露天堆场防风抑尘网遮蔽效果的数值模拟

2017-03-15 08:06:18 4

  多个城市源解析[1-3]结果显示,PM10、PM2.5中,扬尘是主要的污染源,是大气污染控制的重点。防风抑尘网利用空气动力学原理,改变网后微环境[4],达到降低风速和减小扬尘的目的,是一种有效抑制开放性露天堆场散尘的措施,已在一些大型堆场得到了成功应用[5-7]。

  国内外对防风抑尘网的研究取得了很有实用价值的成果。Lee等[8,9]模拟了抑尘网后二维料堆表面的压力变化,得到孔隙率为40% ~50%时压力衰减最大,并用粒子跟踪测速技术显示了网后三维料堆表面空气速度、湍流强度和湍动能的衰减;Pack-wood[10]将防风抑尘网数值模拟结果与风洞试验对比,得出了较好的一致性;DongZhibao等[11]将来流风分为渗流和绕流,并据速度梯度将网后划分为7个特性区域,并研究了孔隙率对区域流场和区域数的影响;李建隆等[12]研究了抑尘网不同开孔形式对流场的影响,得出圆形开孔防风网的挡风效果最佳;刘建麟等[13],探究了组合风障对大尺度采矿区扬尘扩散的防风收尘效果。

  目前对于防风抑尘网的研究,多单纯集中于抑尘网孤立作用下网前网后空气运动参数的变化特性等,至于料堆钝体耦合网后湍流场导致网后空气流场变化,尤其是对影响料堆起尘的表面风速廓线分布的影响鲜见报道。该研究通过CFD(computation-alfluiddynamics)数值模拟,对比不同孔隙率(0,0.2,0.3,0.4,0.6,1.0)下,料堆前后不同断面处的风速廓线,17m(堆高),22m(网高),30m,40m,60m和80m高度压力系数,分析料堆周围的空气动力结构,从而为抑尘网的优化设计提供数据支持。

  1 数值模拟

  1.1 物理模型

  料堆是以一个典型三维棱台为模型进行数值模拟。棱台参数[14]设置为:下表面长154m,宽51m;棱台高17m,上表面长113m,宽10m。抑尘网距料堆距离为1倍堆高,网长等于堆长。相关研究[15,16]表明,最佳网高在1~1.5倍的堆高范围内,故网高取22m(1.3倍堆高)。计算区域的选择对数值模拟的结果及精度至关重要,直接影响结果可靠性。计算区域过大会网格数多,增加不必要的计算时间;计算区域过小,边界影响计算结果的准确性。针对计算域问题,课题组前期做了相关研究[17]得出,当计算区域长取14倍堆宽,宽度取2倍堆长,高度取7倍的堆高,堆前6倍堆宽时料堆表面剪切力这一宏观量不再变化。所以计算区域取为714m×119m×308m的长方体。x方向沿堆宽方向,y方向沿堆高方向,z方向沿堆长方向,来流方向沿x正方向,如图1所示。

  1.2 数学模型

  物理模型选定后根据环境大气湍流假设建立数学模型。料堆周围的空气流可视为不可压缩恒定流,流动是稳态绝热的。控制方程组包括质量守恒方程、动量守恒方程、湍动能方程和耗散率方程。如下所示。

  质量守恒方程:

   动量守恒方程:

   式中:Si为源项,该值在防风抑尘网区域内模拟为多孔介质的作用,源项由黏性损失项和惯性损失项两部分组成:

  式中:α为多孔介质的渗透系数,m·s;C2 为惯性阻力因子,m-1;Ap 为板的总面积,m2;Af为孔的总面积,m2;t为抑尘网厚度,m,本文取0.002m;C近似等于0.98。

  采用标准k-ε方程[18]来模拟三维流场,其中包括湍动能k方程和耗散率ε方程。

  式中:ρ为空气密度;ui、uj分别为i方向和j方向速度分量;xi、xj代表x、y方向的坐标;μ为空气动力粘性系数;δij为克罗内克尔张量。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  对不可压缩流体,Gb=0,YM =0,G3ε =0。

  紊流系数C1ε、C2ε、C3ε、σε 和σk的取值较一致,分别为1.44、1.92、0.09、1.0和1.3。

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