非均匀孔隙率防风抑尘网优化设计的数值模拟

　　孔隙率因其影响防风抑尘网后湍流结构而成为影响抑尘效果的最主要的因素,探索最优孔隙率的研究成为了提高防风抑尘网抑尘效果最直接、最有效的途径之一。目前均匀孔隙率下网后空气流动和料堆表面受力的物理机制已为最优孔隙率的确定提供了有力的理论支持,同时研究结果也显示即使均匀孔隙率下料堆表面的散尘特性亦位置而异,本文基于孔隙率决定料堆周围流场结构的理论基础,不同孔隙率下料堆表面不同位置流动特性不同而导致抑尘效果各异的规律,探索不同孔隙率组合下料堆各表面抑尘效果最优的孔隙率分布;以表面剪切力为衡量抑尘效果的依据,研究了不同孔隙率组合下防风抑尘网后料堆周围运动特性和动力特性,计算最佳孔隙率组合;并在垂直纵向孔隙率组合研究的基础上探讨了料堆三面设网时堆侧网孔隙率不同下的抑尘效果;对数值模拟进行验证后获得了如下主要结论:(1)利用Fluent软件模拟了来流风速为6m/s,三层非均匀网的9种典型工况下料堆各表面近壁面相对风速、料堆表面压力、不同高度水平相对风速、料堆表面压力系数、湍动能等微观特征,得出:网中部和网下部孔隙率不变,网上部孔隙率从0增加到0.1,网前后竖向压差减小,网后气流扰动减弱,料堆近壁面相对风速减小,抑尘效果较好,网上部孔隙率(ε_H)取0.1时抑尘效果较好;网上部和网下部孔隙率不变,网中部孔隙率从0.4增加到0.6时,料堆迎风面由贴附流变为漩涡流和贴附的混合流动,料堆近壁面风速增加,气流扰动增加,料堆扬尘加剧,综合漩涡范围和湍流结构,网中部孔隙率(ε_M)为0.4时较好;网上部和网中部孔隙率不变,网下部孔隙率从0.2增加到0.4时,网中部渗透作用增强,渗透风比例增加,料堆迎风面贴附流的强度增加,料堆近壁面相对风速增加,料堆各表面压差增大,料堆扬尘增加,网下部孔隙率(ε_L)为0.2时,防风抑尘效果最佳;综合考虑网上部、中部和下部孔隙率ε_H/ε_M/ε_L=0.1/0.4/0.2时,抑尘效果最佳。(2)分析比较了均匀网、、两层非均匀网、三层非均匀网下抑尘网的抑尘效果,结果显示:三层非均匀网抑尘效果主要体现在料堆迎风面剪切力的减少,三层非均匀网ε_H/ε_M/ε_L=0.1/0.4/0.2时迎风面剪切力较两层非均匀网ε_H/ε_L=0.1/0.3减少了80%,较均匀网孔隙率ε=0.3减少了89%;但三层非均匀网平顶面剪切力较两孔非均匀网有所增加,三层非均匀网ε_H/ε_M/ε_L=0.1/0.4/0.2各表面剪切力之和比均一网ε=0.3减小了66.1%,比两层非均匀网ε_H/ε_L=0.1/0.3减小了31.2%,三层非均匀网料堆各表面剪切力绝对值之和最小,抑尘效果最佳。(3)研究了料堆三面设网下,堆前网孔隙率和堆侧网孔隙率不同时,料堆各表面剪切力变化及周围空气的微观动力学分布情况,研究得出:堆前网孔隙率为0.4时,侧网孔隙率的改变对料堆侧面剪切力影响较大,而对料堆迎风面、平顶面、背风面剪切力影响较小,ε_1/ε_2=0.4/0时料堆侧面剪切力最大,侧网孔隙率从0增加到0.5时,料堆侧面剪切力呈先减小再趋于平缓的趋势。侧网孔隙率从0增加大0.3时,侧网渗透作用增加,渗透风比例增大,网前后压差减小,透过侧网的气流对堆前来流的阻碍作用使料堆侧面近壁面风速减小,扬尘减少;侧网孔隙率从0.3增加到0.5时,料堆侧面渗透来流对堆前来流的抑制作用已不明显,料堆侧面剪切力变化较小。本文对不同孔隙率组合下防风抑尘网后料堆周围运动特性和动力特性进行研究,以料堆各表面剪切力之和最小为判定标准得出防风抑尘网最优孔隙率分布情况,为防风抑尘网的优化设计提供了新的技术方法。