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开放性露天堆场散尘规律及防风抑尘网优化设计的数值模拟

发布时间:2018-09-11   浏览次数:

  开放性露天堆场的散尘是大气污染的重要来源。目前料堆散尘的物理机制已基本明确,而空气动力作用下散尘规律的定量研究局限于风速作为标量的实验和使用风速标量信息的数值模拟,未考虑风速方向性对散尘行为的影响,堆场钝体改变了近地层风场湍流结构,料堆表面风向逐点不同,忽略风速矢量性难以揭示料堆散尘的动力学机制,解析速度矢量与料堆散尘的关联性对完善开放源散尘规律具有重要的科学意义,防风抑尘网的抑尘效率取决于网后的湍流结构,抑尘网后料堆表面的动力机制是抑尘优化的理论依据。


  本文通过对开放性露天堆场周围空气流动和料堆起尘物理机制的分析研究,解析速度矢量和散尘规律的关联性;建立了绕流风场的三维数学物理模型,在此基础上对典型料堆周围风场和不同孔隙率抑尘网前后空气湍流结构和料堆表面动力分布进行了数值模拟;追踪颗粒相运动,得到堆场颗粒在风场中的运动特性;


  对数值模拟结果进行了必要的验证;得出以下主要结论。堆场钝体改变了近地层风场湍流结构,通过解析摩阻速度与剪切应力关系,提出将料堆表面剪切应力作为体现散尘的标识指标,较好地解释了速度矢量与料堆散尘的关联性;迎风面从坡底到坡顶剪切层渐薄,剪切速度逐渐增大,风速廓线偏离了原有的对数分布形态,平顶面前半程受迎风面影响较大,剪切层很薄,随着水平来流风的贴附作用,后半程逐渐呈现与垂直高度的对数成正比的风速分布,扬尘削弱,背风面靠近顶部区域沿坡面向下绕流,2/3高度以下处于回流涡旋,但由于剪切速度较小,扬尘量较之迎风面和平顶面小得多。数值模拟了3m/s,5m/s,7m/s,8m/s,10m/s五种来流风速工况,结果显示:不同进风工况下,料堆表面风速相对值分布基本相同;迎风面剪切力从底到顶随来流风速增加而增加,扬尘增幅加大,堆高2/3以上为剧,平顶面剪切力呈现前强后缓的趋势,背风面2/3堆高以上剪切力沿坡面向下递减,2/3以下沿坡面向上。孔隙率是影响抑尘网效率的最主要因素,低孔隙率(0.3)和高孔隙率(≥0.3)抑尘网后料堆周围风场结构和表面剪切力特性迥异;


  低孔隙率抑尘网的渗流空气量与绕流空气相比较小,网后空气压降剧烈,抑尘网与迎风面间形成涡旋,孔隙率为0时涡旋强度和直径最大,涡旋中心高于堆顶,平顶面受其影响呈现回流剪切层,逆向来流扬尘;孔隙率为0.2时涡旋强度减弱,涡旋中心处于2/3堆高处,平顶面贴附表面向下游流动,迎风面剪切力随高度增加先增大后减小,最大散尘点位于堆高2/3处,背风面始终处于回流区,表面剪切力随孔隙率大小变化不显著;高孔隙率渗流风增加,网前后压降减小,抑尘网与迎风面之间涡旋消失,呈现完全贴附流状态,料堆颗粒被风扬起散至大气,散尘量最大点位于迎风面坡顶,孔隙率增至0.6时,网后流场结构几乎与无网工况无异,抑尘作用不明显。基于孔隙率从0.2到0.3的抑尘网后空气动力学形态的不同呈现提出临界孔隙率,计算分析孔隙率为0.225、0.25及0.275时的流场可知,孔隙率在0.25时料堆周围流场特性为涡旋流和贴附流主导作用的转折点,此时剪切力最小,仅为无网时22.5%,获悉临界孔隙率为0.25。料堆表面空气动力学特性研究更好地解释了露天堆场的微观散尘特性,为防风抑尘网的优化设计提供了动力学理论依据。


  对数值模拟的离散格式、抑尘网边界条件、紊流模型进行了验证,将模拟结果与其他学者的风洞实验数据进行了对比,较好的一致性证实了所建模型和数值方法的准确性。


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