應用于抓斗卸船機的微孔擋風板防塵效果研究

黃嘉韜 趙章焰

武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063

0 引言

擋風板是擋風防塵的主要技術手段，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屏障。設置風障以達到控制局域風環(huán)境是一項多學科交叉的技術，擋風板涉及材料學、空氣動力學、多相流體力學、氣象學、滲透力學等多個學科的知識。

各國研究人員對擋風板的作用及原理進行了系統(tǒng)的研究。我國擋風板防塵技術的研究起步較晚，20 世紀80 年代，我國相關行業(yè)有關單位相繼開展了此類技術的研究[1，2]。很多碼頭在散貨堆場應用擋風板作為防塵主要措施，但尚無應用擋風板在抓斗卸船機卸料過程中進行防塵的案例。目前，擋風板在國外碼頭應用較為普遍，實驗結果證實孔隙率和孔徑雷諾數(shù)決定了風障的屏障作用。在國外，特別是日本采用擋風板對抓斗卸船機卸料除塵的效果顯著，可見擋風板在抓斗卸船機防塵中的應用是完全可行的，故應通過理論、實踐等方法進行進一步研究。

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

通過已有研究分析，可知擋風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，并得出可靠的結論，這對擋風板的實踐應用有重要指導意義。因此，在確定孔隙率的基礎上，重點進行擋風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料斗口擋風板的開孔布置方案，即擋風板合理開孔尺寸與開孔間隙，以使防塵效果達到最佳，并為生產實踐提供理論依據(jù)和指導。

在抓斗卸船機上應用擋風抑塵技術解決粉塵污染問題是一種較新的思路，在抓斗卸船機料斗安裝擋風板，結構簡單、施工方便、投資少、且無需后期維護，故應大力推廣抓斗卸船機擋風板除塵技術的應用。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擋風壁和擋風板（見圖1），通過在料斗周圍建立由穿孔網板結構構成的擋風抑塵板，降低來流的流速和湍流度，快速減少來流的動能，從而降低氣流到達顆粒時速度，來實現(xiàn)擋風抑塵的效果。

1 耦合計算理論基礎

1.1 DEM-CFD 耦合方法的形成

煤炭粉塵的起塵、轉移屬于氣固2 相流動的現(xiàn)象，因而防塵研究應采用氣固2 相流動的理論進行，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)的顆粒假設為顆粒流，氣固2 相流技術便隨之產生[5]。

流動系統(tǒng)由氣固2 相物質所組成，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 相之間的受理關系。目前，對這些力學關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備才能準確測出較小顆粒之間的作用力。隨著計算力學的進步，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)實質上是將自身假設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，不能非常準確表征顆粒級別上的各種屬性，當顆粒密度增大到某一濃度時，多相流模型的計算結果也并不合理。隨著計算機數(shù)值計算方法的發(fā)展，產生了一種能更好地對氣固2 相流系統(tǒng)進行研究的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 技術求解流場，使用DEM 方法計算顆粒系統(tǒng)的運動受力情況，二者以一定的模型進行能量、動量和質量等的傳遞，實現(xiàn)耦合。

運用此方法，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系。

應用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 擋風板防風耦合模擬研究

2.1 幾何模型

當卸船機作業(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，再經振動給料器將物料送至地面帶式輸送機，轉運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起，雖然有噴霧除塵裝置，揚起的粉塵仍會被風吹向大氣中成為污染源，為此研究在料斗口安裝擋風板后的防塵效果，根據(jù)其作業(yè)特點，抓斗要在散貨船和料斗之間往返運動，故料斗口只能三面圍板，如圖3 所示。

圖3 料斗口擋風板幾何模型

針對某卸船機，根據(jù)料斗口空間條件，三面擋風板的幾何尺寸如圖3 所示，其中擋風板1 與擋風板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將粉塵吹向大氣中；擋風板3 與小車軌道垂直，主要用于防止小車軌道方向風將粉塵吹向大氣中。

在前人研究基礎上，對擋風板參數(shù)進行設置，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板進行的試驗研究發(fā)現(xiàn)，當平板開孔率為30%時，擋風效果最佳[6]，故本研究中擋風板孔隙率取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板后風速變化、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板防風效果最佳[7]，本研究中擋風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上，本研究著重分析不同孔徑對擋風板防塵效果的影響，取4 組擋風板進行數(shù)值仿真分析，第1 組擋風板不開孔；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與垂直大車軌道方向風來進行模擬確定合理開孔方案。

2.2 EDEM-CFD 耦合模型建立與求解

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

圖4 擋風板計算模型幾何尺寸

擋風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心區(qū)域和盡量使流動充分發(fā)展的原則，同時綜合擋風板自身的尺寸、邊界條件等因素考慮。

圖5 擋風板開孔布置

風向分平行大車軌道與垂直大車軌道方向，當風平行大車軌道方向吹時，為保證求解域內風充分流動，求解域大小為1 200 mm×800 mm×300 mm；當風垂直于大車軌道方向吹時，為保證求解域內風充分流動，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板在求解域做出的位置都應該相同。

卸船機設計中一般按照工作風速20 m/s、風壓245 Pa、非工作風速按55 m/s、風壓1 854 Pa 進行設計。通常情況下風速在20 m/s 時，卸船機基本停止工作，并且風速設為20 m/s 主要是為滿足結構安全與機構能力而提出的要求，實際工作中風速很少超出15 m/s，作為擋風板設計基本參數(shù)，本次模擬風速取15 m/s。

在EDEM 中設置粉塵顆粒和擋風板參數(shù)如表1所示。顆粒直徑平均值設為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。然后設置時間步長，設置網格尺寸與網格數(shù)量。

表1 材料特性參數(shù)

最后在Fluent 中設置松弛系數(shù)，控制收斂性。計算時Fluent 先進行迭代計算，當收斂后調用EDEM 把相關量導入并開始計算，EDEM 計算后將跟新的顆粒參數(shù)再返回Fluent 中，循環(huán)往復直至計算到指定步數(shù)停止。

2.3 防風抑塵效果分析

當風沿著大車軌道方向吹時，最終模擬了上述4 組擋風板防風效果，如圖6 ～圖9 所示。

圖6 擋風板無開孔防塵模擬效果圖

圖8 擋風板上開直徑5mm 圓孔防塵模擬效果圖

圖9 擋風板上開直徑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動情況，故顯示出顆粒的運動軌跡方便觀察。也即圖中的帶顏色的線條為顆粒的運動軌跡。圖中風向為+X方向，帶孔板為料斗口擋風板，紅色立方體為流體計算域。

3 研究結果與分析

在前述工作條件及假設條件下（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)模擬計算結果，擋風板開5mm 防風孔時，幾乎沒有顆粒從擋風板中被吹出，防風抑塵效果最好。表2 為擋風板上不同開孔直徑的防塵效果對比。卸船機防塵擋風板開孔示意如圖10 所示。

表2 擋風板上不同開孔直徑的防塵效果對比

圖10 卸船機防塵擋風板開孔示意圖

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

圖11 最優(yōu)擋風板直徑及間距示意圖

卸船機的側擋風壁支撐結構由鋼結構支架組成，為擋風板提供足夠的支撐強度，來承受強風在擋風板表面形成的風壓。擋風板材料可采用不銹鋼板或彩鋼板，擋風板與側擋風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板作為卸船機防塵措施，簡單、可靠、投入小，且無需定期維護。

4 結論

本次研究通過計算流體動力學、顆粒散體動力學等數(shù)值模擬工具，對擋風板應用于卸船機料斗口防風抑塵的效果進行數(shù)值研究，重點根據(jù)計算流體力學技術、氣固多相流基礎理論和離散單元法基礎理論，采用數(shù)值模擬的方法，對不同擋風板氣相流場和煤粉顆粒的運動屬性進行了研究，實驗得出的結果為：擋風板的開孔大小不同時擋風效果不同，孔徑過小時防風抑塵效果不明顯，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)仿真分析結果，針對港口用卸船機，給出最佳開孔方案，可為實際工程應用提供有價值的結論，應用擋風板可以有效抑制粉塵擴散，對控制全球大氣粉塵污染效果顯著。