白學(xué)花，陳光輝，李建隆

（青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266042）

防風(fēng)網(wǎng)防塵效應(yīng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究

白學(xué)花，陳光輝，李建隆

（青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266042）

因?yàn)轱L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的可操作性，并且能夠從復(fù)雜的諸多因素中分離出單獨(dú)的某一影響因素進(jìn)行分析。利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M大自然環(huán)境，對(duì)不同防風(fēng)網(wǎng)的擋風(fēng)抑塵效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試；對(duì)不同顆粒粒徑的沙堆進(jìn)行粒徑分析實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合模擬的流場(chǎng)分布進(jìn)行了對(duì)比分析。防風(fēng)網(wǎng)的設(shè)置能夠明顯的降低沙堆揚(yáng)塵量，沙堆迎風(fēng)面的揚(yáng)塵最嚴(yán)重，且導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)的堆前存在降塵區(qū)域。

防風(fēng)網(wǎng)；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)；抑塵效果；粒徑分布

風(fēng)是揚(yáng)塵產(chǎn)生的動(dòng)力，當(dāng)外界風(fēng)力達(dá)到一定程度，顆粒就會(huì)離開垛堆表面從而形成揚(yáng)塵[1]。防風(fēng)網(wǎng)作為治理露天堆料場(chǎng)風(fēng)致?lián)P塵的最新手段，優(yōu)于灑水、噴結(jié)殼固凝劑及織物覆蓋等傳統(tǒng)措施，具有一次性投資，長(zhǎng)期受益，維修管理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[2]。

國(guó)外對(duì)于防風(fēng)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)研究由來(lái)已久，國(guó)內(nèi)起步稍晚。1977年，Raine和Stevenson[3]通過風(fēng)洞試驗(yàn)，使用熱線風(fēng)速儀研究了網(wǎng)后速度場(chǎng)和湍流流場(chǎng)。1997年，宣捷和俞學(xué)曾[4]的起塵率模擬實(shí)驗(yàn)，指出風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)中孔徑雷諾數(shù)應(yīng)大于臨界雷諾數(shù)。2007年，Dong[5]等通過風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)湍流強(qiáng)度是影響防風(fēng)網(wǎng)抑塵作用最直接的因素。2010年，辛庚華[6]等采取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的研究辦法，發(fā)現(xiàn)垛堆的起塵量與諸多因素有關(guān)，風(fēng)速占主導(dǎo)作用，防風(fēng)網(wǎng)的網(wǎng)前存在減風(fēng)區(qū)。陳延國(guó)[7]等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，驗(yàn)證了防風(fēng)網(wǎng)的防風(fēng)抑塵作用。2011年，張寧[8]等通過可視化風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)防風(fēng)網(wǎng)可有效降低堆垛迎風(fēng)面的摩擦風(fēng)速，對(duì)背風(fēng)面影響較小。

綜上所述 ，關(guān)于防風(fēng)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)研究復(fù)雜多樣，研究方法也具有不可否認(rèn)的局限性。李建隆[9-11]等研發(fā)出一種新型導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)，在常規(guī)平板型防風(fēng)網(wǎng)網(wǎng)孔上增設(shè)導(dǎo)流翅片，減小來(lái)流風(fēng)直接沖擊料堆迎風(fēng)面的作用力，改善了防風(fēng)網(wǎng)的防風(fēng)抑塵效果。但新型防風(fēng)網(wǎng)的遮蔽效果還缺乏實(shí)驗(yàn)性研究。網(wǎng)的遮蔽效應(yīng)作為防風(fēng)網(wǎng)擋風(fēng)抑塵性能的評(píng)判依據(jù)，本文就導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)的遮蔽性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合流場(chǎng)模擬進(jìn)行對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

研究選用直流吸式低速環(huán)境風(fēng)洞進(jìn)行防風(fēng)網(wǎng)的遮蔽實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)段模型為長(zhǎng)1 800 mm，寬600 mm，高600 mm，采用有機(jī)玻璃材料制作的長(zhǎng)方體。防風(fēng)網(wǎng)模型為開孔率30%的鐵板網(wǎng)，高H:100 mm,寬600 mm,厚2 mm。實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)分布如圖1所示。

2 結(jié)果及分析

2.1 防風(fēng)網(wǎng)遮蔽實(shí)驗(yàn)

對(duì)收集到的降塵進(jìn)行單位時(shí)間內(nèi)單位起塵面積單位收集面積的計(jì)算，規(guī)定該收集量為收集率。

圖1 實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)分布圖Fig.1 The sketch map of the experiment distribution

在10 m/s的統(tǒng)一風(fēng)速下，對(duì)粒徑小于900 μm的細(xì)混合沙堆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，從不加設(shè)防風(fēng)網(wǎng)到加設(shè)導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)和圓孔型防風(fēng)網(wǎng)后的細(xì)混合沙堆的揚(yáng)塵收集率從493.32 g·s-1·m-4分別降到0.13 、0.11 g·s-1·m-4。在沒有防風(fēng)網(wǎng)的情況下，垛堆前幾乎沒有沙降，沙粒降落最多的區(qū)域在垛堆后，且隨著到垛堆距離的加大，降塵量急速降低。

圖2 風(fēng)速10 m/s不同防風(fēng)網(wǎng)遮蔽揚(yáng)塵收集率R Fig.2 Wind speed under different windproof net cover 10 m/s dust collecting rate R

圖3 為風(fēng)速10和13 m/s時(shí)不同防風(fēng)網(wǎng)遮蔽下的沙堆揚(yáng)塵收集率。分析可知，當(dāng)風(fēng)速為13 m/s時(shí)導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)的起塵收集率為17.218 14 g·s-1·m-4遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了圓孔平板網(wǎng)的0.997 516 g·s-1·m-4，風(fēng)速為10 m/s時(shí)兩種網(wǎng)的遮蔽效果近似。風(fēng)速由10 m/s升高到13 m/s時(shí)，導(dǎo)流型和圓孔型的揚(yáng)塵收集率分別提升了130倍和9倍。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，沙堆在圓孔平板網(wǎng)的遮蔽下，揚(yáng)塵降落在垛堆后較多；在導(dǎo)流型網(wǎng)板遮蔽下，網(wǎng)板與垛堆之間顆?；亓鬏^嚴(yán)重，降塵多存在于網(wǎng)板與垛堆之間。雖然圓孔平板網(wǎng)起塵率低，但是揚(yáng)塵全部落入垛堆后方。不同開孔形式網(wǎng)板后的流場(chǎng)變化不同帶來(lái)顆粒運(yùn)動(dòng)形式的不同，如圖4流場(chǎng)跡線圖所示。

圖3 不同風(fēng)速防風(fēng)網(wǎng)遮蔽下?lián)P塵收集率RFig.3 Different wind speed under different windproof net to cover the dust collecting rate R

圖4 風(fēng)速10 m/s流場(chǎng)跡線局部放大圖Fig.4 Wind speed 10 m/s flow field trace of partial enlargement

2.2 顆粒起塵的數(shù)值模擬

用Fluent軟件對(duì)防風(fēng)網(wǎng)后的料堆進(jìn)行揚(yáng)塵模擬，采用相間耦合隨機(jī)軌道模型，將流體視為連續(xù)介質(zhì)，顆粒相視為離散介質(zhì)。固相顆粒在垛堆表面被吹起進(jìn)入連續(xù)相。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)沙堆揚(yáng)塵主要發(fā)生在垛堆迎風(fēng)面，所以模擬過程中只分析了迎風(fēng)面的起塵情況。

圖5為揚(yáng)塵顆粒在導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)后的地面散落分布情況。圖6是對(duì)地面顆粒的統(tǒng)計(jì)收集率。通過模擬數(shù)據(jù)分析可知，顆粒在防風(fēng)網(wǎng)與垛堆之間的降塵量遠(yuǎn)大于網(wǎng)后的顆粒降塵量。與實(shí)驗(yàn)得到導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)后堆前顆?；亓鲊?yán)重，堆后揚(yáng)塵少的結(jié)論相符合。所以在模擬顆粒揚(yáng)塵降落方面的模型認(rèn)為是可用的。

2.3 混合粒徑沙堆揚(yáng)塵的粒徑分布規(guī)律

10 m/s風(fēng)速無(wú)防風(fēng)網(wǎng)情況下，分別對(duì)建筑用粗、細(xì)兩種混合沙堆進(jìn)行揚(yáng)塵分布實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同粒徑沙起塵的質(zhì)量比和數(shù)量比。假設(shè)建筑用沙密度ρ= 2 650 kg·m-3,對(duì)不同粒徑的沙粒進(jìn)行質(zhì)量估算，比較實(shí)驗(yàn)收集到的沙粒質(zhì)量與數(shù)目的變化規(guī)律。

圖5 導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)后地表顆粒散落分布Fig.5 Particle scattered distribution on the ground behind deflector-porous fence

圖6 導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)后地面顆粒收集率Fig.6 Particle collection rate on the ground behind deflector-porous fence

圖7 為兩種不同粒徑的混合沙堆在10 m/s風(fēng)速下，沙粒收集總量中不同粒徑的質(zhì)量比例與數(shù)量比例關(guān)系。在粒徑低于900 μm的細(xì)沙堆中起塵質(zhì)量比最大的是平均粒徑700 μm的大粒徑沙，并且依照粒徑的降低所占比例依次下降。

建筑用混合粗沙的揚(yáng)塵實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，除粒徑較大的大顆粒沙所占的質(zhì)量比和數(shù)量比都非常低外，其揚(yáng)塵沙的粒徑分布規(guī)律與細(xì)混合沙堆幾乎一致。實(shí)驗(yàn)所用沙堆中700 μm的大粒徑沙的揚(yáng)塵質(zhì)量比最大，隨沙粒直徑的降低所占質(zhì)量比逐次降低，數(shù)量比的規(guī)律與質(zhì)量比相反。

圖7 混合粒徑沙堆揚(yáng)塵的粒徑分布Fig. 7 Hybrid particle size distribution of dust sand

2.4 不同粒徑的沙粒起塵分布規(guī)律

圖8 不同粒徑的沙粒起塵質(zhì)量比隨位置變化Fig.8 Change of dusting mass ratio of different particle size sand with location

圖8 為不同粒徑的沙粒起塵質(zhì)量比隨位置變化曲線圖，（a）為細(xì)沙堆，（b）為粗沙堆。在10 m/s風(fēng)速下進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，細(xì)混合沙堆起動(dòng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，堆后散落顆粒的粒徑分布具有一定的規(guī)律性。700 μm的沙最多，400 μm的次之，而100 μm以下的則最少。細(xì)混合沙堆和粗混合沙堆，在相同密度下的質(zhì)量比分布都是該規(guī)律。隨著到垛堆距離的增加，粗顆粒的后續(xù)比例分布是減少的，而細(xì)顆粒的分布比例則是慢慢增加的。稱量數(shù)據(jù)表明混合粗糙沙堆的顆粒起塵總量較細(xì)沙混合起塵量要少很多，約100倍關(guān)系，與細(xì)混合沙堆相同的是700 μm沙粒起塵量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他粒徑區(qū)間的分布量。圖9為細(xì)混合沙堆和粗混合沙堆表面沙粒起塵數(shù)量比隨位置變化曲線圖。細(xì)混合沙堆和粗混合沙堆，在相同密度下，顆粒數(shù)量比與質(zhì)量比分布變化規(guī)律則是完全相反的。

圖9 不同粒徑的沙粒起塵數(shù)量比隨位置變化Fig.9 Change of dusting quantity of different particle size sand with location

3 結(jié) 論

利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)不同防風(fēng)網(wǎng)的遮蔽效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到以下結(jié)論：

（1）防風(fēng)網(wǎng)能夠明顯的降低沙堆揚(yáng)塵量，導(dǎo)流型防風(fēng)網(wǎng)的堆前存在降塵區(qū)域，揚(yáng)塵多發(fā)生于迎風(fēng)面的下半部分，網(wǎng)板與垛堆之間顆粒回流嚴(yán)重，揚(yáng)塵多降落于堆前；無(wú)防風(fēng)網(wǎng)和設(shè)圓孔平板防風(fēng)網(wǎng)的情況下，料堆迎風(fēng)面的上半部分為主要揚(yáng)塵區(qū)。

（2）混合粗糙沙堆的顆粒起塵總量較細(xì)混合沙堆的起塵量少很多，約100倍關(guān)系，且與細(xì)混合沙堆相同的是900～450 μm之間的沙粒起塵量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他粒徑區(qū)間的分布量。實(shí)驗(yàn)所用沙堆中900～450 μm粒徑沙的揚(yáng)塵質(zhì)量比最大，隨沙粒直徑的降低其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量比也逐次降低，而數(shù)量比的規(guī)律與質(zhì)量比的完全相反。

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Experiment Research on Dust Prevention Effect of Porous Fence

BAI Xue-hua, CHEN Guang-hui, LI Jian-long
（Department of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266042, China）

The wind tunnel experiment has strong maneuverability, and can isolate the separate influencing factor from complex factors. In this paper, the wind tunnel experiment was used to simulate nature environment, the wind dust-controlling effect of different windproof net was tested; Grain size analysis experiment was carried out by using sand with different particle size. Combined with simulated flow field distribution, experiment results were compared and analyzed. The results show that the windproof net can significantly reduce the amount of sand dust；Fugitive dust is the most serious on the windward side, there is dust fall area in front of the sand pile with deflector-porous fence.

Porous fence; Wind tunnel experiment; Dust prevention; Particle diameter

X 513

： A

： 1671-0460（2015）10-2377-04

山東省自然科學(xué)基金資助（ZR2011BQ006）

2015-03-30

白學(xué)花（1990-），女，山東臨沂人，碩士研究生，2013年畢業(yè)于青島科技大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，研究方向：從事多相流體流動(dòng)與分離研究工作。郵箱;baixuehua2014@163.com。

李建隆，E-mail: ljlong@qust.edu.cn。