陳光輝，白學(xué)花，李建隆

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042）

引 言

隨著中國城市化進(jìn)程的加快及城市周邊生態(tài)環(huán)境的惡化，揚(yáng)塵已成為城市顆粒物污染的最重要來源[1-2]。防風(fēng)網(wǎng)抑塵工程技術(shù)是治理露天堆料場風(fēng)致?lián)P塵的有效措施，優(yōu)于傳統(tǒng)的灑水、噴結(jié)殼固凝劑及織物覆蓋等，在達(dá)到同等條件的環(huán)境指標(biāo)時比封閉倉儲經(jīng)濟(jì)，且一次投資、長期受益、維修管理費(fèi)用低[3]。

前期，防風(fēng)網(wǎng)的研究大多集中在防風(fēng)網(wǎng)的抑塵機(jī)理方面[4-8]，對防風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強(qiáng)度和安全性分析的文獻(xiàn)報道較少。1994年，天津市某煤炭倉儲場小型碟型防風(fēng)網(wǎng)工程，因?yàn)榍捌趯Ψ里L(fēng)網(wǎng)及支撐結(jié)構(gòu)的受力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究分析不足，致使網(wǎng)板最后在風(fēng)和低溫作用下被撕裂脫落，工程沒有達(dá)到預(yù)期效果[3]。

自此，中國許多學(xué)者開始就防風(fēng)網(wǎng)支撐鋼構(gòu)件在風(fēng)荷載下的力學(xué)響應(yīng)及風(fēng)振疲勞方面進(jìn)行了分析研究[9]。秦皇島港建設(shè)了全國最大煤堆場防風(fēng)網(wǎng)工程，洪寧寧等[10]、劉現(xiàn)鵬等[11]、張亞青等[12]諸多研究者以秦皇島港防風(fēng)網(wǎng)工程為研究對象，針對防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)和防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)動力特性等進(jìn)行了分析討論。段振亞等[9]對直立平行式與直立斜支撐式兩種類型的鋼構(gòu)架，進(jìn)行了相應(yīng)的力學(xué)特性分析。孫熙平等[13]對防風(fēng)網(wǎng)的抗振疲勞特性進(jìn)行了研究。

綜上所述，國內(nèi)防風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究，大多集中于傳統(tǒng)單一形式的網(wǎng)板分析，對于不同形式的網(wǎng)板缺乏對比性的研究。李建隆等[14-19]研發(fā)出一種新型導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)，在常規(guī)平板型防風(fēng)網(wǎng)網(wǎng)孔上增設(shè)導(dǎo)流翅片，減小了來流風(fēng)直接沖擊料堆迎風(fēng)面的作用力，來流風(fēng)速為10 m·s-1時，網(wǎng)后最低風(fēng)速可降至2 m·s-1[20]。但還缺乏對此新型防風(fēng)網(wǎng)的力學(xué)特性研究。本文基于流場變化對網(wǎng)板荷載的直接影響，利用CFD系列Fluent模擬軟件，針對導(dǎo)流型、傳統(tǒng)圓孔平板型和方孔平板型3種網(wǎng)板形式進(jìn)行了模擬比較?；诹鲌鎏匦苑治鼍W(wǎng)板的受力與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，期望在防風(fēng)網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、工程投資成本的節(jié)約與工程裝置的安全運(yùn)行等方面提供實(shí)質(zhì)性的幫助[9]。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

模擬用3D模型如圖1所示，流場設(shè)為長2000 mm、寬300 mm、高600 mm的長方體空間；防風(fēng)網(wǎng)為厚2 mm、寬300 mm、高100mm、開孔率30%的多孔薄板；垛堆的橫截面設(shè)為傾斜角45°、下底邊長130 mm、上底邊長30 mm、高50 mm的等腰梯形四棱柱。網(wǎng)板距入口4倍堆高，網(wǎng)高為2倍堆高，網(wǎng)堆距為4倍堆高。模擬用開孔率相同的傳統(tǒng)方孔、圓孔平板網(wǎng)和導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行對比。圖2為3種網(wǎng)板模型，其中（c）為導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)板，根據(jù)文獻(xiàn)[20-21]，導(dǎo)流翅片采用最優(yōu)排布形式，傾斜角度從上到下依次為α=60°，65°，70°，75°，80°，85°。各種網(wǎng)板布孔時孔總個數(shù)與單孔面積都設(shè)為近似相等。

圖1 計(jì)算區(qū)域及幾何模型示意圖 Fig.1 Sketch map of computational domain and geometric model

圖2 3種防風(fēng)網(wǎng)板幾何模型 Fig.2 Model of porous fence with different porosities

圖3 模擬計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格示意圖 Fig.3 Meshed geometry of computational domain

1.2 計(jì)算網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的前提，其質(zhì)量的好壞直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度[20]。防風(fēng)網(wǎng)模型厚 度小，且有翅片，所以采用分區(qū)劃分網(wǎng)格的方式，對網(wǎng)板區(qū)域加密處理；考慮到計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的能力，對左右兩側(cè)墻面采取鏡像手段，盡量接近自然無邊界情況。生成的網(wǎng)格效果如圖3所示。網(wǎng)格總數(shù)為575983，最大扭曲度0.8＜0.85，最大長徑比3.37＜5。

1.3 邊界條件

（1）入口邊界條件：入口假設(shè)為常溫常壓下的空氣，并認(rèn)為湍流已充分發(fā)展，入口氣流速度為沿截面法向速度[20,22]。

（2）出口邊界條件：采用壓力出口邊界，有利于解決出口回流收斂困難的問題，壓力設(shè)置P表壓=0。

（3）固壁面邊界條件：采用無滑移邊界[22]。

1.4 基本假設(shè)

（1）風(fēng)荷載均勻分布于整個板面。

（2）界面無滑移。

（3）流體流動視為穩(wěn)態(tài)流動，忽略流動中各參數(shù)隨時間的變化。

（4）氣流為干燥均質(zhì)氣體，不考慮相變、氣液交換和太陽輻射的影響[23]。將空氣看作黏性不可壓縮流體，且黏度μ=1.789×10-5kg·m-1·s-1，密度ρ=1.225 kg·m-3。

1.5 數(shù)學(xué)模型

（1）離散格式采用計(jì)算精度高、穩(wěn)定性好的二階迎風(fēng)格式，SIMPLE算法處理壓力-速度耦合關(guān)系，壓力差補(bǔ)格式采用默認(rèn)的Standard格式。

（2）采用Standard（標(biāo)準(zhǔn)）k-ε湍流模型[20-21],其控制方程包括湍動能k和湍動耗散率ε輸運(yùn)方程 方程。

2 力學(xué)特性分析

模擬過程中，根據(jù)材料力學(xué)小變形假定，忽略網(wǎng)板形變和自身重力。作用在網(wǎng)板上的外力包括風(fēng)荷載施加的作用力和支撐結(jié)構(gòu)提供的約束力，二者構(gòu)成網(wǎng)板平衡力系。

圖4所示分別為來流風(fēng)通過導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)和圓孔平板型的網(wǎng)板時形成的氣流速度矢量圖，導(dǎo)流翅片的存在使得氣流具有上升優(yōu)勢，降低對料堆面的沖擊。根據(jù)氣流運(yùn)動的速度矢量圖確定網(wǎng)板的受力如圖5所示。風(fēng)荷載轉(zhuǎn)化為均布力f作用于網(wǎng)板，將單位面積網(wǎng)板風(fēng)荷載定義為等效集中力F；通過CFD模擬得到力F的等效作用位置，定義為A點(diǎn)；將網(wǎng)板底部與地面接觸點(diǎn)視為固定端，定義為矩心O；A點(diǎn)到O點(diǎn)的距離定義為力臂h；H定義為網(wǎng)板高度。

圖4 氣流通過網(wǎng)板的速度矢量圖 Fig.4 Velocity vector when airflow through porous fence

圖5 網(wǎng)板受力簡圖 Fig.5 Map of force analysis of porous fence

3 結(jié)果分析與討論

模擬不同來流風(fēng)速（3，5，8，10，13，15 m·s-1）下3種開孔網(wǎng)板（方孔板、圓孔板、導(dǎo)流型）受風(fēng)荷載作用情況。

3.1 不同防風(fēng)網(wǎng)板的受力分析

圖6給出了由于速度流場分布不均勻而對3種開孔形式網(wǎng)板產(chǎn)生的受力F隨風(fēng)速的變化。由圖可以看出，F(xiàn)隨著風(fēng)速不斷加大呈現(xiàn)二次方性增長。風(fēng)速由最初的3 m·s-1增加到15 m·s-1過程中，方孔板、圓孔板和導(dǎo)流型受力分別由12.5、14.9、13.6 N·m-2增加到281.6、298.4、298.4 N·m-2，增長約20倍。在風(fēng)速為5～10 m·s-1時，導(dǎo)流型板的等效集中力F一直處于最低水平，且方孔板與導(dǎo)流型的曲線接近；隨著風(fēng)速增加到11 m·s-1之 后，導(dǎo)流型板的受力曲線開始攀升，與圓孔板的接近，方孔板的最低；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到13 m·s-1以后，導(dǎo)流型的受力增加大過其他板。整體來說在不同來流風(fēng)速下方孔板的受力比圓孔板的受力略低，兩孔板受力隨來流風(fēng)速的增加趨勢一致。

圖6 受力曲線圖 Fig.6 Graph of force analysis

3.2 防風(fēng)網(wǎng)力臂分析

圖7為不同開孔網(wǎng)板的力臂與固定網(wǎng)高之比隨風(fēng)速變化。由圖可以看出，3種網(wǎng)板受集中力F作用的位置A點(diǎn)都在網(wǎng)板的幾何中心上方，且隨著風(fēng)速加大，力臂都在慢慢變短。圓孔板的變化趨勢最明顯，導(dǎo)流型的變化相對較緩慢。導(dǎo)流型的A點(diǎn)位置一直高于其他兩種板，而圓孔板的最低，最接近網(wǎng)板幾何中心；方孔板介于二者之間。在風(fēng)速為8 m·s-1和10 m·s-1時，方孔板、圓孔板和導(dǎo)流型力臂與網(wǎng)高之比分別為0.507，0.506，0.512和0.506，0.504，0.511，三者懸差達(dá)到最大，導(dǎo)流型的A點(diǎn)位置高出圓孔板1.28%，高出方孔板1.06%，導(dǎo)流型板與傳統(tǒng)網(wǎng)板的風(fēng)荷載作用位置基本一致，沒有明顯偏差，導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)在提高防風(fēng)抑塵性能的同時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與常規(guī)防風(fēng)網(wǎng)相比差別不大。

3.3 網(wǎng)板阻力的來源

防風(fēng)網(wǎng)對風(fēng)的阻礙作用，直接降低風(fēng)的動能，使得網(wǎng)板與風(fēng)之間產(chǎn)生復(fù)雜作用力。研究網(wǎng)板阻力的來源，不僅對分析防風(fēng)網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)及自身穩(wěn)定性有意義，對防風(fēng)網(wǎng)的擋風(fēng)機(jī)理也有直接的指導(dǎo)意義。

圖7 力臂曲線圖 Fig.7 Graph of moment arm

3.3.1 網(wǎng)板摩擦曳力 圖8為3種網(wǎng)板在15 m·s-1來流風(fēng)速下Z=150 mm位置處的x-y平面局部放大速度矢量圖。氣流穿過板孔后，由于通道截面的突然擴(kuò)大，急速流過的氣流發(fā)生邊界層分離，使部分高速氣流匯入網(wǎng)板背面未開孔部分形成的負(fù)壓區(qū)，形成旋渦。其中，由渦底部流入高速氣流而形成的旋渦，稱為上卷旋渦；當(dāng)旋渦是由上部高速氣流急速流入而形成，則稱為下卷旋渦。渦的旋轉(zhuǎn)以及不同運(yùn)動方向的渦相遇產(chǎn)生摩擦要消耗大量的來流能量，所以在貼近網(wǎng)板的背風(fēng)面對網(wǎng)板存在較強(qiáng)的雷諾應(yīng)力。穿過方孔板和圓孔板的氣流直接朝向后方運(yùn)動，形成的旋渦雜亂無序，而穿過導(dǎo)流板的氣流容易形成規(guī)律的旋渦。

湍流動能越大說明流動狀況隨時間變化越不穩(wěn)定。分析15 m·s-1來流風(fēng)速條件下導(dǎo)流型網(wǎng)后不同距離處湍流動能等值線（圖9）可知，導(dǎo)流型網(wǎng)后距離網(wǎng)板X/H=0.03，X/H=0.1，X/H=0.2，X/H=0.4位置處存在一定程度的湍流，且隨著距離加大湍流動能會慢慢減弱。在遠(yuǎn)離網(wǎng)板的過程中，強(qiáng)有力的小旋渦在主流風(fēng)作用下，逐漸擴(kuò)散成湍流 動能很微弱的大尺度渦，并且旋渦在后續(xù)運(yùn)動過程中受到空氣黏性阻尼影響，湍動能被逐漸耗散。湍動能的快速耗散可有效減少對網(wǎng)后料堆表面顆粒的作用力，大大降低顆粒起動；湍動能的快速耗散還可降低網(wǎng)后流場的高頻脈動對網(wǎng)板的作用力。

圖8 Z=150mm處x-y平面速度矢量局部放大圖 Fig.8 Distribution of velocity vector at x-ysurface in Z=150 mm

從圖9中導(dǎo)流型網(wǎng)板后距離網(wǎng)板X/H=0.03處湍流動能等值線圖可以看出，在近網(wǎng)處y-z平面上湍流旋渦是均勻有序的，在網(wǎng)板高度范圍內(nèi)，隨著高度的上升，氣流湍動能是不斷增加的，其對應(yīng)的拖曳旋渦對網(wǎng)板的吸引作用也增大。圖10為模擬15 m·s-1風(fēng)速時，3種開孔形式的防風(fēng)網(wǎng)在橫截面X/H=0.4處的湍流動能等值線圖，從圖可以看出導(dǎo)流型板的湍動能僅為7.4 m2·s-2左右，遠(yuǎn)低于方孔板的14.4～17.3 m2·s-2和圓孔板的13.9～16.67 m2·s-2，從湍動能耗散來看導(dǎo)流型板比方孔板及圓孔板更有利于抑制顆粒起動、降低高頻脈動對網(wǎng)板的作用力。

3.3.2 網(wǎng)板形體曳力 圖11為網(wǎng)板近壁面等壓線圖，在15 m·s-1來流風(fēng)速下，方孔板（a）的前后壓差最大為494.1 Pa，圓孔板（b）的前后壓差最大為546.4 Pa，導(dǎo)流型（c）的前后壓差最大為512 Pa。該壓差帶給防風(fēng)網(wǎng)最大形體曳力，且導(dǎo)流型前后壓差方面明顯優(yōu)于圓孔板。該負(fù)壓區(qū)是網(wǎng)板受力的另一重要來源。

3種開孔形式中圓孔板受風(fēng)荷載作用最大，一是因?yàn)閳A孔板網(wǎng)后旋渦較導(dǎo)流型的旋渦更加無序雜亂，如圖8所示，當(dāng)上卷旋渦與下卷旋渦相遇后，由于相反的旋轉(zhuǎn)方向，以及產(chǎn)生的摩擦，會使能量消耗更大，且圓孔板網(wǎng)后較其他兩板存在更大的拖曳旋渦，旋渦波及范圍也更大；二是因?yàn)閳A孔板網(wǎng)后形成的負(fù)壓區(qū)的壓力最低，所以圓孔板近壁面的前后壓差大于另外兩種開孔板，如圖11所示。由圖6受力曲線圖可以明顯看出，導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)在5～10 m·s-1風(fēng)速時，導(dǎo)流型板的集中力F一直處于最低水平，是因?yàn)樵趯?dǎo)流翅片的隔離作用下，方孔板近壁面前后壓力差稍大于導(dǎo)流型板，且從湍動能等值線圖10中可以看出，導(dǎo)流型后的湍流曳渦的尺度更小，所以導(dǎo)流型的受力比方孔板的稍低。當(dāng)風(fēng)速達(dá) 到13 m·s-1以后，導(dǎo)流型的受力增加大過其他板，原因是風(fēng)速增大翅片上的受力明顯增加，其低拖曳渦的優(yōu)勢被抵消了，此時，導(dǎo)流型孔板較方孔無翅片板的風(fēng)荷載略大，與圓孔板所受風(fēng)荷載基本一樣。

圖11 網(wǎng)板近壁面壓力等值線圖 Fig.11 Pressure contour line near porous fence/Pa

4 結(jié) 論

研究網(wǎng)板阻力的來源，不僅對分析防風(fēng)網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)及自身穩(wěn)定性有意義，對防風(fēng)網(wǎng)的擋風(fēng)機(jī)理也有直接的指導(dǎo)意義。本文應(yīng)用CFD模擬軟件Fluent對不同開孔型式的防風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行了力學(xué)特性分析。由數(shù)值模擬得到以下結(jié)論：

（1）通過比較不同開孔形式的防風(fēng)網(wǎng)，風(fēng)荷載都是隨著風(fēng)速不斷加大，呈現(xiàn)二次方性增長， 當(dāng)風(fēng)速由3 m·s-1增加到15 m·s-1時，風(fēng)荷載增長約20倍。導(dǎo)流型受風(fēng)荷載作用與傳統(tǒng)網(wǎng)板比較并沒有明顯差別。

（2）漸進(jìn)角度式導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)板與傳統(tǒng)網(wǎng)板的風(fēng)荷載等效作用點(diǎn)位置相比較，位置基本一致，都在網(wǎng)板的幾何中心上方，且隨著風(fēng)速加大，等效集中力作用點(diǎn)逐漸接近幾何中心。

（3）小渦的旋轉(zhuǎn)和摩擦消耗大量的來流能量，所以在貼近網(wǎng)板的背風(fēng)面對網(wǎng)板存在較強(qiáng)的雷諾應(yīng)力。在遠(yuǎn)離網(wǎng)板的過程中，強(qiáng)有力的小旋渦在主流風(fēng)作用下，逐漸擴(kuò)散成湍流動能很微弱的大尺度渦，并且旋渦在后續(xù)運(yùn)動過程中受到空氣黏性阻尼影響，渦動能被逐漸耗散。產(chǎn)生網(wǎng)板阻力的主要原因是網(wǎng)板近壁面的前后壓差和網(wǎng)后氣流湍動形成的拖曳渦。

符 號 說 明

F——單位面積等效集中力，N·m-2

f——均布力，N·m-2

H——防風(fēng)網(wǎng)高度，mm

h——力臂，mm

K——湍流動能，m2·s-2

U——風(fēng)速，m·s-1

α——開孔率，%

ε——湍動耗散率

μ——黏度，kg·m-1·s-1

ρ——密度，kg·m-3

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