防風(fēng)抑塵網(wǎng)研究進(jìn)展

孫昌峰，陳光輝，范軍領(lǐng)，李建隆

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042）

進(jìn)展與述評(píng)

防風(fēng)抑塵網(wǎng)研究進(jìn)展

孫昌峰，陳光輝，范軍領(lǐng)，李建隆

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042）

防風(fēng)抑塵網(wǎng)作為一種能有效控制散堆料場(chǎng)起塵與擴(kuò)散的手段，近年來得以推廣，并得到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。本文綜述了國(guó)內(nèi)外防風(fēng)抑塵網(wǎng)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。著重從作用機(jī)理、防風(fēng)效應(yīng)的影響因素、數(shù)值模擬進(jìn)展及防風(fēng)網(wǎng)的應(yīng)用等方面對(duì)防風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行了總結(jié)評(píng)述；同時(shí)介紹了一種新型防風(fēng)網(wǎng)——導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)，即在常規(guī)平板型防風(fēng)網(wǎng)網(wǎng)孔上增設(shè)導(dǎo)流翅片，使來流風(fēng)繞過料堆產(chǎn)生上揚(yáng)以減小其對(duì)料堆的直接作用力，并借助數(shù)值模擬手段對(duì)新型防風(fēng)網(wǎng)的抑塵性能進(jìn)行了研究；最后對(duì)防風(fēng)網(wǎng)目前存在的不足和未來的研究方向進(jìn)行了探討。

防風(fēng)抑塵網(wǎng)；防風(fēng)抑塵效應(yīng)；數(shù)值模擬；導(dǎo)流翅片

Abstract：Porous fence，which is an effective method to abate dust emission in a bulk material storage yard，has been used in many practical applications and aroused extensive attention in academic fields. In this paper，the current status and progress of porous fence are summarized，including mechanisms，progress of numerical simulation and several influence parameters on the shelter effect. Simultaneously，a porous fence with deflector，which plays a guiding role and directs the air flow up to a certain angle in order to reduce the direct impact on the windward surface of the bulk material pile is introduced，the shelter effect of the new porous fence is investigated numerically. The present imperfection and direction of future research are also discussed.

Key words：porous fence；shelter effect；numerical simulation；deflector

防風(fēng)網(wǎng)古稱防風(fēng)柵、防風(fēng)障[1]，是一種多孔的障礙物，最初是人類用來抵御風(fēng)沙侵襲的有效手段。廣義的防風(fēng)網(wǎng)是可以減小風(fēng)速的任何結(jié)構(gòu)，如木柵、金屬網(wǎng)、樹籬等[2]。而工程上的防風(fēng)網(wǎng)是指減小風(fēng)強(qiáng)技術(shù)的工程裝置，主要由具有一定開孔率的金屬網(wǎng)板或者由編制、粘接、擠壓成型的非金屬網(wǎng)片、支撐鋼結(jié)構(gòu)、地下混凝土基礎(chǔ)和相應(yīng)的輔助噴水裝置以及自控儀表系統(tǒng)組成。

防風(fēng)網(wǎng)按其移動(dòng)性能可以分為移動(dòng)式和固定式[3]。移動(dòng)式防風(fēng)網(wǎng)采用電動(dòng)升降，在使用時(shí)將防風(fēng)網(wǎng)上升到一定的高度，不使用時(shí)將防風(fēng)網(wǎng)降低，不影響其它作業(yè)，其主要應(yīng)用于移動(dòng)性較大的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，如港口堆場(chǎng)煤炭加工等行業(yè)。而固定式防風(fēng)網(wǎng)一般被加工成型后裝配到框架上，然后連接到固定在地面的鋼支架上。考慮到造價(jià)、操作性等因素，目前防風(fēng)網(wǎng)以固定式為主。按網(wǎng)板形式的不同防風(fēng)網(wǎng)可分為蝶形、直板形、半圓形等[4]，其中蝶形和直板形較為常見。而根據(jù)材質(zhì)的不同，防風(fēng)網(wǎng)又可分為鍍鋁鋅網(wǎng)、玻璃鋼網(wǎng)、柔性纖維網(wǎng)等。其中鍍鋁鋅網(wǎng)因具有耐腐蝕、耐濕熱等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于港口或近海堆料場(chǎng)。而玻璃鋼網(wǎng)和柔性纖維網(wǎng)則主要用于防風(fēng)網(wǎng)設(shè)計(jì)使用年限較短的堆料場(chǎng)。

防風(fēng)網(wǎng)的基本原理是通過設(shè)置多孔透風(fēng)的屏障來降低來流風(fēng)速并減弱其湍流強(qiáng)度，達(dá)到防風(fēng)抑塵的目的[5-6]。因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、營(yíng)建迅速等特點(diǎn)，已在農(nóng)、林、工礦等行業(yè)及許多大型港口得到廣泛應(yīng)用[7-10]。本文作者對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外在防風(fēng)網(wǎng)方面的研究進(jìn)行了綜述，并對(duì)防風(fēng)網(wǎng)未來的研究方向進(jìn)行了展望。

1 抑塵機(jī)理

防風(fēng)網(wǎng)是利用空氣動(dòng)力學(xué)的原理，將網(wǎng)前大尺度、高強(qiáng)度的旋渦梳理成小尺度、弱強(qiáng)度旋渦，從而改變網(wǎng)后的微環(huán)境[11]以達(dá)到減弱下游風(fēng)速[12]和流場(chǎng)湍流度的效果，防止粉塵的飛揚(yáng)。

防風(fēng)網(wǎng)的抑塵機(jī)理與網(wǎng)后顆粒的起塵機(jī)理密切相關(guān)。Dong等[13]依據(jù)對(duì)網(wǎng)后不同距離處顆粒的起動(dòng)風(fēng)速的觀測(cè)評(píng)價(jià)了防風(fēng)網(wǎng)的防風(fēng)抑塵性能，指出防風(fēng)網(wǎng)增大了網(wǎng)后顆粒的臨界起動(dòng)風(fēng)速，因而能達(dá)到抑塵的目的。Lee等[14]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)來流風(fēng)達(dá)到顆粒的臨界起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，料堆表面的顆粒開始跳躍，且隨著開孔率的降低，網(wǎng)后顆粒的臨界起動(dòng)速度逐漸增大。叢曉春等測(cè)定了不同礦料顆粒的起動(dòng)風(fēng)速并考察了揚(yáng)塵量隨風(fēng)速的變化關(guān)系，結(jié)果表明當(dāng)來流風(fēng)速低于顆粒臨界起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，顆粒不起塵；當(dāng)風(fēng)速超過臨界起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，起塵量隨著風(fēng)速的增大呈4次方增大。

目前，研究者認(rèn)為防風(fēng)網(wǎng)減小了網(wǎng)后風(fēng)速，增大了網(wǎng)后顆粒的臨界起動(dòng)風(fēng)速從而達(dá)到抑塵的目的。林官明等[15]則應(yīng)用子波分析對(duì)防風(fēng)網(wǎng)后的湍流信號(hào)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)后旋渦的能量和發(fā)生頻率有顯著地降低，證明了防風(fēng)網(wǎng)對(duì)起塵的抑制除了表現(xiàn)在降低風(fēng)速以外還表現(xiàn)在對(duì)猝發(fā)旋渦的抑制，從而從另一個(gè)角度闡述了防風(fēng)網(wǎng)的抑塵機(jī)理。

2 防風(fēng)抑塵效應(yīng)的影響因素

影響防風(fēng)網(wǎng)防風(fēng)抑塵作用的因素很多，其中防風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)對(duì)其防風(fēng)抑塵效應(yīng)及網(wǎng)后庇護(hù)區(qū)的大小起決定作用，了解這些結(jié)構(gòu)因素可以更深入的認(rèn)識(shí)防風(fēng)網(wǎng)，并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高防風(fēng)網(wǎng)性能。

2.1 開孔率的影響

開孔率是防風(fēng)網(wǎng)的開孔透風(fēng)面積與總面積之比，作為防風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)指標(biāo)[16]，是影響防風(fēng)網(wǎng)防風(fēng)抑塵性能最重要的因素[12，17-20]。

Raine等[21]考察了不同開孔率的防風(fēng)網(wǎng)后平均風(fēng)速和湍流度的變化。研究發(fā)現(xiàn)，開孔率為20%時(shí)，防風(fēng)網(wǎng)能最有效地減小其背風(fēng)面的平均風(fēng)速。與未開孔的防風(fēng)網(wǎng)相比，開孔的防風(fēng)網(wǎng)能更好的減小平均風(fēng)速，而較高開孔率的防風(fēng)網(wǎng)則能夠提供更好的總體庇護(hù)效應(yīng)。Li Wei等[22]研究發(fā)現(xiàn)開孔率在23%～30%時(shí)，近網(wǎng)處具有較小的風(fēng)速。Lee和Park[23]討論了防風(fēng)網(wǎng)后料堆表面的壓力變化，發(fā)現(xiàn)開孔率在 40%～50%時(shí)，防風(fēng)網(wǎng)能較大程度的減小料堆表面的壓力，對(duì)料堆起塵的抑制作用最強(qiáng)。

防風(fēng)網(wǎng)的開孔率也是決定網(wǎng)后回流區(qū)變化的重要參數(shù)[24]。Castro[25]和Ranga等[26]均發(fā)現(xiàn)當(dāng)防風(fēng)網(wǎng)開孔率大于30%時(shí)，網(wǎng)后回流即會(huì)消失，而Lee和Kim等[27]則報(bào)道了當(dāng)開孔率大于40%時(shí)，由于通過網(wǎng)的強(qiáng)滲流風(fēng)的影響，網(wǎng)后平均風(fēng)速增大，回流消失；而對(duì)于開孔率為40%的防風(fēng)網(wǎng)，網(wǎng)后流場(chǎng)具有較好的流動(dòng)特性，網(wǎng)后流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度也較小。

此外，Lee等[28-29]還通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了防風(fēng)網(wǎng)對(duì)料堆的庇護(hù)效應(yīng)，研究表明具有最佳庇護(hù)效應(yīng)的防風(fēng)網(wǎng)其開孔率在30%～40%。而Mercer[30]則報(bào)道了防風(fēng)網(wǎng)的最佳開孔率在25%左右。

綜上所述，開孔率對(duì)防風(fēng)網(wǎng)的防風(fēng)抑塵性能起著至關(guān)重要的作用，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)開孔率的研究結(jié)果并不一致，這是由于試驗(yàn)所處的大氣環(huán)境、模擬及實(shí)驗(yàn)采用的模型不同所致。最佳的開孔率一般在20%～50%。

2.2 網(wǎng)高的影響

防風(fēng)網(wǎng)的高度與庇護(hù)范圍密切相關(guān)。Torano等[31]考察了露天儲(chǔ)料場(chǎng)顆粒的起塵情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)高小于料堆高度時(shí)，在防風(fēng)網(wǎng)至網(wǎng)后2倍料堆高度間的顆粒起塵量最小；而當(dāng)網(wǎng)高為1倍和1.2倍料堆高度時(shí)，在網(wǎng)至網(wǎng)后 3倍料堆高度間的顆粒起塵量最小。陳凱華等[32]則對(duì)某鋼鐵廠露天堆料場(chǎng)防風(fēng)網(wǎng)防風(fēng)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示，在風(fēng)速一定的情況下，持續(xù)增大網(wǎng)的高度并不能達(dá)到持續(xù)擴(kuò)大庇護(hù)范圍的效果，網(wǎng)高與受保護(hù)料堆的高低和料場(chǎng)的面積有直接的關(guān)系，網(wǎng)高取值為受保護(hù)料堆高度的 1.5倍較為適宜。Dong等[13]研究發(fā)現(xiàn)防風(fēng)網(wǎng)的庇護(hù)范圍隨網(wǎng)高的增加而增大，當(dāng)達(dá)到一個(gè)峰值后，網(wǎng)高再增加，防風(fēng)網(wǎng)的庇護(hù)范圍變化并不明顯。

有研究表明[1]：當(dāng)防風(fēng)網(wǎng)的高度為料堆高度的0.6～1.1倍時(shí)，網(wǎng)高與抑塵效果成正比；當(dāng)防風(fēng)網(wǎng)高度為料堆高度的1.1～1.5倍時(shí)，網(wǎng)高對(duì)抑塵效果的影響趨于平緩；當(dāng)防風(fēng)網(wǎng)高度為料堆高度的 1.5倍以上時(shí)，隨著網(wǎng)高的增加抑塵效果無顯著的變化，因此防風(fēng)網(wǎng)最佳高度為料堆高度的1.1～1.5倍。

2.3 網(wǎng)與料堆距離的影響

與開孔率和網(wǎng)的高度相比，網(wǎng)與料堆距離（網(wǎng)至料堆前堆腳的距離）的影響并不十分顯著。Lee等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在開孔率和網(wǎng)高一定的情況下，改變防風(fēng)網(wǎng)與料堆之間的距離對(duì)料堆表面的平均壓力并無大的影響。Li Wei等[22]則報(bào)道了當(dāng)間距大于4倍的網(wǎng)高時(shí)，開孔率為50%的防風(fēng)網(wǎng)的庇護(hù)效應(yīng)接近于未開孔的防風(fēng)網(wǎng)的庇護(hù)效應(yīng)。而有研究表明[1]：當(dāng)防風(fēng)網(wǎng)沿料堆腳放置時(shí)，由于網(wǎng)后漩渦的影響，極易導(dǎo)致起塵，同時(shí)在堆腳和堆頂處滲流風(fēng)速的降低并不顯著，而在網(wǎng)后2～3倍料堆高度的距離內(nèi)有一個(gè)低風(fēng)區(qū)，減速效果較好。日本的研究[1]表明防風(fēng)網(wǎng)與最近料堆的距離可控制在1.0～1.5倍料堆高度之內(nèi)。

此外，Kim 和Lee[33]還考察了防風(fēng)網(wǎng)網(wǎng)孔大小對(duì)網(wǎng)后流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)在同一開孔率下，隨孔徑的減小，防風(fēng)網(wǎng)對(duì)來流風(fēng)的阻礙作用不斷增大，滲流風(fēng)的湍流度也不斷增加。Yeh等[34]研究了不同的來流風(fēng)方向?qū)Ψ里L(fēng)網(wǎng)性能的影響，結(jié)果表明，防風(fēng)網(wǎng)的抑塵作用很大程度上取決于來流風(fēng)的方向，傳統(tǒng)防風(fēng)網(wǎng)布置方式為在料堆四周呈長(zhǎng)方形布置，此時(shí)，在來流風(fēng)向與迎風(fēng)面呈45°夾角時(shí)對(duì)網(wǎng)后料堆的抑塵作用較差；而呈八邊形布置時(shí)，對(duì)于傾斜角度來流風(fēng)，防風(fēng)網(wǎng)的抑塵作用有較大改善。

3 防風(fēng)抑塵網(wǎng)的工程應(yīng)用

在防風(fēng)網(wǎng)的工程應(yīng)用方面，近年來日本、韓國(guó)等所做的研究較多，日本從20世紀(jì)70年代起，就開始對(duì)防風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)研究，并將防風(fēng)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于控制港口露天煤堆場(chǎng)的粉塵污染上[1]。韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)的Lee和Park[35]對(duì)POSCO鋼廠5號(hào)煤堆場(chǎng)兩側(cè)設(shè)置的防風(fēng)網(wǎng)的抑塵效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)后流場(chǎng)湍流強(qiáng)度減小了50%，總懸浮顆粒（TSP）減少 70%～80%。目前，國(guó)外應(yīng)用防風(fēng)網(wǎng)的案例有日本電源開發(fā)株式會(huì)社下轄的大型發(fā)電廠、中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)中火力發(fā)電廠燃煤儲(chǔ)運(yùn)場(chǎng)、日本東京電廠、荷蘭鹿特丹港務(wù)局等，均取得了較好的防塵效果。

我國(guó)大陸防風(fēng)網(wǎng)防塵技術(shù)雖然起步較晚，但近幾年發(fā)展較快。交通部水運(yùn)科學(xué)研究所所做工作較多，對(duì)神華天津煤炭碼頭、曹妃甸港、秦皇島煤炭碼頭等防風(fēng)網(wǎng)工程進(jìn)行了相關(guān)的研究及工程設(shè)計(jì)工作，現(xiàn)已投入使用，其中于2008年10月竣工的秦皇島港煤三期防風(fēng)網(wǎng)工程是目前世界上最大的防風(fēng)網(wǎng)工程，每年可直接減少粉塵排放2000多噸[4]。青島科技大學(xué)段振亞等[36]提出了采用防風(fēng)網(wǎng)和攔沙網(wǎng)的組合形式來抑止二次揚(yáng)塵的方法，在此基礎(chǔ)上開發(fā)的防風(fēng)網(wǎng)相繼在某鋼廠 500萬噸球團(tuán)廠料堆場(chǎng)、西柏坡電廠和山東沾化熱電廠堆煤場(chǎng)投入使用。目前，隨著防風(fēng)網(wǎng)防塵技術(shù)的日趨成熟，防風(fēng)網(wǎng)在我國(guó)的工程應(yīng)用范圍正逐漸擴(kuò)大。

4 數(shù)值模擬研究進(jìn)展

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的研究者開始應(yīng)用數(shù)值模擬方法對(duì)防風(fēng)網(wǎng)后流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。而應(yīng)用CFD商業(yè)軟件（如Fluent、CFX）對(duì)防風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬已成為趨勢(shì)[37-39]。

4.1 模擬方法

由于防風(fēng)網(wǎng)后流場(chǎng)表現(xiàn)的是湍流特征，因此其數(shù)值模擬的研究進(jìn)程很大程度上依賴于湍流模擬的研究進(jìn)展。目前針對(duì)湍流的數(shù)值模擬方法主要是非直接數(shù)值模擬法，即設(shè)法對(duì)湍流作某種程度的近似和簡(jiǎn)化處理，而不直接計(jì)算湍流的脈動(dòng)特性[40]。非直接模擬法主要有兩大類：大渦模擬（LES）法和Renolds平均法（也稱RANS方法）。圖1是湍流數(shù)值模擬方法的分類圖[40]。

大渦模擬法基本思想為用瞬時(shí)的N-S方程直接模擬湍流中的大尺度渦，不直接模擬小尺度渦，而小渦對(duì)大渦的影響通過近似的模型來考慮。Maruyama[41]利用LES方法對(duì)防風(fēng)網(wǎng)周圍的湍流特性進(jìn)行了模擬。模擬過程采用亞格子尺度模型使控制方程封閉。由于使用了較粗糙的計(jì)算網(wǎng)格，模擬過程的計(jì)算量與細(xì)網(wǎng)格相比大大減輕，模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合仍較好。

Renolds平均法是目前使用最廣泛的湍流數(shù)值模擬方法，其核心是不直接求解瞬時(shí)的Navier-Stokes方程，而是想法求解時(shí)均化的Renolds方程。

Wilson[42]在1985年利用Renolds應(yīng)力模型對(duì)防風(fēng)網(wǎng)的動(dòng)力學(xué)特性及網(wǎng)周圍的流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該模型對(duì)近網(wǎng)處湍流運(yùn)動(dòng)模擬較準(zhǔn)確，而對(duì)網(wǎng)上空域內(nèi)高速區(qū)及網(wǎng)后回流區(qū)的模擬結(jié)果不夠穩(wěn)定。在2004年的研究中Wilson[43]分析了RANS模型在模擬網(wǎng)后流場(chǎng)較復(fù)雜區(qū)域時(shí)出現(xiàn)的不穩(wěn)定性，認(rèn)為湍流模型的選取對(duì)模擬結(jié)果的影響很大。為此，Santiago等[44]比較了3種不同的k-ε湍流模型（標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNG k-ε、realizable k-ε）對(duì)防風(fēng)網(wǎng)后流場(chǎng)模擬的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：僅考慮平均風(fēng)速的變化時(shí)，3種模型的模擬結(jié)果均與 Bladely和Mulhearn等[45]的試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，standard k-ε模型對(duì)網(wǎng)后回流區(qū)內(nèi)平均風(fēng)速的模擬較理想，而RNG k-ε和realizable k-ε對(duì)網(wǎng)上空域內(nèi)高速區(qū)的模擬較好，但三者的區(qū)別不大。而在對(duì)防風(fēng)網(wǎng)最佳開孔率的模擬研究中，由于考慮了湍流脈動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)RNG k-ε和 realizable k-ε模型的模擬結(jié)果要明顯好于 standard k-ε模型。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)防風(fēng)網(wǎng)數(shù)值模擬應(yīng)用較多的湍流模型為 RNG k-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

由于Renolds平均法避免了直接模擬法計(jì)算量大的問題，且模擬效果較好，因此，目前對(duì)防風(fēng)網(wǎng)的數(shù)值模擬所采用的方法大都為Renolds平均法。

圖1 湍流數(shù)值模擬方法及相應(yīng)的湍流模型

4.2 流場(chǎng)分布

設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)后，來流風(fēng)被分為兩部分：一部分沿著防風(fēng)網(wǎng)的網(wǎng)頁向上流動(dòng)，在防風(fēng)網(wǎng)頂部產(chǎn)生邊界層分離，從而形成湍流剪切層[21]；另一部分由透風(fēng)孔穿過防風(fēng)網(wǎng)，稱為滲流風(fēng)，繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)[46]。由于防風(fēng)網(wǎng)后流場(chǎng)的復(fù)雜性，通過風(fēng)洞試驗(yàn)深入了解防風(fēng)網(wǎng)的空氣動(dòng)力學(xué)特性具有一定的局限性，而數(shù)值模擬則可以更直觀的顯示出網(wǎng)后流體的流動(dòng)特性。

Lee等[47]通過模擬得出了如圖2所示的流線圖，較直觀的顯示出了防風(fēng)網(wǎng)后的流場(chǎng)。其研究還表明，隨著開孔率的減小，滲流風(fēng)相應(yīng)的減少，在網(wǎng)與料堆迎風(fēng)面之間和料堆背風(fēng)面處分別有回流出現(xiàn)，且當(dāng)開孔率為20%時(shí)，由于網(wǎng)后風(fēng)速被大大減小，使得料堆前后表面的壓力值近乎一致。Wang和Takle[48]利用Renolds平均法對(duì)防風(fēng)網(wǎng)前后的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，考察了流場(chǎng)內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)情況。研究發(fā)現(xiàn)：防風(fēng)網(wǎng)開孔率的大小決定了其后流場(chǎng)的分布，當(dāng)開孔率在40%～99%時(shí)，防風(fēng)網(wǎng)后流體為非分離流動(dòng)（unseparated flow），此時(shí)，防風(fēng)網(wǎng)附近流線的彎曲程度隨開孔率的減小而增大，風(fēng)速呈U型分布，網(wǎng)后無速度回流區(qū)出現(xiàn)。流場(chǎng)被防風(fēng)網(wǎng)網(wǎng)分為 3個(gè)區(qū)域：網(wǎng)前風(fēng)速減弱區(qū)、網(wǎng)后風(fēng)速減弱區(qū)和網(wǎng)上部風(fēng)速加速區(qū)。而最大風(fēng)速減弱點(diǎn)在網(wǎng)后（4H，1/3H）（H為網(wǎng)高）處，且高度越大，最大風(fēng)速減弱點(diǎn)越趨近于防風(fēng)網(wǎng)。當(dāng)開孔率在6%～30%時(shí)，流體為分離流動(dòng)（separated flow），此時(shí)，近網(wǎng)處流線彎曲程度較大，網(wǎng)后形成了近似三角形的速度回流區(qū)，使得風(fēng)速呈W型分布，且網(wǎng)后存在兩個(gè)最大風(fēng)速減弱點(diǎn)，分別在網(wǎng)后（1H，0.8H）和（3H，0.2H）處。在對(duì)湍動(dòng)能進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，開孔率為 6%、20%、40%、62%的防風(fēng)網(wǎng)網(wǎng)后均在近地面處存在較弱的湍流區(qū)，而在靠近網(wǎng)高處則存在較強(qiáng)的湍流區(qū)。

圖2 防風(fēng)網(wǎng)的作用機(jī)理

4.3 導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)

來流風(fēng)經(jīng)過常規(guī)防風(fēng)網(wǎng)后，滲流風(fēng)會(huì)直接作用于料堆的迎風(fēng)面，產(chǎn)生對(duì)顆粒較強(qiáng)的作用力，迫使顆粒從料堆表面揚(yáng)起，形成二次起塵。針對(duì)常規(guī)防風(fēng)網(wǎng)的不足，青島科技大學(xué)化學(xué)工程研究所[49-50]研究開發(fā)了一種新型防風(fēng)網(wǎng)，通過導(dǎo)流、整流措施，在常規(guī)平板型防風(fēng)網(wǎng)網(wǎng)孔上增設(shè)導(dǎo)流翅片，使來流風(fēng)在導(dǎo)流翅片的作用下沿料堆向上爬升，減小風(fēng)直接沖擊料堆迎風(fēng)面的作用力，從而進(jìn)一步改善防風(fēng)網(wǎng)的防風(fēng)抑塵效果。新型防風(fēng)網(wǎng)模型如圖3所示，采用長(zhǎng)孔或橢圓孔，網(wǎng)孔的一側(cè)被沖壓成翻邊導(dǎo)流翅片，且翅片與防風(fēng)網(wǎng)平面呈一定角度，因而對(duì)來流風(fēng)起到導(dǎo)流作用。

作者課題組[51]應(yīng)用CFD模擬軟件Fluent 6.2分別對(duì)常規(guī)平板型防風(fēng)網(wǎng)與新型防風(fēng)網(wǎng)后的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域設(shè)置為長(zhǎng)2000 mm，寬600 mm，高600 mm的長(zhǎng)方體空間；防風(fēng)網(wǎng)厚2 mm，高度H=100 mm，寬度為600 mm，開孔排布近似為菱形分布，開孔率為 38.5%，防風(fēng)網(wǎng)后設(shè)置三角形料堆，其高度為75 mm，網(wǎng)堆距為160 mm。利用網(wǎng)格生成軟件Gambit對(duì)模型進(jìn)行前處理，生成的網(wǎng)格如圖4、圖5所示。

圖3 導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 防風(fēng)網(wǎng)流場(chǎng)模擬的網(wǎng)格劃分

圖5 導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)附近局部網(wǎng)格

圖6 常規(guī)型防風(fēng)網(wǎng)后流場(chǎng)速度矢量圖

圖7 導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)后流場(chǎng)速度矢量圖

模擬采用Renold時(shí)均方法，利用standard k-ε湍流模型使方程組封閉。圖6、圖7為防風(fēng)網(wǎng)后流場(chǎng)速度矢量圖?？擅黠@看出：導(dǎo)流板具有良好的導(dǎo)向作用。與常規(guī)防風(fēng)網(wǎng)比較，導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)后料堆表面速度較小，滲流風(fēng)速減小40%左右；頂部附近風(fēng)速減小19%，壓力波動(dòng)最大可減小60%；湍流強(qiáng)度變化較小，防風(fēng)抑塵效果好。

5 結(jié) 語

防風(fēng)網(wǎng)作為一種能控制起塵和擴(kuò)散的有效手段，目的是減小其下風(fēng)向的風(fēng)速。目前對(duì)防風(fēng)網(wǎng)防風(fēng)抑塵效果影響因素的考察主要集中在開孔率、網(wǎng)高、網(wǎng)與料堆的距離等方面；開孔率是影響防風(fēng)網(wǎng)作用的關(guān)鍵因素，但國(guó)內(nèi)外對(duì)開孔率的研究得出的結(jié)果并不一致，一般認(rèn)為，最佳開孔率均在20%～50%；網(wǎng)高是影響防風(fēng)網(wǎng)庇護(hù)范圍的重要因素，隨網(wǎng)高的增加防風(fēng)網(wǎng)的庇護(hù)范圍增大，但持續(xù)增大網(wǎng)的高度并不能持續(xù)擴(kuò)大庇護(hù)范圍；與開孔率和網(wǎng)高相比，網(wǎng)與料堆距離的影響并不顯著，但在網(wǎng)后2～3倍料堆高度的范圍內(nèi)庇護(hù)作用最好。

目前研究者們對(duì)防風(fēng)網(wǎng)的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，研究方向主要集中在防風(fēng)網(wǎng)防風(fēng)抑塵方面，如防風(fēng)網(wǎng)形式、防風(fēng)網(wǎng)布置、防風(fēng)網(wǎng)防風(fēng)抑塵性能的影響因素等方面[52-56]。防風(fēng)網(wǎng)抑塵技術(shù)逐漸成熟，其工程應(yīng)用已越來越廣泛。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用CFD軟件對(duì)防風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行模擬已成為研究熱點(diǎn)，其研究結(jié)果對(duì)人們深入認(rèn)識(shí)防風(fēng)網(wǎng)并指導(dǎo)裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化意義重大。但這些研究大多集中在流體動(dòng)力學(xué)方面，關(guān)于防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究[57]和承載安全度分析方法以及新型防風(fēng)網(wǎng)的開發(fā)等的研究報(bào)道還較少，應(yīng)是今后研究的重點(diǎn)。此外，在理論上應(yīng)建立更確切的流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型、網(wǎng)后揚(yáng)塵量的計(jì)算模型以及顆粒揚(yáng)塵的判據(jù)以對(duì)防風(fēng)網(wǎng)的抑塵機(jī)理進(jìn)行更深入的研究。

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Progress of porous fence

SUN Changfeng，CHEN Guanghui，F(xiàn)AN Junling，LI Jianlong
（Department of Chemical Engineering，Qingdao University of Science and Teconology，Qingdao 266042，Shandong，China）

X 513

A

1000–6613（2011）04–0871–07

2010-12-08；修改稿日期：2011-01-16。

孫昌峰（1985—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：李建隆，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事多相流體流動(dòng)與分離。E-mail ljlong@qust.edu .cn。