专利名称：沙漠铁路风沙防护体系防护效益设计系统仿真方法
所属技术领域本方法是属于实验风沙物理学与仿真学的交叉研究技术成果。提供以风洞实验为基础，设计沙漠铁路不同防护体系方案效益比较、结构优化的方法。对于风沙防护工程的优化设计、效益评估，提供了科学可靠的技术方法。对于沙漠铁路、公路、油田、工旷、输油管线、水库等设施的风沙防护体系设计和建设，具有普遍适用意义。
背景技术：
在沙漠中近地表层，以推移、蠕移、跃移运动方式形成的风沙流，对沙漠交通线、工程设施，造成严重危害。为解决这一问题，50年代在前苏联专家的帮助下，采用草方格技术，在包兰铁路沙坡头，建立我国第一个五带一体(阻沙栅栏带；草方格与植被带；无灌溉林带；输沙砾石平台带)的沙漠铁路防护体系。经过几代人建成的这一防护体系，40多年来，有效防护了流沙对包兰铁路的危害，保障了铁路安全运行，获得国家特等奖。20世纪90年代，这一防护体系模式被应用于塔克拉玛干沙漠石油公路的防护，保障了我国第一条沙漠石油公路安全运行。
从50年代至今，沙漠铁路、沙漠公路防护体系的宽度、结构设计，完全是经验性，还没有一套科学的定量化的设计、计算方法。包兰铁路沙坡头段风沙防护体系，前苏联专家，设计防护宽度为5000米，我国科学工作者，根据经验曾经改为500米，后又改为350米。这一防护体系三易方案，现在铁路北迎风侧350米，铁路南背风侧150米。大量的风沙工程实践，提出了必须建立一套以实验、观测为基础，计算机定量模拟、设计的完整技术方法。
发明内容
针对上述问题，申请者采用铁路风沙防护体系的各个组成要素，现场实际运用多路风沙仪，进行风速、积沙、输沙量观测；铁路风沙防护体系的各个组成要素沙风洞相似实验；不同风沙防护方案效益的计算机仿真。现场观测、风洞实验、计算机仿真三位一体的方法，解决了沙区工程防护体系科学、定量设计及其效益比较、方案优化问题。
技术方案如下。
1现场对铁路防护体系的组成要素草方格；阻沙栅栏；植被；无灌溉林带，进行输沙率、阻沙率实际观测，与流沙表面的输沙率、阻沙率比较。采用多路联动式风速仪，在野外不同风速下观测。
2在沙风洞(洞体长37米，实验段21米，横截面1.2m*1.2m，最大设计风速29m/s)，布置与实际防护体系相似实验，标定风速，进行相同项目的测定，计算风洞实验与实际观测数据转换的相似性系数。
3建立风沙防护体系功能、效益的仿真模型，编写计算机仿真程序，代入模型参数，仿真运行，验证。
4铁路不同风沙防护体系效益比较，方案优化。
本方法可以在需要建立风沙防护的防护体系设计中，根据当地的风况，进行风沙防护体系的结构设计，进行工程方案的优化。
创新点仿真学是在航天、航空、船舶等行业广泛运用，由于这些工程实验需要巨资，仿真成为模拟实验的重要手段。在沙风洞实验中，自从前苏联30年代在土库曼沙漠研究所建立第一个沙风洞，到今天中科院兰州建立世界最大的沙风洞，采用的都是单因子的风洞模拟实验，没有把风洞单因子实验与计算机仿真结合起来。风洞实验结果，仅能作单因素的分析，不能进行多因素综合分析，也不能进行虚拟场景的分析。野外观测、风洞实验、计算机仿真有机结合，是该方法的创新点。这种方法把单要素风洞实验结果，进行多因素的综合、定量、动态分析。
该方法的基本原理曾经在“应用基础与工程科学学报”2004年12卷2期p140-147发表。
正如编辑在审稿意见中写道“…利用系统仿真技术研究防沙工程效益，这在国内外都没有先例。本文在方法上很有新意。…”。
适用范围该方法适用于沙漠铁路、沙漠公路、沙漠输油管线、沙漠运河、沙漠中矿场等风沙防护体系的设计，多方案的比较、优化。
附
图1-3是对该方法补充说明。
图1是沙风洞的模拟实验。
图2是沙坡头铁路防护体系阻沙率野外实际观测。
图3是计算机仿真的某些结果。
权利要求
本方法是首次将仿真技术应用于实验风沙物理学。提供以风洞实验为基础，对沙漠铁路不同防护体系方案效益比较、结构优化的方法。对于风沙防护工程的优化设计、效益评估，提供了科学可靠的技术方法。对于沙漠铁路、公路、油田、工旷、输油管线、水库等设施的风沙防护体系设计和建设，具有普遍适用意义。本方法的技术方案是铁路风沙防护体系的各个组成要素，现场实际运用多路风沙仪，进行风速、积沙、输沙量观测；铁路风沙防护体系的各个组成要素沙风洞相似实验；不同风沙防护方案效益的计算机仿真。现场观测、风洞实验、计算机仿真三位一体的方法，解决了沙区工程防护体系科学、定量设计及其效益比较、方案优化问题。
全文摘要
沙漠铁路风沙防护体系防护效益设计系统仿真方法，是实验风沙物理学与仿真学结合、交叉的一种技术方法。该方法将风沙防护体系组成要素野外实际观测、风洞模拟实验以及计算机综合定量仿真结合，对风沙防护体系效益综合、定量研究、计算。利用这一方法对新建风沙防护体系，根据实际修改参数进行仿真，多方案比较、优化。这一方法，将计算机仿真技术首次运用于风沙物理学及风洞实验研究。对于风沙防护工程的优化设计、效益评估，提供了科学可靠的技术方法。对于沙漠铁路、公路、油田、工旷、输油管线、水库等设施的风沙防护体系的设计于建设，具有普遍的适用意义。
文档编号G01M9/02GK1814914SQ200510037788
公开日2006年8月9日 申请日期2005年2月5日 优先权日2005年2月5日
发明者胡孟春 申请人:胡孟春