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不同设置方式下的防风网抑尘效果对比 * 丛晓春曹世青陈志龙杨树利孙旭杰 山东科技大学土木建筑学院，山东 青岛 266510 摘要 为对比防风网不同设置方式对露天堆场起尘的影响， 以某露天煤堆场为例， 结合现场实测数据对数值计算方法 进行了验证， 并根据实际堆场设计了 4 种设网方案。通过计算各料堆表面摩阻风速的分布， 统计出了各方案下的全年 起尘率。结果表明 当防风网呈“口” 型设置时， 抑尘效果最好; 沿全年主导风向上方向呈“L” 型设置时， 抑尘效果最 差。比较“П” 型半包围设网方案， 则沿全年主导风向上方向设置比下方向设置抑尘效果好。 关键词 露天煤垛场;防风网;抑尘效果; 方案比较 COMPARISON OF DUST- PREVENTION OF WINDBREAK WITH DIFFERENT SETTING SCHEMES Cong XiaochunCao ShiqingChen ZhilongYang ShuliSun Xujie Civil Engineering and Architecture College，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，China AbstractFor the comparison of dust-preventing effect of porous windbreaks with different setting schemes，an open coal yard was taken as a confirmation example on the basis of measurement data and four schemes of the porous windbreaks were proposed according to the actual conditions of stockpiles． The friction velocities above the piles were obtained respectively，and the rate of dust emission of each scheme was calculated． It was found that all enclosure along the yard led to the best overall protective effect from wind erosion，while two － side protection against the windward of dominant wind direction had the worst effect． Moreover，three － side windbreaks installed along the windward against the dominant wind direction were more effective than those along the leeward． Keywordsopen coal yard;windbreak;dust-preventing effect;scheme comparison * 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 50808115 ;山 东 省 自 然 科 学 基 金 2009ZRB01240 ; 研究生科技创新基金 YCA110206 。 0引言 煤炭冶金部门的露天煤场粉尘在自然力作用下 产生大量扬尘， 既造成原料的浪费， 也造成严重的空 气污染 ［1］。在大型煤堆场中， 营建防风网已成为一 种用于防治露天煤尘风蚀污染的重要措施。作为一 种疏透多孔的障碍物， 气流在防风网多孔屏障的疏透 下， 速度得到了极大衰减， 在其背面形成一个低速遮 蔽区， 有效降低煤堆表面的风速 ［2］， 从而减少散状煤 尘的风蚀扬尘量。基于这个原理， 防风网对于煤堆起 尘与扩散的防尘效果已广泛公认。相关监测表明 防 风网的防尘效果可达 到 50 ～ 70 ， 最高可 达到 90 ［3］。国外对防风网的研究开展较早， 对产生扬尘 的风蚀过程也有了基本认识。他们通过风洞试验和 数值模拟的方法研究了开孔率、 孔隙分布形式及最佳 开孔率等结构参数对防风网抑尘效果的影响 ［4- 6］。国 内一些学者也相继展开防风网防尘工作的应用研 究 ［7- 10］， 特别是大型煤炭港口对防风网抑尘效果做了 试验验证 ［11］。但防风网抑尘效果的定量评判问题一 直没有公认的做法和标准， 各种设网方案下的抑尘效 果的评价也很少研究。本文以一大型煤炭堆料场为 例， 对不同设置方案下的防风网抑尘效果进行了对 比， 为防风网设置方案的论证提供了一种作法。 1防风网流场的计算 1. 1数学模型 煤堆场周围的空气流动看作是在不可压缩以及 不考虑热转换的大气条件下进行， 本研究采用标准 k － ε湍流模型来模拟防风网的三维流场 ［12］， 控制方 程为 76 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 连续方程为式 1 u i x i 0 1 动量方程为式 2 u iuj x j u i uj x j － 1 ρ p x i v  2u i x 2 j 2 式中uj为风速， m/s;uiuj 为风速的二阶关联项， m2/s2; uiuj为脉动速度的二阶关联项， m2/s2; p 为压 力， Pa;ρ 为空气密度， kg/m3;v 为空气运动黏度， m2/s。 在数值模拟中， 防风网当成多 孔 介质 porous- jump 来模拟， 流场经过防风网时的物理表现为压 降， 即式 3 Δp － μ a v C2 1 2 ρv 2 Δm 3 式中Δp 为介质两侧的压力差， Pa;μ 为空气动力黏 性系数， 为 1. 789 10 － 10N s/m2; a 为介质的渗透性， m2; C2为压力阶跃系数， m － 1; v 为垂直于介质表面的 速度， m/s;Δm 为介质的厚度， m。 防风网阻力系数测定试验是在西南交通大学风 洞中进行的， 防风网厚度为1. 2 mm的钢板， 通过试验 测得不同入口风速下的防风网两侧压力差， 利用公式 3 对所测数据拟合得出介质的渗透性 a 和压力阶 跃系数 C2值。 1. 2计算方法 根据国内一煤码头工程中防风网布置情况， 确定 数值模拟计算域为8 000 m 6 000 m 200 m的矩形 区域， 尺寸和边界条件设定如图 1 所示。将来流风速 作为入口风速， 出口为自由出流条件， 上边界和侧边 界视为对称边界， 壁面为无滑移边界， 防风网利用 porous-jump 来进行数值模拟。整个计算区域采用混 合网格划分， 网格数约为 110. 65 万个。对近壁面和 堆场区进行局部加密， 以增加网格节点数。流场的计 算程序采用 SIMPLE 方法， 计算误差为 δ ≤ 10 －5。根 据有限容积法将微分控制方程离散成代数方程组， 其 中压力项采用中心差分， 对流项采用迎风格式， 湍流 通量项采用 Grank-Nichson 格式。 1. 3对比验证 现以实测数据对数值模拟结果进行对比验证。 在工程建成后， 研究人员用 ZDR － 1F 型风速风向自 动记录仪， 在现场连续记录了 28 个测点的 2m 处风 向和风速值，各测点分布见图 2。 图 1计算域物理模型 注 图中尺寸单位为 m 图 2测点布置详图 实验采用 4 台风速计， 实验中每 4 个测点同时测 量一次， 将测点分成 7 组进行测定。根据 2009 年 3 月 24 日至 2009 年 3 月 30 日的实测数据， 提取气象 条件稳定且风向为偏东向的时间段的 50 组连续数 据， 并根据公式 4 分别统计出风速衰减系数， 见 图 3速度衰减系数对比 图 3。其中速度衰减系数 ξ 为 ξ v有网 v无网 4 式中v有网为设置防风网后的测点风速， m/s;v 无网 为 没有设置防风网的测点风速， m/s。 由图 3 可看出， 数值计算结果与实测数据结果总 体吻合结果比较理想， 但主要偏差存在于 24 ～ 28 测 点， 可能存在的原因是， 由于物理模型建立过程中， 没 有考虑堆场周围建筑物的影响， 同时数据测定过程中 也难免存在一定测量误差， 故可以认为数值计算与实 测数据相吻合， 数值计算方法是可信的。 86 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 2防风网的设置方案 根据相 关 气 象 观 测 资 料 统 计， 当 地 常 年 盛 行 SSW 风， 频率为 10. 10 ， 全年平均风速为5. 20 m/s; 其次为 WSW 风， 频率为 8. 67 ， 见图 4。防风网围挡 形式有主导上风向设置、 主导下风向设置、 半包围设 置、 全包围设置等几种方式。根据堆场实际情况和当 地气象条件， 本文将防风网的设置方案设置为 4 种方 式， 具体布置方式见图 5。 图 4风玫瑰图 图 5防风网设置方案 3摩阻风速的确定 经过料堆表面的摩阻风速在达到一定程度下料 堆表面颗粒才开始运动， 其恰好达到足以使料堆表面 颗粒发生移动的某个临界摩阻风速值， 称之为阈值摩 阻速度。通过对气流吹过煤垛流场的计算，得到煤 垛表面每个网格单元的摩阻速度， 确定出煤垛各表面 的风蚀程度， 从而计算出整个堆场的起尘率。采用数 值计算的方法可得到各方案的摩阻风速分布 ［13- 14］。 当入口平均风速设为5. 20 m/s， 风向为 SSW 时， 各方 案所对应的摩阻风速分布见图 6。 图 6煤垛表面的摩阻速度分布 由图 6 可知 无网方案下， 各煤垛表面所受的风 蚀程度大， 其表面摩阻风速均大于加网方案。其中迎 风面以及直接受到风流掠过的表面， 其摩阻风速较 大， 最大处可达到0. 471 m/s; 部分背风面的沟壑处， 风阻小， 其摩阻风速为0. 241 m/s。对比加网后方案 发现， 各煤垛表面的风阻减弱， 相应各表面的摩阻风 速大幅度减小， 其煤垛表面摩阻风速的平均值分别降 至0. 261， 0. 257， 0. 273和0. 250 m/s。通过分析不同 风向风速作为来流风速时的煤垛表面摩阻风速的分 布得出，设置防风网对减小煤垛表面摩阻风速有明 显作用。 4各方案的抑尘效果比较 根据煤尘表面摩阻风速分布， 将小于等于该阈值 摩阻速度所对应的面积加以统计， 在煤垛表面总网格 面积已知的情况下， 得出煤垛的起尘率见式 5 ［15］。 η 0 u* k ≤ u* 1 － A* A 100 u* k ＞ u*{ 5 96 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 式中η 为煤垛表面起尘率， ;A*为小于等于临界 值的网格面积， m;A 为煤垛表面总网格面积， m;u* k 为表面摩阻风速， m/s;u*为阈值摩阻速度， m/s。 现以主导风向 ssw， 风速为5. 2 m/s的方案 1 流场 计算为例， 以堆垛表面各组分煤尘的阈值摩阻速度 u* ［16］为临界值， 取值为0. 23 m/s， 先提取每个单元 网格上的料堆表面风速分布， 通过对数廓线计算表面 摩阻风速， 再以阈值摩阻风速0. 23 m /s为基准， 表面 摩阻风速小于等于0. 23 m/s所对应的面积之和为 30 589. 04 m2， 料 堆 表 面 总 网 格 面 积 为 118 386. 24 m2， 故起尘率为 η 1 － 30 589. 04 118 386. 24 100 74. 16 用同样的方法计算各方案不同风向下的起尘率 并加以统计。显然， 露天煤垛起尘率 η 数值越小， 则 抑尘效果越好。四种方案的起尘率汇总于表 1。 表 1防风网各方案的起尘率 风向 风速/ m s －1 风向频 率/ 方案 1 起 尘率/ 方案 2 起 尘率/ 方案 3 起 尘率/ 方案 4 起 尘率/ N3. 73. 1172. 640. 110. 430. 00 NNE3. 44. 5457. 8516. 4718. 303. 86 NE3. 43. 8429. 8226. 774. 961. 54 ENE4. 25. 439. 1840. 325. 642. 25 E5. 76. 0150. 7052. 6616. 4810. 18 EES5. 37. 1556. 7351. 7823. 4115. 92 ES5. 23. 9779. 9374. 3879. 3061. 30 SSE5. 15. 8171. 2172. 0374. 5969. 84 S5. 06. 6614. 132. 3410. 057. 94 SSW5. 210. 174. 1672. 8074. 9468. 36 WS4. 77. 5248. 8845. 7762. 6143. 59 WWS4. 68. 6710. 827. 2845. 013. 71 W3. 94. 330. 000. 0029. 120. 00 WNW4. 66. 8710. 706. 3143. 485. 29 NW4. 97. 6576. 3266. 2171. 1460. 76 NNW4. 45. 8690. 0561. 6059. 0369. 84 将各风向的起尘率逐一统计， 在考虑风向分布的 情况 下， 将 风 向 风 频 加 权， 得 出 全 年 起 尘 率 E 见 式 6 E Σ 16 i 1 ηi pi 6 式中ηi为各方向上的起尘率;pi为各方向风频。 E 考虑了各个风向的影响， 能全面反应全年风速 下煤粉的起尘情况， 也能全面反应全年下防风网设置 下的抑尘效果。经计算得出， 方案 1 的全年起尘率为 47. 46 ， 方案 2 的全年起尘率为 38. 65 ， 方案 3 的 全年起 尘 率 为 41. 48 ， 方 案 4 的 全 年 起 尘 率 为 28. 73 。 由此可知， 设置防风网后， 煤垛起尘率大幅度降 低， 从而减少了煤垛表面风蚀扬尘量几率。从各方案 的抑尘效果看， 方案 4 抑尘效果最好， 方案 1 效果最 差， 方案 3 效果较差。其原因为 方案 4 沿堆场区四 周全包围设置， 完全阻挡了风流对煤垛表面的直接侵 蚀， 在防风网的通透减速下， 风流对煤垛表面的摩阻 阻力已大幅度减弱， 表现为摩阻风速的相应减小; 方 案 1 中， 呈两面设置的防风网仅从部分方向上阻挡了 来流风速， 而无法阻止未设网流向的冲击侵蚀; 而方 案 3 中， 其中纵向防风网没有设置到主导风向上， 虽 然横向方向较好的阻挡了主导风向气流， 但仍有部分 风流进入煤场内， 直接风蚀煤垛表面， 导致部分煤垛 表面摩阻风速较大。虽然方案 4 比方案 2 具有更好 的抑尘效果， 但方案 4 设置成本较高， 在实际中可根 据具体工程要求， 综合考虑经济性选择设网方案。 通过各方案的比较可知， 将防风网呈“口” 型全 包围设置可实现最优的防风抑尘效果， 但当呈“П” 型 三面设网也能达到工程需要时， 则沿全年主导风向上 方向设置有助于发挥防风网较好的抑尘作用。 5结论 本文采用数值计算的方法模拟了防风网前后的 流场分布， 通过对比无网和设网后煤垛表面摩阻风速 的分布得出， 防风网能够有效降低来流风速， 明显减 小煤垛表面摩阻风速， 设置防风网为露天煤场煤尘风 蚀污染的防治提供了有利保障。 通过分析防风网在不同设置方式下的全年起尘 率得出， 将防风网呈“口” 型全包围设置时， 抑尘效果 最好。综合考虑全年风向频率和堆场实际布置，当 防风网三面设置也可满足要求时，则采用沿全年主 导风向上方向呈“П” 型设置抑尘效果较好， 即在满足 同样防尘效果的同时， 节省了投资成本。 参考文献 ［1］陈凯， 朱凤荣， 钮珍南． 防风网作用效果的风洞试验评估［J］． 北京大学学报 自然科学版 ， 2006， 42 5 636 － 640. ［2］金向阳． 防 挡 风抑尘网在露天储煤场的应用［J］． 煤炭工 程， 2008 6 37 － 39. ［3］赵海珍， 梁学功， 马爱进． 防风网防尘技术及其在我国大型煤 炭港口的应用与发展对策［J］． 环境科学研究， 2007， 20 2 67 － 71. 下转第 79 页 07 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 作的重点之一， 二恶英将作为主要特征污染物逐步纳 入有关行业的环境影响评价中， 并在京津冀、 长三角、 珠三角等重点区域开展二恶英排放总量控制试点工 作。为了切实落实和做好二恶英的污染防治工作， 建 议我国钢铁行业二恶英的排放标准和监控规范尽快 尽早出台， 同时要加大对标准和规范的执法力度和监 管力度; 对新、 改、 扩建的烧结和电炉炼钢项目， 必须 采用国际上最先进的生产工艺和技术装备， 在有效治 理烟粉尘、 SO2和 NOx的同时， 采取有效的二恶英污 染防治措施; 鉴于国内外烧结和电炉炼钢工艺的原料 结构存在差异， 鼓励国内钢铁企业或科研院所开展烧 结工序常规污染物与二恶英的协同减排措施和电炉 炼钢工序二恶英减排工程实践。 参考文献 ［1］张传秀， 万江， 倪晓峰． 我国钢铁工业二恶英的减排［J］． 冶金 动力， 2008 2 74- 81. ［2］赵毅， 张玉梅， 闫蓓． 二恶英的生成及污染控制［J］． 环境污染 治理技术与设备， 2006， 7 11 1- 7. ［3］Matsui M，Kashima Y，Kawana M，et al． Dioxin-like potencies and extractable organohalogens EOXin medical municipal and domestic waste incinerator ashes in Japan［J］． Chemosphere， 2003 53 971- 980. ［4］DorisSchuer， JohannesJager．ationofchlorinatedand brominated dioxins and other organohalogen compounds at the pilot incineration plant VERONA［J］． Chemosphere，2004 54 49- 59. ［5］陈彤． 城市生活垃圾焚烧过程中二恶英的形成机理及控制技 术研究［D］． 杭州 浙江大学， 2006. ［6］贾汉忠， 宋存义， 戴振中， 等． 烧结过程中二恶英的产生机理和 控制［J］． 烧结球团， 2008， 33 1 25- 30. ［7］何晓蕾， 李咸伟， 俞勇梅． 烧结烟气减排二恶英技术的研究 ［J］． 宝钢技术， 2008 3 25- 28. ［8］贾建廷． 浅谈冶金行业二恶英类物质的减排技术［J］． 太原科 技， 2008 10 17- 19. ［9］鲁钢． 垃圾焚烧烟气中二恶英零排放技术的实践［J］． 环境工 程， 2005， 23 5 90- 91. 作者通信处王存政100088北京海淀区西土城路 33 号中冶建筑 研究总院有限公司 E- mailwljp2008 163． com 2011 － 01 － 24 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 70 页 ［4］Packwood A R．Flow through porous fences in thick boundary layers comparisons between laboratory and numerical experiments ［J］． Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2000，8875 － 90. ［5］Wilson J D，Yee E． Calculation of winds disturbed by an array of fences［J］． Agriculture Forest Meteorology，2003，11531 － 50. ［6］Wei L，Fan W，Simon B．Simulating the sheltering effects of windbreaks in urban outdoor open space［J］．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2007，95533 － 549. ［7］张光玉， 陈立， 王奇志， 等． 秦皇岛港煤堆场防风网风洞试验研 究［J］． 交通环保， 2003， 24 1 4 － 6. ［8］贺建平， 宋旗跃， 郭雁芸， 等． 挡风抑尘网防风效果分析［J］． 应用技术， 2007 3 137 － 138. ［9］徐洪涛， 李明水， 廖海黎， 等． 防风网风洞试验及其结构设计参 数确定［J］． 建筑结构， 2010， 40 5 104 － 107. ［ 10］段振亚， 石文梅， 郑文娟， 等． 防风网抑尘机理研究及工程应用 进展［J］． 石油化工设备， 2010， 39 3 40 － 44. ［ 11］张光玉， 詹水芬， 张斌斌， 等． 秦皇岛煤炭堆场防风网建设可行 性研究［R］． 天津 交通部天津水运工程科学研究所， 2006. ［ 12］党小庆， 李倩婧， 潘民兴， 等． 电除尘器气流分布数值计算方法 研究［J］． 环境工程， 2009， 27 3 103 － 107. ［ 13］丛晓春， 詹水芬， 张光玉． 煤尘表面摩阻风速的计算方法［J］． 煤炭学报， 2008， 33 3 314 － 317. ［ 14］Studer B J B，Arya S P S． Windbreak effectiveness for storage pile fugitive dust control A wind tunnel study［J］． Journal of the Air Pollution Control Association，1988，38135 － 143. ［ 15］丛晓春． 露天尘源风蚀污染的预测与控制技术［M］． 徐州 中 国矿业大学出版社， 2009. ［ 16］谢邵东， 齐丽． 料堆风蚀扬尘排放量的一个估算方法［J］． 中 国环境科学， 2004， 24 1 49 － 52. 作者通信处丛晓春266510山东青岛市经济技术开发区前湾港 路 579 号土木建筑学院建环专业 E- mailcongxiaochun 126． com 2011 － 01 － 18 收稿 97 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期