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强风流过散堆料场的流场模拟与抑尘研究 摘要 设置防风网控制散堆物料的扬尘污染得到了学者们的重视，但常规防风网 存在庇护范围有限等缺点。本文采用导流、整流措施，设计了一种新型防风网 一导流板型防风网，并利用c f d 软件对其结构形式进行了优化设计。流场模拟 和风洞实验表明：导流板型防风网能够有效扩大防风网的庇护范围，提高防风 网的挡风抑尘效果。本文所作主要研究工作如下： ( 1 ) 分析常规防风网前后流场的气固相流动情况，针对其不足提出采取导流、 整流措施来设计开发导流板型防风网。 ( 2 ) 针对不同改进方案建立流场模拟的几何模型，对网格质量与计算结果 精度问的关系进行研究，结果显示：网格质量直接影响计算精度，网格最大扭 曲度控制在0 8 5 之内，最好小于0 8 ，长径比小于1 0 时，模拟计算结果具有较 理想的精度。 ( 3 ) 利用f l u e n t 6 2 对不同改进方案下的气相流场进行了模拟，比较分析不同 来流风速、不同结构形式下，防风网后风速变化、物料堆表面的速度、压力分布 和湍动能变化，结果表明：圆形开孔网挡风效果最好；导流板角度旺、b 和 r 分别 为8 0 0 、7 0 0 和6 0 0 分布的渐进式导流板型防风网具有最好的抑尘作用，与常规 防风网相比，网后渗流风速减小4 0 左右，物料堆顶部附近风速减d q l ，压力 波动最大减小达6 0 。 ( 4 ) 在气相流场模拟的基础上，用相问耦合的随机轨道模型预测了不同粒径 颗粒的运动轨迹。通过对不同粒径、不同风速、不同位置物料颗粒轨迹的模拟揭 示了防风网挡风抑尘的机理，网后料堆迎风面5 0 i t m 、1 0 0 1 m a 颗粒的起尘率表明： 与常规防风网比较，颗粒起尘率分别降低了2 7 8 5 和4 2 5 9 ，导流板型防风网抑 尘效果显著提高。 ( 5 ) 利用环境风洞实验设备，对不同来流风条件下防风网后的流场进行研 究，并与模拟结果进行对比和讨论，模拟结果与风洞实验数据拟合较好。 新型防风网将导流、整流概念和c f d 先进的流场模拟方法引入到对防风网 的开发中，以上结论可以看出，作者提出的导流、整流方式将对防风网技术的 开发产生深远的影响。 关键词：防风网数值模拟导流板挡风抑尘标准k - 模型 s i m u l a t l 0 na n dr e s e a r c ho fw i n d b r e a k s h e m re f f e c to nn 虹e r i a lp i l e s u n d e ri n t e n s ew i n d a b s t r a c t u pt od a t e ，t h ec o n s t r u c t i o no fw i n d b r e a kt oc o n t r o l d u s te m i s s i o nf r o m m a t e r i a l p i l e si n a l lo p e ns t o r a g ey a r dh a sb e e nv a l u e db ye x p e r t s a sc u r r e n t w i n d b r e a ke x i s t i n gt e c h n i c a lb a r r i e r , l i k es h e l t e re f f e c tn o to b v i o u s ，an e wf o r mo f w i n d b r e a kb a s e do nd e f l e c t o rm e a s u r e sw a sd e s i g n e d s i m u l a t e db yc f ds o f t w a r e a n dt e s t e db yw i n dt u n n e l ，w i n d b r e a kw i t hd e f t e c t o rw a sp r o v e dt oe x t e n ds h e l t e r e f f e c ta n dr e s t r a i nw i n d b l o w nd u s te m i s s i o n t h ed e t a i l e dw o r ka n dr e s u l t si n c l u d e ： ( 1 ) e l e m e n t a r yg e o m e t r i cm o d e l o fw i n d b r e a kw a sd e v e l o p e db a s e do nr e s e a r c h o fg a s - s o l i d m u l t i p h a s et h e o r y f l o w c h a r a c t e r i s t i c sb e h i n dw i n d b r e a kw e r e s i m u l a t e da n da n a l y z e db yc f ds o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ， s t r u c t u r ep a r a m e t e r so fw i n d b r e a kw i t hd e f l e c t o rw e r eo p t i m i z e d ，a n dg e o m e t r i c m o d e lr e q u i r e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r eo b t a i n e d ( 2 ) r e l a t i o n s h i pb e t w e e nq u a l i t yo fc o m p u t a t i o n a lg r i da n dc o m p u t a t i o n a lr e s u l t s w a ss t u d i e da n dc o m p a r e db a s e do nv a r i o u sg e o m e t r i cm o d e l s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t c o m p u t a t i o n a lr e s u l t sf o u n dt ob e s t a b l ei nt e r m so fn u m e r i c a lc o n v e r g e n c ew i t h e q u i s i z es k e wa n da s p e c tr a t i oo f m o d e l su n d e r0 8 5a n d1 0 ，r e s p e c t i v e l y ( 3 ) w i t hv a r y i n go n c o m i n gf l o wa n ds t r u c t u r eo fn e ww i n d b r e a k , n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sb e h i n dw i n d b r e a ld i s t r i b u t i o n so f v e l o c i t y , p r e s s u r ea n dt u r b u l e n t c h a r a c t e r so nt h es u r f a c eo fp i l e sh a v e b e e n i n v e s t i g a t e db ya d o p t i n gt h el a r g ec o m m o nh y d r o m e c h a n i c s c a l c u l a t i o ns o f t w a r e ( f l u e n t 6 2 ) ，t h ea u t h o rf o u n ds e v e r a lc o n c l u s i o n s f i r s to fa l l ，w i n d b r e a kw i t h c i r c u l a rh o l eh o l d st h eb e s ts h e l t e r - e f f e c t s e c o n d l y , c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n g w i n d b r e a k , d e f l e c t o ra n g l eo f8 0o ，7 0oa n d6 0oo fp o r o u sf e n c ec a l lr e d u c e5 0 p e r c e n to fv e l o c i t yb e h i n dt h ef e n c e ，d e c r e a s ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ef l u c t u a t i o na r o u n d t h et o po fp i l e s1 1p e r c e n ta n d6 0p e r c e n t ，r e s p e c t i v e l y m ( 4 ) b a s e do nf l o wc h a r a c t e r i s t i c ss i m u l a t i o n ，m o v i n gb e h a v i o ro fp a r t i c l e so nt h e w i n d w a r ds i d eo fp i l e sb e h i n dp o r o u sf e n c ew a ss i m u l a t e dw i t hd i s c r e t ep h a s em o d e l ， w h i c hp r e d i c t e dt r a c k so fp a r t i c l e so fd i f f e r e n ts i z e s ，p o s i t i o na n do n c o m i n gf l o w f i n a l l y ，c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gw i n d b r e a k , d u s te m i s s i o nr a t i oo fp a r t i c l e so f 5 0 p ma n d10 0 “mr e d u c e d2 7 8 5 a n d4 2 5 9 ，r e s p e c t i v e l y s h e l t e re f f e c to fn e w p o r o u sf e n c ee v i d e n t l yi m p r o v e d ( 5 ) t h ev a l i d i t yo ft h en u m e r i c a lm e t h o dd e v e l o p e di nt h ep r e s e n tw o r kh a sb e e n e v a l u a t e db yc o m p a r i n gt h en u m e r i c a lr e s u l t sw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t aw h i c hh a d c a r r yo u ta tw i n dt u n n e ls e c t i o n a sar e s u l t ，t h en u m e r i c a lp r e d i c t i o n ss h o wg o o d a g r e e m e n t sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s h lt h i s p a p e r ，d e f l e c t o rm e a s u r e sa n dc f dm e t h o d sw e r ei n t r o d u c e di n t ot h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp o r o u sf e n c e ，t h ea b o v ec o n c l u s i o n si n d i c a t e dt h a t d e f l e c t o rm e a s u r ew i l lm a k eap r o f o u n di m p a c to nt h ed e v e l o p m e n to fw i n d b r e a k k e yw o r d s ：w i n d b r e a k ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d e f l e c t o r , s h e l t e re f f e c t ， s t a n d a r dk - em o d e l i v 强风流过散堆料场的流场模拟与抑尘研究 符号说明 英文字母 曳力系数 气液阻力系数 压力系数 减风系数 水力直径，m 颗粒直径，m 流体变形速率张量 源项 流体作用在第j 个颗粒上的作用力，n 防风网高度，m 高度，m 湍动能，m 2 s 。2 压力，p a 参考压力，p a 煤尘起尘量，k g 孔径雷诺数，无因次 临界孔径雷诺数，无因次 源项，k g m 1 s 3 时间，s 入口气体速度，m s 1 i v o q g 仇 叱 r 弓 日 k p 勘 q 耻 m s t u 青岛科技人学硕十研究生学位论文 u ( x ，z ) 风速，m s - 1 风速差，m s 1 来流风速，m s 。1 流体相速度，m s 1 颗粒速度，m s 。1 湍动能耗散率 颗粒起尘率 粘性系数，p a s 湍动粘度，p a s 运动粘度，m 2 s - 1 流体密度，k g m 3 空气密度，k g i n 3 颗粒骨架密度，k g m 3 广义扩散系数 通量符号 v ) 母 距 韵 似 扰 褙 g 玎 以 u p 以 如 r 矽 强风流过散堆料场的流场模拟与抑尘研究 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人己用于其他学 位申请的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：一= 篷腥乡 日期：2 0 。9 年4 月1 7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍 然为青岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密 凶 在年解密后适用于本声明。 不保密 一 本人签名： 导师签名： ( 请在以上方框内打“”) 日期：2 0 0 9 年4 月1 7 日 日期：2 0 0 9 年4 月1 7 日 青岛科技人学硕+ 研究生学位论文 _ l - 月i j吾 长期以来露天料场的扬尘倍受关注，其抑尘的方法有多种，比较实用、可 行的技术方案有喷洒水、喷洒抑尘剂、人造雪覆盖、种植绿化带、设置防风网 等。防风网作为一种相对较成熟、抑尘效率较高的挡风抑尘技术，已在许多大 型港口和散堆料场得以应用。 防风网一方面减少了来流风速，同时消耗来流风的动能；另一方面将具有 复杂流动状态的来流风，通过防风网的疏流作用，显著减小其湍流强度，降低 物料堆表面的剪切应力和压力，从而实现挡风抑尘。它具有结构简单、一次投 资、长期收益、维护管理费用低、经济和使用方便等优点。 我国关于防风网技术的研究开始于2 0 世纪5 0 年代，近年来，防风网挡风 抑尘技术发展很快。但目前防风网技术未能在我国大型港口和散堆料场得到广 泛应用，主要存在防风网庇护范围有限，经济上造价较高两方面的原因。因此， 技术上亟待研究开发新型防风网技术，增大庇护范围，提高其挡风抑尘效果。 本文在前人研究和工作的基础上，采取导流、整流措施，对常规防风网结 构形式进行改进，并通过环境风洞实验及气固相流场的模拟，详细分析了新型 防风网的挡风抑尘性能，在设计出新型防风网的同时为防风网以后的设计和改 进提供新思路和新方法。 强风流过敖堆料场的流场模拟与抑尘研究 1 、文献综述 我国2 0 0 0 年大气环境污染年鉴指出【l l ：目前大气污染中最主要的污染物为 颗粒污染物( 即总悬浮颗粒物t s p 和可吸入颗粒物p m l o ( 直径小于1 0 i t m 的颗 粒) ) 。在统计的3 3 8 个城市中有2 0 2 个城市的t s p 浓度年均值超过国家二级 标准( o 2 0 m g m 3 ) ，占统计城市的6 0 。其中9 7 个被测试城市的年均t s p 对城 市空气的综合污染指数( 根据二类污染物：总悬浮颗粒物、二氧化硫和氮氧化物计 算所得1 的年均贡献率超过4 6 。对于颗粒物污染而言，由于其成分复杂，来源 众多，加之近年来生态环境的不断恶化，已成为导致我国多数城市空气污染的 首要因素【。 粉尘污染既严重影响着人们呼吸系统的健康，又危害到人类的生存环境， 且在对大气环境造成污染的同时，造成不必要的物料损失；粉尘污染中大量存 在的p m 。o 颗粒可以吸附空气中的各种有害气体和其他污染物，成为污染物的载 体，给人们的健康造成巨大危害1 2 】。因此，对于粉尘污染必须予以防治。 1 1 粉尘防治的主要技术 3 】 目前，国内外用于粉尘防治的措施可归纳为湿法、干法、干湿结合和其他 机械物理方法等四种形式：主要采用设置各类防风网，降低作业区的风速；洒 水增湿，增加粉尘颗粒之间的粘滞性和颗粒重量；起尘部位密封、半密封来消 除或缓解外界起尘因素等。各类粉尘防治技术，可分为抑尘和除尘两大类。国 内外对于粉尘的污染，基本上都倾向于“以防为主，以除为辅”，力求从根本上 抑制尘源的产生和扩散。 1 1 1 喷洒水 喷洒水抑尘方法是通过增加煤表面含水率来抑制起尘，是湿法除尘中最为 经济的一种防尘手段，具有除尘效率高，操作简单，适用面广等特点。该技术 较适合远离居民区的码头，可以有效地抑制对呼吸道有较大危害的微细粒径粉 尘扩散。 喷洒水技术存在以下缺点：喷洒水受到环境温度、水资源丰富程度等自然 条件的限制，特别是在我国北方地区，其推广应用存在较大难度；码头喷水系 统平均覆盖率无法达到1 0 0 ，煤堆表面含水率与喷水系统布置、设备运行能力 有关；喷洒水除尘还存在二次污染问题，煤污水需经过处理才能排放或循环使 2 青岛科技大学硕 研究生学位论文 用；细喷雾枪产生随风飘移的细雾，在风速较大时能扩散到较远距离，对周围 环境有一定影响。 1 1 2 人造雪覆盖 人工抑制煤尘最常用的办法是洒水。但由于高压喷枪喷出的水呈柱状分 布，很不均匀，水会顺着煤垛下渗，每到冬季，水便会与底层煤块凝结在一起。 装卸取料时，这些结了冰的煤块经常把传送带的进料口堵塞，在滚筒漏斗附近 造成货料溢出。只有把冰凿开才能继续作业，不但大大增加了劳动强度，而且 对设备的损害极大。采用人造雪覆盖技术可以有效地解决此类问题。 造雪机主要由喷嘴、雪核核子器、压缩机、风扇马达、水分配集合管、自动 摆头装置、手动俯仰装置及电气控制等部件构成。它的工作原理为：压缩机将产 生的高压空气送到核子器喷嘴，接着风扇马达把水吹成微小水雾抛射到空中，均 匀散开。随后，核子器在空气与水雾达到一定的比例时产生雪核，雪核在空中遇 冷形成雪花。雪花在飘落的过程中吸附空气中的扬尘，从而达到净化空气的效果。 人造雪含水量大、湿度高，不但抑制了扬尘，而且取料时只要轻轻一动，煤垛上 的冰雪就会脱落，不会出现渗漏、凝固的现象。 但人造雪覆盖技术受环境温度制约，只有在特定区域、冬季里的特定时间下 具有推广价值。 1 1 3 密闭抑尘系统 密闭抑尘是把生产过程中产生并向外散发粉尘的设备，局部或全部罩起 来，使粉尘局限在一定的空间内，以尽量防止和减少粉尘外逸、扩散。产尘设 备密闭后，通过除尘设备从密闭罩内抽出一定的空气，使罩内保持一定的负压， 让罩外的空气经罩上不严密处流入罩内，防止粉尘逸出罩外。除尘设备的密闭， 是保证除尘达到良好效果的前提。如果不设密闭罩或密闭罩不严密，就很难达 到预定的除尘效果，而且还增加了除尘系统的投资和运转费用。需要密闭抑尘 的部位包括堆料机和装船机的皮带机、翻车机受料斗下部、物料进口、各皮带 机转接处及导料槽等。 密闭抑尘系统主要应用于运行设备的抑尘，无法在大型料场或其它起尘区 域加以推广应用，其应用范围具有很大的局限性。 1 1 4 绿化带 在港区周围设置防尘绿化带，以改变污染源周围气流分布、降低污染源处 3 强风流过散堆料场的流场模拟0 抑尘研究 的风速。绿化的树种宜选择速生高大、在本地区成活率高的乔木。在绿化布置 及树种选择上，尽量与环境保护和城市发展规划相结合，保持与周围环境的协 调。港区内绿化，应在不影响工艺布置和生产管理情况下，尽量提高绿化系数。 设置绿化带的防尘效果好，兼具改善区域性气候、稳定土壤脱盐效果等生态功 能。其缺点是占地面积大，受土质等的综合影响较大。 1 1 5 聚酯覆盖膜 大型煤堆场可采用聚酯覆盖膜防风，为了安全、防尘及美观，一般选用聚 乙烯精工织造而成的聚乙烯密目覆盖网。聚酯覆盖膜成本较高，操作复杂，适 用于小面积且堆存时间较长的煤堆，不适宜应用于短期贮煤。 1 1 6 抑尘剂 抑尘剂是一种外硬壳形成剂，属于非离子洗涤剂。它可以降低水的表面张 力，减少粉尘粒子聚合所需的水量，从而改善水对粉尘的湿润作用。喷水时添 加一定量的湿润剂，可以固定表面，增强抑尘效果。 使用抑尘剂时，用淡水稀释至需要浓度，然后立即喷洒于物料堆表面。在 水分蒸发后，抑尘剂可形成一层防水不溶解的薄膜。干燥外皮不受雾气影响并 可长时问抵御雨淋，从而起到良好的防尘效果。 抑尘剂虽效果显著，但价格昂贵，其混合液的喷洒须用专门的设备，常需 在高压和天气晴朗时喷洒。 1 1 7 防风网 防风网是一种疏透多孔的障碍物，在其背风面形成一个低风速区，从而阻 止煤粉尘的运动，可以减少煤堆向空气中排放尘埃的数量【1 1 】。国外对它的研究 始于1 9 4 0 年前后，在一些技术发达国家，如日本、美国等，防风网抑尘技术应 用广泛。美国环保总局在综合防风网研究的基础上，确立了防风网的系列设计 准则。日本以洒水抑尘和设置防风网相结合的方式来实施对露天煤堆的抑尘f 5 6 1 。 我国开展防风网抑尘技术研究较晚，国内这方面的研究始于2 0 世纪5 0 年代， 但大多数都停留在风洞实验和现场观测的水平上，实测数据杂而分散，对风障 防护机理的研究不足，故实验结果的针对性较强，不具备普遍的适用性，阻碍 了该项技术在国内的推广使用1 2 1 。近年来，一些大型煤炭港1 2 1 ，如上海港、秦 皇岛港、黄骅港等，相继开展了防风网防尘工程研究，对防风网防尘机理、防 风网主要结构、特征、开孔率及材质等进行了一系列实验，积累了一定的经验， 4 青岛科技人学硕十研究生学位论文 为防风抑尘工程的推广应用打下了基础。 防风网结构的研究，主要包括防风网的形状、层数、开孔率与防尘效果的 关系。防风网在露天煤堆场的使用，一般要解决设网方式，设网高度，设网宽 度和防风网与堆垛的距离等主要问题【3 8 l 。 防风网工程可以大面积减小风速，可用于大型散堆料场的挡风抑尘，其防尘 效果已得到公认，监测表明，防风网的防尘效果可达5 0 7 0 ，最高可达9 0 t 2 9 1 ， 对于中国北方港口的冬季防尘问题具有一定的针对性。对于水源紧张、冰冻期长 且盐碱化程度高的北方港口，要重视发展防风网技术和工程，结合喷洒水技术和 防风林带的建造，优化组合港口的防除尘措施。 表1 - 1 抑尘方法的比较【4 】 t a b l e l 1c o n t r a s to ft h es h e l t e re f f e c t 1 2 防风网的防尘机理 防风网又称防风栅、防风障，是一种疏透( 多孔) 的障碍物，可在其背风面 形成一个低风速区，从而阻止砂粒、雪粒和尘埃的运动，最初是人类设障抵御 风沙侵袭的有效手段，现多用于抑制煤堆、灰堆和沙堆向空气中排放尘埃【l l j 。 工程上的防风网是指减小风强技术的工程装置，主要由具有一定开孔率的金属 网板或编制、粘接、挤压成型的非金属网片、钢支撑结构、地下混凝土基础和 相应的辅助喷水装置、白控仪表系统组成。可用于抑制大型散堆料场的扬尘， 5 强风流过散堆料场的流场模拟与抑! l ! 研究 例如用于抑制煤堆、灰堆的扬尘。防风网的防尘效果已得到公认。相关监测表 明，防风网的防尘效果可达5 0 。7 0 ，最高可达9 0 t 2 9 1 。防风网具有结构简 单、一次投资、长期收益、维护管理费用低、经济和使用方便等优点，已在许 多大型港口得以应用。 1 2 1 散堆料场的二次扬尘 料堆起尘分为两大类：一种是料堆场表面的静态起尘，主要与物料表面含 水率、风速等密切相关；另一种是在堆取料等过程中的动态起尘，主要与作业 落差、装卸强度等有关。在煤炭、矿石等散料货物的装卸、运输、堆放等过程 中会产生的大量风尘，称为二次扬尘【2 】。风是产生扬尘的动力，一般认为在风 力作用下，颗粒具有三种运动状态：悬浮( s u s p e n s i o n ) 、跃动( s a l t a t i o n l 和螺动 ( s u r f a c ec r e e p ) 1 9 l 。悬浮是指微小粒子被湍流携带随风运动，通常，粒径小于 1 0 0 r t m 的颗粒在风力作用下会悬浮。悬浮的颗粒由于受到垂直方向上速度波动 的影响，不会直接返回地面，对大气环境最具危害性。跃动是风蚀作用的主要 运动形式，是指颗粒在风力作用下先是跃入空气中，再沿规则的轨道回落地面。 一般来说，粒径介于1 0 0 1 0 0 0 p , m 的颗粒在风力作用下会产生跃动。螺动是指 粉尘中的大颗粒沿地面滚动，螺动的平均粒径要大于1 0 0 0 “m 。 一般认为煤堆场起尘的原因是：当外界风速达到一定强度，风力使煤堆表 面颗粒产生向上迁移的动力，当此力大于颗粒自身重力和颗粒之间的摩擦力， 以及其它阻碍颗粒迁移的外力之和时，颗粒就离开堆跺表面而扬尘，此时的风 速称为临界风速【2 1 】。 1 2 2 起尘量与风速关系的数学描述 通过对露天堆煤场煤尘扩散规律的研究发现，煤堆起尘与风速关系如下【5 6 】： a a ( v 一) ”( 1 1 ) 式中q _ j 煤尘起尘量； v 风速( m s 1 ) ； 起尘风速( m s 1 ) ； a 一相关系数； n 指数( 大于1 5 ) 。 由上式可见，只有当外界风速大于起尘风速时，堆场才起尘。煤堆起尘量 6 青岛科技人学硕十研究生学位论文 q 和堆场实际风速与起尘风速之差( v 一) 的高次方成工f 比。要使煤尘起尘最q 变小，主要的办法是降低( ，一) 的值。通过煤场喷淋加湿手段将k 变大， 而 设置挡j x l 抑尘墙的目的则是将v 值变小，二者均能达到抑尘目的。 1 2 3 防风网挡风抑尘原理 防风网的防风抑尘机理可根据设置防风网前后，堆场周围风的流体动力学 特性变化进行说明。不设置防风网时，来流风沿堆的迎风面加速向上流动，在 堆顶端产生边界层分离；并在堆的背风向形成流体的空洞，因而在逆压梯度的 作用下，在堆的背风向形成一个比较大的旋涡，如图1 1 所示。 设置传统的平面型防风网后，来流风的一部分沿着防风网的壁面向上流动 称为绕流，并在防风网顶部产生分离，从而在尾流区内的防风网高度之上的区 域形成湍流剪切层；还有一部分来流风穿过防风网上的开孔，消耗能量后，继 续向下游流动，称为渗流( 图1 2 ) 。 x h 图1 1 无防风网时，堆场周围的流体动力学特性 f i gl lh y d r o d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i ca r o u n dm a t e r i a lp i l e sw i t h o u tw i n d b r e a k 7 强风流过散堆料场的流场模拟j 抑尘研究 x h 图1 - 2 设防风网后，堆场周围的流体动力学特性 f i gl - 2h y d r o d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i ca r o u n dm a t e r i a lp i l e sw i t hw i n d b r e a k 应指出，当风通过挡风抑尘墙时，不能采取堵的办法将风引向上方，而应 让一部分气流透过挡风抑尘墙进入墙内的庇护区，另一部分气流向上绕过挡风 抑尘墙进入墙内的庇护区，这样做可以使风的动能损失最大，相对减小煤堆起 尘量，即应最大限度地消耗风动能以达到减少煤堆起尘的目的1 5 8 】；同时，由于 来流风在防风网的顶端产生分离，从而在尾流区的防风网的高度以上形成了湍 流剪切层，剪切层内的速度波动比没有防风网时要强。所以堆的设计高度一定 要低于防风网的高度，以避免料堆处于该剪切层内。 1 3 防风网的国内外研究概况 设置防风网以达到控制局域风流动的技术是一项多学科相互交叉的新型技 术。国外对它的研究始于1 9 4 0 年i j 后，1 9 4 5 年，b a t e s i l l 】发表了评价北美自然 防护带屏蔽效应的研究数据。1 9 5 3 年，n a e g e l i l l l 】提供了在瑞士植物防护带下游 通过实验测得的风速减小的数据。这些数据是目| j 许多关于防风网功能的基础。 最早使用风洞实验来研究防风网结构的是n o k k e n t b v e d 和j e n s e n 1 l 】。风洞实验 是研究防风网空气动力学非常有价值的工具，它可以从影响防风网屏蔽效应的 多种因素中分离出单个因素。由于人造防风网采用规则形状开孔，其开孔率比 自然防风网容易确定，大多数风洞实验是针对人工制造的防风网进行研究【i l 】。 近三十多年来，日本、美国、韩国、英国、中国等国均开展了防风网挡风 抑尘技术的研究j 在防风网防尘机理、防风结构与效果、防风网的设置等方面 取得了一系列具有指导意义的实验和工程应用成果。 由于缺乏相应的行业标准与规范，以及使用的具体环境和工况不一样，在 8 青岛科技大学硕十研究生学何论文 国内，防风网也被称为【4 1 l ：挡风抑尘墙、挡风抑尘网、防风抑尘网，也被简称 为挡风网、挡风墙、抑尘网、防尘网、抑尘墙。这些称呼中的“墙”字并不是传 统意义上的钢筋混凝土实心墙体，而是由具有一定几何形状、并且全区域刀：孔、 厚度较小的挡板所组成的具有一定高度的挡风屏障。在国际上，由于具体产品 技术细节上的差异，称呼上也不统一。常见的称呼有w i n d b r e a kw a l l ，w i n d b r e a k e r ，w i n df e n c e s ，p o r o u sw i n df e n c e s ，p o r o u sf e n c e s 等等，最为简洁的英文称 呼是w i n d b r e a k 。为简洁和避免混乱，本论文中统一使用防风网这一称呼，引用 文献时为忠实于原作者的称呼除外。 1 3 1 防风网技术的理论研究 1 9 7 1 年，v a ne i m e m 发表了防风网结构对风速降低和下游微环境影响的文 献综述【1 1 】。p l a t e 着重研究了防风网的空气动力特性【1 0 l ，h e i s l e 和d e w a l l e 探索 了防风网结构对气流的影响【1 1 】。这些都足早期关于防风网挡风功能的理论研究。 1 9 7 7 年，w i l s o n 等人对防风网的平均压力进行了细致研究，并将其用于评 价防风网的流动模型1 2 】。 1 9 8 3 年，b r a d y 和m u l h e a m 通过一系列的实验，对开孔率为o 5 的防风网 后尾流区内的速度和剪切力发展进行了研究【1 3 j 。b o l d e s 等通过人工控制生成一 束较稳定的圆柱形涡流并让涡流通过多孔介质平板，以此来观察和测量多孔介 质平板对涡流的影响【1 6 】。 1 9 9 2 年宣捷，霍焕等通过风洞实验，采用真实煤粉的煤堆模型模拟了大气 边界层湍流以及复杂地形对煤堆起尘量及降尘量分布的影响，认为低层大气的 高湍流对风力所造成的扰动是煤堆起尘的主要原因之一，另外，煤堆的几何形 状也对风压和摩擦力的分布有重要影l a j f 3 1 1 。 1 9 9 3 年宣捷，霍焕等给出了实验模拟大气边界层中起尘降尘问题时的一般 相似性准则【2 5 1 ，并再次通过风洞实验模拟了湍流和复杂地形条件下的煤堆起尘 问题，得出结论：因为植物对气流的垂直扰动有阻挡作用，煤堆周围和厂区内 多植树有助减少煤粉起尘，煤堆表面喷水也可以减少起尘【3 2 1 。 1 9 9 8 年宣捷对自己在起尘问题上的数年研究做了一个总结f 3 5 】，除前面提到 的一些结论外，同时提出，风障有宏观吸附效应，即有一定顺风向厚度的风障 除了有使背风侧平均风速减小的作用外，还使最终进入空气的灰尘减少。 此外，李悦红等对上海市闵行区的扬尘污染源现状和污染原因进行了分析， 指出该地区扬尘的主要来源为建筑工地，估算了扬尘的年排放总量，提出了一 些削减措施【3 6 1 。 9 强风流过散堆料场的流场模拟j 抑尘研究 胡晋明等在2 0 0 4 年给出了煤灰的起尘风速为3m s d 至6m s di u l 。北京大 学工学院的陈凯、朱风荣等则通过风洞试验验证防风网可以使来流风速显著降 低，最多可达8 0 0 0 1 。 2 0 0 3 年，北京大学林官吲删等在边界层风洞中模拟了防风网附近的湍流流 动，应用子波分析对防风网泄流的湍流信号进行了研究，发现与无防风网时相 比，湍涡的能量及发生的频率都有显著降低。验证了防风网具有降低风速和降 低湍涡发生频率的作用。天津大学的宗润宽及其课题组针对防风网的布网形式 和开孔形式进行了风洞试验研究，对防风网尾流区的平均速递和湍动能进行了 研究，提出了减风率的概念用来评价防风网的减风性能，其研究结果为防风网 选型提供了参考【2 1 。 还有值得关注的是辽宁工程技术大学的杨丹在她硕士毕业论文中系统的分 析研究了露天堆场粉尘起尘及运移扩散的规律，运用数值计算的方法，建立了 粉尘颗粒在不同性流体状态中的运动方程，并用数学方法理论计算了其运动轨 迹。理论上得出了不同粒径颗粒的启动风速范围和平均扩散距离及粉尘扩散的 运动方程。从而在理论上定性以及定量地分析了粉尘的运动特征及其在空间中 的分布，为测尘、防尘、降尘工作提供了必要的技术指导【。 1 3 2 防风网结构的研究 1 3 2 1 防风网的结构形式 防风网的结构型式一般包括直立式钢结构、棚架式结构和钢盘混凝土结构3 种。直立式钢结构施工方便，整体比较整齐、简洁，但需注意防腐，造价也较 昂贵。棚架式结构材料最省，造型轻巧，施工方便迅速，造价最低，富有美感， 比较可行，但占地面积较大，维修保养工作量大。钢盘混凝土结构施工方便， 天然防腐，立面整齐划一，永久性强，造价适中，不足之处是柱子体积大m 。 1 3 2 2 网材 网材包括金属网( 板) 、混凝土板材和合成网。随着合成网的开发和应用， 代替了金属网和混凝土板材，合成网有聚酯网和各种材料的编织网。合成网按 照耐酸、抗老化、高强度、适应温度、使用周期长和价格便宜、成型或加工安 装方便等要求进行选择。其使用环境的温度范围为4 0 至8 0 ，能满足大多数 实际工况【4 7 1 。现代煤堆场使用的防风网中具有代表性的是以美国为代表的涤纶 丝编织涂层网、以日本为代表的聚乙烯e v a 网1 2 1 。目前也出现了使用不锈钢材 质来作为挡风板的原材，例如2 0 0 6 年9 月太原钢铁集团公司投资建成的原料场 挡风墙高1 8 米，周长近3 0 0 0 米，即采用不锈钢墙体。挡风板与支架的连接方 1 0 青岛科技大学硕十研究生学位论文 式采用螺钉与压板固定，整体挡风墙的理论使用寿命在1 5 年至2 0 年【6 l 。 1 3 2 3 防风网的形状 日本的谷口孚幸等人通过风洞试验测定了不同形状防风网的抑尘效果，筛 选出具有较好抑尘效果的风障形状【5 】。结果表明：具有较好抑尘效果的风障形 状是下部为百叶窗式、上部为网状，以及具有4 0 开孔率的直立式防风网。百 叶窗式防风屏在其后近处防风效果好，而在离防风网较远处防风效果急速下降； 直立式防风网对近处的防风效果差些，而在远处较大的范围内的防风效果相对 较好。就应用而言，直立式防风网应用更为广泛。 随后谷口孚幸等人又通过对大型露天煤堆场煤尘飞散预测和控制的研究， 系统提出了露天贮存煤设备防止煤粉尘飞散的方法概要【2 9 1 。自此，日本通过一 系列系统的研究将挡风网用于港口露天煤堆场的防尘抑尘工程，并申请了有关 挡风网的专利。 此外，防风网的开孔形状多样，如圆形、四角形、六角形等，其开孔形状 与防风网抑尘效果的关系还需进一步深入研究。 1 3 2 4 开孔率 开孔率是防风网的结构指标，定义为防风网透风面积与总面积之比。风障 的开孔率是评价风障屏蔽效果的一个最重要参数【1 1 】。 1 9 7 7 年，r a i n 和s t e v e s o n 研究发现，低开孔率的风障能有效的减小总体平 均风速，大开孔率的风障能够提供更好的总体防护效应【1 2 1 。 1 9 8 1 年，p e r e r a 应用脉冲线式风速计，研究了风障开孔率和开孔形状对速 度损失和近尾流雷诺剪切应力的影响，通过对设置于模拟的大气边界层内防风 网的研究发现，当防风网的开孔率小于3 0 时，网后存在流体流动的回流泡【刚。 s u b h a s 等计算了不同开孔率情况下的流速轮廓线，发现当防风网的开孔率等于 6 0 时，与防风墙( 开孔率为0 ) 相比较，压力波动大约降低了5 0 。 上世纪九十年代至本世纪初，韩国浦项大学对影响防风网挡风抑尘效果的 因素进行了一系列持续细致的研究，取得了众多实验和实际成果，并依据这些 成果对原有防风网进行了成功地改进。 1 9 9 8 年s a n g j o o nl e e 和c h e 0 1 w o op a r k 通过实验研究了边界层流场流过 开孔平板后放置的三棱锥时，开孔平板和棱锥流场区域的压力、速度等参数， 并得出结论：平板开孔率为4 0 至5 0 时，棱锥表面的气流压力会被最大程度 的衰减f 1 4 1 。他们随后的进一步实验又表明，如果再在棱锥后方添置一块开孔平 板，棱锥表面的压力会比只有一块开孔平板时再减少一半【1 5 】。 1 9 9 9 年s a n g - j o o nl e e 还和h y o u n g b u mk i l n 利用p t v 设备对湍流尾流通 过多孔平板时的流态进行了测量，得到的结论是平板的开孔率越大时，平板后 1 1 强风流过故堆料场的流场模拟与抑尘研究 面流场的湍流强度和边界层中的剪切应力越小，剪切层中流线的曲率越小【1 6 1 。 2 0 0 0 年s a n g j o o nl e e 和c h e 0 1 w o op a r k 针对一个具体的海边露天储煤场 建立了与实物比例为1 ：8 0 0 的模型，根据当地的气象数据给定边界层来流条件， 通过长期的实验后得出结论：开孔率为4 0 的开孔平板具有最好的挡风遮蔽效 果，通过开孔板到达煤堆表面的气流压力和煤堆表面的剪切应力均比没有开孔 平板时下降了一半f 1 9 j 。 2 0 0 2 年s a n g j o o nl e e 和瞄c h u lp a r k ，c h e 0 1 w o op a r k 实验研究了开孔平 板对沙堆起尘的阻挡作用1 2 7 1 ，实验过程中，通过改变沙堆的高度以及板的开孔 率，对不同粒径的沙子进行了测试，提出了临界起尘风速的概念。在风速接近 临界风速时，沙粒开始震动，并有少量沙粒开始跳跃，风速达到和超过临界风 速后，沙堆背风面涡区的大量沙粒迅速地逃逸。在实验中还发现，当开孔平板 开孔率为3 0 时，临界起尘风速最大，即此时挡风效果最佳；开孔率超过3 0 时，临界起尘风速近似地与沙粒的粒径成正比。 我国防风网防尘技术的研究起步较晚，对其加工工艺、工程设计的专门研 究较少。我国于2 0 世纪8 0 年代未开展了防风网的系统研究，并通过工程实际 运行，使防风网的防尘性能逐步加以改进和完善。 1 9 9 7 年，宣捷等专门针对风障对起尘的影响进行风洞实划3 4 1 ，实验表明， 风障的屏蔽作用取决于风障的开孔率和孔径雷诺数。 程健敏对张家港码头应用挡风网技术进行了可行性分析【罗7 1 ，认为张家港码 头的堆场布置和设网的限制使得挡风网可能无法达到预期的效果，不推荐采用 挡风网，而应该加强喷湿抑尘。作者还在一篇关于挡风墙的综述【3 8 】中指出，挡 风网的最佳开孔率为o 4 至o 5 ，网高的理想高度为堆高的1 至1 5 倍，网和堆 理想距离为堆高的3 倍。但这些结论缺乏有力和明确的实验依据，只能当作经 验来参考。 贺建平、宋旗跃等在2 0 0 7 年通过风洞试验、p i v 测试与现场数据分析相结 合的方式，得出在小风条件下，防风网的平均抑尘率可达8 7 5 5 ；在大风条件 下，开启喷淋装置后，平均抑尘率可达8 9 7 7 【钙】。并通过动力学