（水利工程专业论文）港口散货堆场防风网板工艺及建设方案优化研究.pdf

中文摘要 目前，我国港口大型散货堆场防风网建设尚属起步阶段，对大型散货堆场防 风网的技术研究起步较晚，本文以现有的国内外研究成果为基础，应用风洞模型 试验，数值模拟和理论研究，形成了适用于各种散货堆场的防风网板参数优化技 术以及防风网建设方案的优化技术，其主要研究内容包括了防风网板工艺研究以 及防风网建设方案优化研究。 防风网板工艺研究是通过模型设计与制作，对不同开孔率、不同开孑l 形状、 不同的开孔丰i i e n 方式进行试验，通过布设的风速测量点取得的数据，得出最佳的 防风网开孔率、开孔形状、开孔排列方式。 防风网建设方案优化研究是通过对平面布置方案和高度方案进行数值模型、 物理模型风洞试验，获得煤堆场的平均风速分布情况，进而计算得到该种方案对 静态煤堆场的抑尘率。同时通过物理模型对数值模型进行优化，并利用优化后数 值模拟方法，对待选方案再次进行优化确定最终方案。 防风网网板工艺研究及建设方案优化研究的理论及结果完全可以用于指导 工程建设，并已在曹妃甸港防风网建设方案研究以及天津神华煤炭码头防风网工 程方案研究中得到了应用，在防风网工程相关问题的研究上有较高的推广价值。 关键词：防风网；建设方案；模型试验；数值模拟 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sa n dt e c h n i c a lr e s e a r c ho fw i n d p r o o fn e t o nt h el a r g e s c a l eb u l ks t o r a g ey a r do fp o r ti sj u s ta tt h ei n i t i a ls t a g ei nc h i n a b a s e d o nr e l e v a n td o c u m e n t s ，t h i sp a p e rw h i c ha p p l i e sm o d e lt e s to fw i n dt u n n e la n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na sw e l la st h e o r ys t u d y , f o i t n st h eo p t i m i z e dt e c h n i c a lu s e db y t h ew i n d p r o o fn e tb o a r dp a r a m e t e ro nv a r i e sb u l kc a r g os t o r a g ey a r d sa n dt h e o p t i m i z e dt e c h n i c a lo ft h ew i n d p r o o fn e tc o n s t r u c t i o ns c h e m e t h er e s e a r c hm a i n l y c o n t a i n st e c h n i c a ls t u d yo fw i n d p r o o fn e tb o a r da n do p t i m a ls c h e m eo fw i n d p r o o fn e t c o n s t r u c t i o n t h et e c h n i c a ls t u d yo fw i n d p r o o fn e tb o a r di st h a tc o n d u c tt e s tb yu s i n gd i f f e r e n t o p e nh o l er a t i o ，d i f f e r e n to p e nh o l es h a p ea n dd i f f e r e n to p e nh o l ep e r m u t a t i o ns h a p e o ft h ed e s i g n e dm o d e l ，a n dg e to p t i m a ld a t at h a tb e s to p e nh o l er a t i o ，o p e nh o l es h a p e a n do p e nh o l ep e r m u t a t i o ns h a p eo ft h ew i n d p r o o fn e tb ya r r a n g i n gm e a s u r i n gp o i n t o fw i n ds p e e d t h eo p t i m i z e dr e s e a r c ho fw i n d p r o o fn e tc o n s t r u c t i o nu t i l i z e st h es c h e m eo fp l a n e l a y o u ta n dh e i g h tt od ot h et e s to fw i n dt u n n e l ，a sp h y s i c a lm o d e l ，a n dg e tt h ea v e r a g e w i n ds p e e dd i s t r i b u t i o no nt h ec o a ly a r da n dt h ed u s ts u p p r e s s i o nr a t i oo fs t a t i cc o a l y a r db yc a l c u l a t i n g m e a n w h i l e ，t h ep h y s i c a lm o d e li sa p p l y e dt oo p t i m i z et h e n u m e r i c a lm o d e l t h e r e f o r e w ec a na p p l yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot a k et h ep l a c e o ft h et e s to fw i n dt u n n e l a n dt h eu s a g eo fm e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw h i c hh a s b e e no p t i m i z e d ，w eh a v ea n o t h e rt e c h n i c a lo p t i m i z i n gf o rt h ep e n d i n gs c h e m et o d e t e r m i n et h ef i n a lo n e t h er e s u l t so fw i n d p r o o fn e tb o a r dt e c h n i c a lr e s e a r c ha n dt h et h e o r yc o u l d c o m p l e t e l yb ea p p l i e dt o i n d i c a t et h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，w h i c hh a db e e n a l r e a d y a p p l i e dt ot h er e s e a r c h o fw i n d p r o o fn e ts c h e m ea n dt h e d e s i g n o f c o n s t r u c t i o nd r a w i n ga tc o a iy a r do fc a o f e i d i a np o r t b e s i d e s i ta l s oh a db e e na p p l i e d t ot h er e s e a r c ho fw i n d p r o o fn e tp r o j e c ts c h e m eo fs h e n h u at i a n j i nc o a lt e r m i n a l t h e r e f o r e ，i th a sag r e a tv a l u eo fb e i n gw i d e l ya p p l i e df o rt h er e l e v a n ti s s u e so f w i n d p r o o f n e tp r o j e c t k e yw o r d s ：w i n d p r o o f n e t ；c o n s t r u c t i o ns c h e m e ；m o d e lt e s t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 。 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含获得丞洼太堂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 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：汤多 签字同期：矽7 年月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 丞洼太堂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，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名： 刁差 导师躲小0 签字同期：勿圹年月z 同签字同期：五矽7 年月易同 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出 大气污染不是一个新问题，从工业革命大量使用煤作为能源开始，大气污染 就已存在。3 0 0 多年前著名科学家和日记作家约翰伊凡林在一本名为驱逐烟气 的小册子中描述了伦敦的大气污染以及烧煤所造成的危害，但由于当时全球的大 气污染还不是很严重，没有引起人们的足够重冽1 1 。到了2 0 世纪，一些著名的 大气污染事件：马斯河谷烟雾事件，多诺拉烟雾事件，伦敦烟雾事件、洛杉机光 化学烟雾事件以及四日市事件的不断发生【2 3 】。全球的大气污染问题日益严重， 造成的危害也逐步得到了科学证明，大气污染问题才日益受到各国政府和民众的 重视，并成为全球关注的重大环境问题。 我国大气污染不容乐观，其状况位于世界上少数最严重的国家之列。目前大 气污染中最主要的污染物为总悬浮颗粒物( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c l e ) ，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( 0 2 0 r a g m 3 ) 占统计城市的6 0 。其中9 7 个测试城市的年均t s p 对城市空气的综合污染指数 ( 根据三类污染物：总悬浮颗粒物、二氧化硫和氮氧化物计算所得) 的年均贡献率 超过4 6 ，而另外两种污染物贡献率只有2 8 和2 5 1 4 1 。 大气中的颗粒物污染按来源可以分为三个部分：一是人为源，包括燃料燃烧、 工业生产过程排放的烟尘和交通运输中车辆排放的尾气等；二是扬尘，主要包括 由露天开放性堆放尘源、城市建筑施工、裸露地面以及其它人为排放的颗粒污染 物沉降等方面产生的尘粒在风力和车辆跑动等外力作用下形成的扬尘；三是其它 原因产生的颗粒物，如植物花粉、孢子、各种生物气溶胶以及土壤、沙漠风蚀所 引发的尘粒【5 - l 。而扬尘已成为我国港1 3 地区颗粒物污染的最重要来源 5 12 1 。在 我国主要港口中，各类物料堆放场随处可见，并且大多数都没有采取有效的防尘 措施。由于它们的无组织排放，使得这些场所的扬尘对大气颗粒物污染的贡献率 在冬季占到4 0 之多。 我国是一个发展中大国，也是一个能源消费大国。1 9 9 5 年能源消耗量达1 3 1 2 亿吨标煤，居世界第二位，其中煤炭消费量达1 3 7 7 亿吨，居世界第一位【l 玉1 4 】。 根据国家经济、社会发展战略和有关部门的计划和预测( 见表1 1 ) ，进入2 l 世 纪后，我国以煤为主的能源格局不会发生很大变化；与此相关，联合国环境署援 助中国开展的“中国能源规划中统筹考虑环境因素”项目，在考虑了我同的环境 政策和控制措施下得到的主要污染物排放量预测结果见表1 2 1 1 5 j 。 第一章绪论 表1 1我图能源煤炭消费需求预测 项目1 9 9 5 生2 0 0 0 年2 0 1 0 焦2 0 2 0 正 g n p 增长率( ) 8 976 能源消费弹性系数 o 5 5 o 4 50 5 0 4 30 4 5 0 4 0 能源消费量( 亿吨标煤) 1 3 1 1 21 6 0 1 6 7 2 1 0 - 2 4 0 2 7 o 3 1 0 其中煤炭消费最( 亿吨) 1 3 7 71 6 0 1 7 02 0 0 2 3 o2 5 o 2 8 o 表1 2 我国丰要污染物排放量预测 项目 1 9 9 0 笠2 0 0 0 钲 2 0 1 0 年 2 0 2 0 焦 s 0 2 ( 万吨) 1 6 2 32 3 8 03 1 0 93 5 5 2 n o x ( 万吨) 9 1 11 5 6 02 1 9 22 8 3 9 尘( 万吨)1 1 4 9l7 9 92 4 5 92 9 6 3 由以上两表可见，由于经济的快速增长，我幽煤炭消耗量会持续增加，相应 污染物排放量也会成倍增长，尤其近2 0 年来，能源消费与环境保护的矛盾已日 渐凸显【1 6 】。 粉尘是影响人体健康的主要大气污染物之一，也是目前我国港口大气污染控 制的首要污染物1 1 7 之1 1 。根据对沿海各主要港口分别于8 0 年代和9 0 年代进行的两 次大规模的系统污染调查认为，粉尘污染是各主要散货运输港口普遍存在的问题 【2 2 2 3 1 。但是，由于各港口营运的散货品种繁杂，装卸工艺和运输设备各异，不 同港口粉尘污染的程度也有很大差别。另一方面，如前所述，我们是以煤炭为主 要能源结构的国家，据预测，我国煤炭储量在8 0 0 多亿吨，储量和产量分布很不 均衡，7 0 的煤炭储量和4 5 的产量集中在北方和中西部的煤炭基地，而煤炭消 费地区主要集中在东南部沿海经济发达地区，这就决定了我国煤炭北煤南运、西 煤东运、铁海联运的基本运输格局【2 强6 1 。根据统计资料，1 9 9 0 年煤炭经港口的 海运量仅6 0 0 0 万吨，1 9 9 5 年沿海港口煤炭吞吐量猛增至2 3 亿吨，2 0 0 0 年沿海 港口煤炭吞吐量超过5 0 亿吨。如此大运量的煤炭装卸与储运，加上技术水平参 差不齐的作业设施，导致港口产生大量的煤粉尘1 27 。2 9 1 。1 9 9 3 年的统计资料表明， 该年度沿海港口粉尘产生量约6 1 万吨，而煤粉尘就有4 2 万吨，占总尘量的 6 8 9 。 港口是国家经济通往世界的桥梁和窗口，是连接海洋的交通运输水陆枢纽和 城市的门户，在城市及国民经济发展中占有非常重要的地位。港口的建设发展同 样也带来了包括粉尘污染等一系列环境问题【30 1 。自2 0 0 4 年起，我国港口货物吞 吐量连续稳居世界第一位【3 1 _ 2 1 。2 0 0 6 年全国港口完成货物吞吐量5 5 7 亿吨，其 第一章绪论 中散货吞吐量达到3 1 4 亿吨，比上年增长1 3 9 ，在港口货物吞吐量中所占比重 为5 6 4 。散货物料包括矿石、水泥、熟料、煤炭、化肥等( 本次以煤炭作为散 货的代表性物种进行研究) ，散货运输具有运量大、成本低、效率高的特点，但 是散货运输对环境的影响却不容忽视。散货装卸运输过程中产生的各种粉尘直接 污染了码头周边环境，并对港区作业人员身心健康造成了极大影响，已成为建设 环境友好型港口迫切需要解决的问题 3 3 】。 目前国内港口在粉尘污染的治理上，采取的措施主要针对有组织排放源【3 4 1 。 而对于露天堆料场这样的开放性尘源的控制尚无系统地研究及相关控制方法。粉 尘治理技术方面国内外港口散货堆场主要采用干式除尘方法和湿式除尘方法，目 前港口煤尘湿式除尘系统在港口整个煤炭装卸运输产生工艺线及对场地的各起 尘环节均有分布，使用中发挥了一定的作用。而对无组织源具有较好防治效果的 防风网工程建设，尤其对于超大规模堆场的防风网工程，因受到其关键技术的制 约，使我国港口防风网建设工程的实施难以实现。因此，针对我国港口散货堆场 防风网建设关键技术的研究，对于推动我国防风网工程的实施及控制我国港口主 要粉尘污染，非常适时、必要1 3 5 j 。 而防风网工程建设的关键技术的缺乏制约了我国港口防风网建设工程的实 施1 3 6 1 。近年来我参与了交通部天津水运工程科学研究所组织的港口散货堆场 防风网建设关键技术的课题研究，并依托曹妃甸港、天津港工程实例进行了深 入研究。本次研究成果将有利于指导港口煤炭堆场的合理规划，有利于港口的规 划和发展。并将对港口煤炭粉尘的无组织排放源的治理提供新的方法，进一步提 高港口煤炭粉尘治理的效率；通过本部分的研究并实施相关技术，具有较好的经 济效益。同时将指导港口的防风网工程的设计及建设。将对改善港口堆场附近居 民的生活环境、减小粉尘对港口附近的水域污染、减少煤炭的损失、改善大气环 境等方面具有积极的作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 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。其中日本、美国开展的工作较多。早在上世纪7 0 年代，日本技 术人员通过大型煤堆场的煤尘飞散预测和控制的研究，筛选出了具有良好抑尘效 果的风障的形状，提出了露天贮煤设备防止煤尘飞散方法概要，并将防风网技术 应用于控制港口露天煤堆场的粉尘污染上【37 1 。美国国家环保局于1 9 8 6 年提出了 防风网的一系列设计参数和标准，供设计部门采用1 38 3 9 j 。 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 第一章绪论 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 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“”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 r a m 厚的镀锌板，压制成大波纹多孔板，网开孔率为 4 0 6 0 ，在防风、抑尘方面均取得了较好的效果【4 叭4 1 1 。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 的防风网，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f 4 。 1 2 2 国内研究现状 在国内，防风网的技术研究起步较晚，对其防尘机理、网材加工工艺、工程 设计的研究较少。交通部水运科学研究所于9 0 年代初与北京大学环境科学中心 环境空气动力学研究室合作，结合秦皇岛码头煤堆场设置防风网工程对防风网的 防尘机理、防风网的主要结构参数，如特征开孔率、防风网材质和防风网对煤堆 场减尘效果等作了一系列的研究工作瞰】。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方面也开展了一些研究工作【4 2 | 。 国内开展防风网防尘技术的研究，主要是结合一些工程可行性研究的需要开 展技术验证工作。通过工程实际运行参数，对防风网的技术逐步加以改进和完善， 并完成了一些技术验证工作。防风网在我国港口工程中的应用刚刚起步，其设计 经验缺乏，计算方法不成熟。 2 0 0 6 年1 1 月天津港南疆散货物流中心最大的第三卸车场防风网工程竣工。 该工程采用单层柔性抑尘网，总长2 6 1 5 米，总高9 米，防护面积达2 4 1 4 3 2 平方 米，相当于3 4 个标准足球场的面积1 4 引。 工程实例在2 0 0 8 年较多，其中已竣工的项目为秦皇岛港煤三期防风网工程 经过近三个月的正常运行后于2 0 0 8 年1 0 月9 日顺利通过竣工验收。该防风网总 长1 7 1 7 1 5 延米，高2 3 米，是目前世界最大的防风网工程。该防风网在国内技 术领先，每年可直接减少粉尘排放2 0 0 0 多吨。工程自2 0 0 8 年7 月1 5 日主体竣 工并投产运行以来，有效降低了秦港煤三期堆场的粉尘排放量，防风、抑尘效果 良好，大幅度提高了秦皇岛港东港区的抑尘率，改善了秦皇岛的大气环境质量， 为确保奥运会期间的空气质量起到了积极作用，为秦皇岛建设沿海环保旅游城市 提供了有力保障。 京唐港3 0 0 0 万吨级( 3 2 3 4 号) 煤炭泊位防风网工程于2 0 0 8 年8 月3 0 日竣 第一章绪论 工，通过了业主和监理的初步验收。该防风网工程为5 l o 米长试验段，高1 9 7 米，集中体现了3 种网片形式，硬网二种( 防风网和抑尘网) ，软网一种( 复合 纤维结构) 。 曹妃甸煤码头防风网工程于2 0 0 8 年9 月开始施工，该防风网总长2 7 2 4 米， 分布于煤码头起步工程堆场的东、南、北三侧。其中东侧防风网高2 3 米，长1 4 1 0 米；南侧防风网高2 3 米，长6 8 7 米；北侧抑尘网高1 7 米，长6 2 7 米。工程建 设范围包括面层与基层的拆除和恢复、基础灌注桩、基础承台及地梁、上部钢结 构安装等。该防风网的建设将有助于提高曹妃甸煤码头粉尘污染的治理水平，减 轻对港区附近空气环境质量的影响，对实现曹妃甸煤码头的可持续发展和建设循 环经济示范区具有重要意义。 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。 1 3 本文的主要研究内容 1 3 1 防风网板工艺研究 防风网是由防风板拼接而成，防风板的开孔率、板型、开孔形状等参数对防 风网的防尘效果和使用寿命有直接的影响。本文的防风网板工艺研究是通过防风 网单板板型风洞试验研究比较防风网不同开孔率、不同开孔形状、不同折角和不 同孔径的防风网实型尾流特性，以确定适合的防风网板型。 1 3 2 防风网建设方案研究 防风网研究在国内比较落后，现还处于初步研究阶段，还无统一的标准和规 范可以依循。本次防风网建设方案的研究主要以五步逐层优化技术为方法，以防 风网的防尘效果为主要依据，对防风网建设方案进行优化。 通过逐层优化技术，最终确定防风网的建设方案。具体步骤如下：第一步： 在现场调查分析的基础上，根据堆场的大小、形状和当地的风向、风频等气象条 件初步确定若干个防风网初步方案；第二步：用大尺度的数值模拟计算方法对各 种方案进行初选，收缩方案范围。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；通过对抑尘率的分析进行防风网布置方案和高度方案的初选，并指导下一步 的物理模型试验研究工作。第三步：通过防风网空气动力学物模试验( 风洞试验) 研究确定部分防风网建设方案的效果；第四步：通过防风网数值模拟与风洞试验 对比研究验证和修正数值模型，提高模型模拟精度；第五步：利用修正后的精确 的数值模型进行防风网建设方案的最终优化。 第二章防风网板工艺研究 第二章防风网板工艺研究 防风板的形状有蝶型、半圆型、直板形等多种形式。据研究，蝶型防风板在 一定的开孔率下具有明显地降低风速和紊流度的作h j ，防尘效果好。 为使防风网达 慑佳的防风效果，通过设计不同开孔率、开孔形式及板形， 并通过风洞试验模拟，根据计算结果最终确定防风效果初步确定虽佳的开孔率、 开孔形式和板形，为工程应用中网板的工艺设计奠定基础。 21 试验方法 211 模型设计及制作 蝶型防风网模型尺寸为2o m 03 3 m ，由i m m 钢板压制而成。防风嘲板模 型包括：开孔率为0 、2 0 、2 5 、3 0 、3 5 、4 0 和4 5 共7 组模型：孔径 为g r a m 共i 组模型：开孔形状为菱形、长椭圆形、正五边形批3 组模型：开孔 排列为对齐排列形和花形排列形菇2 组模型。总共有1 3 组模型。模型高度为1 米。图2 i 2 1 1 为部分防风网模型照片。图2 1 2 给出了安装在风洞中的实型网 的照片： 幽2 1 开孔率为o 的防风网模型图2 - 2 开孔率为2 0 的防风网模型 图2 - 3 开孔率为2 5 酗j 防g , n 模型图图2 - 4 开孔宰为3 0 静j 防风网模型 第一章防风网板上艺研究 图2 - 9 开孔率4 0 的长椭孔形图2 - 1 0 开孔率4 0 的正五边形 防风网模型 防风网模型罔 第二章防风网板工艺研究 图2 - i i 开孔章为4 0 的折角1 4 0 。防风网模型图 图2 1 2 安装在风洞中的实型网 21 2 试验设备 风洞：试验在西南交通大学风工程试验研究中心x n j d - 】工业风洞进行，该 风洞是一座回流式串列双试验段低速风洞，试验段为24 r e x 2i m ( 宽高) 的矩形， 该试验段风速可在io 4 50 m s 范围内调节。风洞底壁设有转盘，可以实现风向 角在0 。到3 6 0 。范围内的变换，转盘可以和天平底座相连接，进行模型测力。 测压系统：试验所用的测压仪器足专用的多路同步脉动压力测量系统即脉 动压力传感器( 图2 1 4 伴 压力信号转换为电信号，把同一时刻的信号经信号调节 器存八采样保持系统，然后通过d a a d 转换，由计算机采集各路同步信号。再 由计算机分析处理成每个测点的平均压力系数和脉动压力。压力传感器的量程为 1 0 0 0 p a 。风速管输出的总压和静压信号将直接接入压力测量系统，用于计算来流 m 二章防风网板工艺研究 的平均风速 l 塑竺塑h 竺! 塑卜一 l 一 雾 i一e l 转 l 换 换 j 压力俸麟h 信号溺节器 一l 电源系统 图2 - 1 3 多路同步测压系统流程图 图2 1 4 脉动压力传感器 21 3 试验测点的分布 为得到防风网影响区域内完整的速度分布，从防风网前5 5 米到网后6 米 高度1 米的范围内，布置了1 6 5 个速度测量点。测点的位置如图2 1 5 ， 冈 第二章防风网板工艺研究 冉西亭 也 6 睡章富 ! 缈 图2 - 1 5 模型试验速度测点的位置 翌薰 d # 兰 第二章防风网板工艺研究 2 2 防风网开孑l 率 分别对开孔率= o 、e = 2 0 、e = 2 5 、e = 3 0 、e = 3 5 、= 4 0 、e = 4 5 的 蝶形板的风洞试验结果进行分析处理，得到防风网开孔率不同的变化趋势曲线图 如图2 1 6 2 2 2 。 图2 1 6 网板折角为1 4 0 度开孔率= 0 蝶形板， 孔径为6 m m 圆形开孔掩护距离曲线图 图2 1 7 网板折角为1 4 0 度开孔率= 2 0 蝶形板， 。 孔径为6 m m 圆形开孔掩护距离曲线图 第二章防风网板工艺研究 图2 - 1 8网板折角为1 4 0 度开孔率= 2 5 蝶形板， 孔径为6 m m 圆形开孔掩护距离曲线图 图2 - 1 9 网板折角为1 4 0 度开孔率= 3 0 蝶形板， 孔径为6 m m 圆形开孔掩护距离曲线图 图2 - 2 0 网板折角为1 4 0 度开孔率= 3 5 蝶形板， 孔径为6 m m 圆形开孔掩护距离曲线图 第二章防风网板工艺研究 图2 - 2 1 网板折角为1 4 0 度开孔率= 4 0 蝶形板， 孔径为6 衄圆形开孔掩护距离曲线图 图2 2 2 网板折角为1 4 0 度开孔率= 4 5 蝶形板， 孔径为6 m m 圆形开孔掩护距离曲线图 表2 - 1防风板不同开孔率的防护效果比较表 煤堆防护地面防护 开孔率 防护距离( 米)防护倍数防护距离( 米) 防护倍数 0 8 9 81 21 4 41 9 2 0 2 6 73 53 0 6 64 1 2 5 3 5 94 86 5 98 8 3 0 2 53 35 2 57 3 5 4 0 85 52 7 1 5 83 6 3 4 0 4 3 95 83 6 9 44 9 4 5 3 0 94 1 6 5 9 8 8 第二章防风网板工艺研究 通过比较得到：对煤堆防护效果最好的开孔率为4 0 的防风板，防护距离为 4 3 9 米，为网高的5 8 倍距离。网后防护距离最长的为4 0 的防风板，距离为3 6 9 4 米，为网高4 9 倍距离。 2 3 防风网板开孑l 形式 2 3 1 防风网孔径分析 通过以上试验结果，得出防风板最佳开孔率后，仍然采用蝶形板，并分别对 同一开孔率下的不同开孔大小进行风洞试验，从而得出最佳的开孔大小。 ( 1 ) 开孔率e = 4 0 ，半径r = 6 m m 的圆形开孔 ( 2 ) 图2 - 2 3 网板折角为1 4 0 度开孔率= 4 0 蝶形板， 孔径为6 m m 圆形开孔掩护距离曲线图 开孔率= 4 0 ，半径r = 8 m m 的圆形开孔 图2 - 2 4 网板折角为1 4 0 度开孔率= 4 0 蝶形板， 孔径为8 m m 圆形开孔掩护距离曲线图 ( 3 ) 防风板不同开孔大小的防护效果对比 第二章防风网板工艺研究 表2 - 2 开孔形状、开孔率相同，开孔大小不同的防护效果比较 煤堆防护地面防护 开孔半径 防护距离防护倍数防护距离防护倍数 r = 6 m m4 3 95 83 6 9 44 9 r = 8 m m3 8 45 16 8 49 1 通过比较得到：对煤堆防护效果最好的孔径为r = 6 m m 的防风板，防护距离 为4 3 9 米，为网高的5 8 倍距离。网后防护距离最长的为孔径为r = 6 m m 的防风 板，距离为3 6 9 4 米，为网高4 9 倍距离。 2 3 2 防风板开孑l 形状分析 分别对圆形开孑l 、菱形开孔、长椭圆形开孔和五边形开孔进行比较。 图2 - 2 5 网板折角为1 4 0 度开孔率= 4 0 蝶形板， 孔径为6 m m 圆形开孔掩护距离曲线图 图2 - 2 6 网板折角为1 4 0 度开孔率= 4 0 蝶形板 边长a = 1 0 6 m m ，外接圆半径r = 7 5 m m 的菱形开孔掩护距离曲线图 第二章防风网板工艺研究 o o oo 图2 - 2 7 菱形开孔示意图 图2 - 2 8 网板折角为1 4 0 度开孔率= 4 0 蝶形板， 边长a = 8 7 m m ，外接圆半径r = 7 4 r a m 的正五边形开孔掩护距离曲线图 o o oo 蓥q 誉q 枣q 图2 2 9 正五边形开孔示意图 第二章防风网板工艺研究 图2 - 3 0 网板折角为1 4 0 度开孔率= 4 0 蝶形板，长a = 1 7 6 m m 宽b = 6 m m 与长a = 2 7 6 m m ，宽b = 6 m m 的长椭圆形开孔掩护距离曲线图 o oo o 口口口口口口口口口口 口口口口口口口口口口 口口口口9 口口口口口 图2 - 3 1 长椭孔形开孔示意图 防风板不同开孔形状的防护效果对比： 表2 - 3 相同开孔率，不同开孔形状的防护效果比较 煤堆防护地面防护 开孔形状 防护距离防护倍数防护距离 防护倍数 圆形 4 3 95 83 6 9 44 9 菱形 3 8 95 26 8 99 2 正五边形 3 8 95 26 8 99 2 长椭圆形 3 8 95 27 0 99 5 通过比较得到：对煤堆防护效果最好的开孔形状为圆形的防风板，防护距离 为4 3 9 米，为网高的5 8 倍距离。网后防护距离最长的开孔形状为圆形的防风板， 距离为3 6 9 4 米，为网高4 9 倍距离。 第二章防风网板工艺研究 2 3 3 防风板的开孑l 排列分析 通过以上风洞试验结果分析，开孔采用= 4 0 的圆形开孔，对以下三种孔 的排列方案进行物理模型风洞试验。 ( 1 ) 错开型 ( 2 ) 对齐型 图2 - 3 2 网板折角为1 4 0 度开孔率= 4 0 蝶形板， 孔径为6 m m 圆形开孔错开形掩护距离曲线图 ooo o 图2 - 3 3 错开形开孔示意图 第二章防风网板工艺研究 ( 3 ) 花型 图2 - 3 4网板折角为1 4 0 度开孔率= 4 0 蝶形板 孔径为6 m m 圆形开孔对齐形掩护距离曲线图 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 口口口口 图2 - 3 5 对齐形开孔示意图 图2 - 3 6 网板折角为1 4 0 度开孔率= 4 0 蝶形板 第二章防风网板工艺研究 孔径为6 m m 圆形开孔花形对齐形掩护距离曲线图 o o o o o o o 粤o o oo u o 崦o o o o o oo oo oo q 厂、l 一厂、 一 c y o o o u o o o 图2 - 3 7 花形开孔示意图 表2 - 4防风板开孔不同排列方式的防护效果比较 煤堆防护地面防护 排列方式 防护距离防护倍数防护距离防护倍数 错开型4 3 95 83 6 9 44 9 对齐型3 8 95 26 9 l9 3 花型 2 4 3 35 8 97 8 通过比较得到：对煤堆防护效果最好的开孔排列方式为错开形的防风板，防 护距离为4 3 9 米，为网高的5 8 倍距离。网后防护距离最长的开孔排列方式为错 开形的防风板，距离为3 6 9 4 米，为网高4 9 倍距离。 通过模型设计与制作，对不同开孔率、不同开孔形状、不同的开孔排列方式 进行试验，通过布设的风速测量点取得的数据，得出最佳的防风网开孔率、开孔 形状、开孔排列方式，防风板板型。 通过试验得出：开孔率为4 0 的防风板，开- 孑l ：f l 径为6 r a m ，开孔形状为圆 形的蝶形镀铝锌网板为适合于长期使用的沿海煤炭堆场防风网的建设。 第二章防风网建设方案优化研究 第三章防风网建设方案优化研究 3 1 建设初步方案 3 1 1 自然条件的收集 1 、气象条件 收集防风网建设区域的长期气象条件资料，包括气温、降水、雾况、风况等。 其中风况为资料重点收集对象。 ( 1 ) 气温 气温包括年平均气温、极端最高气温和极端最低气温。 ( 2 ) 降水： 包括：多年平均降水量、多年最小降水量、多年最大降水量、日最大降水量 以及降水主要集中时间等。 ( 3 ) 雾况： 即年平均雾日数及出现时间。 ( 4 ) 风况： 对防风网建设区域气象站的实测资料进行统计。统计风速、风向、风频、平 均风速等。还须研究确定启动风速，统计大于启动风速的风向频率。 2 、地质 收集地质资料，为防风网基础选型和设计提供依据。 3 、地震 收集建设区域设震级别，为防风网结构设计提供依据。 3 1 2 设网基础条件 确定初步方案前还需进行设网地理位置条件调查，即调查防风网建设的工程 条件；主要调查分析防风网建设位置的平面空间位置、纵面基础条件。调查方法 主要采用图纸识别和现场核查相结合。 1 、平面空间位置 平面空间位置主要调查码头堆场的平面布置情况，主要包括建造物、机械设 备及其道路等设施。调查防风网的建设是否影响堆场的正常营运和堆场辅助建筑 第三章防风网建设方案优化研究 的相关功能。 建造物主要包括办公楼、变电室、控制室、泵房、污水处理厂、磅房等建造 物。机械设备主要包括转接塔、取料机、堆料机、皮带机、门吊、漏斗塔、轨道 及除铁器等机械设备。 2 、纵面基础条件 纵面基础条件调查主要对港口地下部分设施进行调查，分析其影响防风网建 设的因素主要包括给水管、雨水管、消防管、污水管、电缆、通信、暖气管道等 设施的调查。 另外防风网建设阶段的工程建设条件的调查也是设网条件调查的一部分内 容。 3 1 3 防风网设置原则 港口散货堆场防风网建设平面布置的原则： ( 1 ) 考虑防尘效果和整体视觉效果 ( 2 ) 不影响现有港内设施的正常生产 ( 3 ) 以港区围墙为界，尽量不占用公共和他人用地 ( 4 ) 经济实用 根据以上原则，根据各工程的实际情况，确定若干个防风网布置初步方案。 3 2 大尺度数值模拟优化技术 计算流体力学( c f d ) 是用计算机模拟的方法分析流体流动、热传导以及化学 反应等相关现象的- - f - 学科【洲】。这项技术具有广泛的工业和非工业应用。c f d 技术与传统的实验方法相比，它具有独特的优势：设计周期和设计费用大大降低。 特别对于有能力研究实验不能或难于研究的系统，比如非常大的系统：天气预报； 对于有能力研究危险条件和超过正常行为极限条件下的系统、可以无限制的选取 结果的细节【4 7 4 8 1 。本次研究是用数值模拟计算方法对各种方案进行初选，收缩 方案范围，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 的分析进行防风网布置方案和高度方案的初选。并指导下一步物理模型试验研究 工作。将c f d 技术用于防风网的研究在国外不多见，在国内本部分属于首次。 第三章防风网建设方案优化研究 3 2 1 控制方程组 煤堆场周围的空气流动可以看作是在不可压缩以及不考虑热转换的大气条 件 o u i ：0 o 堕-i旦业=一吉考。f-毒(c以-i-，i(考-ii-at a t p 善 = - 一一l f 上，l 一一l i p 熟舐，r 。叫i 苏，魄j j 昙c 辟，+ 毒c 咖沪专 c + 箦，考 + g 。一胪 昙c 声，+ 苦c 删护专 c + 等，考 + c 。毒g g 。p 等 式中：舻孵譬 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 标准后一占模型方程中的常数一般取c l 。= 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ，c s , = 0 0 9 ， c r k = 1 0 ，吒= 1 3 。 式中，x i 是笛卡儿坐标，t 为时间，p 是空气密度，是动力学粘性系数， “是湍动能粘性系数，珥、p 、k 、占是时间平均速度、静压、湍动能、湍动 能耗散率。 3 2 2 计算模型 计算区域为底面正1 6 边形的棱柱。煤堆和建筑物置于计算区域的中心。建 筑物以实际情况为基础适当简化，煤堆的放置方式与实际摆放方式一致。图3 1 为曹妃甸煤码头防风网模犁的计算模型。 第三章防风稠建设方案优化研究 图3 - 1计算模型图 3 2 3 边界条件 表3 1 列出了计算模拟所采用的边界条件 表3 - i 边界条件汇总 计算区域边界标准k r 模型 入流边界速度入口边界条件 出流边界压力出口边界条件 侧向流体边界对称边界条件 顶部流体边界对称边界条件 建筑物、煤堆边界无滑边界条件 地面边界无滑边界条件 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 第三章防风网建设方案优化研究 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。 其中风速随高度变化的幂指数为0 3 0 ，入流速度剖面公式为： ”= “。( 孟) 。3 。3 6 ， 其中为1 0 米高度处所对应的速度。 紊流度剖面参考日本建筑规范( a i j ) 中有关紊流度剖面的公式来确定，即： l = 0 i ( z h c ) 一吒。0 0 5 ( 3 - 7 ) 其中，梯度风高度h g 和平均风剖面幂函数指数0 【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 【4 9 】。 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【5 0 】： 渤2 o t 2 ( 笥7 一o 9 8 ， f = 0 2 3 4 7 k 1 5 ( 3 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。 3 2 4 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，根据计算速度，体网格数一般在几百万个左右。 3 2 5 计算结果的后处理 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，由公式( 3 1 2 ) 计算出煤堆表面不同点的摩擦风速。 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， 详见公式( 3 1 0 ) 。 第三章防风网建设方案优化研究 q 料堆= 善 主c 召货种七n x wd,t=l，矗， q 料堆= i ( 种p d j ，川 ，= l l】 ( 3 1 0 ) 易，25 8 ( “；一”q ：)