條形煤倉外風速流場數值模擬研究

摘 要:運用空氣動力學與流體力學相結合的數值模擬技術，對條形煤倉及其外部堆場進行模擬計算。并主要分析了條形煤倉的建立對整個場區的風速、壓力的影響及風速掩護距離。研究結果表明，條形煤倉對于場區內的風速降低具有比較明顯的效果，對條形煤倉后速度影響的距離約為條形煤倉高度的20倍。

關鍵詞:條形煤倉數值模擬流場影響

中圖分類號:TQ019文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(a)-0052-02

目前，條形煤倉在大型港口散貨堆場的應用越來越多，條形煤倉不但對倉內煤炭起塵具有較好的抑制作用，而且對條形煤倉外部堆場的風速流場也具有較大的影響。本文利用CFD數值模擬的方法著重研究了條形煤倉對倉外風速流場的影響效果，并計算出條形煤倉對其下風向的風速影響距離。從而證明條形煤倉不但可以消除倉內的煤炭起塵，而且對倉外的風速流場也具有較好的抑制效果。本次計算以某煤碼頭一期工程為模型進行三維建模。

1 計算模型

1.1 模型的控制方程組

本文采用RNG模型[1]，是在標準模型的基礎上演變而得到的。其RNG模型的控制方程組如下:

式中:

RNG模型方程中的常數一般取，，，，。

式中，是笛卡兒坐標，為時間，是空氣密度，是動力學粘性系數，是湍動能粘性系數，、、、是時間平均速度、靜壓、湍動能、湍動能耗散率[2]。

1.2 三維模型的建立

整個計算模型為底面半徑1500m，高200m的16邊形棱臺。條形煤倉尺寸為1152×131m，高度52m。條形煤倉每間隔50m設一個消防通道，煤倉兩側采用敞口設計。倉內及倉外煤堆模型均采用標準煤堆，堆高17m，煤堆數量為6列，7排。

1.3 網格的生成

網格剖分時，將計算區域分成24個區，每個區分別生成網格，每個區的網格視實際需要，采用不同的生成方式，最后所得網格類型:部分為六面體網格，部分為金字塔網格[3]，體網格數約320萬，如圖1。

1.4 數值模擬計算結果

通過一系列的計算可以模擬出風流越過條形煤倉后速度變化的矢量圖，如圖2。從圖中可見，整體場區內風速變化。堆場西側由于布置了52m高的條形煤倉，使來流風速經過條形煤倉后迅速抬高，并在倉后有很大一段的風低速區，這說明了條形煤倉對于堆場內的風速降低具有明顯的作用，同時對于抑制粉塵也具有較明顯的影響[3]。

2 條形煤倉對其下風向風速流場影響

以來流為W風向(速度入口為x負方向）為例，場區周圍的流場如圖3，從X=-836.5截面圖中可以明顯看到，來流遇到條形煤倉后速度出現急速抬升，并在條形煤倉的背風區形成回流區。條形煤倉將倉前的大渦湍流梳理成條形煤倉后的小渦湍流，使大量的平均運動能量變成小渦旋的亂流運動能量，引起氣流結構的改變[4]。同時從截面圖中可以看出經過條形煤倉以后，速度明顯降低;來流經過煤堆以后有很大一段低速區，這說明了條形煤倉對于來流風速的降低具有較明顯的影響效果。

3 條形煤倉對其下風向壓力流場影響

從圖4Y=-836.5壓力截面云圖中可以看出，風流經過條形煤倉后壓力有明顯的減小，形成壓力跳躍，同時，來流在煤堆迎風面形成了比較明顯的壓力駐點。來流遇到條形煤倉后形成比較明顯的壓降，而后又遇到煤堆形成了較小的壓降。直到來流通過了所有的煤堆后，壓降消失，并恢復到初始的壓力狀態。這說明了條形煤倉對場區內的壓力具有明顯的影響效果。

4 條形煤倉的掩護距離

風流再附距離是風流掩護距離的重要標準。強風透過風障后大部分風量被向上排開，并與主風流在風障頂部匯集成更高速風流，這部分高速風流與緊鄰風障下方后的低速風流速度差很大，沿下游形成風速梯度很大，旋渦強度很高向低處發展的較長的條帶區。在此條帶區內高速風流和低速風流間產生強烈的動量交換和能量交換，使下部風流風速提高，很快恢復到來流風速，此即風流再附[5]。

通過提取條形煤倉后的風速數據，在模型坐標中量出風流再附的距離，即條形煤倉后的低速區的X正方向距離為1051.2m，條形煤倉高為52m。從而得出，條形煤倉的掩護距離約為其高度的20倍。

5 結語

通過對場區內的速度和壓力的計算分析可以看出，條形煤倉對于場區內的風速降低具有比較明顯的效果，條形煤倉的掩護距離約為其高度的20倍。另外條形煤倉后成了比較明顯的壓降，使場區內外形成壓力差，使風流的能量大量損失。對條形煤倉外堆場的粉塵具有一定的抑制作用。

參考文獻

[1]王福軍.計算流體力學分析.北京:清華大學出版社，2004，9

[2]Pereramd，she lterbehind two dimensionalsolid and porousfences[J].J wind Engind Aerodyn，1981，8:93-104.

[3]張光玉，詹水芬，趙宏鑫.防風板抑塵效果數值模擬與風洞實驗對比研究[J].水道港口，2007，28(4):286-288

[4]叢曉春.開放性露天堆場揚塵規律與抑塵措施的研究[D].上海:同濟大學博士學位論文，2004.

[5]張光玉，詹水芬，張斌斌.秦皇島煤炭堆場防風網建設可性研究[R].天津:交通部天津水運工程科學研究所，2006.