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防风抑尘网研究进展

发布时间:2015/11/09 技术施工 标签防风抑尘网浏览次数:863

摘要:防风抑尘网作为一种能有效控书j散堆料场起尘与扩散的手段,近年来得以推广,并得到学术界的关注。本文综述了国内外防风抑尘网的研究现状和进展。着重从作用机理、防风效应的影响因素、数值模拟进展及防风网的应用等方面对防风网进行了总结评述;同时介绍了一种新型防风网~一导流型防风网,即在常规平板型防风网网孔上增设导流翅片,使来流风绕过料堆产生上扬以减小其对料堆的直接作用力,并借助数值模拟手段对新型防风网的抑尘性能进行了研究;最后对防风网防风网古称防风栅、防风障,是一种多孔的障碍物,最初是人类用来抵御风沙侵袭的有效手段。

广义的防风网是可以减小风速的任何结构,如木栅、金属网、树篱等。而工程上的防风网是指减小风强技术的工程装置,主要由具有一定开孔率的金属网板或者由编制、粘接、挤压成型的非金属网片、支撑钢结构、地下混凝土基础和相应的辅助喷水装置以及白控仪表系统组成。

防风网按其移动性能可以分为移动式和固定式。移动式防风网采用电动升降,在使用时将防风网上升到一定的高度,不使用时将防风网降低,不影响其它作业,其主要应用于移动性较大的现场作业,如港口堆场煤炭加工等行业。而固定式防风网一般被加工成型后装配到框架上,然后连接到固定在地面的钢支架上。考虑到造价、操作性等因素,目前防风网以固定式为主。按网板形式的不同防风网可分为蝶形、直板形、半圆形等,其中蝶形和直板形较为常见。而根据材质的不同,防风网又可分为镀铝锌网、玻璃钢网、柔性纤维网等。

防风网的基本原理是通过设置多孔透风的屏障来降低来流风速并减弱其湍流强度,达到防风抑尘的目的 。因具有结构简单、维护方便、营建迅速等特点,已在农、林、工矿等行业及许多大型港口得到广泛应用。本文作者对近年来国内外在防风网方面的研究进行了综述,并对防风网未来的研究方向进行了展望。

l 抑尘机理
防风网是利用空气动力学的原理,将网前大尺度、高强度的旋涡梳理成小尺度、弱强度旋涡,从而改变网后的微环境以达到减弱下游风速和流场湍流度的效果,防止粉尘的飞扬。

防风网的抑尘机理与网后颗粒的起尘机理密切相关等依据对网后不同距离处颗粒的起动风速的观测评价了防风网的防风抑尘性能,指出防风网增大了网后颗粒的临界起动风速,因而能达到抑尘的目的。研究发现当来流风达到颗粒的临界起动风速时,料堆表面的颗粒开始跳跃,且随着开孔率的降低,网后颗粒的临界起动速度逐渐增大。丛晓春等测定了不同矿料颗粒的起动风速并考察了扬尘量随风速的变化关系,结果表明当来流风速低于颗粒临界起动风速时,颗粒不起尘;当风速超过临界起动风速时,起尘量随着风速的增大呈4次方增大。

目前,研究者认为防风网减小了网后风速,增大了网后颗粒的临界起动风速从而达到抑尘的目的。林官明等则应用子波分析对防风网后的湍流信号进行了研究,发现网后旋涡的能量和发生频率有显著地降低,证明了防风网对起尘的抑制除了表现在降低风速以外还表现在对猝发旋涡的抑,从而从另一个角度阐述了防风网的抑尘机理。
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2 防风抑尘效应的影响因素
影响防风网防风抑尘作用的因素很多,其中防风网的结构对其防风抑尘效应及网后庇护区的大小起决定作用,了解这些结构因素可以更深入的
认识防风网,并指导结构的设计优化,提高防风网性能。

2.1 开孔率的影响
开孔率是防风网的开孔透风面积与总面积之比,作为防风网的结构指标,是影响防风网防风抑尘性能最重要的因素。考察了不同开孔率的防风网后平均风速和湍流度的变化。研究发现,开孔率为20%时,防风网能最有效地减小其背风面的平均风速。与未开孔的防风网相比,开孔的防风网能更好的减小平均风速,而较高开孔率的防风网则能够提供更好的总体庇护效应。研究发现开孔率在23%~30%时,近网处具有较小的风速。Lee
和Park~231讨论了防风网后料堆表面的压力变化,现开孔率在40%~50%时,防风网能较大程度的减小料堆表面的压力,对料堆起尘的抑制作用
最强。

防风网的开孔率也是决定网后回流区变化的重要参数。Castro和Ranga等均发现当防风网开孔率大于30%时,网后回流即会消失,而Lee
和Kim等则报道了当开孔率大于40%时,由于通过网的强渗流风的影响,网后平均风速增大,回流消失;而对于开孔率为40%的防风网,网后
流场具有较好的流动特性,网后流场的湍流强度也较小。

此外,Lee等还通过风洞试验研究了防风网对料堆的庇护效应,研究表明具有最佳庇护效应的防风网其开孔率在30%~40%。而MercerI3~1则报
道了防风网的最佳开孔率在25%左右。综上所述,开孔率对防风网的防风抑尘性能起着至关重要的作用,但目前国内外对开孔率的研究结果并不一致,这是由于试验所处的大气环境、模拟及实验采用的模型不同所致。最佳的开孔率一般在20%~50%。
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2.2 网高的影响
防风网的高度与庇护范围密切相关。Torano等考察了露天储料场颗粒的起尘情况,发现当网高小于料堆高度时,在防风网至网后2倍料堆高度
间的颗粒起尘量最小;而当网高为1倍和1.2倍料堆高度时,在网至网后3倍料堆高度问的颗粒起尘量最小。陈凯华等对某钢铁厂露天堆料场防风网防风效果进行了数值模拟,结果显示,在风速一定的情况下,持续增大网的高度并不能达到持续扩大庇护范围的效果,网高与受保护料堆的高低和料场的面积有直接的关系,网高取值为受保护料堆高度的1.5倍较为适宜。研究发现防风网的庇护范围随网高的增加而增。

孙昌峰等:防风抑尘网研究进展大,当达到一个峰值后,网高再增加,防风网的庇护范围变化并不明显。
有研究表明 ¨:当防风网的高度为料堆高度的0.6~1.1倍时,网高与抑尘效果成正比;当防风网高度为料堆高度的1.1~1.5倍时,网高对抑尘效果的影响趋于平缓;当防风网高度为料堆高度的1.5倍以上时,随着网高的增加抑尘效果无显著的变化,因此防风网最佳高度为料堆高度的1.1~1.5倍。

2.3 网与料堆距离的影响
与开孔率和网的高度相比,网与料堆距离(网至料堆前堆脚的距离)的影响并不十分显著。Lee等_2 研究发现,在开孔率和网高一定的情况下,改
变防风网与料堆之间的距离对料堆表面的平均压力并无大的影响。Li Wei等[221则报道了当间距大于4倍的网高时,开孔率为50%的防风网的庇护效应接近于未开孔的防风网的庇护效应。而有研究表 :当防风网沿料堆脚放置时,由于网后漩涡的影响,极易导致起尘,同时在堆脚和堆顶处渗流风速的降低并不显著,而在网后2~3倍料堆高度的距离内有一个低风区,减速效果较好。日本的研究表明防风网与最近料堆的距离可控制在1.0~1.5倍料堆高度之内。

此外,l(im 和Lee[331还考察了防风网网孔大小对网后流场的影响,发现在同一开孔率下,随孔径的减小,防风网对来流风的阻碍作用不断增大,渗流风的湍流度也不断增加。研究了不同的来流风方向对防风网性能的影响,结果表明,防风网的抑尘作用很大程度上取决于来流风的方
向,传统防风网布置方式为在料堆四周呈长方形布置,此时,在来流风向与迎风面呈45。夹角时对网后料堆的抑尘作用较差;而呈八边形布置时,对于倾斜角度来流风,防风网的抑尘作用有较大改善。

3 防风抑尘网的工程应用
在防风网的工程应用方面,近年来日本、韩国等所做的研究较多,日本从20世纪7O年代起,就开始对防风网进行相关研究,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。韩国浦项科技大学的Lee和Park对POSCO钢厂5号煤堆场两侧设置的防风网的抑尘效果进行了现场测试,
结果发现网后流场湍流强度减小了50%,总悬浮颗粒(TSP)减少70%~80%。目前,国外应用防风网的案例有日本电源开发株式会社下辖的大型发电厂、中国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,均取得了较好的防尘效果。

我国大陆防风网防尘技术虽然起步较晚,但近几年发展较快。交通部水运科学研究所所做工作较多,对神华天津煤炭码头、曹妃甸港、秦皇岛煤炭码头等防风网工程进行了相关的研究及工程设计工作,现已投入使用,其中于2008年10月竣工的秦皇岛港煤三期防风网工程是目前世界上最大的防风网工程,每年可直接减少粉尘排放2000多吨l4J。青岛科技大学段振亚等[361提出了采用防风网和拦沙网的组合形式来抑止二次扬尘的方法,在此基础上开发的防风网相继在某钢厂500万吨球团厂料堆场、西柏坡电厂和山东沾化热电厂堆煤场投入使用。

目前,随着防风网防尘技术的日趋成熟,防风网在我国的工程应用范围正逐渐扩大。

4 数值模拟研究进展
随着计算机技术的快速发展,越来越多的研究者开始应用数值模拟方法对防风网后流场进行模拟分析。而应用CFD商业软件(如Fluent、CFX)对
防风网进行数值模拟已成为趋势。

4.1 模拟方法
由于防风网后流场表现的是湍流特征,因此其数值模拟的研究进程很大程度上依赖于湍流模拟的研究进展。目前针对湍流的数值模拟方法主要是非直接数值模拟法,即设法对湍流作某种程度的近似和简化处理,而不直接计算湍流的脉动特性。非直接模拟法主要有两大类:大涡模拟(LES)法和Renolds平均法(也称RANS方法)。图1是湍流数值模拟方法的分类图H川。

大涡模拟法基本思想为用瞬时的N—s方程直接模拟湍流中的大尺度涡,不直接模拟小尺度涡,而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。Maruyamat41 J利用LES方法对防风网周围的湍流特性进行了模拟。模拟过程采用亚格子尺度模型使控制方程封闭。由于使用了较粗糙的计算网格,模拟过程的计算量与细网格相比大大减轻,模拟结果与风洞试验结果吻合仍较好。

4.3 导流型防风网
来流风经过常规防风网后,渗流风会直接作用于料堆的迎风面,产生对颗粒较强的作用力,迫使颗粒从料堆表面扬起,形成二次起尘。针对常规防风网的不足,青岛科技大学化学工程研究所[49-50]研究开发了一种新型防风网,通过导流、整流措施,在常规平板型防风网网孔上增设导流翅片,使来流风在导流翅片的作用下沿料堆向上爬升,减小风直接冲击料堆迎风面的作用力,从而进一步改善防风网的防风抑尘效果。新型防风网模型如图3所示,采用长孔或椭圆孔,网孔的一侧被冲压成翻边导流翅片,且翅片与防风网平面呈一定角度,因而对来流风起到导流作用。
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图6 常规型防风网后流场速度矢量图
图7 导流型防风网后流场速度矢量图
场速度矢量图。可明显看出:导流板具有良好的导向作用。与常规防风网比较,导流型防风网后料堆表面速度较小,渗流风速减小40%左右;项部附近风速减小19%,压力波动最大可减小60%;湍流强度变化较小,防风抑尘效果好。

5 结 语
防风网作为一种能控制起尘和扩散的有效手段,目的是减小其下风向的风速。目前对防风网防风抑尘效果影响因素的考察主要集中在开孔率、网
高、网与料堆的距离等方面;开孔率是影响防风网作用的关键因素,但国内外对开孔率的研究得出的结果并不一致,一般认为,最佳开孔率均在20%50%;网高是影响防风网庇护范围的重要因素,随网高的增加防风网的庇护范围增大,但持续增大网的高度并不能持续扩大庇护范围;与开孔率和网高相比,网与料堆距离的影响并不显著,但在网后2~3倍料堆高度的范围内庇护作用最好。

目前研究者们对防风网的研究取得了长足的进步,研究方向主要集中在防风网防风抑尘方面,如防风网形式、防风网布置、防风网防风抑尘性能
的影响因素等方面L5 J。防风网抑尘技术逐渐成熟,其工程应用己越来越广泛。而随着计算机技术的不断发展,利用CFD软件对防风网进行模拟已成为研究热点,其研究结果对人们深入认识防风网并指导装置的设计优化意义重大。但这些研究大多集中在流体动力学方面,关于防风网结构设计方法、结构稳定性、抗风设计研究l5 7J和承载安全度分析方法以及新型防风网的开发等的研究报道还较少,应是今后研究的重点。此外,在理论上应建立更确切的流场数学模型、网后扬尘量的计算模型以及颗粒扬尘的判据以对防风网的抑尘机理进行更深入的研究。

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王经理