开放性露天堆场散尘机理及抑尘系统优化研究

开放性露天堆场的散尘是大气污染的重要来源，目前开放性露天堆场散尘机理的研究仅局限于风速为标量基础上的数值计算和实验研究，未考虑风速方向性，来流空气在堆场上部绕流，风速风向逐点不同，忽略速度矢量性造成定量研究结果不统一，因此非常有必要对三维速度场下堆场散尘机理及抑尘方案的优化进行深入的研究。速度矢量场数值基础克服了单一速度标量计算起尘量与绕流空气场不一致，消除了计算结果失真。本项目主要解析速度分量和散尘量分量的关联性，定量确定三维流场下的散尘量；建立开放性露天堆场周围空气流动的模型，进行静态流场的数值模拟，绘制颗粒群动态运动迹线；基于速度场耦合浓度场研究防风抑尘网抑尘效率随开孔率组合方式的变化规律，获得防风抑尘网最佳开孔结构。本项目的研究将为露天开放源的散尘机理提供科学的依据，同时为防风抑尘方案的设计及优化提供可借鉴的计算方法和宝贵的数据资料，具有重要的理论意义和工程应用价值。

开放性露天堆场料堆表面的空气运动和动力学结构决定着堆场的散尘机理和防风抑尘网的抑尘效率。通过对开放性露天堆场周围空气流动和料堆起尘物理机制的分析研究，建立了绕流风场的三维数学物理模型，在此基础上应用标准k-ε湍流模型对典型料堆表面空气动力学特性和抑尘网前后空气运动分布进行了数值模拟；在拉格朗日坐标系下采用颗粒运动轨道模型，追踪颗粒相运动，得到堆场颗粒在风场中的运动特性。研究表明：堆场钝体改变了近地层风场结构，风速的标量性无法体现绕流特性，料堆表面剪切应力是体现散尘较好的标识指标；迎风面从坡底到坡顶剪切层变薄，剪切速度逐渐增大，风速廓线偏离了原有的对数分布形态，平顶面前半部分受迎风面影响较大，剪切层很薄，随着水平来流的混合作用，后半部分逐渐呈现与垂直高度的对数成正比的风速分布，扬尘削弱。背风面靠近顶部区域沿坡面向下绕流， 2/3高度以下形成顺时针方向的回流涡旋，但由于剪切速度较小，扬尘量较之迎风面和平顶面小得多。不同进风工况下，料堆表面风速相对值分布基本相同；迎风面从底到顶随来流风速增加，扬尘增幅加大，堆高2/3以上为剧，平顶面剪切力呈现前强后缓的趋势，背风面2/3堆高以上剪切力沿坡面向下递减，2/3以下沿坡面向上。孔隙率是影响抑尘网效率的最主要因素，低孔隙率（＜0.3）和高孔隙率（≥0.3）料堆周围风场结构和表面剪切力特性迥异；低孔隙率抑尘网的渗流空气量与绕流空气相比较小，网后空气压降剧烈，抑尘网与迎风面间形成涡旋，孔隙率为0时涡旋强度和直径最大，涡旋中心高于堆顶，平顶面受其影响呈现回流剪切层，逆向来流扬尘，孔隙率为0.2时涡旋强度减弱，涡旋中心处于2/3堆高，平顶面贴附表面向下游流动；迎风面表面剪切力随高度增加先增大后减小，最大散尘点位于堆高2/3处，背风面始终处于回流区,表面剪切力和回流点数随孔隙率大小变化不显著；高孔隙率渗流风增加，网前后压降减小，料堆颗粒被风扬起散至空气，散尘量最大点位于冠顶迎风面侧，孔隙率至0.6，网后流场结构几乎与无网工况无异，抑尘作用不明显；通过计算分析孔隙率为0.225、0.25及0.275时的流场可知，孔隙率在0.25时料堆周围流场特性为涡旋流耦合贴附流的转折点，此时剪切力最小，为无网时22.5%，故临界孔隙率为0.25。 料堆表面空气动力学特性研究更好地解释了露天堆场的微观散尘特性，为防风抑尘网的优化设计提供了一种新思路。