（流体力学专业论文）挡风墙挡风抑尘效果数值模拟研究.pdf

摘要 挡风墙是一种被广泛应用于降低粉尘污染的环保产品。挡风墙的基本构成单 元是挡风板。挡风板有多种可能的几何结构形状。针对不同的地理环境和环境要 求，挡风墙也有不同的布置方式。本文依据计算流体力学技术和气固多相流基础 理论，应用数值模拟方式，对挡风板和挡风墙的挡风抑尘的机理和性能的改善进 行研究，为实际设计和建设挡风墙提供指导和建议。本文的主要内容分为两部分， 一是对不同几何参数下的单层蝶形挡风板，以及夹层蝶形挡风板和弧形截面挡风 板的空气动力学特性进行了模拟：二是对不同墙高，不同来流风速，不同煤粉粒 径下挡风墙的气相流场和煤粉颗粒的运动进行了研究。通过模拟，得到的主要结 论为，单层蝶形挡风板在折角为4 5 。、宽度b 为2 0 0 r a m ，开孔率e 较合适时具 有最佳挡风效果及较低的成本。挡风墙高度一定时对不同风速的挡风效果不同， 风速过低挡风效果不明显，风速过高引起的回流过大。风速一定时，挡风墙高度 增加到一定程度后对于其后方底部的流场以及粒子运动的影响不大。综合考虑挡 风墙的高度为煤堆高度的1 至1 5 倍比较合适。挡风墙后方涡区对高度较低、速 度较低的粒子的吸收作用明显，对大粒子的保护作用也较明显，速度高、粒径小 的粒子易被卷起、带走，从而引起扬尘。在上下游各设置一堵挡风墙时下游的挡 风墙无明显作用。 关键词：挡风墙，挡风，抑尘，数值模拟。 a b s t r a c t p o r o u sf e n c eh a sb e e nw i d e l yu s e dt or e d u c ed u s tp o l l u t i o ni ni n d u s t r y t h eb a s i cu n i t o fp o r o u sf e n c ei sp o r o u sp l a t e p o r o u sf e n c eh a sm a n yd i f f e r e n tw a y so fd i s p o s i t i o n w h i l et h ep o r o u sp l a t ea l s oh a sal a r g er a n g eo f p o s s i b l eg e o m e t r i cs h a p e t h em a i n p u r p o s eo ft h i st h e s i si st og i v es o m es u g g e s t i o n so ni m p r o v i n gt h es h e l t e re f f e c to f p o r o u sf e n c e t h er e s e a r c hi sa l lt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hc o m p u t e r s t h e a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e l a y e rb u t t e r f l y - s h a p e dp o r o u sp l a t e sw i t h d i f f e r e n tg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s ，t w ok i n d so fs a n d w i c hp o r o u sp l a t e s , a sw e l la sa l l a r e 。s e c t i o n - s h a p ep o r o u sp l a t e ，a n dt h eg a s - s o l i df l o w , i n c l u d i n gg a s f l o w i n g c o n d i t i o na n ds o l i dp a r t i c l e sm o v e m e n t s ，a r o u n dp o r o u sf e n c em o d e l sw i t ha n d w i t h o u tc o a lp i l e s ，a r es t u d i e d t h ef i n a lc o n c l u s i o n si n c l u d e s ，t h eb u t t e r f l ys h a p e p o r o u sp l a t eh a sab e s tp e r f o r m a n c ew h e ni t sf o l d i n ga n g l ei s4 5 。，bv a l u ei s2 0 0 m m , a n dw i t hae q u a lp o r o s i t y , s h e l t e re f f e c to fp o r o u sf e n c ei sw e a ku n d e rl o ww i n d v e l o c i t yw h i l ec i r c u m f l u e n c eb e h i n dt h ef e n c ew i l lb e c o m es t r o n gw h e nw i n dv e l o c i t y i sh i 曲，w h e nh e i g h tp o r o u sf e n c ei si n c r e a s e dt oac e r t a i nv a l u et h ef l o wa n d m o v e m e n to f c o a lp a r t i c l e sa f t e rf e n c ea tt h eb o t t o mw i l lb e c o m et oa c e r t a i n t ys t e a d y , t h ee d d yb e h i n dt h ef e n c er e s t r a i nt h e me f f e c t i v e l yw h e np a r t i c l e sa r eo fal o w p o s i t i o na n ds p e e d ，a n dw i l la b s o r bp a r t i c l e so fag r e a t e rd i a m e t e rm o r ee a s i l y , t h o s e p a r t i c l e so f ah i 【g hs p e e da n ds m a l ld i a m e t e ra r em o r ea c t i v ea n dt h e nc o s tm o r ed u s t p o l l u t i o n ，t h ed o w n r i v e rf e n c eo f ac o a lp i l ei so f l i t t l eu s ew h e nt h e r ea r ee a c hp o r o u s f e n c ei nf r o n to f a n db a c ko f p i l e k e yw o r d s ：p o r o u sf e n c e ，p o r o u sp l a t e ，s h e l t e re f f e c t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏太茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 弓譬玎 签字日期：z 0 0 7 年歹月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘茎有关保留、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。本人授权迸姿盘鲎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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 万、象j7 签字日期：o 矽年岁月矿日 = 强m签字日期寸1 年j 月g 日 学位论文作者毕业后去向：厶巴。门夥7 虞 矿肌n 泌c 朔1 - i - 作单位：电话： 通讯地址：邮编： 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 能源短缺和环境保护是当今世界面l | 缶的严峻问题。美国能源署在2 0 0 6 年6 月出炉的一份全球能源报告【l 】中指出，目前全球大约三分之一的电力来自于使用 燃煤发电的火电厂。火电厂所带来的二氧化碳和二氧化硫等废气对环境有着巨大 的破坏，容易引起温室效应和酸雨。以燃煤为原料的火电厂，煤矿露天堆放造成 煤粉被吹散到空气中，造成原料浪费的同时也带来粉尘污染。粉尘污染在火电行 业和建筑行业最为严重。 当前，针对由原料堆场而产生的粉尘污染问题，主要有三种解决方法，一是 对堆料表面加以覆盖物，实现堆料与外部环境的物理隔离；二是用水和扬尘抑制 剂【2 】实施堆料表面喷淋，让细小颗粒互相粘连形成团块以增大粘滞阻力，从而难 以起尘；三便是本文的重点挡风抑尘技术。表面覆盖和喷淋的方法在一定程度上 都解决了堆料场的扬尘问题，但是这两种方法都需要多次操作，对不同的堆料需 要完全重新操作一次，需要反复投入人力和物力。而且表面喷淋方法在低温时还 存在被冻结的隐患。挡风抑尘技术是一种全新的思路，在露天堆料场周围建立由 穿孔网板结构构成的一面或者一圈挡风抑尘墙，墙体具有特殊的结构和形状，可 以有效的降低来流的流速和湍流度，削弱来流的动能，从而降低气流达到堆料表 面时的速度，从而达到挡风抑尘的效果。挡风抑尘技术的主要产品是挡风墙。挡 风墙即本文中的主要研究对象。 国内近年来已开始将挡风墙应用于各种场合，例如火电厂、钢铁、建材、水 泥等企业各种露天料场、建筑工地等。而且挡风抑尘技术和相关系列产品已经开 始被应用于更多其他场合，比如在西部风口地段的铁路沿线利用挡风墙来降低大 风对车厢的侧面压力、保护列车和铁路路基的安全【8 】，在沙漠边缘、军营和油田 地区周围利用固沙网来防风固沙、帮助沙漠植被恢复，改善沙漠生态环境等。 浙江大学硕士学位论文 1 2 挡风墙简介 1 2 1 挡风墙的命名 挡风墙是挡风抑尘技术的主要产品。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样，在国内，挡风墙也被称为：挡风抑尘墙、挡风抑 尘网、防风抑尘网，也被简称为挡风网、防风网、抑尘网、防尘网、抑尘墙，常 见的简称是挡风墙。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、并且全区域开孔、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，由于具体产品的技术细节上的差异，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 t ，w i n db r e a k e r l 4 1 ，w i n df e n c e i 卯，d o r o u s w i n df e n c e 6 1 等等，但是与本文的研究对象，即具有一定几何形状的开孔薄板和 它们所组成的墙体，最为匹配，也最为简洁的英文称呼是p o r o u sf e n c e l 7 1 。为简 洁和避免混乱，本论文中统一使用挡风墙这一称呼，引用文献时为忠实于原作者 的称呼的情况除外。 1 2 2 挡风墙的结构 图1 挡风墙 图2 挡风板 如图1 中所示，挡风墙主体由地下基础，支护结构和挡风板组成。 挡风墙的地下基础，一般都由预制混凝土块或者现场浇注水泥而形成。 支护结构一般由钢支架组成，主要需要考虑能给挡风墙提供足够的强度，来 抵御强风在墙体表面形成的高压；同时也应该在一定程度上考虑外观的美观性。 2 浙江大学硕士学位论文 工程设计中一般按照风速3 0 m s ，风压7 5 0 p a 作为设计参数。支架主体采用钢管， 也可以采用钢筋，但是后者不如前者美观。 挡风板大多数厂家采用无机非金属材料经模压一次成型，产品使用环境的温 度范围为一4 0 至8 0 ，能满足大多数实际工况。使用的材质有高密度聚乙烯， e v a 树酯等。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。 挡风板的一个重要的参数是开孔率，即整块板中间所开孔的面积与整块板的 面积的比值。有时也被称为孔隙率。显然开孔率应为0 至1 之间的一个数。 挡风板的具体尺寸和开孔率应该根据当地不同的气象条件，和不同煤堆堆场 的实际工况，如堆料形状和堆料高度等，来确定最佳值。本文的主要目的即希望 借助计算流体力学数值模拟工具，对挡风墙的工作原理的效果进行数值研究，为 实际工程应用提供有一定参考价值的结论。 1 2 3 挡风墙的工作原理 和混凝土实体墙相比，挡风墙采用了材质轻的开孔高分子复合材料板或金属 板，因而运输方便，并且还有施工周期短、维护简便快捷、利于大面积推广应用 等优点。由于墙体采用高分子复合材料，因此还具有阻燃、抗老化、良好的弯曲 性、硬度、色彩美观等优点。 料堆的起尘主要有两大类来源。一是料堆场表面的静态起尘，二是在堆取料 等过程中的动态起尘。前者主要与物料表面含水率、环境风速等有关，后者主要 与操作时的作业落差、装卸强度等有关。 对于散料堆场，只要外界风速达到一定大小，风力使料堆表面颗粒产生的向 上迁移的动力足以克服颗粒自身重力和颗粒之间的摩擦力以及其他阻碍颗粒迁 移的外力时，颗粒就离开堆垛表面而扬起，这个临界风速就称为起尘风速。根据 露天料堆粉尘扩散规律的试验研究f 9 】，料堆起尘量与风速之间的关系为 q = a ( v v o ) “ 公式中q 是料堆的起尘量，v 为风速，为起尘风速，a 是与粉尘颗粒度分布有 3 浙江大学硕士学位论文 关的系数，胛为指数。一般情况下，靠的值在2 7 到6 2 3 之间。 从上式可以看出，料堆起尘量q 与风速差( 矿一) 的高次方成正比。因此， 降低料堆场的实际风速矿是减少起尘量的最有效方法。从上式还可以看出，要使 起尘量q 变小，主要的办法是降低( y 一) 的差值。而降低( 矿一) 的差值的差值 又具体的有两种途径，一是减小n 而是增大。在煤堆表面覆盖障碍物和实施 喷淋，即是为了增大虼，而设置挡风抑尘墙的则是为了减小n 二者殊途同归。 这个经验公式也说明了，使用挡风抑尘墙、表面覆盖和喷淋技术增湿三种方法都 是减少起尘量的有效措施。从原理上看，挡风墙的存在降低了达到煤堆附近区域 的气流速度和湍流度，本论文后面部分将具体讨论这一细节，并把这一作用作为 对挡风墙挡风效果的评价标准。 开孔率的改变和挡板形状的变化直接影响到挡风抑尘的效率。开孔率与挡风 效率之间目前还没有十分直接的函数关系。可以利用c f d 软件来对不同的开孔 率下的工况进行模拟，比较各自的挡风效果，从而进行优化选择。挡板的其他几 何参数对挡风效果的影响也是如此。这些内容将会在第三章中讨论。 挡风墙在露天煤堆场的使用时，一般需要解决设网方式、设网高度和挡风墙 与堆垛的距离三个主要问题。煤场设置的挡风墙，根据堆场范围大小、堆场形状、 堆场地区的气候、风力分布等因素，一般分为主导风向设网和四周设网两种方式。 挡风墙高度主要取决于煤堆高度、堆场大小和对环境质量要求等。挡风墙与堆场 堆垛的距离结合电厂的作业情况、装卸料要求、消防要求而定1 4 l 】。本论文第四章 将讨论相关内容。 1 3 关于挡风墙的已有研究 设置风障以达到控制局域风环境是一项多学科交叉的技术。具体的说，挡风 墙牵涉着材料学，空气动力学，多相流体力学，气象学，渗透力学，等多个学科 的知识。 国外对挡风墙的研究工作开展的较早，国内起步较晚，而且前期的研究对防 尘机理、加工工艺、工程设计的专门研究工作较少，多数都停留在风洞实验和现 4 浙江大学硕士学位论文 场观测的水平上，实测数据分散，不具备普适性。随着近年对环境保护的重视程 度的增加，国内在挡风墙方面的研究力度也在不断加大。 1 9 9 7 年台湾学者f u h - m i nf a n g 和d yw a n g 用大涡模拟的方法研究了垂直 开孔平板的挡风效果【2 0 1 ，指出当开孔板的开孔率增大时，由于挡板而产生的涡有 被拉长的趋势。 北京大学环境学院的宣捷等人在起尘问题上，做了一系列重要的实验工作。 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，得出结论低层大 气的高湍流造成的风力的扰动是起尘的主要原因之一，建筑物和地形起伏造成湍 流尾流并增大风速的垂直分量，另外，煤堆的几何形状也对风压和摩擦力的分布 有重要影响【2 4 】。 1 9 9 3 年他们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 6 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，煤堆周围和厂区内多植树有助减少煤粉起尘，因为植物对气流的垂直扰动 有阻挡作用，煤堆表面喷水也可以减少起尘【2 卯。他们还得出金属网障对起尘的抑 制作用不大这一值得商榷的结论。在他们的这次实验中金属网后方的气流速度有 明显下降。 随后1 9 9 7 年宣捷等专门针对风障对起尘的影响的风洞实验2 7 i 咔，他们得出 了进一步的结论。他们这次新的实验表明，风障的屏蔽作用取决于风障的孔隙率 和孔径雷诺数。 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纠2 羽，除本文前面 提到的些结论外，他还指出了风障的宏观吸附效应，即有一定顺风向厚度的风 障除了有使背风侧平均风速的减小的作用外，还使最终进入空气的灰尘减少。 此外，还有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【2 9 1 。 程健敏对张家浜码头应用挡风网技术进行了可行性分析3 们，认为张家浜码头 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。他还在一篇关于挡风墙的综述中指出，挡风网的最 5 浙江大学硕士学位论文 佳开孔率为0 4 至0 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的明确的实验依据，只能当作经验来参考。 邢志刚等在2 0 0 4 年给出了煤灰的起尘风速为3 m s 至6 m s 3 2 1 。 还有值得关注的是2 0 0 3 年北京大学林官明等在边界层风洞中模拟了防风网 附近的湍流流动【3 引，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。 近年随着计算机技术的发展，力学中开始出现计算流体力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s ，c f d ) 这一分支，人们得以利用计算机来实现很多模型的数字化 模拟，c f d 技术给人们提供了一条新的探求未知世界的途径。对比实验研究， 计算机模拟成本低，耗时短，可以轻松的改变模型中的参数。数值模拟已经成为 科学工作者的有力武器，是研究人员们手中和理论推导、实验实证同样举足轻重 的工具，是第三个法宝。从而，人们在研究挡风墙的挡风效果时，风洞实验不再 是唯一的途径，国内外的学者都通过c f d 这一有力的武器在挡风墙的研究方面 取得了突破性的进展。 比如同济大学任怡雯等对上海地区露天堆料场内的挡风墙进行数值模拟研 究【1 0 】，分析了风速以及挡风墙的几何因子对于挡风效果的影响，主要讨论了墙的 厚度和高度对挡风效果的影响。 杨鑫炎等，以沙漠铁路为背景模型，模拟了铁路路基挡风墙的抗风性能，并 且比较了挡风墙实际的各种施工形式的防风性能的差别【l ”。 姜翠香等，同样以西部铁路为背景讨论了挡风墙高度对挡风性能的影响住】。 他们在研究中指出挡风墙高度太小，会起不到挡风的效果，而高度太大，会产生 使车厢向挡风墙一侧倾倒的力矩，他们就特定的模型找到了一个这二者之i 日j 的平 衡点，即一个最佳高度。并且指出这个最佳高度随着挡风墙离车厢的水平距离而 变化，同时也指出挡风墙最佳高度与这一水平距离之间的关系为三次近似的三次 多项式关系。 s a l h a j r a f 等建立了开孔率为5 0 的挡风板平板模型，分别从二维和三维角 度出发，研究了只有一层挡风板，和有两层挡风板时，固体粒子在挡风板周围的 穿透和沉积现象【l ”。 6 浙江大学硕士学位论文 u b o l d e s 等设计了一个实验【4 】，通过人工控制生成一束较稳定的圆柱形涡 流，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。 值得特别关注的是南韩的几位学者在这一领域里面所做的持续性工作。 1 9 9 8 年s a n g - j o o n l e e 和c h e 0 1 w o o p a r k 通过实验【1 4 1 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、速度等等参数， 并得出结论，平板开孔率为4 0 至5 0 时，到底棱锥表面的气流压力会被最大 程度的衰减。他们随后的进一步实验【15 】又表明，如果在棱锥后方在添置一个开孔 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 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 m 利用p 1 v 设备对一个湍流尾 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 l 。 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6 1 ，根据当地两年以来的气象数据给定边界层来 流条件，测定结果是设置了开孔率为4 0 的挡风墙时，到达煤堆表面的气流压 力和煤堆表面的剪切应力比没有挡风墙时下降了一半。并且给出建议，应该在煤 堆的四周设置挡风墙，以应付可能的各种风向，还有，在连续的超过5 个煤堆的 大型露天煤场，应该考虑在煤场中部也建立一堵挡风墙。 2 0 0 1 年s a n g j o o nl e e 和h e e c h a n gl i m 用有限体积法和r n gk - e 湍流模 型，并运用结构化网格，对开孔平板后方放置三角锥在大气边界层来流条件下的 流场进行了数值模拟【1 7 】。得出的结是开孔率为0 3 至0 5 时的挡风板具有最佳的 挡风效果。h y o u n g - b u mk i m 和s a n g - j o o nl e e 还通过p t v 实验装置针对三种不 同孔径，同时却有相同开孔率的开孔平板在模拟的大气湍流边界层条件下，在水 槽中进行了实验研究【”】，最后得出结论，在来流由开孔平板顶端而引起的剪切层 中，开孔最小的平板的湍流度最高。h y o u n g - b u mk i m 和s a n g - j o o nl e e 还实验 测试了同一平板开孔率不均匀时带来的影响f 5 】，他们在实验中将一块开孔平板分 为三段，每段的开孔率都不同，然后保持其中两段的开孔率不变，使另外一段板 的开孔率变化，由此进行了3 组实验。 2 0 0 2 年s a n g - j o o nl e e 和k i c h u lp a r k ，c h e o l w o op a r k 一起对平板挡风板 对沙堆的起尘的阻挡作用进行了实验研究【1 9 】，实验中改变沙堆的高度已经平板的 7 浙江大学硕士学位论文 开孔率，并使用不同粒径的沙子进行了实验，最后得到和临界起尘风速相关的系 列结论。在j x l 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，沙堆背风面的涡区的大量沙粒迅速地逃逸。在实验中还 发现，当平板开孔率为3 0 时，临界起尘风速最大，也即此时挡风效果最佳。 当平板开孔率超过3 0 时，临界起尘风速近似地与沙粒的粒径成正比。 综合以上内容可以看出，计算流体力学学科的发展给挡风墙的研究带来了新 的活力。c f d 学科的发展和实验技术的不断提高，如热线风速仪等新型测试设 备的出现都推动着挡风墙的研究的进步。在以上提到的代表性的研究中，主要研 究内容都是关于平板挡风板的挡风效果的机理性的实验研究，以及少量的数值模 拟研究，风洞实验的实验数据比较分散，研究人员都非常关注开孔率、挡风墙的 高度和布置情况、物料料堆的高度等对挡风效果的影响。这些都为本论文的工作 的开展提供了很大的参考价值。 1 4 本论文的主要工作 在以上提及的关于挡风墙的数值模拟研究中，对挡风板形状对挡风效果的影 响的讨论较少，同时对挡风墙高度的讨论也不够完整，对煤粉颗粒在流场中的运 动的讨论也不够充分。 具体来说，本论文的主要工作分为两个部分，分别是从小尺度上和大尺度上 用计算机数值模拟的方法研究了挡风墙的挡风效果。 第一部分主要是小尺度上的研究，具体以挡风墙的基本构成单元挡风板为原 型，截取一块长条挡风板中包含相关几何参数的一小段作为研究对象。对不同几 何参数的单层蝶形挡风板进行了模拟，并对夹层挡风板、圆截面挡风板进行了试 验性的研究。小尺度研究对象的形状如图3 所示。由于它们在z 方向及y 方向都 具有对称性，因此在具体计算时我们只截取了其四分之一，如图4 所示。 第二部分内容是从大尺度上对挡风墙进行了数值模拟研究。具体是对单堵挡 风墙模型，以及挡风墙和煤堆模型进行了模拟，对比了不同挡风墙高度，不同入 口风速，不同煤粉粒径时的挡风和抑尘效果。 以浙江宁波北仑电厂为例的挡风墙大尺度计算模型如图5 中所示。 浙江大学硕士学住论文 图4 挡风板模型的简化 图3 挡风板模型 9 图5 北仑电厂挡风墙示意图 浙江大学硕士学位论文 第二章理论模型与控制方程 煤粉在来流作用下起尘、迁移属气固两相流动现象，因而本文采用气固两相 流动基本理论进行分析。 2 1 气固两相流理论概述 气固两相流中根据对固相处理方式的不同，气固两相流动的研究可以主要分 为两种方法。一是把气相视为连续介质的同时，把固体相的颗粒作为离散体系， 来探讨颗粒轨迹等探讨颗粒动力学问题。二是把固体相的颗粒也当成连续介质来 考虑，对于颗粒相浓度较高时比较适用。这两种方法分别被称为基于欧拉一拉格 朗日体系的颗粒轨道模型和基于欧拉一欧拉体系的双流体模型。 颗粒轨道模型的基本假设有，颗粒相是离散体系，气相与颗粒间有速度和温 度滑移；具有相同初始尺寸的颗粒在运动中具有相同的速度和温度等。 表1 颗粒相模型 颗粒对流体 颗粒 模型 处理方法 相间滑移 坐标系 的作j i j输运性质 单颗粒动力 离散体系忽略有拉格朗目 无 学模型( 冻结扩散) 有( 滑移等于有( 扩散等于 小滑移模型连续介质忽略欧拉 扩散) 滑移) 有 无滑移模型连续介质部分考虑无 欧拉 ( 扩散平衡) 确定轨道：无 轨道模型离散体系考虑有拉格朗日 随机轨道：有 拟流体模型连续介质考虑有欧拉有 双流体模型中固相被当作充满整个流场的连续介质来考虑。双流体模型适合 任何二元混合物的连续介质性研究，但此模型包含的变量多，方程复杂，求解过 程困难。而且因相问交界面的不连续性，其封闭方程往往带有一定的不确定性。 双流体模型从无滑移模型，小滑移模型，和滑移模型发展而来。无滑移模型 i o 浙江大学硕士学位论文 完全的忽略颗粒相与流体相之间的滑移，认为颗粒的时均速度等于当地的流体速 度，最终求解的结果往往与实验相差较大【3 ”。小滑移模型考虑了颗粒相与气相时 间的速度和温度的滑移，认为滑移是由于颗粒相对于整体的湍流扩散作用所致。 滑移模型是最为合理的双流体模型，它认为两相之间的相对滑移包括两相因为初 始动量不同而引起的时均速度的滑移，它还考虑了颗粒相的湍流扩散，因此与实 际情况更为接近。表lp 6 1 为基本的颗粒相模型分类，供参考。 本论文采用单相耦合的欧拉一拉格朗日颗粒随机轨道模型，考虑气相对颗粒相的 作用。计算中先对气相流场进行模拟，再对颗粒的起尘和运动进行跟踪。 2 2 气相场的控制方程 2 2 1 湍流的数值模拟方法 湍流是自然界中普遍存在的现象。在湍流运动中，大量的涡叠加在一起并不 断破碎、合并。其中最大的涡的尺度由宏观的流动环境确定，最小的涡的尺度由 流体的粘性确定。湍流一种流动形态，其特点为随机性，扩散性，有涡性，和耗 散性。同时，湍流的最小时间、空间尺度都远大于分子热运动的尺度。湍流也被 称为紊流。 研究湍流的目的是为了能预测和控制自然界中的各种复杂湍流。用理论解析 解对湍流的统计特性进行预测大多数情况下都还行不通，因此，实验测量和数值 模拟成了研究湍流的必要手段，具体的数值模拟方法有直接数值模拟，大涡模拟 和雷诺平均法。 直接数值模拟( d i f o c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 对湍流流场进行完全的整 体的数值模拟。其误差仅来源于数值方法引入的误差，而没有其它简化或近似。 d n s 可以获得每个瞬间全流场的各个运动学参量信息，以及某些通过实验还难 以测得的量。其结果往往被当作来检验现有的湍流模型的评价工具。然而受到计 算机的容量与运行速度的限制，目前还只能通过d n s 方法求解一些简单流场。 大涡模拟( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n , l e s ) 采用比直接数值模拟稍大的亚网格尺 度，得到较大尺度的涡结构，小于网格尺度的涡结构则无法得到。其基本思想是 用瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程直接模拟湍流中的大涡，不直接模拟小涡，小涡对大 涡的影响只用近似的模型来考虑。使用l e s 方法的前提是流动过程中动量，质量， 浙江大学硕士学位论文 能量主要由大尺寸漩涡传输，大涡在流动中起主导作用，且大涡的生成主要由湍 流场的几何尺寸和边界条件决定，小涡不起主导作用。大涡模拟不如直接数值模 拟精细，但对计算机速度和容量的要求却有所下降。 雷诺平均法( r e y n o l d s a v e r a g e dn a v i e r - s t o k e s ，r a n s ) 是目前使用最为广泛的 湍流数值模拟方法。由于n a v i e r - s t o k e s 的方程的非线性使得用解析的方法精确 描写三维的，时间相关的全部细节非常困难，而从工程应用的角度来看，湍流产 生与发展的细节比流场宏观的时均特性，显得更为次要，因此，我们可以求解时 均化而非瞬态的n a v i e r - s t o k e s 方程，主要考察时均量而非脉动量。这就是雷诺 平均法。它从雷诺时均方程出发建立湍流模型。即根据理论和经验对雷诺平均运 动方程和脉动方程的某些项提出假设，以使方程组封闭，从而进行求解 2 h 。一 般是利用假设，将方程中高阶未知关联项用低阶关联项或时均量来表达，从而使 方程封闭。由于雷诺应力的主要来源是大尺度的脉动，而大尺度脉动的性质和流 场的边界条件密切相关，所以雷诺应力封闭模式缺乏普适性。 总体而言，直接数值模拟的网格尺度最小，最为精细，同时计算成本也最高； 雷诺平均法的网格尺度最大，计算成本最小；大涡模拟网格尺度和计算成本都介 于以上两者之间。直接数值模拟可以计算出所有湍流脉动信息，也可以通过统计 可以给出所有平均量；雷诺平均法只能给出平均量；大涡模拟可以给出大于惯性 子区尺度的脉动信息，也可以通过统计计算给出部分平均量。直接数值模拟是模 拟湍流的最理想方法，原则上可以求解所有湍流，不存在封闭性问题，但对计算 机的容量和速度要求很高。雷诺平均法比较便捷，但是缺乏普适性。 表2 给出了湍流数值研究方法的分类。 在雷诺平均法中，又发展出了很多不同的湍流模型，主要的有雷诺应力模型 ( r e y n o l d ss t r e s sm o d e l ，r s m ) ，代数应力模型( a l g e b r as t r e s sm o d e l ，a s m ) ，和涡 粘性系数模型。 雷诺应力模型直接构造关于雷诺应力项的方程，即雷诺应力方程。雷诺应力 模型具体需要求解1 个连续性方程，3 个动量方程，6 个雷诺应力方程，k 方程 和e 方程，一共是1 2 个方程，1 2 个未知量f 2 1 】。对这些方程各个项的进行分析后 可以发现，造成计算量大的雷诺应力微分项只是在对流项和扩散项中才有。如果 在特定条件下可以消去这两项，那么关于雷诺应力的微分项就会消失，原微分方 1 2 浙江大学硕士学位论文 程变成了代数方程，这就是代数应力模式。由于实际流场中，可以消去对流项和 扩散项的情况并不多，所以代数应力模型的应用范围较小。 和雷诺应力模型不同，涡粘性系数模型不直接处理雷诺应力项，而是引入湍 动粘度( t u r b u l e n tv i s c o s i t y ) 的概念，然后把湍流应力表示成湍动粘度的函数，整个 计算过程的关键在于确定湍动粘度。 表2 湍流数值模拟方法分类 湍流数值模拟方法 直 接 数 值 模 拟 ( d n s ) 非直接数值模拟 大 涡 模 拟 ( l e s ) 统 计 皿 均 法 雷诺平均法( r a n s ) 雷 诺 应 力 模 型 ( r s m ) 代 数 应 力 模 型 ( a s m ) 涡粘性系数模型 零 方 程 模 型 方 程 模 型 两方程模型 正e 我们熟知在层流中切应力与速度梯度的关系为f j = 华，其中i l 为流体的 口v 粘度，下标l 表示层流。j b o u s s i n e s q 最早想到了在湍流中也建立一个类似的关 系式来表征雷诺应力与时均梯度的之间的关系。他即在此处引入了湍动粘度的概 念。湍动粘度一般用i i 。表示，下标t 表示湍流。湍动粘度也被称为涡粘性系数。 由此得到雷诺应力与时均速度的梯度的关系式如下 f f ：以拿：一p u v 1 t 2 p l i 一 ( 2 6 ) 这就是b o u s s i n e s q 假定。此处湍动粘度t tt 即与层流中的流体粘度u 对应。 但流体粘度i i 是流体的物理属性，与流动的情形无关。而l jt 并不代表流体的物 理性质，而是反应了湍流的流动特性，取决于湍流的时均速度场和几何边界条件。 对于不同的流动，和同一流动中的不同位置，pt 都不相同。 浙江大学硕士学位论文 引入b o u s s i n e s q 假定后，计算湍流流动的关键便在于如何确定u 。涡粘性 系数模型即是把u ，与湍流时均参数联系起来的关系式。根据确定u 。所需的微分 方程数目，涡粘性系数模型又可分为零方程模型，一方程模型，两方程模型。 零方程模型是指用代数关系式而不是微分方程把湍动粘度和时均值关联起 来的模型。零方程模型中，最著名的是p r a n d t i 在1 9 2 5 年提出的混合长度理论。 p r a n d t l 想象流体微团在湍流运动中与气体分子一样，运行一段距离后，才与其 它质点碰撞发生动量交换，失去原有的流动特征。流体微团运行的这个距离即为 混合长度。它仍然是未知量，只能由实验或经验公式确定。混合长度理论把混和 长度类比于分子自由程，把湍流脉动速度类比于分子热运动平均速度。混合长度 模型已经较好的应用在了边界层和自由剪切流场中，但这一模型对反应湍流的实 质和机理有一定缺陷。此后还有1 9 3 2 年t a y l o r 的涡量输运理论，和1 9 3 0 年v o n k d n m d n 的相似性理论【2 2 l 。 零方程模型中湍动粘度和混合长度都把雷诺应力和当地平均速度梯度相联 系，是一种局部平衡的概念，忽略了对流和扩散的影响。为了弥补混和长度理论 的局限性，再建立一个湍动能k 的输运方程，p 。表示成k 的函数，从而使方程 组封闭。具体如下： 掣+ 掣。考眦+ 拿毒+ 鸬c 考+ 等，i o u l 一鹏字亿，、 “= p c 4 k l ( 2 8 ) 上面第一个方程中各项依次为瞬态项，对流项，扩散项，产生项，耗散项。第二 个方程即为k o l m o g o r o v p r a n d t l 表达式。经验常数ok = l ，c 。- - 0 0 9 ，c d 取0 0 8 至o 3 8 。以上两个方程即构成一方程模型。一方程模型考虑至q 了对流和扩散，比 零方程模型更为合理。 双方程模型是在一方程模型的基础上再增加一个方程。典型的双方程模型有 k - 模型，k - 国2 模型( 3 4 l 等。 2 2 2 标准k - e 模型与气相控制方程组 标准k 。模型由l a u n d e r 和s p a l d i n g 在1 9 7 2 年提出。这个模型一经提出， 便在工业流场和热交换模拟等领域中迅速得到了广泛的应用。它的适用范围广， 1 4 浙江大学硕士学位论文 经济，且精度合理。 在标准k e 模型中表征湍动耗散率的e 被定义为 s ：丝( 挈) ( 挈) ( 2 9 ) p 出tc k k 和成为两个基本的未知量，关于k 和的方程分别为 昙( 脚+ 毒( 砌弘考眦+ 等) 考】+ q + g 一班一蝇 ( 2 1 0 ) 昙( 伊) + 毒( 倒沪苦卧+ 丝o r e ) 罢o x j 】+ c l 。詈( q + g 。g b ) 一c 2 。p 譬+ 疋( 2 - 1 1 ) 湍动粘度i l 。由下式确定 驴。专 ( 2 1 2 ) 以上表达式中的常数有c l 。= 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ，巳卸0 9 ，o r k = 1 0 ，吼= 1 3 。 式中g k 是由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项，g b 是由于浮力引起 的湍动能k 的产生项，对于不可压流体g b 卸。 从而标准k - e 模型的控制方程组可以表示为 旦婴+ d i v ( p u 妒) = d i v ( f g r a d ( b ) + s ( 2 1 3 ) 以上这个带散度符号的式子表式了连续性方程、动量方程、能量方程、k 方 程和e 方程，以及对湍动粘度l a 。的定义方程。如果需要考虑传质或者由化学变 化，则应该加入传质方程。表3 对这个