一種料堆擋風墻防塵結構設計優化研究

王昊天

上海市世界外國語中學

1 引言

眼下國內多地受霧霾持續圍困，北京、石家莊等大中城市數日難見藍天。不僅是西北部的大城市，就連靠近沿海的廣東等地，也是連日灰霾，大霧，能見度極低。霧霾的問題現狀已經成為中國一些城市標識性難題。霧霾發生時，大面積長時間的霧霾天氣覆蓋了1/7國土，其中重霧霾覆蓋面積大81萬平方公里。目前，霧霾問題已非一城之惑，已經是普遍問題。

對于堆料場揚塵的控制是城市減少PM2.5 的重要措施，近年來眾多研究者針對堆料場的揚塵控制提出了各種措施。本課題針對某個粉料堆放場開展了擋風墻的設計和結構參數的數值模擬研究，通過擋風墻和料堆的間距、擋風墻的高度、擋風墻開孔角度三個因素進行了正交實驗設計，通過數模計算結果得到了料堆頂部的風速大小，從而為擋風墻的優化設計提供了依據。

2 數學模型

2.1 基本假設

（1）模型中的風向和風速都是固定值。

（2）防風墻是垂直佇立在料堆前方，不考慮受力搖擺的狀況。

（3）計算過程中不考慮重力的影響。

（4）料堆表面采用固定墻邊界，不考慮料堆的疏松和多孔狀態。

（5）模型的頂部空間足夠大。

2.2 數學方程

描述料場擋風墻的數學模型包括連續性方程，動量N-S 方程，湍流K-?雙方程模型。

（1）連續性方程。連續性方程是質量守恒定律在流體力學中的具體表述形式。它的前提是對流體采用連續介質模型，速度和密度都是空間坐標及時間的連續、可微函數。

（2）動量方程（N-S）。

2.3 幾何模型和網格劃分

圖1 展示了料堆風場的幾何結構，料堆高度是H1擋風墻的高度H2，空間高度H3空間長度是A1。圖2 展示了Mesh網格的劃分方法，在模型建立后進一步的計算求解都是依賴于mesh網格的合理性與稠密度，與偶其實在圖2 中靠近料堆與擋風墻的地方。

圖1 料堆風場的幾何結構

圖2 料堆風場模型的網格劃分

3 計算實驗方案

3.1 防風墻距離料堆的因素

防風墻距離料堆的距離，影響著通過擋風墻后風在料堆之間形成的流場情況，在該研究中，取防風墻距離料堆的距離分別為6m、8m、10m。

3.2 防風墻高度因素

防風墻的高度影響著到達料堆頂部的風的速度，同時也影響著通風孔進入的總風量。在本研究中，取防風墻的高度分別為6m、7m、8m。

3.3 防風墻通風孔角度因素

防風墻通風孔的角度對于通過風速的強度有著影響，同時還影響著料堆面的風速大小。在本研究中心，取防風墻通風孔的角度分別為30°、45°和60°。

3.4 正交實驗方案

對上述三種因素的三個水平進行正交設計，采用L9（33）的方案，最終得到的實驗方案如表1所示。

表1 正交試驗排列表

4 實驗結果分析

4.1 流場情況的比較

圖3 給出了9 組正交試驗得出的流場分布，從圖中可以看出，當風速相同時，不同的防風墻結構參數引起了不同的流場分布。當防風墻高度較小時，如圖3（A、D、G），風通過防風墻后在料堆表面形成了擾流，對于料堆表面的揚塵將起到較明顯的作用。而隨著防風墻高度的增加，如圖3（B、E、H），風通過防風墻后對于料堆的擾動作用減弱，而從防風墻體通過的風在料堆前方阻擋后形成的流動對料堆表面的揚塵作用更趨明顯。隨著防風墻高度的進一步提高，如圖3（C、F、I），風通過防風墻頂部后對料堆的擾動作用變得非常小。

從防風墻距離對于料堆揚塵的作用來看，距離越近，風通過防風墻后對于料堆表面揚塵的吹動速度越大，所引起的揚塵作用將越明顯。

從防風墻的通風孔角度來看，通風孔角度越大，能夠更好地讓通過防風墻的風向朝向地面，如圖3（C、E、G），此種情況下，通風孔后方形成的風對于料堆表面的擾動現象比較小；而當通風孔角度變小時，如圖3（A、F、H），風通過通風孔后形成較強的擾動，風在沖擊料堆迎風面后沿著料堆表面以較高的速度流出，對于揚塵的效果將比較明顯。

圖3 9組正交實驗得出的流場分布

4.2 正交實驗分析

對于防風墻與料堆之間的距離來說，當距離為10m時，表面料堆的平均風速最小。對于防風墻的高度因素來說，當防風墻的高度為7米時，料堆表面的平均風速最小。而對于防風墻通風孔角度來說，當開孔與地面的夾角為60°時，料堆表面的平均風速最小。綜上所述，對于三種因素和不同水平的影響來看，優化方案為A3B2C3時，將使得料堆表面的平均風速最小。

4.3 補充試驗

通過上述分析，我們補充建立了優化試驗方案A3B2C3，分析了其流場，統計料堆表面的平均風速為0.6m/s，說明在該種參數配置下，即防風墻距離料堆10m、防風墻高度為7米、通風孔角度為60°時防風墻的擋風效果最好。

5 結論部分

（1）建立了防風墻與料堆相互影響的數學模型，可以分析得出在一定風速下，防風墻影響下料堆表面的風速的分布情況。

（2）開展了防風墻與料堆距離、防風墻高度、防風墻通風孔角度對料堆表面風速的正交實驗分析，通過試驗結果分析了三種因素和不同水平影響下的料堆表面風速，并得出了料堆表面監測位置的平均風速。

（3）通過正交試驗分析，選擇A3B2C3 的防風墻結構作為最優結構，并補充了該方案的計算結果，通過結果分析，料堆表面監測位置的平均風速為0.6m/s，說明該優化結果的確起到了料堆表面防風固塵的作用。