基于风洞模拟的不同出风口高度导风板的聚风效应

徐铮铮, 高 永,2,3, 韩彦隆,2,3, 张 超, 田晓宁, 王 鹏

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院, 呼和浩特 010011; 2.内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站,内蒙古 鄂尔多斯 017400; 3.内蒙古自治区风沙物理与防沙治沙工程重点实验室, 呼和浩特 010011)

在荒漠化防治进程中,输(导)沙工程措施可以改变风沙流的结构和方向改变沙物质的蚀积状态,包括导风板工程、羽毛排导沙工程和输沙断面工程等。其中导风板工程由栅栏工程发展而来,是一种典型的输沙工程措施,根据原理不同可分为下导风板和侧导风板[1]。常被应用于铁路[2]、公路的沙害[3]及风吹雪防治工作中[4]。目前导风板应用已深入到生产、生活等[5]方方面面,而在荒漠化防治领域,对于导风板组成的下导风工程的作用机理及工程体系等问题缺乏系统研究。其主要包括导风板不同倾角[6]、线路清沙[7]及其结构的优化配置等方面[7-8]。在风力强劲、沙源丰富的高大密集型流动沙丘地区,采用固沙、阻沙措施虽在短时间内可以达到控制沙害的目的,但随时间推移会造成更大的沙害[9]。导风板工程的作用机理是通过聚合加速作用使风沙流体加速通过区域,气流本身携带的沙物质基本不会降落在防护区内,防护区内积沙也会被吹走,达到聚风输沙的目的[10]。并且因其成本低廉、体积小、易于运输以及可实现大规模施工等优势,被广泛应用于输沙工程。因此,利用地形借助风力设置导风板工程措施在高大密集型流动沙丘的开发利用中更为有效。作为导风板工程的主要组成结构,其板面高度和开口高度直接影响工程聚风输沙能力[11],合理确定导风板板面高度与出风口高度对于获得高聚风输沙效益具有重要意义。作为风沙流常用的3种研究方法之一,相较于野外观测,风洞试验可以有效控制风力条件,而相较于数值模拟过于理想化的模拟环境,风洞试验又几乎可以完美模拟自然状况下的流场分布,并还原沙粒受力运动状态。因此,基于前人研究,运用风洞模拟手段,对与风向呈不同角度设置的不同出风口高度前倾式45°导风板的流场特征进行系统研究,实现对其流场规律的认识与把握,而后采用多元回归法建立导风板聚风效应定量模型,为预测不同条件下导风板干扰下风速,进而确定其配置模式提供理论支撑。

1 试验设计

1.1 试验风洞

试验在中国林业科学研究院沙漠林业试验中心可适应野外起伏地形的便携式环境风洞开展。由入口段、动力段、导流段、整流段、过渡段和试验段等组成的开口吹气直流式风洞,建成于2013年,洞体总长30 m(本文安装长度18 m),横断面面积1.80 m×1.90 m(内壁尺寸:宽×高)。风洞通过变频器调节风速,设计最大风速18 m/s,气流稳定性小于4%,风洞下边界层厚度28 cm。该风洞可以进行土壤风蚀、风沙动力地貌、风沙防治工程、种子风力传播等模拟试验研究。

1.2 试验材料

试验所用导风板原型为封闭式导风板,实际板面规格为2 m(长)×1 m(宽),本试验模型按5∶1将导风板缩小为40 cm×20 cm,材质为三合板,采用固定支撑架支撑于地面(图1)。模型在风洞试验段中的最大阻塞率为2.3%,满足风洞试验对阻塞率的要求[12]。

图1 导风板模型示意图Fig. 1 Schematic diagram of wind guide plate model

1.3 试验方案

本试验选取4种出风口高度的前倾式45°导风板进行试验,分别为h=3 cm,h=5 cm,h=7 cm和h=9 cm(换算为野外实际规格分别为h=15 cm,h=25 cm,h=35 cm和h=45 cm)。设置4个风向夹角,β=90°,β=60°,β=45°和β=30°。风速采用TSI AIRPRO风速计AP500进行测定。在净风条件下,选择3种风速梯度(4 m/s,6 m/s,8 m/s)进行空洞和不同模型气流速度场测定,设置数据采集频率为1 s,待气流稳定后,记录吹刮时间为1 min。测风高度分别为:1/2出风口高度处(1/2h)、出风口高度处(h)、导风板板面1/2处(1/2L),30 cm和40 cm。如图2所示,测点位置为模型迎风侧3H,模型背风侧:0.5H,1H,2H,3H,4H,5H,7H,9H,其中H表示模型高度(4个导风板模型高度分别为H=18.2 cm,H=20.2 cm,H=22.2 cm和H=24.2 cm)。测点换算为水平距离见表1。在空洞条件下测定风洞试验段上述各测点的风速作为对照风速。

表1 三种风速梯度下不同出风口高度导风板观测点位Table 1 Observation points of wind guide plate at different air outlet heights under three wind speed shavings

图2 风洞内不同角度导风板测点位置示意图(俯视图)Fig. 2 Schematic diagram of measuring points of wind guide plate at different angles in the wind tunnel(top view)

1.4 数据处理方法

采用Excel 2019对1 min内所测持续稳定(±4%)的风速数据进行平均,采用Surfer 21.1,Origin 2021软件进行风速流场和相对风速等的制图,利用SPSS 22.0的线性回归分析功能模块对导风板干扰下风速与各个因素之间的关系进行分析并构建预测模型。

采用相对风速对导风板的聚风效能变化进行定量分析。相对风速计算方法如下:

(1)

式中:u′为相对风速;u(x,y)为距离导风板x处,高度y处的平均风速(m/s);U(x0,y0)为空洞下试验段水平距离x,高度y处的平均风速(m/s)。

2 结果与分析

2.1 导风板对风速流场的影响

图4—7分别为β=90°,β=60°,β=45°与β=30°4种风向夹角条件下,导风板模型纵剖面风速流场特征。以空洞测得的风速流场作为对照。对比图3可知,在测定范围内,各风速流场大体可分为4个重新组合的风速能区,但能区大小、强弱各有不同。来流受到导风板阻挡后能量强烈衰减,导致其进风口区域风速明显下降,形成降速区并在模型中后部形成较为明显的风影区(后文将降速区及风影区统称为弱风速区)。当气流到达导风板处时,在板面某一点产生分离,一部分气流被迫抬升形成绕流,在导风板顶部形成增速区;另一部分气流沿板面向下流动与近地表气流相汇加速通过出风口,在出风口处产生狭管效应,形成一定范围的强风区。而后气流到达相对宽阔地域时发生扩散,形成风速减弱区。随着导风板与主风向夹角β的减小,导风板垂直风向投影面积减小,流经导风板处的气流产生平行和垂直导风板方向的分量,使导风板侧导效应加强,流动的区域逐渐合并,划分的区域越来越少。此时,过境气流在背风侧汇集,又产生新的集流加速区。

注:水平距离0表示模型摆放位置,“-”表示导风板模型迎风侧。图3 空洞风速流场Fig. 3 Air velocity flow field of cavity

图4 β=90°导风板风速流场Fig. 4 Wind velocity flow field diagram of the wind guide plate when the wind direction angle β=90°

当风向夹角β=90°时,不同风速条件下不同出风口高度导风板流场特征如图4所示。4个出风口高度导风板顶部增速区分布范围依次为-1.4～4.1H,-2.4～1.9H,-1.1～0.9H,-2.3～1.6H。增速区内最大风速分别为4.28,4.35,4.21,4.28 m/s,较CK同位置分别增加8.91%,10.69%,7.13%,8.91%。随风速增大,顶部增速区逐渐向导风板处移动。当h≤5 cm时,随风速增大导风板顶部增速区影响范围呈减小趋势;h>5 cm时则呈逐渐增大趋势。h=3 cm和h=7 cm导风板在4 m/s风速条件下无强风区。h=5 cm和h=9 cm导风板强风区分布范围分别为-1.6～0.8H和-1.5～0.7H。强风区内最大风速分别为4.07,3.97 m/s,较CK同位置分别增加29.21%,23.29%。当h≤5 cm时,随风速的增大导风板强风区影响范围呈减小趋势;h>5 cm时呈逐渐增大趋势。随导风板出风口高度的增加,强风区的影响范围呈先增大后减小再增大趋势。弱风区的影响范围随风速的增大逐渐增大。且出风口高度越高,弱风区影响范围越小。扩散减速区随风速的增大影响范围逐渐增大。随出风口高度的升高,扩散减速区由原来的1个区逐渐分解为2个区域。

当β=60°时(图5),4个出风口高度导风板顶部增速区分布范围分别为-0.5～1.9H,-0.5～0.7H,-1.1～0.8H,-3～3.6H。增速区内最大风速分别为4.18,4.06,4.19,4.38 m/s,较CK同位置分别增加6.41%,3.36%,6.67%,11.51%。当h≤7 cm时,随风速增大导风板顶部增速区影响范围呈先增大后减小趋势;h>7 cm时,则呈减小趋势。h=3 cm,h=5 cm和h=7 cm导风板强风区分布范围分别为-0.9～0.6H,0～0.4H,-1.4～0.8H,h=9 cm导风板无强风区。强风区内最大风速分别为3.40,3.28,3.84 m/s,较CK同位置分别增加8.28%,4.13%,20.0%。随导风板出风口高度增加,强风区影响范围呈增加趋势。随风速增大,弱风区无明显变化。扩散减速区影响范围随风速增大逐渐增大。随出风口高度增加,扩散减速区逐渐分解为两个区域,且影响范围逐渐减小。

图5 β=60°导风板风速流场Fig. 5 Wind velocity flow field diagram of the wind guide plate when the wind direction angle β=60°

当β=45°时(图6),4个出风口高度导风板顶部增速区分布范围分别为-0.4～0.7H,-0.3～0.5H,-1.6～1.8H和-3～9H。增速区内最大风速分别为4.07,3.96,4.19,4.38 m/s,较CK同位置分别增加3.61%,0.81%,6.67%,11.51%。随风速增大,h=3 cm导风板顶部增速区影响范围呈先增大后减小趋势;h=5 cm和h=9 cm导风板呈逐渐增大趋势;h=7 cm导风板呈先减小后增大趋势。顶部增速区影响范围随出风口高度的增加呈先减小后增大趋势。在该风向夹角条件下,导风板垂直风向投影面积减小,导风板侧导作用加强。各风速条件下,4个出风口高度的导风板均无强风区。过境气流在背风侧汇集,形成新的集流加速区。h=3 cm导风板无集流加速区,其余3个出风口高度导风板集流加速区分布范围分别为0.2～1.0H,-0.1～2.9H和1.3～9H。随风速及出风口高度的增加,集流加速区影响范围均逐渐增大。

图6 β=45°导风板风速流场Fig. 6 Wind velocity flow field diagram of the wind guide plate when the wind direction angle β=45°

如图7所示,当β=30°时,h=3 cm和h=5 cm导风板无顶部增速区,其余导风板顶部增速区分布范围分别为-2.5～4.5H和-3～3.4H。增速区内最大风速分别为4.20,4.23 m/s,较CK同位置分别增加6.92%,7.69%。随风速的增大,h=3 cm,h=5 cm和h=9 cm导风板顶部增速区影响范围逐渐增大,h=7 cm导风板顶部增速区影响范围呈先减小后增加的趋势。顶部增速区影响范围随出风口高度的增加呈增大趋势。仅h=5 cm导风板在6,8 m/s风速条件下存在强风区,分布范围分别为-1.3～1H和-0.5～0.4H。强风区内最大风速分别为5.43,6.96 m/s,较CK同位置分别增加12.55%,44.27%。h=7 cm和h=9 cm导风板集流加速区分布范围分别为0.4～2.4H,1.7～4.5H。随风速的增大,集流加速区影响范围逐渐增大。

2.2 导风板相对风速变化特征

相对风速反映导风板聚风能力的变化特征。相对风速越大,导风板聚风效能越高。对来流中颗粒物起疏导作用的主要为近地面的强风区,故对导风板1/2出风口高度处相对风速特征进行分析。

如图8所示,不同的风向夹角条件下,随着导风板出风口高度的增加,导风板1/2出风口高度处相对风速变化趋势存在差异。当β=90°(图A—C)时,导风板1/2出风口高度处相对风速随出风口高度的变化呈现出先升高再降低然后升高的趋势。4个出风口高度导风板相对风速平均值分别为1.14,1.31,1.13,1.25;β=60°(图D—F)时,呈先升高后降低趋势。4个出风口高度导风板相对风速平均值分别为0.93,1.13,1.23,1.14;β=45°(图G—I)时,呈逐渐升高趋势。4个出风口高度导风板相对风速平均值分别为0.85,0.90,0.99,1.03;β=30°(图J—L)时,呈先升高后降低趋势。4个出风口高度导风板相对风速平均值分别为0.87,1.05,1.00,0.97。说明不同的风向夹角、不同出风口高度的导风板对相对风速变化的影响程度存在差异,β=90°,β=60°和β=45°时,h=9 cm导风板对相对风速变化影响的波动性更大,β=30°时,h=5 cm导风板对相对风速变化影响的波动性更大。

综上所述,不同风向夹角、不同出风口高度的导风板对相对风速变化的影响程度存在差异。当迎风夹角β=90°和β=60°时,各导风板在1/2出风口高度处相对风速均随水平距离的增加均呈先增加后减小再增加而后趋于稳定的趋势。由于出风口狭管效应,绝大部分导风板均能在水平测点0.5H处达到相对风速峰值。而后由于气流发生扩散,在水平测点2H(在4 m/s风速条件下,h=9 cm导风板为3H)处风速减弱为最低值。当迎风夹角β=45°和β=30°时,导风板垂直风向投影面积急剧减小,侧导作用加强。此时,过境气流在导风板后汇集,对水平距离1H后的气流有较大的加速效果。

2.3 导风板聚风效果的预测模型

多元线性回归模型是描述变量的相关性模型,在满足模型决定系数、相关性检验等基础上,可对因变量进行预测[13]。研究表明,导风板倾角、气流扩散角、山坡坡度、风向与下导风走向的夹角以及风速等均能作为下导风防护效果的标志[14]。在前人研究的基础上,本研究选取风向的夹角(β)、出风口高度(h)、来流风速(V0)和距离导风板水平距离(x)4个影响因素作为自变量,运用多元回归分析方法,建立导风板1/2出风口高度处风速多元回归预测模型。

利用SPSS软件对3个风速条件下4个风向夹角、4个出风口高度的导风板各9个水平点位的432个样本数据进行多元线性回归。回归分析结果见表2—4。

表2 模型摘要bTable 2 Model summaryb

此多元回归模型方程调整后的决定系数R2=0.758(表2),说明自变量(风向的夹角、出风口高度、来流风速以及距离导风板的水平距离)可以解释因变量(导风板干扰下1/2出风口高度处的风速)75.8%的变化,模型拟合程度较高。对回归方程进行显著性检验(表3),得出p值为0.000<0.05,认为自变量和因变量有很强的相关性,回归方程有显著意义。由表4可知,所选参数p值均小于0.05,可见其对导风板风速均有显著影响,参数选用较为合理,且VIF值均小于5无多重共线性问题。各因素对风速的影响程度为来流风速>导风板出风口高度>距离导风板的水平距离>风向夹角。可得最终预测模型为

表3 F检验aTable 3 F testa

表4 系数aTable 4 Coefficienta

V(x)=-0.144+0.145h+(-0.022)β+

0.808V0+0.092x

(2)

式中:V(x)为导风板干扰下1/2出风口高度处的风速(m/s);h为出风口高度,本文取3,5,7,9 cm;β为风向夹角,取90°,60°,45°,30°;V0为来流风速,取4,6,8 m/s;x为距离导风板的水平距离,取-3,0.5,1,2,3,4,5,7,9H(“-”号代表导风板模型迎风侧,H代表导风板模型高,单位为cm)。

3 讨 论

本研究对不同风速条件下,与风向呈不同夹角的不同出风口高度导风板的流场特性进行风洞模拟,基本掌握了各条件下的流场特征。在自然过程中,风向是不固定的,本研究通过调整导风板与风向的夹角,模拟了自然状况下多变的风向,更具实践意义。从风洞模拟结果来看,与韩彦隆[15]对不同倾角导风板聚风输沙机理的野外试验流场规律相一致,表明导风板风洞试验和野外试验对于流场的作用具有一定的相似性,可为实际应用提供理论参考依据。

导风板布设与地面呈45°角,将导风板所在流层流体的动能和位能重新分配,加强了导风板上、下端流体运动的能量,使原来流经地表的“一次流”变为人为干扰下的“次生流”[16-17]。研究表明,4种不同出风口高度的导风板在不同风向夹角条件下均表现出明显的流速分区特征。大体可以划分为4个典型区域:顶部增速区、底部强风区、弱风区及扩散减速区。

这些典型区域分别表示气流的不同运移特征,影响了导风板周围沙粒的跃移传输及沉积特征[18]。来流到达导风板处时在板面某一点产生分离,一部分气流被迫抬升,与上方气流汇合,在顶部形成增速区。另一部分气流沿板面向下流动与近地表气流相汇加速通过出风口,在出风口处产生狭管效应,导致气流携沙能力加强。辛林桂[7]、陈柏羽[8]等认为导风板与挡沙墙对风速流场的作用具有一定的相似性,都是一种带有尖缘的钝体,也有减速区,涡流区以及上方加速区和下方加速区生成,此与本研究结果一致。且加速区的范围和风速大小可以反映导风板输导效果。导风板与光伏电板结构类似,其对过境气流的作用机理也类似。陈曦[19]、唐国栋[16]、袁方等[20]、孙涛等[21]研究显示光伏电板出风口后方出现一定范围的风速增大,此与本研究结果一致。石龙等[22]对挡风墙设置向上开口的斜插板,通过向上输导过境气流以减小对过往车辆的影响,起到了同导风板相似的输导作用。蒋富强等[23]通过进行挡风墙下部开口疏导线路积沙试验,结果表明开口后铁轨支撑层台阶气流处在加速区,使其积沙量和积沙面积均显著减小。刘贤万[24]、张超[25]等研究发现,下导风工程在板后贴近地层会出现一个风速减弱区域。同样,本研究结果中在模型背风侧2H附近风速也出现了一定程度的减弱。分析原因可能是气流通过导风板与地面形成的狭管后进入开阔区域会出现一定程度的扩散,从而使得风速再次减弱。且随出风口高度的增加气流通过狭管后受到的挤压减小,扩散能力减弱,使得扩散减速区逐渐分解,且影响范围逐渐减小。本研究还发现,当β<60°时,各导风板均无底部强风区和扩散减速区,而是在导风板背风侧产生新的气流加强区。分析原因可能是由于风向夹角变小,导风板侧导作用加强,流动的区域逐渐合并,导致划分的区域越来越少,过境气流在板后一定距离重新聚集导致风速加大。各风向夹角条件下,随出风口高度的增加导风板强风区呈逐渐增大趋势,分析原因可能是出风口高度的增加有助于导风板汇聚更多的风能,更有利于狭管效应的产生。随风向夹角的增大,h≤5 cm导风板强风区影响范围逐渐增大,而h≥7 cm导风板强风区的影响范围则逐渐减小,以风向夹角β=60°时,h=9 cm导风板强风区影响范围为最大。将出风口高度为9 cm的导风板(换算为野外实际规格分别为h=45 cm)与主风向呈60°设置于沙丘迎风坡,能有效影响过境气流的运动规律,降低沙丘高度,减小高大密集型流动沙丘的治理难度;更有利于背风坡和丘间低地水源涵养,提升人工植被成活率及生态系统的稳定性。

4 结 论

(1) 整体来看,不同出风口高度导风板风速流场均可划分为增速区、强风区,弱风区及扩散减速区。随风向夹角逐渐减小,导风板侧导作用增强,流动的区域逐渐合并,划分的区域减少,过境气流在导风板背风侧聚集从而产生新的集流增速区。不同出风口高度及风向夹角下导风板流场特征存在显著差异。β=90°时,h=3 cm导风板顶部增速区影响范围最大,h=5 cm导风板底部强风区影响范围最大。风向夹角β=60°时,h=7 cm和h=9 cm导风板形成的强风区面积明显大于其他导风板,以h=9 cm导风板影响范围为最大。β=45°和β=30°时,h=9 cm导风板顶部增速区和集流加速区影响范围均最大。总体来看在聚风效果上,β=60°时h=9 cm导风板优于其他导风板。

(2)β=90°和β=60°时各导风板1/2出风口高度处相对风速随水平距离的变化近似呈“N”形变化。由于狭管效应,绝大部分均能在0.5H处达到相对风速峰值,而后气流发生扩散,到2H处降为相对风速最低值。当迎风夹角β=45°和β=30°时,导风板侧导效应增强,过境气流在背风侧汇集,此时对水平测点1H后的气流有较大的加速效果。β=90°,β=60°和β=45°时,h=9 cm导风板对相对风速变化影响的波动性更大;β=30°时,h=5 cm导风板对相对风速变化影响的波动性更大。导风板1/2出风口高度处风速预测模型V(x)=-0.144+0.145h+(-0.022)β+0.808V0+0.092x(R2=0.758),模型拟合程度较高。