地面煤场防风抑尘网抑尘效果研究

龙 军，李录会，李永金

（1.四川省煤田地质工程勘察设计研究院，四川 成都 610045； 2.四川蜀能矿山开发技术咨询有限公司，四川 成都 610045）

煤场采煤区作为一种露天开放式的开采或者存放料堆的场所，该场所在受到风的影响下，形成严重的颗粒扬尘，对于大气环境造成严重污染[1]。颗粒扬尘共分为静态起尘以及动态起尘，两者发生原因存在明显差异，场所的风速和开采以及存放料堆的含水率是前者的主要影响因素[2]，作业方式、强度等是后者的主要影响因素。防风抑尘网则是用于该现象处理的一种有效的先进手段，主要包含3个部分，分别为基础部分、支撑部分以及挡风板，前者为独立状态，中间者属于钢结构；其可有效控制扬尘的风力[3]，使流风的动能最大限度减弱，可降低其扬尘能力，综合防风抑尘率不低于80%。该墙体的设计需依据煤场采煤区的实际环境情况，以空气动力学原理为依据，结合风洞实验结果完成，并且该墙的几何形状、开孔率、孔的形态均依据实际情况设计。防风抑尘网目前已经在多个扬尘污染治理领域使用[4]，例如，港口码头、煤场、料场、钢铁等。概率估计是依据数值的统计和求解，获取的估计量结果。为分析防风抑尘网在煤场采煤区的实际应用效果，许栋等[5]基于PM-IBM模型，分析其在堆场扬尘中的应用效果，韩媛雯等[6]基于DEMATEL-ANP方法分析其扬尘治理效果，上述方法在效果分析过程中，是依据不同情况下的模拟以及关键因素权重计算完成，但是由于模拟过程中力学参数设定困难，模型构建效率较低，并且关键因素之间存在相互关联影响，导致最终分析结果存在一定的不可掌控性以及误差。本文采用数值模拟方式构建数学模型，通过模型分析不同孔隙率下，煤场采煤区防风抑尘网的抑尘效果。

1 模型构建

1.1 煤场采煤区防风抑尘网几何模型

料堆模型采用三维棱台表示，其长度为155、115 m，分别对应下表面和上表面；2个表面的宽度分别为52、11 m，料堆高度为18 m。抑尘网的部署位置在料堆前[7]，其高度和长度均是料堆高度的1倍。结合相关研究得出，当前者高度高于料堆1.5倍时，抑尘效果没有发生变化，在高度低于1.5倍、高于1倍的情况下抑尘效果显著，基于此，择取中间数值即1.25倍的料堆高度，即22.5 m。分析结果的可靠性与计算范围的确定存在直接关联，范围过大，则会导致模型的计算量明显增加，计算效率较低[8]；范围过小则会对空气的流动造成直接影响，导致模型的计算精度受到直接影响。经过研究测试，计算范围的长宽高的尺寸分为料堆长宽高的6倍、7倍以及5倍，即分别为930、310、90 m，且为长方体空间，x、y、z分别为料堆宽、高、长3个方向，在计算范围内侧建立原点，几何模型如图1所示。

图1 煤场采煤区防风抑尘几何模型Fig.1 Geometric model of wind and dust prevention in coal mining area of coal yard

1.2 数学模型

1.2.1 防尘控制方程

完成计算区域的确定后，完成数学物理模型的构建。堆料附近的空气成流体，且不能够压缩[9]，呈稳态绝热性流动。所有的流动需符合2种守恒基础定律以及2种方程，分别为质量和动量、附加湍动能和耗散率。防尘控制方程组由质量和动量2种守恒方程组成[10-11]，其公式分别为：

（1）

（2）

式中，ρ为空气密度；x、y、z为方向；u、v、w为其各自方向上的速度；ui、uj为速度分量，前者对应i方向，后者对应j方向；xi，xj分别对应x、y方向；μ为黏性系数；δij为张量，属于克罗内克尔；Cμ为常数；Si为源项。

当Si的值处于抑尘网区域外时为0，位于区域内时，其可用于完成多孔介质作用的模拟[12-13]。Si由2部分损失组成，分别为黏性和惯性，则：

（3）

（4）

式中，α为多孔介质渗透系数；C2为惯性阻力因子；Ap、Af为总面积，前者对应孔，后者对应板；t为抑尘网厚度。

模拟三维流场，通过标准方程k-ε完成，两者方程分别为：

（5）

（6）

（7）

1.2.2 网格划分和边界条件设定

防风抑尘网为跳跃模型（Porous-Jump），且为多孔介质，为分析料堆表面微观特性，采用Fluent6.3软件模拟抑尘网和其料堆附近流场数值，在模拟过程中，将动量方程作为动量损失源项，并确定网格数量。用速度入口描述入口边界，该处风速为5 m/s，其梯度为零，为法向方向，属于出口截面[14]；自由压力出口用出口边界描述，表面和地面通过壁面表示，且不存在滑移，前者属于料堆；表示对称边界用求解结果表示，且为域前后以及上表面[15-16]。采用格式和半隐式方法，分别对应二阶迎风、压力耦合，描述多个参数、压力、速度耦合项的处理过程，其中参数包含动量、湍流动能、耗散项；收敛误差为0.000 05。

开放性的煤场中，流动特性和剪切力是采煤区的散尘特性决定采煤区散尘水平[17-18]，且前两者分别对应近壁边界层和壁面。将不为0的Si，设为多孔介质跳跃模型的边界条件，且依据孔隙率完成，并属于式（2）。由于在实行数值模拟过程中，采煤区物体的所有形状信息无法全部采集[19-20]，为衡量模拟结果的准确性，采用压力损失系数作为衡量标准，其公式为：

（8）

式中，p、p0均为压力，分别对应料堆表面和参考；vin为风速，属于来流。

2 结果分析

2.1 模型网格数量确定

为保证模型获取的数值结果的精确，分析模型在料堆附近的流场特点，得到数值模拟计算流场速度矢量如图2所示。

图2 防风抑尘网与料堆间的流场速度矢量Fig.2 Velocity vector of the flow field between the wind-proof and dust-suppressing net and the stockpile

由图2可知，来流风通过防风抑尘网后会形成绕流和渗流2种形式，在料堆顶部出现明显的边界层分离现象，绕流风在绕过防风抑尘网后沿着料堆迎风面加速向上流动，在防风网及料堆的上空形成高速区，部分绕流风下沉至背风面形成速度回流区，从而避免对料堆的破坏，起到防风抑尘的效果。

在图2的基础上，再以迎风面剪切力结果作为宏观衡量标准，以此确定模型网格数量，结果如图3所示。

图3 模型网格数量分析结果Fig.3 Analysis results of model grid number

依据图3结果可知，迎风面剪切应力随着网格数量的增加，逐渐提升，当网格数量达到12.5万个左右时，剪切应力达到最大，并且当数量超过18万个左右以后，剪切应力趋于平稳。因此，为保证模型数值计算的平稳性，网格数量为超过18万个较佳，结合剪切力的平稳趋势，确定网格数量为20万个。

2.2 均匀孔隙率下的微观动力学结果

通过模型模拟均匀孔隙率分别为0.15、0.30、0.45、0.60、0.75、0.90时，抑尘网后面空气流场的数值结果，沿坡面向上方向为正向，统计料堆表面受力情况，该受力结果通过迎风剪切力表示，见表1。

表1 不同孔隙率下的迎风面剪切力结果Tab.1 Windward shear stress results under different porosity

由表1可知，以整个迎风坡面为参照，均匀孔隙率为0.9时，迎风剪切力值最高，均为正值；随着迎风坡面高度增加，剪切力随之增加，达到坡顶位置，即22.5 m处剪切力最高，表示最大散尘点位于坡顶位置；随着孔隙率降低，迎面剪切力随之呈现下降趋势；当均匀孔隙率下降至0.60时，剪切应力结果明显低于孔隙率为0.90时的剪切力结果，当迎面坡度达到22.5 m时，剪切力显著趋势，达到42.21 N；随着孔隙率的继续减小，剪切力依旧随之减小，当均匀孔隙率降为0.45时，迎风面剪切力在坡面高度低于15 m以前剪切力结果均低于10 N，高度超过19.5 m以后，剪切力显著上升，达到18 N以上，在坡度达到22.5 m时，剪切力结果高于23 N。该现象是由于渗流和绕流2种空气，在经过抑尘网后汇集在坡顶，在料堆周围形成绕流气流，风速以及剪切力梯度均发生提升，导致扬尘情况越加严重，表示孔隙率越低，抑尘网的抑尘防风效果越佳。与没有抑尘网工况相比，降低剪切力的大小，是孔隙率较高的抑尘网的主要作用，并且剪切方向不发生改变，同时，其对料堆中部和下部的抑尘效果显著。当孔隙率为0.30时，料堆坡面高度在低于7.5 m时，剪切力为0，随着高度逐渐增加，剪切力发生较小的降低，呈现负值；随着坡面高度增加，剪切力呈现缓慢上升趋势，当坡面高度达到18 m，剪切力为正值，并逐渐增加；孔隙率为0.15时的剪切力变化与0.30时的结果相似，迎风剪切力值呈现降低、增加的波动变化，并且存在负值，该现象是由于孔隙率较低时，经过抑尘网的空气以绕流为主，导致抑尘网后和网顶2个位置的压力呈现差异化，前者为急剧下降，后者为增强，抑尘网和料堆面两者之间在压力差距的作用下，且方向为垂直，形成漩涡，且为顺时针状态。

综合图3的分析结果得出，抑尘网在不同的孔隙率下，起到的抑尘效果存在差异，即抑尘作用的位置存在差异，当孔隙率较高，即大于0.60时，料堆中下部分抑尘效果显著；当孔隙率较低，即低于0.45时，抑尘网和料堆之间产生漩涡，在该作用下，位于料堆中下位置的气流受到扰动，即高度在9.0～15 m内，剪切力逐渐降低，可使抑尘作用增强。

为进一步分析均匀孔隙率下抑尘网的抑尘效果，获取抑尘网不同的孔隙率下，料堆背面以及平顶面的剪切力变化结果，见表2、表3。

表2 料堆背面的剪切力变化结果Tab.2 Change results of shear force on the back of stockpile

分析表2结果可知，当孔隙率低于0.45时，随着料堆高度的增加，其背面的剪切力变化较为一致，均呈现先缓慢上升后下降趋势，并且在高度为21 m以内时，3种孔隙率下的剪切力值较为接近，差距较小；当达到顶面后，剪切力之间发生显著差距；当孔隙率高于0.60以后，剪切力均逐渐增加；但是在相同料堆高度下，孔隙率越高，剪切力越大，相互之间的差距均不大。该结果与迎风面结果呈现明显差距，因此，该结果可体现背风面对于剪切力的影响低于迎风面剪切力的影响。

分析表3结果可知，在不同的顶面宽度下，6种孔隙率取值呈现差异性变化。取值为0.15、0.30、0.45时，三者的波动变化相同，相对平稳，均在较小的范围内呈现波动变化，且变化较小，波动幅度较小；当孔隙率超过0.45，分别为0.60、0.75、0.90时，三者的剪切力随着顶面宽度的增加，均呈现明显的下降趋势，当顶面宽度达到8 m时，三者的剪切力下降趋势明显。当宽度达到9 m以上后，3种孔隙率下的剪切力处于平稳，变化极小。上述的分析结果是由于当孔隙率较低时，2种流向的方向相同，分别为来流风速与贴附流，且后者为贴附流，该两者是随着顶面宽度的增加而减小，并且，前半部分接近迎风面，会在压力的影响下，产生显著的变化，后半部分压力平稳，使后半部分的波动平稳。

2.3 非均匀孔隙率下的微观动力学结果

将抑尘网实行上下2部分划分，对2部分的孔隙率分别实行设定，上部分的孔隙率均为0.30以下，下部孔隙率为0.75以上，获取该情况下的料堆表面剪切力结果，并将该结果与均匀空隙为0.15和0.45的结果实行对比，如图4所示。且结果共分为3部分，分别为料堆的迎风面、平顶面和背风面，其中以平顶面中心作为中心点，迎风面位于中心点左侧，因此，其位置用负值表示，背风面位于中心点右侧，其位置用正值表示。

图4 不同孔隙率下的料堆表面剪切力结果Fig.4 Results of pile surface shear stress under different porosity

分析图4结果可知，料堆的迎风面，随着坡面高度的增加，3种孔隙率下的剪切力呈现差异性变化，非均匀孔隙率下的剪切应力呈现小幅度上升后下降有上升的变化趋势，2种均匀孔隙率下的剪切力分别呈现上升、平稳上升和下降后上升2种变化趋势，并且除坡面起始位置时，非均匀孔隙率的剪切力高于均匀孔隙率的剪切力以外，其一直处于2种均匀孔隙率剪切力之间。均匀孔隙率为0.45时的剪切力变化结果使料堆中部以上位置的剪切力梯度显著提升；非均匀孔隙率下的剪切力则在坡面高度位置在-30 m开始，呈现明显下降趋势，其满足孔隙率较低时可降低迎风面上部位置的剪切力效果，并且其变化趋势与均匀孔隙率为0.15时相似。并且，料堆的平顶面结果中，两者的剪切力依旧尤为接近，且均匀孔隙率为0.45时，剪切力在料堆中部位置剪切力显著下降，剪切力较小，且顶面剪切力最大。除此之外，料堆背风面的剪切力变化趋势一致。基于上述结果，最终统计不同类别孔隙率下，料堆每个表面的剪切力结果，见表4。

表4 每个面的剪切力结果Tab.4 Shear force results of each face N

依据表4结果，最终确定非均匀孔隙率的防尘网抑风防尘效果最佳，其在每个面的剪切力结果均小于均匀孔隙率的剪切力。因此，煤场采煤区抑尘网在非均匀孔隙率下，可实现良好的抑尘效果，也间接表明，为保证该场所的最佳抑尘效果，可结合实际情况，设计防尘网的非均匀孔隙率大小。

4 结语

煤场采煤区是造成空气污染的典型场所，其大量的颗粒扬尘，对于环境和人们身体健康造成较大影响，抑尘网是该类场所主要运用的一种防风抑尘手段，为准确分析其准确的抑尘效果，从概率估计的角度出发，通过孔隙率这个概率值，分析煤场采煤区防风抑尘网抑尘效果。通过构建孔隙率控制方程，估计在不同类型、不同取值的孔隙率下，抑尘网的抑尘效果。估计结果显示，抑尘网在煤矿采煤区的抑尘效果良好，并且抑尘网在非均匀孔隙率下抑尘效果优于均匀孔隙率下的抑尘效果，可有效降低煤场采煤区颗粒扬尘，降低空气污染。