高速公路透风型挡风墙不同位置防风特性的数值模拟研究

应用FLUENT软件对侧风影响下高速公路汽车运行时的气动特性进行了三维稳态数值模拟,研究了透风型挡风墙在不同位置时汽车气动侧向力系数、升力系数及倾覆力矩系数随横摆角变化的特征,并与不设挡风墙的流场特征进行了对比。结果表明,修筑透风型挡风墙能够有效地减弱侧风对小轿车的作用力;同一侧风状态下,透风型挡风墙的不同修筑位置对应不同的汽车的气动侧向力系数、升力系数及倾覆力矩系数。汽车运行速度为120 km·h-1,横摆角为31.0°或36.9°时（侧风风速为20 m·s-1和25 m·s-1）,透风型挡风墙最佳的修筑位置为距离路肩2.1 m,此时的倾覆力矩系数最小;当横摆角为42.0°或46.4°时（侧风风速为30 m·s-1和35 m·s-1）,透风型挡风墙的最佳修筑位置为距离路肩2.4 m。     

特大风区防翻车挡风墙工程设计的风洞实验研究

在我国新疆特大风区为防止火车车辆倾覆设置挡风墙。实验测定挡风墙的表面压力分布、最佳疏透度、路基高度和不同轨心距的挡风墙合理高度等指标，挡风墙工程以高３ｍ紧密结构矩形体为宜。     

风沙环境中公路风沙灾害的数值模拟

为揭示沙漠公路两侧风沙流场的空间分布特性,采用欧拉-拉格朗日方法,把气流作为连续介质,把沙粒作为离散体系,利用ANSYS标准k-ε湍流模型和DPM离散相模型,模拟了不同沙粒粒径(150、200、250、300、350μm)、不同摩阻风速(0.20、0.35、0.50、0.65、0.80 m·s^-1)、不同挡风墙高度(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m)以及不同挡风墙开孔情况下的公路路基附近的沙粒跃移运动,统计了挡风墙前后的沙粒数目,给出了公路路基坡脚和坡顶等典型断面上的气流速度廓线。结果表明:气流通过挡风墙顶部时受压加速,有利于沙粒的输送,而在挡风墙前部气流遇阻减速,形成沙粒堆积。随着沙粒粒径的变大,沙粒跃过挡风墙的能力逐渐变低;随着摩阻风速的变大,气流输运能力增强,更多沙粒越过挡风墙;随着挡风墙高度的增加,阻挡沙粒数亦逐渐增多;挡风墙开孔的位置和大小亦影响着沙粒的运动。这表明离散相模型对复杂下垫面风沙跃移运动的计算具有良好的效果。     

高速铁路沿线短时大风预测方法

高速铁路沿线短时大风预测对于保障列车的安全运行至关重要。运行列车振动频率与侧风频率相同时所形成的共振极端情况,极易造成列车倾覆事故。通过分析列车的振动模态与侧风频率,建立了侧风共振简化模型,并运用阻尼振动方法得出列车典型倾覆时间为10 s。通过建立铁路在山丘后方和在三座呈品字形分布的山丘之间两种标准模型,以跃阶函数表示风场来流的变化,用以考察模型对来流变化的响应和地形因素对预测的影响。结果显示：基于格子玻尔兹曼的多观测点的准三维预测方法能够反映流场在变化来流中的响应以及地形对流场的影响。这种方法可能是解决大风预测问题的有效途径,值得深入研究。     

挟雨风对高速列车气动特性及运行稳定性影响的数值模拟

基于欧拉双流体模型,运用商用CFD软件FLUENT,对挟雨风条件下高速列车的气动特性和运行稳定性进行了三维模拟研究。分析了不同横摆角和暴雨强度下气动力和倾覆力矩的变化特征,并与无降雨条件下的相应结果进行比较。结果表明：受降雨影响,列车受到的阻力、侧向力和倾覆力矩均增大,列车气动性能损耗增加,运行稳定性降低。在模拟的降雨强度和横摆角条件下,阻力系数将提高1.8%~38.6%,侧向力系数提高0.1%~9.16%,导致列车的能耗增加;倾覆力矩系数提高1.8%~10.0%,意味着与净侧风相比,挟雨风进一步降低了列车的运行稳定性。     

新疆“百里、三十里风区”铁路沿线设计风速研究

为使通过新疆“百里、三十里风区”的铁路抗风达到既安全又经济的目标,使用风区内气象站和铁路测风站风资料分析了风速风向的分布规律和两种站之间风速相关关系,采用极值Ⅰ型分布推算确定了铁路沿线合理的设计风速.研究表明:十三间房和达坂城是两风区平均风速和最大风速的最大站,年平均风速分别为5.4 m/s和6.1 m/s,10 mi...     

阿拉尔——和田沙漠公路风沙运动若干规律监测研究

以塔克拉玛干沙漠为研究区域,将覆盖塔克拉玛干沙漠的17个气象站近50 a(1961-2010年)历史资料与沙漠公路沿线近3 a(2007年4月~2010年4月)5层梯度风短期监测资料,以及沙漠公路7种防风阻沙体系下典型横断面5层梯度风监测资料进行信息化整编和规范化计算,对阿和沙漠公路风沙运动若干规律进行了系统研究。结果表明:(1)阿和沙漠公路沿线气象站10 m高度最大瞬时风速与沿线梯度风监测站及短期监测站距路面4 m高度最大瞬时风速具有空间相关性,平原路段空间代表性为20~40 km;特殊路段空间代表性为5~10 km;(2)沙漠公路沿线迎风侧最大瞬时风速比背风侧偏大1.15~1.30;(3)沙漠公路沿线2 a一遇最大瞬时风速水平分布规律是以沙漠公路中部向南北递减,最大值出现在k66.7~k326区间;(4)沙漠公路北部强风主风向WNW和N风,次强风主风向ENE和NE风;沙漠公路中部全年强风主风向ENE和NE风,次强风主风向为NNW风;沙漠公路南部全年强风主风向W风,次强风主风向为WNW风;(5)沙漠公路沿线起沙风是随7种防风阻沙体系的作用存在明显差异,以芦苇、草帘子方格防风阻沙体系下2 m高度的起沙风速和沙粒过路临界风速为最大,分别为8.0~9.0 m/s和10.0~11.0 m/s,对输沙贡献最大的有效瞬间风速在8.0~15.0 m/s之间;黑土工袋方格防风阻沙体系下起沙风速为4.0~5.0 m/s,沙粒过路临界风速为5.0~6.0 m/s,防风阻沙效应最差,建议更换。     

兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质垂直分布特性

跃移质作为风沙流的主体,其近地表垂直分布规律是风沙物理学的重要研究内容,对防沙工程具有重要的指导意义。受研究条件与观测仪器限制,戈壁特别是极端大风区近地表风沙流结构特性研究较为薄弱。利用多梯度风蚀传感器与阶梯式集沙仪对兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质的垂直分布特性进行了观测研究。结果表明：兰新高铁烟墩风区戈壁沙粒发生跃移运动的2 m高临界风速达12 m·s^-1;戈壁近地表风沙流具有明显的阵性特征,沙粒跃移发生的时间比例在50%以下,与平均风速成正相关关系,与风速脉动强度无显著相关关系;2 m高阵风7级风速下,戈壁跃移沙粒主要集中于地表50 cm范围内,近地表风沙流结构呈"象鼻效应",跃移质最大质量通量出现在地表2.5~5 cm高度处,沙粒最大跃移高度可达2 m,且沙粒跃移高度随2 m高风速的增加呈指数规律递增。因此,兰新高铁烟墩风区2 m高阻沙栅栏不足以完全阻截戈壁风沙流,是造成烟墩风区兰新高铁轨道积沙的重要原因之一。     

风电场风速规律分析及风电功率预报方法研究

利用陕西省某一风电场区域内的观测资料,分析了该风电场的风速规律,并引入最优训练 期方案,研究利用线性回归方法建立风电功率预报模型的可行性。结果表明：该风电场区域,不同 高度的风速及其高度间的风速差异均表现出最大值出现在夜间,最小值出现在白天,从低层到高 层的风速日变化趋势一致的特征。一日中,风速与风电功率在 09:00 ~ 17:00 时段的相关系数明显 小于其它时段。按照风速是否大于 5 m·s^-1 将训练期观测样本分为 2 组,可以明显改善风速与风电 功率的回归关系。以风机轮毂高度处的风速作为预报因子,并引入风电功率与风速之间相关系数 的日变化规律、以及不同风速量级下风速与风电功率之间回归关系的差异性,采用最优训练期方 案和一元线性回归方法建立的风电功率预报方程,具有预报误差小和最优训练期短的特点,满足 实际业务需求。     

两种背景场改进方案对新疆“狭管”风区风场预报性能评估

为了客观评价Wind Energy Resource Assessment System /CMA(简称WERAS/CMA)系统(CTL方案)和将其中的客观分析法改成四维同化系统(简称FDDA方案)对既受狭管效应影响、又受湖陆风影响的阿拉山口和达坂城-小草湖风区起伏下垫面中的风能资源数值模拟的优劣,根据2009年7、10月和2010年1、4月 12UTC的NCEP再分析资料以及同期CMACAST下发的WMO各种常规观测资料开展了风场预报效果对比实验。结果表明:(1)对复杂区域而言,两种方案比过去单纯只用中尺度模式进行风场模拟的平均相对误差至少减小10%;(2)总体而言,两种方案对70 m高度处的风速模拟误差要大于30、50、100 m处的误差,在受多种环流尺度影响区域,模式在刻画平均风速/风向频率廓线方面的缺陷均极其相似;(3)在70 m高度上,两种方案5 m·s^-1以内的风速平均相对误差可达60%～130%,>5 m·s^-1的误差可控制在15%以内;对受湖陆风影响区域的模拟误差明显偏大,误差大小与湖陆风效应的季节变化有关; (4)两种方案均能抓住70 m左右高度上不同等级风速段的气候背景,对达坂城风区5～15 m·s^-1风速段的Ts预报评分可达0.6～0.7,对阿拉山口和小草湖风区≤5 m·s^-1风速段的Ts预报评分分别可达0.6～0.7和0.9左右。然而,对达坂城风区≤5 m·s^-1风速段的Ts预报评分仅0.3～0.4;(5)两种方案对所有风区需采取停机保护措施的、15 m·s^-1以上强风预报的Ts评分仅在0.4～0.6;(6)同一测风塔不同高度上,FDDA方案对风的预报效果不一定总优于CTL方案,但在70 m高度上,FDDA总体略优于CTL;即使同一风区,各个测风塔之间两种方案的预报效果也是因局地多尺度环流影响的不同或因预报的高度不同或预报季节的不同而异,这种预报误差差异的机理还有待探究。     

斜插板挡沙墙设计参数优化数值模拟

本文基于FLUENT欧拉双流体非定常模型,对不同设计参数的斜插板挡沙墙周围风沙两相流运动特性进行了数值模拟。结果表明：挡沙墙透风率越小,积沙量越大,但沉积的沙堆越靠近挡沙墙,越容易被埋,透风率宜设计为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°;背风侧有效影响范围区内,风速在水平方向与垂直方向风速轮廓线分别呈左“V”形分布与倒“S”形分布;风速一定时,背风侧空气动力有效阴影区范围随挡沙墙高度的增加而逐渐增大;挡沙墙高度一定时,背风侧沉沙区随风速的增大向下风向移动;挡沙墙高度越大,承受的风压越大,工程造价越高,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1.5～2.0 m。     

青藏铁路沿线不同类型挡沙墙阻沙率

基于风洞试验对青藏铁路沿线不同类型防沙措施防沙效果进行模拟研究,探讨了不同类型挡沙墙的防沙效果。结果表明：挂板式、轨枕式和箱式挡沙墙输沙率随高度基本呈递增缓变型趋势,最大输沙率低于20%;铃铛式和高立式聚乙烯（PE）网挡沙墙随高度呈递减陡降型趋势,距地表6~8 cm处为转折点,转折点以上输沙率随高度增大急剧减小,转折点以下输沙率随高度变化较为平缓,最大输沙率低于50%。随着风速的增大,各挡沙墙的阻沙率呈递减趋势：挂板式和轨枕式挡沙墙对风速的敏感性最弱,整体阻沙效果较优,可大范围推广;箱式挡沙墙对风速的敏感性较弱,建议在风速18 m·s^-1以下的地区使用;PE网挡沙墙防沙效果对风速的敏感性最强,建议在风速10 m·s^-1以下的地区使用。     

不同间距双排尼龙阻沙网防风效应的风洞模拟

为揭示风速和间距对双排尼龙阻沙网防风效应的影响,开展对2H、5H、10H、15H（H为尼龙网高度）间距尼龙阻沙网在6、9、12 m·s^-1风速下的风洞模拟试验,对不同风速、间距下加速率等值线、变化趋势和防风效能进行对比分析。结果表明：①风速和间距对双排尼龙阻沙网加速率极小值出现的相对位置基本无影响,但后排网后极小值小于前排网后,两排尼龙网对风场的影响存在累加效应。②双排尼龙阻沙网防风效应随来流风速增大而明显降低。③2H、5H间距双排尼龙阻沙网防风效应相对较好,5H最优,10H最差该结果与相同间距设置的野外实验相一致。实际应用中尼龙阻沙网的布设应综合考虑风况、布设间距等因素,笔者建议双排尼龙阻沙网布设间距采用5H。     

低覆盖度羽翼袋沙障防风积沙效应的风洞试验

羽翼袋沙障是按照底袋固定流沙和袋上的羽翼片在风中波动削弱风速而设计出来的组合沙障,已获得专利授权。本试验针对羽翼袋沙障,在4种风速条件下,模拟了风速流场和阻沙固沙效果。结果表明：（1）与袋状沙障（对照）相比,羽翼袋沙障防风效果平均增加了48%,且风速越大降低风速效果越明显,说明羽翼片的波动能够显著消弱风速。（2）与对照相比,羽翼袋沙障的输沙量分别降低81.44%（翼高10 cm）、88.92%（翼高20 cm）。（3）同样是直径10 cm的袋,翼高20 cm的羽翼袋沙障风蚀量比翼高10 cm的降低风速13.6%,减少风蚀量19%。羽翼袋沙障具备固沙与削弱风速的作用,显著提高沙障的防风固沙效果,为防沙治沙开拓了新途径。     

不同沙源供给条件下砾石床面的风沙流结构与蚀积量变化风洞实验研究

通过对不同沙源供给条件下各种砾石床面的风沙流结构、床面风蚀及堆积沙量变化的风洞实验,结果表明,风沙流结构是判断戈壁风沙流饱和与不饱和的一个重要途径,不同的戈壁风沙流结构对床面输、阻沙特性具有不同的指示意义。近地表0～6 cm高度内的风沙流结构决定了床面的输、阻性质,而6 cm以上的风沙流结构反映了风力对沙物质的输送状况。沙源供给的丰富与否,决定了风沙流的饱和程度,以及风沙流在砾石床面产生的蚀积状况。同等风速条件下,饱和风沙流的输沙率是非饱和风沙流输沙率的2～8倍。在饱和风沙流情形下,床面过程总体以积沙为主,且随风力的增强,床面积沙量急剧增加。在不饱和风沙流情形下,砾石床面总体以风蚀和输送沙物质过程为主,风沙流结构在0～2 cm高度内反映出砾石床面具有明显的阻沙功能,在2～5 cm高度上出现最大输沙值。     

砾石级沙粒胶结体抗风蚀效益的实验研究

塔克拉玛干沙漠腹地部分垄间地表发育了一种由众多沙粒胶结而成的大颗粒物质,称为沙粒胶结体(sand cemented bodies,缩写为SCB),其直径达到粗沙级、极粗沙级和砾石级。为了研究其对地表风沙活动的影响,本研究以野外采集的砾石级沙粒胶结体(gravel-size sand cemented bodies,缩写为GSSCB)为实验材料,在净风和挟沙风条件下进行了GSSCB覆盖沙面的抗风蚀模拟实验。结果表明:床面的蚀积状态与来流条件、GSSCB覆盖度和风速均有关,净风时所有覆盖度床面均呈风蚀状态,挟沙风时随覆盖度和风速而变化,床面可呈3种状态-风蚀、蚀积平衡、风积;在风蚀状态时,床面风蚀率随覆盖度增大以指数形式降低,随风速增大而以多种函数形式增加,抗风蚀效率随覆盖度增大而逐渐增加,但不同覆盖度范围增加率不同;挟沙风条件下呈蚀积平衡状态时的床面覆盖度临界C_b值与风速大小有关,随风速增加呈幂函数形式增加;在挟沙风条件下,覆盖度大于C_b值时床面呈风积状态,积沙率与风速的关系较为复杂,80%覆盖度床面积沙率随风速增大呈对数形式增加,但40%覆盖度床面积沙率则随风速增加呈指数形式降低。可见,由于与砾石的物理性质相近,GSSCB覆盖确实具有与砾石相类似的抗风蚀效益,并且在一定覆盖度条件下还能捕获风沙流挟沙颗粒。因此,塔克拉玛干沙漠腹地丘间地天然发育的GSSCB对于地表蚀积过程具有重要影响。GSSCB可作为一种新型固沙技术进行开发。     

几种典型戈壁床面风沙流特性比较

通过不同材料覆盖的戈壁床面风沙流特性风洞模拟实验,发现对于棱角状砾石戈壁床面,地表动力学粗糙度随风速的增加而增加;而卵石床面,地表动力学粗糙度随风速的增加呈减小趋势。戈壁床面风速随高度的分布同样满足对数规律,棱角状砾石床面对风速的减弱程度相对于卵石床面更趋于显著。沙粒与戈壁床面棱角状砾石发生碰撞时其起跳高度增大,引起含沙量随高度分布不再满足流沙地表的指数衰减规律,而呈“象鼻效应”,出现拐点。戈壁地表输沙率与风速服从幂函数关系,但其幂指数远大于流沙地表。输沙率与风速之间幂函数关系中幂指数的取值主要受控于地表粒度组成。     

人工卵石床面风沙流粒度特征

沉积物粒径分布对风沙沉积物的起动、输送和沉降过程十分重要。不同粒径的风沙沉积物空气动力学特征不同,从而导致其起动机理、输送过程和沉降模式不同。因此,粒度可以作为风沙沉积过程的指示器。戈壁是西北地区的一种重要地貌景观,戈壁风沙流是风沙物理研究的内容之一,但目前研究较少,特别是对戈壁风沙流粒度分布的研究,几乎没有报道。本文利用人工卵石床面模拟戈壁地表,对0.25、0.5、1 m和2 m高度的风沙流粒度特征进行观测,结果表明：沙源、地表状况、风程效应等影响沙粒粒径随高度的变化。沙源近,平均粒径随高度先减小后增加;沙源远,平均粒径随高度增加减小。戈壁表面的不同区域,沙粒粒径级配不同：随高度增加,粗砂,中砂含量降低,细砂、极细砂和粉砂含量增加;随距离增加,中砂含量降低,细砂、极细砂和粉砂含量增加。平均粒径越大,分选越好,偏度越趋于正偏,峰度越趋于变宽。偏度、峰度随分选系数增加而增加。峰度随偏度增加而增加。