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导流板型防风网的流场模拟与抑尘研究

发布时间:2015/10/27 技术施工 标签防风网浏览次数:1084

摘 要:针对常规型防风网庇护范围有限等缺点,采用导流、整流措施,设计了导流板型防风网。应用CFD模拟软件FLUENT 6.2提供的标准腓模型,以流场数值模拟的方法对导流板型防风网结构及其网后流场进行数值模拟,研究了导流板型防风网对物料堆表面速度、压力和湍流强度变化的影响,并与常规防风网的挡风抑尘作用进行了比较。模拟结果表明:导流板具有导向作用,使渗流风以一定角度上扬,减小了渗流风对防风网后物料堆表面的直接作用,同时延缓了绕流风对料堆顶部的影响;与常规防风网后料堆表面性质相比,导流板型防风网后料堆表面速度较小,压力变化较小,顶部附近湍流强度变化较小;综合分析各因素,导流板型防风网挡风效果明显。

关键词:防风网;导流板;数值模拟;标准 e模型

防风网是一种疏透多孔的障碍物,通过设置防风网,一方面可减少来流风速,另一方面减少来流风的不稳定性,从而抑制散料堆表面的起尘。防风抑尘网具有结构简单、维护管理费用低、经济和使用方便等优点,已在国外被成功用于抑制大型散堆料场的扬尘。
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2.2 湍流模型的选择
目前,工程上常用的湍流数值计算大致分为:直接模拟法(DNS)、雷诺时均方程法(RANS)和大涡模拟法(LES)3类。标准/ ~-8模型是一种基于雷诺时均方程法的双方程模型,具有方程简单、计算速度快的特点,已在工程中得到广泛的应用[133。防风网·前后的气体流动基本呈各向同性,无强旋流,故可选用标准/~-8模型模拟其流场。

2.3 边界条件
入口边界:人口气流为标准状态下的空气,人口气流速度采用平均速度,沿入口截面法向速度为13.5 m·s_。,压力为常压。出口边界:自由压力出口,出口压力为外界大气压。壁面边界:壁面不可渗透,不存在滑移速度,通过壁面函数方程来计算壁面剪应力、近壁处湍动能、湍流扩散率口引。
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2.4 差分格式选择
流动控制方程组采用FLUENT 6.2软件包提供的有限体积法离散求解。扩散项采用中心差分格式,对流项采用二阶迎风差分格式。代数方程组采用分离隐式求解方法,用SIMPLEC算法耦合连续性方程和动量。

3 结果与讨论

3.1 流场速度矢量图分析

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圈4 导流板型防风网与物料堆间速度矢量图
从图4(a)可以看出:来流风经过防风网后,形成绕流风和渗流风,在防风网与物料堆间形成低速区(风速降至3.5~5.5 nl·s-1),在其上方形成高速区。绕流风绕过防风网后直接加速离开,渗流风穿过防风网消耗能量后继续向下游流动,到达物料堆后沿迎风面表面向上流动,在物料堆顶部出现边界层分离现象,一部分和绕流风汇合后向下游流动,另一部分则在背风面形成速度回流区。从速度矢量图来看,防风网具有较好的遮蔽效应,网后流场的风速明显减小。
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图4(b)为导流板型防风网与物料堆间速度矢量的局部放大图。由位置3看出,由于导流板的导流、整流作用,来流风穿过网孔后经过导流板,其风向有一定角度的上扬(约60。),使部分渗流风汇入绕流风,减小了网后渗流风的强度,从而减缓了绕流风速度边界层分离对物料堆顶部的直
接作用;同时增大了渗流风Y方向l的速度分量,减小了直接作用于迎风面表面的渗流风,其顶部附近最大风速减小至5.8 m ·s一。图4(b)中位置2表明,来流风经过防风网时,导流板的背风面形成低压区,从而导致部分上扬的渗流风向低压区流动,并与其它渗流风相互作用形成湍动旋涡。湍动旋涡的存在减小了渗流风的能量,降低了渗流风对料堆粉尘的卷扬,进一步增强了网的挡风功能。

3.2 物料堆表面速度分布
图5为不同来流风速时2种防风网后物料堆表面风速的变化趋势。可以看出,2种防风网作用下,物料堆表面的风速从料堆底部沿迎风面表
面向上逐渐增大,在料堆顶部附近达到最大值,而后进入背风面,风速迅速降至0.3 m ·s1左右后基本不变。这主要是由于:底部渗流风到达物料堆底部后,由于受到物料堆的阻挡,从料堆底部沿料堆迎风面爬升,在爬升过程中,与上层渗流风汇合,风量增大,风速由料堆底部沿迎风面表面向上逐渐增大。渗流风经过物料堆顶点后,大部分保持原方向继续向下游流动,小部分出现边界层分离,在物料堆后形成稳定的速度回流区,使得风速迅速下降。
不同来流风速下物料堆表面风速
图5 不同来流风速下物料堆表面风速
由图5还可以看出,导流板型防风网后物料堆迎风面的风速值小于常规防风网迎风面的风速值。来流风速分别为9和13.5 111·S 下,与常
规防风网相比,在物料堆顶部的风速平均减小了19 。常规防风网后物料堆表面的风速还存在一定的波动,这是由于沿料堆迎风面爬升的渗流风
与防风网后的渗流风方向不同而产生旋涡,料堆表面的旋涡容易将物料卷扬起来,不利于抑尘。

而导流板型防风网由于沿迎风面爬生的渗流风与渗流通过中间和上层防风网的来流风均具有倾斜向上的速度方向,避免了料堆表面旋涡的产生,减小了粉尘卷扬。

3.3 物料堆表面压力分布
颗粒从物料堆扬起的起尘力与料堆表面的压力波动密切相关 ]。压力系数的定义式[10-12 为表面压力的变化趋势。由图6分析可知,物料堆
迎风面的压力从物料堆底部沿其迎风面表面向上逐渐减小,这是由于来流风沿物料堆表面逐渐上升造成静压力的损失,同时渗流风风速从料堆底
部沿迎风面表面向上逐渐增大,动能增大,作用于迎风面表面的渗流风静压能逐渐减小所致;背风面则由于形成了稳定的风速回流区,压力基本不变。从表面压力的变化来看,风速较小(9 m ·s )时,迎风面与背风面压力变化相差不大,防风网挡风作用并不明显。当来流风风速较大(13.5m ·s )时,迎风面顶部附近压力变化加大,易起尘,其它部位抑尘效果则较好。
不同来流风速下物料堆的表面压力
图6 不同来流风速下物料堆的表面压力

变化小于常规型防风网。来流风为13.5 m ·s时,常规防风网在料堆顶部附近,C 由一0.3迅速下降至一0.55,而导流板型防风网由一0.4降至一0.5,导流板型防风网的压力变化率减小了6O 。这说明由于导流板的导向作用,料堆顶部附近压力波动较小,导流板型防风网挡风抑尘效
果明显。

3.4 物料堆表面湍动能分析
图7为不同来流风速时2种防风网后物料堆表面湍流强度的变化。由图7可见,物料堆迎风面湍流强度从物料堆底部沿迎风面先逐渐增大,后趋向平缓,在料堆顶部达最大值。这是由于料堆对渗流风的阻挡作用,使湍流强度从物料堆底部开始渐渐增大,沿迎风面爬升过程中流场则较稳定、有序,因此,其湍流强度变化不大。而在物料堆顶部,由于速度边界层分离的存在,以及背风面形成速度回流区,压力和速度变化梯度较大,导
致其湍流强度达最大值。在背风面由于速度回流区内流场稳定,湍流强度则基本不变。

图7
由图7分析得到,2种防风网后料堆表面湍流强度变化趋势相同。导流板防风网在物料堆的中下部具有较大的湍流强度,但其在物料堆顶部附近湍动强度变化较小,说明物料堆顶部流场较稳定。考虑到物料堆顶部是颗粒容易扬起的区域,抑制此区域颗粒起尘是提高防风网挡风作用的关键,因此,导流板型防风网抑尘作用较好。

4 结 论
1)导流板可使渗流风以一定角度上扬,一方面减小了渗流风对防风网后物料堆的直接作用,另一方面则延缓了绕流风对料堆顶部的影响。
2)与常规防风网比较,导流板型防风网后料堆表面速度较小,顶部附近风速减小19 ,压力波动最大减小达6O ,顶部附近湍流强度变化较
小,挡风抑尘效果较好。
3)综合分析物料堆的表面速度分布、压力分布和湍动能变化可知,与常规防风网相比较,导流板型防风网挡风抑尘效果显著提高。

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王经理