宋翀芳,彭 林,白慧玲,牟 玲,劉效峰 (太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030024)

露天堆場(chǎng)防風(fēng)抑塵網(wǎng)后湍流結(jié)構(gòu)及抑塵效率的數(shù)值模擬

宋翀芳,彭 林*,白慧玲,牟 玲,劉效峰 (太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030024)

建立了開放性露天堆場(chǎng)周圍空氣流動(dòng)的三維數(shù)學(xué)物理模型,選擇應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型進(jìn)行了靜態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值模擬;分析了典型棱形堆迎風(fēng)面、平頂面和背風(fēng)面周圍空氣的湍流結(jié)構(gòu)和表面受力特性;基于流場(chǎng)數(shù)據(jù)揭示了防風(fēng)抑塵網(wǎng)不同孔隙率下空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律.結(jié)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(fēng)面在孔隙率較小時(shí)出現(xiàn)局部渦流,表面剪切力方向向下,孔隙率較大時(shí),網(wǎng)后空氣垂直方向壓差作用顯著,表面剪切力方向向上;背風(fēng)面始終處于回流區(qū),表面剪切力和回流點(diǎn)數(shù)隨孔隙率大小變化不顯著.綜合流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和受力分布可得最佳孔隙率為 0.2～0.4.該研究中對(duì)物料堆逐個(gè)表面進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)模擬可以避免由于剪切力方向不同產(chǎn)生矢量抵消而帶來的計(jì)算失真.

露天堆場(chǎng)；數(shù)值模擬；湍流；抑塵網(wǎng)

露天堆場(chǎng)在外力作用下形成的顆粒揚(yáng)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(chǎng)在自然風(fēng)作用下的揚(yáng)塵,需對(duì)堆場(chǎng)周圍空氣流動(dòng)規(guī)律和料堆受力進(jìn)行深入的研究.

風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究開放性物料堆揚(yáng)塵規(guī)律的主要研究手段.通過風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn),測(cè)定顆粒物起動(dòng)風(fēng)速值,建立靜態(tài)物料堆起塵量的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式可以預(yù)測(cè)料堆的揚(yáng)塵量[5],通過改變各影響因素測(cè)試揚(yáng)塵量也已得到一些規(guī)律[6],但起動(dòng)風(fēng)速判定的主觀性使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有形成統(tǒng)一的結(jié)論.研究表明:物料堆場(chǎng)靜態(tài)起塵量與風(fēng)速、含水率和顆粒物直徑有關(guān)[7-8],風(fēng)速作為最重要的特征參數(shù)[9],直接體現(xiàn)了顆粒源釋放有無和風(fēng)蝕污染的可蝕程度,而在確定料堆周圍風(fēng)場(chǎng)分布方面,數(shù)值模擬方法較風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)顯示了公認(rèn)的優(yōu)勢(shì),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,CFD(computational fluid dynamics)成為了解決各種流體流動(dòng)強(qiáng)有力的工具[10],近年來國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)開放性露天堆場(chǎng)和抑塵網(wǎng)的數(shù)值模擬為揚(yáng)塵量的確定提供了一種思路[11-12],然而,我國(guó)在料堆周圍速度場(chǎng)和表面受力的矢量性與揚(yáng)塵關(guān)系上的研究較少.

本文應(yīng)用FLUENT6.3軟件對(duì)防風(fēng)抑塵網(wǎng)后空氣流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲取了料堆表面受力的微觀特性及分布規(guī)律,確定了防風(fēng)抑塵網(wǎng)最佳孔隙率.

1 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬分為3個(gè)步驟:預(yù)處理、求解和后處理.首先根據(jù)宏觀量判定法確定計(jì)算區(qū)域,對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分;第2步選取合適的紊流模型、算法及離散格式進(jìn)行空氣繞流的計(jì)算;最后調(diào)整防風(fēng)抑塵網(wǎng)布置計(jì)算料堆表面的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù).

1.1 控制方程及邊界條件

對(duì)于開放性露天堆場(chǎng)周圍空氣繞流[13],認(rèn)為空氣是不可壓縮,流動(dòng)處于穩(wěn)態(tài)、絕熱和中性紊流大氣層中,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型[14],控制方程如下:

式中:α代表多孔介質(zhì)的滲透性;C2是慣性阻力因子,多孔板上壓強(qiáng)的損失因子:

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

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)Table 1 Input value for numerical simulation

傳統(tǒng)意義上計(jì)算區(qū)域足夠大的選取缺乏數(shù)據(jù)依據(jù),雖然可以保證料堆周圍空氣流場(chǎng)不受計(jì)算區(qū)域影響,但會(huì)導(dǎo)致計(jì)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(biāo)準(zhǔn),由小到大選取 7種計(jì)算區(qū)域工況,計(jì)算域和邊界條件的設(shè)置如圖 1所示,7種計(jì)算區(qū)域的參數(shù)見表 2.棱形料堆下表面長(zhǎng)154m,寬51m,上表面長(zhǎng)113m,寬10m,料堆高17m.

圖1 計(jì)算區(qū)域和邊界條件Fig.1 Computational domain and boundary conditions

表2 計(jì)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(dāng)計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)、寬、高分別為14倍堆寬(堆前6倍,堆后7倍)、2倍堆長(zhǎng)、7倍堆高時(shí),料堆平頂表面剪切力不再變化,故選擇模型 7為計(jì)算區(qū)域,即 714m×119m× 154m.

1.2 紊流模型及網(wǎng)格劃分

目前,國(guó)際上對(duì)繞流防風(fēng)抑塵網(wǎng)周圍流場(chǎng)的數(shù)值研究采用的模型主要分為2種:標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型和可實(shí)現(xiàn) k-ε紊流模型.通過兩種模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比的研究表明[11]:2種模型均可在整體上較好地反映流動(dòng)特性,但在0.38倍抑塵網(wǎng)高度處標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型比可實(shí)現(xiàn)k-ε紊流模型更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在 1.88倍抑塵網(wǎng)高度處可實(shí)現(xiàn)k-ε紊流模型結(jié)果更好.鑒于本研究旨在探索料堆表面(0.77倍抑塵網(wǎng)高度處)剪切力及剪切層內(nèi)空氣的流動(dòng)規(guī)律,故選擇更為接近的0.38倍網(wǎng)高處結(jié)果更好的標(biāo)準(zhǔn) k-ε紊流模型.對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為 1755883時(shí)計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)不再有關(guān),采用二階迎風(fēng)離散格式進(jìn)行模擬,計(jì)算收斂誤差為0.00001.

2 結(jié)果及討論

2.1 露天堆場(chǎng)周圍空氣流場(chǎng)

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

由圖3可以看出:迎風(fēng)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(dòng)速度變化相符,料堆顆粒在此剪切力作用下沿迎風(fēng)表面上揚(yáng),且隨高度增加揚(yáng)塵加劇,至冠頂達(dá)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(zhǎng)度區(qū)間稍有減小,2/3長(zhǎng)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(yáng)塵;背風(fēng)面剪切力明顯小于迎風(fēng)面和平頂面,從背風(fēng)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(fēng)面上部在平頂面空氣流動(dòng)作用下,顆粒物繼續(xù)沿坡面向下?lián)P起,而在中下部區(qū)域在背風(fēng)區(qū)渦旋回流作用下,料堆顆粒被風(fēng)卷起向上揚(yáng)起.

通過以上料堆周圍空氣流場(chǎng)和表面受力的空氣動(dòng)力學(xué)分析可見,迎風(fēng)面和平頂面為主要揚(yáng)塵表面,背風(fēng)面揚(yáng)塵量較少,因此對(duì)開放性料堆抑塵的重點(diǎn)在于減小迎風(fēng)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(duì)防風(fēng)抑塵網(wǎng)設(shè)置后空氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬來探究抑塵網(wǎng)對(duì)料堆微觀受力分布的規(guī)律,從而為抑塵網(wǎng)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù).

2.2 抑塵網(wǎng)后空氣流場(chǎng)的力學(xué)分布

將防風(fēng)抑塵網(wǎng)置于料堆前削弱來流風(fēng)動(dòng)能,減小料堆表面空氣作用力是目前公認(rèn)的有效減低料堆揚(yáng)塵的有效手段.在一定范圍內(nèi)防風(fēng)抑塵網(wǎng)高度和離料堆距離對(duì)抑塵效率無影響[16],本研究選取推薦范圍的網(wǎng)高 22m(料堆高度的1.3倍),抑塵網(wǎng)置于料堆前17m處(料堆高度的1倍),分別對(duì)孔隙率ε為0,0.2,0.4,0.6的抑塵網(wǎng)設(shè)置后空氣流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,速度矢量場(chǎng)結(jié)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(wǎng)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(fēng)抑塵網(wǎng)孔隙率為0,即無孔擋風(fēng)墻(或板)將來流風(fēng)阻擋在料堆前,空氣從擋風(fēng)墻(或板)上部繞流,在越過擋風(fēng)墻(或板)上部后流速達(dá)到最大值 6.61m/s,由于擋風(fēng)墻(或板)與迎風(fēng)面中間區(qū)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(qū)域形成渦旋,渦的中心高度較料堆頂部高,迎風(fēng)表面風(fēng)速沿坡面向下,料堆顆粒被吹向地面,沉積或被卷吸起.防風(fēng)抑塵網(wǎng)孔隙率為 0.2時(shí),最大風(fēng)速位置與ε=0相同,最大風(fēng)速值為 6.004m/s,抑塵網(wǎng)滲流空氣量與繞流空氣相比較小,防風(fēng)抑塵網(wǎng)與迎風(fēng)面之間區(qū)域仍形成渦旋,渦的中心位于料堆高度2/3處,渦旋強(qiáng)度和渦旋直徑較之ε=0小,迎風(fēng)表面風(fēng)速同樣沿坡面向下,料堆顆粒向下運(yùn)動(dòng).隨著孔隙率增大,抑塵網(wǎng)滲流空氣比例增大,網(wǎng)后壓力亦增大,當(dāng)孔隙率為0.4時(shí),網(wǎng)后最大風(fēng)速減小至5.752m/s,與孔隙率為0與0.2不同的是,網(wǎng)后空氣未形成回流,迎風(fēng)表面空氣沿坡面向上貼附流動(dòng),料堆顆粒被風(fēng)揚(yáng)起散至空氣,抑塵原理也與前兩者不同,未改變迎風(fēng)表面的湍流結(jié)構(gòu)和流速方向,但降低的風(fēng)速使其揚(yáng)塵量較無網(wǎng)小,還可起到抑塵作用.當(dāng)孔隙率繼續(xù)增大至 0.6時(shí),網(wǎng)后流場(chǎng)結(jié)構(gòu)幾乎與無網(wǎng)工況無異,最大風(fēng)速同樣出現(xiàn)在迎風(fēng)表面冠頂,且較孔隙率為0.4時(shí)大,抑塵作用幾乎不明顯.

通過以上分析可看出,當(dāng)孔隙率ε >0.4時(shí),抑塵網(wǎng)作用不明顯,而ε <0.4時(shí),出現(xiàn)了2種湍流結(jié)構(gòu),為了獲得較優(yōu)的孔隙率,下面定量分析不同孔隙率下的料堆表面受力,結(jié)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(gè)表面中,迎風(fēng)面和平頂面的表面剪切應(yīng)力較背風(fēng)表面大得多.迎風(fēng)面在ε=0和0.2時(shí)剪切力為負(fù)值,即料堆顆粒在空氣流動(dòng)作用下向下滑至地面,且孔隙率為 0時(shí)的剪切力大于0.2,在ε=0.4和0.6時(shí)剪切力為正值,即料堆顆粒同未設(shè)網(wǎng)時(shí)(ε=1)相似,在網(wǎng)后空氣貼附流動(dòng)作用下向上揚(yáng)至大氣,且隨孔隙率增大剪切力增大;對(duì)于平頂表面,當(dāng)設(shè)置擋風(fēng)墻(或板)時(shí)(ε=0),剪切力為負(fù)值,即在網(wǎng)后渦旋回流作用下平頂面逆向來流方向揚(yáng)塵,且其絕對(duì)值大于孔隙率為0.2下的受力, ε=0.2、0.4和0.6時(shí)均為正值,即沿來流方向揚(yáng)塵,并且隨孔隙率增大而增大.綜合以上計(jì)算結(jié)果可見:最佳孔隙率為0.2～0.4.

3 結(jié)論

3.1 料堆起塵與周圍空氣流速和料堆表面剪切力有關(guān).在來流風(fēng)作用下棱形料堆迎風(fēng)表面和平頂面為主要揚(yáng)塵面,背風(fēng)表面被渦旋卷起揚(yáng)塵量較前兩者小得多.迎風(fēng)表面沿坡面向上流速增加,在冠頂達(dá)到最大;平頂面剪切力沿流動(dòng)方向幾乎不變;背風(fēng)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?lián)P起,2/3高度以下至底部在渦旋回流作用下,料堆顆粒被風(fēng)卷起向上揚(yáng)起.

3.2 防風(fēng)抑塵網(wǎng)的設(shè)置改變了料堆周圍空氣的湍流結(jié)構(gòu),當(dāng)孔隙率ε=0和 0.2時(shí),在抑塵網(wǎng)和迎風(fēng)表面中間區(qū)域出現(xiàn)渦旋回流,迎風(fēng)表面空氣沿坡面向下流動(dòng),顆粒在剪切力作用下向下滑至地面,且孔隙率為 0時(shí)的剪切力大于 0.2,對(duì)于平頂表面, ε=0時(shí)剪切力方向與來流方向相反,在網(wǎng)后渦旋回流作用下平頂面逆向來流方向揚(yáng)塵,且其絕對(duì)值大于孔隙率為 0.2下的受力, ε=0.2、0.4和 0.6時(shí)揚(yáng)塵與來流方向相同,并且隨孔隙率增大而增大.綜合流場(chǎng)結(jié)構(gòu)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(kuò)散及防治研究.發(fā)表論文10余篇.

《中國(guó)環(huán)境科學(xué)》獲評(píng)“百種中國(guó)杰出學(xué)術(shù)期刊”

《中國(guó)環(huán)境科學(xué)》編輯部

2013-09-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108295;41173002)

* 責(zé)任作者, 教授, plin123@eyou.com

《中國(guó)環(huán)境科學(xué)》2012年被中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所評(píng)為“2011年度百種中國(guó)杰出學(xué)術(shù)期刊”.“百種中國(guó)杰出學(xué)術(shù)期刊”是根據(jù)中國(guó)科技學(xué)術(shù)期刊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)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(gè)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)指標(biāo).