專利名稱：沙漠鐵路風(fēng)沙防護(hù)體系防護(hù)效益設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真方法
所屬技術(shù)領(lǐng)域本方法是屬于實(shí)驗(yàn)風(fēng)沙物理學(xué)與仿真學(xué)的交叉研究技術(shù)成果。提供以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)沙漠鐵路不同防護(hù)體系方案效益比較、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。對(duì)于風(fēng)沙防護(hù)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)、效益評(píng)估，提供了科學(xué)可靠的技術(shù)方法。對(duì)于沙漠鐵路、公路、油田、工曠、輸油管線、水庫(kù)等設(shè)施的風(fēng)沙防護(hù)體系設(shè)計(jì)和建設(shè)，具有普遍適用意義。
背景技術(shù)：
在沙漠中近地表層，以推移、蠕移、躍移運(yùn)動(dòng)方式形成的風(fēng)沙流，對(duì)沙漠交通線、工程設(shè)施，造成嚴(yán)重危害。為解決這一問(wèn)題，50年代在前蘇聯(lián)專家的幫助下，采用草方格技術(shù)，在包蘭鐵路沙坡頭，建立我國(guó)第一個(gè)五帶一體(阻沙柵欄帶；草方格與植被帶；無(wú)灌溉林帶；輸沙礫石平臺(tái)帶)的沙漠鐵路防護(hù)體系。經(jīng)過(guò)幾代人建成的這一防護(hù)體系，40多年來(lái)，有效防護(hù)了流沙對(duì)包蘭鐵路的危害，保障了鐵路安全運(yùn)行，獲得國(guó)家特等獎(jiǎng)。20世紀(jì)90年代，這一防護(hù)體系模式被應(yīng)用于塔克拉瑪干沙漠石油公路的防護(hù)，保障了我國(guó)第一條沙漠石油公路安全運(yùn)行。
從50年代至今，沙漠鐵路、沙漠公路防護(hù)體系的寬度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完全是經(jīng)驗(yàn)性，還沒(méi)有一套科學(xué)的定量化的設(shè)計(jì)、計(jì)算方法。包蘭鐵路沙坡頭段風(fēng)沙防護(hù)體系，前蘇聯(lián)專家，設(shè)計(jì)防護(hù)寬度為5000米，我國(guó)科學(xué)工作者，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)曾經(jīng)改為500米，后又改為350米。這一防護(hù)體系三易方案，現(xiàn)在鐵路北迎風(fēng)側(cè)350米，鐵路南背風(fēng)側(cè)150米。大量的風(fēng)沙工程實(shí)踐，提出了必須建立一套以實(shí)驗(yàn)、觀測(cè)為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)定量模擬、設(shè)計(jì)的完整技術(shù)方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，申請(qǐng)者采用鐵路風(fēng)沙防護(hù)體系的各個(gè)組成要素，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用多路風(fēng)沙儀，進(jìn)行風(fēng)速、積沙、輸沙量觀測(cè)；鐵路風(fēng)沙防護(hù)體系的各個(gè)組成要素沙風(fēng)洞相似實(shí)驗(yàn)；不同風(fēng)沙防護(hù)方案效益的計(jì)算機(jī)仿真。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)仿真三位一體的方法，解決了沙區(qū)工程防護(hù)體系科學(xué)、定量設(shè)計(jì)及其效益比較、方案優(yōu)化問(wèn)題。
技術(shù)方案如下。
1現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鐵路防護(hù)體系的組成要素草方格；阻沙柵欄；植被；無(wú)灌溉林帶，進(jìn)行輸沙率、阻沙率實(shí)際觀測(cè)，與流沙表面的輸沙率、阻沙率比較。采用多路聯(lián)動(dòng)式風(fēng)速儀，在野外不同風(fēng)速下觀測(cè)。
2在沙風(fēng)洞(洞體長(zhǎng)37米，實(shí)驗(yàn)段21米，橫截面1.2m*1.2m，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速29m/s)，布置與實(shí)際防護(hù)體系相似實(shí)驗(yàn)，標(biāo)定風(fēng)速，進(jìn)行相同項(xiàng)目的測(cè)定，計(jì)算風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的相似性系數(shù)。
3建立風(fēng)沙防護(hù)體系功能、效益的仿真模型，編寫計(jì)算機(jī)仿真程序，代入模型參數(shù)，仿真運(yùn)行，驗(yàn)證。
4鐵路不同風(fēng)沙防護(hù)體系效益比較，方案優(yōu)化。
本方法可以在需要建立風(fēng)沙防護(hù)的防護(hù)體系設(shè)計(jì)中，根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)況，進(jìn)行風(fēng)沙防護(hù)體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行工程方案的優(yōu)化。
創(chuàng)新點(diǎn)仿真學(xué)是在航天、航空、船舶等行業(yè)廣泛運(yùn)用，由于這些工程實(shí)驗(yàn)需要巨資，仿真成為模擬實(shí)驗(yàn)的重要手段。在沙風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，自從前蘇聯(lián)30年代在土庫(kù)曼沙漠研究所建立第一個(gè)沙風(fēng)洞，到今天中科院蘭州建立世界最大的沙風(fēng)洞，采用的都是單因子的風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有把風(fēng)洞單因子實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)合起來(lái)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，僅能作單因素的分析，不能進(jìn)行多因素綜合分析，也不能進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的分析。野外觀測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)仿真有機(jī)結(jié)合，是該方法的創(chuàng)新點(diǎn)。這種方法把單要素風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行多因素的綜合、定量、動(dòng)態(tài)分析。
該方法的基本原理曾經(jīng)在“應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)”2004年12卷2期p140-147發(fā)表。
正如編輯在審稿意見(jiàn)中寫道“…利用系統(tǒng)仿真技術(shù)研究防沙工程效益，這在國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有先例。本文在方法上很有新意?！?。
適用范圍該方法適用于沙漠鐵路、沙漠公路、沙漠輸油管線、沙漠運(yùn)河、沙漠中礦場(chǎng)等風(fēng)沙防護(hù)體系的設(shè)計(jì)，多方案的比較、優(yōu)化。
附

圖1-3是對(duì)該方法補(bǔ)充說(shuō)明。
圖1是沙風(fēng)洞的模擬實(shí)驗(yàn)。
圖2是沙坡頭鐵路防護(hù)體系阻沙率野外實(shí)際觀測(cè)。
圖3是計(jì)算機(jī)仿真的某些結(jié)果。
權(quán)利要求
本方法是首次將仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)風(fēng)沙物理學(xué)。提供以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)沙漠鐵路不同防護(hù)體系方案效益比較、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。對(duì)于風(fēng)沙防護(hù)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)、效益評(píng)估，提供了科學(xué)可靠的技術(shù)方法。對(duì)于沙漠鐵路、公路、油田、工曠、輸油管線、水庫(kù)等設(shè)施的風(fēng)沙防護(hù)體系設(shè)計(jì)和建設(shè)，具有普遍適用意義。本方法的技術(shù)方案是鐵路風(fēng)沙防護(hù)體系的各個(gè)組成要素，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用多路風(fēng)沙儀，進(jìn)行風(fēng)速、積沙、輸沙量觀測(cè)；鐵路風(fēng)沙防護(hù)體系的各個(gè)組成要素沙風(fēng)洞相似實(shí)驗(yàn)；不同風(fēng)沙防護(hù)方案效益的計(jì)算機(jī)仿真?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)仿真三位一體的方法，解決了沙區(qū)工程防護(hù)體系科學(xué)、定量設(shè)計(jì)及其效益比較、方案優(yōu)化問(wèn)題。
全文摘要
沙漠鐵路風(fēng)沙防護(hù)體系防護(hù)效益設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真方法，是實(shí)驗(yàn)風(fēng)沙物理學(xué)與仿真學(xué)結(jié)合、交叉的一種技術(shù)方法。該方法將風(fēng)沙防護(hù)體系組成要素野外實(shí)際觀測(cè)、風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)綜合定量仿真結(jié)合，對(duì)風(fēng)沙防護(hù)體系效益綜合、定量研究、計(jì)算。利用這一方法對(duì)新建風(fēng)沙防護(hù)體系，根據(jù)實(shí)際修改參數(shù)進(jìn)行仿真，多方案比較、優(yōu)化。這一方法，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)首次運(yùn)用于風(fēng)沙物理學(xué)及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)于風(fēng)沙防護(hù)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)、效益評(píng)估，提供了科學(xué)可靠的技術(shù)方法。對(duì)于沙漠鐵路、公路、油田、工曠、輸油管線、水庫(kù)等設(shè)施的風(fēng)沙防護(hù)體系的設(shè)計(jì)于建設(shè)，具有普遍的適用意義。
文檔編號(hào)G01M9/02GK1814914SQ200510037788
公開(kāi)日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2005年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月5日
發(fā)明者胡孟春 申請(qǐng)人:胡孟春