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《兰州交通大学》 2016年
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风沙两相流对铁路路堤及防风挡沙墙响应规律的数值模拟研究

李晓军  
【摘要】:兰新铁路沿天山山前戈壁地带穿过,在强气流运动作用下,戈壁地表严重失稳,风沙灾害频发,造成列车倾覆和线路积沙等危害,运输时常迫停,每年因风沙灾害造成的直接经济损失多达数亿多元。通过调查研究发现在铁路沿线迎风侧修建防风挡沙墙是铁路安全运营的一项重要措施,以减小列车受到的倾覆力和净化风沙流的目的。目前对于挡风墙的研究成果主要集中在防止列车倾覆的角度,而对挡风墙造成的线路积沙问题研究较少,事实证明,在挡风墙为机车的稳定性运营提供安全保障的同时,也会造成线路积沙,铁路挡沙墙目前主要靠经验布设,没有一个统一的标准,往往会造成挡沙效果不理想或者挡沙材料的浪费。本文基于FLUENT数值试验方法,模拟风沙两相流途经不同类型挡风墙背风侧流场的变化情况,并对挡风墙背风侧线路积沙形态进行研究,为铁路防风防沙提供依据;模拟风沙两相流途经挡沙墙后路堤周围流场的变化情况,并对路基顶面线路积沙形态进行研究,优化设计参数,提高防沙效益。其主要内容有:(1)挡风墙背风侧2m处风速廓线变化呈三个阶段:在0~0.5m之间呈指数增长趋势,并随着挡风墙高度的增加,风速增加幅度越大;在0.5m至挡风墙自身高度区间内变化较为复杂,呈先减小后增加的趋势;在挡风墙0.5m以上部分为加速区,呈指数增长趋势急剧增加。挡风墙背风侧近地表气流变化呈三个阶段:距挡风墙10m以内,风速沿着与初始气流速度相反的方向增大,并且随着挡风墙高度增加风速增加幅度越大;距挡风墙背风侧10m~20m之间,风速从反向的最大值减小至0并且急剧恢复至初始速度;20m之后逐渐恢复至初始速度。(2)挡风墙高度一定时,随着风速的增加,挡风墙背风侧涡旋区的气流竖向速度变化逐渐趋于复杂化,距床面4m以上,风速呈线性急剧增加;挡风墙背风侧近地表风速最大值增加的幅度保持在50%左右,风速越大,气流的削弱作用越明显。挡风墙背风侧近地表气流速度反向增大后沿着初始速度的方向减小为0且继续增大至初始速度大小,并且在距挡风墙背风侧同一距离处,土堤式挡风墙背风侧的风速大小始终大于柱板式挡风墙。(3)当初始气流速度为10m/s、20m/s时,线路上积沙较少,沙粒多数堆积在挡风墙背风侧墙角处;随着风速的增加,初始气流速度为30m/s、40m/s时,单位时间内通过挡风墙的沙粒更多,由于过流断面减小,气流扩散,更多沙粒沉积在线路上。当初始气流速度为10m/s时,沙粒多数堆积在挡风墙背风侧墙角处;随着风速增加到20m/s时,土堤式挡风墙背风侧沙粒多数堆积在挡风墙背风侧墙角处,而柱板式挡风墙背风侧线路上有大量积沙,造成线路沙害。(4)路堤高度为5m,无挡沙墙时,气流在路基顶面近地表处形成低速紊流区,沙粒易沉积在此处,造成线路积沙;在线路迎风侧布设挡沙墙后,会在路基顶面近地表处形成相对高速区,沙粒难以沉积在此处,以达到防沙作用。路堤高度为5m,气流途经2.0m、2.5m高度挡沙墙后,路基顶面处较为干净,在路基顶面近地表处气流速度基本保持在10m/s以上且风向始终与初始气流速度方向一致,说明挡沙效果良好。考虑到挡沙墙越高,受到的侧向风压越大,埋深深度越大,工程造价越大,综合防沙效果考虑,取2.0m高度为宜。戈壁地区风沙路基宜以路堤通过,且路堤高度不宜小于3m,戈壁地区路堤高度基本在6m以下,挡沙墙高度取1.5m~2.0m为宜,当路堤高度大于携沙高度时,可不用布设挡沙墙。(5)风沙流是一个动态的过程,布设挡沙墙时,应根据当地全年80%以上的风速风向考虑。路堤高度为5m,携沙风速度为10m/s~20m/s时,挡沙墙宜布设在线路迎风侧15m~20m之间;携沙风速度为20m/s~30m/s时,挡沙墙宜布设在线路迎风侧20m~25m之间;携沙风超过30m/s时,建议布设多排阻沙栅栏。随着路堤高度的降低,挡沙墙的布设位置应远离线路,以达到最佳的防沙效果。在强风地区,布设挡风墙时在满足抗倾覆力矩的条件下,不建议加高挡风墙,同时应考察线路上风向的地表情况,沙源比较丰富时应采用挡沙堤、高立式、中立式挡沙墙相结合的工程治沙措施来减小风沙流密度,达到防沙的目的。
【关键词】:兰新铁路 风沙两相流 挡风墙 挡沙墙 运动特征 数值模拟
【学位授予单位】:兰州交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O359
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-11
  • 1 绪论11-26
  • 1.1 研究背景11-13
  • 1.2 铁路沙害工程概况13-17
  • 1.3 研究现状17-25
  • 1.3.1 沙害防治研究历史回顾17-21
  • 1.3.2 铁路防风挡沙墙研究21-23
  • 1.3.3 风沙灾害防治原理23-25
  • 1.4 研究方法和内容25-26
  • 1.4.1 主要研究方法25
  • 1.4.2 主要研究内容25-26
  • 2 基于CFD数值模型的建立26-38
  • 2.1 计算流体力学基本概念26-32
  • 2.1.1 CFD计算流程26-28
  • 2.1.2 流体运动的描述28-29
  • 2.1.3 离散化29-30
  • 2.1.4 FLUENT计算原理30-31
  • 2.1.5 计算流体力学的研究方法31-32
  • 2.2 流体的控制方程32-34
  • 2.2.1 动量方程32
  • 2.2.2 连续性方程32-33
  • 2.2.3 k-ε模型33-34
  • 2.3 沙粒受力分析34-36
  • 2.4 数值计算模型建立36
  • 2.4.1 计算区域36
  • 2.4.2 网格划分36
  • 2.4.3 边界设置36
  • 2.4.4 求解模型及参数选取36
  • 2.5 本章小结36-38
  • 3 风沙流对挡风墙响应规律的研究38-61
  • 3.1 数值计算模型建立39
  • 3.2 数值模拟分析与讨论39-59
  • 3.2.1 挡风墙背风侧流场特征分析39-40
  • 3.2.2 高度对挡风墙周围风沙流运动特性的影响研究40-42
  • 3.2.3 风速对挡风墙背风侧风沙流运动特性影响研究42-44
  • 3.2.4 挡风墙类型对其背风侧风沙流运动特性影响研究44-47
  • 3.2.5 挡风墙背风侧积沙形态分析47-59
  • 3.3 本章小节59-61
  • 4 铁路挡沙墙防沙效果分析及设计参数优化61-74
  • 4.1 数值计算模型建立62
  • 4.2 数值模拟分析与讨论62-73
  • 4.2.1 挡沙墙高度对路堤周围风沙流运动特性的影响62-67
  • 4.2.2 挡沙墙布设位置对路堤周围风沙流运动特性的影响67-70
  • 4.2.3 风速对挡沙墙合理布设位置影响研究70-72
  • 4.2.4 路堤高度对挡沙墙参数及布设位置影响研究72-73
  • 4.3 本章小节73-74
  • 5 结论与展望74-76
  • 5.1 主要结论74-75
  • 5.2 建议及展望75-76
  • 致谢76-77
  • 参考文献77-82
  • 攻读学位期间的研究成果82

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