雙層防風擋沙墻的風沙兩相流數(shù)值模擬
發(fā)布時間：2021-03-24 03:32
“一帶一路建設”在內政和外交事宜上都被作為我國實現(xiàn)中華民族偉大復興的重要方針戰(zhàn)略,其中絲綢之路經(jīng)濟帶西北五省地區(qū)風沙災害嚴重,極大阻礙我國經(jīng)濟全球化的進展,因此風沙防治工作將會一直是實現(xiàn)我國人民美滿生活以及中華民族強國復興的重要內容。風沙兩相流是關于氣相及沙相的兩相流運動,其中風是沙粒起動的關鍵因素,本文基于Ansys Fluent軟件運用歐拉雙流體模型模擬分析了不同參數(shù)（即不同孔隙率、不同孔隙排布方式、不同開孔角度）下防風擋沙墻周圍的流場特征和積沙分布,為以后“一帶一路建設”上的風沙防治工程提供理論依據(jù)。本文主要研究成果有（基于防風擋沙墻高2m、寬0.3m的情況下）:（1）0.4孔隙擋墻的有效防護距離和恢復對照距離最大,前后壓差較小,具有最好的防風阻沙效果,且降低了對墻體的風蝕和破壞,節(jié)省了物料成本。（2）在上條結論的基礎上,孔隙上疏下密排布時,擋墻具有最好的風沙防護功能。其中在距地面1m及以下,上疏下密型擋墻墻后風速最小,而且絕大多數(shù)沙粒堆積在墻體迎風側,有效的實現(xiàn)了阻沙功能。（3）在前兩條結論的基礎之上,擋墻開孔角度為135度時,能有效的降低墻后風速,更好的協(xié)調墻體兩側積沙分布,...
【文章來源】：蘭州大學甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：68 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
一帶一路示意圖
蘭州大學碩士學位論文雙層防風擋沙墻的風沙兩相流數(shù)值模擬20為了驗證風沙兩相流模型中入口沙粒體積分數(shù)設置的合理性，本文對劉楠等[82]的數(shù)值模擬和Zhang等[83]的風洞實驗進行模擬，根據(jù)相關文獻選取模擬參數(shù)，具體設置：計算域亦為0.6m×7.105m，入口風速=1.186*ln（y/0.0025）m/s，沙粒入口體積分數(shù)選取0.02。先計算凈風場至穩(wěn)定后再加入沙粒，待風沙流穩(wěn)定后和Zhang的風洞實驗結果以及劉楠的數(shù)值模擬結果相比較，具體數(shù)據(jù)如圖2.2。0.050.100.150.200.250.300.350.400.454.04.24.44.64.85.05.25.45.65.8速度(m/s)高度(m)Zhang劉楠本文模擬圖2.2風沙流中風速隨高度分布由圖2.2可知，與劉楠模擬結果相比，本節(jié)數(shù)值模擬值和Zhang等人的實驗數(shù)據(jù)能夠更好的貼合，鑒于風洞試驗所用的顆粒粒徑不一，導致模擬值和實驗值相比具有細微出入，但此細微變化基本可以忽略不計，能夠體現(xiàn)風沙流的真實運動特征。因此本節(jié)理論模型是合適的，入口加沙方式是可靠的。2.5.4沙粒相質量流量計算的合理性驗證為了驗證本文透風式擋沙墻沙粒相質量流量計算的合理性，本文對羅國才等[84]的現(xiàn)場實驗進行模擬，根據(jù)其論文文獻選取相關模擬參數(shù)，具體設置如下；圖2.3羅國才所用模型此計算域為20m×127m，入口風速廓線()=3.1208*log10y/0.00093，沙粒入口體積分數(shù)設置為：入口處0-2m高度內為0.02,2m以上高度為0。該文設置三道防風擋沙墻，每道擋墻高度均為2m，寬度均為0.05m，孔隙率為0.33。其中第一
蘭州大學碩士學位論文雙層防風擋沙墻的風沙兩相流數(shù)值模擬22第三章單層防風擋沙墻設計參數(shù)研究斜插板式防風擋沙墻通過增強地表周圍對氣流的阻力，消耗風能，減小其攜沙能力，使得風沙流飽和之后能減速沉降在擋墻周圍，減輕或者消除鐵路沿線積沙，降低鐵路沿線的風沙威脅。在目前的擋墻設計參數(shù)優(yōu)化中，專家學者們做了大量實地試驗、風洞實驗以及數(shù)值模擬，其中大多數(shù)研究證明高2m、厚0.3m的擋墻具有最優(yōu)的風沙防護效果。本文基于此，著重研究不同孔隙參數(shù)對擋墻防風阻沙功能的影響規(guī)律，以期找出最優(yōu)解優(yōu)化防風擋沙墻。3.1模型區(qū)域與邊界條件3.1.1幾何模型與網(wǎng)格本文選取二維模型，計算域為150m×20m，防風擋沙墻高H為2m，厚度為0.3m，放置于距入口處30m處，如圖3.1。利用ICEM對計算域網(wǎng)格進行結構化劃分處理，因為擋墻前后和地表處流場特征變化十分強烈，所以對其周圍進行網(wǎng)格加密。在擋墻左右兩邊將首層網(wǎng)格大小設置為0.01m，按照1.1的比例往左右遞增；在地表處亦將首層網(wǎng)格設置為0.01m，按照1.1的比例往上遞增，以此畫好的網(wǎng)格質量大于0.99，數(shù)量在15萬左右，如圖3.2。圖3.1幾何模型圖3.2網(wǎng)格孔隙率即擋墻的開孔高度與總高度之比，孔隙率的變化直接影響到擋墻周圍流場變化。為了研究不同孔隙率對擋墻防風阻沙功能的影響，本文選取孔隙率為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6等七組防風擋沙墻，據(jù)薄天利等[66]實驗研究，空
本文編號：3096976
【文章來源】：蘭州大學甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：68 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
一帶一路示意圖
蘭州大學碩士學位論文雙層防風擋沙墻的風沙兩相流數(shù)值模擬20為了驗證風沙兩相流模型中入口沙粒體積分數(shù)設置的合理性，本文對劉楠等[82]的數(shù)值模擬和Zhang等[83]的風洞實驗進行模擬，根據(jù)相關文獻選取模擬參數(shù)，具體設置：計算域亦為0.6m×7.105m，入口風速=1.186*ln（y/0.0025）m/s，沙粒入口體積分數(shù)選取0.02。先計算凈風場至穩(wěn)定后再加入沙粒，待風沙流穩(wěn)定后和Zhang的風洞實驗結果以及劉楠的數(shù)值模擬結果相比較，具體數(shù)據(jù)如圖2.2。0.050.100.150.200.250.300.350.400.454.04.24.44.64.85.05.25.45.65.8速度(m/s)高度(m)Zhang劉楠本文模擬圖2.2風沙流中風速隨高度分布由圖2.2可知，與劉楠模擬結果相比，本節(jié)數(shù)值模擬值和Zhang等人的實驗數(shù)據(jù)能夠更好的貼合，鑒于風洞試驗所用的顆粒粒徑不一，導致模擬值和實驗值相比具有細微出入，但此細微變化基本可以忽略不計，能夠體現(xiàn)風沙流的真實運動特征。因此本節(jié)理論模型是合適的，入口加沙方式是可靠的。2.5.4沙粒相質量流量計算的合理性驗證為了驗證本文透風式擋沙墻沙粒相質量流量計算的合理性，本文對羅國才等[84]的現(xiàn)場實驗進行模擬，根據(jù)其論文文獻選取相關模擬參數(shù)，具體設置如下；圖2.3羅國才所用模型此計算域為20m×127m，入口風速廓線()=3.1208*log10y/0.00093，沙粒入口體積分數(shù)設置為：入口處0-2m高度內為0.02,2m以上高度為0。該文設置三道防風擋沙墻，每道擋墻高度均為2m，寬度均為0.05m，孔隙率為0.33。其中第一
蘭州大學碩士學位論文雙層防風擋沙墻的風沙兩相流數(shù)值模擬22第三章單層防風擋沙墻設計參數(shù)研究斜插板式防風擋沙墻通過增強地表周圍對氣流的阻力，消耗風能，減小其攜沙能力，使得風沙流飽和之后能減速沉降在擋墻周圍，減輕或者消除鐵路沿線積沙，降低鐵路沿線的風沙威脅。在目前的擋墻設計參數(shù)優(yōu)化中，專家學者們做了大量實地試驗、風洞實驗以及數(shù)值模擬，其中大多數(shù)研究證明高2m、厚0.3m的擋墻具有最優(yōu)的風沙防護效果。本文基于此，著重研究不同孔隙參數(shù)對擋墻防風阻沙功能的影響規(guī)律，以期找出最優(yōu)解優(yōu)化防風擋沙墻。3.1模型區(qū)域與邊界條件3.1.1幾何模型與網(wǎng)格本文選取二維模型，計算域為150m×20m，防風擋沙墻高H為2m，厚度為0.3m，放置于距入口處30m處，如圖3.1。利用ICEM對計算域網(wǎng)格進行結構化劃分處理，因為擋墻前后和地表處流場特征變化十分強烈，所以對其周圍進行網(wǎng)格加密。在擋墻左右兩邊將首層網(wǎng)格大小設置為0.01m，按照1.1的比例往左右遞增；在地表處亦將首層網(wǎng)格設置為0.01m，按照1.1的比例往上遞增，以此畫好的網(wǎng)格質量大于0.99，數(shù)量在15萬左右，如圖3.2。圖3.1幾何模型圖3.2網(wǎng)格孔隙率即擋墻的開孔高度與總高度之比，孔隙率的變化直接影響到擋墻周圍流場變化。為了研究不同孔隙率對擋墻防風阻沙功能的影響，本文選取孔隙率為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6等七組防風擋沙墻，據(jù)薄天利等[66]實驗研究，空
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