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原文传递铁路路堑风吹雪数值模拟及风吹雪灾害防治工程研究

论文题名：	铁路路堑风吹雪数值模拟及风吹雪灾害防治工程研究
关键词：	铁路路堑;数值模拟;风吹雪灾害;防治工程
摘要：	风吹雪在新疆、内蒙古、东北等我国北方地区发生频繁，冬季受影响的铁路多达数十条，对铁路的行车造成了巨大的安全隐患，造成线路积雪，阻断交通，列车运行降速或被迫停止，造成巨大的经济损失。国内外学者对其作了大量的研究，提出了多种工程防治雪害的措施，如挡雪墙、防雪栅栏等。挡雪墙是常见的能有效防治线路雪害的一种工程措施，但是目前已有的挡雪墙设计缺乏理论指导，大都依靠经验修建，其中最普遍的问题是挡雪墙的高度、布置位置等设计不合理，导致大部分挡雪墙不能完全发挥作用，防雪效果达不到最佳。因此，研究挡雪墙的阻雪机理，优化挡雪墙设置参数，使其防雪效果达到最佳，保障铁路安全运行，具有重要的科学和现实意义。　　本文选取了典型的铁路风吹雪雪害区域-路堑，利用FLUENT数值模拟的方法，结合前人研究资料，比较净风和风雪两相流途经路堑时的流场变化情况，探究路堑积雪机理，为路堑防雪提供理论依据;模拟挡雪墙布置位置不同、设计高度不同及不同风雪流初始速度下，分析路堑及挡雪墙背风侧的流场特性，根据流场特征和路堑内积雪量的不同，提出挡雪墙应设计的合理参数。本文主要内容有: 　　(1)介绍了风吹雪的形成原因及路堑积雪的影响因素，讨论了风吹雪雪粒的起动和雪粒堆积的原理，提出了防治风吹雪的几种理论方法和常见的实际防雪工程措施。　　(2)对雪粒进行受力分析，建立了单个雪粒的运动微分方程，选用欧拉双流体非稳态模型，建立了风雪两相流的湍流k-ε双方程模型，采用SIMPLEC算法进行求解计算。　　(3)利用FLUENT模拟了净风和携雪风条件下路堑周围及挡雪墙背风侧流场特性，结果表明:与净风条件下相比，携雪风紊流区范围较小，但低速区受影响范围较净风条件大;风雪流经过挡雪墙后气流产生分离，进入紊流区的气流运动十分复杂，风雪流速度减小，雪粒沉积在床面，使途经路堑的风雪流为欠饱和状态，减少了进入路堑的雪粒数量;当近地面风速大于雪粒的起动风速时，沉积在床面的雪粒又重新被气流带动着运动，当近地面风速小于起动风速时，运动中的部分雪粒会逐渐沉积下来，堆积的雪粒不会再次被风吹起，反而对靠近其位置的气流起阻碍作用，使更多雪粒沉积，雪粒与气流通过互相影响自身的速度与运动特性，形成一种反馈机制。　　(4)模拟挡雪墙高度、位置以及风速三个因素变化对挡雪墙背风侧流场特性和积雪特性的影响:挡雪墙位置不同时，在来流与线路垂直的条件下，风雪流初始速度v=15m/s，挡雪墙高度取H=4m时，通过比较可以得出，当挡雪墙离线路的距离L=30m左右时，阻雪效果最佳。挡雪墙高度不同时，其背风侧气流在挡雪墙高度以下的范围内，是低速紊流区，在高度挡雪墙0.5m以上高度，是气流加速区，并且越靠近挡雪墙，加速效果越明显。挡雪墙高度低于2.5m时，挡雪墙背风侧积雪区较短，阻雪效果较差;挡雪墙越高，阻雪能力越强，但是挡雪墙承受的风荷载也越大，自身稳定性也越差，因此，在挡雪墙设计时，宜横向多道布置，避免增大高度。风雪流速度不同时，随着风速的增大，湍流强度在逐渐增强，同时，“大涡旋”逐渐向下风向拉长，表明挡雪墙背风侧积雪长度逐渐增大。所以在布置挡雪墙时，也应考虑风速的影响，风速越大，挡雪墙布置距离L也应越大。在设置挡雪墙时，需要根据风雪流速度的大小，来确定挡雪墙的高度及距离线路的位置。　　(5)设计挡雪墙时，要根据实际情况，确定合适材料的挡雪墙，挡雪墙设计高度建议2.5m～3.5m，当地冬季平均风速为10m/s～15m/s时，挡雪墙宣布置在线路迎风侧20m～25m之间;当地冬季平均风速为15m/s～25m/s时，挡雪墙宣布置在线路迎风侧25m～35m之间;当平均风速大于25m/s时，在雪源丰富且地势开阔平坦的易积雪地段，宜横向布置多道挡雪措施。
作者：	苏国平
专业：	道路与铁路工程
导师：	刘永孝
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文