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開放性露天堆場散塵規律及防風抑塵網優化設計的數值模拟

發布時間:2018-09-11   浏覽次數:

  開放性露天堆場的散塵是大氣污染的重要來源。目前料堆散塵的物理機制已基本明确,而空氣動力作用下散塵規律的定量研究局限于風速作為标量的實驗和使用風速标量信息的數值模拟,未考慮風速方向性對散塵行為的影響,堆場鈍體改變了近地層風場湍流結構,料堆表面風向逐點不同,忽略風速矢量性難以揭示料堆散塵的動力學機制,解析速度矢量與料堆散塵的關聯性對完善開放源散塵規律具有重要的科學意義,防風抑塵網的抑塵效率取決于網後的湍流結構,抑塵網後料堆表面的動力機制是抑塵優化的理論依據。


  本文通過對開放性露天堆場周圍空氣流動和料堆起塵物理機制的分析研究,解析速度矢量和散塵規律的關聯性;建立了繞流風場的三維數學物理模型,在此基礎上對典型料堆周圍風場和不同孔隙率抑塵網前後空氣湍流結構和料堆表面動力分布進行了數值模拟;追蹤顆粒相運動,得到堆場顆粒在風場中的運動特性;


  對數值模拟結果進行了必要的驗證;得出以下主要結論。堆場鈍體改變了近地層風場湍流結構,通過解析摩阻速度與剪切應力關系,提出将料堆表面剪切應力作為體現散塵的标識指标,較好地解釋了速度矢量與料堆散塵的關聯性;迎風面從坡底到坡頂剪切層漸薄,剪切速度逐漸增大,風速廓線偏離了原有的對數分布形态,平頂面前半程受迎風面影響較大,剪切層很薄,随着水平來流風的貼附作用,後半程逐漸呈現與垂直高度的對數成正比的風速分布,揚塵削弱,背風面靠近頂部區域沿坡面向下繞流,2/3高度以下處于回流渦旋,但由于剪切速度較小,揚塵量較之迎風面和平頂面小得多。數值模拟了3m/s,5m/s,7m/s,8m/s,10m/s五種來流風速工況,結果顯示:不同進風工況下,料堆表面風速相對值分布基本相同;迎風面剪切力從底到頂随來流風速增加而增加,揚塵增幅加大,堆高2/3以上為劇,平頂面剪切力呈現前強後緩的趨勢,背風面2/3堆高以上剪切力沿坡面向下遞減,2/3以下沿坡面向上。孔隙率是影響抑塵網效率的最主要因素,低孔隙率(0.3)和高孔隙率(≥0.3)抑塵網後料堆周圍風場結構和表面剪切力特性迥異;


  低孔隙率抑塵網的滲流空氣量與繞流空氣相比較小,網後空氣壓降劇烈,抑塵網與迎風面間形成渦旋,孔隙率為0時渦旋強度和直徑最大,渦旋中心高于堆頂,平頂面受其影響呈現回流剪切層,逆向來流揚塵;孔隙率為0.2時渦旋強度減弱,渦旋中心處于2/3堆高處,平頂面貼附表面向下遊流動,迎風面剪切力随高度增加先增大後減小,最大散塵點位于堆高2/3處,背風面始終處于回流區,表面剪切力随孔隙率大小變化不顯著;高孔隙率滲流風增加,網前後壓降減小,抑塵網與迎風面之間渦旋消失,呈現完全貼附流狀态,料堆顆粒被風揚起散至大氣,散塵量最大點位于迎風面坡頂,孔隙率增至0.6時,網後流場結構幾乎與無網工況無異,抑塵作用不明顯。基于孔隙率從0.2到0.3的抑塵網後空氣動力學形态的不同呈現提出臨界孔隙率,計算分析孔隙率為0.225、0.25及0.275時的流場可知,孔隙率在0.25時料堆周圍流場特性為渦旋流和貼附流主導作用的轉折點,此時剪切力最小,僅為無網時22.5%,獲悉臨界孔隙率為0.25。料堆表面空氣動力學特性研究更好地解釋了露天堆場的微觀散塵特性,為防風抑塵網的優化設計提供了動力學理論依據。


  對數值模拟的離散格式、抑塵網邊界條件、紊流模型進行了驗證,将模拟結果與其他學者的風洞實驗數據進行了對比,較好的一緻性證實了所建模型和數值方法的準确性。


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