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導流板型防風網的流場模擬與抑塵研究

發布時間:2015/10/27 技術施工 標簽防風網瀏覽次數:2003

摘 要:針對常規型防風網庇護范圍有限等缺點,采用導流、整流措施,設計了導流板型防風網。應用CFD模擬軟件FLUENT 6.2提供的標準腓模型,以流場數值模擬的方法對導流板型防風網結構及其網后流場進行數值模擬,研究了導流板型防風網對物料堆表面速度、壓力和湍流強度變化的影響,并與常規防風網的擋風抑塵作用進行了比較。模擬結果表明:導流板具有導向作用,使滲流風以一定角度上揚,減小了滲流風對防風網后物料堆表面的直接作用,同時延緩了繞流風對料堆頂部的影響;與常規防風網后料堆表面性質相比,導流板型防風網后料堆表面速度較小,壓力變化較小,頂部附近湍流強度變化較小;綜合分析各因素,導流板型防風網擋風效果明顯。

關鍵詞:防風網;導流板;數值模擬;標準 e模型

防風網是一種疏透多孔的障礙物,通過設置防風網,一方面可減少來流風速,另一方面減少來流風的不穩定性,從而抑制散料堆表面的起塵。防風抑塵網具有結構簡單、維護管理費用低、經濟和使用方便等優點,已在國外被成功用于抑制大型散堆料場的揚塵。
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2.2 湍流模型的選擇
目前,工程上常用的湍流數值計算大致分為:直接模擬法(DNS)、雷諾時均方程法(RANS)和大渦模擬法(LES)3類。標準/ ~-8模型是一種基于雷諾時均方程法的雙方程模型,具有方程簡單、計算速度快的特點,已在工程中得到廣泛的應用[133。防風網·前后的氣體流動基本呈各向同性,無強旋流,故可選用標準/~-8模型模擬其流場。

2.3 邊界條件
入口邊界:人口氣流為標準狀態下的空氣,人口氣流速度采用平均速度,沿入口截面法向速度為13.5 m·s_。,壓力為常壓。出口邊界:自由壓力出口,出口壓力為外界大氣壓。壁面邊界:壁面不可滲透,不存在滑移速度,通過壁面函數方程來計算壁面剪應力、近壁處湍動能、湍流擴散率口引。
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2.4 差分格式選擇
流動控制方程組采用FLUENT 6.2軟件包提供的有限體積法離散求解。擴散項采用中心差分格式,對流項采用二階迎風差分格式。代數方程組采用分離隱式求解方法,用SIMPLEC算法耦合連續性方程和動量。

3 結果與討論

3.1 流場速度矢量圖分析

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圈4 導流板型防風網與物料堆間速度矢量圖
從圖4(a)可以看出:來流風經過防風網后,形成繞流風和滲流風,在防風網與物料堆間形成低速區(風速降至3.5~5.5 nl·s-1),在其上方形成高速區。繞流風繞過防風網后直接加速離開,滲流風穿過防風網消耗能量后繼續向下游流動,到達物料堆后沿迎風面表面向上流動,在物料堆頂部出現邊界層分離現象,一部分和繞流風匯合后向下游流動,另一部分則在背風面形成速度回流區。從速度矢量圖來看,防風網具有較好的遮蔽效應,網后流場的風速明顯減小。
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圖4(b)為導流板型防風網與物料堆間速度矢量的局部放大圖。由位置3看出,由于導流板的導流、整流作用,來流風穿過網孔后經過導流板,其風向有一定角度的上揚(約60。),使部分滲流風匯入繞流風,減小了網后滲流風的強度,從而減緩了繞流風速度邊界層分離對物料堆頂部的直
接作用;同時增大了滲流風Y方向l的速度分量,減小了直接作用于迎風面表面的滲流風,其頂部附近最大風速減小至5.8 m ·s一。圖4(b)中位置2表明,來流風經過防風網時,導流板的背風面形成低壓區,從而導致部分上揚的滲流風向低壓區流動,并與其它滲流風相互作用形成湍動旋渦。湍動旋渦的存在減小了滲流風的能量,降低了滲流風對料堆粉塵的卷揚,進一步增強了網的擋風功能。

3.2 物料堆表面速度分布
圖5為不同來流風速時2種防風網后物料堆表面風速的變化趨勢。可以看出,2種防風網作用下,物料堆表面的風速從料堆底部沿迎風面表
面向上逐漸增大,在料堆頂部附近達到最大值,而后進入背風面,風速迅速降至0.3 m ·s1左右后基本不變。這主要是由于:底部滲流風到達物料堆底部后,由于受到物料堆的阻擋,從料堆底部沿料堆迎風面爬升,在爬升過程中,與上層滲流風匯合,風量增大,風速由料堆底部沿迎風面表面向上逐漸增大。滲流風經過物料堆頂點后,大部分保持原方向繼續向下游流動,小部分出現邊界層分離,在物料堆后形成穩定的速度回流區,使得風速迅速下降。
不同來流風速下物料堆表面風速
圖5 不同來流風速下物料堆表面風速
由圖5還可以看出,導流板型防風網后物料堆迎風面的風速值小于常規防風網迎風面的風速值。來流風速分別為9和13.5 111·S 下,與常
規防風網相比,在物料堆頂部的風速平均減小了19 。常規防風網后物料堆表面的風速還存在一定的波動,這是由于沿料堆迎風面爬升的滲流風
與防風網后的滲流風方向不同而產生旋渦,料堆表面的旋渦容易將物料卷揚起來,不利于抑塵。

而導流板型防風網由于沿迎風面爬生的滲流風與滲流通過中間和上層防風網的來流風均具有傾斜向上的速度方向,避免了料堆表面旋渦的產生,減小了粉塵卷揚。

3.3 物料堆表面壓力分布
顆粒從物料堆揚起的起塵力與料堆表面的壓力波動密切相關 ]。壓力系數的定義式[10-12 為表面壓力的變化趨勢。由圖6分析可知,物料堆
迎風面的壓力從物料堆底部沿其迎風面表面向上逐漸減小,這是由于來流風沿物料堆表面逐漸上升造成靜壓力的損失,同時滲流風風速從料堆底
部沿迎風面表面向上逐漸增大,動能增大,作用于迎風面表面的滲流風靜壓能逐漸減小所致;背風面則由于形成了穩定的風速回流區,壓力基本不變。從表面壓力的變化來看,風速較小(9 m ·s )時,迎風面與背風面壓力變化相差不大,防風網擋風作用并不明顯。當來流風風速較大(13.5m ·s )時,迎風面頂部附近壓力變化加大,易起塵,其它部位抑塵效果則較好。
不同來流風速下物料堆的表面壓力
圖6 不同來流風速下物料堆的表面壓力

變化小于常規型防風網。來流風為13.5 m ·s時,常規防風網在料堆頂部附近,C 由一0.3迅速下降至一0.55,而導流板型防風網由一0.4降至一0.5,導流板型防風網的壓力變化率減小了6O 。這說明由于導流板的導向作用,料堆頂部附近壓力波動較小,導流板型防風網擋風抑塵效
果明顯。

3.4 物料堆表面湍動能分析
圖7為不同來流風速時2種防風網后物料堆表面湍流強度的變化。由圖7可見,物料堆迎風面湍流強度從物料堆底部沿迎風面先逐漸增大,后趨向平緩,在料堆頂部達最大值。這是由于料堆對滲流風的阻擋作用,使湍流強度從物料堆底部開始漸漸增大,沿迎風面爬升過程中流場則較穩定、有序,因此,其湍流強度變化不大。而在物料堆頂部,由于速度邊界層分離的存在,以及背風面形成速度回流區,壓力和速度變化梯度較大,導
致其湍流強度達最大值。在背風面由于速度回流區內流場穩定,湍流強度則基本不變。

圖7
由圖7分析得到,2種防風網后料堆表面湍流強度變化趨勢相同。導流板防風網在物料堆的中下部具有較大的湍流強度,但其在物料堆頂部附近湍動強度變化較小,說明物料堆頂部流場較穩定。考慮到物料堆頂部是顆粒容易揚起的區域,抑制此區域顆粒起塵是提高防風網擋風作用的關鍵,因此,導流板型防風網抑塵作用較好。

4 結 論
1)導流板可使滲流風以一定角度上揚,一方面減小了滲流風對防風網后物料堆的直接作用,另一方面則延緩了繞流風對料堆頂部的影響。
2)與常規防風網比較,導流板型防風網后料堆表面速度較小,頂部附近風速減小19 ,壓力波動最大減小達6O ,頂部附近湍流強度變化較
小,擋風抑塵效果較好。
3)綜合分析物料堆的表面速度分布、壓力分布和湍動能變化可知,與常規防風網相比較,導流板型防風網擋風抑塵效果顯著提高。

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王經理