鐵路路塹風(fēng)吹雪數(shù)值模擬及風(fēng)吹雪災(zāi)害防治工程研究.pdf

1、風(fēng)吹雪在新疆、內(nèi)蒙古、東北等我國北方地區(qū)發(fā)生頻繁，冬季受影響的鐵路多達(dá)數(shù)十條，對(duì)鐵路的行車造成了巨大的安全隱患，造成線路積雪，阻斷交通，列車運(yùn)行降速或被迫停止，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其作了大量的研究，提出了多種工程防治雪害的措施，如擋雪墻、防雪柵欄等。擋雪墻是常見的能有效防治線路雪害的一種工程措施，但是目前已有的擋雪墻設(shè)計(jì)缺乏理論指導(dǎo)，大都依靠經(jīng)驗(yàn)修建，其中最普遍的問題是擋雪墻的高度、布置位置等設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致大部分擋雪墻不能

2、完全發(fā)揮作用，防雪效果達(dá)不到最佳。因此，研究擋雪墻的阻雪機(jī)理，優(yōu)化擋雪墻設(shè)置參數(shù)，使其防雪效果達(dá)到最佳，保障鐵路安全運(yùn)行，具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文選取了典型的鐵路風(fēng)吹雪雪害區(qū)域-路塹，利用FLUENT數(shù)值模擬的方法，結(jié)合前人研究資料，比較凈風(fēng)和風(fēng)雪兩相流途經(jīng)路塹時(shí)的流場變化情況，探究路塹積雪機(jī)理，為路塹防雪提供理論依據(jù);模擬擋雪墻布置位置不同、設(shè)計(jì)高度不同及不同風(fēng)雪流初始速度下，分析路塹及擋雪墻背風(fēng)側(cè)的流場特性，根據(jù)流

3、場特征和路塹內(nèi)積雪量的不同，提出擋雪墻應(yīng)設(shè)計(jì)的合理參數(shù)。本文主要內(nèi)容有:
　　(1)介紹了風(fēng)吹雪的形成原因及路塹積雪的影響因素，討論了風(fēng)吹雪雪粒的起動(dòng)和雪粒堆積的原理，提出了防治風(fēng)吹雪的幾種理論方法和常見的實(shí)際防雪工程措施。
　　(2)對(duì)雪粒進(jìn)行受力分析，建立了單個(gè)雪粒的運(yùn)動(dòng)微分方程，選用歐拉雙流體非穩(wěn)態(tài)模型，建立了風(fēng)雪兩相流的湍流k-ε雙方程模型，采用SIMPLEC算法進(jìn)行求解計(jì)算。
　　(3)利用FLUENT模擬了

4、凈風(fēng)和攜雪風(fēng)條件下路塹周圍及擋雪墻背風(fēng)側(cè)流場特性，結(jié)果表明:與凈風(fēng)條件下相比，攜雪風(fēng)紊流區(qū)范圍較小，但低速區(qū)受影響范圍較凈風(fēng)條件大;風(fēng)雪流經(jīng)過擋雪墻后氣流產(chǎn)生分離，進(jìn)入紊流區(qū)的氣流運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，風(fēng)雪流速度減小，雪粒沉積在床面，使途經(jīng)路塹的風(fēng)雪流為欠飽和狀態(tài)，減少了進(jìn)入路塹的雪粒數(shù)量;當(dāng)近地面風(fēng)速大于雪粒的起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，沉積在床面的雪粒又重新被氣流帶動(dòng)著運(yùn)動(dòng)，當(dāng)近地面風(fēng)速小于起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，運(yùn)動(dòng)中的部分雪粒會(huì)逐漸沉積下來，堆積的雪粒不會(huì)再次被風(fēng)

5、吹起，反而對(duì)靠近其位置的氣流起阻礙作用，使更多雪粒沉積，雪粒與氣流通過互相影響自身的速度與運(yùn)動(dòng)特性，形成一種反饋機(jī)制。
　　(4)模擬擋雪墻高度、位置以及風(fēng)速三個(gè)因素變化對(duì)擋雪墻背風(fēng)側(cè)流場特性和積雪特性的影響:擋雪墻位置不同時(shí)，在來流與線路垂直的條件下，風(fēng)雪流初始速度v=15m/s，擋雪墻高度取H=4m時(shí)，通過比較可以得出，當(dāng)擋雪墻離線路的距離L=30m左右時(shí)，阻雪效果最佳。擋雪墻高度不同時(shí)，其背風(fēng)側(cè)氣流在擋雪墻高度以下的范圍內(nèi)，

6、是低速紊流區(qū)，在高度擋雪墻0.5m以上高度，是氣流加速區(qū)，并且越靠近擋雪墻，加速效果越明顯。擋雪墻高度低于2.5m時(shí)，擋雪墻背風(fēng)側(cè)積雪區(qū)較短，阻雪效果較差;擋雪墻越高，阻雪能力越強(qiáng)，但是擋雪墻承受的風(fēng)荷載也越大，自身穩(wěn)定性也越差，因此，在擋雪墻設(shè)計(jì)時(shí)，宜橫向多道布置，避免增大高度。風(fēng)雪流速度不同時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，湍流強(qiáng)度在逐漸增強(qiáng)，同時(shí)，“大渦旋”逐漸向下風(fēng)向拉長，表明擋雪墻背風(fēng)側(cè)積雪長度逐漸增大。所以在布置擋雪墻時(shí)，也應(yīng)考慮風(fēng)速的影

7、響，風(fēng)速越大，擋雪墻布置距離L也應(yīng)越大。在設(shè)置擋雪墻時(shí)，需要根據(jù)風(fēng)雪流速度的大小，來確定擋雪墻的高度及距離線路的位置。
　　(5)設(shè)計(jì)擋雪墻時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況，確定合適材料的擋雪墻，擋雪墻設(shè)計(jì)高度建議2.5m～3.5m，當(dāng)?shù)囟酒骄L(fēng)速為10m/s～15m/s時(shí)，擋雪墻宣布置在線路迎風(fēng)側(cè)20m～25m之間;當(dāng)?shù)囟酒骄L(fēng)速為15m/s～25m/s時(shí)，擋雪墻宣布置在線路迎風(fēng)側(cè)25m～35m之間;當(dāng)平均風(fēng)速大于25m/s時(shí)，在雪源豐富