露天堆場防風抑塵網后湍流結構及抑塵效率的數值模擬

宋翀芳,彭 林,白慧玲,牟 玲,劉效峰 (太原理工大學環境科學與工程學院,山西 太原 030024)

露天堆場防風抑塵網后湍流結構及抑塵效率的數值模擬

宋翀芳,彭 林*,白慧玲,牟 玲,劉效峰 (太原理工大學環境科學與工程學院,山西 太原 030024)

建立了開放性露天堆場周圍空氣流動的三維數學物理模型,選擇應用標準k-ε紊流模型進行了靜態流場的數值模擬;分析了典型棱形堆迎風面、平頂面和背風面周圍空氣的湍流結構和表面受力特性;基于流場數據揭示了防風抑塵網不同孔隙率下空氣動力學結構的分布規律.結果顯示:物料堆平頂面剪切力隨孔隙率增大而增大;料堆迎風面在孔隙率較小時出現局部渦流,表面剪切力方向向下,孔隙率較大時,網后空氣垂直方向壓差作用顯著,表面剪切力方向向上;背風面始終處于回流區,表面剪切力和回流點數隨孔隙率大小變化不顯著.綜合流場結構和受力分布可得最佳孔隙率為 0.2～0.4.該研究中對物料堆逐個表面進行空氣動力學模擬可以避免由于剪切力方向不同產生矢量抵消而帶來的計算失真.

露天堆場；數值模擬；湍流；抑塵網

露天堆場在外力作用下形成的顆粒揚塵污染已成為大氣顆粒物污染的重要原因[1-4].為有效控制露天堆場在自然風作用下的揚塵,需對堆場周圍空氣流動規律和料堆受力進行深入的研究.

風洞模擬實驗是目前國內外學者研究開放性物料堆揚塵規律的主要研究手段.通過風洞模擬實驗,測定顆粒物起動風速值,建立靜態物料堆起塵量的實驗關聯式可以預測料堆的揚塵量[5],通過改變各影響因素測試揚塵量也已得到一些規律[6],但起動風速判定的主觀性使得實驗結果沒有形成統一的結論.研究表明:物料堆場靜態起塵量與風速、含水率和顆粒物直徑有關[7-8],風速作為最重要的特征參數[9],直接體現了顆粒源釋放有無和風蝕污染的可蝕程度,而在確定料堆周圍風場分布方面,數值模擬方法較風洞模擬實驗顯示了公認的優勢,隨著計算機技術的高速發展,CFD(computational fluid dynamics)成為了解決各種流體流動強有力的工具[10],近年來國內外一些學者對開放性露天堆場和抑塵網的數值模擬為揚塵量的確定提供了一種思路[11-12],然而,我國在料堆周圍速度場和表面受力的矢量性與揚塵關系上的研究較少.

本文應用FLUENT6.3軟件對防風抑塵網后空氣流動進行了數值模擬,獲取了料堆表面受力的微觀特性及分布規律,確定了防風抑塵網最佳孔隙率.

1 數值模擬

數值模擬分為3個步驟:預處理、求解和后處理.首先根據宏觀量判定法確定計算區域,對計算域進行網格劃分;第2步選取合適的紊流模型、算法及離散格式進行空氣繞流的計算;最后調整防風抑塵網布置計算料堆表面的空氣動力學參數.

1.1 控制方程及邊界條件

對于開放性露天堆場周圍空氣繞流[13],認為空氣是不可壓縮,流動處于穩態、絕熱和中性紊流大氣層中,采用標準k-ε紊流模型[14],控制方程如下:

式中:α代表多孔介質的滲透性;C2是慣性阻力因子,多孔板上壓強的損失因子:

式中:Af為抑塵網孔的總面積;Ap為抑塵網的總面積(固體與孔的和);t為抑塵網厚度,取 1.5mm;C是隨雷諾數(以孔徑直徑為特征長度,孔中流體的速度做特征速度確定)變化的系數,當Re>4000時,C近似等于0.98 ,本研究孔徑雷諾數滿足此條件,C取為0.98.其他參數選取見表1.

表1 數值計算參數Table 1 Input value for numerical simulation

傳統意義上計算區域足夠大的選取缺乏數據依據,雖然可以保證料堆周圍空氣流場不受計算區域影響,但會導致計算量龐大,本文采用料堆平頂面的剪切力這一宏觀量作為判斷標準,由小到大選取 7種計算區域工況,計算域和邊界條件的設置如圖 1所示,7種計算區域的參數見表 2.棱形料堆下表面長154m,寬51m,上表面長113m,寬10m,料堆高17m.

圖1 計算區域和邊界條件Fig.1 Computational domain and boundary conditions

表2 計算域尺寸與料堆平頂面剪切力Table 2 Physical dimension of computational domain and the shear force on flat-top surface

從表2中7種工況可以看出:當計算區域長、寬、高分別為14倍堆寬(堆前6倍,堆后7倍)、2倍堆長、7倍堆高時,料堆平頂表面剪切力不再變化,故選擇模型 7為計算區域,即 714m×119m× 154m.

1.2 紊流模型及網格劃分

目前,國際上對繞流防風抑塵網周圍流場的數值研究采用的模型主要分為2種:標準k-ε紊流模型和可實現 k-ε紊流模型.通過兩種模型和實驗數據對比的研究表明[11]:2種模型均可在整體上較好地反映流動特性,但在0.38倍抑塵網高度處標準k-ε紊流模型比可實現k-ε紊流模型更接近實驗數據,在 1.88倍抑塵網高度處可實現k-ε紊流模型結果更好.鑒于本研究旨在探索料堆表面(0.77倍抑塵網高度處)剪切力及剪切層內空氣的流動規律,故選擇更為接近的0.38倍網高處結果更好的標準 k-ε紊流模型.對整個計算區域進行非結構化網格劃分,當網格數為 1755883時計算結果與網格數不再有關,采用二階迎風離散格式進行模擬,計算收斂誤差為0.00001.

2 結果及討論

2.1 露天堆場周圍空氣流場

應用以上模型對料堆周圍空氣流動進行數值模擬,計算結果如速度矢量圖2所示.由圖2可以看出,進口風速為 5m/s的空氣流至料堆,在粘性力作用下沿迎風面貼附向上流動,隨著流通斷面積的減小,風速從坡面底部的 1.72m/s逐漸增大至頂部 8.32m/s,即迎風面向上揚塵,在冠頂達到最大;平頂表面上部空氣與來流方向一致,平均風速為 6.3m/s;背風面上部在來流風作用下空氣沿坡面(17m高)向下貼附流動至約11m高以下,后隨著坡面向下空氣動壓降低,靜壓逐漸增大,在負壓差作用下形成回流,在渦旋作用下空氣沿坡面向上流動,這一特點在圖3的表面剪切力上表現的更為顯著.

由圖3可以看出:迎風表面所受剪切力沿坡面平行向上,隨高度逐漸增大,與前述流動速度變化相符,料堆顆粒在此剪切力作用下沿迎風表面上揚,且隨高度增加揚塵加劇,至冠頂達到最大;平頂面剪切力變化較緩,沿來流方向最前部作用力最大,1/3至2/3長度區間稍有減小,2/3長度以后幾乎不變,可見料堆顆粒在平頂面平行于來流方向揚塵;背風面剪切力明顯小于迎風面和平頂面,從背風面頂部17m高度至11m高度,剪切力沿坡面向下(>0), 11m高度以下至底部,剪切力沿坡面向上(<0),即背風面上部在平頂面空氣流動作用下,顆粒物繼續沿坡面向下揚起,而在中下部區域在背風區渦旋回流作用下,料堆顆粒被風卷起向上揚起.

通過以上料堆周圍空氣流場和表面受力的空氣動力學分析可見,迎風面和平頂面為主要揚塵表面,背風面揚塵量較少,因此對開放性料堆抑塵的重點在于減小迎風表面和平頂表面上空氣流速和削弱表面剪切力作用,以下通過對防風抑塵網設置后空氣流場結構的數值模擬來探究抑塵網對料堆微觀受力分布的規律,從而為抑塵網優化提供科學依據.

2.2 抑塵網后空氣流場的力學分布

將防風抑塵網置于料堆前削弱來流風動能,減小料堆表面空氣作用力是目前公認的有效減低料堆揚塵的有效手段.在一定范圍內防風抑塵網高度和離料堆距離對抑塵效率無影響[16],本研究選取推薦范圍的網高 22m(料堆高度的1.3倍),抑塵網置于料堆前17m處(料堆高度的1倍),分別對孔隙率ε為0,0.2,0.4,0.6的抑塵網設置后空氣流場進行了數值模擬,速度矢量場結果示于圖4.

圖3 料堆各表面剪切力分布Fig.3 Wall shear force on each surface of pile

圖4 抑塵網后料堆周圍空氣速度矢量Fig.4 Velocity vector fields over the prismatic pile behind fence

由圖4可看出:防風抑塵網孔隙率為0,即無孔擋風墻(或板)將來流風阻擋在料堆前,空氣從擋風墻(或板)上部繞流,在越過擋風墻(或板)上部后流速達到最大值 6.61m/s,由于擋風墻(或板)與迎風面中間區域壓力急劇降低,部分繞流空氣在垂直壓差作用下在這一區域形成渦旋,渦的中心高度較料堆頂部高,迎風表面風速沿坡面向下,料堆顆粒被吹向地面,沉積或被卷吸起.防風抑塵網孔隙率為 0.2時,最大風速位置與ε=0相同,最大風速值為 6.004m/s,抑塵網滲流空氣量與繞流空氣相比較小,防風抑塵網與迎風面之間區域仍形成渦旋,渦的中心位于料堆高度2/3處,渦旋強度和渦旋直徑較之ε=0小,迎風表面風速同樣沿坡面向下,料堆顆粒向下運動.隨著孔隙率增大,抑塵網滲流空氣比例增大,網后壓力亦增大,當孔隙率為0.4時,網后最大風速減小至5.752m/s,與孔隙率為0與0.2不同的是,網后空氣未形成回流,迎風表面空氣沿坡面向上貼附流動,料堆顆粒被風揚起散至空氣,抑塵原理也與前兩者不同,未改變迎風表面的湍流結構和流速方向,但降低的風速使其揚塵量較無網小,還可起到抑塵作用.當孔隙率繼續增大至 0.6時,網后流場結構幾乎與無網工況無異,最大風速同樣出現在迎風表面冠頂,且較孔隙率為0.4時大,抑塵作用幾乎不明顯.

通過以上分析可看出,當孔隙率ε >0.4時,抑塵網作用不明顯,而ε <0.4時,出現了2種湍流結構,為了獲得較優的孔隙率,下面定量分析不同孔隙率下的料堆表面受力,結果示于圖5.

圖5 不同孔隙率下料堆表面剪切力Fig.5 Shear force on the pile surfaces behind porous fence with deferent porosity

由圖5可看出:3個表面中,迎風面和平頂面的表面剪切應力較背風表面大得多.迎風面在ε=0和0.2時剪切力為負值,即料堆顆粒在空氣流動作用下向下滑至地面,且孔隙率為 0時的剪切力大于0.2,在ε=0.4和0.6時剪切力為正值,即料堆顆粒同未設網時(ε=1)相似,在網后空氣貼附流動作用下向上揚至大氣,且隨孔隙率增大剪切力增大;對于平頂表面,當設置擋風墻(或板)時(ε=0),剪切力為負值,即在網后渦旋回流作用下平頂面逆向來流方向揚塵,且其絕對值大于孔隙率為0.2下的受力, ε=0.2、0.4和0.6時均為正值,即沿來流方向揚塵,并且隨孔隙率增大而增大.綜合以上計算結果可見:最佳孔隙率為0.2～0.4.

3 結論

3.1 料堆起塵與周圍空氣流速和料堆表面剪切力有關.在來流風作用下棱形料堆迎風表面和平頂面為主要揚塵面,背風表面被渦旋卷起揚塵量較前兩者小得多.迎風表面沿坡面向上流速增加,在冠頂達到最大;平頂面剪切力沿流動方向幾乎不變;背風面從頂部高度至2/3高度,料堆顆粒在剪切力作用下沿坡面向下揚起,2/3高度以下至底部在渦旋回流作用下,料堆顆粒被風卷起向上揚起.

3.2 防風抑塵網的設置改變了料堆周圍空氣的湍流結構,當孔隙率ε=0和 0.2時,在抑塵網和迎風表面中間區域出現渦旋回流,迎風表面空氣沿坡面向下流動,顆粒在剪切力作用下向下滑至地面,且孔隙率為 0時的剪切力大于 0.2,對于平頂表面, ε=0時剪切力方向與來流方向相反,在網后渦旋回流作用下平頂面逆向來流方向揚塵,且其絕對值大于孔隙率為 0.2下的受力, ε=0.2、0.4和 0.6時揚塵與來流方向相同,并且隨孔隙率增大而增大.綜合流場結構和受力分布可得最佳孔隙率為0.2～0.4.

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Numerical simulation of turbulence structure and sheltering effect behind porous fences in open storage piles.

SONG

Chong-fang, PENG Lin*, BAI Hui-ling, MU Ling, LIU Xiao-feng (College of Environmental Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China). China Environmental Science, 2014,34(7)：1690～1695

This paper was conducted to predict the turbulence structure and sheltering effect behind porous fences in open storage piles. The numerical simulation of the three dimensional static flow field was performed applying the standard k-ε turbulence model; the airflow characteristics and the shear stress distribution on the windward side, flat top surface and leeward side of a typical prismatic material stack were analyzed; and the distribution of the aerodynamic structure of each surface of the storage pile was revealed based on the data of flow field for the porous fence with different porosity. Results indicated that the shear force on the flat top surface increased with increasing porosity, exhibited litter change with unfenced conditions. Regarding the windward side of the storage piles, a re-circulating flow in the region between the fence and the pile at low porosities and the shear force acted downward along the windward face, but rather, the shear force acted upward along the windward side at high porosities. Since the leeward side was always in the backflow region, the shear force on the prismatic leeside changed little with increasing porosity. The numerical predictions showed the porous fence with porosity between 0.2and 0.4was found to be the optimum. Through the aerodynamic simulation of each surface of the storage pile, the computation distortion caused by vector offset out of different directions of the shear force can be avoided.

open storage pile；numerical simulation；turbulence；porous fence

X513

A

1000-6923(2014)07-1690-06

宋翀芳(1974-),女,山西太原人,副教授,博士,主要從事大氣顆粒物擴散及防治研究.發表論文10余篇.

《中國環境科學》獲評“百種中國杰出學術期刊”

《中國環境科學》編輯部

2013-09-25

國家自然科學基金資助項目(51108295;41173002)

* 責任作者, 教授, plin123@eyou.com

《中國環境科學》2012年被中國科學技術信息研究所評為“2011年度百種中國杰出學術期刊”.“百種中國杰出學術期刊”是根據中國科技學術期刊綜合評價指標體系進行評定的,包含總被引頻次、影響因子、基金論文比、他引總引比等多個文獻計量學指標.