防风网研究

防风抑尘网研究一、综述矿山开采、港口作业、电厂煤场、水泥、钢铁等原料堆场的散状物料在运输过程中产生大量的粉尘，对大气造成严重污染，对周边居民的生活和生产造成一定影响。防风网是一种有效的防风抑尘技术，气流在防风网多孔屏障的疏透下，速度得到了极大衰减，在其背面形成一个低速遮蔽区，有效降低原料表面的风速，达到防风网外侧强风，内侧弱风，外侧小风，内侧无风的效果，从而减少料场扬尘。防风网主要由具有一定开孔率的金属网板或者由编制、粘接、挤压成型的非金属网片、支撑钢结构、地下混凝土基础和相应的辅助喷水装置以及自控仪表系统组成。防风网的材质主要有镀铝锌板、玻璃钢、高密度聚乙烯和尼龙。目前各种防风抑尘技术都得到了广泛应用，也取得了良好的应用效果,各种防风抑尘技术在工程应用实践中得到了不断改善和进步。1.起尘机理堆场起尘的原因分为两类：一是堆场表面的静态起尘；二是在堆场取料、运输过程中的动态起尘。静态起尘是由风的湍流引起，主要与料的粒度、含水率、环境风速密切相关；动态起尘主要是指装卸作业时的起尘，属正常运行状况，主要与料的粒度、含水率、环境风速和落差有关。根据微观粒子运动理论，在风力的作用下，当平均风速约等于某一临界值时，个别突出的尘粒受到湍流流速和压力脉动的影响开始震动和前后摆动，但并不离开原来的位置，堆场中的尘粒只有达到一定风速才会起尘，这种临界风速为起动风速。起动风速可按以下公式计算：V0=a×d0.334×W1.114式中：V0为起尘风速，m/s；a为起尘系数；W为料堆表面含水率，%；d为粉尘粒径，mm。料堆起尘量与风速之间的关系：Q=a(V-V0)n式中Q为料堆起尘量，V为风速，V0为起尘风速，a为与粉尘粒度分布有关的系数，n为指数(n1.2)，对不同地区环境来说2.7n6.23。从上式可以看出料堆起尘量Q与风速差V-V0的高次方成正比因此降低料堆场的实际风速是减少起尘量的最有效方法。要使起尘量Q变小主要的办法是降低V-V0的差值因此降低风速是减小露天煤堆起尘量最有效的方法设置挡风抑尘墙的目的是将V变小，增加湿度或颗粒间的粘结的目的是将V0变大从而达到减少Q的目的，因此对露天料堆场来说使用挡风抑尘墙和增湿抑尘是两种主要的抑尘技术。2.抑尘机理防风网具有一定开孔率，通过破坏高速来流风的流场，改善或改变来流的风场以及湍流结构。经过防风网后，一部分风由于防风网的阻隔作用，向上抬升形成网顶绕流风，其特点是风速较大；另一部分通过网形成渗流风，由于能量交换，上部高速绕流风带走了大部分风能，使网后形成低风速区。而在堆场下风向设置的防风网，在降低风速的同时，随湍流风扩散的粉尘一部分反射回来，于网前降落，另一部分则通过网孔，但由于网后风速较低，在网后一定距离降落。因此防风网在降低风速的同时，对风尘的湍流扩散起到抑制作用，故下风向防风网又称抑尘网。3.防风网压力损失系数防风网之所以能够降低来流风速，主要在于其对来流有一定的阻碍作用。为了定量刻画这种阻碍作用，引进压力损失系数这一参数。压力损失系数定义为，封闭管道中的均匀流在通过防风网之后的静压损失与来流动压之比。K=Δp/(0.5ρUd2)K为压力损失系数；Δp为防风网前后的静压损失；ρ为空气密度；Ud为来流风速。压力损失系数反映了防风网对能量消耗的比例，其值越高，对能量的损耗就越大，对流动的阻碍作用就越明显。研究表明，防风网压力损失系数与防风网透风率、雷诺数和马赫数有关，在防风网均匀孔型和不可压来流风下，当雷诺数Re250时，防风网压力损失系数只与防风网透风率有关。实验得到流经防风网的压力损失系数和防风网透风率的关系为：K=(1-β)/β2β为透风率。4.防风网风载体型系数计算风载体型系数是指风作用在建筑物的表面下所引起的实际压力(或吸力)与来流风的速度压的比值，它描述的是建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体形和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。在得到防风网表面各测点的压力系数值后，对其进行加权平均，得到该表面的风载体型系数。防风网表面各点压力系数计算公式为：Ci=2(pi-p0)/ρUd2防风网某一表面风载体型系数公式为：1/nsiiiCAA式中，μs为防风网表面风载体型系数；ΔA为第i测点相应面积；n为测点总数；A为总面积；Pi为第i测点的风压；P0为参考点风压；Ci为第i测点的压力系数。当防风网表面各测压点均匀布置时，计算式为：11nsiiCn防风网风载体型系数是确定风荷载的重要参数，其绝对值随透风率增大而减小。当透风率较大时，迎风断体型系数为正值，背风面为负值；、与透风率较小时，防风网体型系数迎风面、背风面都为负值。这说明防风网是置于气动流体中的物体，向后的吸力是主要作用力。这点是防风网安全设计中应加倍注意的。5.主要监测指标和检测方法主要检测指标包括总悬浮颗粒(TSP)、可吸入颗粒(PM10)、可入肺细颗物(PM2.5)。此外检测过程中还需要测定风速、风向、温度和大气压力等相关气象参数。主要检测方法为：(1)总悬浮颗粒物(TSP)：利用大气采样器进行采样，采样时间为15-30min，所得样品利用差重法分析计算得到。(2)可吸入颗粒物(PM10)：利用大气采样器和PM10切割器进行采样，采样时间为15-30min，得到样品采用差重法分析得到。(3)可入肺细颗粒物(PM2.5)：利用大气采样器和PM2.5切割器进行采样，采样时间为15-30min，得到样品采用差重法分析得到。(4)降尘：利用采样瓶进行取样，采样瓶内装有已知重量的滤膜将采样瓶放置在采样点，经过数小时的自然沉降，通过测定滤膜采样前后重量之差得到降尘量。(5)气象参数：利用便携式智能微气象测定仪，可直接获得风速、风向、温度、湿度等，当地的大气压力可通过数字大气压力计直接读出数值。二、防风网研究对于防风网本身特性以及防风网防风抑尘机理的研究，采用风洞实验、现场实测以及数值模拟研究方法。1.风洞实验研究风洞是研究空气动力学的重要实验设备，1938年，Nokkentved在理论风洞中对防风网进行了相关实验，开启了防风网的风洞研究时代。1981年，Perera利用脉冲热线技术在风洞中对开孔率从0%-50%的防风网进行了实验。测量了下风向尾流区的再附着区域、速度损耗等，并对实验数据进行了拟合。Sang-JoonLee等人于1998年利用双顿粒子测速(two-framePTV)技术对不同开孔率的防风网进行了实验，结果表明20%开孔率的防风网对网后顺流向速度的折减最大，但是在近网尾流区域产生了较大的湍流强度。40%开孔率的防风网网后流场结构最优，可以有效防止风烛起尘。国内学者董治宝等人在2007年针对防风网的开孔率做了深入研究，利用PIV技术测试了网后速度场以及湍流结构，指出防风网的临界幵孔在20%-30%之间，若高于临界开孔率，渗流风占据主导，而低于它则回流显著；张光玉等人研究了秦皇岛大型煤堆场设置防风网后对堆场内平均风速有显著的降低作用，指出整体减风系数与风向角有关。张宁等人也利用PTV技术测试了越移风沙通过防风网时速度、质量流量、湍动能等，指出网后沙粒的浓度和质量流量均有大幅度的降低,防风网具有很好的降尘作用。郭辉、王泽涛等人利用风洞实验，对非平面防风网的降风效果以及防风网体型系数等做了测量，指出蝶形防风网比平板型防风网具有更好的降风效果。2.现场试验研究风洞实验过程中，由于实验条件受人为控制,可以排除其它影响因素，所以其结果更为理想化。现场实测则有更多的不确定性,但是这种最直接的方法，对防风网的降风、抑尘效果有着最直观、最有说服力的评价。由于现场实测有很多不可控的因素，如道路扬尘、风向、风速变化快、日照、降水等因素，所以进行现场实测难度相当大，现场实测更多为定性检验防风网降风、抑尘效果。Sang-JoonLee在风洞实验研究的基础之上，在露天堆料场的两侧设立了开孔率为30%的尼龙线编织网工程对堆场现场进行风速、TSP(总悬浮物浓度)实测，以定性分析、验证防风网的降风抑尘效果。指出防风网对堆场内平均风速有较大的折减作用，而TSP浓度也得到了极大的降低，效果在70%-80%左右。祁有祥利用便携式多通道风速仪，针对某防风网工程，分别在网前、网后指定距离处，对风速进行了现场实测，以分析防风网的防风效能。结果表明防风网的防风效能随网后距离增加而逐渐衰减，在制定距离位置，防风效能随高度递减。该实测有效验证了防风网的降风效果。现场实测虽然难度较高，但是对防风网的效果评估具有最实际的意义。3.数值模拟由于地理位置、气象条件的变化，在不同的防风网建设项目背景下，防风网工程的规划与设计建造也应因地制宜。所以结合项目的具体情况进行风洞实验，提供给工程设计人员相关设计参数是防风网规划、设计的普遍方法。但是风洞实验方案制定复杂，实验周期长，实验成本大。随着计算机技术和硬件性能的提升,在20世纪60年代初期，以数值方法为手段，求解Navier-Stokes方程组的CFD(computationalFluidDynamics)技术逐渐发展起来。CFD技术的应用，为防风网的规划、设计和建造提供了另一种手段。作为一种简洁有效的研究方法，防风网的数值模拟研究被普遍采用。Tani将防风网作为一种产生动量亏损的源项来处理，该源项作为一个标量，由湍流扩散来控制。1985年，Wilson和Takle利用基于雷诺平均的N-S方程简称RANS(Reynolds-averagedNavier-Stokes)方程，并引入动量汇(momentumsink)来模拟防风网动量汇是与网本身的阻力系数有关的物理量。这种数值模拟方法较准确的预测了网后近网位置处的流场结构，不过对网后较远位置处流场的预测，低估了回流对流场的作用。Wang和Takle于1995年用与上述相同的方法，模拟了网后流场各个区域，即网后减风区、网上部风速加速区以及下风向风速恢复区。Wilson和Yee在2003年和2004年对RANS模型进行了新的研究，并与McAneney和Judd进行的风洞实验数据进行对比，指出RANS模型对湍流运动的预测有潜在的不准确性。对于单独设置的防风网，风经过网时湍动能(kineticenergy)的变化，取决于防风网对湍动能源项的处理，这种处理方法有不确定性。当在模拟一系列防风网时，由于压力梯度力失去了主导地位，该种处理方法就无法准确预测网后的湍流发展情况。由于防风网后流场表现的是湍流特征，因此其数值模拟的研究进程很大程度上依赖于湍流模拟的研究进展。目前针对湍流的数值模拟方法主要是非直接数值模拟法，即设法对湍流作某种程度的近似和简化处理，而不直接计算湍流的脉动特性。非直接模拟法主要有两大类：大涡模拟（LES）法和Renolds平均法（也称RANS方法）。大涡模拟法基本思想为用瞬时的N-S方程直接模拟湍流中的大尺度涡，不直接模拟小尺度涡，而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。Maruyama利用LES方法对防风网周围的湍流特性进行了模拟。模拟过程采用亚格子尺度模型使控制方程封闭。由于使用了较粗糙的计算网格，模拟过程的计算量与细网格相比大大减轻，模拟结果与风洞试验结果吻合仍较好。Renolds平均法是目前使用最广泛的湍流数值模拟方法，其核心是不直接求解瞬时的Navier-Stokes方程，而是想法求解时均化的Renolds方程。Wilson在1985年利用Renolds应力模型对防风网的动力学特性及网周围的流体运动进行了研究，发现该模型对近网处湍流运动模拟较准确，而对网上空域内高速区及网后回流区的模拟结果不够稳定。在2004年的研究中Wilson分析了RANS模型在模拟网后流场较复杂区域时出现的不稳定性，认为湍流模型的选取对模拟结果的影响很大。为此，Santiago等比较了3种不同的k-ε湍流模型（标准k-ε、RNGk-ε、realizablek-ε）对防风网后流场模拟的影响。结果发现：仅考虑平均风速的变化时，3种模型的模拟结果均与Bladely和Mulhearn等的试验结果吻合较好，standardk-ε模型对网后回流区内平均风速的