格库铁路东起青海省格尔木市西至新疆库尔勒市,是我国第三条进疆铁路。格库铁路所经地区属于典型的温带大陆型干旱气候区,气候干燥、风大且频率高,该地区地形开阔,沙源丰富,因此风积沙、戈壁风沙流和风蚀在全线均较为普遍,风沙路段占线路全长的60%以上,见图1。风沙灾害防治体系可分为化学、机械和生物三大类,其中生物防沙体系效果最佳,但由于格库铁路青海段大部分位于高盐渍地区,受当地气候水文以及土壤等环境因素的影响,生物防沙体系无法采用,化学防沙对当地环境影响较大,因此机械防沙在格库铁路防沙中具有不可替代的作用。
改革开放40年,中国设计从无到有、从弱到强。思想的解放、科技的发展、文化的振兴、经济的腾飞,设计如同“织女”手中的丝线,正在将所有力量串联,将中国带入一片融合创新的新天地。
晚上回到家,我对颖春说了县里地震的事,颖春却什么也不说,只是一个劲地笑。我觉得她笑得有些奇怪,便问,你笑个什么鬼哟?颖春点着我的额头说,地震好啊!那些人倒台了,不是正好给你留下位置了吗?
图1 格库铁路沿线积沙
机械防沙措施在沙漠和戈壁铁路、公路等线路中应用较多[1-3],同时针对防沙措施的高立式沙障结构的研究也日趋完善。程建军等[4]采用数值模拟和现场实测数据,通过导风板对线路过境风沙流的输导效果及其控制机理进行研究;景文宏等[5]基于Fluent欧拉非定常模型,对不同孔隙率的轨枕式挡墙挡沙效果进行研究;辛林桂等[6]利用数值模拟方法,研究了侧向导沙沙障周围的流场演化规律特征,揭示沙障周围的流场机理等等,国内外学者对各类高立式沙障防沙措施展开了大量的室内风洞试验、数值模拟和现场试验[7-9]。然而,大部分学者在进行数值模拟时,并没有按照现场和风洞试验的风速廓线呈对数形式[10-11]进行模拟,而是假定为均匀假想流,不能真实反映沙障周围的流场情况。
因此本文应用数值模拟分析方法,来流风速廓线分别采用对数流和均匀流两种形式,对新型防沙材料HDPE板高立式沙障周围流场进行研究,对比分析两种风速廓线形式下流场的差异,并通过风洞试验验证数值模拟结果的准确性,以期为西部戈壁地区铁路工程防沙体系的设计提供理论支撑。
1.1.1 几何建模
建立二维简化模型,计算流域为120 m×20 m,HDPE板高立式沙障高度为1.5 m,距离入口40 m,采用结构性网格进行网格划分,见图2。由于风沙流受边界层的影响较大[12],对HDPE板高立式沙障0.5 m范围内进行局部加密。
图2 结构性网格局部
1.1.2 边界条件
模型介质类型为fluid,左侧入口为速度入口(velocity-inlet),右侧出口为出流条件(out-flow),上壁面采用对称边界条件(symmetry),HDPE板与模型下壁面采用壁面条件(wall)。
1.1.3 计算参数
2.2.2 概率敏感性分析结果 由成本效果可接受曲线(图3)可以看出,当WTP小于60 000元时,仙灵骨葆胶囊具有成本效果优势的概率更高;当WTP达到60 000元时,芪骨胶囊成为优选方案的概率为52.5%;当WTP超过60 000元时,芪骨胶囊具有成本效果优势的概率更高。
沙粒主要分布区间为0.08~0.315 mm,设定风沙流中沙粒ds=0.1 mm,沙粒密度ρs=2 650 kg/m3,由于地表中沙物质颗粒所占体积率小于5%,且多相流理论为稀相,取下垫面初始沙粒相体积分数为1%[13];空气密度ρ=1.225 kg/m3,黏度μ=1.789 4×10-5 Pa·s。孔隙率分别为30%、40%、50%。均匀流入口速度为24 m/s。
从上面的(5)(6)例子中我们还可以发现一个现象。那就是在东汉、六朝时期已经出现了“把”作为引进凭借的工具、材料、方法等的介引用法,相当于“拿”和“用”的这种用法,和动词性质的“握持”义交叉混合在一起使用。我们可以认为这是“把”由动词向介词转变的开始。这种现象也符合语法化规律中的“并存原则”即:“一种语法功能可以同时有几种语法形式来表示。一种新形式出现后,旧形式并不立即消失。”
对数流轴线入口风速与均匀流对应,轴线风速为24 m/s,其典型风速廓线为
(1)
式中:v(y)为y高度处的速度;v为摩阻风速;k为冯卡门系数,取0.4;y为高度;y0为粗糙长度,通过现场数据测得风速廓线。
风洞试验在中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室进行。该风洞为直流闭口吹气式,洞体全长为37.78 m,试验段长16.23 m,截面积尺寸0.6 m×1.0 m,风速范围2~40 m/s可调。HDPE板模型孔隙率分别设置为30%、40%、50%,为保证试验效果的科学性,高度按现场实际高度的1∶10进行缩尺,高度为0.15 m,孔的尺寸为16 mm×8 mm,三种模型的长度均为1.0 m,厚度为2 mm(见图3~图5)。风洞试验要进行无栅栏时的流场试验,作为对照试验。
目前,众多学者已经从分子水平对移植肾缺血再灌注损伤的机制进行探究,RIRI主要从促进肾脏炎性反应、增加组织内的氧化应激、激活细胞的凋亡通路及内质网应激这几个方面对移植肾脏造成损害。近年来,硫化氢的广泛作用已得到共识,它自身是生物体内生的气体分子递质,具有多种物理及化学特性,对肝脏、心肌、肺脏、脑及肾的IRI均具有保护作用[26-28],值得注意的是硫化氢具有毒性,故研究中一般采用低浓度的硫氢化钠(NaHS)的生理盐水溶液提供外源性硫化氢,由于硫氢化钠在常温下比较稳定,操作人员佩戴口罩及安全防护眼镜,并穿防护服、戴手套,在通风的操作台小心操作即可避免硫化氢对研究人员的损害。
在风洞试验中,风速为24 m/s,进行不同孔隙率HDPE板的试验,HDPE板设在试验段内距离出风口8 m处,使用10路毕托管(z=0.4、0.8、1.2、2.0、4.0、8.0、12.0、16.0、20.0、24.0 cm)测量HDPE板栅栏附近的风速廓线,栅栏迎风侧测点为1H和4H,栅栏背风侧测点分别为1H、2H、6H、10H、20H(H为栅栏高度),见图6。对于沙床试验,距离出风口1 m处开始布设,铺沙长度为4 m,厚度为5 cm,沙子粒径主要范围为0.08~0.315 mm,观察HDPE板周围的积沙分布形态,并用电子秤(精确至0.1 kg)称取栅栏周围的沙粒重量。
图7 风速廓线为对数流形式时不同孔隙率HDPE板栅栏周围流场(单位:m/s)
图3 30%孔隙率HDPE板
图4 40%孔隙率HDPE板
图5 50%孔隙率HDPE板
图6 10路毕托管测量HDPE板栅栏周围速度
2.1.1 HDPE板周围流场
选取风速v=24 m/s模拟不同孔隙率下HDPE板栅栏周围流场,图7和图8分别为对数流和均匀流风速廓线形式下HDPE板栅栏周围流场图。由图7可知,风速廓线为对数流形式时,气流经过HDPE板栅栏,遇到障碍在迎风侧下方形成气流减速区,大部分气流遇阻向上,当通过栅栏顶部时,气流被挤压并分离,从而形成强剪切层,剪切层的压力差迫使流线向下弯曲,当气流接近地面时,气流又返回分离区,因此在沙障上方形成了气流加速区,而在背风侧出现了涡旋回流区。当孔隙率从30%增大至50%时,加速区范围逐渐减小,涡旋回流区长度逐渐减小。随着孔隙率的增大,栅栏周围的加速区速度最大值逐渐减小,障后回流区速度(负值)也逐渐减小,原因是孔隙率越大,上下层气流产生速度差越小,使得气流发生分流较小,逆压梯度值进而较低,导致回流区范围缩小。当孔隙率为50%时,回流区范围很小且近乎消失。
“这种新民主主义文化是大众的,因而即是民主的。”[5]708——主张民主意识和群众观点的一致性;人民是历史的主人,也是文化的主人;新民主主义文化必须为全民族广大工农群众服务。
由图8可知,风速廓线为均匀流形式时,孔隙率为30%和40%时,存在气流减速区、气流加速区和涡旋回流区,当孔隙率为50%时,存在气流减速区、气流加速区,但是涡旋回流区消失。随着孔隙率的增大,栅栏周围的加速区速度最大值逐渐较小,回流区速度逐渐减小,当孔隙率为50%时,栅栏障后速度均为正值。两种风速廓线气流经过HDPE板栅栏时,流场存在明显差异:风速廓线为对数流时,栅栏周围加速区范围扩大,且存在明显的回流区;风速廓线为均匀流时,栅栏周围加速区范围较小,回流区相对不明显。这是因为均匀流在近地表处的速度要远大于对数流近地表处的速度,大部分气流在经过障碍物后,上层气流对下层气流的影响相对较小。
2.1.2 HDPE板周围风速廓线
图8 风速廓线为均匀流形式时不同孔隙率HDPE板栅栏周围流场(单位:m/s)
对数流和均匀流风速廓线形式下HDPE板栅栏周围风速廓线曲线如图9和图10所示。由图9可知,风速相同时,不同孔隙率HDPE板栅栏周围的风速廓线呈现相似的变化规律,在障前1H处风速廓线开始发生变化,栅栏障前风速下降主要在HDPE板栅栏高度以下范围内,其主要原因是栅栏前的气流拥挤效应导致的。在栅栏障后20H处开始恢复到原来的风速廓线,表明流场的风速廓线逐渐关闭,并且栅栏对流场控制作用的影响逐渐消失。随着孔隙率的增大,在栅栏后的最小值(负值)逐渐减小,说明涡旋回流区范围减小;从障后20H处恢复程度来看,50%孔隙率HDPE板的风速廓线与初始风速廓线最相似,30%孔隙率HDPE板的风速廓线与初始风速廓线一致性较差,说明这三种孔隙率,在栅栏障后20H处,30%孔隙率HDPE板栅栏防护作用最优。
图9 对数流形式下不同孔隙率HDPE板周围风速廓线曲线
图10 均匀流形式下不同孔隙率HDPE板周围风速廓线曲线
由图10可知,均匀流和对数流变化规律一致,不同孔隙率HDPE板栅栏周围的风速廓线呈现出相似的变化规律。随着孔隙率的增大,在栅栏障后的最小值(负值)逐渐减小,说明涡旋回流区范围减小,当孔隙率为50%时,栅栏后的最小值为正值,不存在涡旋回流区,与2.1.1节一致。从障后20H处恢复程度来看,30%孔隙率HDPE板的风速廓线与初始风速廓线最相似,50%孔隙率HDPE板的风速廓线与初始风速廓线一致性较差,说明在栅栏障后20H处,50%孔隙率HDPE板栅栏防护作用最优。
2.1.3 HDPE板周围积沙分布
当风沙流经过挡沙障时,受挡沙障的影响,在其周围速度降低至起沙速度以下,沙粒沉落并形成积沙。积沙形态及分布与挡沙障的孔隙率密切相关。相同来流风速下,孔隙率不同,使其周围速度不同,导致挡沙障周围积沙形态分布不同。
由图11可知,对数流形式下,30%孔隙率和50%孔隙率HDPE板周围积沙形态和积沙量明显不同,孔隙率为30%时,迎风侧积沙远大于背风侧积沙,孔隙率为50%时,背风侧积沙较多,迎风侧几乎没有积沙。30%孔隙率HDPE板周围积沙明显多于50%孔隙率HDPE板周围积沙。由图12可知,均匀流形式下,30%孔隙率和50%孔隙率HDPE板周围积沙主要分布在背风侧,迎风侧积沙较少。这是因为相对于对数流,均匀流在栅栏以下速度较大,栅栏前速度虽然降低,但仍大于起沙风速,只有少量沙粒会与栅栏碰撞,落在迎风侧,因此迎风侧积沙较少。对比两种形式的积沙量,可以明显看出对数风速廓线形式下30%孔隙率的HDPE板栅栏阻沙最优。
图13 风洞中不同孔隙率HDPE板周围风速廓线曲线
图11 对数流形式下HDPE板周围积沙分布
图12 均匀流形式下HDPE板周围积沙分布
2.2.1 HDPE板周围风速廓线
在风洞试验下不同孔隙率HDPE板周围风速廓线曲线见图13。由图13可知,孔隙率分别为30%、40%、50%时,加速区最大风速分别为28.0、26.0、23.1 m/s,回流区最小值分别为-3.7、-1.0、5.8 m/s,随着孔隙率的增大,加速区最大风速减小,回流区最小值逐渐增大。沿着不同孔隙率HDPE板栅栏,在障前1H处风速廓线开始发生变化,在障后20H处风速廓线逐渐恢复,比较三种孔隙率下栅栏障后20H处风速廓线与初始风速廓线的一致性,孔隙率50%>40%>30%,与对数流数值模拟结果相吻合。但对数流中50%孔隙率的数值模拟有回流区,而在风洞中不存在回流区,其原因是风洞中的粗糙度、实际风速以及模型高度与数值模拟中有差异。因此从HDPE板周围风速廓线曲线分析,数值模拟中对数流结果较均匀流结果更切合现场实际结果。
2.2.2 HDPE板周围积沙分布
庐山西海周边客源市场较多,有武宁、修水、南昌、九江、武汉等地。又因庐山西海与世界名山庐山相邻,在庐山的影响下客源市场得到进一步提高。因此,从庐山西海长远发展来看,随着近年来老龄化的加剧和人们对身体健康更加关注,使得养生旅游的发展前景十分可观。
在风洞试验中,30%和50%孔隙率HDPE板周围积沙分布见图14。由图14可知,孔隙率为30%时,积沙主要分布在迎风侧,孔隙率为50%时,积沙主要分布在背风侧。30%孔隙率HDPE板周围的沙粒质量为34.6 kg,50%孔隙率HDPE板周围的沙粒质量为11.3 kg,前者为后者的3.06倍,30%孔隙率明显多于50%孔隙率HDPE板周围的积沙,说明30%孔隙率的HDPE板栅栏使得周围风速降低更明显,特别是在栅栏的迎风侧,同时当HDPE板孔隙率为30%时,栅栏起的阻沙防护效果更优。对比上文中均匀流和对数流数值模拟结果,可以看出风速廓线为对数流形式时,对数流模拟结果与风洞一致性更好,原因是均匀流形式忽略了地表边界层的影响,与对数流相比,实际增大了气流的动量和动能[15]。
图14 风洞中HDPE板周围积沙分布
依据新建格库铁路现场环境,对风速廓线为对数流和均匀流形式下的HDPE板栅栏进行数值模拟,并结合风洞试验,得出如下结论:
(1)风速廓线为对数流时,栅栏周围加速区范围扩大,且存在明显的回流区;风速廓线为均匀流时,栅栏周围加速区范围较小,回流区相对不明显。
(2)风速廓线为对数流时,在栅栏障后20H处,30%孔隙率HDPE板栅栏防护作用最优,且积沙主要分布在迎风侧,孔隙率为50%时,积沙主要分布在背风侧;风速廓线为均匀流时,在栅栏障后20H处,50%孔隙率HDPE板栅栏防护作用最优,两种孔隙率的栅栏积沙均主要分布在背风侧。两种风速廓线形式下,30%孔隙率HDPE板周围积沙明显多于50%孔隙率HDPE板周围积沙。
(3)从风洞试验结果来看,分析HDPE板周围风速廓线恢复情况、栅栏周围的积沙形态及重量等方面,对数流数值模拟结果较均匀流结果更切合现场实际结果,当孔隙率为30%时,HDPE板栅栏起的阻沙防护效果更优。
(4)实际现场中,由于受地形、地貌等的影响,风沙来流形式变化多样,风速廓线为对数形式只是其中较为典型的一种。因此在实际数值模拟过程中,要对现场进行调研,并充分考虑来流条件的影响。
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