边坡坡度对路堤周围积雪分布影响规律的数值模拟研究

道路风吹雪灾害是雪灾害地区重要的灾害类型,对交通出行等造成很大威胁。该文以二维路堤为研究对象,通过Fluent软件对不同边坡坡度下的路堤进行流场模拟,得到了不同边坡坡度下路堤周围的风速和壁面剪切速度,进而从雪颗粒运动机理上分析边坡坡度对路堤周围积雪分布的影响。结果表明:路堤周围的流场与路堤表面的剪切速度有很好的对应关系;较缓的迎风边坡可减少路堤周围的积雪,在风吹雪灾害频发的地区进行道路建设时建议选取小边坡坡度的路堤;研究结果可为路堤的工程建设提供参考。     

基于两方程模型的路堤风吹雪数值模拟

道路风吹雪灾害是风吹雪地区道路规划中考虑的重要因素之一,对于风吹雪问题,数值模拟作为其研究的主要手段之一,在近年得到了较快的发展;但由于风吹雪问题的复杂性,数值模拟方法及参数的选取还有待进一步完善。采用欧拉-欧拉方法,利用雪相两方程控制模型,结合实测经验公式确定充分发育来流雪相浓度,将其作为雪相浓度壁面条件进行模拟计算,利用平坦地面风吹雪对模拟方法进行验证,分析了湍流施密特数对路堤风吹雪模拟结果的影响,并对不同风速下路堤风吹雪进行了模拟。结果表明:平坦地面风吹雪模拟与现场实测结果一致,湍流施密特数对路堤周围空间雪相浓度计算结果影响较大,不同来流风速下路堤周围雪相浓度分布规律一致,这为进一步研究道路周围风致积雪重分布及防治提供参考。     

坡度及防雪栅对路堤周边流场影响的数值研究

路堤边坡坡度是影响路堤周边流场的重要因素,防雪栅是道路风吹雪灾害中常见的防雪措施,通过改变边坡坡度以及在路堤的迎风侧合理设置防雪栅,有利于改善路堤周边的积雪分布。采用数值模拟方法研究不同边坡坡度的路堤的流场特性,分析路堤积雪分布,在此基础上,在路堤迎风侧设置防雪栅研究不同层数防雪栅对路堤的挡雪效果。结果表明:路堤的绕流场特性与边坡坡度密切相关,气流流过路堤形成的风速减弱区范围与边坡坡度成正比;通过在合理位置设置合理参数的防雪栅,可以改善路堤周边流场并减弱风雪流从而起到阻雪的效果。     

边坡坡度对路堤风吹雪影响研究

路堤边坡坡度是影响风吹雪区域路堤积雪的重要因素,利用现场模型试验以及流场数值模拟的方法,研究边坡坡度对路堤积雪影响规律,分析积雪形成机理。结果表明:路堤周围积雪范围与流场风速减弱区域存在较好的对应关系,但并非定量对应,用流场中风速减弱区域简单地定量判断积雪范围的方法误差较大;迎风边坡坡度的改变对路堤周围积雪分布影响较大,较缓的迎风边坡坡度将有效地减小路堤周围积雪量和积雪范围,路面更不易形成积雪,可以减小风雪流对路堤工程的危害;背风边坡坡度的改变对路堤周围积雪影响较小,路堤设计时可作为次要因素考虑;根据试验和模拟结果得出路面不易积雪的临界边坡坡度在40°和45°之间,保守起见,建议工程应用中取40°为路面不易积雪的临界边坡坡度。     

风速和持续时间对立方体周边风致积雪演化影响研究

建筑物周边风致积雪是冬季多雪大风地区最常见的自然灾害之一.由于风吹雪的机理复杂,虽然数值模拟方法近几年取得了丰硕的成果,但是仍缺乏在稳定风雪条件下的广泛验证,限制了其预测方法的进一步提升和推广.为了揭示风速和持续时间对立方体周边积雪演化过程的影响,该文在西北严寒地区的稳定吹雪条件下,对不同风速下立方体模型周边不同时刻的...     

不同护栏透风率下桥面雪飘移的数值模拟

采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法，对典型桥梁断面上的雪飘移进行了数值模拟，得到桥面上风致积雪的重分布。为验证该文数值模拟方法的正确性，以平屋面风吹雪为案例，将该文数值模拟方法得到的结果与风洞试验结果进行了对比。在桥面雪飘移的数值模拟过程中，考虑了桥梁护栏的影响，对比分析了不同护栏透风率下桥面风致积雪重分布形式。研究发现：当护栏透风率大于50%时，桥面上不会出现显著的积雪沉积；当护栏透风率小于50%时，桥面护栏附近出现了较显著的积雪沉积，且在迎风端护栏的背风侧沉积最大。为减小桥面风致积雪堆积对交通的不利影响，建议在桥梁设计时采用高透风率的护栏。     

防雪栅与路基间距对路基积雪分布影响规律的数值模拟研究

防雪栅是目前道路风吹雪灾害地区主要的防护设施,该研究结合数值模拟和现场实测方法,研究防雪栅与路基的布置间距对路基周围积雪分布的影响规律,进而分析积雪堆积机理。结果表明:数值模拟结果与现场实测结果有很好的对应关系,验证了结果的正确性;随着路堤与防雪栅间距的增大,路堤两个坡脚处的风速减小区范围均呈先增大后减小的趋势。路堤表面各部分的剪切速度均呈先增大后减小又增大的趋势,透风率为60%的防雪栅与路堤的最不利组合间距为16.67倍的防雪栅高度;随着路堑与防雪栅间距的增大,路堑内部积雪不易消除,因此防雪栅对路堑的挡雪效果不佳;运用剪切速度能够清晰地判断路基表面的积雪堆积与侵蚀,建议在风吹雪灾害频发地区修建铁路前可先采用该方法对工程表面的积雪堆积与侵蚀进行预判断,可合理确定工程中防雪栅布置的位置。     

风致雪漂移的风洞试验方法和观测研究

雪粒在较大风力作用下会发生复杂的漂移现象,称为风致雪漂移,导致建筑物表面的积雪产生不均匀分布,严重时会导致引发建筑的坍塌。为了得到能应用于具体工程中的风致雪飘移的模拟和研究方法,该文采用风洞试验和实地观测两种方法进行了初步的研究。通过风洞试验,探讨了雪花白堆积曲线随时间和随风速的变化规律和雪花白粘结力对试验结果的影响;河沙的风洞试验中则围绕和实测曲线吻合较好的工况进行了数据分析。通过实地观测,测试了低风速下高低屋面模型的积雪分布,并与国外文献进行了对比分析。     

拱形屋盖结构不平衡雪荷载的模拟研究

该文利用基于有限面元(Finite Area Element,FAE)方法对拱形屋面的不均匀积雪荷载进行了研究。首先设计制作了缩尺比为1∶100、矢跨比为0.125的拱形屋面风洞试验模型,通过风洞试验测得屋面平均风速大小,结合CFD数值模拟确定平均风速方向,再基于FAE方法利用风速-雪通量经验公式计算得到屋面的积雪分布系数;并分析了不同风速和不同风向角对屋面积雪分布系数及不平衡雪荷载的影响。其次,对基于FAE方法计算得到的积雪分布系数、基于两相流的CFD数值模拟结果以及我国现行《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012的结果进行了比较。最后,总结了屋面雪荷载分布规律,给出了针对这类大跨结构雪荷载设计的一些建议。     

长宽比对长方体周边风致积雪分布影响

建筑物周边风致积雪是冬季多雪大风地区最常见的自然灾害之一。由于风吹雪的机理复杂,虽然数值模拟方法近几年取得了丰硕的成果,但方程及参数设置仍存在不足,实测数据库中又仅有在风雪流中单个立方体模型周边积雪的实测对比数据,模拟方法得不到广泛验证,缺乏模型的多样性限制了预测方法的进一步提升和推广。为了揭示不同长宽比对建筑物周边积雪分布的影响,对不同工况下长方体周边积雪分布进行了现场实测,同时用数值模拟方法模拟了不同工况下长方体周边风场,讨论了风场与其积雪分布的关系。结果表明:该模拟方法利用模型周边风速分布能较好地推测出积雪侵蚀堆积范围,对于不同长宽比的建筑,迎风侧积雪分布只与建筑高度有关,长宽比对其影响不大,横风向侵蚀影响范围与建筑长度成正比,且背风侧侵蚀范围受建筑长度影响较大,建筑宽度对其周边积雪分布影响较小。     

建筑屋盖表面及其周围积雪分布研究

准确预测建筑屋盖表面和建筑周围的积雪空间分布形式是防止雪灾发生的重要手段。基于Euler-Euler方法,假定空气相和雪相均为连续相,运用计算流体力学软件FLUENT 17.0,采用Mixture多相流模型和k-kl-ω湍流模型模拟了立方体周围和高低屋盖表面的风致雪漂移。首先采用四组网格,以立方体为研究对象进行网格无关性验证;随后模拟了立方体周围风场并比较了迎风中线的平均风压系数,结果显示k-kl-ω湍流模型与实测结果吻合较好;最后模拟了立方体周围和高低屋盖表面的积雪分布并与实测和风洞试验结果进行了对比,侵蚀、沉积趋势一致。     

考虑摩擦速度修正的风致积雪重分布模拟方法研究

采用拉格朗日方法模拟了风致积雪漂移现象,在数值模拟中考虑了颗粒运动后质量浓度对雪层表面摩擦速度的修正。以立方体周围积雪重分布为例,考虑了摩擦速度修正与否对模拟结果的影响。在低风速下,考虑摩擦速度修正对模拟结果的影响不显著。在高风速下考虑摩擦速度修正后,立方体附近颗粒较多的马蹄形区域内摩擦速度与质量浓度的变化最为显著。风速越高,计算域中雪粒总数的减少幅度越大,计算域内的侵蚀或沉积质量通量也越大。     

风致积雪重分布的拉格朗日方法与现场实测研究

采用拉格朗日方法,模拟了立方体周围积雪重分布的情况,同时在东北地区利用真实的雪颗粒对立方体周围积雪重分布进行了现场实测。将数值模拟和现场实测结果进行比较,两者在整体趋势上吻合较好。在立方体前方处均发生积雪沉积;在立方体侧边迎风端出现积雪侵蚀;在立方体的背风区,侵蚀量较小。由于该文的数值模拟方法未考虑横风向风速对雪粒的作用,在立方体迎风前方的底部,数值模拟方法的结果与实测有一定的差异。该文还分析了数值模拟中的雪颗粒阈值摩擦速度对积雪沉积侵蚀的影响。     

低矮建筑屋盖风雪流作用场地实测与数值模拟

为了研究风雪流对低矮建筑屋盖的作用,制作了6组缩尺模型,在常遇雪天气候下,开展了屋盖积雪特性场地实测与模化分析,考虑了典型的阶梯型屋面以及平屋面、双坡屋面、女儿墙等因素的影响,提出了典型低矮建筑屋盖积雪荷载模化模型。研究表明:阶梯型屋面的积雪分布与已有的场地实测及风洞试验结果相似;平屋面雪荷载沿来流方向呈倒U型分布,可模化为均匀分布,但随着风速变化,积雪漂移使积雪形态可能向倒V型演化,建议考虑其线性非均匀分布对结构的不利影响;风速较低时,双坡屋面的积雪漂移量较少,对迎风侧屋盖更不利,国内外规范均侧重考虑了积雪漂移对背风侧的影响,建议考虑弱风条件下积雪漂移对迎风侧的不利影响;女儿墙的存在使屋面积雪量有较大的增加,屋盖前缘和后缘区域的漂移长度差异较大。结合风洞试验与场地实测,考虑雪粒子与风场的双向耦合、雪粒碰撞、黏结,探索性地对阶梯型屋面的积雪分布进行了二维数值模拟,论证了DEM-CFD风雪流模拟方法的可行性。     

风雪绕流数值模拟的积雪预测模型研究

为研究钝体风雪绕流效应下的地表积雪现象,根据壁面剪切机制及空间混合理论共同确立了积雪预测模型,采用欧拉框架单流体方法对1 m高度立方体模型周边的风雪两相流动情况及空间雪相浓度进行了求解。通过对比不同积雪模型下沉积预测指标在绕流区域的分布情况,及以此得到的积雪预测形态与实测结果的差异发现:该文采用的积雪模型不完全依赖于当地摩阻风速与临界起动风速的相对关系,一定程度上避免了模型参数的取值局限,对沉积现象的反映更为直观;由于综合了两套理论并引入沉积量估计的双重动态指标,该文对于雪面侵蚀及沉积区域的界定划分较为清晰,对积雪形态的预测包括雪面极值位置的捕捉、坡面起伏规律的再现,都较已有数值计算结果更为合理。模型方法可用于其他外形地物绕流下的地表积雪现象模拟。     

基于连续型风速风向联合概率分布的风致结构疲劳分析方法研究

结合连续型风速风向联合概率密度函数和等效窄带法,推导了连续积分形式的风致结构疲劳寿命估算公式,并将其与区格离散形式的疲劳寿命估算公式做了比较。详细介绍了风速风向联合概率密度函数、风速边缘分布函数和风向边缘分布函数模型,以及模型参数的计算方法。最后选取钢天线实例工程模型,通过拟合实测风速资料,获得风速风向联合概率密度函数。再选择不同截面处关键点位置,估算出对应关键点疲劳寿命,取最小值为结构的风致疲劳寿命。结果验证了连续积分形式的疲劳寿命估算公式的合理性。     

揭博高速公路典型顺层边坡破坏机理分析及防治对策研究

揭博高速公路分布较多的顺层路堑边坡。本文以K220+045~+257右侧路堑顺层边坡为例,采用地质调绘、病害调查和理论分析等等方法对顺层滑坡的病害情况及其发育规律进行分析,并提出相应的防治对策,为顺层路堑边坡病害治理提供了可借鉴的工程经验。     

高速铁路路堑岩质边坡的动力响应分析

为了解决高速列车振动引起的岩质边坡动力响应问题,结合秦-沈客运专线路堑岩质边坡工程实例,建立了轨道-路基-岩质边坡系统动力有限元模型;采用编制的动力分析程序,对不同列车运行速度下路堑岩质边坡的动力响应进行了数值计算,取得了高速列车振动荷载作用下路堑岩质边坡动力响应的分布规律.结果表明,动力响应主要发生在列车振动源周围5 m范围之内,最大值发生在边坡底部;随着列车运行速度的增大,边坡底部动力响应的增幅最大,且各响应中振动加速度的增幅最大.     

旋切与刷扫组合式轨道除雪车的功能探讨和除雪性能分析

分析了雪灾对铁路运输的影响,回顾常用除雪方法,简要提出旋切与刷扫组合式轨道除雪车的组成,对轨道除雪车的连挂运输、高速自走行、刷扫除雪、旋切与刷扫组合除雪工作模式进行了探讨。开展了沉积时间和堆积深度对积雪密度的影响,分析了刷扫除雪的性能和旋切除雪的性能。结果表明,采用刷扫除雪或旋切除雪,抛雪风机的转速是影Ⅱ向功率消耗的主要因素,降低转速,消耗较少的功率即可实现旋切与刷扫组合同时除雪,一次性除掉轨面以下和轨面以上的积雪。     

高速铁路路堤-路堑过渡段复杂风场和列车气动效应风洞试验研究

中国地形地貌复杂多变,线路交替必不可少,为了探究高速铁路路堤-路堑过渡区域的列车气动效应和复杂风场,该文建立了大比例试验模型,采用风洞试验的方法对线路上方不同位置处的风速剖面和线路不同位置处的车辆气动力进行了测试。试验结果表明:路堤-路堑过渡段对气流的影响范围在轨道上方250 mm以内;线路交界处上方较低区域的风剖面由路堑主导,较高区域受路堤主导;风速变化对列车沿线移动的气动力变化趋势影响不大;在过渡区域,线路交界处附近对行车安全最不利,且路堤侧更为不利;受雷诺数效应的影响,气动力系数整体上随风速的增大而减小。