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防风抑尘网开孔形式对流场的影响

发布时间:2015/11/07 技术施工 标签防风网浏览次数:997

摘要:应用CFD模拟软件Fluent 6.2提供的标准K. 模型,以流场数值模拟的方法对防风网结构及其网后流场进行流场模拟,研究了防风网开孔形式对物料堆表面速度、压力和湍动能变化的影响。模拟结果表明,物料堆表面风速由料堆底部沿迎风面表面向上逐渐增大,并在物料堆顶部附近出现边界层分离,使得背风面形成速度回流区;物料堆表面的压力由料堆底部沿迎风面表面向上逐渐降低,背风面则变化不大;在物料堆顶部湍动能较大,容易起尘。综合分析各个影响因素,圆形开孔防风网的挡风效果最佳。
关键词 防风网 开孔率 开孔形式 标准K— 模型

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,已被用于抑制大型散堆料场的扬尘。防风网前后流体的流动结构非常复
杂,既存在绕流和渗流,又有泄流区的强旋涡,还存在气体对料堆界面的剪切。因此深入分析防风网内的流场,对于了解防风网的抑尘机理、提高防风效率、建立能准确有效地预测防风网性能的计算方法等,均具有十分重要的意义。

由于防风网内流场分布的复杂性,实验测定其流场的难度很大,而计算机技术的飞速发展为人们研究防风网内部流场提供了方便快捷的工具。前人对防风网后的流场以及防风网挡风作用的影响因素进行试验和流场模拟,得出了一系列结论。宣捷等 在早期研究中,应用风洞实验系统研究了开孔率对挡风抑尘效果的影响;陈凯华等 分析了开孔率、风速、挡风墙的高度和厚度对挡风效果的影响;韩国浦项大学讨论了来流风速、开孔率、网高、网堆距和孔径对物料堆表面流动的影响 。前人的一系列研究表明:防风网合适的开孔率在0.3—0.5之问,网高为物料堆的1.5~2倍,网堆距为网高的1~3倍时具有较好的挡风效果。

1 防风网的工作原理
防风网主要是用来减小其下游风速的,来流风的一部分沿着防风网的壁面向上流动称为绕流,导致在防风网高度以上的尾流区形成湍流剪切层;还有一部分来风穿过防风网上的孑L,消耗能量后,继续分离研究工作

2 数值模拟
2.1 几何模型及计算网格划分
本实验所模拟的防风网前后流场的横截面结构如图1所示:防风网厚2 mm,高度100 mm,宽度600 mm,开孔近似为菱形开孔,开孔率接近0.4,防风网后设置锥形料堆,其高度为75 mill,网堆距为160 mm。图2为本文所模拟的3种不同开孑L形式(圆形、正方形、梯形)防风网的结构尺寸示意图。

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图2 防风网开孔形式示意图

为了从理论上细致、全面地分析防风网开孔形式对网后流场的影响,数值模拟的计算区域设置成长2000 mm,宽600 mm,高600 mm的长方体空间,利用网格生成软件Gambit对模型进行前处理。将整个计算区域分为10个规则区域,进行网格分区划分,并在防风网前后以及料堆表面进行网格加密,以有利于提高整个计算的精度。最后整个计算区域共划分出580 832个网格单元,生成的网格如图3所示。

2.3 边界条件
入口边界:入口气流为常温状态的空气,入口气流速度采用平均速度,沿人口截面法向速率为10.32 m/s,压力为常压,湍流强度为4.05% 。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、近壁处湍动能和湍流扩散率。

2.4 差分格式选择
流动控制方程组采用FLUENT6.2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方程。

3 结果分析与讨论
3.1 流场速度矢量图分析
图4为防风网与物料堆间流场速度矢量的局部放大图。从矢量图可以看出:来流风经过防风网后,均形成明显的绕流和渗流,在防风网与物料堆间形成低速区,在其上方形成高速区。绕流风绕过防风网后直接加速离开,渗流风穿过防风网后继续向下流动,到达物料堆后沿物料堆迎风面向上流动。
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图4 防风网与物料堆间速度矢量图

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,一部分在背风面形成速度回流区。从速度矢量图来看,3种防风网均具有较好的遮蔽效应,都能使防风网后流场的风速减小。

3.2 物料堆表面速度分布
图5为不同开孔形式的3种防风网后物料堆表面的速度分布图。从图中可以看出: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,这主要是由于:以渗流形式通过底层防风网孔的来流风,消耗能量后,继续向下游流动,到达物料堆底部后,由于受到物料堆的阻挡作用,从物料堆底部沿料堆迎风面爬升,在爬升过程中,与渗流通过中间和上层防风网的来流风汇合,沿迎风面表面继续向上流动,由于渗流风汇合后的风量增大,从而使风速由料堆底部沿迎风面表面向上逐渐增大。渗流风经过物料堆的顶点后,大部分保持原方向继续向下游流动,小部分则由于背风面存在的负压区而出现边界层分离现象,在物料堆后形成稳定的速度回流区,致使物料堆表面的风速在刚经过物料堆顶点后便沿背风面表面向下迅速减小;同时,由于小部分渗流风形成了稳定的速度回流区,因此物料堆背风面的风速较小且变化不大。
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图5 防风网后物料堆表面速度分布图

从图5中可以发现,方形开孔与梯形开孔防风网后的风速在物料堆顶点之前出现下降,这是由于绕流风在流动过程中,能量下降导致部分绕流风在物料堆顶部附近即出现边界层分离,分离区下游出现气体回流,表面风速出现下降。由图5分析可知,梯形开孑L防风网后物料堆迎风面的速度最大,这说明梯形开孔的挡风效果较差;圆形开孑L与方形开孔防风网相比较而言,在料堆底部其风速较小,这说明渗流风穿过圆孔时消耗的能
量较大,从而使渗流通过底层防风网孔到达物料堆底部的来流风能量较小;但在料堆顶部附近偏大,原因是绕流风通过圆孔防风网后并没有在物料堆顶部附近出现边界层分离现象,对沿迎风面汇合后爬升的渗流风影响较小,致使物料堆表面的风速在顶点处达到最大值。

3.3 物料堆表面压力分布

图6为不同开孔形式的3种防风网后物料堆表面的C。图。由图可知: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,这一方面是由于来流风沿物料堆表面逐渐上升造成静压力的损失,另一方面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,导致作用于迎风面表面的渗流风静压能逐渐减小;背风面则由于稳定的风速回流区的作用,其压力基本不变。

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由图6可知,3种防风网后料堆迎风面的压力变化趋势相同,但圆形开孔防风网后物料堆表面的压力最小,方形开孔与梯形开孔则基本相同,只是方形开孔防风网在迎风面底部压力较小。从物料堆表面的压力分布来看,开孔形式为圆孔的防风网挡风效果最好。

3.4 物料堆表面湍动能分析
图7为不同开孔形式的3种防风网后物料堆表面的湍动能变化图。高速来流风经过防风网后,在物料堆顶部出现速度分离形成较高的负速度梯度,
因而在此区域产生大的湍动能。而在物料堆的其他部位,由于流场稳定、有序,使其湍动能总体变化不大。从图中可以看出,3种防风网均在物料堆顶部前后出现湍动能的较大变化,而在其他部位则变化不大;3种防风网相比较而言,在迎风面处方形开孔防风网具有较小的湍动能,背风面处则是圆形开孔防风网的湍动能较小。在物料堆顶部,圆形开孔防风网的湍动能变化最小,这说明圆形开孔防风网在物料堆顶部流场较稳定,具有较好的挡风作用。
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图7 防风网后物料堆表面的湍动能变化图

通过物料堆表面速度分布、压力分布和湍动能变化的分析,梯形开孑L防风网的防风效果较差;正方形开孔的防风网虽具有一定优势,但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,圆形开孔的防风网挡风抑尘效果优于正方形开孔形式。

4 结 论
(1)速度矢量图表明:防风网后流场存在绕流风和渗流风,渗流风对物料堆的影响较大,物料堆顶部存在速度边界层的分离,在料堆背风面形成速度回流区。

(2)不同开孔形式下,料堆表面速度由料堆底部沿料堆迎风面表面向上逐渐增大,在料堆顶部出现速度剪切层,导致背风面形成速度回流区;料堆表面压力由料堆底部沿迎风面表面向上逐渐减小,在背风面则基本保持不变,圆形开孔防风网后物料堆表面的压力较低,其抑尘效果较明显;湍动能在物料堆顶部附近较大,且变化较大,圆形开孔防风网后料堆顶部湍动能较低,其挡风效果较好。

(3)不同开孔形式下,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,圆形开孔的防风网挡风效果最佳。

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王经理