防风抑尘网研究进展

孙昌峰，陈光辉，范军领，李建隆

（青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266042）

进展与述评

防风抑尘网研究进展

孙昌峰，陈光辉，范军领，李建隆

（青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266042）

防风抑尘网作为一种能有效控制散堆料场起尘与扩散的手段，近年来得以推广，并得到学术界的关注。本文综述了国内外防风抑尘网的研究现状和进展。着重从作用机理、防风效应的影响因素、数值模拟进展及防风网的应用等方面对防风网进行了总结评述；同时介绍了一种新型防风网——导流型防风网，即在常规平板型防风网网孔上增设导流翅片，使来流风绕过料堆产生上扬以减小其对料堆的直接作用力，并借助数值模拟手段对新型防风网的抑尘性能进行了研究；最后对防风网目前存在的不足和未来的研究方向进行了探讨。

防风抑尘网；防风抑尘效应；数值模拟；导流翅片

Abstract：Porous fence，which is an effective method to abate dust emission in a bulk material storage yard，has been used in many practical applications and aroused extensive attention in academic fields. In this paper，the current status and progress of porous fence are summarized，including mechanisms，progress of numerical simulation and several influence parameters on the shelter effect. Simultaneously，a porous fence with deflector，which plays a guiding role and directs the air flow up to a certain angle in order to reduce the direct impact on the windward surface of the bulk material pile is introduced，the shelter effect of the new porous fence is investigated numerically. The present imperfection and direction of future research are also discussed.

Key words：porous fence；shelter effect；numerical simulation；deflector

防风网古称防风栅、防风障[1]，是一种多孔的障碍物，最初是人类用来抵御风沙侵袭的有效手段。广义的防风网是可以减小风速的任何结构，如木栅、金属网、树篱等[2]。而工程上的防风网是指减小风强技术的工程装置，主要由具有一定开孔率的金属网板或者由编制、粘接、挤压成型的非金属网片、支撑钢结构、地下混凝土基础和相应的辅助喷水装置以及自控仪表系统组成。

防风网按其移动性能可以分为移动式和固定式[3]。移动式防风网采用电动升降，在使用时将防风网上升到一定的高度，不使用时将防风网降低，不影响其它作业，其主要应用于移动性较大的现场作业，如港口堆场煤炭加工等行业。而固定式防风网一般被加工成型后装配到框架上，然后连接到固定在地面的钢支架上。考虑到造价、操作性等因素，目前防风网以固定式为主。按网板形式的不同防风网可分为蝶形、直板形、半圆形等[4]，其中蝶形和直板形较为常见。而根据材质的不同，防风网又可分为镀铝锌网、玻璃钢网、柔性纤维网等。其中镀铝锌网因具有耐腐蚀、耐湿热等优点，主要应用于港口或近海堆料场。而玻璃钢网和柔性纤维网则主要用于防风网设计使用年限较短的堆料场。

防风网的基本原理是通过设置多孔透风的屏障来降低来流风速并减弱其湍流强度，达到防风抑尘的目的[5-6]。因具有结构简单、维护方便、营建迅速等特点，已在农、林、工矿等行业及许多大型港口得到广泛应用[7-10]。本文作者对近年来国内外在防风网方面的研究进行了综述，并对防风网未来的研究方向进行了展望。

1 抑尘机理

防风网是利用空气动力学的原理，将网前大尺度、高强度的旋涡梳理成小尺度、弱强度旋涡，从而改变网后的微环境[11]以达到减弱下游风速[12]和流场湍流度的效果，防止粉尘的飞扬。

防风网的抑尘机理与网后颗粒的起尘机理密切相关。Dong等[13]依据对网后不同距离处颗粒的起动风速的观测评价了防风网的防风抑尘性能，指出防风网增大了网后颗粒的临界起动风速，因而能达到抑尘的目的。Lee等[14]研究发现当来流风达到颗粒的临界起动风速时，料堆表面的颗粒开始跳跃，且随着开孔率的降低，网后颗粒的临界起动速度逐渐增大。丛晓春等测定了不同矿料颗粒的起动风速并考察了扬尘量随风速的变化关系，结果表明当来流风速低于颗粒临界起动风速时，颗粒不起尘；当风速超过临界起动风速时，起尘量随着风速的增大呈4次方增大。

目前，研究者认为防风网减小了网后风速，增大了网后颗粒的临界起动风速从而达到抑尘的目的。林官明等[15]则应用子波分析对防风网后的湍流信号进行了研究，发现网后旋涡的能量和发生频率有显著地降低，证明了防风网对起尘的抑制除了表现在降低风速以外还表现在对猝发旋涡的抑制，从而从另一个角度阐述了防风网的抑尘机理。

2 防风抑尘效应的影响因素

影响防风网防风抑尘作用的因素很多，其中防风网的结构对其防风抑尘效应及网后庇护区的大小起决定作用，了解这些结构因素可以更深入的认识防风网，并指导结构的设计优化，提高防风网性能。

2.1 开孔率的影响

开孔率是防风网的开孔透风面积与总面积之比，作为防风网的结构指标[16]，是影响防风网防风抑尘性能最重要的因素[12，17-20]。

Raine等[21]考察了不同开孔率的防风网后平均风速和湍流度的变化。研究发现，开孔率为20%时，防风网能最有效地减小其背风面的平均风速。与未开孔的防风网相比，开孔的防风网能更好的减小平均风速，而较高开孔率的防风网则能够提供更好的总体庇护效应。Li Wei等[22]研究发现开孔率在23%～30%时，近网处具有较小的风速。Lee和Park[23]讨论了防风网后料堆表面的压力变化，发现开孔率在 40%～50%时，防风网能较大程度的减小料堆表面的压力，对料堆起尘的抑制作用最强。

防风网的开孔率也是决定网后回流区变化的重要参数[24]。Castro[25]和Ranga等[26]均发现当防风网开孔率大于30%时，网后回流即会消失，而Lee和Kim等[27]则报道了当开孔率大于40%时，由于通过网的强渗流风的影响，网后平均风速增大，回流消失；而对于开孔率为40%的防风网，网后流场具有较好的流动特性，网后流场的湍流强度也较小。

此外，Lee等[28-29]还通过风洞试验研究了防风网对料堆的庇护效应，研究表明具有最佳庇护效应的防风网其开孔率在30%～40%。而Mercer[30]则报道了防风网的最佳开孔率在25%左右。

综上所述，开孔率对防风网的防风抑尘性能起着至关重要的作用，但目前国内外对开孔率的研究结果并不一致，这是由于试验所处的大气环境、模拟及实验采用的模型不同所致。最佳的开孔率一般在20%～50%。

2.2 网高的影响

防风网的高度与庇护范围密切相关。Torano等[31]考察了露天储料场颗粒的起尘情况，发现当网高小于料堆高度时，在防风网至网后2倍料堆高度间的颗粒起尘量最小；而当网高为1倍和1.2倍料堆高度时，在网至网后 3倍料堆高度间的颗粒起尘量最小。陈凯华等[32]则对某钢铁厂露天堆料场防风网防风效果进行了数值模拟，结果显示，在风速一定的情况下，持续增大网的高度并不能达到持续扩大庇护范围的效果，网高与受保护料堆的高低和料场的面积有直接的关系，网高取值为受保护料堆高度的 1.5倍较为适宜。Dong等[13]研究发现防风网的庇护范围随网高的增加而增大，当达到一个峰值后，网高再增加，防风网的庇护范围变化并不明显。

有研究表明[1]：当防风网的高度为料堆高度的0.6～1.1倍时，网高与抑尘效果成正比；当防风网高度为料堆高度的1.1～1.5倍时，网高对抑尘效果的影响趋于平缓；当防风网高度为料堆高度的 1.5倍以上时，随着网高的增加抑尘效果无显著的变化，因此防风网最佳高度为料堆高度的1.1～1.5倍。

2.3 网与料堆距离的影响

与开孔率和网的高度相比，网与料堆距离（网至料堆前堆脚的距离）的影响并不十分显著。Lee等[23]研究发现，在开孔率和网高一定的情况下，改变防风网与料堆之间的距离对料堆表面的平均压力并无大的影响。Li Wei等[22]则报道了当间距大于4倍的网高时，开孔率为50%的防风网的庇护效应接近于未开孔的防风网的庇护效应。而有研究表明[1]：当防风网沿料堆脚放置时，由于网后漩涡的影响，极易导致起尘，同时在堆脚和堆顶处渗流风速的降低并不显著，而在网后2～3倍料堆高度的距离内有一个低风区，减速效果较好。日本的研究[1]表明防风网与最近料堆的距离可控制在1.0～1.5倍料堆高度之内。

此外，Kim 和Lee[33]还考察了防风网网孔大小对网后流场的影响，发现在同一开孔率下，随孔径的减小，防风网对来流风的阻碍作用不断增大，渗流风的湍流度也不断增加。Yeh等[34]研究了不同的来流风方向对防风网性能的影响，结果表明，防风网的抑尘作用很大程度上取决于来流风的方向，传统防风网布置方式为在料堆四周呈长方形布置，此时，在来流风向与迎风面呈45°夹角时对网后料堆的抑尘作用较差；而呈八边形布置时，对于倾斜角度来流风，防风网的抑尘作用有较大改善。

3 防风抑尘网的工程应用

在防风网的工程应用方面，近年来日本、韩国等所做的研究较多，日本从20世纪70年代起，就开始对防风网进行相关研究，并将防风网技术应用于控制港口露天煤堆场的粉尘污染上[1]。韩国浦项科技大学的Lee和Park[35]对POSCO钢厂5号煤堆场两侧设置的防风网的抑尘效果进行了现场测试，结果发现网后流场湍流强度减小了50%，总悬浮颗粒（TSP）减少 70%～80%。目前，国外应用防风网的案例有日本电源开发株式会社下辖的大型发电厂、中国台湾台中火力发电厂燃煤储运场、日本东京电厂、荷兰鹿特丹港务局等，均取得了较好的防尘效果。

我国大陆防风网防尘技术虽然起步较晚，但近几年发展较快。交通部水运科学研究所所做工作较多，对神华天津煤炭码头、曹妃甸港、秦皇岛煤炭码头等防风网工程进行了相关的研究及工程设计工作，现已投入使用，其中于2008年10月竣工的秦皇岛港煤三期防风网工程是目前世界上最大的防风网工程，每年可直接减少粉尘排放2000多吨[4]。青岛科技大学段振亚等[36]提出了采用防风网和拦沙网的组合形式来抑止二次扬尘的方法，在此基础上开发的防风网相继在某钢厂 500万吨球团厂料堆场、西柏坡电厂和山东沾化热电厂堆煤场投入使用。目前，随着防风网防尘技术的日趋成熟，防风网在我国的工程应用范围正逐渐扩大。

4 数值模拟研究进展

随着计算机技术的快速发展，越来越多的研究者开始应用数值模拟方法对防风网后流场进行模拟分析。而应用CFD商业软件（如Fluent、CFX）对防风网进行数值模拟已成为趋势[37-39]。

4.1 模拟方法

由于防风网后流场表现的是湍流特征，因此其数值模拟的研究进程很大程度上依赖于湍流模拟的研究进展。目前针对湍流的数值模拟方法主要是非直接数值模拟法，即设法对湍流作某种程度的近似和简化处理，而不直接计算湍流的脉动特性[40]。非直接模拟法主要有两大类：大涡模拟（LES）法和Renolds平均法（也称RANS方法）。图1是湍流数值模拟方法的分类图[40]。

大涡模拟法基本思想为用瞬时的N-S方程直接模拟湍流中的大尺度涡，不直接模拟小尺度涡，而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。Maruyama[41]利用LES方法对防风网周围的湍流特性进行了模拟。模拟过程采用亚格子尺度模型使控制方程封闭。由于使用了较粗糙的计算网格，模拟过程的计算量与细网格相比大大减轻，模拟结果与风洞试验结果吻合仍较好。

Renolds平均法是目前使用最广泛的湍流数值模拟方法，其核心是不直接求解瞬时的Navier-Stokes方程，而是想法求解时均化的Renolds方程。

Wilson[42]在1985年利用Renolds应力模型对防风网的动力学特性及网周围的流体运动进行了研究，发现该模型对近网处湍流运动模拟较准确，而对网上空域内高速区及网后回流区的模拟结果不够稳定。在2004年的研究中Wilson[43]分析了RANS模型在模拟网后流场较复杂区域时出现的不稳定性，认为湍流模型的选取对模拟结果的影响很大。为此，Santiago等[44]比较了3种不同的k-ε湍流模型（标准k-ε、RNG k-ε、realizable k-ε）对防风网后流场模拟的影响。结果发现：仅考虑平均风速的变化时，3种模型的模拟结果均与 Bladely和Mulhearn等[45]的试验结果吻合较好，standard k-ε模型对网后回流区内平均风速的模拟较理想，而RNG k-ε和realizable k-ε对网上空域内高速区的模拟较好，但三者的区别不大。而在对防风网最佳开孔率的模拟研究中，由于考虑了湍流脉动的影响，发现RNG k-ε和 realizable k-ε模型的模拟结果要明显好于 standard k-ε模型。目前，国内外对防风网数值模拟应用较多的湍流模型为 RNG k-ε模型和标准k-ε模型。

由于Renolds平均法避免了直接模拟法计算量大的问题，且模拟效果较好，因此，目前对防风网的数值模拟所采用的方法大都为Renolds平均法。

图1 湍流数值模拟方法及相应的湍流模型

4.2 流场分布

设置防风网后，来流风被分为两部分：一部分沿着防风网的网页向上流动，在防风网顶部产生边界层分离，从而形成湍流剪切层[21]；另一部分由透风孔穿过防风网，称为渗流风，继续向下游运动[46]。由于防风网后流场的复杂性，通过风洞试验深入了解防风网的空气动力学特性具有一定的局限性，而数值模拟则可以更直观的显示出网后流体的流动特性。

Lee等[47]通过模拟得出了如图2所示的流线图，较直观的显示出了防风网后的流场。其研究还表明，随着开孔率的减小，渗流风相应的减少，在网与料堆迎风面之间和料堆背风面处分别有回流出现，且当开孔率为20%时，由于网后风速被大大减小，使得料堆前后表面的压力值近乎一致。Wang和Takle[48]利用Renolds平均法对防风网前后的流场进行了模拟，考察了流场内流体的运动情况。研究发现：防风网开孔率的大小决定了其后流场的分布，当开孔率在40%～99%时，防风网后流体为非分离流动（unseparated flow），此时，防风网附近流线的弯曲程度随开孔率的减小而增大，风速呈U型分布，网后无速度回流区出现。流场被防风网网分为 3个区域：网前风速减弱区、网后风速减弱区和网上部风速加速区。而最大风速减弱点在网后（4H，1/3H）（H为网高）处，且高度越大，最大风速减弱点越趋近于防风网。当开孔率在6%～30%时，流体为分离流动（separated flow），此时，近网处流线弯曲程度较大，网后形成了近似三角形的速度回流区，使得风速呈W型分布，且网后存在两个最大风速减弱点，分别在网后（1H，0.8H）和（3H，0.2H）处。在对湍动能进行分析时发现，开孔率为 6%、20%、40%、62%的防风网网后均在近地面处存在较弱的湍流区，而在靠近网高处则存在较强的湍流区。

图2 防风网的作用机理

4.3 导流型防风网

来流风经过常规防风网后，渗流风会直接作用于料堆的迎风面，产生对颗粒较强的作用力，迫使颗粒从料堆表面扬起，形成二次起尘。针对常规防风网的不足，青岛科技大学化学工程研究所[49-50]研究开发了一种新型防风网，通过导流、整流措施，在常规平板型防风网网孔上增设导流翅片，使来流风在导流翅片的作用下沿料堆向上爬升，减小风直接冲击料堆迎风面的作用力，从而进一步改善防风网的防风抑尘效果。新型防风网模型如图3所示，采用长孔或椭圆孔，网孔的一侧被冲压成翻边导流翅片，且翅片与防风网平面呈一定角度，因而对来流风起到导流作用。

作者课题组[51]应用CFD模拟软件Fluent 6.2分别对常规平板型防风网与新型防风网后的流场进行了模拟。数值模拟的计算区域设置为长2000 mm，宽600 mm，高600 mm的长方体空间；防风网厚2 mm，高度H=100 mm，宽度为600 mm，开孔排布近似为菱形分布，开孔率为 38.5%，防风网后设置三角形料堆，其高度为75 mm，网堆距为160 mm。利用网格生成软件Gambit对模型进行前处理，生成的网格如图4、图5所示。

图3 导流型防风网结构示意图

图4 防风网流场模拟的网格划分

图5 导流型防风网附近局部网格

图6 常规型防风网后流场速度矢量图

图7 导流型防风网后流场速度矢量图

模拟采用Renold时均方法，利用standard k-ε湍流模型使方程组封闭。图6、图7为防风网后流场速度矢量图。可明显看出：导流板具有良好的导向作用。与常规防风网比较，导流型防风网后料堆表面速度较小，渗流风速减小40%左右；顶部附近风速减小19%，压力波动最大可减小60%；湍流强度变化较小，防风抑尘效果好。

5 结 语

防风网作为一种能控制起尘和扩散的有效手段，目的是减小其下风向的风速。目前对防风网防风抑尘效果影响因素的考察主要集中在开孔率、网高、网与料堆的距离等方面；开孔率是影响防风网作用的关键因素，但国内外对开孔率的研究得出的结果并不一致，一般认为，最佳开孔率均在20%～50%；网高是影响防风网庇护范围的重要因素，随网高的增加防风网的庇护范围增大，但持续增大网的高度并不能持续扩大庇护范围；与开孔率和网高相比，网与料堆距离的影响并不显著，但在网后2～3倍料堆高度的范围内庇护作用最好。

目前研究者们对防风网的研究取得了长足的进步，研究方向主要集中在防风网防风抑尘方面，如防风网形式、防风网布置、防风网防风抑尘性能的影响因素等方面[52-56]。防风网抑尘技术逐渐成熟，其工程应用已越来越广泛。而随着计算机技术的不断发展，利用CFD软件对防风网进行模拟已成为研究热点，其研究结果对人们深入认识防风网并指导装置的设计优化意义重大。但这些研究大多集中在流体动力学方面，关于防风网结构设计方法、结构稳定性、抗风设计研究[57]和承载安全度分析方法以及新型防风网的开发等的研究报道还较少，应是今后研究的重点。此外，在理论上应建立更确切的流场数学模型、网后扬尘量的计算模型以及颗粒扬尘的判据以对防风网的抑尘机理进行更深入的研究。

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Progress of porous fence

SUN Changfeng，CHEN Guanghui，FAN Junling，LI Jianlong
（Department of Chemical Engineering，Qingdao University of Science and Teconology，Qingdao 266042，Shandong，China）

X 513

A

1000–6613（2011）04–0871–07

2010-12-08；修改稿日期：2011-01-16。

孙昌峰（1985—），男，硕士研究生。联系人：李建隆，教授，博士生导师，主要从事多相流体流动与分离。E-mail ljlong@qust.edu .cn。