导风板聚风输沙机理研究

导风板聚风输沙机理研究流动沙丘的固定是土地沙漠化防治工作中的重要基础,目前对于小型半固定、流动沙丘的治理技术已经日臻成熟,但是对于自然条件比较恶劣的高大流动沙丘而言,其治理技术研究进展还相对缓慢。目前而言,对于高大沙丘的治理首先需要利用大型机械对沙丘顶部进行拉平,但是受环境制约,工程造价相对较高。导风板可以改变过境气流流速与流向,能够有效的改变近地面风流场从而影响风沙流结构,增强气流携沙能力,依靠自然风力拉平沙丘。导风板具有结构简单易于维护、体积较小运输方便、安装施工简便等优点,相对机械推平沙丘具有较大的优势。本文利用Fluent软件对15°~70°共12种导风板影响下的气流场变化进行计算机数值模拟,并且在乌兰布和沙漠通过野外实测试验对15°~70°共12种角度导风板以及8种配置模式纵列式导风板组进行研究,分析了导风板以及导风板组对过境气流的影响效果及影响范围,测定导风板对板后输沙量以及风沙流结构的变化和冬季架设45°导风板对沙丘形态的影响效果,并且对导风板以及导风板组的风流场、风速廓线的模拟试验和野外实测进行对比分析,得出以下主要结论:(1)入射风速对Fluent软件所得气流场中强风区与弱风区的相对范围影响较小,但是对风速影响程度较大。导风板角度是决定导风板对风速影响程度的主要因素,随着导风板角度的增加出风口处有效加速区范围以及风速都逐渐增大,但是坡顶处强风区则规律相反。(2)乌兰布和沙漠10m高沙丘坡顶处在地表10cm高度处起沙风速约为3.32m/s,随着迎风坡的增加起沙风速逐渐增大。(3)导风板下方普遍存在一个低风速区,这一区域范围随导风板角度的增加逐渐增大,但是大角度导风板在出风口处风速高于小角度导风板。导风板主要加速效果一般体现于板后1.5m附近。当入射风速为2.28m/s时,20°~45°导风板可以使板后1.5m处风速高于起沙风速,25°导风板、40°导风板和45°导风板对于板后3m处具有同样效果、板后4.5m处具有同样效果的导风板角度为20°、25°、35°、40°、45°和60°。而对于板后两侧,导风板同样具有一定的加速效果。(4)导风板可以提高板后输沙总量,30°~45°区间的中等角度导风板对于输沙率具有较高的提升效果。20°~50°的中小角度导风板对于板后1.5m处输沙率提升效果较高,而40°~60°的中等角度导风板对于板后3m处输沙率提升效果较高,在板后4.5m处则是25°~35°的小角度导风板提升效果较高。输沙率与高度的关系方程可以利用分段拟合的方法获得,决定系数普遍在0.98以上。大部分导风板在拉平区内都可以保持气流对地表沙物质的搬运状态,在本试验中,只有55°导风板在板后3m与4.5m处风沙流呈现堆积现象。45°导风板在风季对于沙丘形态可以产生明显的影响,拉平区内风蚀现象明显,而且在加速沙丘风力拉平的同时还可以加快沙丘的移动速度。(5)纵列式导风板组在野外试验中并未能对风速进行逐级提升,小角度前板与小角度后板的组合方式对过境气流可以产生一定的加速效果,但是对风速的有效提升范围仅仅局限于前板出风口处、前板后侧以及坡顶处。大角度后板虽然在拉平区内风速高于与小角度后板,但是仍然低于对照处。(6)单导风板与导风板组的流场实测结果与数值模拟结果具有较高的相似性,风速廓线也有较高的吻合程度,由此认为Fluent软件对于导风板的模拟精度较高,说明利用数值模拟对导风板组野外布设进行总体设计具有较高的可靠性,可以针对不同的工作环境对导风板进行多种组合模拟,探寻最适宜的铺设方式。总之,合理布设导风板可以有效的提升风速,能够快速达到拉平及移动沙丘的目的,即使实在弱风环境下,若通过合理布设导风板也