（计算数学专业论文）防风网的数值模拟.pdf

中文摘要 中文摘要 煤炭输出港存在的煤尘污染这一关键环境问题受到了很多煤炭码头公司的 高度重视。为此一些煤炭码头有限公司拟在堆场进行防风网工程的建设。二十多 年来，日本、美国、澳大利亚、英国、新西兰等国家对防风网防尘技术进行了研 究。日本从二十世纪七十年代起，相继在港口煤堆场使用了防风网，并制定了室 外储存煤场设备防止煤粉尘飞散方法概要。防风网在国内外已经是一项成熟有效 的防尘技术。美国国家环保局于1 9 8 6 年对防风网的有关研究工作进行了归纳总 结，提出了防风网在美国露天煤场的使用的建议。防风网在国内外已经是一项成 熟有效的防尘技术。 目前国内外的防风网技术发展日趋成熟，在日本、加拿大和中国对煤炭堆场 在自然风状态下的防尘、抑尘方面已广泛使用。说明防风网技术，在技术上是可 行的，同时根据防风网的风洞试验研究结论得出，采用防风网防尘效果显著。 由于在中国煤炭堆场的区域较大，采用风洞试验的方法研究防风网的抑尘效 果所需费用及周期将会很大，本文拟采用数值模拟方法对此问题进行研究。 本文使用标准k 一占模型对有网堆场周围的流场和无网堆场周围的流场进行 了数值模拟，参考美国环境保护局推荐煤堆场起尘模式建立料堆扬尘排放源强模 拟模式，给出了不同开孔率的防风网对静态煤堆场的抑尘率，为防风网的设置提 供技术参数。该工作在一定程度上推动了数值模拟方法在防风网领域的应用。 关键词：防风网标准k 一占模型抑尘率 英文摘要 a b s t r a c t n 坞c n l c i a le n v i r o m c n t a lp r o b l e mo f t h ec o a ld u s tp o l l u t i o ni nt h ec o a lo u t p o r t r e c e i v e sh i g h l yt a k e n a n dm a n y c o m p a n i e sa r cp l a n n i n gt oc o n s t r u c tt h ew i n d p r o o f n e t p r o j c c li nt h eh a r b o rc o a ld u m ps i t e i nt h el a s tt w e n t i e s ，m a n yc o u n t r i e ss u c ha sj a p a n , a m e r i c a , a n dt h ee n g l a n dh a v eb e e ns t u d y d n gt h et e c h n o l o g yo f t h ew i n d p r o o f n e td u s t p r o n f f r o mt h e7 0 s i n2 0 mc e n t u r y , j a p a nh a sb e e nu s i n gt h ew i n d p r o o f n e ti nt h eh a r b o rc o a ld u m ps i t ea n do u t l i n e d t h em e t h o dt op r e v e n tt h ec o a ld u s td e f l e e t e di nt h eo u t d o o rs t o r a g ec o a lf i e i d 1 1 a i n e f i c a n c o u n t r ye n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nb u r e a uh a sc a r r i e do nt h ei n d u c t i o ns u n m m wi n1 9 8 6t ot h e w i n d p r o o f n e tr e l a t e dr e s e a r c hw o r k , p r o p o s e dt h es u g g e s t i o nf o rt h ew m d p r o n f n e ti nt h e a m e r i c a no p e n - a i rc o a lf i e l d 1 1 圮t e c h n o l o g yo f w i n d p r o o f n e ti nd 0 _ m s 廿ca n df o r e i g na l r e a d y w a sam a t u r ea n de r e c t i v e a tp r i n tt h et e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n to f w i n d p r o o f n e t si nd o m e s t i ca n df o r e i g ni sm a t u r e d a y b y d a y n 埠d u s t p r o o f f o r t h e c o a l d u m ps i t e a n d e r t h e n a t u r a l w i n d c o n d i t i o n h a s b c e n w i d e l y u s e di nj a p a n , c a n a d aa n dc h i n , w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ew i n d p r o o f n e tt e c h n o l o g yi sf e a s i b l ei n t h et e c h n o l o g y 1 1 埔c o n c l u s i o nf r o mt h er e s e a r c ho f w i n d p r o o f n e tw i n dt u n n e lt e s ti st h a tt h e e f f e c to f u s i n gw i n d p r o o f i sd r a s t i c d u e t o t h ea r e a o f c o a l d u m ps i t e i s v e r y l a r g e i n d l i i 饥w h i c h r e s u l t s t h e x p c l l s e a n d t h e t i m e p a i o dw o u l db ev e r yl o n g , a sar e s u l t , t h i sp a p e ru t h ec a l c u l a t e ds i m u l a t i o nm e t h o dr e g a n t i n g t h i sp r o b l e m 1 1 l i sp a p e rm a d et h ev a l u es i m u l a t i o na b o u tt h ef l o w 丘l e da r o u n dt h en e ta n dn o n - n e td u m p s i t e ，r e f e r r i n gt od u s t i n gp a t t e r nt oe s t a b l i s hh es o u i v zs t r o n gs i m u l a t i o np a t t e r no f m a t e r i a lp i l e s r a i s i n gt h ed u s tt od i s c h a r g ei nt h ec o a ld u m ps i t et h a t1 h cu sc o v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nb u r e a u d e d 1 1 ”p a p e r o f f e r e dr a t ea b o u td i f f e r e n t l yo p e n e dp o r e s i t yo f t h ew i n d p r o o f n e t w o r k t ot h es t a t i cc o a ld u m ps i t ea n dp r o v i d e dt h et e c h n i c a lp a r a m e t e rf o rt h ew i n d p r o o f n e t e s 蛐c o t 儆w o r ki m p e l l e dt h ea p p l i c a t i o no f t h ev a l u es i m u l a t i o nm e t h o dt oac e r t a i n d e g r e ei nt h ew i n 却r o o f n e td o m a i na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：w i n d p r o o f n e t , s t a n d a r dk - 占m o d e l , t h er a t eo f r e s t r a i n i n gd u s t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第一章总论 1 1 防风网简介 第一章总论 防风网是指具有一定开孔率的网材或板材，其材料一般为金属( 钢、铝等) 、 非金属或二者的组合。防风网也称为风障、挡风抑尘网、挡风抑尘板等 防风网的作用网：一是作为屏障阻止沙尘飞行，二是以自身的微环境来调节 空气流动，即实现挡风抑尘效果。 1 2 防风网的应用 防风网应用范围相当广泛，在农业上防风网用于提供对农作物的微气候，在 沙化比较严重的地区，用于减少砂石的堆积：在环境保护中，防风网能减少散料 物体装卸和堆放过程中的逸散。 随着现代工业的发展，各类煤炭，矿石等散料在装卸和储存作业中粉尘对环 境污染日益严重。这些粉尘不仅严重影响着人们呼吸系统的健康，而且危害人们 的生存环境，对大气环境造成严重的污染，而且造成不必要的物料流失。目前， 我国采取的治理措施主要是在煤堆表面喷洒水增湿，在喷洒水中加入一些表面结 壳剂、润湿剂等化学药剂。但这些措施有很大的局限性。因此人们越来越重视用 防风网防治空气粉尘污染的研究。 1 3 防风网研究发展 近二十多年来，日本、美国、澳大利亚、英国、新西兰等国家对防风网防尘 技术进行了研究。日本从二十世纪七十年代起，相继在港口煤堆场使用了防风网， 并制定了室外储存煤场设备防止煤粉尘飞散方法概要。美国国家环保局于1 9 8 6 年对防风网的有关研究工作进行了归纳总结，提出了防风网在美国露天煤场的使 用的建议防风网在国内外已经是一项成熟有效的防尘技术。 防风网在国外成功应用的有日本电源开发株式会社下辖的三个最大的发电 厂、台湾台中火力发电厂燃煤储运场、日本东京电厂、荷兰鹿特丹港务局等，他 第一章总论 们已成功采用了防风网防尘，并取得较好的防尘效果。荷兰鹿特丹港务局采用半 圆形的薄壳r c 防风网来防止港区航道强劲的西风，取得了美观、防风的双重效 果。日本松浦电厂煤堆场采用网高1 9 米的“n ”形布置方案的金属防风网，其 透风率为4 0 ，应付风速为3 4 m s ，寿命可达3 0 - 4 0 年，日本东京电厂采用“口” 形布置防风网，它采用1 5 m m 厚的镀锌板，压制成大波纹多孔板，网孔率为 4 0 6 0 ，在防风、抑尘方面均取得了较好的效果。台湾台中火力发电厂燃煤储 运场采用防风堤与防风网相结合的防风措施，取得了很好的防风效果。另外在具 有亚洲国际商港之称的高雄，其在港口地区采用高为1 2 米，长度为1 5 0 0 米的防 尘网，并采用花样嵌板，运用温和、高尚之花样，经施打孔径大小之配合可以表 现浓淡之工法；使其具有艺术、防风之双重效果。 目前国内外的防风网技术发展日趋成熟，在日本、加拿大和中国对煤炭堆场 在自然风状态下的防尘、抑尘方面已广泛使用。说明防风网技术，在技术上是可 行的，同时根据防风网的风洞试验研究结论得出，采用防风网防尘效果显著。 我国的防风网防治粉尘污染技术的研究起步比较晚，对其防治机理、加工 工艺和工程设计与应用的专门研究比较少。武汉水利工程学院流体力学教研室于 2 0 世纪8 0 年代中期用环境风洞结合上海港朱家码头煤堆场“挡风网防尘措施研 究”的课题，对防风网的有关参数进行了验证。 交通部水运科学研究所，结合秦皇岛煤堆场设置防风网工程可行性研究，与 北京大学环境科学中心环境动力学研究室合作，对防风网的防尘机理，防风网主 要结构参数特征开孔率等作了一些研究工作。 近年来台湾海洋大学河港工程系在防风网多层结构及网后空气紊流结构喊 了一些研究工作。 在国内，虽然没有专门开展防风网防尘技术的研究，仅仅是结合一些工程可 行性研究的需要开展了一些验证工作，但是这些工作为国内进一步开展防风网的 研究和防风网在具体工程的应用打下了一定的基础。 1 4 防风网的防尘机理 大量的实验结果说明，防风网之所以能大量降低露天煤堆场起尘量的机理是 降低来流风的风速，最大限度的损失来流风的动能，避免来流风的明显涡流，减 2 第一章总论 小风的湍流度。 1 5 本文概述 秦皇岛是我国重要的旅游城市，也是一个世界上最大的煤炭转运港口。秦皇 岛港煤堆场位于秦皇岛市东部，在防治煤尘污染方面秦皇岛港务集团有限公司借 鉴国外的先进技术和粉尘治理经验，投入了巨大的人力、物力，在工程建设中将 环境治理工程作为重点配套工程予以实施。其中包括引进最先进的工艺流程和装 卸设备，封闭了皮带输送廊道；配套了干、湿两法的除尘设备等有效设施，在粉 尘污染防治方面取得了一定的效果。 为了减少由于大风卷起的煤粉尘对环境的污染，提高当地空气质量，达到一 定的环保要求，根据国内外文献介绍和实际考察国外煤堆场的减尘措旌，秦皇岛 港务集团有限公司决定在包括煤三、四、五期及矿石堆场范围的超大煤堆场( 1 4 0 0 米x 1 9 3 0 米) 建设防风网。对于这类超大型煤堆场，还未见到国内外相关报道。 秦皇岛港务集团有限公司委托交通部天津水运工程科学研究所进行防风网 建设工程可行性研究，预测防风网的抑尘效果。本次秦皇岛港煤三、四、五期及 矿石堆场防风网建设工程可行性研究为我国首次对大型煤堆场防风网建设进行 的可行性研究，研究共分为五个阶段进行，本次数值模拟计算研究为第二研究阶 段。由交通部天津水运工程科学研究所和同济大学风功能国家重点实验室共同完 成。 1 6 研究的目的 用数值模拟计算方法对各种方案进行初选，收缩方案范围，指导物理模型试 验研究工作，并进一步完善数值模拟方法在防风网领域的应用。本次研究拟对不 同防风网平面布置方案和不同高度方案进行不同气象条件下的数值模拟，主要计 算结果是各种方案对静态煤堆场的抑尘率；通过对抑尘率及投资总额的分析进行 防风网布置方案和高度方案的初选。 第一章总论 1 7 研究内容 研究内容包括：( 1 ) 防风网平面布置方案优化；( 2 ) 防风网高度设置方案优 化；( 3 ) 典型气象条件下防风网的抑尘效果。提出最佳防风网平面布置方案及高 度方案。 1 8 研究方法 本次研究采用七一占模型对堆场防风区域进行了数值模拟，利用美国环境保 护局推荐的煤炭堆场起尘量计算公式对计算结果进行处理。 研究的计算平台：f l u e n t6 1 2 和g a m b i t 2 1 2 ，所用计算机：4 g 内存的双c p u 的d e l l 工作站，部分结果是串行计算，部分结果是并行计算。 1 9 研究方案 1 g 1 关于防风网的数学建模 由于防风网的防风范围较大，实际防风网的弯曲尺寸在数值模拟的计算区域 中相对较小，在全范围防风网的数值模拟中，由于网格布置的要求，将防风网处 理成带有一定孔隙率的平板网。 为了了解这样处理的效果，数值模拟的第一步是比较实际形状的防风网与平板防风网后 同一个高度处的防风效果。 1 9 2 计算方案 ( 1 ) 进行1 6 风向6 个平面布置方案( 由第一阶段设网条件基础调查及防风 网总平面布置初步方案报告提出) 及无网方案的数值模拟计算；共进行1 1 2 组 计算；详细方案见表l l 。 4 第一章总论 表1 一l计算方案表( 一) 计算方 案编号 平面布置方案网高方案气象条件计算组 l 无网方案 1 6 2 平面布置方案一 1 6 1 9 9 5 - - 2 0 0 4 年1 0 3平面布置方案二1 6 年，1 6 风向，风 4 平面布置方案三防风网网高：2 3 米速大于3 7 7 m s ，1 6 平均风速，详见 5 平面布置方案四 承接网网高：1 2 米 1 6 表2 2 所示 6 平面布置方案五 1 6 7 平面布置方案六 1 6 合计 1 1 2 ( 2 ) 进行防风网的高度调整后的数值模拟计算；共进行8 0 组计算；详细方 案见表1 - - 2 。 表1 - - 2计算方案表( 二) 计算方 平面布置方案网高方案气象条件计算组 案编号 防风网网高：2 0 米 81 6 承接网网高：1 0 米 平面布置方案一 9 防风网网高：2 5 米 1 6 承接网网高：1 3 米 1 9 9 5 - - 2 0 0 4 年l o 防风网网高：2 0 米 年，1 6 风向，风 1 0速大于3 7 7 m s ，1 6 承接网网高：1 0 米 平均风速，详见 平面布置方案五 表2 2 所示 防风网网高：2 5 米 1 1 1 6 承接网网高：1 3 米 1 2平面布置方案四承接网网高：1 8 米1 6 合计8 0 第一章总论 ( 3 ) 选择典型气象条件及代表性气象条件进行数值模拟计算；共进行6 6 组 计算；详细方案见表l 一3 。 表1 3计算方案表( 三) 计算方 案编号 平面布置方案网高方案气象条件计算组 1 9 9 5 2 0 0 4 年1 0 1 3无网方案 年1 l 一4 月份( 冬 1 6 季) ，1 6 风向， 风速大于 防风网网高：2 3 米3 7 7 以，平均风 1 4 平面布置方案一1 6 承接网网高：1 2 米速，详见表2 3 所示 1 9 9 5 - 2 0 0 4 年l o 1 5无网方案年5 一1 0 月份( 旅1 6 游季节) ，1 6 风 向，风速大于 防风网网高：2 3 米3 7 7 m s ，平均风 1 6平面布置方案一1 6 承接网网高：1 2 米速，详见表2 4 所示 1 7无网方案l 1 9 9 5 - 2 0 0 4 年l o 防风网网高：2 3 米 年极大风速及其 1 8平面布置方案一 所处风向 l 承接网网高：1 2 米 合计 6 6 1 9 3 数据处理及结论 对2 5 8 组计算方案的数值模拟结果进行数据处理，根据计算结果：给出优化 的防风网平面布置方案及优化的防风网高度方案及在典型气象条件下防风网的 防尘效果，提出结论与建议；为下一阶段风洞试验提供基础方案。 6 第二章模型和数值模拟过程 第二章模型和数值模拟过程 2 1 标准j i 一占模型的控制方程组 下进行，其标准后一占模型的控制方程组如下： 塑：o 觑 ( 1 ) 丝o t + 旦咝o t = p 毒+ 三p 考 + ) ( 堕o x j + 丝o x i 钆钙r i jj。 昙c 肚，+ 毒c 廊沪考卜+ 拿剖+ q 一伊邸， 昙c 胪，+ 毒c 倒沪考卜+ 拿爿+ c - g 一乞p 譬 热以2 以等圆 标准后一模型方程中的常数一般取c i s = l 4 4 ，c z c = 1 9 2 ，q2 0 - 0 9 ， o k2 1 0 ，o c = 1 3 。 式中，丐是笛卡儿坐标，f 为时间，p 是空气密度，是动力学粘性系数， 肛是湍动能粘性系数，、p 、后、s 是时间平均速度、静压、湍动能、湍动 2 2 计算模型 2 2 1 计算区域 计算模型见图2 1 ：计算区域为底面正1 6 边形的棱柱，该棱柱的底面半径为 4 , 6 3 2 米高为5 0 0 米。煤堆和建筑物置于计算区域的中心。 7 第二章模型和数值模拟过程 2 2 2 建筑物模拟 图2 - 1计算模型图 由于计算机内存的限制：一个模型的网格数不能太大。我们对堆场周围的建 筑物作了一些简化：堆场的西边的建筑物( 近北面) 处理成两列，靠近防风网的 一侧由1 1 个建筑物组成，根据实际的建筑物排列的方式，将它们适当排列，这 1 1 个建筑物长、宽，高均为：7 米，1 4 米，2 3 米。防风网东侧的建筑物由两个 建筑物组成，一个长、宽、高为：3 4 米、7 0 米、1 2 米，另一个长、宽、高为： 2 2 米、7 0 米、2 3 米，相距2 0 0 米。堆场的西边的建筑物( 近南面) 处理成一列， 由5 个建筑物组成，这5 个建筑物长、宽、高均为：9 米、3 4 米、1 2 米，这5 个建筑物均相距1 5 0 米。图2 - 2 为建筑物和煤堆周围的网格分布( 全局) 图。 第二章模型和数值模拟过程 图2 2 建筑物和煤堆周围的网格分布( 全局) 图 2 2 3 堆场煤堆模拟 在防风区域内，放置了1 6 1 个煤堆，煤堆的形状为棱台形，上下表面均为长 方形，下表面长、宽为：5 l 米、1 5 4 米；上表面长、宽为：l o 米、1 1 3 米。煤堆 高度为1 7 米。煤堆的放置方式与实际摆放方式一致。图2 3 为建筑物和煤堆周 围的网格分布( 局部) 图。 第二章模型和数值模拟过程 图2 3建筑物和煤堆周围的网格分布( 局部) 图 2 3 防风网处理成平面后的局部效应研究 由于防风网的防风范围较大，实际防风网的弯曲尺寸在数值模拟的计算区域 中相对较小，在全范围的防风网数值模拟中，由于网格布置的要求，将防风网处 理成带有一定孔隙率的平板网。见图2 4 砣一9 所示。 为了了解处理效果，数值模拟计算首先比较实际形状的防风网与平板防风网 后同一高度处的防风效果。 防风网高度为l 米，计算区域为3 2 x 3 2 x 3 6 ，网格区间长度为o 4 米，防 风网距离入流处为1 0 米，计算所用的总网格数为8 0 x 8 0 x 1 0 。 计算时，在f l u e n t6 1 2 中将防风网设为具有一定开空率的膜边界条件，本 报告计算中防风网的开孔率为4 4 。 计算结果表明：来流速度为5 m s 时，平板网后的速度降为1 7 3 m s ，真实形 状网后的速度降为1 6 9 m s ，其它的流场定性形态基本一致。基于此，在以下的 数值模拟中，将防风网处理成平板是合理的近似。 1 0 第二章模型和数值模拟过程 图2 - 4平板网的计算域图 图2 - 5平板网的流场图( 全局) 图 第二章模型和数值模拟过程 v e k 蛳v e “”弓c 0 1 ”e db y v 引”t 州8 州伯d e 咖旭灿叫6 1 瑚g 船跫蹲 图2 - 6平板网的流场图( 局部) 图 图2 7真实网的计算区域图 第二章模型和数值模拟过程 图2 - 8真实网的流场图( 全局) 图 图2 - 9真实网的流场图( 局部) 图 第二章模型和数值模拟过程 2 4 边界条件 2 4 1 边界条件的确定 表2 一l 列出了计算模拟所采用的边界条件。 表2 - 1 边界条件汇总 计算区域边界 标准k e 模型 入流边界d i r i c h l e t 边界条件 出流边界零压力梯度边界条件 侧向流体边界自由滑移墙 顶部流体边界自由滑移墙 建筑物、煤堆边界无滑移光滑墙 地面边界无滑移粗糙墙 防风网 p o r o u s - j u m p 这些流体边界条件的确定要求将计算区域的边界放得离模型足够远，以便从 不扰动气流条件直接导出所需的平均流动和湍流条件。 由于计算时需要1 6 个风向的计算结果，为避免一个风向生成一套网格的麻 烦，设计计算区域为棱柱，棱柱的底面为正1 6 边形。不同风向的计算，只需要 调整入流边界条件和出流边界条件的设置。 计算时1 6 个风向的速度由气象资料提供。 其中1 9 8 3 年在进行秦皇岛港煤码头一、二期环境影响评价时，曾对煤堆区 上空风速随高度的变化( 风速廓线) 进行过观测，风速随高度变化的幂指数为 o 3 0 ，入流速度剖面公式为： r ：、o j 胪i _ j ( 6 ) 其中为1 0 米高度处所对应的速度。 1 4 第二章模型和数值模拟过程 紊流度剖面参考日本建筑规范( a l l ) 【4 】中有关紊流度剖面的公式来确定， 即： l = o i ( z h g ) 啦0 “( 7 ) 其中，梯度风高度h g 和平均风剖面幂函数指数面按我国建筑结构荷载规 范g b 5 0 0 9 2 0 0 1 取值，对于本研究，分别为4 0 0 m 和0 3 。 由紊流度剖面公式，本研究所采用的入流面湍动能表达式和湍动能耗散率表 达式如下： 励t ( 笥7 一o 9 7 占= 0 2 3 4 7 k ” ( 9 ) 入流边界条件通过用户自定义函数来实现。 在f l u e n t 6 1 2 中用p o r o u s - j u m p 来模拟带有一定开孔率的膜，本研究通过设 置合适的参数，用p o r o u s - j u m p 边界条件实现防风网。 2 4 2 气象资料 本次采用秦皇岛海洋站1 9 9 5 年2 0 0 4 年l o 年实测资料进行统计，该站位 于秦皇岛市南山的灯塔处海滨，观测代表值良好。根据本次防风网建设防尘以控 制煤堆场总起尘量为目标的原则及风洞试验成果，煤炭堆场的煤炭含水率按照 3 2 计算，其煤炭粉尘的启动风速为3 7 7 m s 专业煤港粉尘总量控制技术方法 研究报告。根据以上原则，本次统计按照风速大于3 7 7 m s 进行统计。 全年风向频率及平均风速 表2 - 2 为全年各月大于启动风速为3 7 7 m s 的风向频率和平均风速统计表。 1 5 第二章模型和数值模拟过程 表2 2年均风向频率、平均风速统计表 风向 风频平均风速( m s ) n1 8 8 5 0 7 n n e4 2 9 5 2 5 n e1 3 1 5 5 6 0 e n e5 9 9 5 5 3 e 1 3 4 3 5 8 3 e e s4 4 4 5 5 8 e s7 4 9 5 5 s s e5 1 5 5 5 6 s1 2 3 8 5 5 8 s s w6 0 5 4 9 1 w s1 0 6 6 4 9 2 w w s5 1 7 4 6 w6 1 4 4 5 6 w n w1 7 5 4 8 n w1 1 3 4 6 4 n n wo 8 8 4 5 售) 1 1 - 4 月份( 冬季) 风向频率及习2 均风速 表2 - 3 为1 1 - 4 月份( 冬季) 大于启动风速为3 7 7 m s 的风向频率和平均风速 统计表。 表2 31 1 4 月份( 冬季) 风向频率、平均风速统计表 风向风频平均风速( m s ) n1 8 2 4 6 5 n n e 5 8 1 4 8 2 n e1 7 4 7 5 6 4 e n e7 2 5 5 6 2 e1 3 0 0 6 0 6 e e s3 2 8 5 8 3 e s4 4 5 5 5 8 s s e2 4 0 5 6 1 s7 1 9 5 7 2 s s w4 5 1 4 9 1 w s1 0 4 5 4 8 9 w w s6 5 8 4 6 9 w9 6 3 4 6 0 w n w 2 9 3 4 7 9 n w1 8 8 4 6 4 n n 、) i r1 3 4 4 6 0 1 6 第二章模型和数值模拟过程 5 1 0 月份( 旅游季节) 风向频率及平均风速 表2 - 4 为5 1 0 月份( 旅游季节) 大于启动风速为3 7 7 m s 的风向频率和平均 风速统计表。 表2 45 1 0 月份( 旅游季节) 风向频率、平均风速统计表 风向风频平均风速( m s ) n 1 9 4 5 5 0 n n e2 6 1 6 3 0 n e8 4 1 5 5 1 e n e4 6 1 5 3 7 e1 3 9 1 5 6 0 e e s 5 7 1 5 4 2 e s1 0 8 3 5 5 0 s s e 8 1 8 5 5 4 s 1 8 0 8 5 5 3 s s w7 7 5 4 9 3 w s1 0 8 9 4 9 6 w w s 3 6 2 4 4 9 w 2 3 2 4 3 8 w n w0 4 4 4 8 4 n w0 3 2 4 6 1 n n 、7 l r 0 3 8 4 1 3 极大风速及风向 根据对1 0 年实测资料统计的结果，秦皇岛区域的极大风速为2 3 4 m s 。出现 风向为南风，出现时间为2 0 0 4 年9 月1 5 日0 3 ：5 8 。 2 5 网格尺寸对计算结果的影响 通常研究网格尺寸对计算结果的影响的一般做法：首先构造一套网格对所研 究的问题进行计算，获得一组结果；其次加细网格，在细网格的基础上对所研究 的问题进行计算，获得另一组结果；比较这两组计算结果，若计算结果相差不大， 可以认为现在的网格尺寸对所研究的问题是合适的。否则，继续加细网格，直至 满足要求。本文采用了三种网格：粗网格( ，中网格，细网格) 。用同样的处理 数据的方法获得了三种网格的起尘率，计算结果如表2 - 5 1 7 h o - a 黔k 辱笔n n虽号h 8击8o。o+8o$+-艘6n9击n9 n+日66寸蓦击是 擎丑8葛 窿怔撵匿募 n玉蛊，8；由8。zo+鲁c no+厶i_2由墨_【苫+丑夏t事击备口o+器【 匿限蜒匿嚣 _i暑69卜 一0璺nn苇击n气a 8+a8。8童0。o+豳8o _【o+由譬n no+豳n峪n享+a器” ”o+豳葛h 匿诹暑卓匿壬 no+由a。，8击8。00击8do+宙n冀a no+寓。口摹卤t享+丑口”o+豳n6i 嫠限靼匿乎 第二章模型和数值模拟过程 从表2 - 5 可知：粗网格的起尘率为2 5 ，中网格的起尘率为2 3 1 ，细网格 的起尘率为2 4 5 。网格尺寸对计算结果的影响在2 左右，可以认为：采用中 网格的计算结果应该可以作为比选不同开孔率的防风效果的依据。实际计算中我 们采用的是与中网格尺寸相同的网格。关于起尘率的计算方法见2 7 。 2 6 网格生成 网格剖分时，将计算区域分成2 4 个区，每个区分别生成网格，每个区的网 格视实际需要，采用不同的生成方式，最后所得网格类型：部分为六面体网格， 部分为金字塔网格。 2 7 计算结果的后处理 2 7 1 速度场处理 为科学地确定不同防风网布置方案的降尘、抑尘效果，对计算所得的煤堆表 面的速度进行处理。利用用户自定义函数将煤堆表面第一个中心的速度读出，由 式( 1 2 ) 计算出煤堆表面不同点的摩擦风速。 2 7 2 起尘公式 参考美国环境保护局推荐煤堆场起尘模式建立料堆扬尘排放源强模拟模式， 详见式( 1 0 ) 。 i l q 科堆2 善l i - i 货种w d f o j l ( 1 0 ) 1 1 l 【) j = 5 8 一“d f ：) 2 + 2 5 ( u ；一”q ：) ，( “：岛：时矗，= o ) ( 1 1 ) “：= 。么( 如) 式中，q 辩堆：单位堆垛面积的料堆扬尘年排放源强，g m 2 年； 1 9 第二章模型和数值模拟过程 曰货种：由货种特性决定的起尘量调节系数，无量纲： k d , ：起尘因子，无量纲； w h ：物料重量分数，无量纲； 吃；风蚀潜势，鲈1 1 2 ，计算公式如式( 1 1 ) ； ，；摩擦风速，m s ，计算公式如式( 1 2 ) ； ，：阈值摩擦风速( 即起尘临界摩擦风速，低于此值时认为不起尘) ，m s ； 加：观测高度为z 的风速，m s ； ：分别为风速检测高度和地面粗糙度( o 3 ) ，m ； r ：沃卡门常数，无量纲，取0 4 。 2 7 3 数据处理 为使用起尘公式，将煤堆表面的摩擦风速分成1 7 个区间，小于等于0 4 3 为 一个区间，大于1 9 3 为一个区间，从o 4 3 到1 9 3 ，每隔0 1 作为一个区间，将 这1 7 个区间所占的面积统计出，根据公式( 1 3 ) 计算出各个风向的排放源强系 数。 1 6 q = 巳j 4 j = l 此处o 4 3 为起尘速度3 7 7 m s 所对应的摩擦风速，m s ，在式( 1 1 ) 被称为t ： 阙值摩擦风速( 即起尘临界摩擦风速，低于此值时被认为不起尘) ，r n s ；4 为 从0 4 3 到1 9 3 ，每隔0 1 作为一个区间上的面积。 e ：纽 起尘率：q 无一( 1 4 ) 抑尘率： r 2 1 - e ( 1 5 ) 通过抑尘率来比选防风网的平面布置方案和高度布置方案 2 0 第二章模型和数值模拟过程 第三章数值模拟计算结果 数值模拟计算结果是将煤堆表面的摩擦风速分成1 7 个区间，小于等于o 4 3 为一个区间，大于1 9 3 为一个区间，从o 4 3 到1 9 3 ，每隔0 1 作为一个区间， 将这1 7 个区间所占的面积统计出，根据公式计算出各个风向的排放源强系数。 详见表3 1 3 1 9 所示。 图3 1 3 5 为计算方案1 ，n 风向数值模拟计算流场图。其他计算方案 的流场图本报告中不再列出。 图3 1速度流场图( 全局) 第二章模型和数值模拟过程 图3 2速度流场图( 局部1 ) 图3 - 3速度流场图( 局部2 ) 第二章模型和数值模拟过程 图3 4截面y - - - 6 7 0 时的速度流场图( 全局) 图3 - 5截面y - - 6 7 0 时的速度流场图( 局部2 ) 第四章防风网方案优化比选 第四章防风网方案优化比选 4 1 防风网布置方案投资估算 各方案投资额按照秦皇岛港煤三、四期防风网建设可行性研究报告中相 关参数进行估算，详见表4 一l ，估算投资总额仅作为方案比选的参考依据；本 次可行性研究的最终投资额将在第六阶段中进行详细估算。 表4 1各方案投资额估算表 序号 平面布置方案网高方案估算投资总额( 万元) 防风网网高：2 0 米 1 1 2 , 2 6 1 承接网网高：l o 米 防风网网高：2 3 米 2平面布置方案一 1 5 ，9 2 0 承接网网高：1 2 米 防风网网高：2 5 米 3 1 9 ，4 4 6 承接网网高：1 3 米 防风网网高：2 3 米 4 平面布置方案二1 3 ，0 2 4 承接网网高：1 2 米 防风网网高：2 3 米 5平面布置方案三 1 l ，0 9 7 ， 承接网网高：1 2 米 6承接网网高：1 2 米 1 , 9 4 2 平面布置方案四 7承接网网高：1 8 米 3 , 2 7 7 防风网网高：2 0 米 8 1 4 ，4 7 0 承接网网高：1 0 米 防风网网高：2 3 米 9平面布置方案五 1 8 ，8 1 4 承接网网高：1 2 米 防风网网高：2 5 米 1 0 2 2 ，9 5 5 承接网网高：1 3 米 防风网网高：2 3 米 1 l平面布置方案六 1 8 ，6 7 3 承接网网高：1 2 米 第四章防风网方案优化比选 4 2 防风网平面布置方案优化比选 防风网平面布置方案比选主要将具有相似布网方式的5 个组合( 见表4 - 2 ) 从设网区别、抑尘率及投资总额等方面进行比较分析，提出最佳平面布置方案。 表4 2 防风网平面布置方案比选组合表 比选组合 比选方案 1平面布置方案一平面布置方案二 2平面布置方案二平面布置方案三 3平面布置方案一平面布置方案五 4 平面布置方案二平面布置方案六 5 平面布置方案五平面布置方案六 4 2 1 平面布置方案一与平面布置方案二比选分析 比选参数 比选参数平面布置方案平面布置方案二 防风网平面布置堆场北侧与堆场西侧布置防堆场北侧与堆场西侧布置承 接网 区别说明风网 防风网高度设置防风网网高：2 3 米：承接网网高：1 2 米 抑尘率 4 6 8 3 7 6 比选分析 从结果分析看，防风网的防风效果优于承接网，平面布置方案一的抑尘率比 平面布置方案二大9 2 ，平面布置方案一优于平面布置方案二。 比选结论 平面布置方案一优于平面布置方案二。 第四章防风网方案优化比选 4 2 2 平面布置方案二与平面布置方案三比选分析 比选参数 比选参数平面布置方案二平面布置方案三 防风网平面布置煤三、四期及矿石堆场西侧布煤三、四期及矿石堆场西侧没 区别说明置承接网有布置防风网 防风网高度设置防风网网高：2 3 米；承接网网高：1 2 米 抑尘率 3 7 6 3 5 o 比选分析 从结果分析看，煤三、四期及矿石堆场西侧的建筑物对堆场风场的影响相对 较小，对于堆场不具有很好的掩护作用。平面布置方案二的抑尘率比平面布置方 案三大2 6 ，平面布置方案二优于平面布置方案三。 比选结论 平面布置方案二优于平面布置方案三。 4 2 3 平面布置方案一与平面布置方案五比选分析 比选参数 比选参数平面布置方案一平面布置方案五 防风网平面布置 在方案一的基础上增加一道 整体堆场四周布置防风网煤四扩容与矿石堆场之间的 区别说明 东西向防风网 防风网高度设置 防风网网高：2 3 米；承接网网高：1 2 米 抑尘率 4 3 2 4 4 8 比选分析 在数值模拟计算结果分析看平面布置方案五是抑尘率最大的平面布置方案， 第四章防风网方案优化比选 但与平面布置方案一比较抑尘效果增加不大，仅增加1 6 。仅从抑尘效果上看， 平面平面布置方案五优于平面布置方案一。但根据国内外相关报道，在堆场南侧、 北侧防风网需掩护较大距离时( 5 0 倍网高) ，在中间设置一道防风网应有较好 的防风效果，因此建议对平面布置方案一和平面布置方案五进行物理模型验证。 另外从设网条件看，平面布置方案一各段防风网均具备设网条件，平面布置 方案五需要利用煤四扩容和矿石堆场之间的通道，影响矿石堆场的取料机作业 设网条件基础调查及防风网总平面布置初步方案。 比选结论 平面布置方案一优于平面布置方案五。 4 2 4 平面布置方案二与平面布置方案六比选分析 比选参数 比选参数平面布置方案二平面布置方案六 堆场东侧、南侧及煤五西侧布在方案二的基础上增加煤四 防风网平面布置置防风网，堆场北侧及煤三、扩容与矿石堆场之间及煤五 区别说明四期及矿石堆场西侧布置承堆场中间的东西向两道防风 接网 网 防风网高度设置防风网网高：2 3 米；承接网网高：1 2 米 抑尘率 3 7 6 4 0 8 比选分析 数值模拟计算结果分析看，平面布置方案六增加两道防风网，其抑尘效果有 所提高，但与平面布置方案二比较抑尘效果增加不大，仅增大3 2 。仅从抑尘 效果上看，平面布置方案六优于平面布置方案二。 另外从设网条件看，平面布置方案二各段防风网均具备设网条件，平面布置 方案六需要利用煤四扩容和矿石堆场之间的通道，影响矿石堆场的取料机作业； 同时需要占用煤五堆场的第三条堆场，影响煤五期堆场的堆存量设网条件基础 调查及防风网总平面布置初步方案。 第四章防风嘲方案优化比选 比选结论 平面布置方案二优于平面布置方案六。 4 2 5 平面布置方案五与平面布置方案六比选分析 比选参数 比选参数 平面布置方案五平面布置方案六 堆场四周布置防风网，煤四 堆场北侧及煤三、四及矿石堆 防风网平面布置 场西侧布置承接网，另外增加 扩容与矿石堆场之间布置一 区别说明煤五堆场中间的东西向的一 道东西向防风网 道防风网 防风网高度设置防风网网高：2 3 米；承接网网高：1 2 米 抑尘率 4 4 8 4 0 8 比选分析 数值模拟计算结果分析看，平面布置方案六相对平面布置方案五增加一道防 风网，其抑尘效果反而减小，主要因为在数值模拟计算中，由于承接网的降尘效 果无法模拟。仅从抑尘效果上看，平面布置方案五优于平面布置方案六。 另外从设网条件看，平面布置方案五和平面布置方案六均存在部分防风网不 具备设网条件的情况设网条件基础调查及防风网总平面布置初步方案。 比选结论 平面布置方案五优于平面布置方案六。 综合以上比选分析，秦皇岛港煤三、四、五期及矿石堆场防风网平面布置方 案一为最佳平面布置方案。 4 3 防风网高度设置方案优化比选 防风网高度设置方案比选主要将同一平面布置方