打开文本图片集

摘 要：因为风洞实验具有较强的可操作性，并且能够从复杂的诸多因素中分离出单独的某一影响因素进行分析。利用风洞实验模拟大自然环境，对不同防风网的挡风抑尘效果进行实验测试；对不同颗粒粒径的沙堆进行粒径分析实验，并结合模拟的流场分布进行了对比分析。防风网的设置能够明显的降低沙堆扬尘量，沙堆迎风面的扬尘最严重，且导流型防风网的堆前存在降尘区域。

关 键 词：防风网；风洞实验；抑尘效果；粒径分布

中图分类号：X 513 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）10-2377-04

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）

Abstract： 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.

Key words： Porous fence； Wind tunnel experiment； Dust prevention； Particle diameter

风是扬尘产生的动力，当外界风力达到一定程度，颗粒就会离开垛堆表面从而形成扬尘[1]。防风网作为治理露天堆料场风致扬尘的最新手段，优于洒水、喷结壳固凝剂及织物覆盖等传统措施，具有一次性投资，长期受益，维修管理费用低等优点[2]。

国外对于防风网的实验研究由来已久，国内起步稍晚。1977年，Raine和Stevenson[3]通过风洞试验，使用热线风速仪研究了网后速度场和湍流流场。1997年，宣捷和俞学曾[4]的起尘率模拟实验，指出风洞模拟实验中孔径雷诺数应大于临界雷诺数。2007年，Dong[5]等通过风洞模拟实验，发现湍流强度是影响防风网抑尘作用最直接的因素。2010年，辛庚华[6]等采取现场实测的研究办法，发现垛堆的起尘量与诸多因素有关，风速占主导作用，防风网的网前存在减风区。陈延国[7]等进行现场实测研究，验证了防风网的防风抑尘作用。2011年，张宁[8]等通过可视化风洞模拟实验，发现防风网可有效降低堆垛迎风面的摩擦风速，对背风面影响较小。

综上所述 ，关于防风网的实验研究复杂多样，研究方法也具有不可否认的局限性。李建隆[9-11]等研发出一种新型导流型防风网，在常规平板型防风网网孔上增设导流翅片，减小来流风直接冲击料堆迎风面的作用力，改善了防风网的防风抑尘效果。但新型防风网的遮蔽效果还缺乏实验性研究。网的遮蔽效应作为防风网挡风抑尘性能的评判依据，本文就导流型防风网的遮蔽性进行实验，结合流场模拟进行对比分析。

1 实验模型

研究选用直流吸式低速环境风洞进行防风网的遮蔽实验。实验段模型为长1 800 mm，宽600 mm，高600 mm，采用有机玻璃材料制作的长方体。防风网模型为开孔率30%的铁板网，高H：100 mm，宽600 mm，厚2 mm。实验段流场分布如图1所示。

2 结果及分析

2.1 防风网遮蔽实验

对收集到的降尘进行单位时间内单位起尘面积单位收集面积的计算，规定该收集量为收集率。

图1 实验段流场分布图

Fig.1 The sketch map of the experiment distribution

在10 m/s的统一风速下，对粒径小于900 μm的细混合沙堆进行实验，如图2所示。实验结果显示，从不加设防风网到加设导流型防风网和圆孔型防风网后的细混合沙堆的扬尘收集率从493.32 g·s-1·m-4分别降到0.13 、0.11 g·s-1·m-4。在没有防风网的情况下，垛堆前几乎没有沙降，沙粒降落最多的区域在垛堆后，且随着到垛堆距离的加大，降尘量急速降低。

图2 风速10 m/s不同防风网遮蔽扬尘收集率R

Fig.2 Wind speed under different windproof net cover 10 m/s dust collecting rate R

图3为风速10和13 m/s时不同防风网遮蔽下的沙堆扬尘收集率。分析可知，当风速为13 m/s时导流型防风网的起尘收集率为17.218 14 g·s-1·m-4远远超过了圆孔平板网的0.997 516 g·s-1·m-4，风速为10 m/s时两种网的遮蔽效果近似。风速由10 m/s升高到13 m/s时，导流型和圆孔型的扬尘收集率分别提升了130倍和9倍。实验数据显示，沙堆在圆孔平板网的遮蔽下，扬尘降落在垛堆后较多；在导流型网板遮蔽下，网板与垛堆之间颗粒回流较严重，降尘多存在于网板与垛堆之间。虽然圆孔平板网起尘率低，但是扬尘全部落入垛堆后方。不同开孔形式网板后的流场变化不同带来颗粒运动形式的不同，如图4流场迹线图所示。

图3 不同风速防风网遮蔽下扬尘收集率R

Fig.3 Different wind speed under different windproof net to cover the dust collecting rate R

（a） 圆孔平板网

（b） 导流型防风网

图4 风速10 m/s流场迹线局部放大图

Fig.4 Wind speed 10 m/s flow field trace of partial enlargement

2.2 颗粒起尘的数值模拟

用Fluent软件对防风网后的料堆进行扬尘模拟，采用相间耦合随机轨道模型，将流体视为连续介质，颗粒相视为离散介质。固相颗粒在垛堆表面被吹起进入连续相。因为实验观测发现沙堆扬尘主要发生在垛堆迎风面，所以模拟过程中只分析了迎风面的起尘情况。

图5为扬尘颗粒在导流型防风网后的地面散落分布情况。图6是对地面颗粒的统计收集率。通过模拟数据分析可知，颗粒在防风网与垛堆之间的降尘量远大于网后的颗粒降尘量。与实验得到导流型防风网后堆前颗粒回流严重，堆后扬尘少的结论相符合。所以在模拟颗粒扬尘降落方面的模型认为是可用的。

2.3 混合粒径沙堆扬尘的粒径分布规律

10 m/s风速无防风网情况下，分别对建筑用粗、细两种混合沙堆进行扬尘分布实验，对比不同粒径沙起尘的质量比和数量比。假设建筑用沙密度ρ=

2 650 kg·m-3，对不同粒径的沙粒进行质量估算，比较实验收集到的沙粒质量与数目的变化规律。

图5 导流型防风网后地表颗粒散落分布

Fig.5 Particle scattered distribution on the ground behind deflector-porous fence

图6 导流型防风网后地面颗粒收集率

Fig.6 Particle collection rate on the ground behind deflector-porous fence

图7为两种不同粒径的混合沙堆在10 m/s风速下，沙粒收集总量中不同粒径的质量比例与数量比例关系。在粒径低于900 μm的细沙堆中起尘质量比最大的是平均粒径700 μm的大粒径沙，并且依照粒径的降低所占比例依次下降。

建筑用混合粗沙的扬尘实验中发现，除粒径较大的大颗粒沙所占的质量比和数量比都非常低外，其扬尘沙的粒径分布规律与细混合沙堆几乎一致。实验所用沙堆中700 μm的大粒径沙的扬尘质量比最大，随沙粒直径的降低所占质量比逐次降低，数量比的规律与质量比相反。

（a） 质量比

（b） 数量比

图7 混合粒径沙堆扬尘的粒径分布

Fig. 7 Hybrid particle size distribution of dust sand

2.4 不同粒径的沙粒起尘分布规律

（a） 细混合沙

（b） 粗混合沙

图8 不同粒径的沙粒起尘质量比随位置变化

Fig.8 Change of dusting mass ratio of different particle size sand with location

图8为不同粒径的沙粒起尘质量比随位置变化曲线图，（a）为细沙堆，（b）为粗沙堆。在10 m/s风速下进行分析实验，细混合沙堆起动观测实验中，堆后散落颗粒的粒径分布具有一定的规律性。700 μm的沙最多，400 μm的次之，而100 μm以下的则最少。细混合沙堆和粗混合沙堆，在相同密度下的质量比分布都是该规律。随着到垛堆距离的增加，粗颗粒的后续比例分布是减少的，而细颗粒的分布比例则是慢慢增加的。称量数据表明混合粗糙沙堆的颗粒起尘总量较细沙混合起尘量要少很多，约100倍关系，与细混合沙堆相同的是700 μm沙粒起尘量远远多于其他粒径区间的分布量。图9为细混合沙堆和粗混合沙堆表面沙粒起尘数量比随位置变化曲线图。细混合沙堆和粗混合沙堆，在相同密度下，颗粒数量比与质量比分布变化规律则是完全相反的。

（a） 细混合沙

（b） 粗混合沙

图9 不同粒径的沙粒起尘数量比随位置变化

Fig.9 Change of dusting quantity of different particle size sand with location

3 结 论

利用风洞实验，通过对不同防风网的遮蔽效果进行实验对比，得到以下结论：

（1）防风网能够明显的降低沙堆扬尘量，导流型防风网的堆前存在降尘区域，扬尘多发生于迎风面的下半部分，网板与垛堆之间颗粒回流严重，扬尘多降落于堆前；无防风网和设圆孔平板防风网的情况下，料堆迎风面的上半部分为主要扬尘区。

（2）混合粗糙沙堆的颗粒起尘总量较细混合沙堆的起尘量少很多，约100倍关系，且与细混合沙堆相同的是900～450 μm之间的沙粒起尘量远远多于其他粒径区间的分布量。实验所用沙堆中900～450 μm粒径沙的扬尘质量比最大，随沙粒直径的降低其对应的质量比也逐次降低，而数量比的规律与质量比的完全相反。

参考文献：

[1]S Alhajraf. Computational fluid dynamic modeling of drifting particles at porous fences[J]. Environmental Modelling&Software， 2004， 19（2）： 163-170.

[2]段振亚，石文梅，郑文娟，宗润宽.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.

[3]Rain J K， Stevenson D C. Wind protection by model fences in a simulated atmospheric boundary layer[J]. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. ，1977，2： 159.

[4]宣捷，俞学曾.风障减少尘埃飞起的风洞模拟研究[J].环境科学研究， 1997， 10（2）： 14-18.

[5]Dong Z. B.， Luo W. Y.， Qian G. Q.， et al. A wind tunnel simulation of the mean velocity fields behind upright porous fences[J]. Agricultural and Forest Meteorology， 2007， 146（1-2）： 82-93.

[6]辛庚华.露天堆场起尘与防风网遮蔽效果机理研究及现场实测分析[D].大连：大连理工大学，2010.

[7]张宁，陈延国，Sang-joon Lee.防风网对煤堆遮风效果的风洞实验研究[J].实验流体力学，2011，25（4）：50-54.

[8]陈延国， 辛庚华.防风网防风抑尘效果现场实测研究[J].中国新技术新产品，2010，28.

[9]陈光辉，李建隆，王伟文. 露天散状料堆放场的防风抑尘方法及其防风抑尘网和用途 ： CN，200810249627.5 [P]. 2009-07-22.

[10]范军领，王伟文，张攀.防风抑尘网：CN，200820232839 [P].2009-12-16.

[11]董继鹏.强风流过散堆料场的流场模拟与抑尘研究[D].青岛：青岛科技大学，2009.

（上接第2376页）

参考文献：

[1]邢展.乙醇汽油的应用现状[J].河北化工， 2011，34 （3）：71-72.

[2]仉磊，李继红，李十中.燃料乙醇产业发展现状[J].化工进展，2013，32（7）：1721-1723.

[3]宋涛，郑义，郭津.我国替代燃料乙醇汽油发展现状[J].小型内燃机与摩托车，2013，42（6）：92-96.

[4]宋涛.乙醇汽油对摩托车排放的影响[D].天津：天津大学，2012.

[5]陈卫国.车用替代燃料的发展趋势[J].国际石油经济，2007，（2）：31-36.

[6]史广宝.甲醇燃料对捷达FV7160CIX轿车的适应性研究[D].长春：吉林大学，2009.

[7]张晓君.我国燃料乙醇行业负重前行[N].中国石油报，2012-11-20（4）.

[8]李萌.我国生物燃料乙醇产业发展政府规制研究 [D].哈尔滨：东北农业大学，2012.

[9]翁天杭.燃料乙醇产业竞争力的国际比较及发展前景预测[D].杭州：浙江大学，2013.

[10]孙清.燃料乙醇的应用[J ].可再生能源，2010，28（6）：151-154.

[11]吴永民，葛建平.生物燃料乙醇产业研究综述与展望[J].安徽农业科学，41（9）：4008-4012.

[12]南森.首开燃料乙醇进口大门[N].中国石化报，2014-03-19（5）.