沙漠公路风雪灾害的离散动力学模拟研究.pdfVIP

内蒙古工业大学学报 OFINNERMONGOLIA JOURNAL 篁!!童篁!塑 望型!￥圣璧量!三兰!!至三兰呈坚些望兰窒鱼兰： ￥呈!!!些呈；!!!!! 文章编号：1001—5167(2011)04一0013一07 沙漠公路风雪灾害的离散动力学模拟研究 刘 霖，孙兵兵，李 驰 (内蒙古工业大学土木-F程学院呼和浩特010051) 摘要：基于离散动力学理论就风雪灾害对公路构筑物的破坏规律进行了研究。 运用FLUENT离散相模型模拟挟沙风、挟雪风对公路构筑物的影响，以及不同路 基断面形式对风沙流和风雪流的扰动以及风速流场的变化特征。就数值模拟计 算中相关问题进行了分析。如合理的计算区域以及计算边界的设定，对瞬时风速 基准点的位置进行了数值模拟试验，为现场试验中瞬时风速的测试提供理论依 据．研究结果表明，以沙漠路堤或路堑高度小于3m为例，在迎风坡坡顶风速出现 增速，但通常不超过110％。通过对沙粒子和雪粒子绕路基运动轨迹进行模拟跟 踪，建议沙漠公路构筑物的高度以小于3m为宜。较小的边坡坡率时可减小公路构 筑物的风雪灾害，为沙漠公路的设计和施工提供理论依据。 关键词：防灾减灾I风雪灾害；离散动力学；沙漠公路 中图分类号：U418．5+6文献标识码：A 0 引 言 沙漠公路因其独特的地理位置和气象条件，常常受到风雪等自然灾害的侵蚀，成为长期以来困扰公 路交通部门的重要难题之一。目前解决这一难题的方法，主要是从公路防护的角度出发减小公路风雪 灾害，但对于风雪灾害侵蚀公路的破坏机理方面涉及不多uJ。 风沙流和风雪流是风携带沙粒或雪粒运行的非典型两相流，当不考虑雪粒子的融化、团聚等温度效 应时，风沙流和风雪流在动力学运动规律上有相似之处，对这一问题的研究国内外已取得一些研究成 果，主要集中在风沙流的整体结构以及着眼于风沙流中单个颗粒的运动状态。从而利用单个沙粒的微观 运动特征去解释模拟风沙运动的宏观现象和规律旷81。从研究手段来看有两种：一是实验观测·包括风 洞实验和野外观测，这是风沙物理学传统的研究方法，文献[9’10]采用多点遥测风速仪、高速摄像仪、风洞 试验等方法对沙漠公路扰动下风沙流整体结构以及风速变化特征进行研究；二是数值模拟，即通过研究 单个粒子的动力学机理，如风沙流、沙波纹、沙丘和粉尘运动机理等方面，进而，建立风一沙粒子或雪粒 子一基床系统的散体动力学模型Cn．121。 由于风与沙粒子或雪粒子相互作用不同，使得风沙流和风雪流沿程分布也不同，当运行中遇到路基 或路堑障碍物时，会出现吹蚀、掏蚀、堆蚀等现象，即公路的风蚀或雪蚀灾害。文献n3’1I]通过数值模拟对 风沙流的整体结构以及风沙两相流绕路基断面的动力学运动规律进行研究，为本课题的深入研究提供 了很好的借鉴。 文中将沙粒子和雪粒子视为离散相，研究挟沙风、挟雪风绕路基或路堑构筑物运动的流场变化特 征，建议沙漠公路避免风雪灾害侵蚀的合理断面设计形式，并将数值模拟结果与现场试验进行相互验 收稿日期：2010—11—12 基金项目：国家自然科学基金项目(NO。教育部科学技术研究重点项目(NO．210036)。 作者简介：刘霖(1968一)，女，副教授，研究方向：土力学理论与地基处理． 第4期 李驰等沙漠公路风雪灾害的离散动力学模拟研究 517 证，为揭示沙漠公路风雪灾害侵蚀破坏机理，指导沙漠公路防风雪灾害的工程实践提供理论指导。 1 离散动力学计算模型 1．1计算原理 运用流体动力学原理，主要考虑流体的质量守恒方程、动量守恒方程和湍流控制方程，分别见公式 (1)一(4)。本文主要通过FLUENT颗粒轨道模型即离散相模型DiscreteModel模拟计算，在离散相模 型DiscreteModel中，粒子被当作离散存在的一个个颗粒，首先计算连续