（环境工程专业论文）露天堆场防风抑尘网孔隙率的数值模拟研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 匀孔隙率的数值模型，通过对每一平面均匀防尘网数值模型进行计算，得 到了各种不同非均匀孔隙率工况下的计算结果，进而与均匀孔隙率防尘网 做对比，通过分析得到了非均匀孔隙率防尘网的三维流场的变化规律。 本文首次以数值模拟的方法，研究了来流风流过均匀和非均匀孔隙率防 尘网和其后棱形堆障碍物的绕流流场，分析各种不同孔隙率设置下的绕流 场变化规律，为防尘网的使用提供了进一步的理论依据。 关键词：露天堆场，孔隙率，防风抑尘网，流场，三维 太原理工大学硕士研究生学位论文 sim ula tio no ff lo wa r o u n d0 p e ns t o r a g epiieb a s e do n dif f e r e n tp o r o sit yo fd u s tn e tm o d el a b s t r a c t d u s tp o l l u t i o no f o u t d o o ry a r di n 也ea i rp a r t i c l e sa t m o s p h e r i ce n v i r o i u l l e n t i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p 0 1 l u t i o ns o u r c e s ，u s 抽gd u s 印r o o fn e ti so n eo fm e e f f e c t i v em e a s u r e st op r e v e n td u s ti no p e ny a r d s ，d u s t p r o o fn e t sc h o i c ed e p e n d s o n 恤em a t e r i a lp r o p e n i e so f o u t d o o ry a r da n dt h em e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n so f h el o c a t i o n 7 1 1 h e s h e l t i l l ge f f e c t s o fd u s t p r o o fn e t sd e p e n d so na l lk i n d so f p h y s i c a lp a r 锄e t e r sa n ds e tm o d e ，t 1 1 e s ep h y s i c a lp a r a m e t e r si n c l u d i n g 出e h e i 曲ta n dw i d t h ，1 e n g t l l ，p o r o s i t y ，t 1 1 i c l ( 1 1 e s s ，o fw h i c ht h ec h o i c eo fp o r o s i t yi s t h ei n l p o r r t a n tf a c t o ro ff l o wf i e l dd i s t r i b u t i o na r e rd u s 肇r o o fn e t sa n dp l a y sa d e c i s i v er o l e a tp r e s e n t ，r e s e a r c ht od u s t p r o o fn e t sl i m i t a t i o n sa r e2da n dm o s t u n i f o mp o r o s 时f i e l do fs t u d y f o r3du n i f o r n lp o r o s 毋，也e r ei ss t i l ln o tt h e s y s t e mr e s e a r c h ，a n dt h es t u d y sc o n c l u s i o no fn o n u n i f o 姗p o r o s i t yi sn o tc l e a r t h i sp a p e rw i 】lt a k et 1 1 el e a di nas y s t e m sa n a l y s i sa n dr e s e a r c hf o rt h eu n i f o m a n dn o n u n i f o r mp o r o s i t yt h et h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l da r o u n dl e n g x i n g p i l ea r e rd u s t p r o o fn e t s ，i no r d e rt oo b t a i n st h em l e so ft h e e - d i m e n s i o n a lf l o w f i e l do ft h el e n g x i n ga r e rp i l en o n u n i f o md u s t p r o o fn e t sa n de v e nd u s t p r e v e n t i o nn e t sa n dd o e saj u d g ef o rt h ee f f e c t i o no fe v e nd u s tp r e v e n t i o nn e t s ， t h u st og i v ec e r t a i ng u i d a n c ef o rt h e 印p l i c a t i o no f d u s t p r o o f n e t si ne n g i n e e r i n g t h i sa r t i c l e m a i n l yh a st w op a r t s ：o n ei st h en o wf i e l ds i m u l a t i o na n d l i i a n a l y s i so f 缸e e d i m e n s i o n a l n o wf i e l do ft h el e n g x i n ga f t e rt h eu 1 1 i f o 眦 d u s t p r o o fn e t s i nt h i ss t u d y ， t h ef l o wf i e l ds i m u l a t i o nm o d e l so fd i f i f e r e n t p o r o s i t yd u s t p r o o f n e t sa r es e t ，t h e ya r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h e 七一sn u m e r i c a l m o d e la n ds i n l p l ea l g o r i t h mt og e tt h ec h a n g em l e so f t h r e e d i m e n s i o n a ln o w f i e l d p a r ti io f “s 叭i c l ea r en o n u n i f o mp o r o s 时n u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s e 2 u r c h ，o nt h eb a s i so fu n i f o r mp o r o s i t yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e s a m e d u s t p r o o f n e ti sd i v i d e di n t of o u rd i f f e r e n tp l a l l e 、h i c hc a nb es e tu pd i f f e r e n t p o r o s i t y ，t l m s 廿1 ed i f f e r e n tn o n - u n i f o mp o r o s i t y 肌m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l s 盯ec a l c u l a t e da n dt h er e s u l t sa r ea b t a i n e da n dc o m p a r e dw i t ht h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t so fm eu n i f o mp o r o s i t yd u s t p r o o fn e t s m o d e l s t h en o wf l e l d so ft h en o ww i n dt h r o u g hm eu n i f o r ma n dn o n - u n i f o m p o r o s i 够d u s t p r o o fn e t sa n dl a t e rl e n g x i n gp i l eo f o b s t a c l e sa r es t u d i e di nt h e 6 r s tt i m ea n dt h eo b t a i n e dr e s u l t sa r ea n a l y z e d ，w h i c ha p p l yt oc e i r t a i ng u i d a n c e f o rt h e 印p l i c a t i o no fd u s t p r o o f n e t si ne n g i n e e r i n g k e yw o i s ：o p e nd o o r s ，p o r o s i t y ，n o n u n i f o 吼，n o w6 e l d ，3d 太原理工大学硕士研究生学位论文 f ：非均匀 j ：均匀 k ：孔隙率为 p ：密度， t ：时间， 符号说明和名词解释 甜：速度矢量， u 、v 和w ：速度矢量甜在x 、y 和z 风向的分量。 p ：流体微元体上的压力 t 、f 叫和f z ：因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性作用力r 的分量 ：动力粘度( d y n 锄i cv i s c o s i 哆) 五：第二粘度( s e c o n dv i s c o s 时) 瓯：由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项 g a ：由于浮力引起的湍动能k 的产生项 ：可压湍流中脉动扩张的贡献 c k 、c 2 。和c 3 s ：经验常数 吼和仃s ：分别是与湍动能k 和耗散率s 对应的p r a n g d t l 数 瓯和s e ：用户定义的源项 r ：湍动粘度 p r r ：湍动p r a l l m l 数， g r ：重力加速度在第i 方向的分量 v l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 ：热膨胀系数 a ：声速 鸠：湍动m a c h 数 彭：k 姗a i l 数 b 和e ：表征表面粗糙度的常数， 理想流体与粘性流体：粘性是流体内部发生相对运动而引起的内部相互作用。粘性 应力是相邻两层流体间相对运动所发生的抵抗力。粘性大小依赖于流体的性质，并显著 随温度而变化。实验表明，粘性应力的大小与粘性及相对速度成正比。等流体的粘性较 小( 如空气和水的粘性都很小) ，运动的相对速度也不大时，所产生的粘性应力比起其 他类型的力( 如惯性力) 可忽略不计。此时我们可以近似地把流体看成是无粘性的，成 为无粘性流体，也叫理想流体。 牛顿流体与非牛顿流体：我们定义剪应力与剪应变力遵守牛顿内摩擦定力的流体为 牛顿流体，空气作为常见的工业流体，遵守牛顿内摩擦定力，是牛顿流体。 可压流体与不可压流体：根据密度p 是否为常数流体可分为可压与不可压两类，等 密度p 为常数时，流体为不可压流体，否则为可压流体。但事实上有些可压缩流体在特 定的流动条件下，可以按不可压缩流体对待。例如气体的流动中速度比较低( 马赫数小 于o 3 ) 的情况下通常都作为不可压缩流动来处理。 定常与非定常流动：根据流体的物理量( 如速度、压力等) 是否随时间变化，将流 动分为定常流动和非定常流动两大类。等流体的物理量不随时间变化时，为定常流动， 否则为非定常流动。定常流动又名恒定流动或稳态流动；非定常流动又名非恒定流动、 非稳态流动或瞬态流动。 层流与湍流：自然界中的流体运动状态主要分层流与湍流( 紊流) 。层流是指流体在 v i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 流动过程中没有相互混掺，否则即是湍流。一般来讲，湍流是普遍的，层流是特殊的。 外部流动：这时围绕着物体的流动区域可以分为三个区域。远离物体的流动可以看 作是理想的，没有摩擦力的影响，邻接物体的流动发展出一个剪切层，剪切层必须考虑 粘性和湍流。物体后面的尾迹通常发展出一个高湍流的低压区，在物体后面的理性流动 区域和尾迹区域的分界处形成明显的剪切层 惯性力：又称为假想力，物体加速时，惯性会使物体有保持原有运动状态的倾向， 若是以该物体为坐标原点，看起来就仿佛有一股方向相反的力作用在该物体上，因此称 之为惯性力。 内聚力：是在同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力，这种相互吸引力是同种 物质分子之间存在分子力的表现。 查塑里三丕堂堡主婴窒生堂焦迨奎 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章前言 1 1 研究背景、目的和意义 露天堆场的颗粒物扬尘污染是大气污染的重要来源之一，露天料堆场的污染有自己 独特的性质： 一、污染源较多，中国区域范围内存在着大量的露天储料场，主要分为三大类：建筑材 料类、金属矿石类、煤炭能源类，研究其原因是因为：1 、材料的制造和使用区域存在 不同的区域，金属矿石的开采、冶炼、使用存在不同的区域，煤炭能源的开采和使用存 在不同的区域；2 、金属矿产的开采和煤炭能源的开采区域分散。以煤炭资源为例：中 国2 3 0 0 多个县市中有1 4 5 8 个有煤赋存，各个煤矿都存在矿区露天储煤场3 、长距离 运输导致了码头、铁路、公路等露天储料场的存在；4 、资源短缺和海运的经济性，大 量的金属矿石资源和煤炭资源需要进口，导致了大量大规模港口露天储料场的存在2 1 。 二、污染范围较大，一般对周边三四公里的区域污染较大，大风天时可直达下风向十几 公里的地方【3 1 。 三、污染强度较大，例如研究显示在大风天气条件下，露天储煤场的煤尘浓度可高达2 0 0 一1 0 0 0m m 3 【4 】，这严重超过了工作场所空气中粉尘容许浓度见附表1 ；有数据显 示我国沿海所在城市全部粉尘污染总量的5 0 以上都来自于附近港口的露天储料场 四、污染特性和致病机理复杂，不同的储藏物料不同，主要分为以下二种途径： 1 、呼吸富集作用：建材中的石灰、水泥，金属矿石粉末和煤炭扬尘颗粒，粒径较小， 易通过人的呼吸进入人体肺部，在肺部富集到一定程度后引起尘肺的发生。例如在对旺 苍县露天储煤场煤作业工人的职业健康体检结果中分析发现疑似煤尘肺病者的检出率 太原理工大学硕士研究生学位论文 高达6 2 9 【5 】：2 、土壤、水体污染富集作用，主要表现在富含重金属的金属矿物粉尘 粒子进入土壤和水体，经过复杂化学反应生成有毒的金属化合物经过生物富集作用进入 人体，造成人体金属中毒甚至癌变；含有锰、铂、镍、铅、砷、铜、硒、氟等微量元 素和铜、铅、锌、镐、铬、铂、镍等重金属对环境有较大影响的煤炭扬尘颗粒物， 进入土壤和水域时其中砷、氟等有害元素可通过水解形成含有重金属的有害有毒物质， 造成水体污染；富含有有机硫、无机硫的煤炭颗粒进入土壤和水体，通过水解作用及微 生物分解，可形成硫酸，降低土壤和水体的p h 值。这些在水体和土壤中产生的有害物 质，通过动植物富集作用以食物的方式进入人体，富集到一定程度时，造成人体病变和 死亡【6 】。 五、污染损失较严重。以露天储煤场为例，数据统计显示：发生在各大煤炭储料场的扬 尘，约占整个煤运总量的0 1 ，我国在2 0 1 0 年煤炭消费总量已经达到3 0 多亿吨，那 么2 0 1 0 年造成的煤炭扬尘损失就是3 0 0 多万吨。这不仅是强大的环境污染还是严重的 经济损失。随着我国煤炭使用量的逐年增加，这种损失和污染的趋势仍在加大7 1 。 六、影响市容市貌和人的心理健康，飘飞的颗粒物在空气中飞扬和坠落在城市和污染区 域内的各个建筑物、路面，一方面使城市天空灰蒙蒙，让人产生压抑的心情，另一方面 覆盖在建筑物和路面，给人产生脏乱的印象2 ，8 1 。 近年来，防风抑尘网作为一种防风逸尘措施，已经在全国各地的露天储料场广泛使用 【9 1 。已有的研究表明防风抑尘网在防风抑尘方面有较好的作用，和其它粉尘治理措施( 洒 水增湿、表面结壳剂、湿润剂，防尘网等) 综合使用，能达到较高的防尘效果：在经济 适用和维修管理方面有较大的优越性7 1 。尽管防尘网的使用己经很广泛，防尘网的防尘 机理已经有很多的研究，但得出的的结果一方面比较分散和有一些疑点没有确切的结 果，另一方面以前的研究手段比较单一和陈旧，而当前有更好的研究手段和对应的设备、 太原理工大学硕士研究生学位论文 软件的支持。因此为了近一步做好防风逸尘的工作，我们有必要深入研究防风逸尘的各 种手段；有必要对防风抑尘网的防风抑尘机理和效果进行深入的研究。为防尘网防尘的 进一步研究做出贡献，为防尘网在实际工程中的使用提供理论依据， 1 2 近年来的研究进展 在防尘网的早期研究中，人们针对各种需求通过风洞和野外的防尘网实验，测试各 种工况防尘网的防尘效果，以获得最佳的防风抑尘网设计参数，其中风洞实验花费高， 野外防尘网模型易受气象条件的影响，且两者的重复性都较差。近年来随着科学技术方 法，监测手段的发展，人们能用风洞实验模拟方法，p i v 监测技术以及各种其它先进 的监测技术等获得模拟流场的全局性观测值，不仅为防风抑尘网各种变量在具体露天场 的设计中提供了依据，也更好地阐述揭示了防尘网的防风逸尘机理。随着数值计算方法 的发展及数值模拟结果的可靠性验证，研究者能够通过数值模型的计算更加方便的获得 所需要的研究数据，数值模拟方法的科学性，重复性使得这种研究方法成为学者强有力 的研究手段。 防尘网防风抑尘的效果研究问题涉及到多因素多变量【1 1 ，12 1 ，这些因素变量主要为防 尘网的孔隙率、孔型、孔大小、孔分布、设置方式( 包括防尘网的长宽、与料堆的距离、 四周如何设网) 和煤堆的交互作用( 主要为防尘效果与煤堆的煤粒径大小、含水率的相 互影响) 。近年来对于这些因素和变量的研究都取得了一定的成果。本论文将重点介绍 论文研究的孔隙率与防风抑尘网防风抑尘效果的研究进展。 附表2 中关于前人在防尘网孔隙率方面的研究做了总结，早先对防尘网的研究方法 主要为风洞实验，近年来对防尘网的研究方法不仅有风洞实验更多为数值模拟方法。其 中关于防尘网均匀开孔率防尘效果的研究有：1 9 5 5 年u b 0 1 d e s 通过人工模型观察和测 量了稳定的圆柱形涡流通多孔介质平板的物理现象，以此来得到多孔介质平板对涡流的 太原理工大学硕士研究生学位论文 影响规律【1 3 】；1 9 7 7 年r a i na n ds t e v e s o n 通过风洞模拟实验认为大开孔率的风障拥有较 好的总体防护效应，低开孔率的风障能有效减小总体平均风速；1 9 8 1 年p e r e r a 通过 风洞模拟实验认为开孔率3 0 时，防尘网后存在流体流动的回流区，开孔率6 0 时与0 时相比，压力波动大约降低了5 0 【1 5 ；1 9 8 8 年、1 9 9 9 年和2 0 0 2 年s a n g j o o nl e e 通 过风洞模拟实验得出板的开孔率越大，板后面流场的边界层中的剪切应力和湍流强度越 小，剪切层中流线的曲率越小和开孔平板在开孔率为4 0 时对煤堆的挡风遮蔽效果最 好，开孔板后煤堆表面的气流压力和剪切应力均比没有开孔平板时下降了一半以及开孔 平板在开孔率为3 0 时对煤堆的挡风遮蔽效果最好，临界起尘风速最大【1 6 - 1 8 】：2 0 0 3 年 胡晋明、沈恒根1 9 3 通过数值模拟实验分析了不同风速和不同开孔率下来流风流过风障后 的风速分布和湍流强度分布，得出了对应风障的最佳丌孔率：2 0 0 4 年s a 1 h a j r a f 通过 模拟固体粒子穿透开孔率为5 0 的一层和两层挡风板平物理现象，观测了固体粒子在挡 风板后面的沉积现象【2 0 】；2 0 0 6 年陈凯，朱风荣，钮珍南通过风洞实验观测了3 个主导 风向流过风障的流场分布，发现了开孔率偏低会在风障后形成大尺度的涡流【2 l 】；2 0 0 7 年2 2 1 通过风洞实验数据与数值模拟数据的对比，证明了数值模拟的可靠性；2 0 0 8 年 b o u r d i n ，pa i l dw i l s o n ，j d 通过风洞实验数据与模拟数据的对比，得出了计算机数值模拟 技术结果是可靠的和有合理网格划分的1 ( - 模型计算能较好的反应实际观测结果的结论 【2 3 ；2 0 1 1 年f e r r e i r a ，a d 锄dl a m b e r r t ，r j 通过风洞模拟实验研究了防尘网在0 ，7 0 ，和 8 3 三种开孔率下，防尘网距煤堆从h 到4 h 时的庇护效果和煤堆的量化风蚀变形过程 研究，然后把这些数据用于数值模拟计算，模拟计算出的煤堆表面风速表现出很好的关 联性【2 4 。 附表2 中关于防尘网非均匀开孔率的研究有：在1 9 5 4 年j e n s e n 通过风洞试验，观 察到非均匀孔隙率防尘网比均匀孔隙率防尘网的遮蔽效果差；1 9 6 3 年w o o d r u 讲2 5 1 在论 太原理工大学硕士研究生学位论文 文中“建议在靠近地面处，开孔率较高的防尘网有较好的防护效果【2 4 】；1 9 6 4 年的v a n e i m e m 和1 9 8 4 年的g m i l e r t 认为在“风障离地面较远的地方( 上半部分) 设置较高的开 孔率有较好的防护效果【2 6 】；在1 9 8 5 年w i l s o n 通过模型试验测试了底部具有较小的开 孔率，上部具有较大的开孔率的防尘网后的流场分布，而出结论“与均匀开孔率防尘网 相比，实验所测的非均匀的防尘网的尾流风速有降低2 7 1 ：2 0 0 1 年s a l l g j o o nl e e 认为“非 均匀开孔率的风障遮蔽效果比均匀开孔率的差【2 8 1 共六条关于非均匀防尘网的研究，可 知在关于非均匀防尘网的研究较少，又关于非均匀孔隙率防尘网的遮蔽效果意见不一。 1 3 研究方法和内容 本论文在前人研究的基础上，利用f l u e n t 软件包构建露天堆场的三维模型，在 已有研究露天储料场防风抑尘网抑尘效果基础上，通过后一占两方程模型对三维露天堆 场条件下来流风流过均匀和非均匀防尘网后的棱堆绕流模型的流场进行了数值模拟计 算，主要分析了以下内容： 1 、不同孔隙率的均匀性防尘网模型后棱堆的绕流速度场，湍流场分析。 2 、不同孔隙率的均匀性防尘网模型后棱堆表面的壁面剪切力，压力，湍流分布规律。 3 、非均匀防尘网模型和所对应的均匀防尘网模型的速度和湍流变化规律。 一 奎堕堡王盔堂亟主堕窒生堂垡坠塞 一 _ _ _ 一一 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章控制方程和数值模拟方法 本章主要对模型所要设计的流体进行分析和所涉及的控制方程，模型，壁面函数、 以及求解方法。论文构建的模型所涉及的流动流体的控制方程为：质量守恒方程，动量 守恒方程，湍流输运方程。 2 质量守恒方程 任何流体问题都必须满足质量守恒定律，该定律表述为：单位时间内流体微元体中 增加的质量，等于同一时间间隔内流入该微元体的质量。按照这一定律我们导出质量守 恒方程( m a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) ( 连续性方程) 【2 9 】： 挈+ 掣+ 剑+ 刿：o 氆融 执娩 ( 2 1 ) 引入矢量符号西v 口= a 口x 以十a 臼，砂十a 口：弛，代入上式可写为， 詈胁( p 云) _ o ( 2 _ 2 ) 上面给出的是瞬态三维可压流体的质量守恒方程。若流体不可压，密度p 为常数， 式( 2 1 ) 变为： 塑+ 堡+ 塑一n ( 2 3 ) + + = o 。7 o x 0 z 若流体处于稳态，则密度p 不随时间变化，式( 2 1 ) 变为： 型+ 型+ 刿：o 缸 砂 瑟 ( 2 4 ) 2 2 动量守恒方程 动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律。该定律表述为：微元体中 流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和，按照这一定律， 查堕堡三盔堂亟婴窒生堂焦迨銮 可导出x 、y 和z 三个方向的动量守恒方程( m 。m e n t 啪c 。n s e r v a t i 。ne q u a t i 。n ) 2 9 1 ， 掣砌b 云) = 一謇+ 鲁十等+ 誓+ c 掣椭b 云) = 一塞+ 誓+ 誓+ 誓+ 掣+ 加b 云) = 一罢+ 等+ 等+ 鲁+ e ( 2 5 a ) ( 2 5 b ) ( 2 5 c ) 式中，t 、和e 是微元体上的体力，若体力只有重力，且z 轴竖直向上，则 ，j 2 u ，y 2u ，= 2 一昭。 式( 2 5 ) 是对任何类型的流体( 包括牛顿流体) 均成立的动量守恒方程。对于牛顿流 体，粘性应力丁与流体的变形力成比例，有； 铲2 罢+ 触v g ) 铲2 安+ 胁g ) 铲2 等+ 腩g ) ( 2 6 ) 优 、”7 旧“加1 k 可f 邓i 万+ 瓦j f 锄挑 彳n 可“叫l 瓦+ 瓦j f 加挑 可秒叫i 瓦+ 万j 式中，一般取允= 一2 3 。将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) ，得； 掣胁b 云) 柏晒咖) 一罢城 掣+ 咖b 云) = 咖( 脬口咖) 一考+ 鼠( 2 7 ) 8 二型旦望三盔堂壁塑窒生堂焦迨塞 掣+ 咖云) = 咖锄咖) 一謇+ 瓯 式中，g 厂叫) = a ( ) 叙+ a ( 胁+ a ( ) 瑟，符号、s y 和s 。是动量守恒方程的广 义源项，s “2c + 乳，s v 2 + s y ，s w 2 e + n ，而其中的n 、j ，、和j ；的表达式如 下： 驴* 号( 喀心瞎心妇v 云) 旷甜豺* 豺* 卦号陆) 。2 驴昙( 瞎心( 势飘卦鲁云) 一般来讲，n 、s y 和j ：是小量，对与粘性为常数的不可压流体，s ，2s y 2 j ：= o 。 方程( 2 7 ) 还可以写成展开形式； 判+ 丝幽+ 业型+ 丝型 包瓠 巩8 z 2 静静甜针鲁( 静塞城 型+ 趔+ 趔+ 趔 a t瓠 a v芘 = 昙( 塞) + 参( 多 + 昙( 笔) 一塞+ 鼠 ，。、 掣+ 丝型+ 丝型+ 盟型 a ta x 卸a z = 昙( 罢) + 导( 詈 + 鲁( 警) 一罢十&2 瓦【、面j + 万【、万j + 夏p 云j 一兹坩w 式( 2 7 ) 及式( 2 9 ) 是动量守恒方程( m o m e n t u mc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) ，也称为 n a v i e r - s t o k e s 方程。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 湍流输运方程 湍流是自然界非常普遍的流动类型，湍流运动的特征是运动过程中质点具有不断的 相互混掺现象，速度和压力等物理量在时问和空间上均有随机性质的脉动值。 式( 2 7 ) 是可以用于描述湍流三维瞬态n a v i e r - s t o k e s 方程，但方程的非线性使得 用解析的方法描写三维时间相关的细节极端困难，即使能真正得到这些细节，也需要对 计算机内存和速度要求很高的直接模拟算法，目前在实际工程中还不可能使用此方法， 也对实际的意义不大。这是因为人们在工程应用中关注的是湍流所引起的平均流场变 化。所以人们引入了r e y n o l d s 平均法，将瞬态的脉动量通过时均化r e n o l d s 方程中体现 出来。下面将介绍本文使用的r e n 0 1 d s 平均法中的标准尼占两方程模型。 标准后一占两方程模型是在时均连续方程和被时均化的动量守恒方程的基础上引入 湍动能k 方程和湍动耗散率占的方程所形成的。在标准的尼一s 模型中，k 和s 是两个基 本未知量，与之相对应的输运方程【3 0 】： 掣+ 掣= 丢陋十箦 考 + g t + g 一一伊一+ 瓯 。2 加， 掣+ 掣= 毒睁+ 尝) 考 + c c g + c 小p 譬+ 疋。2 ， 其中，有关的参数计算如下： 其中，p r f = 0 - 8 5 ，由可压流体的状态方程可得： 口：一! 望 l d8 t 匕= 2 p 谢? ( 2 1 2 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 锄一彘， 弋 o 锄 塑眺 钆一 丝珥 ，、一， r 吖 叫 脓 = f i n 瓯 太原理工大学硕士研究生学位论文 其中，m f 庐，以上皆为不可压流体的参数推导式，在为可压流体时q 不变， g a = o 和匕= 。 在标准七一占模型中，根据l a u l l d e r 等地推荐值及后来的实验验证，模型常数c 1 s 、 c h 、c 拈、吼和仃。的取值为： c l 。：1 4 4 ， c 2 s = 1 9 2 ，巳= ， 2 1 v ，盯r ：1 3( 2 1 6 ) 对于可压流体中的c k ，当主流方向与重力方向平行时，有c ，s = 1 ，当主流方向与 重力方向垂直时，有c 3 s = 0 。 根据以上分析等流动为不可压时，且不考虑用户定义的源项时，g 。20 ，k = o ， & = 0 ，s 。= o ，这时，标准七一占模型变为： 掣+ 掣= 毒箦斟岍胪 研 及， 融，仃t 融，l 。 ( 2 1 7 ) 掣+ 掣= 出+ 等尉p 譬 眨 2 4 近壁面处理方法 论文中使用的标准七一f 模型是高雷诺数的湍流模型，是对充分发展的湍流的数学 模拟。对于近壁面内的流动，湍流的发展不充分，湍流脉动的影响不如分子粘性的影响 大，这样在这个区域，必须采用特殊的处理方法。 2 4 1 近壁面的流动特点 近壁面根据其流动特点可以被分为壁面区和核心区。核心区是完全湍流区，可用高 雷诺数的湍流模型计算。壁面区受到分子的粘性的作用较大，又可以分为三个子层：粘 性底层，过渡层和对数率层。粘性底层是紧贴固体壁面的极薄层，在这一层中粘性力起 主导作用，流体以层流形势流动，速度沿壁面法线方向呈线性分布；过渡层在粘性底层 和对数率层之间，这一层分子粘性和湍流切应力共同作用于体，导致流体运动状况比较 太原理工大学硕士研究生学位论文 复杂，又这一层厚度极薄，故在模型计算时，归到对数率层进行计算；对数率层处在壁 面区的最外面，这一层粘性力较小，湍流切应力较大，流动可看作完全发展的湍流，流 速符合对数律。下面为粘性底层和对数率层的公式描述及定义【3 l 】： 上 “ “= 一 甜r ( 2 1 9 ) 小等= 等层 2 。， “+ 和) ，+ 皆为无量纲的参数，分别表示速度和距离。 一般定义当y + 1 1 6 3 时，对应区域为粘性底层，此时： “+ = 少+ ( 2 2 1 ) 当1 1 6 3 y + 3 0 0 时，对应区域为对数律层，此时： 甜+ = 丢，n y + + b = 圭，n 旧+ ) 。2 捌 其中，壁面越粗糙b 值越小，对于光滑的壁面：茁= 0 ，b = 5 一，e = 9 8 。 2 4 2 壁面函数法 近壁面区由于分子粘性作用的影响，尤其是粘性底层，流动基本为层流，湍流应力 的作用很小。因此，必须使用特殊的方法对这一区域进行求解，本文采用的是壁面函数 法。 壁面函数是壁面区域的物理量求解方法，其基本思想是直接把壁面上的物理量与湍 流核心区域的求解变量用半经验公式联系起来。这样直接得到近壁面区域控制体积的节 点变量。下面是针对各控制方程给出的壁面值与内节点值的半经验公式： 1 、动量守恒方程中的变量u 的公式 当壁面附近的控制节点所在的位置少+ 1 1 6 3 时，流动处于对数律层，此时速度由 ( 2 2 2 ) 式得到： 甜+ ：土l n ( 匆+ ) r ( 2 2 3 ) 其中j ，按下式计算： v + ：竺鳢型 ( 2 2 4 ) 此时壁面切应力r w f w = 科4 帕p 甜+ ( 2 2 5 ) 式中，甜+ 是所要计算的节点的时均速度，后是节点的湍动能，少是节点到避面的 距离，流体的动力粘度。 2 、湍动能方程和和耗散率方程中后和占计算式 在尼一占模型中，七方程在与壁面相邻的控制体积内的所有区域内进行求解，壁面上 湍动能七的边界条件为驯锄= o ，其中即是垂直于壁面的局部坐标。 与壁面相邻的控制体积内，构成j i 方程源项耗散率占和湍动能产生项q 按下式计算： 瓯氓考_ 赢 0 vk 0 乙，1k 、v c 孑4 尼2 7 3 占= 2 一 由 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 根据以上分析由壁面函数已经可以求得壁面区域内的平均流速、湍动能和耗散率。 2 5 压力基求解方法和离散格式 压力基求解主要用于低速不可压缩流体的求解，求解的思想来源于分离式求解器， 顺次求解动量方程、压力修正方程、能量方程、和组分方程及其它标量方程，如湍流方 太原理工大学硕士研究生学位论文 程等。现如今压力基求解器增加了耦合求解的方法，能够一次性求解动量方程、压力修 正方程、能量方程和组分方程，然后求解湍流方程等其它标量方程。分离式求解方法占 用的内存较小，耦合式占用的较大，约为分离式的1 。5 2 倍。 本文采用的离散格式为二阶迎风格式，其中迎风是相对于局部定义的，即用上游 节点的变量值来计算本地的变量值。二阶迎风通过保留泰勒展开式的项数来控制计算精 亦 j 己o 2 6s i m p l e 算法 s 姗l e 算法是一种求解不可压流场的数值解法。在压力基求解方法中使用分离式 求解方法时，一方面压力场因无独立的方程无法直接求解；另一方面求解过程中求解的 都是速度、动量的离散方程而不是连续方程，为了在控制离散方程的求解过程中压力场 能够不断的随迭代过程而得到改进，就提出了压力修正法。该方法由p a t a l l l ( a r 与s p a l d i n g 与1 9 7 2 年提出，核心是采用“猜测修正”的方法，在交错网格的基础上计算压力场，从 而发到求解动量方程的目的【3 2 1 。 s i m p l e 的求解思想是：对于给定的压力场( 它可以是假定的值或是上次迭代的结 果) ，求解离散形式的动量方程，得出速度分场。因为压力场是假定的、不精确的，由 此得到的速度场一般不满足连续方程，因此，必须对给定的压力加以修正。修正的原则 是：与修正后的压力场相对应的速度场能满足这一迭代过程中连续方程。据此原则，把 由动量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续方程的离散格式，从而得到 压力修正方程，由压力修正方程得出压力修正值。接着根据压力修正后的压力场，求得 新的速度场。然后检查速度场是否收敛，若不收敛，用修正后的压力值作为给定的压力 场，开始下一个层次的计算。如此反复，值到收敛为止【3 3 1 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 流体类型分析 第三章物理模型分析基础 流体是c f d 的研究对象，流体的性质及流体的运动状态决定着c f d 的计算模型及 计算方法的选择，决定着流场各物理量的最终分布结果。论文设计的是来流风流过防尘 网和其后棱形障碍物的绕流模型。模型中的流体为空气，来流速度5 朋瓜，马赫数计算 小于o 3 ，为不可压缩流体，空气的粘性较小，在本模型中视其为牛顿无粘流体：模型 设置处于近地面，位于大气边界层，为湍流模型；模型在计算过程的初始时期为非定 常湍流状态，模型计算收敛后为定常湍流状态。 综上所述我们所构建的三维模型中是不可压缩理想牛顿流体外部绕流情形下的定 常湍流模型。这将作为模型计算重要依据。 3 2 颗粒起尘因素分析： 本文把料堆的起尘归结为两大类。第一类是物料堆表面的静态起尘，第二类是在取 卸料过程中的动态起尘。第一类起尘强度主要取决尘源强度和气流携尘能力的影响，而 尘源强度取决于起尘风速和颗粒物的受力启动方式，气流的携尘能力取决于气流的迎风 速度廓线和大气湍流强度阢3 5 】；第二类主要取决与操作时的装卸强度、作业落差 3 6 】。 对于露天堆料场，等外界来流风速达到一定大小时，风力作用下料堆表面颗粒产生的向 上的迁移动力大到克服颗粒自身重力、颗粒之间的摩擦力和其他阻碍颗粒迁移的外力 时，颗粒就离开料堆表面而扬起，这时对应的风速称为起尘风速【3 6 ，3 7 1 。根据露天料堆粉 尘起尘规律的研究，学者总结了料堆起尘量与风速之间的关系为【3 8 】： q = a ( v _ v o ) “ ( 3 1 ) 公式中q 是料堆的起尘量，v 是来流风速，v o 是起尘风速，a 是与粉尘颗粒度分布 太原理工大学硕士研究生学位论文 有关的系数，n 是指数，其值一般在2 7 与2 6 2 3 之间。 上式反映了料堆起尘量q 和风速差( v - v o ) 的高次方成正比。因此，通过降低露 天料堆场的来流风速能有效减少料堆起尘量。可以看出，来流风速与起尘风速的差值越 小，起尘量q 值越小。而降低来流风速与起尘风速的差值可以通过两种途径，一是减小 来流风速，二是增大起尘风速。在物料堆表面覆盖粘结剂和喷淋加湿可以增大起尘风速， 在来流方向设置防风逸尘网可以减小来流风速，两者都可以减小风速差。 人们把物料堆表面的颗粒在一定风力的作用下发生位移的现象称作扬尘现象，此时 对应的风速叫做起尘风速。尘粒的起尘风速是研究尘粒起尘特性的基本参数，起尘风速 实验研究表明尘粒的起动风速在粒径大于o 0 9 m m 时，随着粒径的增大而增大，而小于 o 0 9 m m 时，粒径越小起动风速反而增大，原因可能是露天尘粒抵抗风力的阻力主要来 自与惯性力和内聚力，大于0 0 9 m m 粒径的尘粒抗风阻力主要为惯性力，小于0 0 9 m m 的尘粒则主要为内聚力。不同起动风速的分段变化规律对应着不同的颗粒尘启动机制 【3 9 】。本论文经注重研究模拟流场的三维风速和湍流分布。 大气湍流理论表明大气湍流的脉动运动无论在空间和时间上都是变化剧烈的随机 运动，低层大气中的大气运动形式主要表现为湍流运动。由于湍流运动使得来流颗粒尘 的扩散率远大于其自身的分子运动，在数量上前者是后者的1 0 4 倍之多4 0 】。因此颗粒尘 的输送与扩散同来流风场的湍流结构密切相关，了解来流风场的湍流结构和机制对于研 究和防治颗粒尘的扩散是十分重要的。湍流强度是描述湍流特征的基本参数之一，可定 量表示湍流发展的强弱及湍流运动能量的大小。大气扩散能力与它直接相关：湍流强度 愈大，表明湍流运动愈强，大气扩散能力也大，反之就越小【3 3 ，4 。 3 3 近地面阻碍物绕流理论 大气边界层( a i rb o u n ( 1 a 巧l a y e r ) 简称为a b l ，是大气受下垫面影响的层次，人类的 太原理工大学硕士研究生学位论文 生活生产主要发生在这一区域内，有别于其上的自由大气的基本特点就是其运动的高湍 流性。这种高湍流性来源于风速及和风向切变产生的湍流应力，这是机械运动和浮力做 功的共同作用，在人类活动的地面区域，由于复杂的地面环境，来流风受到地面障碍物 的阻挡后，将产生剪切分离和附着漩涡，使阻碍物周围的流场呈现复杂的状态4 2 1 。下面 为p r e t a x 根据风洞实验描述的障碍物绕流理论。 大气来漉 分离题。再辩着毽 图3 1 障碍物体绕流 f i g u r e 3 - 1f 1 0 wa 1 o u n do b s t a c l e s 从上图中可以看到，远方来流在障碍物迎风锐缘边发生了分流，产生了分离层。 w i l s o n 的研究表明，此分离点的位置依赖于墙体的高宽比和上游表面的粗糙度等因素的 影响。分离流诱发的涡旋和钝体前端的压力变化导致了向下流动的分离流形成涡旋流， 涡旋流在钝体两侧成马蹄状展开一直影响到钝体的背风侧。垂直作用在钝体上的来流 风约在其三分之二高度处形成滞留点，并形成二个性质不同的气流区域，滞留点上的区 域和滞留点下的区域。在滞留点之上的气流流速加大，在向更高更远处流动时将不再附 着于钝体：滞留点以下的气流在流动过程中会受到地表的摩擦阻尼作用，流速减小，滞 太原理工大学硕士研究生学位论文 留点附近有一沿水平方向流动且速度逐渐增加的窄带，称之为水平绕流，因马蹄涡的作 用致使流速在此过程中有较大幅度的增加。同时气流在绕过迎风面后，在流经侧面、顶 面和背风面后发生附面层分离，形成回流区，成为了逆方向的环流，此回流区是低速、 负压区，这个区域就是低速的遮蔽区，也称防护区。 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 。1 模型设计 第四章模型建立和工况设计 本文将构建一个三维露天条件下风流过防尘网和其后的长条型棱台( 代表煤堆) 的绕 流模型见下图4 1 。棱台的构建参数为下表面长1 5 4 米，宽5 1 米，上表面长1 1 3 米，宽 1 0 米，煤堆高1 7 米。防尘网宽1 5 4 m ，高2 2 m ( 为堆高的1 3 倍) ，防尘网设置在堆前 的1 7 m 处( 为棱堆高度的1 倍) 。由于x o y 面在模型设计中可以设置为中心对称条件， 故在实际的模型设计时，仅取其以对称面为分割面的一半的体来进行建模，这样可以减 少网格的划分，释放计算机内存，在计算时拥有较快的速度。 图4 1 均匀模型 f i g u r e 4 1u n i f b r i nm o d e l 模型计算时采用压力基隐式求解方法，空间选择三围( 3 d ) 模式，