高立式机械沙障气流场的数值模拟

高立式机械沙障是防沙工程中广泛使用的机械措施，目前针对不同结构参数对沙障周围流场的影响研究，多是单一的野外观测、风洞实验或者数值模拟，多种方法的相互验证研究鲜见报道。本项研究以高立式机械沙障形态特征的实地测量为依据，野外观测和风洞模拟不同孔隙度、不同行数、行间距沙障前后气流强度分布，并进行沙障来流区和泄流区防风效益的理论分析。在野外观测结果对风洞模拟进行较验的基础上，利用Fluent对沙障周围的流场进行数值模拟，阐明沙障各结构参数与沙障防护距离的关系，在此基础上确定最佳孔隙度、行数、行间距、带数和带间距；重点研究沙障数值模型的设计以及数值模拟域边界层条件的设定。本项研究可以为高立式沙障的设计提供更为完善的理论基础。

该课题顺利完成计划研究工作，分别开展以下几方面工作：1 ）利用风洞实验开展了高立式机械沙障流场和防风效益的研究；2）利用风洞实验开展了沙蒿和沙柳植物沙障周围流场与防护效益研究；3）利用Gambit软件和Fluent流体模拟软件，开展了高立式机械沙障流场数值模拟的模型设计、边界层确定、流场模拟计算和沙障结构参数确定的研究；4） 受项目资助共完成第一作者论文4篇，已发表第一作者学术期刊论文3篇（其中第一作者SCI论文2篇）；5）项目资助培养博士后1名，博士生3名，均已顺利毕业和出站。.课题在以下几个方面取得了主要研究进展：1）利用风洞实验对高立式机械沙障的研究发现：单行沙障上部区域流场变化很小，沙障模型下部区域，流场被划分为4个能量区；0.35孔隙度的沙障在下风向防护效益总是最好，因此我们建议在风沙工程中最佳孔隙度为0.3-0.4。0.35孔隙度的双行沙障防护效益比较表明6 H 是最佳行距，双行和三行沙障的防护效益明显优于单行沙障，因此对于多行沙障我们建议的最佳行距为5-7H。2）利用风洞实验对沙蒿和沙柳沙障的速度流场和防护效益比较发现：对于单株沙蒿，自由风速越大，植株两侧的风速增大就越强；由于植株形状差异，单株沙柳的风速梯度变化比沙蒿的小。气流经过沙蒿沙障时，沿程会形成减—增—减—增—减—增—减7个新能区；气流经过沙柳沙障时，近地面流场可以划分为：障前气流减速区、沙障上方气流加速区、障后涡流区以及障后气流恢复区。灌木沙障的防护效益受到风速和沙障结构参数的影响，也受到植物生长特征的影响。考虑到沙蒿和沙柳生长特征和植物沙障防护效益的差异，在防沙体系中将两种植物沙障一起配置是最佳方案。3) 利用数值模拟对高立式机械沙障的气流场进行模拟，数值模型和模拟域设计与风洞实验一致，研究发现数值模拟可以很好地模拟沙障，也可以弥补风洞实验缺少风向观测的不足。气流场经过沙障模型时被划分为6个能量区（尽管不是每个沙障都存在这6个能量区）。基于流场分析，沙障孔隙度不超过0.35。同样，也利用数值模拟比较了行数和行间距对机械沙障防护效益的影响，最优参数与风洞实验结果一致，而且与前人关于孔隙度、行距和行间距的研究一致。