關(guān)于散貨堆場防風網(wǎng)研究進展

趙　杰　姬亞芹　李樹立　趙靜波　張　靜　吳建會　萬建華

(1.南開大學環(huán)境科學與工程學院，天津　300071；

2.國家環(huán)境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室，天津　300071；

3.天津港環(huán)保衛(wèi)生管理中心，天津　300456)

關(guān)于散貨堆場防風網(wǎng)研究進展

趙杰1，2姬亞芹1，2李樹立1，2趙靜波1，2張靜1，2吳建會1，2萬建華3

(1.南開大學環(huán)境科學與工程學院，天津300071；

2.國家環(huán)境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室，天津300071；

3.天津港環(huán)保衛(wèi)生管理中心，天津300456)

【摘要】散貨物料風蝕不僅造成經(jīng)濟損失，還嚴重影響堆場周圍環(huán)境空氣質(zhì)量。目前堆場常采用濕法、干法等抑塵方法，其中防風網(wǎng)抑塵法使用居多，其抑塵效果較好且具有一次投資長期受益的特點。然而防風網(wǎng)形狀、開孔率、開孔孔徑、防風網(wǎng)高度、堆垛距等影響防風網(wǎng)抑塵效果。本文從以上幾個方面進行了分析，最終給出了較適宜的防風網(wǎng)設(shè)計參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】防風網(wǎng)；開孔率；防風網(wǎng)形狀；防風網(wǎng)高度

中圖分類號：X21

文獻標識碼：碼：A

文章編號：號：1673-288X(2015)03-0084-05

Abstract：Wind erosion of the bulk materials not only brings economic losses，but also affects air quality around the yard. At present，wet，dry and other dust suppression methods were used on the bulk yard. And porous fence are used most widely，its benefits include the high effect of dust suppression and the characteristic of an investment in long-term benefit. However，there are many factors have a great influence on the effect of the dust suppression，such as the shape of porous fence，porosity，the diameter of the holes，the height of porous fence，the distance between porous fence and stacking and so on. This paper analyzed the above aspects，and ultimately gave some appropriate design parameters of porous fence.

Keywords：porous fence；porosity；the shape of porous fence；the height of porous fence

作者簡介：項目資助：江西省環(huán)境保護廳科技計劃項目(JXHBKJ2012-12)史曉燕，副研究員，主要從事環(huán)境保護科學領(lǐng)域研究

通訊作者：劉足根，副研究員，主要從事生態(tài)學領(lǐng)域研究

上海港、深圳港、寧波港、舟山港、廣州港、天津港等港口承擔著大量散貨物料的裝卸、存儲與運輸，為我國帶來了巨大的經(jīng)濟效益。但是堆放在港口的散貨物料顆粒會隨著大氣擴散，不僅造成不必要的經(jīng)濟損失，而且對港口周圍環(huán)境造成嚴重的污染，對生活在港口周邊的居民以及港口工作人員的身體健康構(gòu)成威脅。為防止堆場散貨物料顆粒的擴散，國內(nèi)外采取的措施主要有濕法、干法、干濕結(jié)合和其他機械物理方法等。防風網(wǎng)的抑塵效果和適用性遠高于其它一些傳統(tǒng)的抑塵措施，此外防風網(wǎng)具有一次投資長期受益和維修管理費用低等特點，對于我國港口、電廠和鋼廠等的露天堆料場的二次揚塵治理具有較強的針對性。在北方的煤炭港口，淡水緊張，冬季冰凍時間長，防風網(wǎng)的采用可以非常有效的改變煤塵風蝕污染狀況，在灑水抑塵受控情況下防風網(wǎng)已成為改善煤粉風蝕污染最為有效的措施。

因此對于露天堆料場粉塵防治問題，防風網(wǎng)抑塵工程技術(shù)是比較有效的，從安全、經(jīng)濟、適用原則等方面綜合考慮可行的一項技術(shù)措施，是適合我國國情的二次揚塵防治技術(shù)與裝置[1]。防風網(wǎng)的設(shè)計和選擇將直接影響防風效果和成本。因此，高效抑塵且經(jīng)濟實惠的防風網(wǎng)是未來的發(fā)展方向。

1研究方法

2防風網(wǎng)防塵機理

防風網(wǎng)抑塵機理與散貨堆場起塵、粉塵漂移、擴散、沉降機理本質(zhì)上有直接關(guān)系，其主要抑塵機理是防風網(wǎng)能控制改善堆場區(qū)的風流場，減小堆場區(qū)的風速、減小堆場區(qū)風流場的紊流度。強風經(jīng)過防風網(wǎng)后，僅部分來流風透過防風網(wǎng)，其機械能衰減并變?yōu)榈退亠L流，與此同時，這部分風在網(wǎng)前的大尺度、高強度漩渦被衰減、梳理成小尺度、弱強度漩渦。防風網(wǎng)后這部分低速、弱紊流風流掠過散貨表面，形成低風速梯度、低風速旋度，弱渦量和弱紊流度的堆場區(qū)流場，能夠較好的抑制散貨堆場的起塵量。

當采用實體墻來防風時，即墻體開孔率為零，來流風繞流通過實體墻在堆垛上風向和下風向區(qū)域形成低壓區(qū)，如圖1所示，Pa>Pb，Pc>Pd，這樣就會在A、B區(qū)形成低壓區(qū)，風向向下偏轉(zhuǎn)，在堆料的后方B區(qū)形成渦流區(qū)，渦流經(jīng)過堆垛表面時就會卷起部分堆料進而引起堆垛起塵。當采用具有一定開孔率的防風網(wǎng)時，如圖2所示，來流風流經(jīng)防風網(wǎng)，由于防風網(wǎng)的阻礙作用，一部分氣流向上抬升形成網(wǎng)頂部繞流風，且風速較大，通過網(wǎng)的部分形成湍流風，由于能量轉(zhuǎn)換，上部高速繞流風帶走了大部分風能，使網(wǎng)后形成低速區(qū)V1>V2；另一部分風通過防風網(wǎng)進入庇護區(qū)，但由于網(wǎng)后風速較低，在網(wǎng)后一定距離降落[4]。

圖1　實體墻防風示意圖

圖2　防風網(wǎng)的抑塵示意圖

3防風網(wǎng)最佳參數(shù)的確定

影響防風網(wǎng)抑塵效果的因素主要有防風網(wǎng)形狀、網(wǎng)高、網(wǎng)堆距等。只有確定防風網(wǎng)的開孔率、網(wǎng)堆距等的最佳取值以及最佳開孔形狀等，才能提高防風網(wǎng)性能，使防風網(wǎng)的抑塵效果達到最大，降低經(jīng)濟投入，從而實現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟的雙贏。

3.1　防風網(wǎng)形狀

按照防風網(wǎng)形狀可將其分為平面型防風網(wǎng)和非平面型防風網(wǎng)兩類，非平面型防風網(wǎng)的截面型式的改變可引起網(wǎng)后流場結(jié)構(gòu)的變化，進而影響防風網(wǎng)的抑塵效果[4]。目前市場上銷售的防風網(wǎng)主要是蝶型防風網(wǎng)，按照其成峰個數(shù)的不同可將其分為單峰型、雙峰型、三峰型三種類型。陳廷國[5]通過CFD數(shù)值模擬仿真軟件Fluent，采用k-ωSST模型對開孔率為0%和商用最廣的33%、40%的蝶型和平板型防風網(wǎng)進行3D實體數(shù)值模擬仿真。結(jié)果表明在相同開孔率下，蝶型網(wǎng)遮蔽效果優(yōu)于平板型防風網(wǎng)，這主要由于蝶型網(wǎng)凹凸錯落的截面形式，增強了風與網(wǎng)之間的相互作用，增強了對來流風的漩渦耗能作用。李宏劍[6]對不同設(shè)計參數(shù)的單層蝶型擋風板、夾層擋風板、圓型截面擋風板進行了研究，認為單層蝶型擋風板在折角為45°、凸出的平面長度為200mm時擋風效果最佳；夾層擋風板的擋風效果接近單層擋風板；圓型截面擋風板的擋風效果接近相似截面形狀的蝶型擋風板。之所以把防風網(wǎng)設(shè)計成蝶型是為了使來流風通過網(wǎng)板后，使原來的層流風改變方向變?yōu)橥牧黠L，改變層流風的運動方向，使其相互碰撞，大幅度消耗來流風的動能，從而降低風速；而且將防風網(wǎng)設(shè)置成蝶型，能夠使其在風荷載作用下，強度和剛度提升，避免因風載作用而產(chǎn)生繞曲破壞[7]。

常用防風網(wǎng)還有波浪型[8]、V字型等。日本采用下部為百葉窗式上部為網(wǎng)狀的復(fù)合式型防風網(wǎng)被風洞試驗證明具有較好的抑塵效果[9]。我國目前對于這種復(fù)合式防風網(wǎng)研究較少，大多都采用單一形狀的防風網(wǎng)，今后應(yīng)注重復(fù)合式防風網(wǎng)的研究。例如，可將防風網(wǎng)設(shè)置為下部為蝶型上部為凸向堆垛的百葉窗形狀，這種上部設(shè)計為凸向堆垛的防風網(wǎng)從理論上可以使本應(yīng)通過防風網(wǎng)上部的高速繞流風在防風網(wǎng)上部產(chǎn)生漩渦，降低風速，從而提高防風網(wǎng)的抑塵效果。

3.2　防風網(wǎng)開孔率

開孔率是指防風網(wǎng)開孔面積和其總面積之比，是影響防風網(wǎng)抑塵效果的主要因素之一。韓桂波[10]利用計算流體力學(CFD)的方法對開孔率分別為0%、25%、30%、40%、45%、50%、55%、60%的9種蝶型板的防護效果進行了數(shù)值模擬計算。結(jié)果表明，開孔率為45%的蝶型網(wǎng)防護效果最好，開孔率在0%～45%時，防護效果隨著開孔率的增加而增強；開孔率在45%～60%時，防護效果隨著開孔率的增加而減弱。陳凱華[11]利用流體力學軟件Fluent對開孔率為0%、10%、20%、30%、40%的擋風抑塵墻進行了數(shù)值模擬，得出較適宜的開孔率為20%～30%。其認為當擋風抑塵墻開孔率為0%時，墻體的質(zhì)量通量為0，氣流會繞過墻體運動，在下風向方向會形成一個渦流區(qū)域，產(chǎn)生的漩渦極易對堆垛表面物料產(chǎn)生卷吸作用；隨著開孔率增大，墻體質(zhì)量通量也隨之增大，這個漩渦會逐漸縮小和后移，當開孔率達到30%時，這個漩渦移到了料堆的錐頂，并達到最小；墻體開孔率繼續(xù)增加，這個漩渦會脫離堆垛表面形成一個自由渦，但是隨著墻體質(zhì)量通量的進一步增大，堆垛表面的切向速度也會進一步增大，使得擋風抑塵墻的抑塵效果減弱。此外，陳廷國[5]認為40%開孔率的蝶型網(wǎng)遮蔽效果更好，且遮蔽范圍更廣，遮蔽效果優(yōu)于其它類型的防風網(wǎng)。曹獻青[7]利用風洞試驗對開孔率0%到開孔率為100%的防風網(wǎng)抑塵效果進行了連續(xù)的測試，結(jié)果表明防風網(wǎng)的開孔在25%～35%之間，其抑塵效果較好。不同學者采用不同方法研究了開孔率對防風網(wǎng)抑塵效果的影響，見表1。綜上所述，防風網(wǎng)較適的開孔率應(yīng)在20%～45%之間。

3.3　防風網(wǎng)開孔形狀

防風網(wǎng)開孔形狀主要有菱形、矩形與圓形等，目前防風網(wǎng)開孔形狀圓形較多。董紀鵬[19]利用Fluent軟件對開孔率為40%的圓形、方形、梯形三種不同開孔形狀的防風網(wǎng)進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明圓形開孔防風網(wǎng)后尾流區(qū)內(nèi)低速流體流過的區(qū)域最大，即圓形開孔具有最好的擋風效果，方形次之，梯形開孔網(wǎng)最差。目前，關(guān)于防風網(wǎng)開孔形狀也有一些比較新穎的形式，如陳光輝[20]提出導(dǎo)流板型防風網(wǎng)，這種防風網(wǎng)采用長方形開孔，但其在沖孔時只沖開三邊，一邊仍與防風網(wǎng)相連，將三邊沖開一邊相連的部分翹起，與防風網(wǎng)平面呈一定角度，使其具有導(dǎo)流作用，這樣就可使來流風在導(dǎo)流板的作用下產(chǎn)生沿料堆向上爬升的流速場，減少其直接沖擊料堆表面的作用力，進一步提高防風網(wǎng)的擋風抑塵效果。

表1　防風網(wǎng)開孔率對抑塵效果的影響

3.4　防風網(wǎng)開孔孔徑

防風網(wǎng)開孔孔徑的大小對防風網(wǎng)抑塵效果具有一定的影響。當孔徑較小時，對來流風的阻塞作用增大，呈現(xiàn)出和較低開孔率的甚至實體防風網(wǎng)相似的抑塵效果；孔徑過大時，盡管尾流區(qū)的平均速度下降明顯，但是湍流作用也較大[2]。Hyoung-BumKim[21]對38.5%相同開孔率的三種不同開孔孔徑1.4mm、2.1mm、2.8mm的防風網(wǎng)進行了實驗研究，結(jié)果表明孔徑為1.4mm的防風網(wǎng)能夠減小流向速度分量增加垂直速度分量，并且在防風網(wǎng)頂端的剪切層有最大的湍流強度。石文梅[18]的研究認為最佳開孔孔徑隨著風速的變化而不同，其在3m/s、5m/s、7.5m/s、10m/s四種不同風速下對相同開孔率不同開孔孔徑(4mm、6mm、8mm、10mm)的蝶型防風網(wǎng)進行了風洞試驗。結(jié)果表明：風速為3m/s時開孔孔徑為8mm的防風網(wǎng)具有較好的庇護效果；風速為5m/s、7.5m/s時開孔孔徑為4mm的防風網(wǎng)具有較好的庇護效果；風速為10m/s時開孔孔徑為6mm的防風網(wǎng)具有較好的庇護效果?？梢姴煌瑢W者對于防風網(wǎng)最適開孔孔徑的大小的研究有一定的差異，關(guān)于防風網(wǎng)最佳開孔孔徑的還需進一步研究。

3.5　防風網(wǎng)高度

3.6　網(wǎng)堆距

網(wǎng)堆距是防風網(wǎng)抑塵效果的重要影響因素之一。沈熹[9]、邢倩倩[22]等認為網(wǎng)后下風向2～5倍網(wǎng)高的距離內(nèi)防風網(wǎng)抑塵效果最好。王澤濤[23]利用風洞試驗對防風網(wǎng)不同高度、不同水平距離處的風速進行了測量，從而計算該處的風速折減率，結(jié)果表明防風網(wǎng)后的最佳遮蔽區(qū)域并不是在貼近防風網(wǎng)處，而是在距離防風網(wǎng)2～3倍網(wǎng)高處；在距防風網(wǎng)后6倍網(wǎng)高距離范圍內(nèi)，風速折減效果明顯，最大折減率可達80%左右；距防風網(wǎng)20倍網(wǎng)高后遮蔽效果不明顯。故其認為防風網(wǎng)設(shè)計時，防風網(wǎng)應(yīng)布置在距堆垛2倍的網(wǎng)高距離處，網(wǎng)高不應(yīng)小于遮蔽距離的1/20。FerreiraAD[17]等對H、2H、3H、4H(H為堆垛高度)四個不同網(wǎng)堆距開孔率為83%的防風網(wǎng)進行了風洞試驗，通過時間與堆垛體積變形曲線表明網(wǎng)堆距為H時堆垛體積變形最小即有較好的抑塵效果。對于由多個堆垛組成的堆場，堆垛和堆垛之間的距離對抑塵效果也有一定影響，因此對于網(wǎng)堆距具體的設(shè)置還有待進一步研究，可根據(jù)堆場周圍情況因地制宜設(shè)置防風網(wǎng)。

3.7　底部間隙(G)對蝶型防風網(wǎng)后尾流區(qū)內(nèi)庇護效果的影響

在實際防風網(wǎng)的工程建設(shè)中，會有很多限制問題，比如地面不平整等。這些問題將會導(dǎo)致防風網(wǎng)與地面之間形成一個間隙G，由于該間隙的存在將改變防風網(wǎng)后的流場特性。我國目前關(guān)于該間隙的研究較少，石文梅[18]在風速為10m/s時的對開孔孔徑為6mm、開孔率為27.3%的蝶型防風網(wǎng)對七種不同的底部間隙(G)0H、0.025H、0.075H、0.125H、0.15H、0.175H、0.2H(H為防風網(wǎng)高度)進行了風洞實驗，結(jié)果表明底部間隙為0.15H時防風網(wǎng)的庇護效果最好。

除上述所列出的影響防風網(wǎng)抑塵效果的因素外，防風網(wǎng)設(shè)網(wǎng)方式、堆垛規(guī)模形狀等也會對防風網(wǎng)的抑塵效果產(chǎn)生一定的影響。常見的設(shè)網(wǎng)方式有主導(dǎo)風向設(shè)網(wǎng)、“L”型設(shè)網(wǎng)以及四面設(shè)網(wǎng)等，X.C.Cong等[24]對上風向兩面設(shè)網(wǎng)、上風向三面設(shè)網(wǎng)、下風向三面設(shè)網(wǎng)以及四面設(shè)網(wǎng)四種設(shè)網(wǎng)方式進行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明四面設(shè)網(wǎng)方式具有較好的抑塵效果，但四面設(shè)網(wǎng)方式會大大增加企業(yè)的基礎(chǔ)投資，如何尋求防風網(wǎng)設(shè)網(wǎng)方式與經(jīng)濟投資之間的平衡關(guān)系是我們未來研究的方向。此外企業(yè)堆垛形狀大多為錐型，來流風通過防風網(wǎng)后在網(wǎng)后形成漩渦，當漩渦到達堆垛表面時會卷起大量的堆料，錐型料堆頂端最易受到該漩渦的影響，因此可考慮將堆料放置為圓臺形狀。

4防風網(wǎng)支護結(jié)構(gòu)

工程中已有的防風網(wǎng)支護結(jié)構(gòu)有懸臂結(jié)構(gòu)、平面鋼架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。懸臂柱結(jié)構(gòu)屬于純彎曲，材料利用不夠充分，但是懸臂柱結(jié)構(gòu)制作和施工方便、占用場地節(jié)省。鋼架結(jié)構(gòu)在設(shè)置斜撐后，呈現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)的受力特性，只有前柱承受一定的彎曲作用，整個結(jié)構(gòu)以承受軸力為主，因此材料強度充分發(fā)揮，用鋼量大幅度減少。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工工藝復(fù)雜，而防風網(wǎng)支護結(jié)構(gòu)主要承受垂直網(wǎng)長方向的風荷載，并不能發(fā)揮網(wǎng)架的空間受力特性優(yōu)勢，過多的腹桿也使其用鋼量較多，增加施工成本[25]。目前，防風網(wǎng)支護的工程實例中使用平面鋼架結(jié)構(gòu)較多。

5結(jié)論

防風網(wǎng)作為一種有效控制堆場自然起塵手段，主要通過改變來流風的流場，減小來流風風速，降低來流風的動能，從而達到抑塵的目的。防風網(wǎng)開孔率、防風網(wǎng)高度、網(wǎng)堆距等的取值以及防風網(wǎng)開孔形狀都會對其抑塵效果產(chǎn)生很大的影響，為提高其抑塵效果通常采用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬、風洞試驗三種方法來確定防風網(wǎng)參數(shù)的取值以及形狀等。目前，圓型開孔的蝶型防風網(wǎng)使用較多；開孔率對防風網(wǎng)抑塵作用有重要影響，綜合不同文獻其最佳開孔率應(yīng)在20%～45%之間；一般認為防風網(wǎng)高度在堆垛高度1.2～1.5倍之間、網(wǎng)堆距在2～3倍網(wǎng)高之間具有較好的抑塵效果。關(guān)于防風網(wǎng)形狀，開孔大小以及堆垛等相關(guān)設(shè)計還有待于進一步結(jié)合具體工程實況進行研究。

經(jīng)過眾多學者的努力我國對于防風網(wǎng)的研究取得了較大的進步，就研究方法而言實現(xiàn)了從風洞試驗到數(shù)值模擬的跨越，節(jié)省了大量的人力物力資源。利用CFD軟件對防風網(wǎng)進行數(shù)值模擬已成為研究熱點，其結(jié)果對于提高防風網(wǎng)抑塵效果具有重大意義，但需要注意的是不管今后我們使用數(shù)值模擬還是風洞試驗來研究防風網(wǎng)，我們都需要切實的結(jié)合實際情況。此外，大多數(shù)學者僅針對防風網(wǎng)形狀及其相關(guān)參數(shù)的確定進行了研究，但關(guān)于新型防風網(wǎng)的開發(fā)、防風網(wǎng)的抗風設(shè)計、承載安全等的研究較少。綜合考慮防風網(wǎng)參數(shù)的確定、抗風設(shè)計以及實際風速、堆垛布置等問題是今后對于防風網(wǎng)研究的重點。

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ResearchProgressonthePorousFenceintheBulkYard

ZHAOJie1，2JIYaqin1，2LIShuli1，2ZHAOJingbo1，2ZHANGJing1，2WUJianhui1，2WANJianhua3

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，NankaiUniversity，Tianjin300071，China；

2.StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofurbanairparticulatematterpollutionprevention，Tianjin300071；

3.EnvironmentalHealthManagementCenterofTianjinPort，Tianjin，300456)

《環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展》學術(shù)影響因子逼近2.000

位列環(huán)境保護部主管期刊第一名

在全國收錄環(huán)境科學類66種期刊中排位第六名

據(jù)知網(wǎng)2014年12月16日發(fā)布的《中國學術(shù)期刊影響因子年報(自然科學與工程技術(shù)(2014版)》，我刊學術(shù)影響因子顯著大幅度提高。由2011年0.831和2012年1.030，提高到2013年逼近2.000大關(guān)，為1.971，名列環(huán)境保護部主管期刊第一名。在全國收錄環(huán)境科學類66種期刊中排位第6名，其中2012年位列全國第18名，2011年第29名，2010年第33名。

致謝：本文系《2011年江西省環(huán)境保護及相關(guān)產(chǎn)業(yè)基本情況調(diào)查》項目成果，項目實施得到江西省各縣市環(huán)保局調(diào)查組支持，在此表示衷心感謝

引用文獻格式：史曉燕等.江西省環(huán)境保護服務(wù)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2015，40(3)：89-92.