露天堆场防风抑尘网临界孔隙率的数值模拟

摘要

孔隙率是影响露天堆场防风抑尘网作用效果最显著的因素，是防风抑尘网优化设计的关键。目前学者们对孔隙率的研究多集中于堆场散尘量、平均速度、平均压力系数等宏观标量的分布特征，以料堆表面微观运动学和动力学因素为标识，通过对料堆表面不同高度处及抑尘网前后流场特性的微观分析而对孔隙率进行优化设计的深入研究鲜有报道。本文利用CFD软件对露天堆场防风抑尘网周围流场进行了三维数值模拟，通过对流场及料堆表面的微观动力学及运动学分析，获悉兼具高孔隙率及低孔隙率工况流场特性的临界孔隙率，并探究了临界孔隙率随来流风速及堆形的变化规律。得出的主要结论如下：
　　(1)基于FLUENT软件建立露天堆场周围流场的三维数学物理模型并对其进行模拟计算，分析了不同孔隙率、不同风力工况，堆场各断面、料堆表面相对风速及抑尘网与料堆周围速度矢量分布、不同高度处压力及压力系数分布、料堆周围湍流度分布及料堆各表面剪切力分布。以直接影响料堆表面起尘量的表面剪切力为标识，介于高孔隙率（e^0.3)和低孔隙率(8<0.2)时速度矢量分布特性和料堆表面剪切力分布规律迥异的现象，推知在高低孔隙率之间必然存在一临界孔隙率；进而分析了孔隙率为0.225、0.24、0.25、0.26和0.275时，料堆周围速度矢量分布及料堆各表面沿高度和宽度的分布规律，结果发现：料堆表面总剪切力随孔隙率的变化规律并非像高低孔隙率工况时的单调一致变化，而是先减小后增大，存在一个最小值；在来流风速为6.7m/s时，棱台形料堆模型计算得出的最小剪切力为无网工况的11.1％，对应的临界孔隙率为0.25。
　　(2)基于不同风速料堆周围流场的计算结果，探究了风速对临界孔隙率的影响。通过比较分析2?7级风力（2.5m/s、4.4m/s、6.7m/s、9.4m/s、12.3m/s和15.5m/s)下抑尘网与料堆间的流动特性及各表面剪切力分布规律得出：各级风力下，抑尘网与料堆间流动特性基本一致，流态变化对应的孔隙率略有不同；以料堆表面总剪切力为依据，在vin<6.7m/s时，即较小风速范围内，临界孔隙率不随来流风速的变化而改变，恒为0.25;当vm^9.4m/s时，临界孔隙率随来流风速增大而逐渐减小，在本文研究的风速范围内的变化范围为0.225?0.25。
　　(3)为探究堆形对临界孔隙率的影响，在对棱台形料堆进行模拟的基础上，以多学者实验或数值模拟使用的三棱柱形及圆锥形典型堆形为模型，计算分析了6种来流风速、11种孔隙率工况抑尘网与料堆间的流场特性及料堆表面总剪切力分布规律得出：来流风速为12.3m/s时，棱台形、三棱柱形及圆锥形料堆表面总剪切力分布规律基本一致，均随孔隙率的增大先减后增，存在最小剪切力；前两种堆形对应的抑尘网临界孔隙率相差不大，分别为0.23和0.24;圆锥形料堆由于迎风面和背风面面积随堆高增加急剧下降，流通断面积骤减，必然使得相同孔隙率工况，料堆周围流场结构与棱台形及三棱柱形时差异显著，其临界孔隙率为0.325。
　　本文基于以流态转变和表面剪切力之和最小判定的临界孔隙率，通过对不同来流风速及堆形工况下抑尘网与料堆间的涡旋分布及料堆表面剪切力微观分布探究得出：当来流风速vin≤6.7m/s时，临界孔隙率不变，恒为0.25； vin≥9.4m/s时，临界孔隙率随风速的增大逐渐减小，为0.225?0.25;来流风速为12.3m/s时，棱台形、三棱柱形及圆锥形堆形工况，临界孔隙率分别为0.23、0.24和0.325;临界孔隙率受迎风面和背风面面积沿堆高的变化规律影响显著。本文为防风抑尘网最优孔隙率的判定提供了一种新的方法，对防风抑尘网的优化设计提供了科学指导和数据支撑。

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主要符号说明

第一章绪论

1 .1研究背景

1 .2国内外研究现状

1 .3研究内容与方法

第二章露天堆场及防风抑尘网数学物理模型及数值模拟

2 .1 数学模型

2. 2物理模型

2. 3网格划分

2. 4边界条件设置

2. 5数值模拟

第三章防风抑尘网后流场特性及料堆表面动力学特性

3. 1速度场

3. 2压力及压力系数

3. 3湍流度

3. 4表面剪切力

第四章风速及堆形对临界孔隙率的影响

4 .1风速对临界孔隙率的影响

4. 2堆形对临界孔隙率的影响

第五章结论与展望

5 .1研究结论

5 .2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及获得的奖励