沙丘背风侧不同铁路结构形式对风沙环境的适应性分析

当铁路穿越大风沙漠地区时,风沙灾害会对铁路工程及其正常运营产生严重威胁,而设计一种合理的铁路结构形式能够减小风沙沉积对铁路工程的危害.在本文中,以敦煌至格尔木铁路沙山沟段落为研究对象,采用多相流的方法对越过沙丘的风沙运动过程进行数值模拟,分别讨论了风沙运动对位于沙丘背风坡的铁路路基工程和桥梁工程的影响.主要的模拟结果显示:路基工程明显降低了风速并且将沙丘后的回流区分成了两部分,而桥梁工程的导流效应则压缩了沙丘背风坡的回流区;轨道间的道碴增大了铁路表面的粗糙度,在轨道间有少量沙粒沉积,而路基工程两侧则有大量积沙;铁路表面的积沙量与摩阻风速呈现出非线性关系,随着摩阻风速的增大,路基工程沙粒沉积的增加速度大于风蚀能力的增加速度,而桥梁工程则正好相反.在防止风沙危害铁路方面,设置桥梁工程明显优于路基工程.本研究为风沙运动对铁路工程的影响提供了理论支持,也为今后的铁路工程设计提供了新的思路与研究工具.     

沙粒起动风速研究

在风沙流实验中,发展了设陷井捕集蠕移沙粒的方法来测量各种来流条件下的蠕移沙量,再外推得到流体起动风速,试验表明粗糙度不同的沙平面的流体起动风速相同,中还给出实验段轴线风速与野外来流摩阻速度之间的对应关系。     

大风区铁路沿线挡风墙积沙机理及优化措施的风洞实验研究

位于兰州至新疆的兰新二线是世界上首条穿越大风区的高速铁路,途径著名的烟墩风区、百里风区、三十里风区及达坂城风区,风区段铁路里程长达462.4 km,占新疆段线路总长的65.1%,大风对铁路的运营、养护和运输造成很大危害.为了降低大风对通行列车的危害,兰新铁路沿线设置了大量挡风墙.挡风墙发挥作用的同时,也带来了铁路沿线的积沙问题.为了解决这一工程实践的现实问题,本文提出了在现有挡风墙背风侧的不同位置处,设立第二道挡墙以减弱铁路积沙的治理思路,并开展了对应条件下对现有单道挡风墙、以及在现有单道挡风墙背风侧坡顶处和坡脚处设置第二道挡墙,共计3种情景的风洞模拟实验,发现设置第二道挡墙后距轨道线路高0.1 m处的沙粒水平速度、数密度、输沙通量及沉积率较无第二道挡墙时明显减少,介于8%～12%,51%～69%,20%～73%以及26%～38%,而且在现有单道挡风墙背风侧坡顶部增设第二道挡风墙的效果更好.因此,本文的研究成果有助于优化大风区已有铁路沿线、城镇等防沙治沙工程措施.     

大风区铁路沿线挡风墙积沙机理及优化措施的风洞实验研究

位于兰州至新疆的兰新二线是世界上首条穿越大风区的高速铁路,途径著名的烟墩风区、百里风区、三十里风区及达坂城风区,风区段铁路里程长达 462.4 km,占新疆段线路总长的 65.1${\%}$,大风对铁路的运营、养护和运输造成很大危害. 为了降低大风对通行列车的危害,兰新铁路沿线设置了大量挡风墙. 挡风墙发挥作用的同时,也带来了铁路沿线的积沙问题. 为了解决这一工程实践的现实问题,本文提出了在现有挡风墙背风侧的不同位置处,设立第二道挡墙以减弱铁路积沙的治理思路,并开展了对应条件下对现有单道挡风墙、以及在现有单道挡风墙背风侧坡顶处和坡脚处设置第二道挡墙,共计3种情景的风洞模拟实验,发现设置第二道挡墙后距轨道线路高0.1 m处的沙粒水平速度、数密度、输沙通量及沉积率较无第二道挡墙时明显减少,介于8%$\sim$12${\%}$,51%$\sim$69${\%}$,20%$\sim$73${\%}$以及26%$\sim $38${\%}$,而且在现有单道挡风墙背风侧坡顶部增设第二道挡风墙的效果更好. 因此,本文的研究成果有助于优化大风区已有铁路沿线、城镇等防沙治沙工程措施.      

沙漠地貌演化过程的湍流大涡模拟研究

采用大涡模拟和混合粒径群体沙粒运动算法结合内置边界方法来模拟沙波纹与沙丘的演化和发展,在平坦沙区形成沙波纹的同时,在沙丘上同样也出现了沙波纹的结构,即沙波纹的发展出现了多尺度现象.此外,还分析了粒径对沙波纹与沙丘自身形态演化和发展的影响,以及沙丘对平坦沙区沙波纹形成发展的作用.     

沟谷坡面风沙起动规律研究

根据坡面风沙受力情况,以滚动模式建立了坡面风沙起动的风速公式.计算分析了相同风向条件下不同坡度风沙的起动风速和相同坡度条件下不同风向风沙的起动风速,并与平面风沙起动计算风速和实测风速进行了比较.计算分析表明,在风向一定时,坡面风沙更容易起动,风沙起动速率随着坡度的变陡而变小.在坡度一定时,风沙起动风速受到风向的影响很大,起动风速随风力与水平面垂线夹角的增大而增大.与平面相比,当风力与水平面垂线夹角小于90°时,坡面风沙起动流速比平面为小.在当风力与水平面垂线夹角大于90°时,起动风速比平面为大.当坡面为平面时,风沙起动公式与平面拜格诺起动公式完全一致.     

风沙跃移运动发展过程及静电力影响的数值模拟

建立了描述风沙跃移运动发展过程以及风场一沙粒互馈机制的风沙跃移运动数值模型，模型中考虑了风场一沙粒之间酌耦合作用以及静电力的影响，同时风场是随时间变化的．模拟了风沙跃移运动从起始阶段至风沙流达到自平衡状态的整个发展过程所需的时间，起沙率与单宽输沙率随时间变化曲线，以及达到稳定后的单位面积输沙率沿高度分布以及贴地风速廓线的影响．计算结果表明，当沙粒平均带电量为60μC／kg时，计算所得的单宽输沙率以及输沙率沿高度分布与实验结果吻合得较好．     

复杂地形下的近地层风沙运动模拟

本文利用FLUENT软件模拟了奇华胡安沙漠复杂微地形的流场,发现风速模拟精度优于QUIC软件的结果.为了进一步研究复杂地形下的沙粒运动规律,在甘肃民勤某沙丘迎风面上测量了脉动风速、输沙强度和输沙量,并模拟计算了沙丘风场、沙丘不同位置处的单宽输沙率及输沙量,结果表明沿着沙丘基线的输沙率从沙丘的右角开始逐渐增加,在沙丘纵剖面与丘基线的交点处达到最大,而后又逐渐减小.     

风沙运动的沙粒带电机理及其影响的研究进展

土壤风蚀以及沙尘暴是人类面临的重大自然环境灾害之一,它直接关系着人类的生存环境和生活质量.许多国家和政府以及科学家们对此一直十分关注并开展了大量研究.由于大气和地表条件的多样性以及地表沙粒的运动与风场作用的相互耦合,导致风沙运动问题研究的复杂性.除此之外,伴随着对风沙运动机理的研究和对沙尘暴的观测,人们发现在风沙跃移运动和沙尘暴中的沙粒带有电荷并形成风沙电场.沙粒的运动不仅导致沙粒带电和风沙电场形成,而且也直接受到沙粒带电和风沙电场的影响.为了弄清风沙电的起因以及揭示其影响规律,研究人员对此进行了野外观测、实验室测量和理论推测等.本文将就这一问题重点介绍有关风沙运动中沙粒带电的机理、风沙电场分布规律、沙粒带电对风沙运动的微宏观物理量以及沙尘暴中沙粒带电对电磁波散射的影响等方面的实验和理论研究的基本概况和进展以及作者等人在此方面的研究工作.主要包含内容有:沙粒带电及其电场的基本实验测量,粒带电对风沙运动的影响,沙尘暴对电磁波衰减的影响研究以及有关风沙起电的机理研究等.同时,对这一研究领域中目前关注与存在的主要问题给予评述.图6参81      

沙粒跃移运动的数值模拟

沙粒在风场作用下形成的风沙运动,直接导致一系列环境问题.现有的数值模拟并没有揭示风沙流的二维性质.本文提出一种合理有效的模拟方法来揭示风沙流时空的变化.气相运动采用大涡模型,而固相(沙粒)处理为高散体系(DEM),并利用已有的沙粒与床面碰撞的激溅函数,以获得整个风沙系统运动特性.结果表明:其发展过程与以往的试验结果相比较符合:风沙流达到稳定后,不同截面输沙率沿高度分布与平均输沙率相比差别很大,并大约在9cm高处,平均输沙率出现极值,单宽输沙率沿风向分布同样具有非均匀性.     

风沙运动力学机理研究的历史、进展与趋势

回顾了风沙运动力学机理研究历史,阐述了中国在风沙运动力学机理研究方 面所取得的最新进展，提出了目前存在的问题和今后发展的趋势.     

风沙影响下铁路道碴变形模量的离散元数值分析

针对风沙区有碴铁路道床的结构特性,对其在细沙贯入下的有效变形模量研究有助于理解风沙影响下的道床动力特性。采用离散单元模型对道碴碎石和细沙颗粒进行数值建模,并对不同含沙率γ下的有效变形模量进行了数值分析。结果表明,在低含沙率下(γ<30%)沙石混合体的变形模量基本保持不变,在高含沙率下(γ>30%),变形模量随含沙率的增加呈线性降低,以上变形模量随含沙量的变化规律与试验结果相一致。基于离散单元模型的数值模拟,在细观尺度上对沙石混合体的力链强度、空间分布及配位数进行了分析,揭示了沙石混合体有效变形模量随含沙量变化的内在机理。本文工作对风沙区有碴铁路道床力学行为的研究具有一定的借鉴意义,有助于促进风沙影响下有碴铁路道床的结构设计和沙害治理。     

胶新铁路砂土液化区路基沉降规律研究

地震液化常给人们带来巨大损失,而剪切振动和循环荷载作用下的动力学效应常被认为是地震液化的主要原因,人们对剪切荷载作用下饱和砂土的液化问题进行了较多的研究,而对循环荷载作用下砂土液化的动力学效应研究较少。胶新铁路在DK39+000开始为高地震烈度区,DK283+550~DK283+770分布有地震可液化层,工程修建后列车动荷载的影响将会有诱发砂土液化的可能性。为了研究通车前自然沉降特征和通车后循环荷载作用下的路基沉降变形规律,本文在具体分析了砂土液化的概念和准则判别的基础上,重点分析了砂土液化区路基沉降特征,包括测试断面竖向分层沉降变形特征分析和路基水平位移特征分析。最后在试验的基础上,从理论上给出了循环荷载下砂土的本构关系。     

地表温度对颗粒跃移轨迹的影响

为了研究由地表温度变化引起的向上的垂向气流对沙粒跃移运动的影响,本文给出了考虑近地表温度变化和水平来流风场作用下的沙粒的跃移运动。在定量给出不同时刻的近地表温度和垂向风速的基础上,计算了由于太阳辐射所引起的近地表层垂向气流对沙粒跃移运动的影响,发现:垂向风速在午后可达到1.5m/s并使得沙粒跃移轨迹的最大高度和长度分别增加55.56%和73.68%;同时,与不考虑温度效应的情况不同的是,沙粒跃移轨道最大高度将随粒径变化。     

Probability of rebound and eject of sand particles in wind-blown sand movement

When incident particles impact into a sand bed in wind-blown sand movement, rebound of the incident particles and eject of the sand particles by the incident particles affect directly the development of wind sand flux. In order to obtain rebound and eject lift-off probability of the sand particles, we apply the particle-bed stochastic collision model presented in our pervious works to derive analytic solutions of velocities of the incident and impacted particles in the post-collision bed. In order to describe randomness inherent in the real particle-bed collision, we take the incident angle, the impact position and the direction of resultant action of sand particles in sand bed on the impacted sand particle as random variables, and calculate the rebound and eject velocities, angles and coefficients (ratio of rebound and eject velocity to incident velocity). Numerical results are found in accordance with current experimental results. The rebound and eject lift-off probabilities versus the incident and creeping velocities are predicted. The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (10532040, 10601022). The English text was polished by Yunming Chen.     

Visualization and laser measurements on the flow field and sand movement on sand dunes with porous fences

The installation of windbreak sand fences around sand dunes is one of the most promising methods to suppress windblown sand movement. In the study reported in this paper, we investigated the influence and validity of a small fence mounted on a model sand dune, in order to understand the fence’s suppression mechanism on the sand movement. The flow field around the dune and the process of sand-dune erosion were measured using LDV, PIV, and laser-sheet visualization techniques. A non-porous fence was found to suppress sand movements in its upstream area, but to enhance erosion downstream of the fence. This intensive erosion was caused by separated shear flow from the leading edge of the fence. In this study, four levels of porosity rate of the fence were tested. The fence-porosity dependences of the turbulent flow field and the erosion were discussed. The shapes of eroded sand dunes were found to depend on the porosity rate. The relationship between the sand-dune erosion and the flow field around the dune was illustrated with schematic diagrams. We concluded that the most desirable fence porosity should be 30% in order to avoid dune erosion if installed at a middle height on the stoss surface of a dune. This porosity provides a mean velocity reduction with avoiding a separated flow, although the flow bleeding through the porous fence is accompanied by grid turbulence and induces serious erosion in a narrow space behind the fence. Furthermore, we confirmed that the empirical correlation of the critical friction velocity can be applied to sand movements influenced by a fence.     

Analysis of sand particles’ lift-off and incident velocities in wind-blown sand flux

In the research of windblown sand movement,the lift-off and incident velocities of saltating sand particles play a significant role in bridging the spatial and temporal scales from single sand particle’s motion to windblown sand flux.In this paper,we achieved wind tunnel measurements of the movement of sand particles near sand bed through improving the wind tunnel experimental scheme of paticle image velocimetry(PIV) and data processing method.And then the influence of observation height on the probability distributions of lift-off and incident velocities of sand particles was analyzed.The results demonstrate that the observation height has no obvious influence on the distribution pattern of the lift-off and incident velocities of sand particles,i.e.,the probability distribution of horizontal and vertical velocities of lift-off and incident sand particles follow a Gaussian distribution and a negative exponential distribution,respectively.However,it influences the center of the Gaussian distribution,the decay constant and the amplitude of the negative exponential distribution.     

Simultaneous PIV and PTV measurements of wind and sand particle velocities

Wind-blown sand is a typical example of two-phase particle-laden flows. Owing to lack of simultaneous measured data of the wind and wind-blown sand, interactions between them have not yet been fully understood. In this study, natural sand of 100–125 μm taken from Taklimakan Desert was tested at the freestream wind speed of 8.3 m/s in an atmospheric boundary layer wind tunnel. The captured flow images containing both saltating sand and small wind tracer particles, were separated by using a digital phase mask technique. The 2-D PIV (particle imaging velocimetry) and PTV (particle tracking velocimetry) techniques were employed to extract simultaneously the wind velocity field and the velocity field of dispersed sand particles, respectively. Comparison of the mean streamwise wind velocity profile and the turbulence statistics with and without sand transportation reveal a significant influence of sand movement on the wind field, especially in the dense saltating sand layer (y/δ < 0.1). The ensemble-averaged streamwise velocity profile of sand particles was also evaluated to investigate the velocity lag between the sand and the wind. This study would be helpful in improving the understanding of interactions between the wind and the wind-blown sand.