论文部分内容阅读
我国的西部地区地处欧亚大陆腹地,普遍受蒙古冷高压和西伯利亚反气旋的影响,冬季寒冷漫长、气候干燥、风力强劲,积雪期长,经常出现公路风吹雪灾害。公路挡雪墙是预防公路风雪灾害的重要对策和措施之一,为了对多因素综合作用下公路挡雪墙气流场变化、积雪过程以及气流与积雪过程的响应关系进行系统研究,利用粒子图像测速(PIV)系统,通过风洞模拟实验,设计了2个高度(H=30mm,40mm)、4组疏透度(η=0.00,0.30,0.40,0.50)共8种类型的公路挡雪墙模型,在风向夹角δ分别为90°、60°和30°三种情况作用下,对24个实验组合的公路挡雪墙、气流及积雪过程之间的互馈关系进行了深入研究,其主要结论如下：(1)气流以不同风向夹角作用于公路挡雪墙时,不同物理模型组合的挡雪墙周围气流运行轨迹均出现了不同的分异规律,一部分气流沿近地层附近减速运行,另一部分气流为抬升和加速气流,第三部分气流则为上层的乱流,随着风向夹角的减小,这种分异规律逐渐消失。在挡雪墙高度(H)和疏透度(η)相同情况下,气流在迎风侧和背风侧两侧均出现反向气流涡流区,随着风向与公路挡雪墙夹角的增大,其反向涡发生位置距挡雪墙越近,反向涡中心最大风速、反向涡出现频率及其反向涡大小随着风向与公路挡雪墙夹角的增大而增大。在挡雪墙迎风侧水平方向上,气流加速率(S)与水平距离(H)均呈现一定的函数关系,垂直方向上气流加速率与垂直距离为指数正相关关系,但随着风向夹角的减小,气流加速率(S)与水平及垂直距离(H)趋向于不再遵循以上两种变化规律。挡雪墙背风侧气流发生分离后,在不同水平方向位置均出现了气流重附。当气流夹角为90°时,不同挡雪墙模型组合的重附距离分别为0.7h、1.3h、2.3h和4.3h；风向夹角60°时为0.3h、1h、2.6h和3.3h；30°时,气流在背风侧有了一定的减小,并没有附着在近地表。(2)疏透度对不同物理模型组合的公路挡雪墙周围气流影响表明,相同条件下(H,6),随疏透度的增大,水平方向上迎风侧气流加速效应和二次涡流频率逐渐减小,而背风侧反之；垂直方向上,模型中上部(2h)及以下气流都受到了公路挡雪墙模型的显著影响,其中不透风式(η=0.00)挡雪墙模型的周围气流最为复杂多变,均在迎风侧和背风侧形成了多次的二次涡流,随着疏透度增加,气流曲线在整体上变得相对平缓；相同条件下(H,δ),气流重附点位置随疏透度的增大而逐渐后移。总之,疏透度对气流在迎风侧加速及减速、背风侧气流的分离与重附起着重要作用。(3)不同高度公路挡雪墙(30mm/40mm)对气流影响表明,相同条件下(η,δ),不同模型组合周围气流运行过程基本类似,但随挡雪墙高度的增加,迎风侧形成的反向气流频率有增大的趋势,背风侧对气流的减速过程表现更加显著,重附距离均有一定的减小,重附过程仍然遵循30mm高公路挡雪墙规律。(4)不同物理模型组合公路挡雪墙对周围积雪过程影响表明,相同条件下(H,η),随着风向夹角的减小,迎风侧积雪长度(L)和积雪厚度(D)不断减小,而积雪宽度(W)则相应增大,背风侧反之；相同条件下(H,δ),迎风侧上述三项指标随着疏透度的增大而不断的减小,背风侧则反之；积雪堆积剖面线模型表明,迎风侧积雪堆积厚度(D)与水平距离(H)为多项式函数关系,背风侧则随远离挡雪墙模型的方向为线性负相关关系；以上两种关系均随着疏透度增大和风向夹角的减小,其函数关系趋向于不明显,且曲线变得平缓,甚至不变。综合分析表明,各种组合的公路挡雪墙模型积雪量(Q)的变化以η=0.30最大。(5)利用SPSS19.0软件对积雪量影响因素进行简化,以公路挡雪墙迎风侧和背风侧积雪量(Q)为因变量,从公路挡雪墙空间结构因素(墙高H、疏透度η)、气流闪素(风向夹角δ、气流速度Vu)、积雪堆积形态因素(积雪长度L、积雪宽度W、积雪厚度D)中筛选与积雪量关系密切的变量与变量组合,经趋势面模型拟合后,公路挡雪墙迎风侧和背风侧积雪量二次响应曲面模型：Q迎=-A1＋B1η1＋C181+D1Vu1-E1η12-F181η12+G1δ12+H1Vu1η1-I1Vu1δ+J1Vu12Q背=A2-B2η2＋C2δ2-D2Vu2-E2η22+F2δ2η2-G2δ22+H2Vu2η2-I2Vu28+J2Vu22(6)利用PIV实验成果以及风洞实验数据,建立FUZZY评判模型,对不同物理模型组合的公路挡雪墙防雪潜力进行定量评价。结果表明,不同物理模型组合的公路挡雪墙防雪潜力指数为：H30=(0.662,0.742,0.670,0.482,0.484,0.583,0.447,0.378,0.398,0.391,0.380,0.232)：H40=(0.698,0.769,0.696,0.522,0.439,0.506,0.508,0.423,0.308,0.385,0.328,0.295)。两者均以疏透皮η=0.30、风向夹角8=90°为最优,且40mmm公路挡雪墙防雪潜力指数普遍大于30mmm挡雪墙。