地面煤場防風抑塵網(wǎng)抑塵效果研究

龍 軍，李錄會，李永金

（1.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設計研究院，四川 成都 610045； 2.四川蜀能礦山開發(fā)技術(shù)咨詢有限公司，四川 成都 610045）

煤場采煤區(qū)作為一種露天開放式的開采或者存放料堆的場所，該場所在受到風的影響下，形成嚴重的顆粒揚塵，對于大氣環(huán)境造成嚴重污染[1]。顆粒揚塵共分為靜態(tài)起塵以及動態(tài)起塵，兩者發(fā)生原因存在明顯差異，場所的風速和開采以及存放料堆的含水率是前者的主要影響因素[2]，作業(yè)方式、強度等是后者的主要影響因素。防風抑塵網(wǎng)則是用于該現(xiàn)象處理的一種有效的先進手段，主要包含3個部分，分別為基礎部分、支撐部分以及擋風板，前者為獨立狀態(tài)，中間者屬于鋼結(jié)構(gòu)；其可有效控制揚塵的風力[3]，使流風的動能最大限度減弱，可降低其揚塵能力，綜合防風抑塵率不低于80%。該墻體的設計需依據(jù)煤場采煤區(qū)的實際環(huán)境情況，以空氣動力學原理為依據(jù)，結(jié)合風洞實驗結(jié)果完成，并且該墻的幾何形狀、開孔率、孔的形態(tài)均依據(jù)實際情況設計。防風抑塵網(wǎng)目前已經(jīng)在多個揚塵污染治理領域使用[4]，例如，港口碼頭、煤場、料場、鋼鐵等。概率估計是依據(jù)數(shù)值的統(tǒng)計和求解，獲取的估計量結(jié)果。為分析防風抑塵網(wǎng)在煤場采煤區(qū)的實際應用效果，許棟等[5]基于PM-IBM模型，分析其在堆場揚塵中的應用效果，韓媛雯等[6]基于DEMATEL-ANP方法分析其揚塵治理效果，上述方法在效果分析過程中，是依據(jù)不同情況下的模擬以及關鍵因素權(quán)重計算完成，但是由于模擬過程中力學參數(shù)設定困難，模型構(gòu)建效率較低，并且關鍵因素之間存在相互關聯(lián)影響，導致最終分析結(jié)果存在一定的不可掌控性以及誤差。本文采用數(shù)值模擬方式構(gòu)建數(shù)學模型，通過模型分析不同孔隙率下，煤場采煤區(qū)防風抑塵網(wǎng)的抑塵效果。

1 模型構(gòu)建

1.1 煤場采煤區(qū)防風抑塵網(wǎng)幾何模型

料堆模型采用三維棱臺表示，其長度為155、115 m，分別對應下表面和上表面；2個表面的寬度分別為52、11 m，料堆高度為18 m。抑塵網(wǎng)的部署位置在料堆前[7]，其高度和長度均是料堆高度的1倍。結(jié)合相關研究得出，當前者高度高于料堆1.5倍時，抑塵效果沒有發(fā)生變化，在高度低于1.5倍、高于1倍的情況下抑塵效果顯著，基于此，擇取中間數(shù)值即1.25倍的料堆高度，即22.5 m。分析結(jié)果的可靠性與計算范圍的確定存在直接關聯(lián)，范圍過大，則會導致模型的計算量明顯增加，計算效率較低[8]；范圍過小則會對空氣的流動造成直接影響，導致模型的計算精度受到直接影響。經(jīng)過研究測試，計算范圍的長寬高的尺寸分為料堆長寬高的6倍、7倍以及5倍，即分別為930、310、90 m，且為長方體空間，x、y、z分別為料堆寬、高、長3個方向，在計算范圍內(nèi)側(cè)建立原點，幾何模型如圖1所示。

圖1 煤場采煤區(qū)防風抑塵幾何模型Fig.1 Geometric model of wind and dust prevention in coal mining area of coal yard

1.2 數(shù)學模型

1.2.1 防塵控制方程

完成計算區(qū)域的確定后，完成數(shù)學物理模型的構(gòu)建。堆料附近的空氣成流體，且不能夠壓縮[9]，呈穩(wěn)態(tài)絕熱性流動。所有的流動需符合2種守恒基礎定律以及2種方程，分別為質(zhì)量和動量、附加湍動能和耗散率。防塵控制方程組由質(zhì)量和動量2種守恒方程組成[10-11]，其公式分別為：

（1）

（2）

式中，ρ為空氣密度；x、y、z為方向；u、v、w為其各自方向上的速度；ui、uj為速度分量，前者對應i方向，后者對應j方向；xi，xj分別對應x、y方向；μ為黏性系數(shù)；δij為張量，屬于克羅內(nèi)克爾；Cμ為常數(shù)；Si為源項。

當Si的值處于抑塵網(wǎng)區(qū)域外時為0，位于區(qū)域內(nèi)時，其可用于完成多孔介質(zhì)作用的模擬[12-13]。Si由2部分損失組成，分別為黏性和慣性，則：

（3）

（4）

式中，α為多孔介質(zhì)滲透系數(shù)；C2為慣性阻力因子；Ap、Af為總面積，前者對應孔，后者對應板；t為抑塵網(wǎng)厚度。

模擬三維流場，通過標準方程k-ε完成，兩者方程分別為：

（5）

（6）

（7）

1.2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件設定

防風抑塵網(wǎng)為跳躍模型（Porous-Jump），且為多孔介質(zhì)，為分析料堆表面微觀特性，采用Fluent6.3軟件模擬抑塵網(wǎng)和其料堆附近流場數(shù)值，在模擬過程中，將動量方程作為動量損失源項，并確定網(wǎng)格數(shù)量。用速度入口描述入口邊界，該處風速為5 m/s，其梯度為零，為法向方向，屬于出口截面[14]；自由壓力出口用出口邊界描述，表面和地面通過壁面表示，且不存在滑移，前者屬于料堆；表示對稱邊界用求解結(jié)果表示，且為域前后以及上表面[15-16]。采用格式和半隱式方法，分別對應二階迎風、壓力耦合，描述多個參數(shù)、壓力、速度耦合項的處理過程，其中參數(shù)包含動量、湍流動能、耗散項；收斂誤差為0.000 05。

開放性的煤場中，流動特性和剪切力是采煤區(qū)的散塵特性決定采煤區(qū)散塵水平[17-18]，且前兩者分別對應近壁邊界層和壁面。將不為0的Si，設為多孔介質(zhì)跳躍模型的邊界條件，且依據(jù)孔隙率完成，并屬于式（2）。由于在實行數(shù)值模擬過程中，采煤區(qū)物體的所有形狀信息無法全部采集[19-20]，為衡量模擬結(jié)果的準確性，采用壓力損失系數(shù)作為衡量標準，其公式為：

（8）

式中，p、p0均為壓力，分別對應料堆表面和參考；vin為風速，屬于來流。

2 結(jié)果分析

2.1 模型網(wǎng)格數(shù)量確定

為保證模型獲取的數(shù)值結(jié)果的精確，分析模型在料堆附近的流場特點，得到數(shù)值模擬計算流場速度矢量如圖2所示。

圖2 防風抑塵網(wǎng)與料堆間的流場速度矢量Fig.2 Velocity vector of the flow field between the wind-proof and dust-suppressing net and the stockpile

由圖2可知，來流風通過防風抑塵網(wǎng)后會形成繞流和滲流2種形式，在料堆頂部出現(xiàn)明顯的邊界層分離現(xiàn)象，繞流風在繞過防風抑塵網(wǎng)后沿著料堆迎風面加速向上流動，在防風網(wǎng)及料堆的上空形成高速區(qū)，部分繞流風下沉至背風面形成速度回流區(qū)，從而避免對料堆的破壞，起到防風抑塵的效果。

在圖2的基礎上，再以迎風面剪切力結(jié)果作為宏觀衡量標準，以此確定模型網(wǎng)格數(shù)量，結(jié)果如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格數(shù)量分析結(jié)果Fig.3 Analysis results of model grid number

依據(jù)圖3結(jié)果可知，迎風面剪切應力隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，逐漸提升，當網(wǎng)格數(shù)量達到12.5萬個左右時，剪切應力達到最大，并且當數(shù)量超過18萬個左右以后，剪切應力趨于平穩(wěn)。因此，為保證模型數(shù)值計算的平穩(wěn)性，網(wǎng)格數(shù)量為超過18萬個較佳，結(jié)合剪切力的平穩(wěn)趨勢，確定網(wǎng)格數(shù)量為20萬個。

2.2 均勻孔隙率下的微觀動力學結(jié)果

通過模型模擬均勻孔隙率分別為0.15、0.30、0.45、0.60、0.75、0.90時，抑塵網(wǎng)后面空氣流場的數(shù)值結(jié)果，沿坡面向上方向為正向，統(tǒng)計料堆表面受力情況，該受力結(jié)果通過迎風剪切力表示，見表1。

表1 不同孔隙率下的迎風面剪切力結(jié)果Tab.1 Windward shear stress results under different porosity

由表1可知，以整個迎風坡面為參照，均勻孔隙率為0.9時，迎風剪切力值最高，均為正值；隨著迎風坡面高度增加，剪切力隨之增加，達到坡頂位置，即22.5 m處剪切力最高，表示最大散塵點位于坡頂位置；隨著孔隙率降低，迎面剪切力隨之呈現(xiàn)下降趨勢；當均勻孔隙率下降至0.60時，剪切應力結(jié)果明顯低于孔隙率為0.90時的剪切力結(jié)果，當迎面坡度達到22.5 m時，剪切力顯著趨勢，達到42.21 N；隨著孔隙率的繼續(xù)減小，剪切力依舊隨之減小，當均勻孔隙率降為0.45時，迎風面剪切力在坡面高度低于15 m以前剪切力結(jié)果均低于10 N，高度超過19.5 m以后，剪切力顯著上升，達到18 N以上，在坡度達到22.5 m時，剪切力結(jié)果高于23 N。該現(xiàn)象是由于滲流和繞流2種空氣，在經(jīng)過抑塵網(wǎng)后匯集在坡頂，在料堆周圍形成繞流氣流，風速以及剪切力梯度均發(fā)生提升，導致?lián)P塵情況越加嚴重，表示孔隙率越低，抑塵網(wǎng)的抑塵防風效果越佳。與沒有抑塵網(wǎng)工況相比，降低剪切力的大小，是孔隙率較高的抑塵網(wǎng)的主要作用，并且剪切方向不發(fā)生改變，同時，其對料堆中部和下部的抑塵效果顯著。當孔隙率為0.30時，料堆坡面高度在低于7.5 m時，剪切力為0，隨著高度逐漸增加，剪切力發(fā)生較小的降低，呈現(xiàn)負值；隨著坡面高度增加，剪切力呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，當坡面高度達到18 m，剪切力為正值，并逐漸增加；孔隙率為0.15時的剪切力變化與0.30時的結(jié)果相似，迎風剪切力值呈現(xiàn)降低、增加的波動變化，并且存在負值，該現(xiàn)象是由于孔隙率較低時，經(jīng)過抑塵網(wǎng)的空氣以繞流為主，導致抑塵網(wǎng)后和網(wǎng)頂2個位置的壓力呈現(xiàn)差異化，前者為急劇下降，后者為增強，抑塵網(wǎng)和料堆面兩者之間在壓力差距的作用下，且方向為垂直，形成漩渦，且為順時針狀態(tài)。

綜合圖3的分析結(jié)果得出，抑塵網(wǎng)在不同的孔隙率下，起到的抑塵效果存在差異，即抑塵作用的位置存在差異，當孔隙率較高，即大于0.60時，料堆中下部分抑塵效果顯著；當孔隙率較低，即低于0.45時，抑塵網(wǎng)和料堆之間產(chǎn)生漩渦，在該作用下，位于料堆中下位置的氣流受到擾動，即高度在9.0～15 m內(nèi)，剪切力逐漸降低，可使抑塵作用增強。

為進一步分析均勻孔隙率下抑塵網(wǎng)的抑塵效果，獲取抑塵網(wǎng)不同的孔隙率下，料堆背面以及平頂面的剪切力變化結(jié)果，見表2、表3。

表2 料堆背面的剪切力變化結(jié)果Tab.2 Change results of shear force on the back of stockpile

分析表2結(jié)果可知，當孔隙率低于0.45時，隨著料堆高度的增加，其背面的剪切力變化較為一致，均呈現(xiàn)先緩慢上升后下降趨勢，并且在高度為21 m以內(nèi)時，3種孔隙率下的剪切力值較為接近，差距較小；當達到頂面后，剪切力之間發(fā)生顯著差距；當孔隙率高于0.60以后，剪切力均逐漸增加；但是在相同料堆高度下，孔隙率越高，剪切力越大，相互之間的差距均不大。該結(jié)果與迎風面結(jié)果呈現(xiàn)明顯差距，因此，該結(jié)果可體現(xiàn)背風面對于剪切力的影響低于迎風面剪切力的影響。

分析表3結(jié)果可知，在不同的頂面寬度下，6種孔隙率取值呈現(xiàn)差異性變化。取值為0.15、0.30、0.45時，三者的波動變化相同，相對平穩(wěn)，均在較小的范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動變化，且變化較小，波動幅度較小；當孔隙率超過0.45，分別為0.60、0.75、0.90時，三者的剪切力隨著頂面寬度的增加，均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，當頂面寬度達到8 m時，三者的剪切力下降趨勢明顯。當寬度達到9 m以上后，3種孔隙率下的剪切力處于平穩(wěn)，變化極小。上述的分析結(jié)果是由于當孔隙率較低時，2種流向的方向相同，分別為來流風速與貼附流，且后者為貼附流，該兩者是隨著頂面寬度的增加而減小，并且，前半部分接近迎風面，會在壓力的影響下，產(chǎn)生顯著的變化，后半部分壓力平穩(wěn)，使后半部分的波動平穩(wěn)。

2.3 非均勻孔隙率下的微觀動力學結(jié)果

將抑塵網(wǎng)實行上下2部分劃分，對2部分的孔隙率分別實行設定，上部分的孔隙率均為0.30以下，下部孔隙率為0.75以上，獲取該情況下的料堆表面剪切力結(jié)果，并將該結(jié)果與均勻空隙為0.15和0.45的結(jié)果實行對比，如圖4所示。且結(jié)果共分為3部分，分別為料堆的迎風面、平頂面和背風面，其中以平頂面中心作為中心點，迎風面位于中心點左側(cè)，因此，其位置用負值表示，背風面位于中心點右側(cè)，其位置用正值表示。

圖4 不同孔隙率下的料堆表面剪切力結(jié)果Fig.4 Results of pile surface shear stress under different porosity

分析圖4結(jié)果可知，料堆的迎風面，隨著坡面高度的增加，3種孔隙率下的剪切力呈現(xiàn)差異性變化，非均勻孔隙率下的剪切應力呈現(xiàn)小幅度上升后下降有上升的變化趨勢，2種均勻孔隙率下的剪切力分別呈現(xiàn)上升、平穩(wěn)上升和下降后上升2種變化趨勢，并且除坡面起始位置時，非均勻孔隙率的剪切力高于均勻孔隙率的剪切力以外，其一直處于2種均勻孔隙率剪切力之間。均勻孔隙率為0.45時的剪切力變化結(jié)果使料堆中部以上位置的剪切力梯度顯著提升；非均勻孔隙率下的剪切力則在坡面高度位置在-30 m開始，呈現(xiàn)明顯下降趨勢，其滿足孔隙率較低時可降低迎風面上部位置的剪切力效果，并且其變化趨勢與均勻孔隙率為0.15時相似。并且，料堆的平頂面結(jié)果中，兩者的剪切力依舊尤為接近，且均勻孔隙率為0.45時，剪切力在料堆中部位置剪切力顯著下降，剪切力較小，且頂面剪切力最大。除此之外，料堆背風面的剪切力變化趨勢一致?；谏鲜鼋Y(jié)果，最終統(tǒng)計不同類別孔隙率下，料堆每個表面的剪切力結(jié)果，見表4。

表4 每個面的剪切力結(jié)果Tab.4 Shear force results of each face N

依據(jù)表4結(jié)果，最終確定非均勻孔隙率的防塵網(wǎng)抑風防塵效果最佳，其在每個面的剪切力結(jié)果均小于均勻孔隙率的剪切力。因此，煤場采煤區(qū)抑塵網(wǎng)在非均勻孔隙率下，可實現(xiàn)良好的抑塵效果，也間接表明，為保證該場所的最佳抑塵效果，可結(jié)合實際情況，設計防塵網(wǎng)的非均勻孔隙率大小。

4 結(jié)語

煤場采煤區(qū)是造成空氣污染的典型場所，其大量的顆粒揚塵，對于環(huán)境和人們身體健康造成較大影響，抑塵網(wǎng)是該類場所主要運用的一種防風抑塵手段，為準確分析其準確的抑塵效果，從概率估計的角度出發(fā)，通過孔隙率這個概率值，分析煤場采煤區(qū)防風抑塵網(wǎng)抑塵效果。通過構(gòu)建孔隙率控制方程，估計在不同類型、不同取值的孔隙率下，抑塵網(wǎng)的抑塵效果。估計結(jié)果顯示，抑塵網(wǎng)在煤礦采煤區(qū)的抑塵效果良好，并且抑塵網(wǎng)在非均勻孔隙率下抑塵效果優(yōu)于均勻孔隙率下的抑塵效果，可有效降低煤場采煤區(qū)顆粒揚塵，降低空氣污染。