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

无砟轨道防沙挡板减沙效果的数值模拟研究

常凡^,¹, 胡伟伟¹, 李兴财^,¹^,²

1.宁夏大学物理与电子电气工程学院/宁夏沙漠信息智能感知重点实验室，宁夏银川 750021

2.兰州大学土木工程与力学学院/西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃兰州 730000

Numerical simulation study on sand-reduction effect of sediment baffles of ballastless track

Chang Fan^,¹, Hu Weiwei¹, Li Xingcai^,¹^,²

1.School of Physics and Electronic-Electrical Engineering / Ningxia Key Laboratory of Intelligent Sensing & Desert Information，Ningxia University，Yinchuan 750021，China

2.College of Civil Engineering and Mechanics / MOE Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China

通讯作者: 李兴财（E-mail： nxulixc2011@126.com）

收稿日期: 2022-12-02 修回日期: 2023-01-08

基金资助:

国家自然科学基金项目.  12064034
宁夏科技创新领军人才培养计划项目.  2020GKLRLX08
中央高校基本科研业务费项目.  lzujbky-2022-kb08

Received: 2022-12-02 Revised: 2023-01-08

作者简介 About authors

常凡（1996—），女，宁夏中卫人，硕士研究生，主要从事铁路风沙灾害的数值仿真研究E-mail：1321033391@qq.com , E-mail：1321033391@qq.com

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.

Keywords： sand accumulation in track ; wind-sand two-phase flow ; sediment baffles ; flow field uplift

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本文引用格式

常凡, 胡伟伟, 李兴财. 无砟轨道防沙挡板减沙效果的数值模拟研究. 中国沙漠[J], 2023, 43(4): 98-106 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00004

Chang Fan, Hu Weiwei, Li Xingcai. Numerical simulation study on sand-reduction effect of sediment baffles of ballastless track. Journal of Desert Research[J], 2023, 43(4): 98-106 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00004

0 引言

随着中国经济发展和“八纵八横”铁路网逐渐实现，沙漠铁路已经成为了中国铁路网中的重要组成部分，但随之而来的铁路沙害问题严重影响着列车的安全运营^［1-2］。沙漠地区的风沙运动会导致大量沙尘颗粒沉积在轨道内和路堤上，对铁路运输安全构成严重威胁^［3-5］。兰新高铁、青藏铁路、拉萨铁路、哈罗铁路和南疆铁路等均遭受不同程度的风沙威胁^［6］。

为了更有效地解决沙漠铁路的风沙灾害问题，学者们借助野外现场监测、风洞实验、数值分析等手段，对铁路防沙措施方面做了大量研究^［7］，特别是建设了融合机械和生物固沙措施的风沙综合防护体系与模式，较为有效地减缓了风沙运动对铁路的侵蚀^［8］。沙漠地区缺水，生物防沙技术很难实现可持续的防护效果。因此，目前研究主要在建设挡沙墙、防护栏等工程技术方面^［9-10］。挡风墙或尼龙网的孔隙度、高度、阻力系数对阻沙效率具有明显影响^［11-13］，因此基于计算机仿真和风洞实验实现对相关工程措施的优化设计成为当前的研究热点^［14-15］。

植物防沙和挡沙墙等物理防沙措施在沙漠铁路的建设中已经有较成熟的应用，并且在大尺度上获得了较好的防沙效果，但无砟轨道内侧的沙粒堆积现象依旧明显^［16-17］。石龙等^［18］的数值模拟结果表明路堤顶部积沙呈中间多两边少趋势。孙兴林等^［19］对比分析了3种路堤（普通路堤、通风路堤、输沙路堤）的流场分布与积沙特征，发现输沙路堤的狭管效应，其伴随的气流加速而利于清沙。张凯等^［20］通过数值仿真发现三道连续HDPE板沙障的间距为30 m时具有阻沙和固沙的双重作用。徐建刚等^［21］比较分析了4种结构路堤周围的风场，得出两侧下凹坡缓和式路堤有助于风沙快速通过铁路。Dun等^［22］对比研究了凹型路堤与凸型路堤上风沙运动速度和输沙量。以上研究集中在对路堤顶部和不同结构路堤周围风沙流特性研究，然而，无砟轨道之间流场结构形式对风沙防护效果的影响未引起人们足够关注。丁泊淞等^［23］提出设置不同倾角沙障插板影响流场以此来减少积沙的方法，但仍然属于在无砟轨道外部的工程措施。Li等^［24］的实验研究表明在轨道中间安装略高于轨道（不超过2.5 cm）的倾斜挡板可以有效减少轨道之间的积沙，不同倾角挡板的防沙效果存在明显差异，不过他们的研究并没有考虑无砟轨道路堤的影响。为了考察路堤影响下这种新型防沙措施的有效性，本文基于欧拉双流体模型，利用数值模拟对比分析了原始轨道和不同几何截面的防沙挡板周围流场分布特征和沙粒沉积状态，以期为今后铁路防沙工程提供参考。

1 欧拉双流体模型

本文采用欧拉双流体模型^［25-27］研究无砟轨道内部风沙运动状态，该模型视计算域内的流固两相物质为互相贯穿的连续介质，两相体积分数之和为1，气相和沙相分别由各自的质量和动量守恒方程控制，且存在相互作用力。

气相质量守恒方程：

\frac{\partial}{\partial t} (α_{g} ρ_{g}) + \nabla (α_{g} ρ_{g} v_{g}) = 0

沙相质量守恒方程：

\frac{\partial}{\partial t} (α_{s} ρ_{s}) + \nabla (α_{s} ρ_{s} v_{s}) = 0

气相动量守恒方程：

\begin{array}{l} \frac{\partial}{\partial t} (α_{g} ρ_{g} U_{g}) + \nabla (α_{g} ρ_{g} U_{g} U_{g}) = - α_{g} \nabla p + \\ \nabla τ_{g} + α_{g} ρ_{g} g + f_{s g} \end{array}

沙相动量守恒方程：

\begin{array}{l} \frac{\partial}{\partial t} (α_{s} ρ_{s} U_{s}) + \nabla (α_{s} ρ_{s} U_{s} U_{s}) = - α_{s} \nabla p - \nabla p_{s} + \\ \nabla τ_{s} + α_{g} ρ_{g} g + f_{s g} \end{array}

气固相互作用力：

f_{s g} = \frac{3 C_{D} α_{s} α_{s} ρ_{g}}{4 d} | U_{r} | U_{r} {α_{g}}^{- 2.65}

式中：α_g+α_s=1，α_g、α_s分别为气相、沙相的体积分数；ρ_g、ρ_s分别为气、沙相的密度；t为时间；v_g、v_s分别为气、沙相的速度矢量；U_g、U_s分别为气、沙相速度；τ_g、τ_s分别为气、沙相的表面应力张量；p_s为沙相固体压力；g为重力加速度；f_sg为气固相间作用力；C_D为阻力系数；U_r为气固两相间的相对速度；d为沙粒的直径。

流体在无砟轨道内侧防沙挡板两侧会出现运动复杂的涡流^［28-30］，多个涡流叠加起来就会形成湍流。不考虑气体的压缩性以及源项对湍流方程的影响，G_b=0、Y_m=0、S_k=0、S_ε=0。气固两相流满足标准k-ε模型^［31-32］的湍动输运方程。

气相湍动k方程：

\begin{array}{l} \frac{\partial (α_{g} ρ_{g} k_{g})}{\partial t} + \frac{\partial (α_{g} ρ_{g} k_{g} U_{g i})}{\partial x_{i}} = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{k}}) \frac{\partial k_{g}}{\partial x_{j}}] + \\ G_{k g} - α_{g} ε_{g} \end{array}

气相湍动ε方程：

\frac{\partial (α_{g} ρ_{g} ε_{g})}{\partial t} + \frac{\partial (α_{g} ρ_{g} k_{g} U_{g i})}{\partial x_{i}} = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{ε}}) \frac{\partial ε_{g}}{\partial x_{j}}] + C_{1 ε} \frac{ε_{g}}{k_{g}} G_{k g} - C_{2 ε} α_{g} ρ_{g} \frac{ε_{g}^{2}}{k_{g}}

式中：k_g、μ_t、ε_g分别为湍动能、湍动黏度、湍动耗散率；U_g_i、U_g_j 为速度在x、y方向上的分量；σ_k、σ_ε 为湍动能、湍动耗散率对应的普朗特数；G_k_g为平均速度梯度引起的湍动能产生；G_b 为浮力影响引起的湍动能产生；Y_m 为可压缩湍流的耗散率比；C₁_ε、C₂_ε 为常数。

2 模型建立

2.1　几何模型

以单线轨道为原型，采用ICEM-CFD进行1∶1的二维几何建模和结构化网格划分，建立二维模型。路堤的高度、顶部宽度与底部宽度分别为5、8.8、26.34 m，设置计算域的大小为100 m×20 m。在数值模拟中采用了5种几何体（30°斜面、45°斜面、60°斜面、矩形截面、等腰直角三角形截面）防沙挡板进行对比研究，并且布设的防沙挡板与两侧的铁轨等高，均为175 mm，铁轨的轨头长度为73 mm，轨底长度为150 mm，两侧铁轨的间距为1.435 m。图1给出了原始铁轨和放置5种防沙挡板后的结构示意图；图2为原始铁轨的几何模型和计算域示意图。其他类型的防沙挡板计算域尺寸保持不变。

图1

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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

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图2 原始轨道路堤计算域示意图

Fig.2 Calculation domain diagram of original track embankment

2.2　网格无关性验证及网格划分

本文选择10.4万、12万、13万、15万、17万网格数量进行网格无关性验证^［33］，得到不同网格数量下模型出口轴线上的水平速度分布（以原始铁轨为例，图3）。计算结果表明，当网格数量为12万和13万左右时，速度分布基本不变，但12万网格左右时，速度稍高于13万网格的速度，故综合考虑计算精度，本文选择数目为13万的网格进行模拟计算。其他5种防沙挡板的模型采用同样的方法进行网格划分。为了研究路堤顶部无砟轨道内部的流场分布情况，需对路堤、铁轨之间网格进行局部加密，在其他部分采用较为稀疏的网格。原始铁轨的网格划分结果如图4所示。

图3

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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

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图4 原始轨道路堤网格划分示意图

Fig.4 Original track embankment grid division diagram

2.3　边界条件及模型求解

流体域的边界条件如表1所列。在沙漠铁路的研究中，应该考虑地表粗糙高度对近地表风速和沙粒输运的影响，因此本文地表的粗糙高度设置为0.0006 m。入口边界的风速采用对数风速廓线，利用用户自定义函数实现流场入口边界条件的设定，典型风速廓线方程为^［34］：

μ = μ_{*} / κ l n (z / z_{0})

（8）

式中：μ为距离地表高度z处的水平风速；μ_∗为摩阻风速； $κ$ 为冯·卡门系数；z₀为粗糙长度。流场入口处的湍流强度设置为5%，入口处沙相体积分数设置为0.01。基于有限体积法进行离散，采用QUICK离散格式，利用SIMPLEC算法，附加标准湍流k-ε模型。设置为瞬态计算，计算时间长度为20 s，为保证能够减小截断误差，时间步长设置为0.01 s，收敛标准为残差小于1.0×10^-6。

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

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2.4　计算参数

入口处风沙流速度设置为12 m∙s^-1；风沙流中沙粒粒径一般为0.075~0.25 mm，本文风沙流挟沙粒径d=0.1 mm，沙粒密度ρ=2650 kg∙m^-3，动力黏度μ=0.047 Pa∙s，据统计风沙流密度的数量级在10^-5 g∙m^-3，且沙相为稀疏相，故初始沙粒相体积分数取为0.01。空气密度ρ=1.225 kg∙m^-3，动力黏度μ=1.785 Pa∙s。

2.5　流场验证

为了验证数值模拟中流场设置的可靠性^［35-36］，本文建立与徐建刚等^［21］相同尺寸的计算域，并截图获得距入口x=25 m、摩阻风速为0.668 m·s^-1时近地表的风速廓线与文献结果进行对比（图5）。由图5可知本文计算的风速廓线近似符合对数分布，且与徐建刚等^［21］的结果基本一致，验证了我们设置的流场边界条件和初始条件合理、可靠。因此对之后的不同尺寸模型，将采用相同的流场设置进行模拟计算，其产生的差异由模型尺寸引起，与流场设置无关。

图5

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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

3 结果与分析

3.1　路堤周围与轨道内风速的水平和垂直分布

风沙动力学中将沙粒的运动分为蠕移、跃移、悬移等方式^［37-39］。沙粒运动之后以一定概率进入气流中发生较远距离的移动，还有一部分沙粒会随着路堤和铁轨的阻碍回落到地面。只考虑水平和垂向风速的影响，不考虑风向夹角的影响。地表对迎风坡气流具有加速效应，最大风速均出现在路堤顶部，较原始轨道风速有所提升；当来流风经过路堤和铁轨时，气流在绕路堤、轨道和防沙挡板运动时会在其两侧产生逆压梯度，致使气流分离，形成涡流，此时风速为-0.5~-0.1 m·s^-1。路堤与防沙挡板的遮蔽作用使背风侧较大区域形成回流区，速度最大达到-6 m·s^-1（图6）。

图6

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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）

路堤AB段之前，气流因路堤迎风坡阻碍，风速一直处于上升阶段，风速达16 m·s^-1；气流在BC段附近出现涡流，风速急剧下降到最小值；CD段位于轨道内部，因受防沙挡板的作用，水平风速曲线呈现“M”变化，在2号轨道附近矩形截面防沙挡板处的风速最低；DE段附近，气流经过2号轨道时，受到阻碍速度攀升，之后与背风侧形成的回流风形成冲击，速度降低后提升；F点之后速度逐渐上升至12 m·s^-1，直至平稳。从1号轨道内侧风速可知，5种防沙挡板的风速按照矩形截面、等腰直角三角形截面、60°斜面、45°斜面、30°斜面的顺序依次增大，说明30°斜面的防沙挡板对1号轨道内侧气流的增强效果最好，2号轨道内侧风速按照等腰直角三角形截面、60°斜面、45°斜面、30°斜面、矩形截面的顺序依次减小（图7A）。

图7

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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

此外，由图7B可知，AB段速度逐渐上升，BC段流场速度急剧下降，但速度均高于10 m·s^-1。 CD段位于轨道内侧，在2号轨道附近，30°斜面防沙挡板使得轨道上方气流速度远高于原始轨道和其他几何截面防沙挡板作用下的气流速度。风沙流越过2号轨道到达路堤背风侧路肩，与背风侧回流区形成速度冲击，此时E点之后气流速度下降，但均高于5 m·s^-1，此时风速略高于沙粒启动风速，说明可以维持沙粒继续运动，这将有助于将背风侧坡脚的沙粒向远处输运。F点之后，速度有所回升，此时布设30°斜面的防沙挡板的速度高于其他模型的速度，风速达12 m·s^-1，有助于增加跃移沙粒的动量，使其向轨道外侧输送^［40-41］。

布设30°斜面防沙挡板后，路堤背风侧坡脚形成很明显的回流区。距路堤顶部高度0.1 m时，轨道与防沙挡板之间形成涡流区，且在CD区风速最低，为-0.3 m·s^-1，与图7A变化规律一致。距路堤顶部高度≥0.3 m，轨道顶部风速均为正值，且CD段处于轨道内侧，少量沙粒因还在空中运动，对气流速度影响较小，此时距地面高度远大于2 m，最低风速大于5 m·s^-1，达到沙粒起动速度，有助于将轨道间沙粒搬运至轨道外侧，使沙粒不会回落到轨道内部造成堆积（图8）。

图8

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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

3.2　不同挡板与轨道间积沙状态

大风天气下，路堤和轨道间容易造成沙粒的堆积。积沙分布能够直观反映空轨和布设了不同防沙挡板之间的积沙情况。本文给出了摩阻风速为0.668 m·s^-1、计算时间为20 s时，路堤5种防沙挡板和原始轨道的积沙分布图如图9。路堤空轨周围均出现沙粒沉积，主要分布在路堤迎风侧坡脚、路肩，前轨，2号轨道前侧，背风侧边缘及其坡脚处（图9A）。C、D、E、F图中沙粒主要沉积在路堤迎风侧坡脚，1号轨道前侧，防沙挡板与2号轨道之间，背风侧边坡与坡脚处；轨道与防沙挡板之间积沙较为严重，有的积沙高度甚至达到钢轨高度，对列车运行产生影响。B图沙粒沉积较其他类型防沙挡板和原始轨道明显减少，且2号轨道前侧与1号轨道后侧几乎没有沙粒堆积。由此可见，布设30°防沙挡板可以有效抑制轨道内侧积沙，并且积沙分布最少，不影响列车运行。

图9

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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

为了准确对比路堤轨道内布设各防沙挡板之后的积沙量，本文通过CFD-post中提取1号轨道后侧与2号轨道前侧一定高度的沙粒体积分数进行整理，选择2号轨道的平均沙粒体积分数与1号轨道的平均沙粒体积分数的比值来表征各类型挡板的防沙效果，可以将其称为“沙粒体积分数比”，绘制前后轨沙相体积分数比柱状图（图10）。由图10可知，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，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分别降低7.98%、5.52%、4.56%、7.89%、6.83%。故综合积沙比和速度考虑，布设30°斜面的防沙挡板可以有效减少轨道内侧积沙，降低轨道沙埋的风险，且方便于工作人员的清沙。

图10

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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

4 结论

风沙运动导致沙埋铁轨的现象频发，直接威胁着行车安全。基于已有的实验测量结果，本文研究了考虑路堤影响的情况下，在轨道中间位置布设装置后对轨道内侧积沙量的影响，特别是对比分析了原始轨道和轨间布设不同防沙挡板后的流场分布及积沙分布。

地表对迎风坡气流具有加速效应，最大风速均出现在路堤顶部，较原始轨道风速有所提升。轨道与防沙挡板之间均形成涡流，速度为负，且布设了30°斜面防沙挡板与轨道之间涡流速度为-0.4 m·s^-1；路堤背风侧坡脚均形成了较长的回流区，速度为-6 m·s^-1，位于背风侧坡脚的沙粒此时达到了起动风速，向更远处输送沙粒。

布设防沙装置后，对轨道内侧流场均有抬升作用，距路堤顶部0.1 m高度时，受路堤迎风坡阻碍，速度上升后下降，经过轨道和防沙挡板时，此时水平速度曲线呈“M”变化，且30°斜面防沙挡板对轨道内侧气流具有明显加速作用。

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，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分别降低7.98%、5.52%、4.56%、7.89%、6.83%，与其他路堤轨道内防沙挡板相比，30°斜面挡板轨道内积沙最少，较原始空轨道低7.98%，说明可以有效抑制轨道内积沙，降低清沙成本。综合风沙速度和积沙分布，建议选择30°斜面防沙挡板。

参考文献

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被引期刊影响因子

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冯连昌，卢继清，邸耀全.

中国沙区铁路沙害防治综述

［J］.中国沙漠，1994，14（3）：47-53.