一种料堆挡风墙防尘结构设计优化研究

2021-11-13王昊天

绿色环保建材 2021年10期

王昊天

上海市世界外国语中学

1 引言

眼下国内多地受雾霾持续围困，北京、石家庄等大中城市数日难见蓝天。不仅是西北部的大城市，就连靠近沿海的广东等地，也是连日灰霾，大雾，能见度极低。雾霾的问题现状已经成为中国一些城市标识性难题。雾霾发生时，大面积长时间的雾霾天气覆盖了1/7国土，其中重雾霾覆盖面积大81万平方公里。目前，雾霾问题已非一城之惑，已经是普遍问题。

对于堆料场扬尘的控制是城市减少PM2.5 的重要措施，近年来众多研究者针对堆料场的扬尘控制提出了各种措施。本课题针对某个粉料堆放场开展了挡风墙的设计和结构参数的数值模拟研究，通过挡风墙和料堆的间距、挡风墙的高度、挡风墙开孔角度三个因素进行了正交实验设计，通过数模计算结果得到了料堆顶部的风速大小，从而为挡风墙的优化设计提供了依据。

2 数学模型

2.1 基本假设

（1）模型中的风向和风速都是固定值。

（2）防风墙是垂直伫立在料堆前方，不考虑受力摇摆的状况。

（3）计算过程中不考虑重力的影响。

（4）料堆表面采用固定墙边界，不考虑料堆的疏松和多孔状态。

（5）模型的顶部空间足够大。

2.2 数学方程

描述料场挡风墙的数学模型包括连续性方程，动量N-S 方程，湍流K-ɛ双方程模型。

（1）连续性方程。连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体表述形式。它的前提是对流体采用连续介质模型，速度和密度都是空间坐标及时间的连续、可微函数。

（2）动量方程（N-S）。

2.3 几何模型和网格划分

图1 展示了料堆风场的几何结构，料堆高度是H1挡风墙的高度H2，空间高度H3空间长度是A1。图2 展示了Mesh网格的划分方法，在模型建立后进一步的计算求解都是依赖于mesh网格的合理性与稠密度，与偶其实在图2 中靠近料堆与挡风墙的地方。

图1 料堆风场的几何结构

图2 料堆风场模型的网格划分

3 计算实验方案

3.1 防风墙距离料堆的因素

防风墙距离料堆的距离，影响着通过挡风墙后风在料堆之间形成的流场情况，在该研究中，取防风墙距离料堆的距离分别为6m、8m、10m。

3.2 防风墙高度因素

防风墙的高度影响着到达料堆顶部的风的速度，同时也影响着通风孔进入的总风量。在本研究中，取防风墙的高度分别为6m、7m、8m。

3.3 防风墙通风孔角度因素

防风墙通风孔的角度对于通过风速的强度有着影响，同时还影响着料堆面的风速大小。在本研究中心，取防风墙通风孔的角度分别为30°、45°和60°。

3.4 正交实验方案

对上述三种因素的三个水平进行正交设计，采用L9（33）的方案，最终得到的实验方案如表1所示。

表1 正交试验排列表

4 实验结果分析

4.1 流场情况的比较

图3 给出了9 组正交试验得出的流场分布，从图中可以看出，当风速相同时，不同的防风墙结构参数引起了不同的流场分布。当防风墙高度较小时，如图3（A、D、G），风通过防风墙后在料堆表面形成了扰流，对于料堆表面的扬尘将起到较明显的作用。而随着防风墙高度的增加，如图3（B、E、H），风通过防风墙后对于料堆的扰动作用减弱，而从防风墙体通过的风在料堆前方阻挡后形成的流动对料堆表面的扬尘作用更趋明显。随着防风墙高度的进一步提高，如图3（C、F、I），风通过防风墙顶部后对料堆的扰动作用变得非常小。

从防风墙距离对于料堆扬尘的作用来看，距离越近，风通过防风墙后对于料堆表面扬尘的吹动速度越大，所引起的扬尘作用将越明显。

从防风墙的通风孔角度来看，通风孔角度越大，能够更好地让通过防风墙的风向朝向地面，如图3（C、E、G），此种情况下，通风孔后方形成的风对于料堆表面的扰动现象比较小；而当通风孔角度变小时，如图3（A、F、H），风通过通风孔后形成较强的扰动，风在冲击料堆迎风面后沿着料堆表面以较高的速度流出，对于扬尘的效果将比较明显。

图3 9组正交实验得出的流场分布

4.2 正交实验分析

对于防风墙与料堆之间的距离来说，当距离为10m时，表面料堆的平均风速最小。对于防风墙的高度因素来说，当防风墙的高度为7米时，料堆表面的平均风速最小。而对于防风墙通风孔角度来说，当开孔与地面的夹角为60°时，料堆表面的平均风速最小。综上所述，对于三种因素和不同水平的影响来看，优化方案为A3B2C3时，将使得料堆表面的平均风速最小。