝上地区地势宽阔平坦，植被覆盖率低，多沙土壤，春季是沙尘暴的多发季节.到2019年，张家口市高速公路的通车里程已达到1212公里，风沙带公路的占比约为30%，因此，采用远阻近固的方式来设计防风沙设施.“远阻”则通过采用的是不同孔隙率的高立式防风栅栏来降低风速.“近固”则通过固结沙粒来制作固沙砖，代替了原有的草方格沙障.

由于张家口地区环境复杂，结合当地风沙气候特点，利用ANSYS数值模拟仿真软件FLUENT，模拟出3种不同孔隙率的防风沙障以及背风侧的固沙砖共同保护路基，通过分析这三种工况下分析风速云图、风速矢量图等来确定防风栅栏、固沙沙障的形式，研究防风栅栏作用下对自然风的削弱作用和不同挡风屏障对流场的影响以及变化规律.以深入了解其对流场的影响对高速车辆安全行驶的作用机理.

2 模型分析

2.1 物理模型

在分析模拟当中，把固沙砖、防风栅栏作为张家口地区环境下数值分析的计算模型.计算区域的标准会直接影响风沙流湍化程度的是否充分，并会影响计算结果的精确性与可靠性.虽然在理论上，计算的流场区域越大，防风栅栏与固沙砖周围流场的湍化程度受流场区域的影响越小，计算的结果与现场实验的结果越接近、越可靠，但是这样做的结果无疑会使计算量大大增加，也会伴随着计算效率的降低.相反，当流场区域设置偏小，计算量减小，但是无法反应实际当中流场区域的湍流情况，从而误差也会大幅增加，合理的边界尺寸也是流场模型建立非常关键的一步.经过多次现场勘以及多次数值模拟流场区域，在ANSYS ICEAM CFD中建立二维模型，流场区域的总体尺寸为40×5m，路堤简化为等腰梯形刚体，上底长7m，下底长10m.高立式防风沙障的开孔率为0%、20%、40%，放置在进风口5m处.固沙砖放置在防风沙障后10m处，为了减小计算量并且为了增加模拟的准确性，固沙砖的基本参数是经过多次模拟试验分析找到最有利的固沙砖的基本参数，从而确定固沙砖的铺设宽度为5m，间隔为1m，固沙砖的孔隙率为5%.路基在距离第一排固沙砖10m的位置.X轴方向为风速方向，Y轴地面向上方向.

2.2 控制方程

本文为了将使模拟数值与实际流场误差降到最低，并且使计算量降低，风沙流在不考虑流体的压缩性、忽略颗粒与颗粒之间的相互碰撞[6].为了接近张家口地区的大气流场，认为大气流场是属于稳态、绝热、紊流，并采用k-ε紊流模型，采用如下的方程[8]进行计算：

(1)连续方程

(1)

(2)动量守恒方程

(2)

式子中Si是源项，可分为惯性损失和黏性损失

(3)

(2)标准k-ε的耗散率方程及湍流能.

(4)

式子中Gk为平均速度梯度而产生的湍动能.

即

(5)

式子中C1ε、C1ε、σε、σk分别取系统默认值：1.44、1.92、1、1.3.

(6)

2.3 其他设置

2.3.1 边界条件

边界条件的设置对模拟结果有很大的影响.边界条件的设置如表1所示

表1 边界条件设置

2.3.2 网格的划分

本文模拟的流场采用2D简化模型，网格采用非结构化网格划分.为了精准计算精度和加快计算效率，经过多次计算找到风沙流易湍流区域，并对此区域进行加密，此时工况一的计算网格数量为97998，工况二的计算网格数量为94522，工况三的计算网格为96525，三个工况均采用SIMPLE算法，离散格式才用的二阶迎风格式，此方式综合一阶迎风格式的速度，并且还有着比一阶迎风格式更高的精度，并在Residual中设置收敛误差为10-6.进口风速设置为20m/s，松弛因子数采用软件默认.

3 计算结果分析

当风速达到一定的速度的时候，地面的沙粒就会随风运动，沙粒的运动形式主要根据风速的风速的大小、颗粒的质量不同而定，沙颗粒主要有跃移、蠕移和悬移等运动形式.高立式防风栅栏的作用就是降低沙粒的启动风速，固栅栏前后一定的范围内会存在一定范围的沙粒的堆积现象[7].本文模拟的版块主要是分析栅栏前后流场的变化，因为本文采用的是2D模型，进口风速只有一个走向，就是是从左往右平行于上下边界，但会随着沙障、固沙砖、路堤的作用会在流场内部发生紊流、湍流等现象.因此将通过控制防风栅栏的孔隙率，研究栅栏前后流场的变化.在上述流场中，对孔隙率为0%、20%、40%的防风栅栏进行了模拟分析，得到如图1、2、3所示的栅栏前5m后10m速度云图、速度矢量图与固沙砖前后的速度云图、速度矢量图.

分析图1的风速云图明显地可以看出风速在防风栅栏并没有渗流活动，导致气流全部饶流，在遇到栅栏后受到阻碍而被抬升，并且在栅栏上方形成加速区，使得进口风在栅栏背风侧附近会对部分气体产生向上的吸力，加速区域边界和回流区域附近的气流沿着X轴方向逐渐减小，其压力会逐渐增强.可以看出回流区末端的风速不能继降低，压力不断上升的趋势还会保持不变.根据风速矢量图可以看出，在靠近地面的气流的方向被迫发生逆流，并且随着进口风速的不断输入，这时此工况下将形成最大的回流区域，虽然进口流体经过防风栅栏和固沙砖这俩层屏障到达路堤时，速度已经降低了48.9%.但是对于此地区还是能够达到一些细小颗粒的启动速度，对侧风行车安全造成威胁以及路堤造成损失.

(a)高立式防风栅栏前后风速云图和风速矢量图

分析图2分析速度云图和速度矢量图可以看出对整体的控制流场产生了显著的影响，由于沙障孔隙的存在，气流经过时会产生渗流现象，并且与回流窝相互作用则会抵消一部分回流区域，导致回流区域减小.由于沙障的的孔隙率不是很大，气流饶流造成的影响依然显著，但是产生的回流区域与图1模拟的工况有所下降.与图1气流产生的加速区相比减小，风速减速区域的范围相继减小，此时流体经过防风栅栏与固沙砖时，由于防风栅栏的孔隙率的增大，这样流体在孔隙处与防风栅栏顶面会形成加速区，相对于图1释放了在防风栅栏顶面出压力，流体经过俩层防风固沙到达路堤时，风速已经降到了3.2m/s，降低了84%.

(a)高立式防风栅栏风速云图和风速矢量图

分析图3的模拟分析风速云图和风速矢量图，流场的渗流作用进一步加强，随着防风沙障的孔隙率增加到40%时，其中的饶流作用会逐步减小.防风栅栏背风侧的回流基本消失殆尽，流场整体的气流加速区、气流减速去相比工况一大幅度的缩减，由于沙障的孔隙率过大，当来流风速经过第一层沙障时风速的降低相对图2、图1并不明显，当流体到达路堤时风速达到8.9m/s，路肩的风速为7.9m/s，还是能达到少量细小风沙的启动速度，此工况的防沙效益并不是最佳.

(a)高立式防风栅栏风速云图和风速矢量图

综合来看，三种不同开孔率的防风沙障以及后面流场的影响明显是不同的，在防风栅栏周围的风速降低也是不同的，因为孔隙率的不同，科恩达效应也会有所不同，随着开孔率的增加而增强，固定风沙的能力也变强，在流场渗流的影响下，回流窝的区域也逐渐减小.空气的饶流的影响作用衰减，并且对流场影响程度低于渗流.在工况二下流场受渗流作用以及饶流作用的共同影响相对较低，可以通过此工况来降低进口风沙流的沙砾含量，风沙的沉积效果较好，此时“远阻”的效果最佳.

显然三种工况下的固沙砖上方的风速大小略有差异，但三种工况下的固沙砖的摆放位置及固沙砖的基本参数是相同的，包括固沙砖的长宽高以及孔隙率，因此固沙模式是相同的，因此在固沙砖周围形成的回流区域、湍流区域以及加速减速区域的大小都是由它们前方防风栅栏孔隙率的大小所造成的整个流场风速大小不同所决定的.经过多次模拟分析以及前期试验确定了基本参数，在路基附近实现“近固”.

4 结 论

本文通过模拟试验分析方法，研究三种不同工况下，不同孔隙率的防风沙障和固沙砖对风沙的远阻近固效果的研究，通过对比分析得到结论：

(1)孔隙率为0%、40%的防风栅栏，虽然进口风速到达路堤时分别降到48.9%、55.5%，但对于侧风下行车安全还是有一定的威胁.

(2)孔隙率为20%的防风沙障在三种工况下，遮蔽范围最广泛，回流区域比较小，此工况下防风栅栏与后面的固沙砖搭配起来阻风固沙效果最佳，使得进口风速最大降低84%，进口风速降到侧风下汽车行驶安全的最低标准，能使进口风中的沙粒得到最大沉积，同时减小了风沙对路基的侵蚀.