關于散貨堆場防風網研究進展

趙　杰　姬亞芹　李樹立　趙靜波　張　靜　吳建會　萬建華

(1.南開大學環境科學與工程學院，天津　300071；

2.國家環境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室，天津　300071；

3.天津港環保衛生管理中心，天津　300456)

關于散貨堆場防風網研究進展

趙杰1，2姬亞芹1，2李樹立1，2趙靜波1，2張靜1，2吳建會1，2萬建華3

(1.南開大學環境科學與工程學院，天津300071；

2.國家環境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室，天津300071；

3.天津港環保衛生管理中心，天津300456)

【摘要】散貨物料風蝕不僅造成經濟損失，還嚴重影響堆場周圍環境空氣質量。目前堆場常采用濕法、干法等抑塵方法，其中防風網抑塵法使用居多，其抑塵效果較好且具有一次投資長期受益的特點。然而防風網形狀、開孔率、開孔孔徑、防風網高度、堆垛距等影響防風網抑塵效果。本文從以上幾個方面進行了分析，最終給出了較適宜的防風網設計參數。

【關鍵詞】防風網；開孔率；防風網形狀；防風網高度

中圖分類號：X21

文獻標識碼：碼：A

文章編號：號：1673-288X(2015)03-0084-05

Abstract：Wind erosion of the bulk materials not only brings economic losses，but also affects air quality around the yard. At present，wet，dry and other dust suppression methods were used on the bulk yard. And porous fence are used most widely，its benefits include the high effect of dust suppression and the characteristic of an investment in long-term benefit. However，there are many factors have a great influence on the effect of the dust suppression，such as the shape of porous fence，porosity，the diameter of the holes，the height of porous fence，the distance between porous fence and stacking and so on. This paper analyzed the above aspects，and ultimately gave some appropriate design parameters of porous fence.

Keywords：porous fence；porosity；the shape of porous fence；the height of porous fence

作者簡介：項目資助：江西省環境保護廳科技計劃項目(JXHBKJ2012-12)史曉燕，副研究員，主要從事環境保護科學領域研究

通訊作者：劉足根，副研究員，主要從事生態學領域研究

上海港、深圳港、寧波港、舟山港、廣州港、天津港等港口承擔著大量散貨物料的裝卸、存儲與運輸，為我國帶來了巨大的經濟效益。但是堆放在港口的散貨物料顆粒會隨著大氣擴散，不僅造成不必要的經濟損失，而且對港口周圍環境造成嚴重的污染，對生活在港口周邊的居民以及港口工作人員的身體健康構成威脅。為防止堆場散貨物料顆粒的擴散，國內外采取的措施主要有濕法、干法、干濕結合和其他機械物理方法等。防風網的抑塵效果和適用性遠高于其它一些傳統的抑塵措施，此外防風網具有一次投資長期受益和維修管理費用低等特點，對于我國港口、電廠和鋼廠等的露天堆料場的二次揚塵治理具有較強的針對性。在北方的煤炭港口，淡水緊張，冬季冰凍時間長，防風網的采用可以非常有效的改變煤塵風蝕污染狀況，在灑水抑塵受控情況下防風網已成為改善煤粉風蝕污染最為有效的措施。

因此對于露天堆料場粉塵防治問題，防風網抑塵工程技術是比較有效的，從安全、經濟、適用原則等方面綜合考慮可行的一項技術措施，是適合我國國情的二次揚塵防治技術與裝置[1]。防風網的設計和選擇將直接影響防風效果和成本。因此，高效抑塵且經濟實惠的防風網是未來的發展方向。

1研究方法

2防風網防塵機理

防風網抑塵機理與散貨堆場起塵、粉塵漂移、擴散、沉降機理本質上有直接關系，其主要抑塵機理是防風網能控制改善堆場區的風流場，減小堆場區的風速、減小堆場區風流場的紊流度。強風經過防風網后，僅部分來流風透過防風網，其機械能衰減并變為低速風流，與此同時，這部分風在網前的大尺度、高強度漩渦被衰減、梳理成小尺度、弱強度漩渦。防風網后這部分低速、弱紊流風流掠過散貨表面，形成低風速梯度、低風速旋度，弱渦量和弱紊流度的堆場區流場，能夠較好的抑制散貨堆場的起塵量。

當采用實體墻來防風時，即墻體開孔率為零，來流風繞流通過實體墻在堆垛上風向和下風向區域形成低壓區，如圖1所示，Pa>Pb，Pc>Pd，這樣就會在A、B區形成低壓區，風向向下偏轉，在堆料的后方B區形成渦流區，渦流經過堆垛表面時就會卷起部分堆料進而引起堆垛起塵。當采用具有一定開孔率的防風網時，如圖2所示，來流風流經防風網，由于防風網的阻礙作用，一部分氣流向上抬升形成網頂部繞流風，且風速較大，通過網的部分形成湍流風，由于能量轉換，上部高速繞流風帶走了大部分風能，使網后形成低速區V1>V2；另一部分風通過防風網進入庇護區，但由于網后風速較低，在網后一定距離降落[4]。

圖1　實體墻防風示意圖

圖2　防風網的抑塵示意圖

3防風網最佳參數的確定

影響防風網抑塵效果的因素主要有防風網形狀、網高、網堆距等。只有確定防風網的開孔率、網堆距等的最佳取值以及最佳開孔形狀等，才能提高防風網性能，使防風網的抑塵效果達到最大，降低經濟投入，從而實現環境與經濟的雙贏。

3.1　防風網形狀

按照防風網形狀可將其分為平面型防風網和非平面型防風網兩類，非平面型防風網的截面型式的改變可引起網后流場結構的變化，進而影響防風網的抑塵效果[4]。目前市場上銷售的防風網主要是蝶型防風網，按照其成峰個數的不同可將其分為單峰型、雙峰型、三峰型三種類型。陳廷國[5]通過CFD數值模擬仿真軟件Fluent，采用k-ωSST模型對開孔率為0%和商用最廣的33%、40%的蝶型和平板型防風網進行3D實體數值模擬仿真。結果表明在相同開孔率下，蝶型網遮蔽效果優于平板型防風網，這主要由于蝶型網凹凸錯落的截面形式，增強了風與網之間的相互作用，增強了對來流風的漩渦耗能作用。李宏劍[6]對不同設計參數的單層蝶型擋風板、夾層擋風板、圓型截面擋風板進行了研究，認為單層蝶型擋風板在折角為45°、凸出的平面長度為200mm時擋風效果最佳；夾層擋風板的擋風效果接近單層擋風板；圓型截面擋風板的擋風效果接近相似截面形狀的蝶型擋風板。之所以把防風網設計成蝶型是為了使來流風通過網板后，使原來的層流風改變方向變為湍流風，改變層流風的運動方向，使其相互碰撞，大幅度消耗來流風的動能，從而降低風速；而且將防風網設置成蝶型，能夠使其在風荷載作用下，強度和剛度提升，避免因風載作用而產生繞曲破壞[7]。

常用防風網還有波浪型[8]、V字型等。日本采用下部為百葉窗式上部為網狀的復合式型防風網被風洞試驗證明具有較好的抑塵效果[9]。我國目前對于這種復合式防風網研究較少，大多都采用單一形狀的防風網，今后應注重復合式防風網的研究。例如，可將防風網設置為下部為蝶型上部為凸向堆垛的百葉窗形狀，這種上部設計為凸向堆垛的防風網從理論上可以使本應通過防風網上部的高速繞流風在防風網上部產生漩渦，降低風速，從而提高防風網的抑塵效果。

3.2　防風網開孔率

開孔率是指防風網開孔面積和其總面積之比，是影響防風網抑塵效果的主要因素之一。韓桂波[10]利用計算流體力學(CFD)的方法對開孔率分別為0%、25%、30%、40%、45%、50%、55%、60%的9種蝶型板的防護效果進行了數值模擬計算。結果表明，開孔率為45%的蝶型網防護效果最好，開孔率在0%～45%時，防護效果隨著開孔率的增加而增強；開孔率在45%～60%時，防護效果隨著開孔率的增加而減弱。陳凱華[11]利用流體力學軟件Fluent對開孔率為0%、10%、20%、30%、40%的擋風抑塵墻進行了數值模擬，得出較適宜的開孔率為20%～30%。其認為當擋風抑塵墻開孔率為0%時，墻體的質量通量為0，氣流會繞過墻體運動，在下風向方向會形成一個渦流區域，產生的漩渦極易對堆垛表面物料產生卷吸作用；隨著開孔率增大，墻體質量通量也隨之增大，這個漩渦會逐漸縮小和后移，當開孔率達到30%時，這個漩渦移到了料堆的錐頂，并達到最小；墻體開孔率繼續增加，這個漩渦會脫離堆垛表面形成一個自由渦，但是隨著墻體質量通量的進一步增大，堆垛表面的切向速度也會進一步增大，使得擋風抑塵墻的抑塵效果減弱。此外，陳廷國[5]認為40%開孔率的蝶型網遮蔽效果更好，且遮蔽范圍更廣，遮蔽效果優于其它類型的防風網。曹獻青[7]利用風洞試驗對開孔率0%到開孔率為100%的防風網抑塵效果進行了連續的測試，結果表明防風網的開孔在25%～35%之間，其抑塵效果較好。不同學者采用不同方法研究了開孔率對防風網抑塵效果的影響，見表1。綜上所述，防風網較適的開孔率應在20%～45%之間。

3.3　防風網開孔形狀

防風網開孔形狀主要有菱形、矩形與圓形等，目前防風網開孔形狀圓形較多。董紀鵬[19]利用Fluent軟件對開孔率為40%的圓形、方形、梯形三種不同開孔形狀的防風網進行了數值模擬，結果表明圓形開孔防風網后尾流區內低速流體流過的區域最大，即圓形開孔具有最好的擋風效果，方形次之，梯形開孔網最差。目前，關于防風網開孔形狀也有一些比較新穎的形式，如陳光輝[20]提出導流板型防風網，這種防風網采用長方形開孔，但其在沖孔時只沖開三邊，一邊仍與防風網相連，將三邊沖開一邊相連的部分翹起，與防風網平面呈一定角度，使其具有導流作用，這樣就可使來流風在導流板的作用下產生沿料堆向上爬升的流速場，減少其直接沖擊料堆表面的作用力，進一步提高防風網的擋風抑塵效果。

表1　防風網開孔率對抑塵效果的影響

3.4　防風網開孔孔徑

防風網開孔孔徑的大小對防風網抑塵效果具有一定的影響。當孔徑較小時，對來流風的阻塞作用增大，呈現出和較低開孔率的甚至實體防風網相似的抑塵效果；孔徑過大時，盡管尾流區的平均速度下降明顯，但是湍流作用也較大[2]。Hyoung-BumKim[21]對38.5%相同開孔率的三種不同開孔孔徑1.4mm、2.1mm、2.8mm的防風網進行了實驗研究，結果表明孔徑為1.4mm的防風網能夠減小流向速度分量增加垂直速度分量，并且在防風網頂端的剪切層有最大的湍流強度。石文梅[18]的研究認為最佳開孔孔徑隨著風速的變化而不同，其在3m/s、5m/s、7.5m/s、10m/s四種不同風速下對相同開孔率不同開孔孔徑(4mm、6mm、8mm、10mm)的蝶型防風網進行了風洞試驗。結果表明：風速為3m/s時開孔孔徑為8mm的防風網具有較好的庇護效果；風速為5m/s、7.5m/s時開孔孔徑為4mm的防風網具有較好的庇護效果；風速為10m/s時開孔孔徑為6mm的防風網具有較好的庇護效果。可見不同學者對于防風網最適開孔孔徑的大小的研究有一定的差異，關于防風網最佳開孔孔徑的還需進一步研究。

3.5　防風網高度

3.6　網堆距

網堆距是防風網抑塵效果的重要影響因素之一。沈熹[9]、邢倩倩[22]等認為網后下風向2～5倍網高的距離內防風網抑塵效果最好。王澤濤[23]利用風洞試驗對防風網不同高度、不同水平距離處的風速進行了測量，從而計算該處的風速折減率，結果表明防風網后的最佳遮蔽區域并不是在貼近防風網處，而是在距離防風網2～3倍網高處；在距防風網后6倍網高距離范圍內，風速折減效果明顯，最大折減率可達80%左右；距防風網20倍網高后遮蔽效果不明顯。故其認為防風網設計時，防風網應布置在距堆垛2倍的網高距離處，網高不應小于遮蔽距離的1/20。FerreiraAD[17]等對H、2H、3H、4H(H為堆垛高度)四個不同網堆距開孔率為83%的防風網進行了風洞試驗，通過時間與堆垛體積變形曲線表明網堆距為H時堆垛體積變形最小即有較好的抑塵效果。對于由多個堆垛組成的堆場，堆垛和堆垛之間的距離對抑塵效果也有一定影響，因此對于網堆距具體的設置還有待進一步研究，可根據堆場周圍情況因地制宜設置防風網。

3.7　底部間隙(G)對蝶型防風網后尾流區內庇護效果的影響

在實際防風網的工程建設中，會有很多限制問題，比如地面不平整等。這些問題將會導致防風網與地面之間形成一個間隙G，由于該間隙的存在將改變防風網后的流場特性。我國目前關于該間隙的研究較少，石文梅[18]在風速為10m/s時的對開孔孔徑為6mm、開孔率為27.3%的蝶型防風網對七種不同的底部間隙(G)0H、0.025H、0.075H、0.125H、0.15H、0.175H、0.2H(H為防風網高度)進行了風洞實驗，結果表明底部間隙為0.15H時防風網的庇護效果最好。

除上述所列出的影響防風網抑塵效果的因素外，防風網設網方式、堆垛規模形狀等也會對防風網的抑塵效果產生一定的影響。常見的設網方式有主導風向設網、“L”型設網以及四面設網等，X.C.Cong等[24]對上風向兩面設網、上風向三面設網、下風向三面設網以及四面設網四種設網方式進行了數值模擬研究，結果表明四面設網方式具有較好的抑塵效果，但四面設網方式會大大增加企業的基礎投資，如何尋求防風網設網方式與經濟投資之間的平衡關系是我們未來研究的方向。此外企業堆垛形狀大多為錐型，來流風通過防風網后在網后形成漩渦，當漩渦到達堆垛表面時會卷起大量的堆料，錐型料堆頂端最易受到該漩渦的影響，因此可考慮將堆料放置為圓臺形狀。

4防風網支護結構

工程中已有的防風網支護結構有懸臂結構、平面鋼架結構和網架結構。懸臂柱結構屬于純彎曲，材料利用不夠充分，但是懸臂柱結構制作和施工方便、占用場地節省。鋼架結構在設置斜撐后，呈現組合結構的受力特性，只有前柱承受一定的彎曲作用，整個結構以承受軸力為主，因此材料強度充分發揮，用鋼量大幅度減少。網架結構設計和施工工藝復雜，而防風網支護結構主要承受垂直網長方向的風荷載，并不能發揮網架的空間受力特性優勢，過多的腹桿也使其用鋼量較多，增加施工成本[25]。目前，防風網支護的工程實例中使用平面鋼架結構較多。

5結論

防風網作為一種有效控制堆場自然起塵手段，主要通過改變來流風的流場，減小來流風風速，降低來流風的動能，從而達到抑塵的目的。防風網開孔率、防風網高度、網堆距等的取值以及防風網開孔形狀都會對其抑塵效果產生很大的影響，為提高其抑塵效果通常采用現場實測、數值模擬、風洞試驗三種方法來確定防風網參數的取值以及形狀等。目前，圓型開孔的蝶型防風網使用較多；開孔率對防風網抑塵作用有重要影響，綜合不同文獻其最佳開孔率應在20%～45%之間；一般認為防風網高度在堆垛高度1.2～1.5倍之間、網堆距在2～3倍網高之間具有較好的抑塵效果。關于防風網形狀，開孔大小以及堆垛等相關設計還有待于進一步結合具體工程實況進行研究。

經過眾多學者的努力我國對于防風網的研究取得了較大的進步，就研究方法而言實現了從風洞試驗到數值模擬的跨越，節省了大量的人力物力資源。利用CFD軟件對防風網進行數值模擬已成為研究熱點，其結果對于提高防風網抑塵效果具有重大意義，但需要注意的是不管今后我們使用數值模擬還是風洞試驗來研究防風網，我們都需要切實的結合實際情況。此外，大多數學者僅針對防風網形狀及其相關參數的確定進行了研究，但關于新型防風網的開發、防風網的抗風設計、承載安全等的研究較少。綜合考慮防風網參數的確定、抗風設計以及實際風速、堆垛布置等問題是今后對于防風網研究的重點。

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ResearchProgressonthePorousFenceintheBulkYard

ZHAOJie1，2JIYaqin1，2LIShuli1，2ZHAOJingbo1，2ZHANGJing1，2WUJianhui1，2WANJianhua3

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，NankaiUniversity，Tianjin300071，China；

2.StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofurbanairparticulatematterpollutionprevention，Tianjin300071；

3.EnvironmentalHealthManagementCenterofTianjinPort，Tianjin，300456)

《環境與可持續發展》學術影響因子逼近2.000

位列環境保護部主管期刊第一名

在全國收錄環境科學類66種期刊中排位第六名

據知網2014年12月16日發布的《中國學術期刊影響因子年報(自然科學與工程技術(2014版)》，我刊學術影響因子顯著大幅度提高。由2011年0.831和2012年1.030，提高到2013年逼近2.000大關，為1.971，名列環境保護部主管期刊第一名。在全國收錄環境科學類66種期刊中排位第6名，其中2012年位列全國第18名，2011年第29名，2010年第33名。

致謝：本文系《2011年江西省環境保護及相關產業基本情況調查》項目成果，項目實施得到江西省各縣市環保局調查組支持，在此表示衷心感謝

引用文獻格式：史曉燕等.江西省環境保護服務業發展現狀研究[J].環境與可持續發展，2015，40(3)：89-92.