（化工过程机械专业论文）非平面型防风网流场特性模拟及其支撑结构力学分析.pdf

青岛科技人学研究生学位论文 非平面型防风网流场特性模拟及其支撑结构力学分析奉 摘要 粉尘污染是我国大气环境污染的重要组成部分，也是中国城市大气污染的重 点问题之一。对于露天堆料场粉尘防治问题，防风网抑尘工程技术是比较有效的、 适合我国国情的二次扬尘防治技术与装置。 本文主要以蝶形网和拦沙网为研究对象，依托风洞实验装置研究不同参数对 蝶形网和拦沙网后庇护区内流场特性的影响，为防风网的结构优化设计提供可靠 的实验数据。还对本课题组在工程中采用的两种钢构架进行了受力特性分析及结 果校核。研究结果对防风网抑尘工程装置的优化设计和安全操作具有重要意义。 首先，对防风网在现场测试、数值模拟及实验研究方面的国内外现状及进展 进行了综述，并对几个代表性的防风网抑尘工程进行了简要介绍。 其次，建立了风洞实验平台，进行了不同工况下不同参数对平面网、蝶形网 和拦沙网后庇护区内流场特性影响的实验研究。得出了如下的结论： 不同形式的防风网具有不同的最优开孔率。平面网的最佳开孔率为 2 6 4 ，减风率为6 8 4 4 ；蝶形网的最佳开孔率为2 7 3 ，减风率为6 3 3 9 ；拦 沙网的开孔率为2 7 1 时庇护效果最好，减风率为6 3 0 1 。 具有相似开孔率时，蝶形网和拦沙网的庇护效果略低于平面网，但其强 度远远大于平面网，适合在工程建设中推广使用。 风速为3 m s 时，不同孔径的蝶形网对尾流区的庇护效果最好；风速为5 、 7 5 、l o m s 时其庇护效果依次降低。 ( d 开孔率分别为2 6 4 和2 7 3 的平面网和蝶形网均在底部间隙为0 1 5 倍 网高时减风率最大，分别为6 8 8 1 和6 6 8 4 ，且分别高于在相同条件下平面网 无间隙时的减风率6 8 4 4 与蝶形网无间隙时的减风率6 3 3 9 。 最后，采用有限元分析软件对直立平行式支撑钢构架和直立斜支撑钢构架进 行力学分析，并对计算结果进行了校核，结果表明两种钢构架均满足强度、刚度 和稳定性要求。直立斜支撑钢构架与直立平行式支撑钢构架的综合比较表明前者 的结构形式较为合理。 关键词：非平面型防风网开孔率底部间隙风洞实验有限元分析 山东省优秀中青年科学家科研奖励基金资助项目：“非平面型防风网抑尘机理及防风网抑尘 效果评价方法研究( 2 0 0 8 b s 0 9 0 2 0 ) ” 非平面型防风网流场特性模拟及其支撑结构力学分析 h 青岛科技人学研究生学位论文 s i m u l 气t i o no ff l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c o f n o n p l a n a rp o r o u sf e n c e sa n dm e c h a n i c a l a n a l y s i so fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e s 木 a bs t r a c t d u s tp o l l u t i o nc o n t r i b u t e st oag r e a tp o r t i o no fa sw e l la so n eo fm a i nc a u s e st o a i rp o l l u t i o ni nc h i n a a sf o r t h em e t h o dt oc o n t r o ld u s ti na l a r g eo p e ns t o c kp i l e s ，t h e p o r o u sf e n c e st e c h n o l o g yi sc o m p a r a t i v e l ye f f e c t i v e ，a n di st h ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n d d e v i c eo f d u s tr e e n t r a i n m e n tw h i c hi ss u i t a b l ef o rc h i n a t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e so nb u t t e r f lya n ds a n d i n t e r c e p t i o np o r o u sf e n c e s ，t o r e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fs e t t i n gd i f f e r e n tp a r a m e t e r st ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f f l o wf i e l d i nt h es h e l t e r i n gp l a c eb e h i n db u t t e r f l ya n ds a n d - i n t e r c e p t i o np o r o u sf e n c e sb yw i n d t u n n e le x p e r i m e n td e v i c e ，a n dt op r o v i d er e l i a b l ee x p e r i m e n td a t af o ro p t i m a ld e s i g n o fp o r o u sf e n c e ss t r u c t u r e w h a ti sm o r e ，t h ep a p e rm a k e sf o r c ea n a l y s i sa n dr e s u l t s v e r i f i c a t i o nf o rt w ok i n d so fs t e e lf r a m e w o r ka p p l i e dt op r o j e c t sb yt h ep r o j e c tg r o u p t h er e s u l t so ft h es t u d ya les i g n i f i c a n tt o o p t i m i z et h ed e s i g na n dg u a r a n t e es a f e t y o p e r a t i o nf o rt h ed u s tc o n t r o le n g i n e e r i n ge q u i p m e n to fp o r o u sf e n c e s f i r s t l y , g e n e r a l l yr e v i e wt h ec u r r e n ts t a t ea n dd e v e l o p m e n to fp o r o u sf e n c e sw i t h c o n s i d e r a t i o no fo n s i t et e s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha th o m e a n da b r o a d a n db r i e f l yi n t r o d u c es e v e r a lr e p r e s e n t a t i v ed u s tc o n t r o le n g i n e e r i n go f p o r o u sf e n c e s s e c o n d l y , e s t a b l i s haw i n dt u n n e le x p e r i m e n tp l a t f o r m ，c o n d u c te x p e r i m e n t a l s t u d y o nt h ei n f l u e n c eo fs e t t i n gd i f f e r e n tp a r a m e t e r st ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f f l o wf i e l d i nt h es h e l t e r i n gp l a c eb e h i n dp l a n a r ，b u t t e r f l ya n ds a n d i n t e r c e p t i o np o r o u sf e n c e si n d i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s a n dt h ec o n c l u s i o n sa l ea sf o l l o w s ： d i f f e r e n tt y p e so fp o r o u sf e n c e sh a v ed i f f e r e n to p t i m a lp o r o s i t y t h eb e s t p o r o s i t yi s2 6 4 f o rp l a n a rp o r o u sf e n c e s ，w i t hw i n dr e d u c t i o nr a t e6 8 4 4 ；b u t t e r f l y p o r o u sf e n c e sf o r2 7 3 ，w i t hw i n dr e d u c t i o nr a t e6 3 3 9 ：t h es h e l t e rw i l lb em o s t e f f e c t i v e 嬲t h ep o r o s i t yo fs a n d i n t e r c e p t i o np o r o u sf e n c e si s2 7 1 w i t hw i n d r e d u c t i o nr a t e6 3 0 1 a st h r e et y p e so fp o r o u sf e n c e sh a v es i m i l a r p o r o s i t y , b u t t e r f l y a n d s c i e n t i f i cr e s e a r c he n c o u r a g e m e n tf u n do fe x c e l l e n tm i d d l e - y o u n g a g e ds c i e n t i s to fs h a n d o n g p r o v i n c e ：d u s tc o n t r o lm e c h a n i c so fn o n - p l a n a rp o r o u sf e n c e sa n dr e s e a r c ho fe v a l u a t i o nm e a n so f d u s tc o n t r o le f f e c to f p o r o u sf e n c e s ( 2 0 0 8 b s 0 9 0 2 0 ) ” 非平面型防风网流场特性模拟及其支撑结构力学分析 s a n d - i n t e r c e p t i o np o r o u sf e n c e s s h e l t e re f f e c ti sal i t t l e l o w e rt h a np l a n a rp o r o u s f e n c e s ，b u tt h e i ri n t e n s i t yi sm u c hl a r g e rt h a np l a n a rp o r o u sf e n c e s ，w h i c ha r e s u i t a b l et ob eu s e di ne n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na n dp r o m o t i o n a st h ew i n ds p e e di s3 r n s ，b u t t e r f l yp o r o u sf e n c e sw i t hd i f f e r e n th o l e d i a m e t e r sw i l lh a v et h eb e s ts h e l t e re f f e c tt ow a k ez o n e ；t h es h e l t e re f f e c tw i i ib e r e d u c e ds e q u e n t i a l l yw i t ht h ew i n ds p e e do f5 ，7 5a n d10 m s ( 爹p l a n a ra n db u t t e r f l yp o r o u sf e n c e s ，w i t hp o r o s i t yo f2 6 4 a n d2 7 3 ，w i l l h a v et h eb i g g e s tw i n dr e d u c t i o nr a t eo f6 8 81 a n d6 6 8 4 r e s p e c t i v e l ya st h e i r b o t t o mg a pi so 15 h u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n ，t h e ya r er e s p e c t i v e l yh i g h e rt h a nw i n d r e d u c t i o nr a t e so f6 8 4 4 a n d6 3 3 9 o fp l a n a ra n db u t t e r f l yp o r o u sf e n c e sa sb o t ho f t h e mh a v en ob o t t o mg a p f i n a l l y , m a k e f o r c e a n a l y s i s f o rb o t h u p r i g h t p a r a l l e l a n du p r i g h t - o b l i q u e s u p p o r t i n gs t e e lf r a m e w o r kb yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，a sw e l la sh a v er e s u l t s v e r i f i c a t i o n t h ec o n c l u s i o n ss h o wt h a tb o t ht w ok i n d so fs t e e lf r a m e w o r km e e tt h e r e q u i r e m e n t so fi n t e n s i t y , r i g i d i t ya n ds t a b i l i t y a f t e rt h ec o m p a r i s o ni sm a d eb e t w e e n t w ok i n d so fs t e e lf r a m e w o r k ，t h es t r u c t u r eo fu p r i g h t - o b l i q u e s u p p o r t i n g s t e e l f r a m e w o r kism o r er e a s o n a b l e k e yw o r d s ： n o n - p l a n a r p o r o u s f e n c e s p o r o s i t y b o t t o mg a p w i n dt u n n e lt e s tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i v 青岛科技大学研究生学位论文 英文字母 a a m a b c r ( x , z ) c 。 d c e 厂 f b g h h e l e h z h i ，x i y 1 y l 乇 m m n n n e x q 符号说明 横截面积，m 2 螺栓水平间距，m 尤拉常数 含水率 ( x ，z ) 点的减风系数 减风率 螺栓有效截直径，m 弹性模量，p a 稳定性应力，m p a c 级螺栓抗剪许用应力，m p a 底部间隙，m 防风网高度，m 高度方向的有效庇护长度，m m 长度方向的有效庇护长度，m m 主立柱长度，m 作业落差，m 湍流度 截面对x 轴的惯性矩，c 1 1 1 4 截面对x 轴的惯性半径，c l n 截面对y 轴的惯性矩，c m 4 截面对y 轴的惯性半径，c m 支撑钢构架中心距，m 构件的计算长度，m 节点所受弯矩，n m 与物料性质有关的指数 节点所受的轴向力，n 与物料性质有关的指数 参数，n 节点所受的剪切力，n i x 非平面型防风网流场特性模拟及其支撑结构力学分析 起尘量，k g m 2 h 截面面积对中性轴的静矩，t o n i 3 腹板厚度，m m 脉动速度，m s 某( x ，z ) 点无防风网时的风速，m s 某( x ，z ) 点有防风网时的风速，m s 风速，m s 起尘临界风速，m s x 轴的截面系数，c m 3 y 轴的截面系数，c m 3 螺栓组抗弯截面系数，m i l l 3 挠度允许值，m 风载荷值，k n m 2 与粉尘粒度分布有关的系数 计算指数 等效弯矩系数 z 高度处的阵j x l 系数 截面塑性发展系数 受压构件的容许长细比 构件的长细比 与物料性质有关的系数 单榀桁架的j x l 载荷体型系数 风压高度变化系数 理论质量，k g m 许用正应力，m p a 螺栓组的应力，m p a 许用剪切应力，m p a 稳定系数 开孔率 x 力力 母 沁亿 悼 w 蛀日 q o u 吣u u 暇呢形 w 刹 a p纵艮以一九 心彪p识矿 青岛科技人学研究生学位论文 1 绪论 1 1 我国大气污染与粉尘污染现状 近年来，随着社会经济的飞速发展，大气污染也日益加剧。加剧的大气污染 给人们的生存环境带来了各种不良影响。首先，由于人类的工业活动产生的超量 温室气体会导致气温持续上升，自然气候被破坏，进而导致人类赖以生存的生态 环境的不平衡。其次，大气污染严重威胁着人们的身心健康，容易导致各种疾病 的发生，使人们患病的几率大大增加；最后，由于人类工业活动产生的大气污染 反过来又严重制约着我国经济建设的进一步发展【l 圳。所以大气污染的控制与治理 一直是人们非常关注的问题。 粉尘污染是我国大气环境污染的重要组成部分，也是中国城市大气污染的重 点问题之一。粉尘主要产生于露天堆放的储料场，例如燃煤电厂的堆煤场、钢厂 的露天矿粉堆场、港口码头的露天堆料场以及其他场合的露天堆料场等。这些堆 垛表面的物料及煤炭、矿石在作业和装卸等过程中由于吹起大量的粉尘而成为大 气悬浮物的滋生源，如图1 1 所示。 嚣眇。 謦 嘲 | | j 缈蚤 图1 - 1 露天堆料场的粉尘污染 f i g 1 1d u s tp o l l u t i o no fo p e ns t o r a g es p a c e 一般来讲，较小的固体颗粒在风致作用下主要有三种运动状态：一定风速下 最大的运动微粒( 直径 1 0 0 0 1 x m ) 沿地面滚动称为螺动；微小粒子( 直径 1 0 ) 的变化规律，文献 1 5 中l e es a n gj o o n 在文献f 4 1 1 的研究基础上，增加了几种具有不同开孔率( 0 、2 0 、4 0 、6 5 ) 的防风网，用p 1 v 法研究了近尾流区流场( x 日 1 0 ) 的变化规律。另外他们还 对开孔孔径的大小对庇护效果的影响进行了实验研究【4 2 】。 除了上述因素，p a r kc h e o lw o o 和l e es a n gj o o n 在风洞中采用静态皮托管和 热线风速仪( t s i 姒1 0 0 ) 对不同底部间隙率g h ( g 为防风网距离地面的高度， h 为防风网网高) 对尾流区流场特性的影响进行了对比实验。结果表明：将底部 间隙率控制在g h = 0 1 2 5 范围以内，一定的间隙不但不会减弱庇护效果，相对于 无间隙时，反而会提高防风网的抑尘效果，另一方面有间隙时防风网工程的基础 建设相对较低f 4 3 1 。然后他们又在循环水洞中利用p t v 测量仪对开孔率为3 8 5 的 不同底部间隙率( g 小= 0 0 ，0 1 ，0 2 ，0 3 ) 的平面型不锈钢防风网进行了实验， 得出g h = 0 1 时，防风网的抑尘效果较为明显m 。该研究结果与j o h nd w i l s o n 的研究结果相一致【4 5 1 。 完成上述的基础研究确定了优化的防风网结构后，l e es a n gj o o n 选定开孔率 为4 0 的防风网，将堆场的1 8 0 0 的模型整体放进环境风洞，模拟堆场周围的大 气层，对在p o s c o 钢厂堆料场设置防风网后的庇护效果进行了模拟 4 6 - 4 7 1 。所得 到的实验数据为以后的防风网工程建设提供了有力的理论支持。 国内学者亦采用风洞实验法对防风网进行了研究。林官明等在边界层风洞中 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，发现与无防风网的平坦条件相比，湍涡能量及发生的频率都有显著降低【鹌1 。 1 0 青岛科技人学研究生学位论文 陈凯等在边界层风洞中运用平面风速传感器测量了堆料场内部的风速分布， 对防风网的作用效果进行了评估，结果表明防风网可使来流风速降低最多可达 8 0 ，同时也说明由于地形等因素的影响，防风网的实际效果应结合堆料场的具 体条件进行研刭4 圳。 张光玉等在风洞中对气流流经网后的变化趋势、网高的影响、网的布局的影 响和不同风向时网的庇护效果进行了实验研究。实验结果表明，煤堆场防风网可 以有效地降低堆场部分区域内的风速和紊流度，减少环境污染i5 0 i 。 1 4 3 国内非平面型防风网研发 早期的防风网工程建设大多采用材质为玻璃钢、工程塑料或者是金属的平面 型防风网，设网方式主要为单面设网或者是四周围网两种形式。因此国内外对防 风网的研究也主要集中在平面型防风网的抑尘机理及影响因素方面的理论研究。 由于露天堆料场的料堆高度比较高，而且露天堆放，周边的风载荷也较大，因此 采用平面网时，防风网的刚度相对较差，不利于整个防风网装置的安全稳定操作。 近期人们提出了如图1 3 所示的碟形防风网，其防风抑尘效果和平面型防风网相 似，但是刚度较平面型防风网有较大提高【5 卜5 2 j 。焦炳生等还发明了一种防风抑尘 栅，其薄金属板为长方形，截面有三种：梯形、“l ”型、“v ”型【53 。 、fo o oo oe 爱一基暑o 三三o 裂 - - - - - - - 四曩曩哩舅曩墨霸蜀口曙冒曼愚童舅寡霸露霸曩曩啊霸审寰嘎韶驾研_ 嘲翦骧舜j 霹 ； 图1 3 蝶形网 f i g 1 3b u t t e r f l yp o r o u sf e n c e 自2 0 0 3 年以来我国的防风网建设主要为非平面型防风网，然而关于非平面型 防风网的抑尘机理与抑尘效果的研究较少，有的只是简单提及。王洪等在文献中 提到碟形防风板在一定的开孔率下具有明显降低风速和风力的作用m 】。 秦争岛发电有限责任公司将挡风抑尘墙( 蝶形网) 应用于实际煤场中，并采 用手持式三杯风速仪对减风效果等进行了测量，结果表明其对消减煤场风力，抑 制扬尘起到了很好的作用1 55 | 。 张光玉等在风洞中研究了秦皂岛港大型煤堆场中设置防风网前后煤堆场内 非平面型防风网流场特性模拟及其支撑结构力学分析 的平均速度分布，在实验中由于几何缩尺比的问题，先通过实验选出了防风网后 流场相似的平板网代替蝶形网：然后在风洞中对其进行实验研究，研究结果表明 防风网是一种有效降低煤堆场内风速的途径1 5 引。 韩桂波对不同开孔率下的蝶形网进行了数值模拟，确定了蝶形网的最佳开孔 率为3 5 - 4 5 ，但是文章最后指出在实际工程中，蝶形网开孔率的最佳值还需要综 合地区气象资料和具体边界条件等相关因素来确赳，7 1 。 郭勤芳等对蝶形网在自然状态下进行了挡风效果的实验，结果表明蝶形网可 以使5 级风速降至l 级风速，1 2 级风速降至3 级风速，最大限度的减少了风的透过 量，从而可以取得较为理想的防风效果1 5 3 1 。还有风洞实验表明，在一定的开孔率 下蝶形防风板可以明显地降低风速和紊流度，具有较好的防尘效果【5 9 1 。 青岛科技大学的李建隆在前人工作的基础之上，利用c f d 商用软件f l u e n t 对 常规防风网的结构形式进行了优化，设计了一种新型挡风抑尘网导流板型防风 网。通过导流、整流措旌，来流风经过导向板型防风网后，减小了渗流风对迎风 面的直接冲击，同时延缓绕流风对料堆顶部的湍动影响。并利用流场模拟和风洞 实验对该类防风网的挡风抑尘效果进行优化研究1 6 0 - 6 2 。 作者所在的课题组自2 0 0 0 年起，在理论风洞实验台上开展了以平面型防风网 抑尘技术为研究对象的实验工作，通过多年的努力，在防风网尾流区特征、防风 网结构类型、材质、布网形式、减风率等方面开展了一系列实验研究，取得了防 风网的工程技术设计参数1 6 3 l ，并对已有的防风网工程技术进行了优化设计，提出 了如图1 4 所示的采用蝶形网和拦沙网组合的形式来抑制二次扬尘。 图l - 4 蝶形网、拦沙网工程组合相对位置示意图 f i g 1 - 4s k e t c hm a p o f r e l a t i v ep o s i t i o no f p r o j e c tc o m b i n a t i o no f b u t t e r f l ya n ds a n d - i n t e r c e p t i o n porous f e n c e s 蝶形网设计放置在堆料场的主风侧，主要功能为通过疏导和消能的方式减少 1 2 青岛科技人学研究生学位论文 来流风速，抑制起尘量；拦沙网则主要设置在堆料场的背风侧，以拦截那些设置 蝶形网后在不同情况下仍被吹起的粉尘，且在风向转变时也能起到蝶形网的功 能。于2 0 0 7 年成功地将防风网和拦沙网的组合技术应用于河北省西柏坡电厂的2 号与3 号堆煤场的二次扬尘治理工程中，取得了很好的抑尘效果。 另外课题组根据多年的理论研究成果和防风网工程建设的实际经验，成功地 开发出如表l 一2 所示的防风网抑尘工程系列产品。围网面积小于2 2 5 0 0 m 2 时，从成 本和防风网效果角度来看不适宜采用防风网抑尘产品，大于1 6 0 0 0 0 m 2 时则需要进 行分割进行建设。 表1 2 防风网抑尘工程技术装置系列产品 t a b 1 - 2s e r i a l i z a t i o np r o d u c t so fp o r o u sf e n c ed e v i c e 装置型号围场面积( m 2 ) o k f c1 6 1 6 0 0 0 0 o k f c99 0 0 0 0 o k - f c6 6 2 5 0 0 q k f c4 4 0 0 0 0 q k f c2 2 2 5 0 0 1 4 4 防风网支撑钢构架受力分析 支撑钢构架的作用除了悬挂防风网网片外，还承受着外载荷并将其传递给混 凝土基础上。防风网抑尘工程装置几乎全都建设在野外的空旷地域，而且高度几 乎都在1 0 m 以上，因此对支撑钢构架进行受力特性分析与动力特性分析，对优化 结构设计、优化工程投资成本以及确保工程安全等方面均有重要的意义。近两年 来我国有学者开始就防风网的支撑钢构架在风载荷作用下的力学响应及风振疲 劳方面开展了一些分析研究。 2 0 0 8 年，张亚青、詹水芬等通过研究秦皇岛防风网结构的动力特性，以及脉 动风压作用下防风网结构的动力响应特性，解决了秦皇岛防风网工程的结构安全 问题【6 4 j 。分析得出结论，工程采用的防风网结构自振周期远离能量较大的脉动风 载荷周期，不会发生共振现象。 同年，刘现鹏等采用有限元方法对秦皂岛港煤堆场防风网结构在风载荷作用 下的静、动力响应进行分析1 6 5 j 。在静力分析中，采用规范方法计算风载荷，通过 有限元方法进行静力计算；在动力分析中，采用风压谱生成风载荷作用时程，通 过有限单元方法进行动力响应计算。结果表明，采用规范方法计算风载荷，并考 虑1 4 的风载荷分项系数后的静力计算结果与采用风压谱生成风载荷作用时程的 动力计算结构相近。 2 0 0 9 年，孙熙平、王元战针对某港实际工程，采用有限元方法对防风网结构 1 3 1 卜平面型防风网流场特性模拟及其支撑结构力学分析 在脉动风载荷作用下的动力响应进行分析，并根据瞬态动力分析的结果，找出了 防风网结构应力疲劳最危险的单元惭j 。并结合疲劳分析的基本理论，应用雨流法 统计最危险单元的应力时程，得到应力循环次数及应力幅的大小；根据m i n e r 线 性累积损伤准则编写a n s y s 的风振疲劳程序，计算得到防风网结构的疲劳寿命； 根据实际工程，验证设计风速为2 6 8 m s 持续作用下防风网结构的疲劳寿命。 1 5 国内外几个典型防风网工程简介 具有代表性的防风网工程对我国的防风网基础研究以及工程建设具有一定 的参考价值，在此作者就所了解的几个防风网工程进行简要介绍。 1 5 1 国外防风网工程实施情况 ( 1 ) 日本四日港国际物流中心防风网技术实施情况 日本四日港国际物流中心是日本东部地区较大的、国际化的煤炭集散地，煤 炭吞吐能力约2 0 0 0 万吨【6 7 1 ，其防风网工程实例如图l 一5 所示。 图1 - 5e l 本防风网工程买例 f i g 1 - 5c a s es t u d yo fp o r o u sf e n c e si nj a p a n 防风网材质为q 2 3 5 ，围网方式为四周围网，根据自然环境风向和场地、气 蒙条件，堆场四周分别采用了不同高度、不同结构的防风网，在主流风向采用对 称式防风网，作用是抑制起尘，在下风向采用非对称式拦沙网，作用是抑制逸散 和使粉尘下落。同时还设置有洒水系统，其作用是处于非常恶劣天气时，当扬尘 监控器指示已超标环境要求上限，或温度飚升造成煤自燃时，由控制指令启动洒 水系统，洒水经处理回用1 6 8 i 。实践证明，该项技术是属于目前简单、经济、易行 的先进技术，周围环境质量良好，对在我国实施防风网抑尘工程技术有很高的参 j 4 青岛科技大学研究生学位论文 考价值。 ( 2 ) 韩国p o s c o 公司防风网工程技术实施情况 韩国的l e es a n gj o o n 教授在进行了一系列的实验研究基础上，在p o s c o 钢 厂5 号堆场的两侧( 东边与北边) 设置了开孔率为3 0 的e v c 粘结网，防风网 的高度为1 7 m ，总长为1 8 0 0 m ，堆垛的高度为1 5 m 。现场测试表明：防风网的庇 护效果较好，大大减少了煤堆的湍流强度与悬浮颗粒的浓度，抑尘效果为7 0 8 0 。 该工程的实施提供了一个将风洞模拟的成果成功应用于实践的例子，且通过现场 测试测得了非常重要的工程数据。其工程实例如图1 - 6 所示。 德 。 葺 图l 石韩国防风网工程实例 f i g 1 - 6c a s es t u d yo fp o r o u sf e n c e si nk o r e a 1 5 2 国内防风网工程实施情况 我国对防风网抑尘工程技术的研究起步较晚，大多是对防风网抑尘机理的验 证或者是对具体的堆料场防风网抑尘技术可行性论证。但由于各种原因，并没有 进行防风网的工程建设。1 9 9 4 年，南京化工大学设计并实施了天津市某煤炭仓储 场小型碟形防风网工程，但由于网片在风和低温的作用下被撕裂脱落，工程并没 有达到预期效果。近年来随着我国相关环保部门对大型露天堆料场二次扬尘的重 视，才极大地推动了我国的防风网抑尘工程建设。 ( 1 ) 武汉钢厂鄂州球团：f _ 防风网抑尘工程：。 如图1 7 所示防风网为本课题组的第。个翠穆，上湛黼年5 月竣工并通过验收。 1 甲面型防风网流场特性模拟及其支撑结构力学分析 _? 。 。+ _ _ ，_ ，； ” ：。 蕊静。一一。“、_ 捧斡- 撬_ _ 。群譬孑_ 妒一 一 、 警掌+ 豁釜羹 。 ，一，毒感爹t - 、1 。 ：一 q 图1 7 武汉钢厂防风网工程 f i g 1 7p o r o u sf e n c e sp r o j e c ti ns t a c ko fw u h a ns t e e lc o r p o r a t i o n 防风网工程主要是防治露天堆放的进口矿砂所产生的粉尘污染，采取单侧设 网方式，网高1 8 m ，全长约为3 0 5 m 。网板采用金属q 2 3 5 一a 热轧薄板材，为非对称 凹凸折板( 蝶形网) 。设计时将防风网与地面之间留有一定的间隙，而非防风墙 类型的结构。该设计节约用材、便于制造旌工，安装及维修简单。 ( 2 ) 秦皇岛港防风网抑尘i ：程 2 0 0 8 年秦争岛港建成国内最大煤炭堆场防风网，如图1 8 所示。 图1 - 8 秦皇岛港防风网工程 f i g i - 8p o r o u sf e n c e sp r o j e c ti nq i n h u a n g d a op o r t 1 6 青岛科技人学研究生学位论文 该防风网工程位于煤三期码头堆场的北侧，总长1 7 5 0 m 、高2 3 m ，防风网全 部建成使用后，每年减少煤炭损失约2 5 万吨，可直接减少粉尘排放2 0 0 0 多吨， 使秦皂岛港综合除尘效率达到9 0 左右。 ( 3 ) 西柏坡电厂堆煤场防风网抑尘工程 该工程是本课题组研发的防风网抑尘技术应用最全的一项工程，于2 0 0 8 年 1 0 月完成施工，工程图如图1 - 9 所示。设网形式为4 周围网，网高1 5 m 。课题组 首次将防风网与拦沙网的组合、双层防风网、防止温差应力的膨胀节网片等技术 综合应用到了该防风网工程中，取得了很好的抑尘效果。 图1 9 西柏坡电厂防风网工程 f i g 1 9p o r o u sf e n c e sp r o j e c ti nx i b a i p oe l e c t r i cp o w e rp l a n t 1 6 课题背景与研究内容 1 6 1 课题背景 粉尘污染是我国大气环境污染的重要组成部分，当前污染严重程度已危害到 人们的身体健康。在诸多抑制露天堆场的二次扬尘的措施中，防风网抑尘工程技 术是一项非常适合我国国情的有效治理措施。自2 0 0 3 年以来，防风网抑尘工程 技术在我国电厂、钢厂以及港口的大型露天堆料场的二次扬尘治理工程建设中逐 步得到了认可。然而对非平面型防风网的抑尘机理、防风网钢构架的力学性能分 析以及对防风网工程的抑尘效果的验收与评价方法方面开展的研究很少。目前， 课题组在以前对平面型防风网抑尘机理研究与工程建设的基础上，承担了山东省 优秀中青年科学家科研奖励基金资助项目：“非平面型防风网抑尘机理及防风网 抑尘效果评价方法研究”( 2 0 0 8 b s 0 9 0 2 0 ) 。其主要目标是研究不同参数对非平面 非平面型防风网流场特性模拟及其支撑结构力学分析 型防风网后庇护区内的流场特性的影响，对其结构进行优化设计，并在以前的研 究基础上，提出能够合理评价一个具体防风网抑尘工程的抑尘效果的有效方法， 为防风网工程的抑尘效果预测和工程验收提供理论支持。 本文为山东省优秀中青年科学家科研奖励基金资助项目的部分，主要以蝶 形网和拦沙网为研究对象，依托风洞实验装置研究不同参数对蝶形网和拦沙网后 庇护区内流场特性的影响规律，为防风网的结构优化设计提供可靠的实验数据。 另外还对工程中采用的几种形式的钢构架进行力学特性分析，研究成果对防风网 抑尘工程装置的优化设计和安全操作具有重要的理论价值和社会价值。 1 6 2 研究内容 ( 1 ) 建立研究不同因素对防风网庇护效果影响规律的理论风洞实验平台，并设 计、加工实验所需的防风网模型； ( 2 ) 进行开孔率对平面型、非平面型防风网( 蝶形网、拦沙网) 尾流区内庇护 效果影响的实验研究，并对在相同开孔率下，不同形式的防风网的减风效果 进行比较，为防风网抑尘工程建设选用防风网片的类型提供理论依据： ( 3 ) 以( 2 ) 中确定具有最佳庇护效果的开孔率的蝶形网为基准，研究在相同的 开孔率下，孔径与来流风速对蝶形网抑尘效果的影响： ( 4 ) 以确定的开孔率最优的平面网与蝶形网为研究对象，依据国外学者提出的 防风网与地面的底部间隙对防风网的庇护效果影响的研究，进行不同间隙对 防风网庇护效果的影响规律研究，为防风网的工程建设提供支持： ( 5 ) 利用有限元方法对课题组在前期工程建设中所采用的不同形式的支撑钢构 架的受力特性进行分析比较，根据分析结果确定优化的支撑钢构架形式。 1 8 青岛科技大学研究生学位论文 2 风洞实验设计 2 1 风洞实验装置与实验流程 2 1 1 实验流程 本实验在一个开口循环式的风洞中完成，实验流程示意图如图2 1 所示。空 气由一个离心式风机吸入，经过收缩、稳定、整合等一系列过程进入实验段，最 后经整合、扩散流到大气中。为了模拟实际大气环境，在风洞实验段入口处( 防 风网模型来流风上游区) 安装了两排小椭球形吸铁石来充当粗糙元件，使来流风 具有一定的湍流度，从而使实验效果更佳。实验时风速由t e s 1 3 4 1 型热线风速 仪测定。在设置不同防风网模型网前后测量点处主要测量瞬时、最大、最小、平 均风速，以获得防风网庇护区内的平均风速、减风率以及湍流度分布情况，并根 据实验数据和庇护效果评价手段来分析防风网的相关参数例如开孔率、底部间隙 和孔径等对防风网减风效果的影响。 来流风 一l l p - - - i i d 。 图2 1 实验流程示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t e s tf l o w 2 1 2 风洞实验装置 风洞是指在一个管道内用动力设备驱动一股速度可控的气流用以对模型进 行空气动力实验的一种设备，风洞不仅是航天航空发展的保证，也是风沙物理学 研究的重要依托【叫。 本实验风洞是如图2 2 所示的青岛科技大学热能实验风洞系统，该系统于 2 0 0 0 年从华中科技大学引进，实验段风速范围是0 1 0 0 m s ，属于低速风洞。2 0 0 6 年，热能教研室完成了对该系统的改造，实现了恒风速控制、数据的实时分析等 1 9 非平面型防风网流场特性模拟及其支撑结构力学分析 功能。风洞所用风机为4 - 7 2 n 0 1 2 0 型离心式通风机，风量6 5 1 8 2 m 3 h ，额定功率 18 5 k w ，风速连续可调。 图2 2 风洞设备示意图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fw i n dt u n n e l 风洞装置吸气入口端可以自由移动，根据文献研究结果可知：一般防风网的 遮蔽长度( x 轴方向) 在1 5 2 5 倍网高左右，并根据风洞实验室实际场地大小以 及所设计的防风网模型尺寸大小，设计风洞实验段的长度为1 8 0 0 m m ，其截面尺 寸为6 0 0 m m x 6 0 0 m m ，厚度为1 0 m m 。风洞实验段如图2 3 所示。 - 卜! ( a ) 实验段设计图 ( a ) d e s i g nd i a g r a mo f t e s ts e c t i o n 青岛科技人学研究生学位论文 ( b ) 买验段安装后示意图 ( b ) s c h e m a t i cd i a g r a mo f t e s ts e c t i o na f t e ri n s t a l l e d 图2 - 3 实验段示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft e s ts e c t i o no fw i n dt u n n e l 2 2 风洞相似准则 为了保证实验数据的可靠性，对模型进行风洞实验时需要考虑其相似条件。 风洞实验一般要求满足几何相似、运动相似和动力相似。由于各种因素导致完伞 相似的不可能性，因此我们仅能采用主因素相似的近似模化【7 0 j 。 ( 1 ) 几何相似 几何相似要求防风网模型的网孑l 形状、网孔尺寸和开孔率及地面粗糙度应满 足同一个缩尺比。在吹风过程中防风网模型要具有一定的刚度，不能发生永久性 变形。但是由于模型设计及现实条件中的一些因素，几何相似仅能得到部分满足。 ( 2 ) 运动相似 运动相似是指在实际与模拟两个流动系统中的对应流线形状也相似。在风洞 实验中。般要求边界层内的风速轮廓线分布和流态达到相似，即空问运动场相 似。流态相似是指雷诺数r e 相等，但是大气雷诺数一般都在1 0 8 以上，这在风洞 中是很难实现的。不过有研究表明当雷诺数达到某一临界值后，湍流结构就不再 随雷诺数的变化而变化了，因此当风洞内的雷诺数达到此临界值时，就可在风洞 中模拟大气边界层的湍流流态。 ( 3 ) 动力相似 动力相似主要从湍流度、重力和惯性力方面考虑。 2 l 非甲面型防风网流场特性模拟及其支撑结构力学分析 2 - 3 防风网模型设计 根据使用目的、环境状态，使用相应的防风网材质。日前在煤堆场使用的防 风网中具有代表性的是以美困为代表的涤纶丝编织涂层网、日本为代表的金属网 以及韩国的聚乙烯一e v a 网、图内使用的塑料挤出网以及玻璃钢材质网。虽然玻 璃钢网的成本比金属材质防风网有所降