地面煤場防風抑塵網抑塵效果研究

龍 軍，李錄會，李永金

（1.四川省煤田地質工程勘察設計研究院，四川 成都 610045； 2.四川蜀能礦山開發技術咨詢有限公司，四川 成都 610045）

煤場采煤區作為一種露天開放式的開采或者存放料堆的場所，該場所在受到風的影響下，形成嚴重的顆粒揚塵，對于大氣環境造成嚴重污染[1]。顆粒揚塵共分為靜態起塵以及動態起塵，兩者發生原因存在明顯差異，場所的風速和開采以及存放料堆的含水率是前者的主要影響因素[2]，作業方式、強度等是后者的主要影響因素。防風抑塵網則是用于該現象處理的一種有效的先進手段，主要包含3個部分，分別為基礎部分、支撐部分以及擋風板，前者為獨立狀態，中間者屬于鋼結構；其可有效控制揚塵的風力[3]，使流風的動能最大限度減弱，可降低其揚塵能力，綜合防風抑塵率不低于80%。該墻體的設計需依據煤場采煤區的實際環境情況，以空氣動力學原理為依據，結合風洞實驗結果完成，并且該墻的幾何形狀、開孔率、孔的形態均依據實際情況設計。防風抑塵網目前已經在多個揚塵污染治理領域使用[4]，例如，港口碼頭、煤場、料場、鋼鐵等。概率估計是依據數值的統計和求解，獲取的估計量結果。為分析防風抑塵網在煤場采煤區的實際應用效果，許棟等[5]基于PM-IBM模型，分析其在堆場揚塵中的應用效果，韓媛雯等[6]基于DEMATEL-ANP方法分析其揚塵治理效果，上述方法在效果分析過程中，是依據不同情況下的模擬以及關鍵因素權重計算完成，但是由于模擬過程中力學參數設定困難，模型構建效率較低，并且關鍵因素之間存在相互關聯影響，導致最終分析結果存在一定的不可掌控性以及誤差。本文采用數值模擬方式構建數學模型，通過模型分析不同孔隙率下，煤場采煤區防風抑塵網的抑塵效果。

1 模型構建

1.1 煤場采煤區防風抑塵網幾何模型

料堆模型采用三維棱臺表示，其長度為155、115 m，分別對應下表面和上表面；2個表面的寬度分別為52、11 m，料堆高度為18 m。抑塵網的部署位置在料堆前[7]，其高度和長度均是料堆高度的1倍。結合相關研究得出，當前者高度高于料堆1.5倍時，抑塵效果沒有發生變化，在高度低于1.5倍、高于1倍的情況下抑塵效果顯著，基于此，擇取中間數值即1.25倍的料堆高度，即22.5 m。分析結果的可靠性與計算范圍的確定存在直接關聯，范圍過大，則會導致模型的計算量明顯增加，計算效率較低[8]；范圍過小則會對空氣的流動造成直接影響，導致模型的計算精度受到直接影響。經過研究測試，計算范圍的長寬高的尺寸分為料堆長寬高的6倍、7倍以及5倍，即分別為930、310、90 m，且為長方體空間，x、y、z分別為料堆寬、高、長3個方向，在計算范圍內側建立原點，幾何模型如圖1所示。

圖1 煤場采煤區防風抑塵幾何模型Fig.1 Geometric model of wind and dust prevention in coal mining area of coal yard

1.2 數學模型

1.2.1 防塵控制方程

完成計算區域的確定后，完成數學物理模型的構建。堆料附近的空氣成流體，且不能夠壓縮[9]，呈穩態絕熱性流動。所有的流動需符合2種守恒基礎定律以及2種方程，分別為質量和動量、附加湍動能和耗散率。防塵控制方程組由質量和動量2種守恒方程組成[10-11]，其公式分別為：

（1）

（2）

式中，ρ為空氣密度；x、y、z為方向；u、v、w為其各自方向上的速度；ui、uj為速度分量，前者對應i方向，后者對應j方向；xi，xj分別對應x、y方向；μ為黏性系數；δij為張量，屬于克羅內克爾；Cμ為常數；Si為源項。

當Si的值處于抑塵網區域外時為0，位于區域內時，其可用于完成多孔介質作用的模擬[12-13]。Si由2部分損失組成，分別為黏性和慣性，則：

（3）

（4）

式中，α為多孔介質滲透系數；C2為慣性阻力因子；Ap、Af為總面積，前者對應孔，后者對應板；t為抑塵網厚度。

模擬三維流場，通過標準方程k-ε完成，兩者方程分別為：

（5）

（6）

（7）

1.2.2 網格劃分和邊界條件設定

防風抑塵網為跳躍模型（Porous-Jump），且為多孔介質，為分析料堆表面微觀特性，采用Fluent6.3軟件模擬抑塵網和其料堆附近流場數值，在模擬過程中，將動量方程作為動量損失源項，并確定網格數量。用速度入口描述入口邊界，該處風速為5 m/s，其梯度為零，為法向方向，屬于出口截面[14]；自由壓力出口用出口邊界描述，表面和地面通過壁面表示，且不存在滑移，前者屬于料堆；表示對稱邊界用求解結果表示，且為域前后以及上表面[15-16]。采用格式和半隱式方法，分別對應二階迎風、壓力耦合，描述多個參數、壓力、速度耦合項的處理過程，其中參數包含動量、湍流動能、耗散項；收斂誤差為0.000 05。

開放性的煤場中，流動特性和剪切力是采煤區的散塵特性決定采煤區散塵水平[17-18]，且前兩者分別對應近壁邊界層和壁面。將不為0的Si，設為多孔介質跳躍模型的邊界條件，且依據孔隙率完成，并屬于式（2）。由于在實行數值模擬過程中，采煤區物體的所有形狀信息無法全部采集[19-20]，為衡量模擬結果的準確性，采用壓力損失系數作為衡量標準，其公式為：

（8）

式中，p、p0均為壓力，分別對應料堆表面和參考；vin為風速，屬于來流。

2 結果分析

2.1 模型網格數量確定

為保證模型獲取的數值結果的精確，分析模型在料堆附近的流場特點，得到數值模擬計算流場速度矢量如圖2所示。

圖2 防風抑塵網與料堆間的流場速度矢量Fig.2 Velocity vector of the flow field between the wind-proof and dust-suppressing net and the stockpile

由圖2可知，來流風通過防風抑塵網后會形成繞流和滲流2種形式，在料堆頂部出現明顯的邊界層分離現象，繞流風在繞過防風抑塵網后沿著料堆迎風面加速向上流動，在防風網及料堆的上空形成高速區，部分繞流風下沉至背風面形成速度回流區，從而避免對料堆的破壞，起到防風抑塵的效果。

在圖2的基礎上，再以迎風面剪切力結果作為宏觀衡量標準，以此確定模型網格數量，結果如圖3所示。

圖3 模型網格數量分析結果Fig.3 Analysis results of model grid number

依據圖3結果可知，迎風面剪切應力隨著網格數量的增加，逐漸提升，當網格數量達到12.5萬個左右時，剪切應力達到最大，并且當數量超過18萬個左右以后，剪切應力趨于平穩。因此，為保證模型數值計算的平穩性，網格數量為超過18萬個較佳，結合剪切力的平穩趨勢，確定網格數量為20萬個。

2.2 均勻孔隙率下的微觀動力學結果

通過模型模擬均勻孔隙率分別為0.15、0.30、0.45、0.60、0.75、0.90時，抑塵網后面空氣流場的數值結果，沿坡面向上方向為正向，統計料堆表面受力情況，該受力結果通過迎風剪切力表示，見表1。

表1 不同孔隙率下的迎風面剪切力結果Tab.1 Windward shear stress results under different porosity

由表1可知，以整個迎風坡面為參照，均勻孔隙率為0.9時，迎風剪切力值最高，均為正值；隨著迎風坡面高度增加，剪切力隨之增加，達到坡頂位置，即22.5 m處剪切力最高，表示最大散塵點位于坡頂位置；隨著孔隙率降低，迎面剪切力隨之呈現下降趨勢；當均勻孔隙率下降至0.60時，剪切應力結果明顯低于孔隙率為0.90時的剪切力結果，當迎面坡度達到22.5 m時，剪切力顯著趨勢，達到42.21 N；隨著孔隙率的繼續減小，剪切力依舊隨之減小，當均勻孔隙率降為0.45時，迎風面剪切力在坡面高度低于15 m以前剪切力結果均低于10 N，高度超過19.5 m以后，剪切力顯著上升，達到18 N以上，在坡度達到22.5 m時，剪切力結果高于23 N。該現象是由于滲流和繞流2種空氣，在經過抑塵網后匯集在坡頂，在料堆周圍形成繞流氣流，風速以及剪切力梯度均發生提升，導致揚塵情況越加嚴重，表示孔隙率越低，抑塵網的抑塵防風效果越佳。與沒有抑塵網工況相比，降低剪切力的大小，是孔隙率較高的抑塵網的主要作用，并且剪切方向不發生改變，同時，其對料堆中部和下部的抑塵效果顯著。當孔隙率為0.30時，料堆坡面高度在低于7.5 m時，剪切力為0，隨著高度逐漸增加，剪切力發生較小的降低，呈現負值；隨著坡面高度增加，剪切力呈現緩慢上升趨勢，當坡面高度達到18 m，剪切力為正值，并逐漸增加；孔隙率為0.15時的剪切力變化與0.30時的結果相似，迎風剪切力值呈現降低、增加的波動變化，并且存在負值，該現象是由于孔隙率較低時，經過抑塵網的空氣以繞流為主，導致抑塵網后和網頂2個位置的壓力呈現差異化，前者為急劇下降，后者為增強，抑塵網和料堆面兩者之間在壓力差距的作用下，且方向為垂直，形成漩渦，且為順時針狀態。

綜合圖3的分析結果得出，抑塵網在不同的孔隙率下，起到的抑塵效果存在差異，即抑塵作用的位置存在差異，當孔隙率較高，即大于0.60時，料堆中下部分抑塵效果顯著；當孔隙率較低，即低于0.45時，抑塵網和料堆之間產生漩渦，在該作用下，位于料堆中下位置的氣流受到擾動，即高度在9.0～15 m內，剪切力逐漸降低，可使抑塵作用增強。

為進一步分析均勻孔隙率下抑塵網的抑塵效果，獲取抑塵網不同的孔隙率下，料堆背面以及平頂面的剪切力變化結果，見表2、表3。

表2 料堆背面的剪切力變化結果Tab.2 Change results of shear force on the back of stockpile

分析表2結果可知，當孔隙率低于0.45時，隨著料堆高度的增加，其背面的剪切力變化較為一致，均呈現先緩慢上升后下降趨勢，并且在高度為21 m以內時，3種孔隙率下的剪切力值較為接近，差距較?。划斶_到頂面后，剪切力之間發生顯著差距；當孔隙率高于0.60以后，剪切力均逐漸增加；但是在相同料堆高度下，孔隙率越高，剪切力越大，相互之間的差距均不大。該結果與迎風面結果呈現明顯差距，因此，該結果可體現背風面對于剪切力的影響低于迎風面剪切力的影響。

分析表3結果可知，在不同的頂面寬度下，6種孔隙率取值呈現差異性變化。取值為0.15、0.30、0.45時，三者的波動變化相同，相對平穩，均在較小的范圍內呈現波動變化，且變化較小，波動幅度較小；當孔隙率超過0.45，分別為0.60、0.75、0.90時，三者的剪切力隨著頂面寬度的增加，均呈現明顯的下降趨勢，當頂面寬度達到8 m時，三者的剪切力下降趨勢明顯。當寬度達到9 m以上后，3種孔隙率下的剪切力處于平穩，變化極小。上述的分析結果是由于當孔隙率較低時，2種流向的方向相同，分別為來流風速與貼附流，且后者為貼附流，該兩者是隨著頂面寬度的增加而減小，并且，前半部分接近迎風面，會在壓力的影響下，產生顯著的變化，后半部分壓力平穩，使后半部分的波動平穩。

2.3 非均勻孔隙率下的微觀動力學結果

將抑塵網實行上下2部分劃分，對2部分的孔隙率分別實行設定，上部分的孔隙率均為0.30以下，下部孔隙率為0.75以上，獲取該情況下的料堆表面剪切力結果，并將該結果與均勻空隙為0.15和0.45的結果實行對比，如圖4所示。且結果共分為3部分，分別為料堆的迎風面、平頂面和背風面，其中以平頂面中心作為中心點，迎風面位于中心點左側，因此，其位置用負值表示，背風面位于中心點右側，其位置用正值表示。

圖4 不同孔隙率下的料堆表面剪切力結果Fig.4 Results of pile surface shear stress under different porosity

分析圖4結果可知，料堆的迎風面，隨著坡面高度的增加，3種孔隙率下的剪切力呈現差異性變化，非均勻孔隙率下的剪切應力呈現小幅度上升后下降有上升的變化趨勢，2種均勻孔隙率下的剪切力分別呈現上升、平穩上升和下降后上升2種變化趨勢，并且除坡面起始位置時，非均勻孔隙率的剪切力高于均勻孔隙率的剪切力以外，其一直處于2種均勻孔隙率剪切力之間。均勻孔隙率為0.45時的剪切力變化結果使料堆中部以上位置的剪切力梯度顯著提升；非均勻孔隙率下的剪切力則在坡面高度位置在-30 m開始，呈現明顯下降趨勢，其滿足孔隙率較低時可降低迎風面上部位置的剪切力效果，并且其變化趨勢與均勻孔隙率為0.15時相似。并且，料堆的平頂面結果中，兩者的剪切力依舊尤為接近，且均勻孔隙率為0.45時，剪切力在料堆中部位置剪切力顯著下降，剪切力較小，且頂面剪切力最大。除此之外，料堆背風面的剪切力變化趨勢一致?；谏鲜鼋Y果，最終統計不同類別孔隙率下，料堆每個表面的剪切力結果，見表4。

表4 每個面的剪切力結果Tab.4 Shear force results of each face N

依據表4結果，最終確定非均勻孔隙率的防塵網抑風防塵效果最佳，其在每個面的剪切力結果均小于均勻孔隙率的剪切力。因此，煤場采煤區抑塵網在非均勻孔隙率下，可實現良好的抑塵效果，也間接表明，為保證該場所的最佳抑塵效果，可結合實際情況，設計防塵網的非均勻孔隙率大小。

4 結語

煤場采煤區是造成空氣污染的典型場所，其大量的顆粒揚塵，對于環境和人們身體健康造成較大影響，抑塵網是該類場所主要運用的一種防風抑塵手段，為準確分析其準確的抑塵效果，從概率估計的角度出發，通過孔隙率這個概率值，分析煤場采煤區防風抑塵網抑塵效果。通過構建孔隙率控制方程，估計在不同類型、不同取值的孔隙率下，抑塵網的抑塵效果。估計結果顯示，抑塵網在煤礦采煤區的抑塵效果良好，并且抑塵網在非均勻孔隙率下抑塵效果優于均勻孔隙率下的抑塵效果，可有效降低煤場采煤區顆粒揚塵，降低空氣污染。