无砟轨道防沙挡板减沙效果的数值模拟研究

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00004

摘要/Abstract

摘要：

沙漠铁路常因风沙运动而轨道积沙，严重影响行车效率和运营安全。为了缓解铁路轨道内部沙粒的堆积，许多学者基于流场调控的方法设计相关的防轨道积沙设施。基于欧拉双流体模型研究了在无砟轨道中间布设与铁轨等高、具有不同几何截面的防沙挡板对轨道间流场及沙尘沉积过程的影响。结果表明：在无砟轨道内侧布设高175 mm、倾角分别为30°、45°、60°的倾斜挡板及矩形截面挡板、等腰直角三角形挡板可使得轨道间沙粒体积分数比降低7.98%、5.52%、4.56%、7.89%、6.83%，说明轨道间布设防沙挡板可以有效抑制轨道间的积沙，挡板倾角为30°时防沙效果最好。加入防沙挡板后，轨道间水平风速曲线呈“M”型变化，且防沙挡板两侧的流速明显增加，这种改变将显著增加颗粒的运动距离，从而降低轨道间积沙。

关键词: 轨道积沙, 风沙两相流, 防沙挡板, 流场抬升

Abstract:

Wind-blown sand movement often leads to sand deposition on the tracks of desert railways， and it severely affects the diving efficiency and operation safety. To alleviate sand deposition on railway tracks， many scholars have designed relevant preventive facilities for sand deposition on railway tracks by using the method of flow field regulation. In this paper， the impacts of sediment baffles with the same height as the rail and different geometric sections placed in ballastless track on the flow field in the track and the dust accumulation process were studied using Eulerian-Eulerian two-fluid model. The results suggest that the 30°， 45° and 60° inclined baffles， rectangular baffle and right-angled isosceles triangular baffle with the height of 175 mm， when placed in ballastless track， can reduce the volume fraction ratio of sand in the track by 7.98%， 5.52%， 4.56%， 7.89% and 6.83%， respectively. This shows that sediment baffles can effectively curb the sand deposition in the track， among which the 30° inclined baffle performs the best. This is mainly due to the fact that after the sediment baffles are placed， the curve change of horizontal wind speed in the track shapes like an “M”， and the flow velocity on both sides of the baffle increases significantly. This change will significantly increase the movement distance of sand， thus reducing sand deposition in the track. The findings in this paper can provide some new ideas for the prevention and control of sand burial damage to railways in desert areas.

Key words: sand accumulation in track, wind-sand two-phase flow, sediment baffles, flow field uplift

中图分类号:

X169

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图/表 11

图1 原始轨道及布设防沙装置后的几何模型示意图

Fig.1 The schematic diagram of the original track and the geometric model after the deployment of sand control devices

图2 原始轨道路堤计算域示意图

Fig.2 Calculation domain diagram of original track embankment

图3 不同网格数模拟结果对比

Fig.3 Comparison of simulation results of different grid numbers

图4 原始轨道路堤网格划分示意图

Fig.4 Original track embankment grid division diagram

表1 流体域边界条件设定

Table 1 Fluid domain boundary condition setting

边界位置	边界类型
入口	速度入口
出口	自由流出口
上边界	对称边界
地面	壁面
轨道与防沙挡板装置	壁面
路堤	壁面

图5 距入口x=25 m处数值模拟风速廓线对比

Fig.5 Comparison of numerical simulation wind speed profiles at velocity inlet x=25 m

图6 原始轨道和布设防沙挡板装置后周围速度云图

Fig.6 The velocity cloud diagram around the original track and the sand-proof baffle device （unit： m·s-1）

图7 原始轨道及布置装置后水平风速变化

Fig.7 Horizontal wind speed variation after original track and arrangement

图8 30°防沙挡板距路堤顶部不同高度水平风速变化

Fig.8 Variation of horizontal wind velocity at different heights of 30° sand-proof baffle from embankment top

图9 原始轨道及布设装置后积沙分布

Fig.9 Sand distribution behind original track and arrangement device

图10 原始轨道及布设装置前后轨沙粒体积分数比

Fig.10 The volume fraction ratio of sand particles before and after the original track and the layout device

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