防風網防塵效應的風洞實驗研究

白學花，陳光輝，李建隆

（青島科技大學 化工學院，山東 青島 266042）

防風網防塵效應的風洞實驗研究

白學花，陳光輝，李建隆

（青島科技大學 化工學院，山東 青島 266042）

因為風洞實驗具有較強的可操作性，并且能夠從復雜的諸多因素中分離出單獨的某一影響因素進行分析。利用風洞實驗模擬大自然環境，對不同防風網的擋風抑塵效果進行實驗測試；對不同顆粒粒徑的沙堆進行粒徑分析實驗，并結合模擬的流場分布進行了對比分析。防風網的設置能夠明顯的降低沙堆揚塵量，沙堆迎風面的揚塵最嚴重，且導流型防風網的堆前存在降塵區域。

防風網；風洞實驗；抑塵效果；粒徑分布

風是揚塵產生的動力，當外界風力達到一定程度，顆粒就會離開垛堆表面從而形成揚塵[1]。防風網作為治理露天堆料場風致揚塵的最新手段，優于灑水、噴結殼固凝劑及織物覆蓋等傳統措施，具有一次性投資，長期受益，維修管理費用低等優點[2]。

國外對于防風網的實驗研究由來已久，國內起步稍晚。1977年，Raine和Stevenson[3]通過風洞試驗，使用熱線風速儀研究了網后速度場和湍流流場。1997年，宣捷和俞學曾[4]的起塵率模擬實驗，指出風洞模擬實驗中孔徑雷諾數應大于臨界雷諾數。2007年，Dong[5]等通過風洞模擬實驗，發現湍流強度是影響防風網抑塵作用最直接的因素。2010年，辛庚華[6]等采取現場實測的研究辦法，發現垛堆的起塵量與諸多因素有關，風速占主導作用，防風網的網前存在減風區。陳延國[7]等進行現場實測研究，驗證了防風網的防風抑塵作用。2011年，張寧[8]等通過可視化風洞模擬實驗，發現防風網可有效降低堆垛迎風面的摩擦風速，對背風面影響較小。

綜上所述 ，關于防風網的實驗研究復雜多樣，研究方法也具有不可否認的局限性。李建隆[9-11]等研發出一種新型導流型防風網，在常規平板型防風網網孔上增設導流翅片，減小來流風直接沖擊料堆迎風面的作用力，改善了防風網的防風抑塵效果。但新型防風網的遮蔽效果還缺乏實驗性研究。網的遮蔽效應作為防風網擋風抑塵性能的評判依據，本文就導流型防風網的遮蔽性進行實驗，結合流場模擬進行對比分析。

1 實驗模型

研究選用直流吸式低速環境風洞進行防風網的遮蔽實驗。實驗段模型為長1 800 mm，寬600 mm，高600 mm，采用有機玻璃材料制作的長方體。防風網模型為開孔率30%的鐵板網，高H:100 mm,寬600 mm,厚2 mm。實驗段流場分布如圖1所示。

2 結果及分析

2.1 防風網遮蔽實驗

對收集到的降塵進行單位時間內單位起塵面積單位收集面積的計算，規定該收集量為收集率。

圖1 實驗段流場分布圖Fig.1 The sketch map of the experiment distribution

在10 m/s的統一風速下，對粒徑小于900 μm的細混合沙堆進行實驗，如圖2所示。實驗結果顯示，從不加設防風網到加設導流型防風網和圓孔型防風網后的細混合沙堆的揚塵收集率從493.32 g·s-1·m-4分別降到0.13 、0.11 g·s-1·m-4。在沒有防風網的情況下，垛堆前幾乎沒有沙降，沙粒降落最多的區域在垛堆后，且隨著到垛堆距離的加大，降塵量急速降低。

圖2 風速10 m/s不同防風網遮蔽揚塵收集率R Fig.2 Wind speed under different windproof net cover 10 m/s dust collecting rate R

圖3 為風速10和13 m/s時不同防風網遮蔽下的沙堆揚塵收集率。分析可知，當風速為13 m/s時導流型防風網的起塵收集率為17.218 14 g·s-1·m-4遠遠超過了圓孔平板網的0.997 516 g·s-1·m-4，風速為10 m/s時兩種網的遮蔽效果近似。風速由10 m/s升高到13 m/s時，導流型和圓孔型的揚塵收集率分別提升了130倍和9倍。實驗數據顯示，沙堆在圓孔平板網的遮蔽下，揚塵降落在垛堆后較多；在導流型網板遮蔽下，網板與垛堆之間顆粒回流較嚴重，降塵多存在于網板與垛堆之間。雖然圓孔平板網起塵率低，但是揚塵全部落入垛堆后方。不同開孔形式網板后的流場變化不同帶來顆粒運動形式的不同，如圖4流場跡線圖所示。

圖3 不同風速防風網遮蔽下揚塵收集率RFig.3 Different wind speed under different windproof net to cover the dust collecting rate R

圖4 風速10 m/s流場跡線局部放大圖Fig.4 Wind speed 10 m/s flow field trace of partial enlargement

2.2 顆粒起塵的數值模擬

用Fluent軟件對防風網后的料堆進行揚塵模擬，采用相間耦合隨機軌道模型，將流體視為連續介質，顆粒相視為離散介質。固相顆粒在垛堆表面被吹起進入連續相。因為實驗觀測發現沙堆揚塵主要發生在垛堆迎風面，所以模擬過程中只分析了迎風面的起塵情況。

圖5為揚塵顆粒在導流型防風網后的地面散落分布情況。圖6是對地面顆粒的統計收集率。通過模擬數據分析可知，顆粒在防風網與垛堆之間的降塵量遠大于網后的顆粒降塵量。與實驗得到導流型防風網后堆前顆粒回流嚴重，堆后揚塵少的結論相符合。所以在模擬顆粒揚塵降落方面的模型認為是可用的。

2.3 混合粒徑沙堆揚塵的粒徑分布規律

10 m/s風速無防風網情況下，分別對建筑用粗、細兩種混合沙堆進行揚塵分布實驗，對比不同粒徑沙起塵的質量比和數量比。假設建筑用沙密度ρ= 2 650 kg·m-3,對不同粒徑的沙粒進行質量估算，比較實驗收集到的沙粒質量與數目的變化規律。

圖5 導流型防風網后地表顆粒散落分布Fig.5 Particle scattered distribution on the ground behind deflector-porous fence

圖6 導流型防風網后地面顆粒收集率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風速下，沙粒收集總量中不同粒徑的質量比例與數量比例關系。在粒徑低于900 μm的細沙堆中起塵質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塵實驗中發現，除粒徑較大的大顆粒沙所占的質量比和數量比都非常低外，其揚塵沙的粒徑分布規律與細混合沙堆幾乎一致。實驗所用沙堆中700 μm的大粒徑沙的揚塵質量比最大，隨沙粒直徑的降低所占質量比逐次降低，數量比的規律與質量比相反。

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

2.4 不同粒徑的沙粒起塵分布規律

圖8 不同粒徑的沙粒起塵質量比隨位置變化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量比隨位置變化曲線圖，（a）為細沙堆，（b）為粗沙堆。在10 m/s風速下進行分析實驗，細混合沙堆起動觀測實驗中，堆后散落顆粒的粒徑分布具有一定的規律性。700 μm的沙最多，400 μm的次之，而100 μm以下的則最少。細混合沙堆和粗混合沙堆，在相同密度下的質量比分布都是該規律。隨著到垛堆距離的增加，粗顆粒的后續比例分布是減少的，而細顆粒的分布比例則是慢慢增加的。稱量數據表明混合粗糙沙堆的顆粒起塵總量較細沙混合起塵量要少很多，約100倍關系，與細混合沙堆相同的是700 μm沙粒起塵量遠遠多于其他粒徑區間的分布量。圖9為細混合沙堆和粗混合沙堆表面沙粒起塵數量比隨位置變化曲線圖。細混合沙堆和粗混合沙堆，在相同密度下，顆粒數量比與質量比分布變化規律則是完全相反的。

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

3 結 論

利用風洞實驗，通過對不同防風網的遮蔽效果進行實驗對比，得到以下結論：

（1）防風網能夠明顯的降低沙堆揚塵量，導流型防風網的堆前存在降塵區域，揚塵多發生于迎風面的下半部分，網板與垛堆之間顆粒回流嚴重，揚塵多降落于堆前；無防風網和設圓孔平板防風網的情況下，料堆迎風面的上半部分為主要揚塵區。

（2）混合粗糙沙堆的顆粒起塵總量較細混合沙堆的起塵量少很多，約100倍關系，且與細混合沙堆相同的是900～450 μm之間的沙粒起塵量遠遠多于其他粒徑區間的分布量。實驗所用沙堆中900～450 μm粒徑沙的揚塵質量比最大，隨沙粒直徑的降低其對應的質量比也逐次降低，而數量比的規律與質量比的完全相反。

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

［2］段振亞,石文梅,鄭文娟,宗潤寬.防風網抑塵機理研究及工程應用進展[J].石油化工設備,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,俞學曾.風障減少塵埃飛起的風洞模擬研究[J].環境科學研究, 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］辛庚華.露天堆場起塵與防風網遮蔽效果機理研究及現場實測分析[D].大連:大連理工大學,2010.

［7］張寧,陳延國,Sang-joon Lee.防風網對煤堆遮風效果的風洞實驗研究[J].實驗流體力學,2011,25(4):50-54.

［8］陳延國, 辛庚華.防風網防風抑塵效果現場實測研究[J].中國新技術新產品,2010,28.

［9］陳光輝,李建隆,王偉文. 露天散狀料堆放場的防風抑塵方法及其防風抑塵網和用途 : CN,200810249627.5 [P]. 2009-07-22.

［10］范軍領,王偉文,張攀.防風抑塵網:CN,200820232839 [P].2009-12-16.

［11］董繼鵬.強風流過散堆料場的流場模擬與抑塵研究[D].青島:青島科技大學,2009.

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

山東省自然科學基金資助（ZR2011BQ006）

2015-03-30

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

李建隆，E-mail: ljlong@qust.edu.cn。