导风式防眩板对公路风吹雪雪害影响的仿真分析

彭国冬 张思源 刘梓伟 邢瑞民

锡林郭勒盟乾图交通设计有限责任公司 内蒙古交通设计研究院有限责任公司 吉林大学

摘 要：针对导风式防眩板这一公路风吹雪雪害防治措施，基于交通设施诱发公路风吹雪雪害形成机理，采用计算机仿真方法，选择整体式路堤这种典型的路基断面形式，定量分析不同的风速、导风式防眩板设置参数下整体式路堤断面的风速流场特性及影响关系，为多雪地区公路路基断面及防眩设施优化设计与养护提供科学的理论依据。

关键词：公路;风吹雪;导风式防眩板;路堤;仿真分析;

公路风吹雪是一种极其复杂的非典型气固两相流运动，影响其形成和发展的因素很多，各因素又相互关联且随机变化，机理十分复杂。研究表明，在风雪流的作用下，造成公路路面局部积雪的厚度是自然降雪的3～8倍[1]。风吹雪雪害已是长期困扰我国东北、华北、西北和西南地区公路建设、运输的难题。

目前境外对风吹雪雪害的防治技术已进行了比较系统的研究，但主要以防雪林、防雪栅为主，主要成果集中在日本、美国、俄罗斯等国家(地区)[2]。如美国学者Tabler R D提出了各类经济有效的挡雪措施并详细阐述了各类挡雪措施的作用机理、设计方法以及适用范围[3,4];Sundsbo等提出了挡雪栅栏的设计原则和设计方法[5]。此外，日本还提出了一套完整的关于防雪林的建设体系，同时采用风洞试验的方法研究了防雪林的设计问题[6]。境内王中隆出版了我国第一本风雪流专著《中国风雪流及其防治研究》,书中比较集中地体现了我国风雪流的研究成果[7];张霞总结出了防雪林、浅槽风力加速堤、挂草网围栏、路侧草地利用、防雪杖、储雪沟和路侧微细地貌结构利用路侧设施和措施的设计与设置要点[8]。综上所述，境内外对防眩板等交通设施引发风吹雪雪害的研究还较少，对交通设施的适用性欠缺深入分析。本文通过对内蒙古自治区G16、G1013、国道510、国道302等多条公路路段雪害调查发现，调查区各路段因交通安全设施诱发的平均雪害里程数为17.3 km、个别雪害路段因交通安全设施诱发的雪害里程数超过了30 km, 其中由防撞护栏、防眩板作为主要诱因诱发雪害的路段275段，占交通安全设施诱发雪害路段的83%,即防撞护栏、防眩板的设置对公路风吹雪雪害产生了明显的影响。

按照《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81-2017)的要求，防眩设施既要有效地遮挡对向车辆前照灯的眩光，也要满足横向通视好、能看到斜前方，并对驾驶人心理影响小的要求[9]。同时，设置防眩设施要遵循经济合理的原则。由于我国东西部发展不平衡，且南北、东西气候条件差异比较大，原则上要因地制宜地考虑防眩设施的设置及形式[9]。因此本文按照现行规范要求，根据伯努利方程原理，对中央分隔带防眩设施结构进行改造，使其能够通过压缩中央分隔带处风雪流流经断面的方法提升通过该处的风雪流运行速度、形成加速效应，进而使其具备导雪功能，以达到避免或减轻由于设置防眩设施而造成公路风吹雪雪害的目的。

1 交通安全设施对风吹雪雪害的影响机理

野外观测和风洞实验表明，路侧护栏和中央分隔带对气流的影响很大。以波型梁护栏(W板)为例，上风侧来流经过边坡加速后在护栏处受到阻碍，W板起到了类似导风板的作用，使得气流分为上下两部分加速通过。由于下部间隙太小(0.45 m),在效果上W板没有发挥下导风板的作用，加上由于立柱导致的圆柱绕流，大大增加了气流的混乱程度，大量雪粒子的运动形式由跃移为主变为悬浮为主；而随着风雪流运动至路面中央，气流速度和混乱程度均有所下降，大量悬移的雪粒子动能减小，逐渐沉积下来形成积雪。因此，在加装了路侧护栏和中央隔离带后，路堤的积雪明显严重多了。而且从上风侧路基边坡坡脚处的情况看，在中央和路侧护栏的影响下，路堤雪害对雪源的要求也降低了，不需要足够使上风侧雪面与路面等高的雪源，雪粒子也会在路面上形成大量堆积(见图1)。

图1 路堤加装路侧护栏和中央隔离带造成的积雪 下载原图

2 仿真原理

由于风吹雪现场监测受降雪量、风力等诸多气候因素限制，在有限的研究期内难以获取足够的有效数据。而采用“数字风洞”仿真实验具有不受季节、气候、时间限制的特点[10,11,12]10-12],还可以根据研究需要随时改变模型的各类参数等，因此本文采用流体力学仿真软件建立雪害仿真模型，分析导风式防眩板对风吹雪雪害的影响机理。

本仿真实验采用雷诺时均法(RANS)作为湍流数值模拟方法，并取标准k-ε湍流模型来计算。

2.1控制方程

2.1.1质量守恒方程

任何流动问题都必须满足质量守恒定律。这一定律的方程表示为质量守恒方程，又称连续性方程：

∂ρ∂t+∇⋅(ρV)=0∂ρ∂t+∇⋅(ρV)=0

2.1.2动量守恒方程

动量守恒定律也是任何流动问题都必须满足的基本定律。动量守恒方程简称动量方程，还称为Navier-Stokes方程，简称N-S方程。该方程是描述黏性流体流动的基本微分方程，对湍流的描述较为合理。动量方程(N-S方程)可表示为：

∂(ρV)∂t+∇⋅(ρV⊗V)=fb−∇⋅(ρI)+∇⋅T∂(ρV)∂t+∇⋅(ρV⊗V)=fb-∇⋅(ρΙ)+∇⋅Τ

式中：∇=i∂∂x+j∂∂y+k∂∂z∇=i∂∂x+j∂∂y+k∂∂z,表示矢量在各方向的偏导数之和。

2.2湍流模型

2.2.1雷诺时均法(RANS)

雷诺时均法(RANS)是目前最为广泛的湍流数值模拟方法，它是将动量方程时均化，避免采用直接数值模拟DNS(Direct Numerical Simulation, 简称DNS)。具体来说，RANS方法就是将湍流运动分解为平均量和湍流量两部分，再代入N-S方程进行时均计算。

雷诺分解：φ=φ¯¯+φ′φ=φ¯+φ′

式中：φ为速度、压力或浓度；φ¯¯φ¯为速度、压力或浓度的平均值；φ′为速度、压力或浓度的脉动量。

代入求得时均化N-S方程：

∂ρ∂t+∇⋅(ρV¯¯¯)=0∂ρ∂t+∇⋅(ρV¯)=0

∂(ρV¯¯¯)∂t+∇⋅(ρV¯¯¯⊗V¯¯¯)=fb−∇⋅(ρ¯I)+∇⋅(T+Tt)∂(ρV¯)∂t+∇⋅(ρV¯⊗V¯)=fb-∇⋅(ρ¯Ι)+∇⋅(Τ+Τt)

式中：Tt为雷诺应力项。

对比原始N-S方程，RANS方程仅多出未知的雷诺应力项Tt,因此需要使用湍流模型描述雷诺应力项，从而封闭该方程使之可以求解。

2.2.2k-ε湍流模型

湍动能k的输运方程：

∂∂t(ρk)+∇⋅(ρkV¯¯¯)=∇⋅[(μ+μtσk)∇k]+Pk−ρ(ε−ε0)+Sk∂∂t(ρk)+∇⋅(ρkV¯)=∇⋅[(μ+μtσk)∇k]+Ρk-ρ(ε-ε0)+Sk

耗散率ε的输运方程：

∂∂t(ρε)+∇⋅(ρεV¯¯¯)=∇⋅[(μ+μtσε)∇ε]+1TeCε1Pε−Cε2f2ρ(εTe−ε0T0)+Sε∂∂t(ρε)+∇⋅(ρεV¯)=∇⋅[(μ+μtσε)∇ε]+1ΤeCε1Ρε-Cε2f2ρ(εΤe-ε0Τ0)+Sε

工程上普遍使用的标准k-ε湍流模型(SKE)如下。

在湍动能k的输运方程中：

Pk=Gk+Gnl+Gb+YM

在耗散率ε的输运方程中：

Pε=Gk+Gnl+Cε3Gb

综上，公路风吹雪流场的数值模拟是以绕流风的连续性方程及动量守恒方程为基本控制方程，并采用离散化的数值模拟方法求解流场[13]。

3 仿真模型设计

本公路风吹雪雪害仿真实验在建模阶段主要考虑路基模型、导风式防眩板安装高度、入风口、出风口以及计算边界，在模型建立过程中舍去了螺栓等零碎部件细节。

3.1导风式防眩板设置参数

由于研究不同风速和不同导风式防眩板安装高度下，整体式路基断面的风速流场分布情况，故导风式防眩板设置参数(见图2、图3)如下：

V为风速，取5.4 m/s、10.7 m/s、17.1 m/s;

h1为下风侧路基导风式防眩板安装高度，取0.45 m;

h2为上风侧路基导风式防眩板安装高度，取1.8 m、1.9 m、2.0 m、2.1 m、2.2 m。

图2 导风式防眩板模型 下载原图

单位：mm

图3 设置导风式防眩板的路基横断面模型 下载原图

单位：cm

3.2计算域设置

计算域大小取为：400 m×300 m×150 m。计算域长400 m, 其中路基断面距入风口约100 m, 距出风口约300 m; 计算域宽取300 m, 整个计算域高度取150 m。计算中所有工况均为三维模型，风向沿x轴方向，如图4所示流场域，流场设置：入风口、出风口、地面、顶面及侧面。路基模型与交通安全设施布置在流场域中，路基线路沿y轴方向，整体式路基断面如图5所示。

图4 流体域(400 m×300 m×150 m) 下载原图

图5 路基断面 下载原图

3.3控制风速点选取

选取路基断面风速流场中上、下风侧的行车道中心、中央分隔带外缘和土路肩外缘6处，为风速的控制点(或观测点)。风速控制点的横向位置沿路基断面由上风侧至下风侧，横向具体位置信息，如图6所示。控制点竖向方向距离地面为0 m, 即控制点位于路面上。风速控制点的纵向位置即路基断面的选取位置，位于整个护栏系统中心位置，且为立柱之间的横梁中心点或导风板中心点，如图7所示。各风速控制点的空间坐标如表1所示。

4 仿真结果分析

4.1普通式直板型防眩板对风吹雪雪害的影响

根据《公路交通安全设施细则》(JTG/T D81-2017)路侧护栏和中央分隔带护栏采用A级波形梁护栏，防眩板采用现行的普通式直板型防眩板[14],

图6 整体式路基断面风速控制点 下载原图

单位：cm

图7 路基断面选取位置 下载原图

表1 整体式路基断面风速点空间坐标 导出到EXCEL

位置	X/m	Y/m	Z/m
P1	-13.5	2	0
P2	-6	2	0
P3	-1.5	2	0
P4	1.5	2	0
P5	6	2	0
P6	13.5	2	0

防眩板顶端距地高度设为1.8 m ,其他参数则需要设为一致，确定交通设施安装位置，路堤坡度设为1∶2,分析在入口风速分别为V=5.4 m/s、10.7 m/s、17.1 m/s下的各控制点的风速及整体风速云图，从而得出交通基础设施在不同入口风速条件下对风雪流场的影响情况。

普通式直板型防眩板6处控制点的风速值见表2,沿气流方向绘制出的风速曲线见图8,仿真得到的风速云图见图9。

表2 普通式直板型防眩板各控制点风速值 导出到EXCEL

位置	X/m	以下风速值(m/s)各控制点计算风速值/(m/s)
		5.4	10.7	17.1
P1	-13.5	5.640	11.292	18.116
P2	-6	2.889	5.846	9.426
P3	-1.5	1.555	3.170	5.107
P4	1.5	1.293	2.632	4.209
P5	6	0.872	1.801	2.848
P6	13.5	0.441	0.957	0.732

图8 普通式直板型防眩板控制点风速曲线 下载原图

图9 普通式防眩板下的风速云图 下载原图

根据图8和图9分析可知，来流风通过路侧护栏时，受波形梁护栏断面形状影响，形成护栏上端及下端两段分离流，护栏上部分离流上仰并加速，护栏下端分离流吹至路基并加速，因护栏背部受挡，形成一段距离的低速带。受路侧护栏处漩涡影响，导致上风侧土路肩处控制点风速出现了降低，同时也由于路侧护栏、中央分隔带护栏对路面风速流场的叠加影响，路面上方出现大范围的弱风区，使得中央分隔带护栏下部的加速作用不明显。此外，在不同的入口风速的条件下，来风经过整体式路堤断面总体上风速呈下降趋势，其中入口风速越大，降低幅度越明显，故易使大量雪粒子堆积在公路行车道上，从而导致风吹雪雪害的发生。

4.2不同入口风速下导风式防眩板对风吹雪雪害的影响

研究模拟不同入口风速对风雪流场的影响，其他参数则需要设为一致，即确定导风式防眩板h2的安装高度，路堤坡度设为1∶2,分析在不同入口风速分别为V=5.4 m/s、10.7 m/s、17.1 m/s下的各控制点的风速及整体风速云图，从而分析得出相同条件下不同入口风速对风雪流场的影响情况。

(1)当导风式防眩板h2=1.8m时，仿真得到的各控制点风速值见表3,由各控制点绘制出的风速曲线如图10所示，仿真得到的风速云图见图11。

表3 导风式防眩板各控制点风速值(h2=1.8 m) 导出到EXCEL

位置	X/m	以下风速值(m/s)各控制点计算风速值/(m/s)
		5.4	10.7	17.1
P1	-13.5	5.472	10.957	17.547
P2	-6	2.716	5.496	8.835
P3	-1.5	1.252	2.557	4.108
P4	1.5	2.543	5.115	8.065
P5	6	0.966	1.963	2.981
P6	13.5	0.451	0.893	1.731

图10 导风式防眩板控制点风速曲线图(h2=1.8 m) 下载原图

图11 导风式防眩板下的风速云图(h2=1.8 m) 下载原图

(2)当导风式防眩板h2=1.9m时，仿真得到的各控制点风速值见表4,由各控制点绘制出的风速曲线如图12所示，仿真得到的风速云图见图13。

表4 导风式防眩板各控制点风速值(h2=1.9 m) 导出到EXCEL

位置	X/m	以下风速值(m/s)各控制点计算风速值/(m/s)
		5.4	10.7	17.1
P1	-13.5	5.446	10.905	17.458
P2	-6	2.690	5.444	8.746
P3	-1.5	1.230	2.511	4.033
P4	1.5	2.621	5.268	8.292
P5	6	1.002	2.036	3.078
P6	13.5	0.500	0.992	1.850

图12 导风式防眩板控制点风速曲线图(h2=1.9 m) 下载原图

图13 导风式防眩板下的风速云图(h2=1.9 m) 下载原图

(3)当导风式防眩板h2=2.0m时，仿真得到的各控制点风速值见表5,由各控制点绘制出的风速曲线如图14所示，仿真得到的风速云图见图15。

表5 导风式防眩板各控制点风速值(h2=2.0 m) 导出到EXCEL

位置	X/m	以下风速值(m/s)各控制点计算风速值/(m/s)
		5.4	10.7	17.1
P1	-13.5	5.423	10.859	17.375
P2	-6	2.662	5.388	8.650
P3	-1.5	1.211	2.474	3.969
P4	1.5	2.690	5.402	8.488
P5	6	1.011	2.054	3.094
P6	13.5	0.540	1.070	1.935

图14 导风式防眩板控制点风速曲线图(h2=2.0 m) 下载原图

图15 导风式防眩板下的风速云图(h2=2.0 m) 下载原图

(4)当导风式防眩板h2=2.1m时，仿真得到的各控制点风速值见表6,由各控制点绘制出的风速曲线如图16所示，仿真得到的风速云图见图17。

表6 导风式防眩板各控制点风速值(h2=2.1 m) 导出到EXCEL

位置	X/m	以下风速值(m/s)各控制点计算风速值/(m/s)
		5.4	10.7	17.1
P1	-13.5	5.399	10.810	17.289
P2	-6	2.637	5.338	8.565
P3	-1.5	1.196	2.443	3.917
P4	1.5	2.766	5.551	8.717
P5	6	1.003	2.040	3.083
P6	13.5	0.574	1.139	2.007

图16 导风式防眩板控制点风速曲线图(h2=2.1 m) 下载原图

图17 导风式防眩板下的风速云图(h2=2.1 m) 下载原图

(5)当导风式防眩板h2=2.2m时，仿真得到的各控制点风速值见表7,由各控制点绘制出的风速曲线如图18所示，仿真得到的风速云图见图19。

表7 导风式防眩板各控制点风速值(h2=2.1 m) 导出到EXCEL

位置	X/m	以下风速值(m/s)各控制点计算风速值/(m/s)
		5.4	10.7	17.1
P1	-13.5	5.371	10.754	17.191
P2	-6	2.612	5.285	8.474
P3	-1.5	1.180	2.409	3.860
P4	1.5	2.831	5.675	8.897
P5	6	1.021	2.075	3.141
P6	13.5	0.606	1.202	2.092

图18 导风式防眩板控制点风速曲线图(h2=2.2 m) 下载原图

图19 导风式防眩板下的风速云图(h2=2.2 m) 下载原图

综合分析不同安装高度h2、不同入口风速下的风速曲线图和风速云图可知，来流风吹过路堤迎风坡时，来流风受路基阻挡在路基坡脚处形成涡流、风速降低，经边坡时由于过流断面缩小，导致风速逐渐提高，在到达迎风坡顶时风速达到最大。来流风在上风侧土路肩处，受路侧护栏影响，一部分上仰形成加速气流、一部分贴近路面形成涡流，在护栏顶部及下部处各形成一个加速区，受路面涡流影响风速下降，同时入口风速越大，风速的变化也就越大，在达到中央分隔带护栏时，地面风速降到最小。当气流经过中央分隔带处导风防眩板时，受中央分隔带护栏及导风式防眩板影响，同样一部分气流上仰形成加速气流、一部分气流贴近路面形成涡流，在中央分隔带顶部及下部处各形成一个加速区，下风侧中央分隔带控制点处风速增大，在不同入口风速的影响下，入口风速越大，其经过导风式防眩板时风速提升越明显，其导雪效果越好。随后气流受路面涡流影响风速逐渐降低，在到达下风侧行车道中心后逐渐趋于平稳。基于此，可知导风式防眩板对大风天较多的区域有良好的防治风吹雪雪害的效果。

4.3不同安装高度下导风式防眩板对风吹雪雪害的影响

为研究模拟不同导风式防眩板h2的安装高度对风雪流场的影响，需要将其他参数设为一致，故确定相同的入口风速V,路堤坡度设为1∶2,分别分析在安装高度h2=1.8 m、1.9 m、2.0 m、2.1 m、2.2 m下的各控制点的风速，并用平滑的曲线连接各控制点风速，得出路面整体的风速变化图，从而得出相同条件下不同安装高度h2对风雪流场的影响情况。

根据仿真计算得到的表2至表7中的数据，分别绘制出V=5.4 m/s、10.7 m/s、17.1 m/s下的不同安装高度h2下路面整体的风速变化图，依次见图20、图21和图22。

图20 V=5.4 m/s时不同安装高度h2下 路面整体的风速变化 下载原图

图21 V=10.7 m/s时不同安装高度h2下 路面整体的风速变化 下载原图

图22 V=17.1 m/s时不同安装高度h2下 路面整体的风速变化 下载原图

根据图20、图21以及图22所示的整体式路堤路面的风速变化图，在相同的入口风速V,不同安装高度h2=1.8 m、1.9 m、2.0 m、2.1 m、2.2 m的情况下，来流风经导风式防眩板流过下风侧中央分隔带底部的风流量增大，下风侧中央分隔带外缘处路面控制点风速增大，下风侧路面风速增大。此外，不同安装高度h2风速变化趋势总体相同，由于在上风侧只受路侧护栏的影响，从路侧护栏至上风侧中央分隔带外缘这一区域的整体风速变化基本不受导风式防眩板安装高度的影响。在气流经过导风式防眩板时，由于过流断面减小，在护栏底部形成加速区，导致下风侧中央分隔带外缘处路面风速大幅度增大，下风侧行车道风速也相应增大。但是因为导风防眩板具有一定面积的截面形状，它同时也加剧了上风侧风速变化趋势，因此上风侧土路肩至上风侧车道风速比安装普通式直板型防眩板的情况都有所降低。随着安装高度h2的增大，经导风式防眩板流过下风侧中央分隔带底部的风流量增大，下风侧中央分隔带外缘处路面控制点风速增大，下风侧路面风速增大。基于此，在受风吹雪雪害影响较轻的地区，安装导风式防眩板h2的高度可以选取下限值；在受风吹雪雪害影响严重的地区，安装导风式防眩板h2的高度可以在综合导风式防眩板成本的条件下尽可能提高安装高度。

5 结语

本文基于公路风吹雪雪害形成机理，采用计算机仿真实验的方法，通过建立公路断面模型、导风式防眩板设置参数，经建模、网格划分和流体计算等步骤获得了不同风速和不同导风式防眩板安装高度下整体式路基断面各风速点的风速流场数据及风速云图、风速变化图。由仿真结果可知，导风式防眩板可以提升风雪流经过路面时的风速，具有一定导雪的功能；由于来流风越大，导风式防眩板提升效果越明显，故在风速较大的区域推荐使用导风式防眩板。尽管导风式防眩板的安装高度越高，导雪效果越好，但应该综合地形、防眩板的成本、风速等因素合理设置安装高度。

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