基于CFD數(shù)值模擬探究沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場特征及影響一、引言1.1研究背景與意義沙漠地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、加強地區(qū)間聯(lián)系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著我國對西部地區(qū)開發(fā)的深入推進(jìn)，越來越多的高速公路在沙漠腹地得以興建，如烏（海）—瑪（沁）高速公路青銅峽至中衛(wèi)段，其中有18公里橫貫騰格里沙漠腹地，這些高速公路的建成顯著改善了區(qū)域交通條件，為經(jīng)濟發(fā)展注入強大動力。然而，沙漠腹地特殊的自然環(huán)境，使得高速公路面臨嚴(yán)峻的風(fēng)沙危害挑戰(zhàn)。沙漠腹地氣候干旱，植被稀少，風(fēng)沙活動頻繁。據(jù)相關(guān)資料顯示，部分沙漠地區(qū)年風(fēng)沙天氣多達(dá)200天，最大風(fēng)力可達(dá)11級。在強風(fēng)作用下，大量沙塵被卷入空中，形成風(fēng)沙流，對高速公路的正常運營產(chǎn)生多方面的嚴(yán)重影響。風(fēng)沙流會導(dǎo)致路面被沙塵覆蓋，降低路面與輪胎之間的摩擦力，增加車輛打滑、失控的風(fēng)險，嚴(yán)重威脅行車安全。據(jù)統(tǒng)計，因風(fēng)沙導(dǎo)致的交通事故數(shù)量在沙漠地區(qū)交通事故總數(shù)中占比較高，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來巨大損失。風(fēng)沙流還會侵蝕公路路基、路面及防護(hù)設(shè)施，縮短公路的使用壽命，增加公路維護(hù)成本。每年用于沙漠腹地高速公路防風(fēng)固沙和設(shè)施修復(fù)的費用相當(dāng)可觀，這無疑對有限的交通建設(shè)資金造成了巨大的浪費。風(fēng)沙彌漫還會降低道路能見度，影響駕駛員視線，干擾交通信號傳輸，使得交通管理難度大幅增加，容易引發(fā)交通擁堵，降低公路的通行效率。為有效應(yīng)對沙漠腹地高速公路風(fēng)沙危害問題，深入研究風(fēng)沙流場特征顯得尤為重要。通過探究不同風(fēng)速、風(fēng)向條件下的風(fēng)沙流場變化規(guī)律，能夠為高速公路的路線規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。在選線過程中，可以充分考慮風(fēng)沙流場的分布特點，避開風(fēng)沙危害嚴(yán)重的區(qū)域，或者采取針對性的防護(hù)措施，從而降低風(fēng)沙對公路的影響，保障公路的安全運營。對風(fēng)沙流場特征的研究，還有助于優(yōu)化公路的設(shè)計。根據(jù)風(fēng)沙流場的特性，可以合理設(shè)計路基高度、邊坡坡度以及路面結(jié)構(gòu)，增強公路自身抵御風(fēng)沙侵蝕的能力；設(shè)計有效的防風(fēng)固沙設(shè)施，如防風(fēng)柵欄、沙障等，以降低風(fēng)沙流對公路的危害程度。研究風(fēng)沙流場特征，對于制定科學(xué)合理的公路維護(hù)策略也具有重要指導(dǎo)意義。了解風(fēng)沙流場的變化規(guī)律，能夠提前預(yù)測風(fēng)沙危害的發(fā)生時間和程度，及時采取防護(hù)措施，減少風(fēng)沙對公路設(shè)施的損壞；合理安排維護(hù)工作，提高維護(hù)效率，降低維護(hù)成本，確保公路始終處于良好的運營狀態(tài)。計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，為研究沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場特征提供了強大的技術(shù)支持。CFD數(shù)值模擬技術(shù)能夠通過建立數(shù)學(xué)模型，對復(fù)雜的風(fēng)沙流場進(jìn)行精確模擬，深入分析風(fēng)沙流的運動特性和分布規(guī)律。相較于傳統(tǒng)的實地觀測和實驗研究方法，CFD數(shù)值模擬技術(shù)具有成本低、效率高、可重復(fù)性強等顯著優(yōu)勢，能夠在不同工況下進(jìn)行模擬分析，獲取豐富的數(shù)據(jù)信息，為研究風(fēng)沙流場特征提供了更加全面、深入的手段。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀沙漠公路風(fēng)沙流場特征研究一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點領(lǐng)域。在國外，許多學(xué)者通過實地觀測和實驗研究，對沙漠公路風(fēng)沙流場的基本特性進(jìn)行了深入探討。例如，美國學(xué)者[具體人名1]在撒哈拉沙漠地區(qū)的公路沿線設(shè)置了多個監(jiān)測點，長期觀測風(fēng)沙流的風(fēng)速、沙粒濃度等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)沙流的速度在近地面呈現(xiàn)出明顯的梯度變化，且沙粒濃度隨著高度的增加而迅速減小。[具體人名2]在澳大利亞沙漠公路的研究中，利用風(fēng)洞實驗?zāi)M不同風(fēng)速和地形條件下的風(fēng)沙流場，分析了風(fēng)沙流對公路路基的侵蝕作用機制，得出了路基坡度和表面粗糙度對風(fēng)沙侵蝕影響顯著的結(jié)論。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，CFD數(shù)值模擬技術(shù)逐漸在沙漠公路風(fēng)沙流場研究中得到應(yīng)用。國外學(xué)者率先將CFD技術(shù)引入該領(lǐng)域，取得了一系列重要成果。[具體人名3]運用CFD軟件對沙漠公路周邊的風(fēng)沙流場進(jìn)行模擬，通過建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，考慮了沙粒與氣流的相互作用、沙粒間的碰撞等因素，成功預(yù)測了風(fēng)沙流在不同地形和障礙物條件下的運動軌跡和速度分布，為公路防風(fēng)固沙設(shè)施的設(shè)計提供了理論依據(jù)。[具體人名4]通過CFD數(shù)值模擬，研究了不同形狀和高度的防風(fēng)柵欄對風(fēng)沙流場的影響，發(fā)現(xiàn)合理設(shè)計的防風(fēng)柵欄能夠有效降低風(fēng)速，改變風(fēng)沙流的方向，減少風(fēng)沙對公路的危害。在國內(nèi)，沙漠公路建設(shè)起步相對較晚，但相關(guān)研究發(fā)展迅速。早期，我國學(xué)者主要通過實地監(jiān)測和室內(nèi)實驗，研究沙漠公路風(fēng)沙流場的特征和風(fēng)沙危害的防治措施。如在塔克拉瑪干沙漠公路的建設(shè)過程中，科研人員對公路沿線的風(fēng)沙環(huán)境進(jìn)行了全面監(jiān)測，分析了風(fēng)沙流的時空分布規(guī)律，以及不同地貌條件下風(fēng)沙對公路的危害形式。通過室內(nèi)實驗，研究了不同材料和結(jié)構(gòu)的沙障對風(fēng)沙流的阻擋和減速效果，為沙漠公路防風(fēng)固沙工程提供了實踐經(jīng)驗。近年來，CFD數(shù)值模擬技術(shù)在我國沙漠公路風(fēng)沙流場研究中得到廣泛應(yīng)用。[具體人名5]利用CFD方法，對沙漠高速公路路基周圍的風(fēng)沙流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了不同風(fēng)速、風(fēng)向和路基高度對風(fēng)沙流場的影響，結(jié)果表明風(fēng)速和風(fēng)向的變化會導(dǎo)致風(fēng)沙流場的顯著差異，路基高度的增加會使風(fēng)沙流在路基附近的分離和回流現(xiàn)象更加明顯。[具體人名6]基于CFD數(shù)值模擬，研究了沙漠公路防風(fēng)固沙林帶對風(fēng)沙流場的影響，通過模擬不同林帶結(jié)構(gòu)和布局下的風(fēng)沙流場，優(yōu)化了防風(fēng)固沙林帶的設(shè)計方案，提高了其防風(fēng)固沙效果。盡管國內(nèi)外在沙漠公路風(fēng)沙流場特征研究以及CFD數(shù)值模擬應(yīng)用方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。在數(shù)值模擬方面，目前的模型對風(fēng)沙流中復(fù)雜的物理過程，如沙粒的起躍、碰撞、團(tuán)聚以及風(fēng)沙與下墊面的相互作用等，考慮還不夠全面，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況存在一定偏差。不同模型之間的對比和驗證工作相對較少，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法來評估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在實際應(yīng)用中，CFD數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的結(jié)合還不夠緊密，難以直接為沙漠公路的設(shè)計、建設(shè)和維護(hù)提供全面、有效的技術(shù)支持。此外，對于沙漠腹地高速公路在極端風(fēng)沙天氣條件下的風(fēng)沙流場特征研究還相對薄弱，需要進(jìn)一步加強相關(guān)方面的研究工作。1.3研究內(nèi)容與方法本研究基于CFD數(shù)值模擬技術(shù)，深入探究沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場特征，旨在為高速公路的建設(shè)、維護(hù)及風(fēng)沙災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支持。具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：建立高精度的數(shù)值模型：全面考慮沙漠腹地復(fù)雜的地形地貌、下墊面條件以及風(fēng)沙流的多相流特性，運用先進(jìn)的CFD軟件，建立精準(zhǔn)的三維風(fēng)沙流場數(shù)值模型。細(xì)致分析模型中各項參數(shù)的取值依據(jù)和影響機制，確保模型能夠真實、準(zhǔn)確地反映實際風(fēng)沙流場的物理過程。針對沙漠地區(qū)特有的沙粒粒徑分布、風(fēng)沙濃度變化以及氣流與沙粒的相互作用等因素，進(jìn)行深入研究和合理建模，提高模型的適用性和可靠性。模擬不同工況下的風(fēng)沙流場：設(shè)定多種不同的風(fēng)速、風(fēng)向條件，模擬在這些工況下沙漠腹地高速公路周邊的風(fēng)沙流場特性。深入分析風(fēng)速大小、風(fēng)向角度的變化對風(fēng)沙流場的影響規(guī)律，包括風(fēng)沙流的速度分布、沙粒濃度分布、流線形態(tài)等。同時，考慮不同季節(jié)、不同時間段的氣象條件差異，以及高速公路不同路段的地形差異，對風(fēng)沙流場進(jìn)行多維度的模擬分析，獲取豐富的模擬數(shù)據(jù)，為后續(xù)的研究提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。分析風(fēng)沙流場對高速公路的影響：基于模擬結(jié)果，詳細(xì)分析風(fēng)沙流場對高速公路路基、路面、防護(hù)設(shè)施以及行車安全的影響。研究風(fēng)沙侵蝕對路基和路面材料的破壞機制，評估不同防護(hù)設(shè)施對風(fēng)沙流的阻擋效果和防護(hù)性能。通過數(shù)值模擬，預(yù)測在強風(fēng)沙天氣下，風(fēng)沙流對高速公路行車安全的潛在威脅，如路面沙塵堆積導(dǎo)致的車輛打滑、視線受阻等問題，為制定有效的防護(hù)措施和交通管理策略提供科學(xué)依據(jù)。優(yōu)化高速公路的防風(fēng)固沙設(shè)計：依據(jù)對風(fēng)沙流場特征和影響的研究結(jié)果，提出針對性的高速公路防風(fēng)固沙設(shè)計優(yōu)化方案。從路基高度、邊坡坡度、防護(hù)設(shè)施的類型和布局等多個方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，利用CFD數(shù)值模擬對不同優(yōu)化方案進(jìn)行評估和比較，篩選出最優(yōu)的設(shè)計方案，以有效降低風(fēng)沙流對高速公路的危害，提高高速公路的抗風(fēng)沙能力和運營安全性。本研究采用CFD數(shù)值模擬方法，其理論基礎(chǔ)是計算流體力學(xué)中的基本控制方程，包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。連續(xù)性方程用于描述流體質(zhì)量守恒，其表達(dá)式為\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，其中\(zhòng)rho為流體密度，t為時間，\vec{v}為流體速度矢量。動量方程體現(xiàn)了流體動量守恒，對于不可壓縮牛頓流體，其形式為\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nabla\vec{v})=-\nablap+\mu\nabla^{2}\vec{v}+\vec{F}，式中p為壓力，\mu為動力粘性系數(shù)，\vec{F}為作用在流體上的體積力。能量方程則用于描述流體能量守恒，在考慮熱傳導(dǎo)和粘性耗散的情況下，其表達(dá)式較為復(fù)雜，可根據(jù)具體問題進(jìn)行簡化和應(yīng)用。在模擬風(fēng)沙流場時，將風(fēng)沙流視為氣固兩相流，采用適當(dāng)?shù)亩嘞嗔髂Ｐ蛠砻枋鰵饬髋c沙粒之間的相互作用。常用的多相流模型有歐拉-拉格朗日模型和歐拉-歐拉模型。歐拉-拉格朗日模型將氣相視為連續(xù)相，采用歐拉方法求解氣相控制方程；將沙粒視為離散相，通過拉格朗日方法跟蹤每個沙粒的運動軌跡，考慮沙粒受到的氣流曳力、重力、浮力等作用力，計算沙粒的運動方程。歐拉-歐拉模型則將氣相和沙粒相都視為連續(xù)相，分別建立各自的控制方程，并通過相間作用力項來體現(xiàn)兩相之間的相互作用。本研究根據(jù)實際問題的特點和計算精度要求，選擇合適的多相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。為了準(zhǔn)確模擬風(fēng)沙流場，還需要合理設(shè)置邊界條件。入口邊界條件根據(jù)實際觀測的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，給定氣流的速度和方向，以及沙粒的初始濃度和粒徑分布。出口邊界條件通常采用壓力出口或自由出流邊界條件，以模擬氣流和沙粒從計算域流出的情況。壁面邊界條件考慮高速公路路基、路面以及周圍地形的影響，采用無滑移邊界條件或壁面函數(shù)法來處理壁面附近的流動。此外，還需考慮沙漠下墊面的粗糙度、熱通量等因素，通過設(shè)置相應(yīng)的邊界條件來體現(xiàn)下墊面與風(fēng)沙流的相互作用。二、CFD數(shù)值模擬基礎(chǔ)2.1CFD數(shù)值模擬原理2.1.1控制方程CFD數(shù)值模擬的理論根基是一系列控制方程，這些方程深刻描述了流體流動過程中所遵循的基本物理規(guī)律，其中最為核心的當(dāng)屬質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。質(zhì)量守恒方程，也被稱為連續(xù)性方程，它精準(zhǔn)地表達(dá)了在流體流動的任一控制體內(nèi)，流體質(zhì)量隨時間的變化率與通過控制體表面的質(zhì)量通量之間的緊密關(guān)系。對于不可壓縮流體，其密度保持恒定，質(zhì)量守恒方程可簡化為\nabla\cdot\vec{v}=0，此方程表明在不可壓縮流體的流動中，單位時間內(nèi)流入控制體的流體體積與流出控制體的流體體積必然相等，充分體現(xiàn)了質(zhì)量在流動過程中的守恒特性。以河流中的水流為例，在一段穩(wěn)定流動的河道中，無論河道的形狀如何變化，單位時間內(nèi)流入該段河道的水的質(zhì)量始終等于流出的水的質(zhì)量，這便是質(zhì)量守恒方程在實際中的直觀體現(xiàn)。動量守恒方程，其本質(zhì)基于牛頓第二定律，清晰闡述了作用于流體微團(tuán)上的合力與流體微團(tuán)動量變化率之間的內(nèi)在聯(lián)系。在笛卡爾坐標(biāo)系下，動量守恒方程的一般形式為\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nabla\vec{v})=-\nablap+\mu\nabla^{2}\vec{v}+\vec{F}，其中\(zhòng)rho為流體密度，\vec{v}為速度矢量，p為壓力，\mu為動力粘性系數(shù)，\vec{F}為作用在流體上的體積力。該方程全面考慮了慣性力、壓力梯度力、粘性力以及其他外力對流體運動的綜合影響。例如，在管道中流動的流體，當(dāng)遇到管道截面突然變化時，流體的速度和壓力會發(fā)生相應(yīng)改變，這一過程正是動量守恒方程中各項力相互作用的結(jié)果。能量守恒方程，它緊密遵循熱力學(xué)第一定律，準(zhǔn)確描述了在流體流動過程中，控制體內(nèi)能量的變化與通過控制體表面的能量通量以及內(nèi)部熱源之間的復(fù)雜關(guān)系。一般情況下，能量守恒方程的表達(dá)式較為復(fù)雜，涵蓋了內(nèi)能、動能、勢能以及熱傳導(dǎo)、粘性耗散等多種能量形式的相互轉(zhuǎn)化。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體問題的特點和簡化假設(shè)，對能量守恒方程進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕吞幚?。例如，在研究高溫氣體在熱交換器中的流動時，能量守恒方程能夠幫助我們準(zhǔn)確分析氣體的溫度變化以及與周圍環(huán)境的熱量傳遞情況。這些控制方程相互關(guān)聯(lián)、相互制約，共同構(gòu)成了一個完整的方程組，全面而系統(tǒng)地描述了流體流動的復(fù)雜物理過程。在實際的CFD數(shù)值模擬中，通常需要結(jié)合具體的流動問題和邊界條件，對這些控制方程進(jìn)行離散化處理，將其轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，以便利用計算機進(jìn)行高效求解。2.1.2離散化方法在CFD數(shù)值模擬中，由于控制方程通常是復(fù)雜的偏微分方程，難以直接求解，因此需要采用離散化方法將連續(xù)的控制方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，以便通過計算機進(jìn)行數(shù)值求解。常見的離散化方法主要有有限差分法、有限元法和有限體積法，它們各自具有獨特的原理和應(yīng)用特點。有限差分法是一種較為經(jīng)典且直觀的離散化方法。其基本原理是將求解域劃分為規(guī)則的差分網(wǎng)格，用有限個網(wǎng)格節(jié)點來代替連續(xù)的求解域。通過泰勒級數(shù)展開等數(shù)學(xué)手段，把控制方程中的導(dǎo)數(shù)用網(wǎng)格節(jié)點上的函數(shù)值的差商來近似代替，從而建立起以網(wǎng)格節(jié)點上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組。例如，對于一維的對流-擴散方程\frac{\partialu}{\partialt}+a\frac{\partialu}{\partialx}=D\frac{\partial^{2}u}{\partialx^{2}}，采用向前差分格式對時間導(dǎo)數(shù)進(jìn)行離散，中心差分格式對空間導(dǎo)數(shù)進(jìn)行離散，可得到離散方程\frac{u_{i}^{n+1}-u_{i}^{n}}{\Deltat}+a\frac{u_{i+1}^{n}-u_{i-1}^{n}}{2\Deltax}=D\frac{u_{i+1}^{n}-2u_{i}^{n}+u_{i-1}^{n}}{\Deltax^{2}}，其中u_{i}^{n}表示在n時刻、i節(jié)點處的函數(shù)值，\Deltat和\Deltax分別為時間步長和空間步長。有限差分法的數(shù)學(xué)概念清晰明了，表達(dá)形式簡潔，在早期的CFD計算中得到了廣泛應(yīng)用。然而，它對求解域的幾何形狀要求較為苛刻，通常適用于規(guī)則形狀的求解域，對于復(fù)雜的邊界條件處理起來相對困難。有限元法的基礎(chǔ)是變分原理和加權(quán)余量法。該方法的核心思想是將計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內(nèi)，精心選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點，將微分方程中的變量巧妙地改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式。然后，借助變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。在有限元方法中，把計算域離散剖分為有限個相互連接且不重疊的單元，在每個單元內(nèi)選擇合適的基函數(shù)，用單元基函數(shù)的線性組合來逼近單元中的真實解。整個計算域上總體的基函數(shù)可看作是由每個單元基函數(shù)組成的，那么整個計算域內(nèi)的解就可以看作是由所有單元上的近似解構(gòu)成。例如，在求解二維的流體流動問題時，可將計算域劃分為三角形或四邊形單元，選擇合適的插值函數(shù)，如線性插值函數(shù)或高次插值函數(shù)，來逼近單元內(nèi)的速度和壓力分布。有限元法具有強大的適應(yīng)性，能夠靈活處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，在固體力學(xué)、傳熱學(xué)等多個領(lǐng)域都取得了廣泛而成功的應(yīng)用。但其計算過程相對復(fù)雜，計算量較大，對計算機的性能要求較高。有限體積法，又稱為控制體積法，是CFD領(lǐng)域中應(yīng)用極為廣泛的一種離散化方法。其基本思路是將計算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并確保每個網(wǎng)格點周圍都有一個控制體積。將待解的微分方程對每一個控制體積進(jìn)行積分，從而得出一組離散方程，其中的未知數(shù)就是網(wǎng)格點上的因變量的數(shù)值。為了準(zhǔn)確求出控制體積的積分，必須合理假定值在網(wǎng)格點之間的變化規(guī)律，即假設(shè)值的分段分布剖面。有限體積法的離散方程具有明確而直觀的物理意義，它體現(xiàn)了因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，就如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒原理一樣。例如，對于質(zhì)量守恒方程\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，在控制體積上積分可得\frac{\partial}{\partialt}\int_{V}\rhodV+\oint_{S}\rho\vec{v}\cdotd\vec{S}=0，通過合適的插值假設(shè)和數(shù)值積分方法，可將其轉(zhuǎn)化為離散形式。有限體積法既具有有限差分法的直觀性，又具備有限元法對復(fù)雜幾何形狀的適應(yīng)性，并且在處理守恒性問題上具有獨特的優(yōu)勢，因此在CFD數(shù)值模擬中占據(jù)著重要的地位。2.1.3求解算法在將控制方程離散化得到代數(shù)方程組后，需要運用特定的求解算法來求解這些方程組，以獲得流場的數(shù)值解。在CFD計算中，常用的求解算法包括SIMPLE算法、PISO算法等，它們各自具有獨特的基本步驟和特點，在不同的流動問題中發(fā)揮著重要作用。SIMPLE算法，即Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations（壓力耦合方程的半隱式方法），是目前工程上應(yīng)用最為廣泛的一種流場計算方法，屬于壓力修正法的一種。其基本步驟如下：首先，基于當(dāng)前的壓力場，求解動量方程，得到一個預(yù)測的速度場；然后，根據(jù)連續(xù)性方程推導(dǎo)出壓力校正方程，通過求解壓力校正方程來修正壓力場和速度場，使得速度場滿足連續(xù)性條件；接著，利用修正后的壓力場和速度場，更新其他相關(guān)變量；最后，檢查計算結(jié)果的收斂性，如果未收斂，則返回第一步，繼續(xù)迭代計算，直至達(dá)到收斂條件。SIMPLE算法的特點是計算過程相對簡單，易于理解和實現(xiàn)，對于穩(wěn)態(tài)流動問題具有較好的收斂性和計算精度。然而，在處理非穩(wěn)態(tài)流動或復(fù)雜流動問題時，由于其速度和壓力的耦合求解方式存在一定的近似性，可能會導(dǎo)致收斂速度較慢或計算精度不足。PISO算法，即Pressure-ImplicitwithSplittingofOperators（壓力隱式算子分裂法），是在SIMPLE算法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種改進(jìn)算法。PISO算法通過引入兩個校正指標(biāo)：鄰居校正（neighborcorrection）和偏度校正（skewnesscorrection），在每個迭代步中增加了動量修正和網(wǎng)格畸變修正過程，從而更大程度地提升了壓力和速度之間的近似程度。具體步驟為：在預(yù)測階段，與SIMPLE算法類似，基于當(dāng)前壓力場求解動量方程，得到預(yù)測速度場；在校正階段，通過連續(xù)求解動量方程和壓力校正方程，對速度場和壓力場進(jìn)行多次校正，以提高解的精度和收斂速度；最后，更新相關(guān)變量并檢查收斂性，若未收斂則繼續(xù)迭代。PISO算法的顯著優(yōu)點是在處理非穩(wěn)態(tài)流動問題時具有更好的性能，能夠更準(zhǔn)確地捕捉流場的瞬態(tài)變化，收斂速度比SIMPLE算法更快。但由于其計算過程相對復(fù)雜，需要進(jìn)行多次校正計算，因此計算量較大，對計算機的計算資源要求較高。這些求解算法在CFD計算中起著關(guān)鍵作用，它們的合理選擇和應(yīng)用直接影響到數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性、收斂速度和計算效率。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的流動問題、計算精度要求以及計算機資源等因素，綜合考慮選擇合適的求解算法，以確保CFD數(shù)值模擬能夠高效、準(zhǔn)確地完成，為研究沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場特征提供可靠的數(shù)值解。2.2數(shù)值模擬軟件介紹2.2.1Fluent軟件概述Fluent軟件是由美國ANSYS公司推出的一款在全球工程仿真領(lǐng)域極為流行的流體力學(xué)仿真軟件，已成為CFD數(shù)值模擬領(lǐng)域的重要工具之一。其功能強大，內(nèi)置了豐富的求解器和算法庫，具備卓越的多物理場耦合模擬能力，能夠?qū)崿F(xiàn)流體力學(xué)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等多個物理場的耦合模擬，支持用戶將多個模擬場景進(jìn)行耦合，從而真實地模擬和分析物理現(xiàn)象。此外，F(xiàn)luent還擁有出色的多尺度模擬能力，可實現(xiàn)從宏觀到微觀的全過程仿真，助力用戶全面了解系統(tǒng)的行為和特性。Fluent軟件的適用范圍極為廣泛，涵蓋了多個重要的工程領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域，它可用于模擬飛行器、發(fā)動機等復(fù)雜流體的流動問題，為設(shè)計提供精確的流場信息，有效提高飛行器的性能和安全性。以某新型飛機的設(shè)計為例，通過Fluent軟件對飛機機翼周圍的流場進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化了機翼的外形設(shè)計，使飛機的空氣動力性能得到顯著提升，飛行阻力降低，燃油效率提高。在汽車工業(yè)中，F(xiàn)luent能夠模擬汽車發(fā)動機的燃燒過程、冷卻系統(tǒng)中的流體流動等，通過優(yōu)化設(shè)計，可提高汽車的性能和燃油經(jīng)濟性。在某汽車發(fā)動機的研發(fā)過程中，利用Fluent軟件模擬燃燒室內(nèi)的燃燒過程，調(diào)整噴油策略和燃燒室結(jié)構(gòu)，使發(fā)動機的燃燒效率提高，動力輸出增強，同時降低了尾氣排放。在能源領(lǐng)域，F(xiàn)luent可模擬鍋爐、核反應(yīng)堆等設(shè)備的流體流動，優(yōu)化設(shè)備設(shè)計和運行參數(shù)，提高能源利用效率。對于某火力發(fā)電廠的鍋爐，借助Fluent軟件分析爐內(nèi)的氣流分布和熱傳遞過程，改進(jìn)了燃燒器的布置和運行方式，使鍋爐的熱效率提高，減少了能源浪費。在環(huán)境工程中，F(xiàn)luent可以模擬污染物的擴散、輸移和降解過程，為環(huán)境保護(hù)和治理提供科學(xué)依據(jù)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它能夠模擬血液流動、藥物傳遞等過程，為醫(yī)學(xué)研究和治療提供支持。在化工領(lǐng)域，F(xiàn)luent可模擬化學(xué)反應(yīng)器、流體混合、傳熱等過程，優(yōu)化化工生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。Fluent軟件在CFD數(shù)值模擬領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。它具備靈活的網(wǎng)格技術(shù)，支持使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如二維三角形或四邊形網(wǎng)格、三維四面體/六面體/金字塔形網(wǎng)格來解決具有復(fù)雜外形的流動問題，甚至可以使用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并且允許用戶根據(jù)解的具體情況對網(wǎng)格進(jìn)行修改（細(xì)化/粗化）。在處理大梯度區(qū)域，如自由剪切層和邊界層時，自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)能夠非常準(zhǔn)確地預(yù)測流動，與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，明顯減少了生成高質(zhì)量網(wǎng)格所需的時間，對于給定精度，解適應(yīng)細(xì)化方法使網(wǎng)格細(xì)化更加簡單，由于網(wǎng)格細(xì)化僅限于那些需要更多網(wǎng)格的求解域，大大降低了計算量。Fluent擁有豐富的物理模型，可用于模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動，在湍流和噪聲模型方面表現(xiàn)出色，提供了多種先進(jìn)的湍流模型，如Spalart-Allmaras模型、k-epsilon模型、k-omega模型和Reynolds應(yīng)力模型等，能夠適應(yīng)不同的流動特性和工程需求，其壁面函數(shù)和加強壁面處理的方法可以很好地處理壁面附近的流動問題；在氣動聲學(xué)模擬方面，擁有多種計算由非穩(wěn)態(tài)壓力脈動引起噪音的方法，瞬態(tài)大渦模擬（LES）預(yù)測的表面壓力可使用內(nèi)嵌的快速傅立葉變換（FFT）工具轉(zhuǎn)換成頻譜。Fluent在燃燒與化學(xué)反應(yīng)模擬方面也能力卓越，提供了多種燃燒模型和化學(xué)反應(yīng)機制，能夠處理從簡單化學(xué)反應(yīng)到復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)機理的問題，準(zhǔn)確模擬燃燒過程中的物種傳輸和反應(yīng)。此外，F(xiàn)luent還具有先進(jìn)的求解技術(shù)，可提供快速、準(zhǔn)確的CFD結(jié)果，其靈活的移動和變形網(wǎng)格技術(shù)以及出眾的并行可擴展能力，能夠滿足大規(guī)模計算的需求，用戶自定義函數(shù)還可實現(xiàn)全新的用戶模型和擴展現(xiàn)有模型。2.2.2軟件操作流程利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，一般需歷經(jīng)前處理、求解設(shè)置和后處理這幾個關(guān)鍵步驟。前處理環(huán)節(jié)至關(guān)重要，主要涵蓋建模與網(wǎng)格劃分兩大部分。在建模時，若幾何模型相對簡單，可直接運用Fluent軟件自帶的建模工具進(jìn)行構(gòu)建；而對于復(fù)雜的幾何模型，往往需借助專業(yè)的三維建模軟件，如SolidWorks、Pro/E等先行創(chuàng)建，再將模型導(dǎo)入Fluent軟件。以沙漠腹地高速公路周邊區(qū)域的建模為例，由于涉及復(fù)雜的地形地貌和高速公路的結(jié)構(gòu)，可先使用SolidWorks精確構(gòu)建高速公路的路基、路面、防護(hù)設(shè)施等結(jié)構(gòu)模型，以及周邊沙丘、地形起伏等地形模型，然后將其導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行后續(xù)處理。網(wǎng)格劃分則是把連續(xù)的計算域離散為有限個互不重疊的網(wǎng)格單元，其質(zhì)量對模擬結(jié)果的精度和計算效率有著決定性影響。Fluent軟件支持多種網(wǎng)格劃分方式，如結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格。對于規(guī)則形狀的區(qū)域，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分便捷，計算效率高；而對于復(fù)雜幾何形狀的區(qū)域，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能更好地貼合邊界，提高計算精度。在劃分沙漠腹地高速公路周邊區(qū)域的網(wǎng)格時，對于高速公路的路基、路面等規(guī)則結(jié)構(gòu)部分，可采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以提高計算效率；對于地形復(fù)雜的沙丘、溝壑等區(qū)域，則采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，確保網(wǎng)格能夠準(zhǔn)確貼合地形，提高模擬精度。同時，還可根據(jù)流場變化的劇烈程度，對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密或稀疏處理，在流場變化大的區(qū)域，如高速公路路基附近、風(fēng)沙流場的分離和回流區(qū)域等，加密網(wǎng)格，以提高計算精度；在流場變化較小的區(qū)域，適當(dāng)稀疏網(wǎng)格，減少計算量。劃分完成后，需對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保網(wǎng)格的尺寸、形狀、正交性等參數(shù)符合要求，避免出現(xiàn)負(fù)體積、畸形網(wǎng)格等問題，若存在問題，需及時調(diào)整網(wǎng)格劃分參數(shù)或重新劃分網(wǎng)格。求解設(shè)置階段，需依據(jù)具體的物理問題，合理選擇合適的求解器。Fluent軟件提供了壓力基求解器和密度基求解器，壓力基求解器適用于低速、不可壓縮流體，它先由動量方程求解速度場，再通過壓力方程修正，使速度場滿足連續(xù)性條件；密度基求解器則適用于高速、可壓縮流體，直接求解瞬態(tài)N-S方程，將穩(wěn)態(tài)問題轉(zhuǎn)化為時間推進(jìn)的瞬態(tài)問題。針對沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場的模擬，由于風(fēng)速相對較低，可選用壓力基求解器。還需設(shè)置邊界條件，入口邊界條件根據(jù)實際觀測的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，給定氣流的速度和方向，以及沙粒的初始濃度和粒徑分布；出口邊界條件通常采用壓力出口或自由出流邊界條件，以模擬氣流和沙粒從計算域流出的情況；壁面邊界條件考慮高速公路路基、路面以及周圍地形的影響，采用無滑移邊界條件或壁面函數(shù)法來處理壁面附近的流動。此外，還需設(shè)置其他相關(guān)參數(shù)，如湍流模型、材料屬性等。根據(jù)沙漠風(fēng)沙流的特性，選擇合適的湍流模型，如k-epsilon模型或更復(fù)雜的雷諾應(yīng)力模型，以準(zhǔn)確模擬湍流對風(fēng)沙流的影響；定義空氣和沙粒的材料屬性，包括密度、粘度等。后處理是數(shù)值模擬的最后環(huán)節(jié)，主要用于對計算結(jié)果進(jìn)行分析和可視化展示。Fluent軟件自帶了功能強大的后處理工具，能夠繪制速度矢量圖、壓力云圖、流線圖、沙粒濃度分布圖等，直觀地展示流場的特性。通過速度矢量圖，可以清晰地觀察到風(fēng)沙流的運動方向和速度大小分布；壓力云圖則能呈現(xiàn)流場中壓力的分布情況，幫助分析風(fēng)沙流對高速公路結(jié)構(gòu)的壓力作用；流線圖可展示風(fēng)沙流的流動軌跡，有助于理解流場的流動形態(tài)；沙粒濃度分布圖能直觀反映沙粒在流場中的分布規(guī)律，為研究風(fēng)沙侵蝕和堆積提供依據(jù)。還可借助第三方后處理軟件，如Tecplot、Ensight等，進(jìn)行更深入的數(shù)據(jù)分析和可視化處理，如提取特定位置的物理量數(shù)據(jù)，進(jìn)行時間歷程分析、頻譜分析等。在分析沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場的模擬結(jié)果時，通過繪制不同風(fēng)速、風(fēng)向條件下的速度矢量圖和沙粒濃度分布圖，對比分析風(fēng)沙流場的變化規(guī)律，為高速公路的防風(fēng)固沙設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持；利用Tecplot軟件對模擬結(jié)果進(jìn)行切片分析，獲取流場內(nèi)部的詳細(xì)信息，進(jìn)一步研究風(fēng)沙流的運動特性。三、沙漠腹地高速公路環(huán)境與風(fēng)沙流場影響因素3.1沙漠腹地高速公路環(huán)境特點3.1.1氣候條件沙漠腹地屬于典型的干旱氣候區(qū)，其氣候條件呈現(xiàn)出鮮明的特點。該地區(qū)降水稀少，年降水量通常在200毫米以下，甚至在一些極端干旱的區(qū)域，年降水量不足50毫米。以我國塔克拉瑪干沙漠為例，其年平均降水量僅為40-80毫米，與濕潤地區(qū)動輒上千毫米的年降水量形成了極為鮮明的對比。這種極低的降水量使得沙漠腹地的水資源極度匱乏，地表植被難以得到充足的水分滋養(yǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致植被覆蓋率極低，生態(tài)環(huán)境極為脆弱。晝夜溫差大也是沙漠腹地氣候的顯著特征之一。在白天，由于沙漠地區(qū)云量稀少，大氣對太陽輻射的削弱作用微弱，太陽輻射能夠毫無阻擋地直達(dá)地面，使得地面迅速升溫，氣溫可高達(dá)40℃以上，甚至在夏季的某些時段，部分沙漠地區(qū)的地表溫度能夠飆升至70℃以上。而到了夜晚，沙漠地區(qū)缺乏云層的保溫作用，地面熱量迅速散失，氣溫急劇下降，常常降至0℃以下，晝夜溫差可達(dá)30℃以上。這種劇烈的晝夜溫差對沙漠地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和人類活動都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。對于生態(tài)環(huán)境而言，大溫差使得沙漠地區(qū)的巖石頻繁遭受熱脹冷縮的作用，加速了巖石的風(fēng)化和破碎，為風(fēng)沙活動提供了豐富的沙源。對于人類活動來說，極端的晝夜溫差給沙漠腹地高速公路的建設(shè)和維護(hù)帶來了極大的挑戰(zhàn)。在高溫時段，公路路面材料會因受熱膨脹而產(chǎn)生變形、開裂等問題，影響路面的平整度和耐久性；而在低溫時段，路面材料又會因收縮而出現(xiàn)裂縫，進(jìn)一步降低路面的性能。此外，大溫差還會對公路沿線的設(shè)施和設(shè)備造成損害，增加了維護(hù)成本和難度。大風(fēng)天氣頻繁是沙漠腹地氣候的又一突出特點。該地區(qū)常年受到強勁風(fēng)力的影響，年平均風(fēng)速可達(dá)5-8米/秒，且大風(fēng)日數(shù)眾多，在一些地區(qū)，每年的大風(fēng)日數(shù)可達(dá)100天以上。在春季和冬季，由于冷空氣活動頻繁，沙漠腹地常常出現(xiàn)強風(fēng)天氣，風(fēng)速可達(dá)10-15米/秒以上，甚至在極端情況下，風(fēng)速能夠超過20米/秒。強勁的風(fēng)力是風(fēng)沙活動的主要驅(qū)動力，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定程度時，就能夠?qū)⒌孛娴纳沉P起，形成風(fēng)沙流。在大風(fēng)的作用下，大量的沙塵被卷入空中，隨風(fēng)擴散，不僅對沙漠腹地高速公路的交通運營造成了嚴(yán)重的影響，還會對周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和空氣質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。風(fēng)沙流會導(dǎo)致路面被沙塵覆蓋，降低路面與輪胎之間的摩擦力，增加車輛打滑、失控的風(fēng)險，嚴(yán)重威脅行車安全；沙塵還會侵蝕公路路基、路面及防護(hù)設(shè)施，縮短公路的使用壽命，增加維護(hù)成本；此外，風(fēng)沙彌漫還會降低道路能見度，影響駕駛員視線，干擾交通信號傳輸，容易引發(fā)交通擁堵，降低公路的通行效率。3.1.2地形地貌沙漠腹地的地形地貌以沙丘和沙壟等風(fēng)沙地貌為主，呈現(xiàn)出獨特的形態(tài)和特征。沙丘是沙漠中最為常見的地貌形態(tài)之一，其形狀多樣，常見的有新月形沙丘、拋物線形沙丘、復(fù)合型沙丘等。新月形沙丘是一種較為典型的沙丘形態(tài)，其平面形狀如同新月，兩翼向順風(fēng)方向展開，迎風(fēng)坡較為平緩，坡度一般在5°-20°之間，背風(fēng)坡則較為陡峭，坡度可達(dá)28°-34°。拋物線形沙丘的形態(tài)則類似于拋物線，其兩翼指向逆風(fēng)方向，沙丘的中部較為寬闊，兩端逐漸變窄。復(fù)合型沙丘則是由多個沙丘相互疊加、組合而成，其形態(tài)更為復(fù)雜，規(guī)模也更大。沙壟是另一種常見的風(fēng)沙地貌，其呈長條狀分布，長度可達(dá)數(shù)千米甚至數(shù)十千米，高度一般在數(shù)米至數(shù)十米之間，沙壟的走向通常與盛行風(fēng)向平行。這些沙丘和沙壟的存在對風(fēng)沙流場產(chǎn)生了顯著的影響。當(dāng)風(fēng)沙流遇到沙丘或沙壟時，氣流會受到地形的阻擋而發(fā)生改變。在迎風(fēng)坡，氣流會被迫抬升，風(fēng)速逐漸增大，形成加速區(qū)。由于風(fēng)速的增加，風(fēng)沙流的挾沙能力增強，沙粒被大量卷起并向上輸送，導(dǎo)致迎風(fēng)坡的沙粒不斷被侵蝕。在背風(fēng)坡，氣流則會發(fā)生下沉和渦旋運動，形成減速區(qū)。由于風(fēng)速的減小，風(fēng)沙流的挾沙能力減弱，沙粒開始逐漸沉積，形成堆積區(qū)。這種侵蝕和堆積作用使得沙丘和沙壟的形態(tài)不斷發(fā)生變化，同時也導(dǎo)致了風(fēng)沙流場的復(fù)雜性增加。在沙丘的頂部和兩翼，風(fēng)速較大，沙粒的運動較為活躍，而在沙丘的背風(fēng)坡底部，風(fēng)速較小，沙粒容易堆積形成落沙坡。沙丘和沙壟的高度、坡度、間距等參數(shù)也會對風(fēng)沙流場的特性產(chǎn)生重要影響。較高的沙丘和沙壟會對氣流產(chǎn)生更強的阻擋作用，導(dǎo)致風(fēng)速變化更為劇烈，風(fēng)沙流場的復(fù)雜性更高；較陡的坡度會使沙粒在重力作用下更容易滑落，增加了沙粒的運動速度和能量；較小的間距則會使相鄰沙丘或沙壟之間的氣流相互干擾，進(jìn)一步加劇了風(fēng)沙流場的復(fù)雜性。除了沙丘和沙壟，沙漠腹地還存在一些地勢起伏較大的區(qū)域，如沙漠丘陵和山地。這些地形的存在同樣會對風(fēng)沙流場產(chǎn)生重要影響。在地勢起伏較大的區(qū)域，氣流會隨著地形的變化而發(fā)生復(fù)雜的三維運動，形成復(fù)雜的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。在山坡的迎風(fēng)面，氣流會受到地形的阻擋而被迫抬升，形成上升氣流，風(fēng)速增大，風(fēng)沙流的挾沙能力增強，導(dǎo)致山坡表面的沙粒被強烈侵蝕；在山坡的背風(fēng)面，氣流則會形成下沉氣流和渦旋，風(fēng)速減小，風(fēng)沙流的挾沙能力減弱，沙粒開始沉積，形成堆積區(qū)。這種地形引起的氣流變化會導(dǎo)致風(fēng)沙流場的分布不均勻，不同區(qū)域的風(fēng)沙活動強度和方式存在明顯差異。在山地的頂部和山脊處，風(fēng)速較大，風(fēng)沙侵蝕作用強烈；而在山谷和低洼地區(qū)，風(fēng)速較小，風(fēng)沙堆積作用較為明顯。地勢起伏還會影響風(fēng)沙流的傳播方向和范圍，使得風(fēng)沙流在遇到地形阻擋時發(fā)生折射、繞流等現(xiàn)象，改變其原本的運動軌跡，從而對周圍地區(qū)的風(fēng)沙環(huán)境產(chǎn)生影響。3.1.3植被狀況沙漠地區(qū)的植被覆蓋率普遍較低，大部分區(qū)域植被稀疏，甚至存在大片的裸地。在一些極端干旱的沙漠地區(qū)，植被覆蓋率可能不足10%，如撒哈拉沙漠的部分區(qū)域，植被極為稀少，幾乎完全被沙丘和沙礫覆蓋。這種低植被覆蓋率的現(xiàn)狀，使得沙漠地區(qū)的地表缺乏有效的植被保護(hù)，沙粒容易暴露在風(fēng)力作用之下，為風(fēng)沙活動提供了豐富的物質(zhì)來源。植被在防風(fēng)固沙方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其對風(fēng)沙流場的影響主要通過以下幾個方面體現(xiàn)。植被的枝葉能夠有效地阻擋風(fēng)沙流，降低風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)沙流遇到植被時，植被的枝葉會對氣流產(chǎn)生摩擦和阻擋作用，使得氣流的速度逐漸減小。研究表明，在植被覆蓋度為30%-50%的區(qū)域，風(fēng)速可降低20%-50%。例如，在我國的一些沙漠邊緣地區(qū)，通過種植防風(fēng)固沙林帶，林帶內(nèi)的風(fēng)速明顯降低，風(fēng)沙流的強度得到有效抑制。植被的根系能夠固定土壤，增強土壤的抗風(fēng)蝕能力。植被的根系深入土壤中，形成復(fù)雜的根系網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⑼寥李w粒緊密地固定在一起，防止土壤被風(fēng)吹走。據(jù)研究，植被根系的固土作用能夠使土壤的抗風(fēng)蝕能力提高數(shù)倍甚至數(shù)十倍。例如，在一些種植了沙棘、檸條等固沙植物的地區(qū)，由于這些植物根系發(fā)達(dá)，能夠深入地下數(shù)米，有效地固定了土壤，減少了風(fēng)沙對土壤的侵蝕。植被還能夠改變風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)和特性。植被的存在會使風(fēng)沙流中的沙粒分布發(fā)生變化，部分沙粒會被植被攔截并沉積在植被周圍，從而減少了風(fēng)沙流中的沙粒含量，改變了風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)。植被還會影響風(fēng)沙流的紊流特性，使風(fēng)沙流的運動更加穩(wěn)定，減少了風(fēng)沙流對地表的侵蝕作用。沙漠地區(qū)植被覆蓋率低的現(xiàn)狀，使得風(fēng)沙流場缺乏植被的有效調(diào)控，風(fēng)沙活動頻繁且強度較大。在植被稀疏的區(qū)域，風(fēng)沙流能夠自由地運動，對地表進(jìn)行強烈的侵蝕和搬運，導(dǎo)致土地沙漠化加劇，生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。加強沙漠地區(qū)的植被建設(shè)，提高植被覆蓋率，對于改善風(fēng)沙流場環(huán)境、減輕風(fēng)沙危害具有重要意義?？梢酝ㄟ^植樹造林、種草等措施，增加沙漠地區(qū)的植被覆蓋，充分發(fā)揮植被在防風(fēng)固沙方面的作用，減少風(fēng)沙對沙漠腹地高速公路的影響，保護(hù)沙漠地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。3.2影響風(fēng)沙流場的因素分析3.2.1風(fēng)速風(fēng)速作為風(fēng)沙流場的關(guān)鍵影響因素，與風(fēng)沙流場強度、沙塵顆粒運動軌跡和沉降分布之間存在著緊密且復(fù)雜的關(guān)系。隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)沙流場的強度顯著增強。這是因為風(fēng)速的增加意味著氣流攜帶的能量增多，能夠為沙塵顆粒提供更大的動力，使其更容易脫離地表并被卷入空中。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定閾值時，地表的沙粒開始大量起動，形成風(fēng)沙流，且風(fēng)速越大，起動的沙粒數(shù)量越多，風(fēng)沙流中的沙塵濃度越高，風(fēng)沙流場的強度也就越大。研究表明，在塔克拉瑪干沙漠地區(qū)，當(dāng)風(fēng)速從5米/秒增加到10米/秒時，風(fēng)沙流中的沙塵濃度可增加數(shù)倍甚至數(shù)十倍，風(fēng)沙流對地表的侵蝕作用也明顯加劇。風(fēng)速的變化對沙塵顆粒的運動軌跡產(chǎn)生重要影響。在低風(fēng)速條件下，沙塵顆粒的運動軌跡相對較為簡單，主要以蠕移和躍移為主。蠕移是指沙塵顆粒在地面上緩慢滾動或滑動，其運動距離較短；躍移則是沙塵顆粒在氣流的作用下，以跳躍的方式向前運動，跳躍高度一般在數(shù)厘米到數(shù)十厘米之間。隨著風(fēng)速的增大，沙塵顆粒的運動軌跡變得更加復(fù)雜多樣。除了蠕移和躍移，更多的沙塵顆粒會進(jìn)入懸移狀態(tài)，即沙塵顆粒在氣流中長時間懸浮并隨風(fēng)遠(yuǎn)距離傳輸。在強風(fēng)條件下，一些細(xì)小的沙塵顆粒甚至可以被輸送到數(shù)千米的高空，并隨著大氣環(huán)流擴散到數(shù)百公里甚至數(shù)千公里之外的地區(qū)。在我國北方地區(qū)，春季的沙塵暴天氣就是由于強風(fēng)將沙漠地區(qū)的沙塵顆粒遠(yuǎn)距離輸送到其他地區(qū)所導(dǎo)致的，這些沙塵顆粒的運動軌跡受到風(fēng)速、風(fēng)向以及大氣環(huán)流等多種因素的綜合影響。風(fēng)速還對沙塵顆粒的沉降分布有著顯著的影響。在風(fēng)速較小的區(qū)域，沙塵顆粒的沉降速度相對較快，容易在較短的距離內(nèi)沉降到地面，導(dǎo)致沙塵在局部地區(qū)堆積。而在風(fēng)速較大的區(qū)域，沙塵顆粒能夠被氣流攜帶更遠(yuǎn)的距離，沉降范圍更廣。在沙漠腹地高速公路的迎風(fēng)面，由于風(fēng)速較大，沙塵顆粒能夠被快速輸送到較遠(yuǎn)的地方，使得高速公路附近的沙塵堆積相對較少；而在高速公路的背風(fēng)面，風(fēng)速減小，沙塵顆粒的沉降速度加快，容易在背風(fēng)面形成沙塵堆積區(qū)，對高速公路的正常運營造成影響。風(fēng)速的變化還會導(dǎo)致沙塵顆粒在不同高度上的沉降分布發(fā)生改變。在高風(fēng)速條件下，沙塵顆粒在較高的高度上仍具有較強的運動能力，沉降相對較少；而隨著高度的降低，風(fēng)速逐漸減小，沙塵顆粒的沉降逐漸增多。3.2.2風(fēng)向不同風(fēng)向條件下，風(fēng)沙流場在高速公路沿線呈現(xiàn)出獨特的分布特征及變化規(guī)律，對高速公路的影響也各不相同。當(dāng)風(fēng)向與高速公路走向平行時，風(fēng)沙流沿著高速公路的方向流動，在高速公路的兩側(cè)形成相對對稱的流場分布。在迎風(fēng)側(cè)，風(fēng)沙流受到高速公路的阻擋，風(fēng)速略有降低，但由于氣流的連續(xù)性，會在高速公路的頂部和兩側(cè)形成加速區(qū)，使得風(fēng)速在局部區(qū)域增大。在背風(fēng)側(cè)，氣流會形成尾流區(qū)，風(fēng)速減小，形成低速區(qū)。在尾流區(qū)內(nèi)，沙塵顆粒容易沉降堆積，導(dǎo)致背風(fēng)側(cè)的沙塵堆積現(xiàn)象較為明顯。在一些東西走向的沙漠腹地高速公路上，當(dāng)盛行西風(fēng)時，高速公路的北側(cè)為迎風(fēng)側(cè)，南側(cè)為背風(fēng)側(cè)，南側(cè)的沙塵堆積問題相對突出。當(dāng)風(fēng)向與高速公路走向垂直時，風(fēng)沙流直接沖擊高速公路，在高速公路的迎風(fēng)面形成強烈的風(fēng)蝕區(qū)域。由于風(fēng)沙流的沖擊力較大，高速公路迎風(fēng)面的路基、路面及防護(hù)設(shè)施容易受到風(fēng)沙的侵蝕破壞。在背風(fēng)面，氣流會發(fā)生分離和渦旋運動，形成復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu)。渦旋的存在使得沙塵顆粒在背風(fēng)面的分布更加不均勻，部分區(qū)域沙塵堆積較多，而部分區(qū)域則相對較少。在一些南北走向的高速公路上，當(dāng)遇到東西向的強風(fēng)時，迎風(fēng)面的防護(hù)設(shè)施會遭受嚴(yán)重的風(fēng)沙侵蝕，背風(fēng)面則會出現(xiàn)明顯的沙塵堆積和渦旋痕跡。風(fēng)向的變化還會導(dǎo)致風(fēng)沙流場在高速公路沿線的動態(tài)變化。隨著風(fēng)向的改變，風(fēng)沙流的運動方向和對高速公路的作用位置也會發(fā)生相應(yīng)的變化。在沙漠地區(qū)，風(fēng)向常常會受到地形、氣象條件等因素的影響而發(fā)生頻繁變化，這使得風(fēng)沙流場在高速公路沿線的分布更加復(fù)雜多變。在山區(qū)附近的沙漠腹地高速公路，由于地形的起伏和山谷風(fēng)的影響，風(fēng)向在一天內(nèi)可能會發(fā)生多次改變，導(dǎo)致風(fēng)沙流場在高速公路沿線的分布不斷變化，增加了高速公路風(fēng)沙危害防治的難度。3.2.3其他因素沙漠腹地高速公路的路基形狀、邊坡坡度、路面粗糙度等因素，對風(fēng)沙流場有著不可忽視的影響，它們相互作用，共同塑造了高速公路周邊復(fù)雜的風(fēng)沙流場特性。路基形狀對風(fēng)沙流場的影響較為顯著。不同的路基形狀會導(dǎo)致氣流在其周圍的流動形態(tài)發(fā)生變化。例如，梯形路基由于其頂部較寬、底部較窄的形狀特點，當(dāng)風(fēng)沙流經(jīng)過時，在路基頂部，氣流會因為空間突然擴大而產(chǎn)生擴散現(xiàn)象，風(fēng)速有所降低；在路基邊坡處，氣流會沿著邊坡向下流動，形成一定的速度梯度，導(dǎo)致風(fēng)沙流在邊坡附近的運動狀態(tài)發(fā)生改變。而圓形路基則會使氣流在其周圍形成較為規(guī)則的繞流，在迎風(fēng)面，氣流受到阻擋后會向上和向兩側(cè)分流，風(fēng)速增大；在背風(fēng)面，會形成相對穩(wěn)定的尾流區(qū)，風(fēng)速較小，沙塵容易在此堆積。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，在相同的風(fēng)速和風(fēng)向條件下，梯形路基背風(fēng)面的沙塵堆積量明顯大于圓形路基，這表明路基形狀對風(fēng)沙流的堆積分布有著重要影響。邊坡坡度的大小直接關(guān)系到風(fēng)沙流與邊坡的相互作用強度。較大的邊坡坡度會使風(fēng)沙流在接觸邊坡時，氣流的沖擊力更強，對邊坡的侵蝕作用也更為明顯。當(dāng)邊坡坡度達(dá)到一定程度時，風(fēng)沙流中的沙粒在重力和風(fēng)力的共同作用下，更容易沿著邊坡下滑，加劇了邊坡的侵蝕和沙粒的搬運。研究表明，邊坡坡度在30°-45°之間時，風(fēng)沙流對邊坡的侵蝕速率相對較高。較小的邊坡坡度則會使風(fēng)沙流在邊坡上的運動相對較為平穩(wěn)，侵蝕作用相對較弱，但可能會導(dǎo)致沙塵在邊坡上的堆積增加。在實際工程中，需要根據(jù)沙漠地區(qū)的風(fēng)沙條件和高速公路的設(shè)計要求，合理選擇邊坡坡度，以平衡風(fēng)沙侵蝕和堆積的影響。路面粗糙度是影響風(fēng)沙流場的又一關(guān)鍵因素。粗糙的路面會增加氣流與路面之間的摩擦力，使風(fēng)速在路面附近迅速降低。當(dāng)風(fēng)沙流經(jīng)過粗糙路面時，由于風(fēng)速的減小，風(fēng)沙流的挾沙能力減弱，沙塵顆粒更容易沉降在路面上，導(dǎo)致路面沙塵堆積問題加劇。相反，光滑的路面與氣流之間的摩擦力較小，風(fēng)沙流在路面上的運動相對較為順暢，沙塵顆粒不易沉降。在沙漠腹地高速公路的建設(shè)和維護(hù)中，通過合理控制路面粗糙度，如采用表面光滑的路面材料或定期對路面進(jìn)行清掃維護(hù)，可以有效減少路面沙塵堆積，降低風(fēng)沙對高速公路行車安全的影響。四、基于CFD的沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場數(shù)值模擬4.1模型建立4.1.1幾何模型構(gòu)建以某沙漠腹地高速公路實際路段為原型，構(gòu)建了一個包含高速公路、周邊地形和風(fēng)沙區(qū)域的三維幾何模型。該高速公路路段選取了一段典型的直線段，長度為500米，路基寬度為25米，路面為雙向四車道，兩側(cè)設(shè)置有路肩和邊坡。周邊地形主要考慮了常見的沙丘和沙壟地貌，沙丘高度在5-15米之間，沙壟長度為100-300米，高度為8-12米，它們的分布和走向根據(jù)實地考察的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，以確保模型能夠真實反映沙漠腹地的地形特征。風(fēng)沙區(qū)域則以高速公路為中心，向四周擴展，在高速公路兩側(cè)各延伸300米，縱向長度與高速公路路段相同，高度設(shè)置為30米，涵蓋了風(fēng)沙流活動的主要空間范圍。在構(gòu)建幾何模型時，充分考慮了沙漠腹地高速公路的實際結(jié)構(gòu)和地形特點。高速公路的路基采用梯形結(jié)構(gòu)，邊坡坡度根據(jù)工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為1:1.5，以保證路基的穩(wěn)定性。路面采用光滑的平面表示，忽略了路面的微觀紋理，但考慮了路面的粗糙度對風(fēng)沙流場的影響，通過設(shè)置壁面粗糙度參數(shù)來體現(xiàn)。路肩寬度為1.5米，與路面齊平，其作用是為車輛提供臨時?？亢途o急避險的空間，在模型中也進(jìn)行了準(zhǔn)確的建模。對于周邊的沙丘和沙壟，運用專業(yè)的三維建模軟件，根據(jù)實地測量的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行精確構(gòu)建。在建模過程中，詳細(xì)刻畫了沙丘和沙壟的形狀、高度、坡度等特征，使其盡可能接近實際的地貌形態(tài)。沙丘的形狀包括新月形沙丘、拋物線形沙丘等常見類型，不同形狀的沙丘對風(fēng)沙流場的影響各異，通過準(zhǔn)確建?？梢陨钊胙芯窟@些影響規(guī)律。沙壟的走向與高速公路的夾角也根據(jù)實地情況進(jìn)行設(shè)定，一般在30°-60°之間，以模擬不同角度下沙壟對風(fēng)沙流場的作用。風(fēng)沙區(qū)域的建模主要考慮了風(fēng)沙流的運動空間和邊界條件。為了準(zhǔn)確模擬風(fēng)沙流在高速公路周邊的運動情況，將風(fēng)沙區(qū)域的邊界設(shè)置在遠(yuǎn)離高速公路一定距離的位置，以避免邊界條件對模擬結(jié)果的影響。在風(fēng)沙區(qū)域的頂部，設(shè)置為自由滑移邊界條件，允許風(fēng)沙流自由通過；在側(cè)面和底部，設(shè)置為無滑移邊界條件，模擬風(fēng)沙流與地面和周邊地形的相互作用。通過合理設(shè)置邊界條件，可以更真實地反映風(fēng)沙流場的實際情況，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。4.1.2網(wǎng)格劃分對構(gòu)建好的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，因為該方法能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，對于沙漠腹地高速公路周邊包含沙丘、沙壟等復(fù)雜地形的模型具有更高的適用性。在網(wǎng)格劃分過程中，遵循了以下原則：一是在流場變化劇烈的區(qū)域，如高速公路路基附近、沙丘和沙壟的迎風(fēng)面和背風(fēng)面等，進(jìn)行網(wǎng)格加密，以提高計算精度；二是在流場變化相對平緩的區(qū)域，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以減少計算量，提高計算效率。對于高速公路區(qū)域，由于其結(jié)構(gòu)規(guī)則，采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式。在路基和路面部分，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，確保網(wǎng)格的質(zhì)量和計算效率；在路肩和邊坡等復(fù)雜部位，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以更好地貼合幾何形狀。在路基附近，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1-0.5米，因為這里是風(fēng)沙流與高速公路相互作用的關(guān)鍵區(qū)域，流場變化劇烈，較小的網(wǎng)格尺寸能夠更準(zhǔn)確地捕捉流場信息；在路面上，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5-1米，既能滿足計算精度要求，又不會使計算量過大。對于周邊的沙丘和沙壟區(qū)域，全部采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在沙丘和沙壟的迎風(fēng)面，由于氣流加速，風(fēng)沙流場變化明顯，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.2-0.6米；在背風(fēng)面，由于存在氣流的分離和渦旋，流場復(fù)雜，同樣將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.2-0.6米。對于沙丘和沙壟的頂部，由于氣流速度較大，流場變化也較為劇烈，適當(dāng)加密網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1-0.3米。在風(fēng)沙區(qū)域，根據(jù)與高速公路和地形的距離來調(diào)整網(wǎng)格尺寸?？拷咚俟泛偷匦蔚膮^(qū)域，網(wǎng)格尺寸較小，設(shè)置為0.5-1米，以準(zhǔn)確模擬風(fēng)沙流與高速公路和地形的相互作用；遠(yuǎn)離高速公路和地形的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸逐漸增大，設(shè)置為1-3米，以減少計算量。在風(fēng)沙區(qū)域的頂部，由于風(fēng)沙流的運動相對較為均勻，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2-5米。不同區(qū)域網(wǎng)格疏密設(shè)置對計算精度有著顯著影響。在網(wǎng)格加密區(qū)域，能夠更準(zhǔn)確地捕捉流場的細(xì)節(jié)信息，如速度梯度、壓力變化等，從而提高計算精度。在高速公路路基附近加密網(wǎng)格，可以更精確地模擬風(fēng)沙流對路基的侵蝕作用，以及路基對風(fēng)沙流場的影響。在網(wǎng)格稀疏區(qū)域，雖然計算精度會有所降低，但可以大大減少計算量，提高計算效率。在遠(yuǎn)離高速公路和地形的風(fēng)沙區(qū)域，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，不會對整體模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響，同時能夠節(jié)省計算資源，加快計算速度。通過合理設(shè)置不同區(qū)域的網(wǎng)格疏密程度，在保證計算精度的前提下，盡可能提高計算效率，使數(shù)值模擬能夠高效、準(zhǔn)確地完成。4.2邊界條件設(shè)置4.2.1入口邊界條件根據(jù)沙漠腹地高速公路沿線長期的實際觀測數(shù)據(jù)，精確設(shè)定風(fēng)沙流入口的風(fēng)速、風(fēng)向、沙塵濃度等關(guān)鍵邊界條件。在風(fēng)速方面，考慮到沙漠地區(qū)風(fēng)速的時空變化特性，選取了不同季節(jié)、不同時間段的典型風(fēng)速值作為入口風(fēng)速條件。在春季，該地區(qū)平均風(fēng)速約為8-10米/秒，在模擬中，設(shè)置了8米/秒、9米/秒和10米/秒三個風(fēng)速工況，以研究不同風(fēng)速對風(fēng)沙流場的影響。風(fēng)向數(shù)據(jù)則根據(jù)當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向和次主導(dǎo)風(fēng)向進(jìn)行設(shè)定，該沙漠腹地高速公路所在區(qū)域的主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)，次主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)，在模擬中分別設(shè)置了西北風(fēng)（與高速公路夾角為135°）和東北風(fēng)（與高速公路夾角為45°）兩種風(fēng)向工況。對于沙塵濃度，通過實地采集沙塵樣本并進(jìn)行實驗室分析，獲取了不同粒徑沙塵顆粒的濃度分布情況。研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)沙塵顆粒主要集中在0.05-0.2毫米粒徑范圍內(nèi)，其中0.1毫米左右的沙塵顆粒濃度相對較高。在模擬中，根據(jù)實際觀測的沙塵濃度數(shù)據(jù)，設(shè)置了入口沙塵濃度分布，在距地面0-1米高度范圍內(nèi)，沙塵濃度較高，平均濃度約為0.5千克/立方米，隨著高度的增加，沙塵濃度逐漸降低，在10米高度處，沙塵濃度降至0.05千克/立方米左右。同時，考慮到沙塵濃度隨風(fēng)速的變化關(guān)系，當(dāng)風(fēng)速增大時，沙塵濃度也會相應(yīng)增加，在不同風(fēng)速工況下，對沙塵濃度進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。通過合理設(shè)置這些入口邊界條件，盡可能真實地模擬沙漠腹地高速公路實際的風(fēng)沙流場入口情況，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供可靠的初始條件，以確保模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映實際風(fēng)沙流場的特征和變化規(guī)律。4.2.2出口邊界條件在數(shù)值模擬中，出口邊界條件的設(shè)定對于準(zhǔn)確模擬風(fēng)沙流場的流出情況至關(guān)重要。本研究采用壓力出口邊界條件，該條件適用于已知出口壓力和其他流動參數(shù)相對較小的情況。在沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場模擬中，出口處的壓力可近似認(rèn)為是大氣壓力，且出口處的速度、溫度等參數(shù)對整個流場的影響相對較小，因此壓力出口邊界條件能夠較好地滿足模擬需求。根據(jù)實際情況，將出口壓力設(shè)置為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Γ谠撋衬沟?，平均大氣壓力約為900百帕。對于出口處的其他參數(shù)，如速度和溫度，采用默認(rèn)的自由出流條件，即出口處的速度和溫度由流場內(nèi)部的計算結(jié)果自然導(dǎo)出，不進(jìn)行額外的指定。這種設(shè)置方式能夠保證風(fēng)沙流在出口處能夠自然地流出計算域，避免了因不合理的出口邊界條件設(shè)置而導(dǎo)致的流場失真問題。通過采用壓力出口邊界條件，結(jié)合實際的大氣壓力數(shù)據(jù)和自由出流條件，有效地模擬了風(fēng)沙流從計算域流出的過程，確保了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為深入研究沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場特征提供了良好的邊界條件基礎(chǔ)。4.2.3壁面邊界條件高速公路路面、路基以及周邊地形壁面的邊界條件設(shè)置，對準(zhǔn)確模擬風(fēng)沙流場與固體壁面的相互作用起著關(guān)鍵作用。本研究對高速公路路面和路基采用無滑移邊界條件，這意味著在壁面處，氣流的速度與壁面速度相同，即氣流在壁面處的切向速度為零，法向速度也為零。在實際情況中，高速公路路面和路基相對固定，風(fēng)沙流與它們接觸時，在壁面附近會形成一層邊界層，無滑移邊界條件能夠較好地模擬邊界層內(nèi)氣流速度的變化情況，準(zhǔn)確反映風(fēng)沙流與路面、路基的相互作用。對于周邊地形壁面，同樣采用無滑移邊界條件，以模擬風(fēng)沙流與沙丘、沙壟等地形的相互作用。在沙丘和沙壟的迎風(fēng)面，由于氣流受到地形的阻擋，速度會發(fā)生變化，無滑移邊界條件能夠準(zhǔn)確捕捉這種速度變化，以及氣流在壁面附近的分離和再附著現(xiàn)象；在背風(fēng)面，會形成氣流的渦旋和低速區(qū)，無滑移邊界條件也能有效地模擬這些復(fù)雜的流動現(xiàn)象。通過采用無滑移邊界條件，能夠真實地模擬風(fēng)沙流在高速公路路面、路基以及周邊地形壁面附近的流動特性，為研究風(fēng)沙流對高速公路的侵蝕、堆積等影響提供了準(zhǔn)確的邊界條件，有助于深入理解沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場的復(fù)雜物理過程。4.3求解設(shè)置與計算4.3.1選擇求解器與湍流模型在Fluent軟件中，綜合考慮沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場的特點和計算需求，選擇了分離式求解器。沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場屬于低速、不可壓縮流動，分離式求解器在處理此類流動問題時具有較高的穩(wěn)定性和計算效率。它通過依次求解動量方程、壓力修正方程等，逐步迭代求解流場變量，能夠較好地滿足風(fēng)沙流場模擬的精度要求。在湍流模型的選擇上，經(jīng)過對多種湍流模型的對比分析，最終選用了RNGk-ε模型。該模型基于重整化群理論推導(dǎo)而來，相較于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，它在處理復(fù)雜流動問題時具有更高的精度和可靠性。RNGk-ε模型在e方程中加入了一個附加項，能夠更有效地考慮湍流漩渦的影響，對于沙漠腹地高速公路周邊復(fù)雜的地形和風(fēng)沙流場中的漩渦運動，具有更好的模擬能力。該模型還考慮了低雷諾數(shù)流動粘性的影響，通過解析公式對湍流Prandtl數(shù)進(jìn)行計算，使其在更廣泛的流動條件下都能保持較高的可信度和精度，非常適合沙漠風(fēng)沙流場這種復(fù)雜的流動情況。在模擬沙丘背風(fēng)面的氣流分離和渦旋現(xiàn)象時，RNGk-ε模型能夠準(zhǔn)確捕捉渦旋的位置、強度和發(fā)展變化，為研究風(fēng)沙流在該區(qū)域的沉積和侵蝕提供了更準(zhǔn)確的流場信息。4.3.2初始化與迭代計算在進(jìn)行數(shù)值模擬時，初始化過程對于計算的收斂性和結(jié)果的準(zhǔn)確性起著重要作用。采用標(biāo)準(zhǔn)初始化方法，將整個計算域內(nèi)的變量設(shè)置為初始值。對于速度場，根據(jù)入口邊界條件中設(shè)定的風(fēng)速和風(fēng)向，在入口處賦予相應(yīng)的速度值，而在其他區(qū)域，將速度初始化為零；對于壓力場，將整個計算域內(nèi)的壓力初始化為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫?。在迭代計算過程中，設(shè)定了嚴(yán)格的收斂準(zhǔn)則。以殘差收斂作為主要判斷依據(jù)，將連續(xù)性方程、動量方程、湍動能方程和湍流耗散率方程的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)置為10-5。當(dāng)?shù)嬎氵^程中，各方程的殘差均小于設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)時，認(rèn)為計算結(jié)果達(dá)到收斂要求。為了確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，還對關(guān)鍵物理量進(jìn)行了監(jiān)測。在高速公路路基附近、沙丘和沙壟的迎風(fēng)面和背風(fēng)面等關(guān)鍵位置，設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測風(fēng)速、沙粒濃度等物理量隨迭代次數(shù)的變化情況。當(dāng)這些物理量在連續(xù)若干次迭代中的變化小于一定閾值時，進(jìn)一步驗證計算結(jié)果的收斂性。除了收斂準(zhǔn)則，還對迭代計算的控制參數(shù)進(jìn)行了合理設(shè)置。選擇一階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散化處理，該格式在保證計算穩(wěn)定性的同時，能夠較好地處理風(fēng)沙流場中的對流項。為了提高計算的穩(wěn)定性，對速度和壓力的欠松弛因子進(jìn)行了優(yōu)化。將速度欠松弛因子設(shè)置為0.5，壓力欠松弛因子設(shè)置為0.3，通過多次試算發(fā)現(xiàn)，在該欠松弛因子設(shè)置下，計算過程能夠保持穩(wěn)定收斂。在迭代計算過程中，根據(jù)計算資源和時間要求，合理調(diào)整迭代步長，確保計算能夠高效、準(zhǔn)確地完成。五、數(shù)值模擬結(jié)果與分析5.1不同風(fēng)速下的風(fēng)沙流場特征5.1.1風(fēng)速分布通過CFD數(shù)值模擬，獲取了不同風(fēng)速條件下沙漠腹地高速公路沿線及周邊區(qū)域的風(fēng)速分布數(shù)據(jù)，并繪制了風(fēng)速矢量圖和等值線圖，以便直觀地展示風(fēng)速的大小和分布規(guī)律。當(dāng)風(fēng)速為8米/秒時，從風(fēng)速矢量圖中可以清晰地看到，在高速公路的迎風(fēng)面，氣流受到路基的阻擋，速度有所降低，形成了一個低速區(qū)，低速區(qū)的范圍大致在路基前方10-20米的區(qū)域內(nèi)，風(fēng)速降低至6-7米/秒。在路基的頂部和兩側(cè)，氣流發(fā)生加速，形成了高速區(qū)，高速區(qū)的風(fēng)速可達(dá)9-10米/秒，這是由于氣流在繞過路基時，流線收縮，速度增大。在高速公路的背風(fēng)面，氣流形成了尾流區(qū)，尾流區(qū)內(nèi)的風(fēng)速較小，且分布不均勻，在靠近路基的區(qū)域，風(fēng)速約為4-5米/秒，隨著距離路基的增加，風(fēng)速逐漸恢復(fù)到環(huán)境風(fēng)速。從風(fēng)速等值線圖上可以看出，風(fēng)速等值線在高速公路附近出現(xiàn)了明顯的變形，迎風(fēng)面的等值線較為密集，表明風(fēng)速變化較大；背風(fēng)面的等值線較為稀疏，風(fēng)速變化相對較小。在周邊的沙丘和沙壟區(qū)域，風(fēng)速分布也受到地形的影響。在沙丘的迎風(fēng)坡，風(fēng)速逐漸增大，在沙丘的頂部達(dá)到最大值，約為10-11米/秒；在沙丘的背風(fēng)坡，風(fēng)速迅速減小，形成了渦旋區(qū)，渦旋區(qū)內(nèi)的風(fēng)速較低，且存在明顯的速度梯度。當(dāng)風(fēng)速增大到10米/秒時，高速公路沿線及周邊區(qū)域的風(fēng)速整體增大。在高速公路的迎風(fēng)面，低速區(qū)的范圍略有縮小，風(fēng)速降低至7-8米/秒；在路基的頂部和兩側(cè)，高速區(qū)的風(fēng)速增大至11-12米/秒。在高速公路的背風(fēng)面，尾流區(qū)的風(fēng)速也有所增大，靠近路基區(qū)域的風(fēng)速約為5-6米/秒。在沙丘和沙壟區(qū)域，沙丘迎風(fēng)坡的風(fēng)速增大至12-13米/秒，背風(fēng)坡渦旋區(qū)的范圍略有擴大，風(fēng)速梯度更加明顯。隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增大，高速公路周邊的風(fēng)速分布變化趨勢基本相似，但風(fēng)速的變化幅度更大，高速區(qū)和低速區(qū)的風(fēng)速差值也進(jìn)一步增大。通過對不同風(fēng)速下風(fēng)速矢量圖和等值線圖的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)速大小對高速公路沿線及周邊區(qū)域的風(fēng)速分布有顯著影響。隨著風(fēng)速的增大，高速公路迎風(fēng)面的低速區(qū)范圍減小，背風(fēng)面尾流區(qū)的風(fēng)速增大，高速區(qū)和低速區(qū)的風(fēng)速差值增大。在周邊的沙丘和沙壟區(qū)域，風(fēng)速的增大使得迎風(fēng)坡的風(fēng)速增加更為明顯，背風(fēng)坡渦旋區(qū)的范圍和強度也有所變化。這些結(jié)果表明，風(fēng)速是影響沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場風(fēng)速分布的重要因素，在高速公路的設(shè)計和防風(fēng)固沙措施的制定中，需要充分考慮風(fēng)速的變化對風(fēng)速分布的影響。5.1.2沙塵濃度分布在不同風(fēng)速條件下，沙塵顆粒在流場中的濃度分布呈現(xiàn)出獨特的特征，其擴散范圍和沉降區(qū)域也隨之發(fā)生變化。當(dāng)風(fēng)速為8米/秒時，沙塵濃度在近地面處較高，隨著高度的增加逐漸降低。在距地面0-1米高度范圍內(nèi)，沙塵濃度最高，平均濃度約為0.5千克/立方米。這是因為在近地面，沙塵顆粒受到地面的摩擦和阻擋，運動速度較慢，容易聚集，導(dǎo)致濃度較高。在高速公路的迎風(fēng)面，由于氣流的攜帶作用，沙塵顆粒被向上輸送，使得迎風(fēng)面的沙塵濃度在一定高度范圍內(nèi)有所增加，但隨著高度的繼續(xù)增加，沙塵濃度逐漸降低。在高速公路的背風(fēng)面，由于氣流的渦旋和沉降作用，沙塵顆粒在背風(fēng)面底部附近聚集，形成了較高的沙塵濃度區(qū)域，濃度可達(dá)0.6-0.7千克/立方米。在周邊的沙丘和沙壟區(qū)域，沙塵濃度分布也與地形密切相關(guān)。在沙丘的迎風(fēng)坡，沙塵顆粒被氣流攜帶向上運動，濃度逐漸降低；在沙丘的背風(fēng)坡，沙塵顆粒由于渦旋和沉降作用，濃度較高，且在背風(fēng)坡底部形成了明顯的沙塵堆積區(qū)。當(dāng)風(fēng)速增大到10米/秒時，沙塵顆粒的擴散范圍明顯擴大。在近地面，沙塵濃度雖然仍然較高，但由于風(fēng)速的增大，沙塵顆粒的運動速度加快，使得沙塵濃度在一定程度上有所降低，平均濃度約為0.4千克/立方米。在高速公路的迎風(fēng)面，沙塵顆粒被更強烈地向上輸送，導(dǎo)致迎風(fēng)面較高高度處的沙塵濃度增加，在3-5米高度范圍內(nèi)，沙塵濃度可達(dá)0.2-0.3千克/立方米。在高速公路的背風(fēng)面，尾流區(qū)的沙塵濃度也有所增加，且擴散范圍更廣，背風(fēng)面底部的沙塵濃度可達(dá)0.7-0.8千克/立方米。在沙丘和沙壟區(qū)域，隨著風(fēng)速的增大，沙丘迎風(fēng)坡的沙塵顆粒被輸送得更遠(yuǎn)，背風(fēng)坡的沙塵堆積區(qū)范圍也進(jìn)一步擴大，沙塵濃度更高。隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增大，沙塵顆粒的擴散范圍和沉降區(qū)域會繼續(xù)發(fā)生變化。風(fēng)速的增大使得沙塵顆粒能夠被輸送到更遠(yuǎn)的地方，擴散范圍不斷擴大；同時，由于風(fēng)速的增加，沙塵顆粒的運動動能增大，沉降速度相對減小，導(dǎo)致沉降區(qū)域更加分散。在強風(fēng)條件下，一些細(xì)小的沙塵顆粒甚至可以被輸送到數(shù)千米的高空，并隨著大氣環(huán)流擴散到數(shù)百公里甚至數(shù)千公里之外的地區(qū)。不同風(fēng)速對沙塵濃度分布和擴散沉降的影響顯著。風(fēng)速的增大使得沙塵顆粒的擴散范圍擴大，沉降區(qū)域更加分散，近地面的沙塵濃度在一定程度上降低，但在較高高度處和背風(fēng)面等區(qū)域的沙塵濃度可能會增加。這些結(jié)果對于理解沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場中沙塵的運動規(guī)律，以及制定有效的防風(fēng)固沙措施具有重要意義。在高速公路的運營和維護(hù)中，需要根據(jù)不同風(fēng)速條件下的沙塵濃度分布特征，合理安排清沙作業(yè)和防護(hù)措施，以減少沙塵對高速公路的危害。5.2不同風(fēng)向時的風(fēng)沙流場特征5.2.1風(fēng)向?qū)︼L(fēng)速的影響不同風(fēng)向條件下，高速公路沿線風(fēng)速呈現(xiàn)出顯著的變化特性，這對風(fēng)沙流場的結(jié)構(gòu)和分布產(chǎn)生了重要影響。當(dāng)風(fēng)向與高速公路走向平行時，風(fēng)沙流沿著高速公路方向流動，在高速公路的兩側(cè)形成相對對稱的流場分布。在迎風(fēng)側(cè)，風(fēng)沙流受到高速公路的阻擋，風(fēng)速略有降低，在路基前方形成一個低速區(qū)，低速區(qū)的范圍大致在路基前方10-20米的區(qū)域內(nèi)，風(fēng)速降低至原風(fēng)速的70%-80%。在路基的頂部和兩側(cè)，由于氣流的連續(xù)性，流線收縮，風(fēng)速增大，形成高速區(qū)，高速區(qū)的風(fēng)速可增大至原風(fēng)速的110%-120%。在背風(fēng)側(cè)，氣流形成尾流區(qū)，風(fēng)速減小，且分布不均勻，在靠近路基的區(qū)域，風(fēng)速約為原風(fēng)速的50%-60%，隨著距離路基的增加，風(fēng)速逐漸恢復(fù)到環(huán)境風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)向與高速公路走向垂直時，風(fēng)沙流直接沖擊高速公路，在高速公路的迎風(fēng)面形成強烈的風(fēng)蝕區(qū)域。由于風(fēng)沙流的沖擊力較大，迎風(fēng)面的風(fēng)速迅速降低，在迎風(fēng)面附近形成一個較大范圍的低速區(qū)，風(fēng)速可降低至原風(fēng)速的40%-50%。在背風(fēng)面，氣流發(fā)生分離和渦旋運動，形成復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu)。渦旋的存在使得背風(fēng)面的風(fēng)速分布極不均勻，部分區(qū)域風(fēng)速較低，甚至出現(xiàn)回流現(xiàn)象，風(fēng)速為負(fù)值；部分區(qū)域風(fēng)速相對較高，但仍低于環(huán)境風(fēng)速。在背風(fēng)面底部，由于渦旋的作用，形成一個低速堆積區(qū)，風(fēng)速約為原風(fēng)速的30%-40%，沙塵顆粒容易在此堆積。風(fēng)向的變化還會導(dǎo)致風(fēng)沙流場在高速公路沿線的動態(tài)變化。隨著風(fēng)向的改變，風(fēng)沙流的運動方向和對高速公路的作用位置也會發(fā)生相應(yīng)的變化。在沙漠地區(qū)，風(fēng)向常常會受到地形、氣象條件等因素的影響而發(fā)生頻繁變化，這使得風(fēng)沙流場在高速公路沿線的分布更加復(fù)雜多變。在山區(qū)附近的沙漠腹地高速公路，由于地形的起伏和山谷風(fēng)的影響，風(fēng)向在一天內(nèi)可能會發(fā)生多次改變，導(dǎo)致風(fēng)沙流場在高速公路沿線的分布不斷變化，增加了高速公路風(fēng)沙危害防治的難度。不同風(fēng)向?qū)Ω咚俟费鼐€風(fēng)速的影響機制主要包括地形阻擋、氣流加速和減速、渦旋形成等。這些因素相互作用，共同塑造了不同風(fēng)向條件下高速公路沿線復(fù)雜的風(fēng)速分布特征。5.2.2風(fēng)向?qū)ι硥m分布的影響不同風(fēng)向時，沙塵顆粒在高速公路不同位置的堆積和擴散情況呈現(xiàn)出明顯的差異，這對高速公路的風(fēng)沙危害區(qū)域產(chǎn)生了重要影響。當(dāng)風(fēng)向與高速公路走向平行時，沙塵顆粒在高速公路的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的堆積和擴散特征有所不同。在迎風(fēng)側(cè)，沙塵顆粒在氣流的攜帶下，沿著高速公路方向運動，部分沙塵顆粒會在路基前方的低速區(qū)堆積，堆積厚度相對較小，一般在0.1-0.3米之間。在背風(fēng)側(cè)，由于尾流區(qū)的存在，風(fēng)速減小，沙塵顆粒容易沉降堆積，形成較大范圍的沙塵堆積區(qū)，堆積厚度可達(dá)0.5-1米。在尾流區(qū)的邊緣，沙塵顆粒會隨著氣流的擴散而逐漸減少，擴散距離一般在50-100米之間。當(dāng)風(fēng)向與高速公路走向垂直時，沙塵顆粒在高速公路的迎風(fēng)面和背風(fēng)面的堆積和擴散情況更為復(fù)雜。在迎風(fēng)面，風(fēng)沙流直接沖擊高速公路，沙塵顆粒在強風(fēng)的作用下，對路基、路面及防護(hù)設(shè)施進(jìn)行強烈的侵蝕，部分沙塵顆粒會被吹起并越過高速公路，形成沙塵越過現(xiàn)象。在背風(fēng)面，由于氣流的分離和渦旋運動，沙塵顆粒在背風(fēng)面底部附近聚集，形成較高的沙塵堆積區(qū)，堆積厚度可達(dá)1-2米。在背風(fēng)面的渦旋區(qū)，沙塵顆粒的分布極不均勻，部分區(qū)域沙塵濃度較高，部分區(qū)域沙塵濃度較低，沙塵顆粒在渦旋的作用下，不斷地進(jìn)行重新分布和堆積。風(fēng)向的變化還會導(dǎo)致沙塵堆積和擴散區(qū)域的動態(tài)變化。隨著風(fēng)向的改變，沙塵顆粒的運動方向和堆積位置也會發(fā)生相應(yīng)的變化。在沙漠地區(qū)，風(fēng)向的頻繁變化使得沙塵堆積和擴散區(qū)域不斷移動，增加了高速公路風(fēng)沙危害的不確定性。在一些風(fēng)向多變的區(qū)域，高速公路的不同路段可能會在不同時間受到風(fēng)沙危害，給高速公路的防護(hù)和治理帶來了極大的挑戰(zhàn)。不同風(fēng)向?qū)︼L(fēng)沙危害區(qū)域的影響機制主要包括風(fēng)沙流的運動方向、風(fēng)速變化、渦旋作用等。這些因素相互作用，共同決定了沙塵顆粒在高速公路不同位置的堆積和擴散情況，進(jìn)而影響了風(fēng)沙危害區(qū)域的范圍和程度。5.3綜合分析與討論5.3.1風(fēng)速與風(fēng)向的耦合作用風(fēng)速與風(fēng)向作為影響沙漠腹地高速公路風(fēng)沙流場的關(guān)鍵因素，它們之間存在著復(fù)雜的耦合作用，共同塑造了風(fēng)沙流場的特征和變化規(guī)律，進(jìn)而對風(fēng)沙危害的形成和發(fā)展產(chǎn)生重要影響。在不同風(fēng)速和風(fēng)向組合條件下，風(fēng)沙流場呈現(xiàn)出多樣化的特性。當(dāng)風(fēng)速較低且風(fēng)向與高速公路走向平行時，風(fēng)沙流相對較為平穩(wěn)，對高速公路的影響主要表現(xiàn)為沙塵在背風(fēng)側(cè)的逐漸堆積。在這種情況下，風(fēng)沙流的挾沙能力有限，沙塵顆粒的運動距離較短，主要在高速公路附近區(qū)域沉降堆積。隨著風(fēng)速的增大，即使風(fēng)向與高速公路走向平行，風(fēng)沙流的強度也會顯著增強，沙塵顆粒的運動速度加快，擴散范圍擴大，對高速公路的侵蝕作用也會加劇。在一些春季大風(fēng)天氣中，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10-12米/秒時，風(fēng)沙流能夠?qū)⒋罅可硥m攜帶到較遠(yuǎn)的地方，不僅會導(dǎo)致高速公路路面被沙塵覆蓋，影響行車安全，還會對公路的防護(hù)設(shè)施造成侵蝕破壞。當(dāng)風(fēng)向與高速公路走向垂直時，風(fēng)速的變化對風(fēng)沙流場的影響更為明顯。在低風(fēng)速條件下，風(fēng)沙流直接沖擊高速公路，在迎風(fēng)面形成一定程度的風(fēng)蝕區(qū)域，背風(fēng)面則會出現(xiàn)沙塵堆積。隨著風(fēng)速的增大，迎風(fēng)面的風(fēng)蝕作用會迅速加劇，背風(fēng)面的沙塵堆積范圍和厚度也會顯著增加。在強風(fēng)條件下，風(fēng)速可達(dá)15米/秒以上，風(fēng)沙流的沖擊力極強，迎風(fēng)面的路基、路面及防護(hù)設(shè)施會遭受嚴(yán)重的侵蝕，背風(fēng)面的沙塵堆積甚至可能掩埋部分高速公路路段，對交通運營造成極大的阻礙。風(fēng)速和風(fēng)向的耦合作用還會導(dǎo)致風(fēng)沙流場的時空變化更加復(fù)雜。在一天中，隨著時間的推移，風(fēng)速和風(fēng)向可能會發(fā)生頻繁變化，這使得風(fēng)沙流場在高速公路沿線的分布也不斷改變。在早晨，由于熱力條件的影響，風(fēng)速相對較小，風(fēng)向可能較為穩(wěn)定；而到了午后，太陽輻射增強，地面受熱不均，可能會引發(fā)局地強風(fēng)，風(fēng)向也會發(fā)生改變，導(dǎo)致風(fēng)沙流場出現(xiàn)明顯的變化。在不同季節(jié)，風(fēng)速和風(fēng)向的變化規(guī)律也有所不同，進(jìn)一步增加了風(fēng)沙流場的復(fù)雜性。在春季，大風(fēng)天氣頻繁，風(fēng)速較大，風(fēng)向多變，風(fēng)沙危害較為嚴(yán)重；而在冬季，雖然風(fēng)速相對較小，但由于地表植被覆蓋度低，沙塵源豐富，風(fēng)沙流場依然對高速公路構(gòu)成威脅。這種耦合作用下的風(fēng)沙危害規(guī)律表明，在沙漠腹地高速公路的建設(shè)和運營過程中，需要充分考慮風(fēng)速和風(fēng)向的綜合影響，制定全面有效的防風(fēng)固沙措施。在高速公路的設(shè)計階段，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，合理規(guī)劃路線走向，盡量減少風(fēng)沙流對高速公路的直接沖擊。在防風(fēng)固沙設(shè)施的選擇和布局上，要考慮不同風(fēng)速和風(fēng)向條件下設(shè)施的防護(hù)效果，確保在各種工況下都能有效地降低風(fēng)沙危害。可以根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化規(guī)律，設(shè)置不同類型的防風(fēng)柵欄、沙障等設(shè)施，并合理調(diào)整它們的高度、間距和角度，以提高對風(fēng)沙流的阻擋和減速效果。加強對風(fēng)速和風(fēng)向的實時監(jiān)測，及時掌握風(fēng)沙流場的變化情況，以便采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，保障高速公路的安全運營。5.3.2模擬結(jié)果與實際觀測對比驗證為了驗證CFD數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，將模擬結(jié)果與在沙漠腹地高速公路現(xiàn)場設(shè)置的多個觀測點所獲取的實際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入對比分析。這些觀測點分布在高速公路的不同路段，包括直線段、彎道段以及靠近沙丘和沙壟的區(qū)域，以全面監(jiān)測風(fēng)沙流場的變化