王昊天

上海市世界外國語中學(xué)

1 引言

眼下國內(nèi)多地受霧霾持續(xù)圍困，北京、石家莊等大中城市數(shù)日難見藍(lán)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(xiàn)狀已經(jīng)成為中國一些城市標(biāo)識性難題。霧霾發(fā)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(jīng)是普遍問題。

對于堆料場揚(yáng)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(yáng)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(fēng)墻的設(shè)計和結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬研究，通過擋風(fēng)墻和料堆的間距、擋風(fēng)墻的高度、擋風(fēng)墻開孔角度三個因素進(jìn)行了正交實驗設(shè)計，通過數(shù)模計算結(jié)果得到了料堆頂部的風(fēng)速大小，從而為擋風(fēng)墻的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 基本假設(shè)

（1）模型中的風(fēng)向和風(fēng)速都是固定值。

（2）防風(fēng)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(tài)。

（5）模型的頂部空間足夠大。

2.2 數(shù)學(xué)方程

描述料場擋風(fēng)墻的數(shù)學(xué)模型包括連續(xù)性方程，動量N-S 方程，湍流K-?雙方程模型。

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

（2）動量方程（N-S）。

2.3 幾何模型和網(wǎng)格劃分

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

圖1 料堆風(fēng)場的幾何結(jié)構(gòu)

圖2 料堆風(fēng)場模型的網(wǎng)格劃分

3 計算實驗方案

3.1 防風(fēng)墻距離料堆的因素

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

3.2 防風(fēng)墻高度因素

防風(fēng)墻的高度影響著到達(dá)料堆頂部的風(fēng)的速度，同時也影響著通風(fēng)孔進(jìn)入的總風(fēng)量。在本研究中，取防風(fēng)墻的高度分別為6m、7m、8m。

3.3 防風(fēng)墻通風(fēng)孔角度因素

防風(fēng)墻通風(fēng)孔的角度對于通過風(fēng)速的強(qiáng)度有著影響，同時還影響著料堆面的風(fēng)速大小。在本研究中心，取防風(fēng)墻通風(fēng)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(jìn)行正交設(shè)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(jié)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(dāng)風(fēng)速相同時，不同的防風(fēng)墻結(jié)構(gòu)參數(shù)引起了不同的流場分布。當(dāng)防風(fēng)墻高度較小時，如圖3（A、D、G），風(fēng)通過防風(fēng)墻后在料堆表面形成了擾流，對于料堆表面的揚(yáng)塵將起到較明顯的作用。而隨著防風(fēng)墻高度的增加，如圖3（B、E、H），風(fēng)通過防風(fēng)墻后對于料堆的擾動作用減弱，而從防風(fēng)墻體通過的風(fēng)在料堆前方阻擋后形成的流動對料堆表面的揚(yáng)塵作用更趨明顯。隨著防風(fēng)墻高度的進(jìn)一步提高，如圖3（C、F、I），風(fēng)通過防風(fēng)墻頂部后對料堆的擾動作用變得非常小。

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

從防風(fēng)墻的通風(fēng)孔角度來看，通風(fēng)孔角度越大，能夠更好地讓通過防風(fēng)墻的風(fēng)向朝向地面，如圖3（C、E、G），此種情況下，通風(fēng)孔后方形成的風(fēng)對于料堆表面的擾動現(xiàn)象比較??；而當(dāng)通風(fēng)孔角度變小時，如圖3（A、F、H），風(fēng)通過通風(fēng)孔后形成較強(qiáng)的擾動，風(fēng)在沖擊料堆迎風(fēng)面后沿著料堆表面以較高的速度流出，對于揚(yáng)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(fēng)墻與料堆之間的距離來說，當(dāng)距離為10m時，表面料堆的平均風(fēng)速最小。對于防風(fēng)墻的高度因素來說，當(dāng)防風(fēng)墻的高度為7米時，料堆表面的平均風(fēng)速最小。而對于防風(fēng)墻通風(fēng)孔角度來說，當(dāng)開孔與地面的夾角為60°時，料堆表面的平均風(fēng)速最小。綜上所述，對于三種因素和不同水平的影響來看，優(yōu)化方案為A3B2C3時，將使得料堆表面的平均風(fēng)速最小。

4.3 補(bǔ)充試驗

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

5 結(jié)論部分

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

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

（3）通過正交試驗分析，選擇A3B2C3 的防風(fēng)墻結(jié)構(gòu)作為最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并補(bǔ)充了該方案的計算結(jié)果，通過結(jié)果分析，料堆表面監(jiān)測位置的平均風(fēng)速為0.6m/s，說明該優(yōu)化結(jié)果的確起到了料堆表面防風(fēng)固塵的作用。