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不同设置方式下的防风网抑尘效果对比

发布时间:2015/10/24 技术施工 标签抑尘效果方案比较防风网露天煤垛场浏览次数:1175

防风抑尘网摘要:为对比防风网不同设置方式对露天堆场起尘的影响,以某露天煤堆场为例,结合现场实测数据对数值计算方法进行了验证,并根据实际堆场设计了4种设网方案。通过计算各料堆表面摩阻风速的分布,统计出了各方案下的全年起尘率。结果表明:当防风网呈“口”型设置时,抑尘效果最好;沿全年主导风向上方向呈“L”型设置时,抑尘效果最差。比较“n”型半包围设网方案,则沿全年主导风向上方向设置比下方向设置抑尘效果好。

关键词:露天煤垛场;防风网;抑尘效果;方案比较

0 引言

煤炭冶金部门的露天煤场粉尘在自然力作用下产生大量扬尘,既造成原料的浪费,也造成严重的空气污染 。在大型煤堆场中,营建防风网已成为一种用于防治露天煤尘风蚀污染的重要措施。作为一种疏透多孑L的障碍物,气流在防风网多孑L屏障的疏透下,速度得到了极大衰减,在其背面形成一个低速遮蔽区,有效降低煤堆表面的风速 ,从而减少散状煤尘的风蚀扬尘量。基于这个原理,防风网对于煤堆起尘与扩散的防尘效果已广泛公认。相关监测表明:防风网的防尘效果可达到50% 一70% ,最高可达到90% 。国外对防风网的研究开展较早,对产生扬尘的风蚀过程也有了基本认识。他们通过风洞试验和国家自然科学基金项目(50808115);山东省自然科学基金(2009ZRB01240);研究生科技创新基金(YCA110206)。

数值模拟的方法研究了开孑L率、孔隙分布形式及最佳开孔率等结构参数对防风网抑尘效果的影响 。国内一些学者也相继展开防风网防尘工作的应用研究⋯ ,特别是大型煤炭港口对防风网抑尘效果做了试验验证⋯J。但防风网抑尘效果的定量评判问题一直没有公认的做法和标准,各种设网方案下的抑尘效果的评价也很少研究。本文以一大型煤炭堆料场为例,对不同设置方案下的防风网抑尘效果进行了对比,为防风网设置方案的论证提供了一种作法。

1 防风网流场的计算

1.1 数学模型

煤堆场周围的空气流动看作是在不可压缩以及不考虑热转换的大气条件下进行,本研究采用标准k—s湍流模型来模拟防风网的三维流场¨ ,控制方程为:

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环境工程
2011年10月第29卷第5期
连续方程为式(1):

防风抑尘网公式

式中:“ 为风速,m/s;Ui 为风速的二阶关联项,m /s ;“ u 为脉动速度的二阶关联项,m /s ;P为压力,Pa;P为空气密度,kg/m ; 为空气运动黏度,m /s。

在数值模拟中,防风网当成多孔介质(porous.jump)来模拟,流场经过防风网时的物理表现为压降,即式(3):

防风抑尘网公式

式中:Ap为介质两侧的压力差,Pa; 为空气动力黏性系数,为1.789×10 。N·s/m ;/7,为介质的渗透性,m ;C 为压力阶跃系数,m~; 为垂直于介质表面的速度,m/s;Am为介质的厚度,m。

防风网阻力系数测定试验是在西南交通大学风洞中进行的,防风网厚度为1.2 mm的钢板,通过试验测得不同入口风速下的防风网两侧压力差,利用公式(3)对所测数据拟合得出介质的渗透性。和压力阶跃系数c 值。

1.2 计算方法

根据国内一煤码头工程中防风网布置情况,确定数值模拟计算域为8 000 m×6 000 m×200 m的矩形区域,尺寸和边界条件设定如图1所示。将来流风速作为人口风速,出口为自由出流条件,上边界和侧边界视为对称边界,壁面为无滑移边界,防风网利用porous-jump来进行数值模拟。整个计算区域采用混合网格划分,网格数约为110.65万个。对近壁面和堆场区进行局部加密,以增加网格节点数。流场的计算程序采用SIMPLE方法,计算误差为 ≤ 10~。根据有限容积法将微分控制方程离散成代数方程组,其中压力项采用中心差分,对流项采用迎风格式,湍流通量项采用Grank.Nichson格式。

1.3 对比验证

现以实测数据对数值模拟结果进行对比验证。在工程建成后,研究人员用ZDR一1F型风速风向自动记录仪,在现场连续记录了28个测点的2m处风
向和风速值,各测点分布见图2。

计算域物理模型

实验采用4台风速计,实验中每4个测点同时测量一次,将测点分成7组进行测定。根据2009年3月24日至2009年3月30日的实测数据,提取气象
条件稳定且风向为偏东向的时间段的50组连续数据,并根据公式(4)分别统计出风速衰减系数,见图3。

速度衰减系数对比

由图3可看出,数值计算结果与实测数据结果总体吻合结果比较理想,但主要偏差存在于24~28测点,可能存在的原因是,由于物理模型建立过程中,没有考虑堆场周围建筑物的影响,同时数据测定过程中也难免存在一定测量误差,故可以认为数值计算与实测数据相吻合,数值计算方法是可信的。

2 防风网的设置方案

根据相关气象观测资料统计,当地常年盛行SSW 风,频率为10.10% ,全年平均风速为5.20 m/s;其次为WSW 风,频率为8.67% ,见图4。防风网围挡形式有主导上风向设置、主导下风向设置、半包围设置、全包围设置等几种方式。根据堆场实际情况和当地气象条件,本文将防风网的设置方案设置为4种方式,具体布置方式见图5。

风玫瑰图

防风网设置方案

3 摩阻风速的确定

经过料堆表面的摩阻风速在达到一定程度下料堆表面颗粒才开始运动,其恰好达到足以使料堆表面颗粒发生移动的某个临界摩阻风速值,称之为阈值摩阻速度。通过对气流吹过煤垛流场的计算,得到煤垛表面每个网格单元的摩阻速度,确定出煤垛各表面的风蚀程度,从而计算出整个堆场的起尘率。采用数值计算的方法可得到各方案的摩阻风速分布。

当入口平均风速设为5.20 m/s,风向为SSW 时,各方案所对应的摩阻风速分布见图6。

图6 煤垛表面的摩阻速度分布
图6 煤垛表面的摩阻速度分布

由图6可知:无网方案下,各煤垛表面所受的风 布得出,设置防风网对减小煤垛表面摩阻风速有明蚀程度大,其表面摩阻风速均大于加网方案。其中迎风面以及直接受到风流掠过的表面,其摩阻风速较大,最大处可达到0.471 m/s;部分背风面的沟壑处,风阻小,其摩阻风速为0.241 m/s。对比加网后方案发现,各煤垛表面的风阻减弱,相应各表面的摩阻风速大幅度减小,其煤垛表面摩阻风速的平均值分别降至0.261,0.257,0.273和0.250 m/s。通过分析不同风向风速作为来流风速时的煤垛表面摩阻风速的分显作用。

4 各方案的抑尘效果比较

根据煤尘表面摩阻风速分布,将小于等于该阈值摩阻速度所对应的面积加以统计,在煤垛表面总网格面积已知的情况下,得出煤垛的起尘率见式【5】。
公式5

式中: 为煤垛表面起尘率,% ;A 为小于等于临界值的网格面积,In;A为煤垛表面总网格面积,m;/zk为表面摩阻风速,m/s;“ 为阈值摩阻速度,m/s。

现以主导风向ssw,风速为5.2 m/$的方案1流场计算为例,以堆垛表面各组分煤尘的阈值摩阻速度u 为临界值,取值为0.23 m/$,先提取每个单元网格上的料堆表面风速分布,通过对数廓线计算表面摩阻风速,再以阈值摩阻风速0.23 m/s为基准,表面摩阻风速小于等于0.23 m/$所对应的面积之和为30 589.04 m , 料堆表面总网格面积为118 386.24 In ,故起尘率为:’7=(7 【 1一 丽 )x 100%=74·. 16%

用同样的方法计算各方案不同风向下的起尘率并加以统计。显然,露天煤垛起尘率 数值越小,则抑尘效果越好。

由此可知,设置防风网后,煤垛起尘率大幅度降低,从而减少了煤垛表面风蚀扬尘量几率。从各方案的抑尘效果看,方案4抑尘效果最好,方案1效果最差,方案3效果较差。其原因为:方案4沿堆场区四周全包围设置,完全阻挡了风流对煤垛表面的直接侵蚀,在防风网的通透减速下,风流对煤垛表面的摩阻阻力已大幅度减弱,表现为摩阻风速的相应减小;方案1中,呈两面设置的防风网仅从部分方向上阻挡了来流风速,而无法阻止未设网流向的冲击侵蚀;而方案3中,其中纵向防风网没有设置到主导风向上,虽然横向方向较好的阻挡了主导风向气流,但仍有部分风流进入煤场内,直接风蚀煤垛表面,导致部分煤垛表面摩阻风速较大。虽然方案4比方案2具有更好的抑尘效果,但方案4设置成本较高,在实际中可根据具体工程要求,综合考虑经济性选择设网方案。

通过各方案的比较可知,将防风网呈“口”型全包围设置可实现最优的防风抑尘效果,但当呈“兀”型三面设网也能达到工程需要时,则沿全年主导风向上方向设置有助于发挥防风网较好的抑尘作用。

5 结论

本文采用数值计算的方法模拟了防风网前后的流场分布,通过对比无网和设网后煤垛表面摩阻风速的分布得出,防风网能够有效降低来流风速,明显减小煤垛表面摩阻风速,设置防风网为露天煤场煤尘风蚀污染的防治提供了有利保障。

通过分析防风网在不同设置方式下的全年起尘率得出,将防风网呈“口”型全包围设置时,抑尘效果最好。综合考虑全年风向频率和堆场实际布置,当防风网三面设置也可满足要求时,则采用沿全年主导风向上方向呈“n”型设置抑尘效果较好,即在满足同样防尘效果的同时,节省了投资成本。

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王经理