防风网板开孔率对防风效果影响的数值模拟研究

　　防风网板的一个重要技术参数是开孔率(poros ity)，即防风网板上透风孔隙在整个防风网板面积上所占的比例，以ε(%)表示。关于防风网板开孔率的百分比，各国文献报导不一，日本的文献资料认为开孔率40% 较好，美国的文献资料认为开孔率 50% 较好。1986 年，美国国家环保局提出了防风网的一系列设计参数和标准，供设计部门采用，根据以往经验，开孔率在 30%～45%的防风网板，料堆前方出现反方向飞散现象的几率较小，料堆后方会形成再循环流动，引发反方向再跳跃现象，其临界速度比较高，对于防止微细粒子的扬尘效果相对较好。本研究通过对开孔率 0%～60%的蝶形板进行数值模拟计算来确定防风网板的最佳开孔率。

　　1 研究方法及步骤

　　本研究采用计算流体力学(CFD)的方法来进行，CFD 技术与传统的实验方法相比，具有周期短、成本低等优点。本研究以蝶形防风网板为母板，通过设计不同开孔率，然后分别对不同开孔率的防风网板的防风效果进行数值模拟计算，并对计算结果进行对比，最终确定防风网板开孔率最佳值。

　　2 防风网板开孔率设计方法

　　当气流通过蝶形板时，气流的运动方式发生改变，如图1所示。

　　由图1 可以看出，防风网板对改变风速、风向起主导作用的是防风网板的折板斜面，因此，在研究防风网板开孔率时，主要是针对防风网板的折板斜面进行试验。

　　本研究采用R=6 mm 圆形开孔，使其均匀分布于防风网板上，设计出开孔率分别为 ε=0%、25%、30%、35%、40%、45% 、50% 、55% 、60% 9 种蝶形板，然后分别对不同开孔率下防风网板的防护效果进行数值模拟计算。

　　3 计算模型与数值模拟过程

　　3.1 标准 k- ε模型的控制方程组

　　堆场周围的空气流动可以看作是在不可压缩以及不考虑热转换的大气条件下进行，其标准k- ε模型的控制方程组如下：

　　标准 k-ε模型方程中的常数一般取 C1ε=1.44 ，C2ε= 1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。式中，xi是笛卡儿坐标，t 为时间，ρ是空气密度，μ是动力学粘性系数，μt是湍动能粘性系数，ui、p、k、ε是时间平均速度、静压、湍动能、湍动能耗散率。

　　3.2计算模型

　　计算区域为长方体，长为3 845 cm，高为100 cm，防风网网后距离为 3 750 cm。网体部分高度为75 cm，如图2 所示。

　　3.3边界条件

　　计算模拟所采用的边界条件主要包括速度入口、压力出口、对称、无滑等边界条件，入流风速采用 5 m/s 恒定吹入。

　　4 计算结果及分析

　　通过对不同开孔率的防风网板分别进行数值模拟计算，并对计算结果进行对比(表1)，可以看出，防护效果最好的开孔率为 45% 的蝶形板，其防护距离为 36.94，防护倍数(防护距离/ 网高)为49。开孔率在 0%～45%时，防护效果随开孔率的增加而增强;开孔率在45% ～60% 时，防护距离随开孔率的增加而减弱。