黃嘉韜 趙章焰

武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063

0 引言

擋風(fēng)板是擋風(fēng)防塵的主要技術(shù)手段，由具有一定幾何形狀、全區(qū)域開孔、厚度較小的擋板組成，是具有一定高度的擋風(fēng)屏障。設(shè)置風(fēng)障以達(dá)到控制局域風(fēng)環(huán)境是一項多學(xué)科交叉的技術(shù)，擋風(fēng)板涉及材料學(xué)、空氣動力學(xué)、多相流體力學(xué)、氣象學(xué)、滲透力學(xué)等多個學(xué)科的知識。

各國研究人員對擋風(fēng)板的作用及原理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。我國擋風(fēng)板防塵技術(shù)的研究起步較晚，20 世紀(jì)80 年代，我國相關(guān)行業(yè)有關(guān)單位相繼開展了此類技術(shù)的研究[1，2]。很多碼頭在散貨堆場應(yīng)用擋風(fēng)板作為防塵主要措施，但尚無應(yīng)用擋風(fēng)板在抓斗卸船機(jī)卸料過程中進(jìn)行防塵的案例。目前，擋風(fēng)板在國外碼頭應(yīng)用較為普遍，實驗結(jié)果證實孔隙率和孔徑雷諾數(shù)決定了風(fēng)障的屏障作用。在國外，特別是日本采用擋風(fēng)板對抓斗卸船機(jī)卸料除塵的效果顯著，可見擋風(fēng)板在抓斗卸船機(jī)防塵中的應(yīng)用是完全可行的，故應(yīng)通過理論、實踐等方法進(jìn)行進(jìn)一步研究。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的產(chǎn)生，計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）隨之出現(xiàn)，通過計算機(jī)實現(xiàn)多種模型數(shù)值模擬。對比之前的實驗研究，計算機(jī)可以更加高效地改變實驗中的參數(shù)。因此，在研究擋風(fēng)板擋風(fēng)效果時的研究途徑變得多樣化，國內(nèi)外學(xué)者通過CFD 等更高效的工具在擋風(fēng)板的研究方面取得了長足進(jìn)展[3，4]。

通過已有研究分析，可知擋風(fēng)板的孔隙率和開孔尺寸對其防塵效果有決定作用，而前人已就孔隙率大小對防塵效果的影響做過較為詳盡的研究分析，并得出可靠的結(jié)論，這對擋風(fēng)板的實踐應(yīng)用有重要指導(dǎo)意義。因此，在確定孔隙率的基礎(chǔ)上，重點進(jìn)行擋風(fēng)板的開孔大小與開孔間隙對其防塵效果影響的研究，旨在確定抓斗卸船機(jī)料斗口擋風(fēng)板的開孔布置方案，即擋風(fēng)板合理開孔尺寸與開孔間隙，以使防塵效果達(dá)到最佳，并為生產(chǎn)實踐提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

在抓斗卸船機(jī)上應(yīng)用擋風(fēng)抑塵技術(shù)解決粉塵污染問題是一種較新的思路，在抓斗卸船機(jī)料斗安裝擋風(fēng)板，結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、投資少、且無需后期維護(hù)，故應(yīng)大力推廣抓斗卸船機(jī)擋風(fēng)板除塵技術(shù)的應(yīng)用。本文研究對象為由開孔薄板形成的具有一定集合形狀料斗側(cè)擋風(fēng)壁和擋風(fēng)板（見圖1），通過在料斗周圍建立由穿孔網(wǎng)板結(jié)構(gòu)構(gòu)成的擋風(fēng)抑塵板，降低來流的流速和湍流度，快速減少來流的動能，從而降低氣流到達(dá)顆粒時速度，來實現(xiàn)擋風(fēng)抑塵的效果。

1 耦合計算理論基礎(chǔ)

1.1 DEM-CFD 耦合方法的形成

煤炭粉塵的起塵、轉(zhuǎn)移屬于氣固2 相流動的現(xiàn)象，因而防塵研究應(yīng)采用氣固2 相流動的理論進(jìn)行，在前人研究中，人們傾向于以研究流體為切入點，將系統(tǒng)中絕大多數(shù)的顆粒假設(shè)為顆粒流，氣固2 相流技術(shù)便隨之產(chǎn)生[5]。

流動系統(tǒng)由氣固2 相物質(zhì)所組成，形成氣固2 相流系統(tǒng)，其中氣相一般為連續(xù)的形式，固相以顆粒的形式混合在氣相中。

在氣固2 相流動的系統(tǒng)中，通過氣相和固相之間的相互作用控制流體流動，從而表現(xiàn)出2 相之間的受理關(guān)系。目前，對這些力學(xué)關(guān)系的分析多用理論分析和實驗研究，但需要高精度的實驗設(shè)備才能準(zhǔn)確測出較小顆粒之間的作用力。隨著計算力學(xué)的進(jìn)步，通過數(shù)值計算方法能逐漸取代傳統(tǒng)的實驗測量。

氣固2 相流系統(tǒng)實質(zhì)上是將自身假設(shè)為相互交織形成多種流體組成的系統(tǒng)，通過每種流體的濃度變化及分布特性來描述系統(tǒng)。由于該模型本身的缺陷，不能非常準(zhǔn)確表征顆粒級別上的各種屬性，當(dāng)顆粒密度增大到某一濃度時，多相流模型的計算結(jié)果也并不合理。隨著計算機(jī)數(shù)值計算方法的發(fā)展，產(chǎn)生了一種能更好地對氣固2 相流系統(tǒng)進(jìn)行研究的DEM-CFD 耦合方法。

1.2 DEM-CFD 耦合方法的原理

DEM-CFD 耦合方法的原理是：通過CFD 技術(shù)求解流場，使用DEM 方法計算顆粒系統(tǒng)的運(yùn)動受力情況，二者以一定的模型進(jìn)行能量、動量和質(zhì)量等的傳遞，實現(xiàn)耦合。

運(yùn)用此方法，流體和顆粒都可以使用更具有自身特點的數(shù)值進(jìn)行模擬，將顆粒的形狀、顆粒分布、材料特性等屬性表現(xiàn)得更加明顯，相對合理的描述出顆粒和流場之間的受力關(guān)系。

應(yīng)用EDEM-Fluent 耦合模擬分析流程為：Fluent 將某時刻的流場計算收斂，將流場信息通過曳力模型轉(zhuǎn)化為EDEM 中作用在顆粒上的流體曳力，EDEM 通過計算每個顆粒所受的外力情況，再將這些顆粒的位置、速度等屬性以動量匯的形式加到CFD 計算中，從而影響流場，其耦合模擬流程如圖2 所示。

圖2 EDEM-Fluent 耦合計算流程

2 擋風(fēng)板防風(fēng)耦合模擬研究

2.1 幾何模型

當(dāng)卸船機(jī)作業(yè)時，抓斗在煤炭、礦石等散貨船抓取物料，然后返回料斗上方，打開抓斗將物料卸入料斗，再經(jīng)振動給料器將物料送至地面帶式輸送機(jī)，轉(zhuǎn)運(yùn)至后方堆場完成卸船過程。在抓斗打開、物料落下至料斗口的過程中會有粉塵揚(yáng)起，雖然有噴霧除塵裝置，揚(yáng)起的粉塵仍會被風(fēng)吹向大氣中成為污染源，為此研究在料斗口安裝擋風(fēng)板后的防塵效果，根據(jù)其作業(yè)特點，抓斗要在散貨船和料斗之間往返運(yùn)動，故料斗口只能三面圍板，如圖3 所示。

圖3 料斗口擋風(fēng)板幾何模型

針對某卸船機(jī)，根據(jù)料斗口空間條件，三面擋風(fēng)板的幾何尺寸如圖3 所示，其中擋風(fēng)板1 與擋風(fēng)板2 幾何尺寸相同，二者均與大車軌道垂直，主要防止平行大車軌道方向風(fēng)將粉塵吹向大氣中；擋風(fēng)板3 與小車軌道垂直，主要用于防止小車軌道方向風(fēng)將粉塵吹向大氣中。

在前人研究基礎(chǔ)上，對擋風(fēng)板參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，開孔率為整塊板中間所開孔的面積與整塊板的面積的比值，根據(jù)之前研究人員對平板擋風(fēng)板進(jìn)行的試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平板開孔率為30%時，擋風(fēng)效果最佳[6]，故本研究中擋風(fēng)板孔隙率取0.3 作為確定開孔形狀與大小的基本條件。在開孔形狀方面，根據(jù)已有研究綜合分析擋風(fēng)板后風(fēng)速變化、壓力分布和湍動能變化可知，在不同開孔形式下，形狀為圓形開孔的擋風(fēng)板防風(fēng)效果最佳[7]，本研究中擋風(fēng)板開孔形狀取為圓形孔，且以圓周陣列分布。

在確定開孔孔隙率與開孔形狀基礎(chǔ)上，本研究著重分析不同孔徑對擋風(fēng)板防塵效果的影響，取4 組擋風(fēng)板進(jìn)行數(shù)值仿真分析，第1 組擋風(fēng)板不開孔；第2 組開孔孔徑為2.5 mm；第3 組開孔孔徑為5 mm，第4 組開孔孔徑為10 mm，通過平行大車軌道方向風(fēng)與垂直大車軌道方向風(fēng)來進(jìn)行模擬確定合理開孔方案。

2.2 EDEM-CFD 耦合模型建立與求解

應(yīng)用DEM-CFD 耦合模擬方法，使用計算流體動力學(xué)軟件Fluent 和離散單元法軟件EDEM 進(jìn)行計算分析[8]。根據(jù)該卸船機(jī)料斗尺寸，擋風(fēng)板的最大尺寸超過10 m，對應(yīng)的求解域的尺度要在數(shù)十米，而擋風(fēng)板的厚度和孔徑將皆是毫米的量級，建立實際尺寸的擋風(fēng)板模型來研究擋風(fēng)板的擋風(fēng)效果還會受到計算機(jī)硬件的限制，故將較小塊的擋風(fēng)板取出進(jìn)行抽樣模擬。通過建模軟件建立擋風(fēng)板的三維幾何模型，其擋風(fēng)板的幾何尺寸如圖4 所示，擋風(fēng)板厚度為2 mm。

圖4 擋風(fēng)板計算模型幾何尺寸

擋風(fēng)板開孔大小與間距分為4 組，分別如圖5 所示。求解域的確定遵循完全捕捉關(guān)心區(qū)域和盡量使流動充分發(fā)展的原則，同時綜合擋風(fēng)板自身的尺寸、邊界條件等因素考慮。

圖5 擋風(fēng)板開孔布置

風(fēng)向分平行大車軌道與垂直大車軌道方向，當(dāng)風(fēng)平行大車軌道方向吹時，為保證求解域內(nèi)風(fēng)充分流動，求解域大小為1 200 mm×800 mm×300 mm；當(dāng)風(fēng)垂直于大車軌道方向吹時，為保證求解域內(nèi)風(fēng)充分流動，求解域大小為1 500 mm×600 mm×300 mm。所有模型的求解域的范圍以及擋風(fēng)板在求解域做出的位置都應(yīng)該相同。

卸船機(jī)設(shè)計中一般按照工作風(fēng)速20 m/s、風(fēng)壓245 Pa、非工作風(fēng)速按55 m/s、風(fēng)壓1 854 Pa 進(jìn)行設(shè)計。通常情況下風(fēng)速在20 m/s 時，卸船機(jī)基本停止工作，并且風(fēng)速設(shè)為20 m/s 主要是為滿足結(jié)構(gòu)安全與機(jī)構(gòu)能力而提出的要求，實際工作中風(fēng)速很少超出15 m/s，作為擋風(fēng)板設(shè)計基本參數(shù)，本次模擬風(fēng)速取15 m/s。

在EDEM 中設(shè)置粉塵顆粒和擋風(fēng)板參數(shù)如表1所示。顆粒直徑平均值設(shè)為500 μm（根據(jù)資料，煤炭粉塵粒度為0～1 000 μm，正太分布取中間值），并按正態(tài)函數(shù)規(guī)律分布。然后設(shè)置時間步長，設(shè)置網(wǎng)格尺寸與網(wǎng)格數(shù)量。

表1 材料特性參數(shù)

最后在Fluent 中設(shè)置松弛系數(shù)，控制收斂性。計算時Fluent 先進(jìn)行迭代計算，當(dāng)收斂后調(diào)用EDEM 把相關(guān)量導(dǎo)入并開始計算，EDEM 計算后將跟新的顆粒參數(shù)再返回Fluent 中，循環(huán)往復(fù)直至計算到指定步數(shù)停止。

2.3 防風(fēng)抑塵效果分析

當(dāng)風(fēng)沿著大車軌道方向吹時，最終模擬了上述4 組擋風(fēng)板防風(fēng)效果，如圖6 ～圖9 所示。

圖6 擋風(fēng)板無開孔防塵模擬效果圖

圖8 擋風(fēng)板上開直徑5mm 圓孔防塵模擬效果圖

圖9 擋風(fēng)板上開直徑10 mm 圓孔防塵模擬效果圖

在耦合仿真分析實驗中，顆粒直徑平均值設(shè)為500 μm（根據(jù)資料，煤炭粉塵粒度為0～1 000 μm，正太分布取中間值），并按正太函數(shù)規(guī)律分布，肉眼難于觀察顆粒運(yùn)動情況，故顯示出顆粒的運(yùn)動軌跡方便觀察。也即圖中的帶顏色的線條為顆粒的運(yùn)動軌跡。圖中風(fēng)向為+X方向，帶孔板為料斗口擋風(fēng)板，紅色立方體為流體計算域。

3 研究結(jié)果與分析

在前述工作條件及假設(shè)條件下（即煤炭粉塵粒度為0～1 000 μm，并按正太函數(shù)規(guī)律分布），根據(jù)模擬計算結(jié)果，擋風(fēng)板開5mm 防風(fēng)孔時，幾乎沒有顆粒從擋風(fēng)板中被吹出，防風(fēng)抑塵效果最好。表2 為擋風(fēng)板上不同開孔直徑的防塵效果對比。卸船機(jī)防塵擋風(fēng)板開孔示意如圖10 所示。

表2 擋風(fēng)板上不同開孔直徑的防塵效果對比

圖10 卸船機(jī)防塵擋風(fēng)板開孔示意圖

對比開孔直徑，位置間隔進(jìn)行模擬分析的結(jié)果，找出最佳防塵效果的擋風(fēng)板方案。當(dāng)擋風(fēng)板開孔直徑5 mm 時防塵效果最好，從而對本卸船機(jī)擋風(fēng)板外形尺度、形狀進(jìn)行分析，得出合理優(yōu)化的方案。卸船機(jī)防塵擋風(fēng)板開孔示意見圖10，最優(yōu)擋風(fēng)板直徑及間距示意見圖11。

圖11 最優(yōu)擋風(fēng)板直徑及間距示意圖

卸船機(jī)的側(cè)擋風(fēng)壁支撐結(jié)構(gòu)由鋼結(jié)構(gòu)支架組成，為擋風(fēng)板提供足夠的支撐強(qiáng)度，來承受強(qiáng)風(fēng)在擋風(fēng)板表面形成的風(fēng)壓。擋風(fēng)板材料可采用不銹鋼板或彩鋼板，擋風(fēng)板與側(cè)擋風(fēng)壁的支架采用螺釘與壓板固定，使用壽命為20 ～30 a。

綜上所述，采用上述方案的擋風(fēng)板作為卸船機(jī)防塵措施，簡單、可靠、投入小，且無需定期維護(hù)。

4 結(jié)論

本次研究通過計算流體動力學(xué)、顆粒散體動力學(xué)等數(shù)值模擬工具，對擋風(fēng)板應(yīng)用于卸船機(jī)料斗口防風(fēng)抑塵的效果進(jìn)行數(shù)值研究，重點根據(jù)計算流體力學(xué)技術(shù)、氣固多相流基礎(chǔ)理論和離散單元法基礎(chǔ)理論，采用數(shù)值模擬的方法，對不同擋風(fēng)板氣相流場和煤粉顆粒的運(yùn)動屬性進(jìn)行了研究，實驗得出的結(jié)果為：擋風(fēng)板的開孔大小不同時擋風(fēng)效果不同，孔徑過小時防風(fēng)抑塵效果不明顯，孔徑過大時粉塵直接從孔徑中吹出，也起不到防塵作用，根據(jù)仿真分析結(jié)果，針對港口用卸船機(jī)，給出最佳開孔方案，可為實際工程應(yīng)用提供有價值的結(jié)論，應(yīng)用擋風(fēng)板可以有效抑制粉塵擴(kuò)散，對控制全球大氣粉塵污染效果顯著。