调查铁路上的雪沉积岩屑在雪堆gydF4y2Ba

1介绍gydF4y2Ba

在白雪皑皑的和多风的地区,飘雪的现象经常发生,影响交通线路和建筑物。飘雪交通沿线的灾害可以分为两个方面:一方面,雪再分配会导致交通阻塞,而另一方面,暴风雪流增加地面附近的雪粒子的浓度,降低能见度。目前,有关部门已投入大量人力和财力资源来实现除雪操作,但问题并没有从根本上解决。gydF4y2Ba

浓度超过远远超出饱和浓度的值允许当前风速。过饱和雪粒子,形成漂移(定居gydF4y2BaThiis Gjessing, 1999gydF4y2Ba)。因为这种现象的特征是复杂空气动力学和流固耦合效应引起的障碍和粒子的运动运风,这使得预测积雪具有挑战性的障碍(gydF4y2BaTominaga et al ., 2020gydF4y2Ba)。例如,雪积累主要受流场(风速、雪密度),和漂移的变化引起的积雪会影响流场。此外,飘雪的几何尺度积累工程比这大得多的雪粒子,研究成果进一步显著的挑战。研究者们采用各种方法如数值模拟、风洞实验和实地测量。gydF4y2Ba

在风洞实验中在吹雪,雪粒子的选择和评估替代品坚持(gydF4y2Ba太阳et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaOkaze et al ., 2012gydF4y2Ba;gydF4y2Ba周et al ., 2016 agydF4y2Ba),但没有理想的雪粒子替代实验方案建立了迄今为止。面临的主要挑战是,粘度等关键参数的影响,临界摩擦速度,和湿度不能准确模拟。运输的方法自然雪到风洞模拟目的需要维护的低温风洞很长一段时间和维护稳定的雪特征在运输和测试的过程中,这是该方法的不可逾越的困难。学者在哈尔滨工业大学实施了snow-combined实验系统(gydF4y2Ba刘et al ., 2018gydF4y2Ba)利用当地冬天低温的天气条件。根据研究结果,本研究系统可以解决这一问题的雪粒子模拟,但仍未能达到预期的效果。大型风洞,可以控制温度和湿度,实现各种降雪过程代表了一个理想的测试方法,仍在探索和发展。gydF4y2Ba

近年来,数值模拟已成为最重要、发展最快的方法来研究飘雪的机制。目前,有两种基本模式:欧拉,Euler-Euler模型。前模型作为雪颗粒固体颗粒,而后者认为雪粒子独特的流体模型。相比,风洞试验和其他研究方法(gydF4y2Ba刘et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2BaTominaga et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba王et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2BaZhang et al ., 2021gydF4y2Ba),数值模拟方法可以更好地繁殖试验结果的情况下合理选择计算模拟的方法和计算参数值。这些研究表明,数值模拟提供了良好的前景。不过,因为雪粒子的物理和运动特性极大地受到环境和温度的影响,选择计算参数的准确性严重影响数值计算的准确性。gydF4y2Ba

现场测量飘雪流的研究和积累是最小的(gydF4y2BaBeyers和危害,2003年gydF4y2Ba;gydF4y2BaHawley米尔斯坦,2019年gydF4y2Ba),现场模型试验gydF4y2BaOikawa et al。(1999)gydF4y2Ba在立方体外围的gydF4y2Ba土屋et al。(2002)gydF4y2Ba积雪分布在高和低的屋顶已被广泛认为是进行数值模拟和风洞试验方法的验证。然而,许多飘雪积累的影响因素存在。这前两场模型试验方法受到明显的限制,所以它是不容易的在不同领域广泛应用的结果。雪堆的机制、积累和流动状态的侵蚀仍不清楚。在研究方法方面,测量和数值计算的结合是一种有效的研究方法,具体的工程问题。gydF4y2Ba

只有摩擦阻力损失发生在飘雪流在平坦的开阔地,稍微和风速的变化。在初始状态,雪流不饱和,雪雪粒子随风旅行和侵蚀层在地上。之后,雪粒子的数量从表面进入雪流=落到了地上的雪量,和雪层表面侵蚀和堆积明显发生。gydF4y2Ba

吹雪流在平原地区可以适当的控制,但这是不同的在山区(gydF4y2BaAdok 1977gydF4y2Ba)。吹雪流场和积累机制在起伏地形更复杂的地区比在平原地区(gydF4y2Ba塔伯,1980gydF4y2Ba)。当吹雪流穿越山脉或在地上与显著的波动或障碍,没有摩擦阻力损失也发生涡流阻力损失由于地面边界层的分离造成的局部地形变化。这通常导致大幅降低风速和雪的重要积累。积雪层深度通过再分配形成积雪深度通常是自然积雪层深度的3 - 10倍。gydF4y2Ba

关于公路和铁路,路基不同截面类型和规格必然会形成不同的流场结构和雪积累模式由于不同分离位置,涡尺度和强度的地面层。吹雪灾害现场调查显示不同的路基形式下更严重。现场施工期间削减是不可避免的,比如在特定隧道的入口和出口或者当线穿过山谷。gydF4y2Ba

雪的灾难在实际应用机制是复杂道路切割活动过程中的预防措施。飘雪构成非典型空立体携带固体颗粒两相流。流场提供了雪粒子和力量改变流场的结构通过雪粒子堆积在道路切割。这种耦合效应高度复杂化driting积雪灾害的研究道路切割。吹雪流的形成和运动的雪粒子主要是由靠近地面的大气控制层,特别是边界层。流场分布的研究和分析边界层是至关重要的,以便更好地理解飘雪流的形成和预防,提高预防和控制措施的效率。gydF4y2Ba

为了解决这一问题的雪飘雪灾害造成的再分配道路切割、吹雪灾害形成机理的研究。混合模型和瞬态方法被用来模拟进化过程的雪在道路切割。因为风速流场的变化在道路积雪造成不容忽视,采用动态网格技术在模拟自动更新边界层网格。进化过程的积雪道路切割活动区实测结果相比,和一个好的协议。基于流的分析模式,壁摩擦速度,和雪分布在不同阶段的道路切割、吹雪灾害形成机制的道路切割了,它提供了一个参考飘雪的预测和预防道路切割。gydF4y2Ba

本文分为五个部分,每个部分的内容安排如下。第一部分指出了道路切割飘雪灾害研究的重要性。第二节和第三节介绍研究方法。第四部分是仿真结果的精化。第五节总结了研究内容,分析了吹雪灾害的形成机制道路切割,并提供有价值的信息工程预防和控制(快速增长时期,关键雪存储区域)。gydF4y2Ba

2现场测量gydF4y2Ba

2.1地理位置和地形gydF4y2Ba

一个按比例缩小的模型试验进行了Mayitas地区的新疆,中国。Mayitas位于之间的狭窄走廊吴Kashir山和Jiayier山,这是一个重要的交通动脉东部和西部之间的沟通。东部和西部的走廊是塔城盆地和Zhungeer盆地,分别与地形相对平坦的和开放的,见gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

这个地区是受西伯利亚冷空气从西方在春天和冬天。一方面,有可能发生大范围的降雪在这个地区,温度低。很难产生冻融循环在冬天,雪雪粒子的状态和分布,因此,保持相对稳定。另一方面,当气流来自塔城盆地穿过狭窄的走廊,运动被山脉北部和南部,但东部和西部的土地是开放的。平均高度区别狭窄的走廊,两边的山是2100以上。地形提供了自然条件形成窄管效应,加速气流和结果在强风流条件下通过Mayitas地区。gydF4y2Ba

2.2飘雪的形成条件gydF4y2Ba

由于大量的降雪,稳定和持续的风,和典型道路部分,这个区域是典型道路飘雪的研究。按比例缩小的模型试验是在这个区域进行验证数值模拟精度在2019年12月,天气信息和飘雪分布在研究区测量。飘雪的测量位置Tiechanggou镇附近发生,张开地形和5 - 10厘米的降雪深度。流方向选择测量现场展品雪流开发的足够的长度。温度和降水从气象站收集的数据在Mayitas风力发电站,这是20公里远离Tiechanggou镇,2019年10月11日,2020年2月28日。温度和降水测量期间所示gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba。在测量期间,温度范围从−22.8°C到−1.2°C,和平均温度达到−10.31°C。因此,冻融循环并没有发生。预防雪雪粒子表面的粘结层由于冻融周期很难雪粒子随风而动。总共8降雪事件发生,最大降水量为5.8毫米,为实地测量提供了足够的雪源。gydF4y2Ba

环刀方法应用于测量雪粒子的堆积密度(gydF4y2BaρgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}在飘雪,堆积密度范围从0.12到0.3 g / mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba。预计粒度方法被用来计算雪粒子的直径。相机是用于收集雪粒子的图像,这些图像转换为灰度图像。根据对象的引用(1厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba)在原始图片,不同的雪粒子的投影面积计算,然后雪粒子直径范围从0.165到0.265毫米(gydF4y2BaIngvander et al ., 2013gydF4y2Ba;gydF4y2BaKada Shiina, 2005gydF4y2Ba)。YGY-QXY气象仪器是用来自动记录风速在1米的高度,和测量瞬时风速变化之间的4.8和9.2 m / s。gydF4y2Ba

高度的风速(1米)当雪雪表面粒子静止开始在风的作用下移动表示风速和定义为开始gydF4y2BaVgydF4y2Ba_tgydF4y2Ba。只有雪粒子能克服重力和债券的力量形成一个雪流。根据许多观察(gydF4y2Ba小林,1972gydF4y2Ba;gydF4y2Ba凯恩et al ., 1991gydF4y2Ba),起动风速之间的关系gydF4y2BaVgydF4y2Ba_tgydF4y2Ba和的平方根雪粒子的大小gydF4y2BaDgydF4y2Ba展示一个线性增加(gydF4y2Ba情商。gydF4y2Ba)。之间的曲线gydF4y2BaVgydF4y2Ba_tgydF4y2Ba和雪密度gydF4y2BaρgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}安装正在考虑实测(gydF4y2Ba朱,2007gydF4y2Ba),如所示gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba。这个数字表明,风速(4.8 - -9.2 m / s)按比例缩小的模型试验网站满足稳定的雪流形成的要求,这是与现场观察到的现象一致。gydF4y2Ba

2.3测量方法和模型gydF4y2Ba

路的坡率切割模型是2:3,道路宽度(gydF4y2BaWgydF4y2Ba)是20厘米,切削深度(gydF4y2BaHgydF4y2Ba)是20厘米,预计长度(gydF4y2BaBgydF4y2Ba)的斜率是30厘米。全面模拟模型,有必要满足几何,运动和动态相似需求(gydF4y2BaBeyers和危害,2003年gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba塔伯(1980)gydF4y2Ba研究尺度的影响在飘雪测试通过现场测量和发现几何比例模型也可以反映原型的积雪分布规律。由于地面粗糙度和风速的局限性,可以采取最低比例1/30。也考虑到地上不像“snow-coverd湖冰,”平的规模比例模型测量是1/25。端板(0.4米宽)两岸的模型应用于减少最终效果。雪深测量gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba钢钻20厘米的长度和直径2毫米。钢钻所示的布局gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在测试前,一个平面和开放测试网站应该坐落,和前挡板应使用测试网站阻止雪流模型放置过程中在测试站点。推和鹤嘴锄采用水平网站和挖一个深坑足以适应模型。它也是必要的,以确保没有明显的波动或障碍发生在前方和后方的模型。然后,风速计是用来获取风场信息,和模型是适当地放置在坑里。钢钻插入模型沿中心轴每隔5厘米。测试后,红色和蓝色标识上的钢钻观察记录雪分布在不同的时间。gydF4y2Ba

3数值模拟gydF4y2Ba

吹雪流涉及多个尺度(从雪粒子尺度地形规模),多个物理场(温度场、湿度场、风场),和多相流(雪和空气)耦合(gydF4y2Ba周和顾,2006年gydF4y2Ba)。为了简化模型,本文采用了Euler-Euler模拟方法,增加了控制方程的雪阶段空气阶段的控制方程,并应用模拟多相流的混合模型。这种方法可以用来模拟均匀多相流固耦合和阶段运动以恒定速度,用更少的计算和计算稳定性更高,从而使速度滑移的不同阶段(gydF4y2Ba太阳et al ., 2018gydF4y2Ba)。自稳态仿真的影响没有考虑积雪层形状变化风场、瞬态方法在本文中实现的。在瞬态方法、动态网格技术自动更新靠近地面的网格。gydF4y2Ba

3.1控制方程gydF4y2Ba

混合模型认为空气和雪阶段,引入了混合相的概念来解决控制方程。的连续体gydF4y2Ba情商。gydF4y2Ba和动量gydF4y2Ba情商。gydF4y2Ba在混合模型如下(gydF4y2BaVersteeg Malalasekera, 2007gydF4y2Ba):gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaρgydF4y2Ba_米gydF4y2Ba和gydF4y2BavgydF4y2Ba_米gydF4y2Ba的密度和速度是混合阶段,分别。gydF4y2BaPgydF4y2Ba代表了流场压力,gydF4y2BaFgydF4y2Ba代表了身体的力量;gydF4y2BaμgydF4y2Ba_米gydF4y2Ba代表的混合粘度混合阶段。gydF4y2BavgydF4y2Ba_{博士,kgydF4y2Ba}是空气的相对速度和雪阶段,和g是重力加速度。gydF4y2Ba

的可实现的gydF4y2Bak-εgydF4y2Ba湍流模型被选为湍流模型,展品的特点广泛和高精度two-equation模型。相对于标准gydF4y2Bak-εgydF4y2Ba湍流模型,它广泛应用于工程、耗散率的输运方程gydF4y2BaεgydF4y2Ba修改,系数gydF4y2BaCgydF4y2Ba_μgydF4y2Ba湍流粘度的不再是一个常数。gydF4y2Ba阴et al。(2007)gydF4y2Ba使用上面的湍流模型模拟低层建筑中,结果表明,可以实现的gydF4y2Bak-εgydF4y2Ba湍流模型能更好地模拟流体分离现象。gydF4y2Ba

雪阶段的控制方程表示为gydF4y2BaEq。4gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaρgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}是雪的密度;gydF4y2BafgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}是雪体积分数。gydF4y2BaVgydF4y2Ba_{博士,年代gydF4y2Ba}代表的相对滑移速度雪阶段(gydF4y2Ba太阳et al ., 2018gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

3.2侵蚀和沉积的雪gydF4y2Ba

雪的侵蚀和沉积表面是由摩擦速度(或风速)附近的墙面。摩擦速度超过阈值时摩擦速度的雪粒子,墙上的雪粒子进入空气风的作用下,进入计算域,和雪表面侵蚀。当摩擦速度低于阈值的速度雪粒子,雪粒子在墙表面把计算域和沉积到墙面上。雪的侵蚀和沉积模型(gydF4y2BaNaaim et al ., 1998gydF4y2Ba)定义gydF4y2Ba方程式5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba分别为:gydF4y2Ba

7情商。gydF4y2Ba用于计算单位时间雪高度的变化。gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_erogydF4y2Ba是雪侵蚀系数描述雪的凝聚力,−7×10吗gydF4y2Ba^{−4gydF4y2Ba}kg-mgydF4y2Ba^{−4gydF4y2Ba}- s;gydF4y2Bau *gydF4y2Ba壁摩擦速度;gydF4y2BaugydF4y2Ba_{* tgydF4y2Ba}是阈值壁摩擦速度;gydF4y2BawgydF4y2Ba_fgydF4y2Ba是雪的下降速度;gydF4y2BaϕgydF4y2Ba是雪靠近壁面的浓度;gydF4y2BaρgydF4y2Ba_bgydF4y2Ba是雪容积密度。gydF4y2Ba

在仿真结果中,壁摩擦速度gydF4y2BaugydF4y2Ba_{* tgydF4y2Ba}计算gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba壁剪切力gydF4y2BaτgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba,这是与墙附近的速度梯度有关。计算方程表示为gydF4y2Ba情商。gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaρgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}是空气密度。gydF4y2BaτgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba壁剪切应力。gydF4y2Ba

3.3网格和模型参数gydF4y2Ba

塔伯(2003)gydF4y2Ba证实一个几何相似模型也可以更好地反映原型的积雪分布规律通过实地测量和模型实验。因此,按比例缩小的模型(1:25)测量现场。然而,一个全面的模型被认为是在数值模拟在这项研究中,以反映风速流场的更多细节。切割长度是gydF4y2BalgydF4y2Ba。为了确保完成流场的发展,计算范围是16gydF4y2BalgydF4y2Ba×30gydF4y2BaHgydF4y2Ba(gydF4y2Ba康et al ., 2016gydF4y2Ba),切削模型的入口的距离是5gydF4y2BalgydF4y2Ba,见gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba。切削深度是5 m,切割是相同类型的(gydF4y2BaHgydF4y2Ba/gydF4y2BaBgydF4y2Ba和gydF4y2BaHgydF4y2Ba/gydF4y2BaWgydF4y2Ba)活动区实测模型。gydF4y2Ba

的无量纲参数原型(规模),和比较全面的CFD模型gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba。现场测量的风速在1米4.8 - -9.2 m / s, CFD模拟,是4.75 m / s。gydF4y2BaHgydF4y2Ba是切割的深度。gydF4y2BaνgydF4y2Ba是运动粘度,在目前的研究被认为是1.79×10gydF4y2Ba^{−5gydF4y2Ba}米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}(gydF4y2Ba马et al ., 2022gydF4y2Ba)。阈值测量摩擦速度gydF4y2BaugydF4y2Ba_{* tgydF4y2Ba}0.21 - -0.69 m / s,体积密度测量雪吗gydF4y2BaρgydF4y2Ba_bgydF4y2Ba是120 - 300公斤/米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba。的测量范围降雪速度gydF4y2BawgydF4y2Ba_fgydF4y2Ba0.2 - -0.5 m / s。在数值模拟中,雪粒子的直径是0.2毫米,这是现场测量结果的平均值。对于动态相似,粗糙度高雷诺数的值在CFD模拟封闭的现场测量。粒子,CFD模拟的无量纲相似参数都是现场测量的范围内。现场测量量表模型和数值模拟模型一般满足相似条件。gydF4y2Ba

靠近壁面网格的高度是0.025米,墙上摩擦速度与标准壁面函数,计算和y +值控制在30岁至300岁之间。网格增长率为1.1,和网格总数达到近66066。网格切割,尤其是风速变化显著,进一步细化。此外,在削减所示定义的坐标gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

3.4解决设置和边界条件gydF4y2Ba

时间步长设置为0.05年代的模拟移动网格技术。改变时间步长为0.025和0.075,发现每个阶段的仿真结果是几乎相同的0.05秒。Semi-Implicit Pressure-Linked方程的方法(简单的)算法采用压力速度耦合,和动量方程的二阶逆风计划采用离散化。所需的收敛标准残差小于5×10gydF4y2Ba^{−5gydF4y2Ba}。gydF4y2Ba

基于有效的雪粒子的粒径之间的关系和摩擦速度给定的阈值gydF4y2BaDoorschot et al。(2004)gydF4y2Ba,摩擦速度的阈值gydF4y2BaugydF4y2Ba_{* tgydF4y2Ba}雪粒子的计算为0.31 m / s现场测量条件下。此外,需要注意的是,雪粒子的不同粒径可以产生不同的跳跃穿过马路当雪流切割长度模型。雪大粒径的粒子会穿过涡区域低风速下的惯性,而涡区域主要包括雪粒子与小粒径相对符合空气流动由于扩散(gydF4y2Ba菊池,1981gydF4y2Ba)。阈值的摩擦速度与雪粒子的大小。对于较小的雪粒子,雪粒子的临界摩擦速度可以减少(gydF4y2Ba灰色,男,1981gydF4y2Ba)。因此,在这个飘雪模拟研究中,摩擦速度的阈值gydF4y2BaugydF4y2Ba_{* tgydF4y2Ba}被设置为0.20 m / s。gydF4y2Ba

吹雪雪粒子运动可分为蠕变,跳跃,雪和悬架,运输过程造成的后两个现象占大多数的运动过程(gydF4y2Ba巴格诺尔德,1941gydF4y2Ba;gydF4y2BaTominaga et al ., 2011gydF4y2Ba)。雪相入口的边界是由雪相的体积分数在跳跃和悬浮层,作为表达gydF4y2BaEq。9gydF4y2Ba(gydF4y2Ba1990年城堡和灰色gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Baf (x)gydF4y2Ba代表雪相的体积分数,gydF4y2BazgydF4y2Ba代表了高度离地面。gydF4y2BahgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}跳跃层高度。gydF4y2Ba

流出表面采取了充分发展流出边界条件,采用对称边界条件的流动区域,地面采用无衬壁条件,以及在进口流地区的风速是定义为一个指数率风速剖面、表达gydF4y2Ba情商。gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaUgydF4y2Ba(gydF4y2BazgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba)高度的风速参考(gydF4y2BazgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba= 10米)和6.7 m / s被认为是在这个仿真研究中根据现场测量的结果。参数的意义和价值在上面的方程中提供gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

3.5网格敏感性测试gydF4y2Ba

跑(Reynolds-Averaged n - s)模拟,由于湍流模型的引入,当网格达到一定密度,统计平均值的值不会改变太多,无法获得精度较高的解决方案通过进一步加密。网格独立验证是必须的。因此,为了说明数值模型的网格数量足够在这项研究中,三种不同的情况下,也就是说,粗、中、好,进行网格独立性,如图所示gydF4y2Ba表3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

第一个相邻网格的高度模拟边界层中扮演一个重要的角色。三个不同的第一层网格被用于三个测试网格。对于高雷诺数模型(K-Epsilon模型或雷诺应力模型),30 ygydF4y2Ba^+gydF4y2Ba< 300是必需的(gydF4y2Ba公司et al ., 2009gydF4y2Ba)。的gydF4y2BaygydF4y2Ba^+gydF4y2Ba案例中、细完全在这个区间,而粗不是。gydF4y2Ba

图6gydF4y2Ba显示了一个附近的壁面切应力的比较在不同情况下。当第一层网格的身高达到0.025米,墙剪切应力与密集的网格不会改变明显。gydF4y2Ba图6 bgydF4y2Ba显示了比较风速高度70米范围内的道路中心。几乎没有找到可观察到的差异之间的介质网格和里面的细网格切割(0 - 5米)。除了这个地区,课程的模拟风速情况下略不同于其他两个病例。然而,减少外的细微差别,风速(10 - 50米)对仿真结果的影响不大。看来,媒介网是一个很好的妥协的模拟精度和计算成本,因此,介质网是用于本研究。gydF4y2Ba

3.6验证gydF4y2Ba

位置坐标是无量纲坐标来促进对比实地测量和数值模拟结果,定义为gydF4y2Bax′gydF4y2Ba=gydF4y2BaxgydF4y2Ba/gydF4y2BalgydF4y2Ba和gydF4y2Bay′gydF4y2Ba=gydF4y2BaygydF4y2Ba/gydF4y2BaHgydF4y2Ba。因此,风吹的时间也无量纲。的gydF4y2Ba庵野(1984)gydF4y2Ba方法应用在处理步骤。相应的测量和模拟之间的关系表示为gydF4y2BaEq。11gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BatgydF4y2Ba_fgydF4y2Ba和gydF4y2BatgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}分别表示测量和仿真时间gydF4y2Ba问gydF4y2Ba_{sal_fgydF4y2Ba}和gydF4y2Ba问gydF4y2Ba_{sal_sgydF4y2Ba}分别表示测量和模拟雪运输率,可以计算gydF4y2BaEq。12gydF4y2Ba,即gydF4y2Ba问gydF4y2Ba_{sal_fgydF4y2Ba}= 0.3×10gydF4y2Ba^{−3gydF4y2Ba}公斤/ m和gydF4y2Ba问gydF4y2Ba_{sal_sgydF4y2Ba}= 7.4×10gydF4y2Ba^{−3gydF4y2Ba}公斤/ m。gydF4y2Ba

采用雪路的中心高度作为参考,发现雪高度的测量时间(gydF4y2BatgydF4y2Ba_fgydF4y2Ba= 2280年代)等于在仿真结束时(gydF4y2BatgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}= 28100 s)。在此基础上,时间是无量纲的结合gydF4y2BaEq。11gydF4y2Ba中定义的,如gydF4y2BaEq。13gydF4y2Ba和上市gydF4y2Ba表4gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaHgydF4y2Ba是切削深度。gydF4y2Ba

积雪层演化过程的实地测量和数值仿真结果显示了在不同的时间gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

图7gydF4y2Ba显示,在路上积雪过程削减基本上是在实地测量和数值模拟结果一致。雪第一次上生成背风一侧边坡,由于大量的雪,雪沉积生成的背风面斜率的前沿。然后,雪开始积累斜率的迎风面,但只在附近的坡脚的一半。雪两边的增加导致边坡趋陡,之后,路上的积雪开始迅速增加。gydF4y2Ba

应该注意的是,积雪似乎在不同的分析和实验gydF4y2BaxgydF4y2Ba< 0.5。主要的区别在于,飞檐的位置更接近顶部的背风坡现场测量。飞檐与涡的位置(分离点)。此外,雪补充,风速和方向随时间变化的现场测量,但设置为常数的数值模拟。这将导致一个更稳定的涡数值模拟。gydF4y2Ba

稳定的涡的结果是更多的雪粒子沉积在涡分离点。产生同样的效果在涡附着点的证明。此外,侵蚀和沉积模型选择模拟没有考虑积雪的重量和休止角。这些原因共同导致之间的差异分析和实验积雪两边的斜坡。gydF4y2Ba

然而,相对于双方的斜率,路面上的积雪有更好的巧合。积雪演化过程的每个阶段基本上是一样的,证明使用该数值模拟方法和相应的参数来模拟雪堆道路切割是可行的。gydF4y2Ba

4数值模拟结果gydF4y2Ba

揭示飘雪灾害形成机制的道路岩屑,风速流场,壁摩擦速度,和雪演化过程不同阶段详细分析了基于仿真结果。gydF4y2Ba

4.1流场gydF4y2Ba

雪粒子的沉积或侵蚀在特定位置的风速流场密切相关。因此,本节首先分析风周围流场在不同的时间。四个切割流场代表时间(gydF4y2Bat *gydF4y2Ba= 0,0.02,0.07,和0.14)被选中,风流线在削减所示gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在初始时刻gydF4y2Bat *gydF4y2Ba= 0),流动分离的顶部背风的一面,在切割形成一个大规模的漩涡,这可能降低风速和墙内摩擦速度降低,导致雪粒子的累积。在迎风面斜率,回贴发生流动。之间有一个良好的对应一些风力达不到开发要求速度的分布区域和漩涡。涡中心风速是最低的。随着漩涡中心的距离增加,风速逐渐增加。gydF4y2Ba

随着积雪的切割造成的飘雪(gydF4y2Bat *gydF4y2Ba= 0.02),涡流分离点不断走向中心的切割,但涡回贴点的位置仍然几乎不变,总是大约1/2的迎风面斜率。此外,减少减少漩涡的大小,和一些风力达不到开发要求速度的大小面积减少,如图所示gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba。通过观察,发现积雪强烈的位置与面积1米/秒的风速。因此,为了方便统计,面积小于1米/秒的风速是指一些风力达不到开发要求的区域。然而,由于积雪的影响,整个道路切割部分也减少了,和一些风力达不到开发要求的区域整体的比例增加。gydF4y2Ba

随着积雪(gydF4y2Bat *gydF4y2Ba= 0.07),当先进涡分离点大约1/2的背风面斜率,涡回贴的高度上升点,二次涡形成的切割。二次涡的出现直接划分主要涡的规模,导致一些风力达不到开发要求的区域几乎充满整个道路切割。在gydF4y2Bat *gydF4y2Ba= 0.14,减少被雪几乎完全淹没,漩涡消失,流动分离和回贴不再发生。gydF4y2Ba

雪密度的最大值在背风坡的顶端在不同时期是雪阶段集中在跳跃层传入的流。此外,随雪飘的增加时间,雪的中间阶段的浓度增加。雪粒子扩散从切削中心斜坡和路面,而浓度逐渐降低了。gydF4y2Ba

根据涡分离和回贴的位置点,切割是分区,分区结果所示gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba。背风,迎风面切割的斜坡被指示为L和W,分别和路面来标示r .由于大涡分离点和双方的摩擦速度的涡回贴,在L,范围从顶部的背风面斜率的点涡分离点L1, L2和其他一系列L表示。在W,范围从顶部的迎风面斜率的涡回贴的迎风坡W1,和其他范围和W2表示。重要的是要注意,L1、L2 W1, R和W2时变范围,而保持不变。这是由于涡分离点的变化和涡回贴的仿真过程。根据二次涡的出现和消失时间,吹雪灾害公路岩屑可分为三个阶段。第一阶段从最初的二次涡的形成(gydF4y2Bat *gydF4y2Ba= 0.07),第二阶段从二次涡的形成延伸到它的消失(gydF4y2Bat *gydF4y2Ba= 0.11)。之后,直到主漩涡消失,第三阶段(gydF4y2Bat *gydF4y2Ba= 0.14)适用。主涡的消失后,切割的道路完全淹没,积雪分布在路上减少保持稳定,不再更改。gydF4y2Ba

4.2壁摩擦速度gydF4y2Ba

壁摩擦速度gydF4y2BaugydF4y2Ba_*gydF4y2Ba是另一个关键参数大多数与积雪的位置或侵蚀。风速的风速流场主要反映切割,而墙附近的摩擦速度代表了地面风速。根据雪侵蚀模型的特点,墙上摩擦速度是无量纲。雪变异系数gydF4y2BaCgydF4y2Ba_{u *gydF4y2Ba}定义在gydF4y2BaEq。14gydF4y2Ba。如果gydF4y2BaCgydF4y2Ba_{u *gydF4y2Ba}是正的,雪是侵蚀。相反,雪发生沉积。值越高,侵蚀和沉积速率越高。gydF4y2Ba图10gydF4y2Ba显示了雪变异系数gydF4y2BaCgydF4y2Ba_{u *gydF4y2Ba}在每个切削区域的不同阶段。gydF4y2Ba

在第一阶段,壁摩擦速度在整个切割范围变化不大。一开始,整个背风坡由雪沉积区。与雪粒子的沉积在背风坡的顶端,L1地区的比例不断侵蚀,逐渐增加。应该注意,L1和L2,标志着在gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba第一阶段结束时,代表时刻。路面也构成了一个雪粒子沉积区。迎风面和背风一侧的坡脚,雪率逐渐增加。W2地区,发生明显的沉积在涡回贴点雪,和W1地区由一个雪侵蚀区域。gydF4y2Ba

后二次涡的出现(阶段2),靠近墙的摩擦速度显著改变在整个切割范围。L1的比例迅速增加,第二阶段结束时,整个切割组成一个稳定的L1背风一侧的区域。雪路面地区沉积速率增加,和增益效果更明显更接近迎风坡脚,导致一个温和的雪路面地区的沉积速率。二次涡的出现后,雪粒子的沉积速率W2地区迅速增加,而W1地区保持稳定。gydF4y2Ba

二次涡的消失后,飘雪灾难达到第三阶段。壁摩擦速度保持高度一致背风坡,和整个背风坡发生雪侵蚀的范围内。在路面摩擦速度的变化依然明显,但雪沉积承包的范围。随着雪高度增加,迎风面上的积雪从涡回贴迎风面斜坡的顶端。分析积雪率在各领域的不同阶段更详细,积雪平均变异系数(壁摩擦速度)在计算每一时刻每个区域,如图所示gydF4y2Ba图11gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

的绝对值越小gydF4y2BaCgydF4y2Ba_ugydF4y2Ba*gydF4y2Ba,雪高度的变化越小,表明雪的侵蚀和沉积已达到一个平衡。所示gydF4y2Ba图10gydF4y2Ba,背风面斜率存在的雪粒子沉积之前二次涡的消失和之后的侵蚀。主要道路积雪的变化发生在阶段2和3。雪沉积速率在路上削减在第二阶段逐渐增加,达到最大值gydF4y2Bat *gydF4y2Ba= 0.10。在第三阶段,道路积雪率迅速下降,而且积雪的道路切割侵蚀。大约1/3的面积在迎风面坡总是表现出缺乏雪沉积,迎风面斜率总体表现雪侵蚀。然而,侵蚀率逐渐降低。它是合理的推测,雪W2地区沉积速率增加在阶段1,2,3。gydF4y2Ba

4.3雪演化过程gydF4y2Ba

的过程中增加了雪卷,第一部分观察是背风面斜率,在飘雪的速度流进入切割下降了80%。这部分成为第一个区域的一些风力达不到开发要求的速度沿着方向风暴流,导致许多雪粒子的堆积,形成特有的雪飞檐,如图所示gydF4y2Ba图12gydF4y2Ba。沿着山坡檐口面对先进随着雪粒子堆积,和屋顶飞檐的长度增长。应该指出的是,屋顶被侵蚀和沉积之间的平衡,1:4的梯度。这时,积雪的迎风面边坡主要是附近涡生成的回贴点斜率的中心,和雪的道路上主要是积累在背风坡脚。gydF4y2Ba

当檐口面临背风面斜率的先进的1/2,L2二次涡形成的区域。二次涡的出现后,雪地区高度L2迅速增加。雪表面的隆起地区L2极大地影响了区域R和W2的流场。积雪地区高度W2的增加尤为明显,和这个地区的积雪量几乎为零出现之前的二次涡。雪在路的两边的斜坡表面增加的同时,推进向切割中心。主涡规模减少,漩涡中的一些风力达不到开发要求的面积的比例增加,这是观察到的雪灾的主要原因在路上。gydF4y2Ba

檐口后面对先进向背风坡脚,二次涡流消失,L1和积雪的地区保持稳定,几乎不再增加。增加地区积雪W2也显著下降。区域R的积雪的影响仍然存在主要涡和积雪继续增加。当雪表面在所有地区保持稳定,主要的漩涡也消失了,积雪层保持稳定和大多并没有改变,和道路切割被雪完全淹没。gydF4y2Ba

量化有关道路积雪的速度和数量,路段区域(25米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba)在初始时刻被认为确定无因次雪卷,和在不同阶段的变化所示gydF4y2Ba图13gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

图12gydF4y2Ba表明,路面积雪的快速增长时期后开始二次涡出现和结束时的消失主要涡。它可以认为二次涡的出现之前,即。,before the cornice advanced toward the center of the leeward-side slope, this period of the main vortex acting alone constituted the drifting snow safety period of the cutting. The period from the appearance of the secondary vortex to the disappearance of the secondary vortex represented the period with a rapid increase in the snow cover.

应特别注意当一个飞檐存在背风一侧的斜率。外观会极大地影响后流场,这一系列问题的主要原因,如二级漩涡的出现和快速发展时期的到来的雪。此外,通过观察雪分布在路上切割,发现路上的飘雪安全阶段削减包括安全贮藏期的时间和一个安全的存储区域的位置。gydF4y2Ba

在大幅削减斜率和二次涡的出现(gydF4y2Bat *gydF4y2Ba= 0.07),可能会有飞檐背风一侧的斜率。梯形扩展得到的檐口沿着斜坡方向被定义为雪存储区域。斜坡上的雪量增加时,在二次涡的出现之前,飞檐斜率达到1:4,梯形的上表面始终保持平行于坡。因此,稳定的区域被定义为关键雪切割的存储区域,如图所示gydF4y2Ba图14gydF4y2Ba,这可能是作为一个索引来测量雪的存储容量减少。gydF4y2Ba

如果积雪路面可以清除背风一侧的切割量小于临界量的雪存储在雪灾。否则,切割可以达到快速雪的阶段增加,导致道路下沉。斜率无法改变时,适当延长切割,即。,deepening the cutting depth, could enhance the critical snow storage capacity.

5的结论gydF4y2Ba

混合模型和瞬态方法采用模拟道路岩屑的雪再分配。仿真结果适当同意活动区实测结果。在实践中,影响道路的进化的因素减少雪可能受到其他因素的影响,如风速、风向,切割的深度和坡度,双方之间的高度差斜率。这项研究只调查了影响风的倾角导向板和模拟他们在理想环境下,如恒定风速、风向,补充足够的雪。我们的结果和计算为以后的调查研究提供初步参考。本研究在许多工作环境是一个典型的例子。通过进一步分析流场的雪演化过程,和墙壁摩擦速度,吹雪灾害的形成机理和控制措施在道路岩屑进行了综述,为以后的调查研究提供初步参考。主要结论如下:gydF4y2Ba

1)吹雪流穿过切割时,有发生涡一定规模的减少,和这些漩涡的范围与雪粒子的位置积累是相一致的。涡分离和回贴点观察斜坡上两边的漩涡,和雪沉积总是发生在这两个点。先进涡分离点不断向沿着山坡切削中心方向随着积雪。涡的位置回贴点只会增加沿高度方向沿水平方向但几乎没有变化。gydF4y2Ba

2)二次涡的出现构成的一个重要指示积雪的快速增长阶段。二次涡的出现和消失的积雪演化可分为三个阶段。第一阶段是安全贮藏期,第二阶段是快速增长的时期。一些风力达不到开发要求速度的大小面积呈正相关,涡的规模,和一些风力达不到开发要求速度的比例增加的安全存储和快速增长时期。吹雪灾害防控的关键是治疗前雪立即快速增长时期。gydF4y2Ba

3)在积雪的过程中初始状态的切割,一个稳定的檐口出现顶部的背风面斜率。屋顶飞檐仍然侵蚀和沉积之间的平衡,创造一个新的背风面边坡的坡比1:4。檐口面临高级向切削中心沿着背风面斜率与一个角55°~ 60°。gydF4y2Ba

4)二次涡发生在切割的雪在1/2檐口先进背风面斜率。二次涡的出现之前,路面上的雪的增加发生缓慢,存在一个临界雪花存储区域在背风面斜率,可以容纳数量相当大的雪。当预测量的雪雪小于临界量的存储,道路切割不进入快速积雪的阶段。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

WM:监督、方法论、Writing-review和编辑;SL:原创作品草稿准备,调查,和可视化;y:资金收购和监督;莱托:软件;FL:验证。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者y是受雇于中国铁路设计公司。gydF4y2Ba

其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

作者欣然承认河北省教育部门的支持(批准号ZD2018063)。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba