风沙灾害威胁着沙漠铁路的正常化运营,时常造成列车的缓行、停运,甚至出现脱轨和侧翻的高危险性事故,给国家和人民造成了极大损失,不便于地区之间经济、文化的相互交流。为减轻或避免铁路沙害问题,研究者们提出了以“固、阻、输、导”的原则进行机械干预措施,并取得了显著成效。在长时间风沙侵害下,单排防护措施已不能起到理想的防护效果,因此本文在前人研究的基础上,根据空气动力学和风沙两相流理论,利用FLUENT计算软件建立欧拉双流体非稳态模型,分析单排机械沙障和双排机械沙障之间的防护差异,为铁路沙害防治和双排机械沙障参数设计提供理论和支撑,提高防沙效益,保障铁路安全运营。主要研究内容有:(1)风沙灾害对铁路安全运输主要影响体现在路堤风蚀和沙埋线路两个大类;以及剖析了风沙流的基本理论及其运动特性,并在此基础上,建立了风沙两相流的流体控制方程和k-ε湍流模型。(2)采用数值模拟方法对风沙流分别途径单排机械沙障和不同间距双排机械沙障进行分析研究。结果表明:一方面在机械沙障背风侧均出现减速区、加速区和回流区,但双排沙障在背风侧有范围大、强度高、特征明显的回流区,沙粒未大量堆积在迎风坡坡脚周围,这减弱了在日积月累情况下堆积的沙堆沿迎风坡面向上爬的趋势。另一方面双排沙障对气流的减弱效果明显优于单排沙障,使沙粒气相动能减小,剩余能量不足于继续向铁路方向运动。此外,双排机械沙障增大了路堤正上方的气流速度,使处于悬移状态沙粒获得更多能量,加速越过路堤,进而可大幅度降低了铁路线路的积沙形成。(3)定性分析不同间距的双排机械沙障周围的速度流场特征,定量分析机械沙障在床面上所阻断的积沙量,得出间距为10H的双排机械沙障在流场风速和沙粒的沉积量两方面均优于其它条件,显著地提高了双排机械沙障在铁路沿线的防护效应。(4)对双排机械沙障第二排沙障的特征参数进行模拟分析。结果表明:第二排沙障高度越高,涡旋区强度越大,相较于入口风速的减速效率越高,沙粒出现富集效应而沉积的越多,其中高1m和1.5m的沙障形成的涡旋区范围小,强度低,防沙效果不足,但高度太高,造成沙障所承受的风压和成本变大。故第二排机械沙障高度建议采用2.5m~3m。随着第二排机械沙障孔隙度越大,涡旋流长度、高度与强度均呈减小状态,在同高度处,大部分沙粒并没有被沙障所阻断,防沙效果较弱;而孔隙度越小,虽能有效降低沙障后方风速,但背风侧的沙堆又紧挨机械沙障周围,沙障容易被埋。故对比认为第二排机械沙障孔隙度宜取10%~20%。倾角为120°沙障对气流的减弱效果最好,气流携沙能量最弱。倾角越靠近0°,积沙位置越接近迎风坡坡脚,在风沙不断冲击下路堤迎风侧边坡面会产生掏蚀和风蚀现象,造成路堤稳定性降低,而倾角越靠近180°,气流虽不会磨蚀坡面,但积沙量较小。综合考虑,第二排机械沙障倾角宜取在120°左右,既起到较好阻沙作用,又不会使迎风坡坡面出现掏蚀现象。