格库铁路青海段桥梁与风沙流互馈过程数值模拟研究

崔建龙

(兰州铁道设计院有限公司,甘肃 兰州 730000)

风沙是沙漠地区一种典型的风成输沙方式,对沙漠地区地形地貌的形成产生了深远的影响[1]。风搬运沙粒是一个由地面抬升、扩散,最后沉积回地面的过程[2]。通常来说,沙害的形成要满足3个基本条件:第一,干旱少雨的气候条件;第二,强劲的大风;第三,丰富的沙源。对于沙区铁路来说,绝大部分满足以上条件,故风沙危害是目前困扰沙区铁路建设、发展以及安全运行的最主要因素[3-4]。

中国是目前全球沙区铁路里程最长的国家,累计里程达1.5×104km,同时也是遭受风沙灾害最严重的国家之一[5]。从我国的第一条沙区铁路——包兰铁路建成通车,到新近运营的格库铁路,几十年间我国已经建成了数十条沙区铁路。针对严重的铁路风沙灾害[6],国内外学者掀起了一场风沙防治研究的热潮,张克存等[7]通过野外风洞试验,在戈壁和流沙地表下,摸清了风沙流的风速廓线变化规律及风沙流结构的垂直分布特征;谢胜波等[8]对青藏铁路沿线进行实地调研,研究了地形、气候以及水文特征对铁路沙害的影响;Remigius[9]在风洞中研究了风沙跃移动力学和质量流,提出了一个输沙方程并推导出了颗粒阻力的表达式。以上学者基于野外实地调查和风洞试验,获取了大量的现场资料,为正确地认识和防治风沙灾害打下了坚实的理论基础。近年来,随着计算机技术的飞速发展,仿真模拟以其独特的优势成为研究风沙流问题必不可少的工具之一,如李驰等[10]应用CFD数值模拟的技术手段对不同路基高度、路面宽度和边坡坡率的公路进行研究,提出了沙漠公路路基的风蚀破坏规律;张军平等[11]基于Fluent软件,对铁路路基附近的风沙流场和积沙特征进行研究,揭示了风沙流与铁路路基的互馈规律;Horvat等[12]采用计算风工程的方法获得了地面的剪应力场,得出了沙粒的沉积和侵蚀模式,并讨论了不同来流风速下,不同铁路下部结构和轨道系统的积沙分布。以上研究对我国铁路路基风沙防治起到了至关重要的作用。风沙灾害不仅会作用于铁路路基,还会对铁路沿线的桥梁产生重要影响,但目前对于风沙流与铁路桥梁的相互作用过程却鲜有研究。

通过CFD流体仿真的技术手段,重点研究铁路桥梁附近的风速流场变化特征和风速梯度变化趋势,从而实现对铁路桥梁附近流场变化规律的认知和把握,阐释风沙两相流与铁路桥梁的互馈规律,为沙区铁路沿线桥梁的建设提供了参考模式和科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域环境特征

格库铁路青海段总里程约506 km,沿途经过青藏高原,夹于阿尔金山和昆仑山之间。线路多位于山脉风口和下风侧,风力强劲,干旱少雨,季节变化明显,且沿线分布大大小小几十座桥梁。研究区域附近为沙质地表,以中沙和细沙为主,附近分布各类沙丘,起沙风速为6 m/s,主导风向为WNW、W和NW,年平均降水量40 mm。

1.2 几何建模

以格库铁路青海段沿线一座3～24 m的简支T型桥梁为对象建立了三维实体模型,桥梁结构的基本参数为:T型梁高2.1 m,桥面宽4.9 m,梁底净空高2 m。采用AUTOCAD软件建立1∶1的桥梁三维实体模型,在SCDM中抽取外流域,基于计算机性能和合理试算,流域最终确定为120 m×72 m×20 m。桥梁的三维实体模型如图2所示。

图1 格库铁路桥梁附近积沙

图2 桥梁三维实体模型(单位:m)

1.3 网格划分

桥梁实体模型设置在距离风沙流入口10h(h为桥梁高度,h=4.1 m)处,采用Ansys Meshing进行非结构网格划分。考虑到计算精度的要求,需对桥梁附近进行10倍网格加密,其中桥梁附近单元尺寸控制为0.1,流域其余部分单元尺寸控制为1,为了使底层网格处于对数分布律的范围内,在底部壁面设置10层边界层,其中第一层边界层的高度为y+,增长速率为1.1,最终参与计算的网格数目为238万,网格质量良好。

1.4 边界条件与求解参数的设置

边界条件的具体设置见表1。

表1 边界条件选用

已有研究表明,风速廓线形式会对模拟结果产生重要的影响[13],为了使仿真结果更加精确,故采用自编UDF,使入口处风速廓线沿流域高度呈对数变化,轴线处风速大小分别为12 m/s、16 m/s、20 m/s和24 m/s,沙粒体积分数取2%。采用欧拉双流体非定常模型进行瞬态求解,附加k-epsilon湍流模型,在近壁面区域采用标准壁面函数来保证计算精度,求解方程选用SIMPLEC[14],计算残差设置为10-6,迭代步数为2 000步,步长为0.1 s,计算达到收敛,结果良好。

2 数值模拟结果分析

2.1 桥梁附近流场特征

风是风沙流运动的动力因子,对风沙流运动起着至关重要的作用。流场分布特征能够直观地反映气流流经桥梁附近的变化规律。因此,想要阐释桥梁与风沙流的互馈过程,首先要摸清桥梁附近速度流场的分布特征。

(1) 梁体周围 不同来流风速下梁体周围流场分布云图见图3。取Y=36 m平面处,入口轴线速度V=24 m/s为例进行分析。当气流运动到梁体附近时,受到梁体的阻碍,在桥梁迎风侧形成阻滞减速区,在桥梁上方2 m位置和地面附近各形成一个气流增速区,在梁体背风侧形成气流低速区;由于T型箱梁的特殊构造,气流在梁体附近发生分离,分别在梁体内侧和桥梁上表面形成局部低速区,受到逆压梯度的影响,在梁体背风侧形成风影区。气流继续向前运动,失去梁体的阻碍作用,加之过流断面突然增大,气流速度缓慢恢复至初始风速。随着来流风速的不断增大,梁体周围各速度分区有不断扩张的趋势。

图3 不同来流风速下梁体周围流场分布云图

(2) 桥墩周围 不同风速下桥墩周围流场分布云图见图4。取Y=24 m平面处,入口轴线速度V=12 m/s和V=24 m/s的流场云图进行分析。当气流运动到桥墩附近时,受到桥墩的阻碍,在桥墩附近产生明显的分区特征:在桥墩迎风侧形成阻滞减速区,桥墩上方形成气流增速区,桥墩背风侧形成明显的风影区、气流减速区和速度恢复区,且随速度增大,各个分区有扩大的趋势。与梁体不同的是,当气流运动到桥墩附近,气流只能向上抬升越过阻碍,使得桥墩附近的风影区和低速区面积增大,导致沙粒更容易在桥墩附近发生沉积,产生积沙,由此也进一步揭示了桥墩附近积沙更严重的原因。

图4 不同来流风速下桥墩周围流场分布云图

2.2 水平风速梯度变化

风沙流是风搬运沙粒形成的气固两相流,当风吹过沙质地表,受到风力作用沙粒产生运动,脱离地表形成风沙流。风搬运沙粒在地表附近随高度的变化规律,被称为风沙流结构。大量野外观测表明,风沙运动是一种贴近地表的沙粒搬运现象,在沙质地表下,风所搬运的沙粒90%以上发生在距地表30 cm的高度范围内,故对近地表风速梯度变化趋势进行研究,以此来明晰桥梁与风沙流的互馈过程。

不同来流风速下水平风速梯度变化曲线见图5。图5中H为距地面高度。整体上看,不同来流风速下,桥梁附近的风速变化特征基本一致,以入口轴线速度V=24 m/s为例进行分析。H=0.1 m和H=0.3 m处,水平风速的变化特征基本一致,H=4.2 m(距桥梁表面0.1 m)和H=4.4 m(距桥梁表面0.3 m)处,水平风速的变化特征略有不同。H=0.1 m和H=0.3 m处,气流在桥梁迎风侧约2 m位置处,降低至一个谷值,之后急剧增大,在桥梁背风侧约5 m位置处,达到一个峰值,整体呈“W”型变化。H=4.2 m处,气流遇到桥面后迅速降低跌至谷值,谷值为负说明在此区域出现了反向气流;H=4.4 m处,气流遇到桥面后陡然升高,随后迅速跌至谷值,随来流风速的不断增大,气流速度的最小值不断降低。此外,从图5中还可以看出,距地表0.1 m高度处的速度衰减幅度明显比距地表0.3 m高度处要大,这是因为当气流流经地表时,受到边界效应的影响,地表附近会产生一个随高度增加而减小的切向摩擦力,阻碍气流运动。

图5 不同来流风速下桥梁附近水平风速梯度变化

2.3 桥梁净空高度

过流断面对风速的大小起着决定性作用,当桥梁附近风速大于沙粒的起动风速时,往往会产生风蚀破坏,反之则产生风积破坏。对于桥梁来说,净空高度是气流流经梁底时的过流断面。以入口轴线速度V=24 m/s,净空高度h1分别为2 m、4 m、6 m、8 m为例,研究净空高度对桥梁附近流场分布特征的影响。

不同净空高度梁体周围流场分布特征见图6。取Y=36 m平面处流场进行分析,从图6可以看出,随着净空高度的增加,桥梁迎风侧阻滞减速区和背风侧低速区的面积不断减小,梁底加速区的面积不断增加。产生这种现象的原因是,随着净空高度的增加,过流断面不断扩大,大部分气流从桥下净空流过,使得迎风侧阻滞减速区的面积减小,梁底加速区的面积增加;气流继续向前运动,桥梁表面和地面附近的2个气流增速区不断相互挤压,使得背风侧低速区的面积减小。

图6 不同净空高度梁体周围流场分布云图

不同净空高度下桥梁附近的水平风速梯度变化曲线见图7。图7中H为距地面高度。从图7可以看出,近地表(距地表0.1 m和0.3 m)处,随着桥梁净空高度的增加,速度曲线整体呈下降趋势,速度曲线的波峰不断下降,从27.3 m/s降至22.8 m/s,降幅达16.5%,速度曲线的波谷不断升高,从10.8 m/s增大至14.9 m/s,增幅达38%,速度曲线的波动幅度不断减小,当桥下净空为8 m时,近地表处风速基本呈“M”型变化。同时还可以看出,在近桥梁表面处,随着净空高度的增加,速度整体变化呈上升趋势。

图7 不同净空高度桥梁附近水平风速梯度变化

通过上述分析,净空高度对桥梁附近的流场分布和风速梯度变化有较大影响,随着净空高度的增加,桥梁迎风侧阻滞减速区和背风侧低速区的面积不断减小,近地表处的水平风速整体呈下降趋势,但降幅不大。当净空高度达到8 m时,速度的波动幅度达到最小,基本趋于稳定,说明此时的风沙流仍处于平衡状态,加之低速区面积达到最小,基本不会在桥梁附近产生积沙。研究中桥梁模型的实际净空高度为2.1 m,可近似按净空高度为2 m的有限元模型进行分析。当净空高度为2 m时,过流断面减小,受到狭管增速效应的影响,近地表处风速较大,风沙流不易在梁底沉积;但受到梁体的阻碍作用,近地表风速降低到起动风速以下,部分蠕移和跃移的沙粒跌落在迎风侧阻滞减速区。部分沙粒跃过铁路桥梁,由于受到反向气流的影响,风速继续下降,气流的携沙能力大大降低,大部分沙粒跌落在背风侧低速区。因此,在今后的铁路桥梁建设中,在保证设计和经济的要求下,可以适当增加净空高度来减轻铁路桥梁积沙。

3 结论

通过CFD计算流体力学研究了不同来流风速、不同净空高度下,桥梁附近的流场分布特征和水平风速变化规律,得到以下结论:

(1) 风沙流运动到桥梁附近时,产生速度分区,桥梁迎风侧形成阻滞减速区,地表附近形成气流增速区,桥梁背风侧形成风影区和气流低速区;桥墩背风侧风影区和气流低速区的范围明显比桥梁附近大;随来流速度的增大,各速度分区有不断扩张的趋势。

(2) 近地表处,气流速度整体呈“W”型变化,气流运动至桥下净空时,速度增大至峰值,随后缓慢下降,且距地表0.1 m高度处的速度衰减幅度明显比距地表0.3 m高度处要大;H=4.2 m处,在桥面附近出现了反向气流;H=4.4 m处,气流遇到桥面后陡然升高,随后迅速跌至谷值。

(3) 随着桥梁净空高度的增加,桥梁迎风侧阻滞减速区和背风侧低速区的面积不断减小,迎风侧气流的衰减幅度不断减小,当净空高度达到6～8 m时,风沙流经过梁体时尚处于平衡状态,基本不会在桥梁附近产生积沙。

(4) 在保证设计和经济的要求下,适当增加桥梁净空高度,可以减轻铁路桥梁附近积沙,保证列车的安全运营,这一研究结果可作为今后沙区铁路桥梁的设计依据。