线周风致积雪漂移沉积特性及大变形积雪重分布数值模拟研究

Accumulated snow is transported by wind, with the influence of actual topography and landform, its redistribution, i.e. the depth of secondary accumulation, may even reach several times of the initial depth, which is one of the primary reasons causing snow disaster. Aiming at the formation mechanism of snow surface erosion, snow transportation and secondary accumulation around the traffic lines, this project first investigates the erosion characteristics under different wind conditions, and clarifies the basic relationship among wind velocity, particle threshold condition, equivalent roughness height of snow surface and erosion flux by using wind tunnel test and computational fluid dynamics (CFD) technology. Then, the mechanics and motion behaviors of snow particles with different parameters in general flow fields are simulated to reveal the gas-solid interaction of drifting snow. Next, based on the semi-empirical theory of equilibrious and steady drifting snow, a dynamic compensation on saltation concentration near the flat and open snow bed under the scoured condition is achieved, a calculation model for nonequilibrious and unsteady drifting snow in complex flow fields is developed, and a whole set of simulation methods for snow surface erosion, snow transportation and secondary accumulation is proposed. Finally, the modeling methods are applied to simulate the time-dependent snow redistribution on typical subgrades and bridges, the effects of screens setting on the lines are also studied. This research can provide references for the prediction and analysis of snow drift hazard on traffic and buildings in snowy areas.

积雪在风的作用下将发生搬运，受实际地形地貌影响，其重分布堆积即二次积雪深度有时可达初始雪深数倍，是引发雪害的主要原因之一。本课题针对线路周边雪面侵蚀、风雪流输运及二次积雪的成因机理，采用风洞试验结合CFD技术，首先调查雪面在不同风场条件下的侵蚀特性，明确来流风速、颗粒起动条件、雪面有效粗糙高度及侵蚀通量四者的基本关系；其次考察细观层面下不同参数滞空雪颗粒（群）在一般流场中的力学与运动行为，揭示风雪流的气固交互作用机制；然后基于饱和、定常风雪流的半经验理论，实现平坦空旷雪床冲刷下的近地吹雪浓度动态补偿效应，发展复杂绕流区非饱和、非定常风雪流的计算模型，建立集雪面侵蚀―风雪流输运―二次堆积全过程的数值模拟方法。最后将模型方法应用于典型路基及桥梁的时间依存大变形积雪模拟中，同时研究线路屏障设置对线周非均匀积雪的影响。研究成果可为多雪地区交通及建筑的雪害预测分析提供参考。

风致积雪漂移和沉积是指初始积雪在风的作用下发生搬运，从而形成风雪流和二次积雪的过程，它是造成可视度降低、线路交通阻塞、结构非均匀分布雪荷载等雪害问题的主要原因。本项目主要针对风致积雪漂移沉积现象对线路周边积雪的侵蚀和重分布堆积问题进行研究，首先通过调查平坦空旷雪床在不同风场条件下的侵蚀现象，明确了来流条件和侵蚀通量的关系；接着考察滞空颗粒在一般流场下的力学和运动行为，揭示了空气相对于雪相输运的交互作用；然后基于近地区域雪相的质量平衡关系并结合已有相关研究成果，对雪相在低风速区域的沉积条件和沉积行为进行了分析，从而明确了初始静态积雪自起动、风雪流发育直至二次堆积整个过程中，空气相和雪相的影响关系。在获得相关结论后，建立了基于欧拉-欧拉框架的平坦空旷雪床风吹雪数值模型，对不同来流条件、不同颗粒起动风速条件、不同颗粒沉降条件的大量组合工况进行了数值实验，并对结果进行了拟合和推导，从而获得了基于跃移风雪流短时局部均衡假定的雪相控制方程源项。将该源项应用于经典的单向耦合欧拉-欧拉风吹雪数值模型中，以立方体积雪问题作为算例，验证了所提出的模型方法的有效性、易用性及高效性。最后针对不同形式的桥梁和路基断面建立了数值模型，对路面设置屏障前后的积雪重分布演变形态进行了预测。主要研究成果可为线路积雪、结构积雪等相关问题数值模拟的快速建模、高效求解、合理预测提供参考。