关于散货堆场防风网研究进展

赵　杰　姬亚芹　李树立　赵静波　张　静　吴建会　万建华

(1.南开大学环境科学与工程学院，天津　300071；

2.国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室，天津　300071；

3.天津港环保卫生管理中心，天津　300456)

关于散货堆场防风网研究进展

赵杰1，2姬亚芹1，2李树立1，2赵静波1，2张静1，2吴建会1，2万建华3

(1.南开大学环境科学与工程学院，天津300071；

2.国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室，天津300071；

3.天津港环保卫生管理中心，天津300456)

【摘要】散货物料风蚀不仅造成经济损失，还严重影响堆场周围环境空气质量。目前堆场常采用湿法、干法等抑尘方法，其中防风网抑尘法使用居多，其抑尘效果较好且具有一次投资长期受益的特点。然而防风网形状、开孔率、开孔孔径、防风网高度、堆垛距等影响防风网抑尘效果。本文从以上几个方面进行了分析，最终给出了较适宜的防风网设计参数。

【关键词】防风网；开孔率；防风网形状；防风网高度

中图分类号：X21

文献标识码：码：A

文章编号：号：1673-288X(2015)03-0084-05

Abstract：Wind erosion of the bulk materials not only brings economic losses，but also affects air quality around the yard. At present，wet，dry and other dust suppression methods were used on the bulk yard. And porous fence are used most widely，its benefits include the high effect of dust suppression and the characteristic of an investment in long-term benefit. However，there are many factors have a great influence on the effect of the dust suppression，such as the shape of porous fence，porosity，the diameter of the holes，the height of porous fence，the distance between porous fence and stacking and so on. This paper analyzed the above aspects，and ultimately gave some appropriate design parameters of porous fence.

Keywords：porous fence；porosity；the shape of porous fence；the height of porous fence

作者简介：项目资助：江西省环境保护厅科技计划项目(JXHBKJ2012-12)史晓燕，副研究员，主要从事环境保护科学领域研究

通讯作者：刘足根，副研究员，主要从事生态学领域研究

上海港、深圳港、宁波港、舟山港、广州港、天津港等港口承担着大量散货物料的装卸、存储与运输，为我国带来了巨大的经济效益。但是堆放在港口的散货物料颗粒会随着大气扩散，不仅造成不必要的经济损失，而且对港口周围环境造成严重的污染，对生活在港口周边的居民以及港口工作人员的身体健康构成威胁。为防止堆场散货物料颗粒的扩散，国内外采取的措施主要有湿法、干法、干湿结合和其他机械物理方法等。防风网的抑尘效果和适用性远高于其它一些传统的抑尘措施，此外防风网具有一次投资长期受益和维修管理费用低等特点，对于我国港口、电厂和钢厂等的露天堆料场的二次扬尘治理具有较强的针对性。在北方的煤炭港口，淡水紧张，冬季冰冻时间长，防风网的采用可以非常有效的改变煤尘风蚀污染状况，在洒水抑尘受控情况下防风网已成为改善煤粉风蚀污染最为有效的措施。

因此对于露天堆料场粉尘防治问题，防风网抑尘工程技术是比较有效的，从安全、经济、适用原则等方面综合考虑可行的一项技术措施，是适合我国国情的二次扬尘防治技术与装置[1]。防风网的设计和选择将直接影响防风效果和成本。因此，高效抑尘且经济实惠的防风网是未来的发展方向。

1研究方法

2防风网防尘机理

防风网抑尘机理与散货堆场起尘、粉尘漂移、扩散、沉降机理本质上有直接关系，其主要抑尘机理是防风网能控制改善堆场区的风流场，减小堆场区的风速、减小堆场区风流场的紊流度。强风经过防风网后，仅部分来流风透过防风网，其机械能衰减并变为低速风流，与此同时，这部分风在网前的大尺度、高强度漩涡被衰减、梳理成小尺度、弱强度漩涡。防风网后这部分低速、弱紊流风流掠过散货表面，形成低风速梯度、低风速旋度，弱涡量和弱紊流度的堆场区流场，能够较好的抑制散货堆场的起尘量。

当采用实体墙来防风时，即墙体开孔率为零，来流风绕流通过实体墙在堆垛上风向和下风向区域形成低压区，如图1所示，Pa>Pb，Pc>Pd，这样就会在A、B区形成低压区，风向向下偏转，在堆料的后方B区形成涡流区，涡流经过堆垛表面时就会卷起部分堆料进而引起堆垛起尘。当采用具有一定开孔率的防风网时，如图2所示，来流风流经防风网，由于防风网的阻碍作用，一部分气流向上抬升形成网顶部绕流风，且风速较大，通过网的部分形成湍流风，由于能量转换，上部高速绕流风带走了大部分风能，使网后形成低速区V1>V2；另一部分风通过防风网进入庇护区，但由于网后风速较低，在网后一定距离降落[4]。

图1　实体墙防风示意图

图2　防风网的抑尘示意图

3防风网最佳参数的确定

影响防风网抑尘效果的因素主要有防风网形状、网高、网堆距等。只有确定防风网的开孔率、网堆距等的最佳取值以及最佳开孔形状等，才能提高防风网性能，使防风网的抑尘效果达到最大，降低经济投入，从而实现环境与经济的双赢。

3.1　防风网形状

按照防风网形状可将其分为平面型防风网和非平面型防风网两类，非平面型防风网的截面型式的改变可引起网后流场结构的变化，进而影响防风网的抑尘效果[4]。目前市场上销售的防风网主要是蝶型防风网，按照其成峰个数的不同可将其分为单峰型、双峰型、三峰型三种类型。陈廷国[5]通过CFD数值模拟仿真软件Fluent，采用k-ωSST模型对开孔率为0%和商用最广的33%、40%的蝶型和平板型防风网进行3D实体数值模拟仿真。结果表明在相同开孔率下，蝶型网遮蔽效果优于平板型防风网，这主要由于蝶型网凹凸错落的截面形式，增强了风与网之间的相互作用，增强了对来流风的漩涡耗能作用。李宏剑[6]对不同设计参数的单层蝶型挡风板、夹层挡风板、圆型截面挡风板进行了研究，认为单层蝶型挡风板在折角为45°、凸出的平面长度为200mm时挡风效果最佳；夹层挡风板的挡风效果接近单层挡风板；圆型截面挡风板的挡风效果接近相似截面形状的蝶型挡风板。之所以把防风网设计成蝶型是为了使来流风通过网板后，使原来的层流风改变方向变为湍流风，改变层流风的运动方向，使其相互碰撞，大幅度消耗来流风的动能，从而降低风速；而且将防风网设置成蝶型，能够使其在风荷载作用下，强度和刚度提升，避免因风载作用而产生绕曲破坏[7]。

常用防风网还有波浪型[8]、V字型等。日本采用下部为百叶窗式上部为网状的复合式型防风网被风洞试验证明具有较好的抑尘效果[9]。我国目前对于这种复合式防风网研究较少，大多都采用单一形状的防风网，今后应注重复合式防风网的研究。例如，可将防风网设置为下部为蝶型上部为凸向堆垛的百叶窗形状，这种上部设计为凸向堆垛的防风网从理论上可以使本应通过防风网上部的高速绕流风在防风网上部产生漩涡，降低风速，从而提高防风网的抑尘效果。

3.2　防风网开孔率

开孔率是指防风网开孔面积和其总面积之比，是影响防风网抑尘效果的主要因素之一。韩桂波[10]利用计算流体力学(CFD)的方法对开孔率分别为0%、25%、30%、40%、45%、50%、55%、60%的9种蝶型板的防护效果进行了数值模拟计算。结果表明，开孔率为45%的蝶型网防护效果最好，开孔率在0%～45%时，防护效果随着开孔率的增加而增强；开孔率在45%～60%时，防护效果随着开孔率的增加而减弱。陈凯华[11]利用流体力学软件Fluent对开孔率为0%、10%、20%、30%、40%的挡风抑尘墙进行了数值模拟，得出较适宜的开孔率为20%～30%。其认为当挡风抑尘墙开孔率为0%时，墙体的质量通量为0，气流会绕过墙体运动，在下风向方向会形成一个涡流区域，产生的漩涡极易对堆垛表面物料产生卷吸作用；随着开孔率增大，墙体质量通量也随之增大，这个漩涡会逐渐缩小和后移，当开孔率达到30%时，这个漩涡移到了料堆的锥顶，并达到最小；墙体开孔率继续增加，这个漩涡会脱离堆垛表面形成一个自由涡，但是随着墙体质量通量的进一步增大，堆垛表面的切向速度也会进一步增大，使得挡风抑尘墙的抑尘效果减弱。此外，陈廷国[5]认为40%开孔率的蝶型网遮蔽效果更好，且遮蔽范围更广，遮蔽效果优于其它类型的防风网。曹献青[7]利用风洞试验对开孔率0%到开孔率为100%的防风网抑尘效果进行了连续的测试，结果表明防风网的开孔在25%～35%之间，其抑尘效果较好。不同学者采用不同方法研究了开孔率对防风网抑尘效果的影响，见表1。综上所述，防风网较适的开孔率应在20%～45%之间。

3.3　防风网开孔形状

防风网开孔形状主要有菱形、矩形与圆形等，目前防风网开孔形状圆形较多。董纪鹏[19]利用Fluent软件对开孔率为40%的圆形、方形、梯形三种不同开孔形状的防风网进行了数值模拟，结果表明圆形开孔防风网后尾流区内低速流体流过的区域最大，即圆形开孔具有最好的挡风效果，方形次之，梯形开孔网最差。目前，关于防风网开孔形状也有一些比较新颖的形式，如陈光辉[20]提出导流板型防风网，这种防风网采用长方形开孔，但其在冲孔时只冲开三边，一边仍与防风网相连，将三边冲开一边相连的部分翘起，与防风网平面呈一定角度，使其具有导流作用，这样就可使来流风在导流板的作用下产生沿料堆向上爬升的流速场，减少其直接冲击料堆表面的作用力，进一步提高防风网的挡风抑尘效果。

表1　防风网开孔率对抑尘效果的影响

3.4　防风网开孔孔径

防风网开孔孔径的大小对防风网抑尘效果具有一定的影响。当孔径较小时，对来流风的阻塞作用增大，呈现出和较低开孔率的甚至实体防风网相似的抑尘效果；孔径过大时，尽管尾流区的平均速度下降明显，但是湍流作用也较大[2]。Hyoung-BumKim[21]对38.5%相同开孔率的三种不同开孔孔径1.4mm、2.1mm、2.8mm的防风网进行了实验研究，结果表明孔径为1.4mm的防风网能够减小流向速度分量增加垂直速度分量，并且在防风网顶端的剪切层有最大的湍流强度。石文梅[18]的研究认为最佳开孔孔径随着风速的变化而不同，其在3m/s、5m/s、7.5m/s、10m/s四种不同风速下对相同开孔率不同开孔孔径(4mm、6mm、8mm、10mm)的蝶型防风网进行了风洞试验。结果表明：风速为3m/s时开孔孔径为8mm的防风网具有较好的庇护效果；风速为5m/s、7.5m/s时开孔孔径为4mm的防风网具有较好的庇护效果；风速为10m/s时开孔孔径为6mm的防风网具有较好的庇护效果。可见不同学者对于防风网最适开孔孔径的大小的研究有一定的差异，关于防风网最佳开孔孔径的还需进一步研究。

3.5　防风网高度

3.6　网堆距

网堆距是防风网抑尘效果的重要影响因素之一。沈熹[9]、邢倩倩[22]等认为网后下风向2～5倍网高的距离内防风网抑尘效果最好。王泽涛[23]利用风洞试验对防风网不同高度、不同水平距离处的风速进行了测量，从而计算该处的风速折减率，结果表明防风网后的最佳遮蔽区域并不是在贴近防风网处，而是在距离防风网2～3倍网高处；在距防风网后6倍网高距离范围内，风速折减效果明显，最大折减率可达80%左右；距防风网20倍网高后遮蔽效果不明显。故其认为防风网设计时，防风网应布置在距堆垛2倍的网高距离处，网高不应小于遮蔽距离的1/20。FerreiraAD[17]等对H、2H、3H、4H(H为堆垛高度)四个不同网堆距开孔率为83%的防风网进行了风洞试验，通过时间与堆垛体积变形曲线表明网堆距为H时堆垛体积变形最小即有较好的抑尘效果。对于由多个堆垛组成的堆场，堆垛和堆垛之间的距离对抑尘效果也有一定影响，因此对于网堆距具体的设置还有待进一步研究，可根据堆场周围情况因地制宜设置防风网。

3.7　底部间隙(G)对蝶型防风网后尾流区内庇护效果的影响

在实际防风网的工程建设中，会有很多限制问题，比如地面不平整等。这些问题将会导致防风网与地面之间形成一个间隙G，由于该间隙的存在将改变防风网后的流场特性。我国目前关于该间隙的研究较少，石文梅[18]在风速为10m/s时的对开孔孔径为6mm、开孔率为27.3%的蝶型防风网对七种不同的底部间隙(G)0H、0.025H、0.075H、0.125H、0.15H、0.175H、0.2H(H为防风网高度)进行了风洞实验，结果表明底部间隙为0.15H时防风网的庇护效果最好。

除上述所列出的影响防风网抑尘效果的因素外，防风网设网方式、堆垛规模形状等也会对防风网的抑尘效果产生一定的影响。常见的设网方式有主导风向设网、“L”型设网以及四面设网等，X.C.Cong等[24]对上风向两面设网、上风向三面设网、下风向三面设网以及四面设网四种设网方式进行了数值模拟研究，结果表明四面设网方式具有较好的抑尘效果，但四面设网方式会大大增加企业的基础投资，如何寻求防风网设网方式与经济投资之间的平衡关系是我们未来研究的方向。此外企业堆垛形状大多为锥型，来流风通过防风网后在网后形成漩涡，当漩涡到达堆垛表面时会卷起大量的堆料，锥型料堆顶端最易受到该漩涡的影响，因此可考虑将堆料放置为圆台形状。

4防风网支护结构

工程中已有的防风网支护结构有悬臂结构、平面钢架结构和网架结构。悬臂柱结构属于纯弯曲，材料利用不够充分，但是悬臂柱结构制作和施工方便、占用场地节省。钢架结构在设置斜撑后，呈现组合结构的受力特性，只有前柱承受一定的弯曲作用，整个结构以承受轴力为主，因此材料强度充分发挥，用钢量大幅度减少。网架结构设计和施工工艺复杂，而防风网支护结构主要承受垂直网长方向的风荷载，并不能发挥网架的空间受力特性优势，过多的腹杆也使其用钢量较多，增加施工成本[25]。目前，防风网支护的工程实例中使用平面钢架结构较多。

5结论

防风网作为一种有效控制堆场自然起尘手段，主要通过改变来流风的流场，减小来流风风速，降低来流风的动能，从而达到抑尘的目的。防风网开孔率、防风网高度、网堆距等的取值以及防风网开孔形状都会对其抑尘效果产生很大的影响，为提高其抑尘效果通常采用现场实测、数值模拟、风洞试验三种方法来确定防风网参数的取值以及形状等。目前，圆型开孔的蝶型防风网使用较多；开孔率对防风网抑尘作用有重要影响，综合不同文献其最佳开孔率应在20%～45%之间；一般认为防风网高度在堆垛高度1.2～1.5倍之间、网堆距在2～3倍网高之间具有较好的抑尘效果。关于防风网形状，开孔大小以及堆垛等相关设计还有待于进一步结合具体工程实况进行研究。

经过众多学者的努力我国对于防风网的研究取得了较大的进步，就研究方法而言实现了从风洞试验到数值模拟的跨越，节省了大量的人力物力资源。利用CFD软件对防风网进行数值模拟已成为研究热点，其结果对于提高防风网抑尘效果具有重大意义，但需要注意的是不管今后我们使用数值模拟还是风洞试验来研究防风网，我们都需要切实的结合实际情况。此外，大多数学者仅针对防风网形状及其相关参数的确定进行了研究，但关于新型防风网的开发、防风网的抗风设计、承载安全等的研究较少。综合考虑防风网参数的确定、抗风设计以及实际风速、堆垛布置等问题是今后对于防风网研究的重点。

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ResearchProgressonthePorousFenceintheBulkYard

ZHAOJie1，2JIYaqin1，2LIShuli1，2ZHAOJingbo1，2ZHANGJing1，2WUJianhui1，2WANJianhua3

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，NankaiUniversity，Tianjin300071，China；

2.StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofurbanairparticulatematterpollutionprevention，Tianjin300071；

3.EnvironmentalHealthManagementCenterofTianjinPort，Tianjin，300456)

《环境与可持续发展》学术影响因子逼近2.000

位列环境保护部主管期刊第一名

在全国收录环境科学类66种期刊中排位第六名

据知网2014年12月16日发布的《中国学术期刊影响因子年报(自然科学与工程技术(2014版)》，我刊学术影响因子显著大幅度提高。由2011年0.831和2012年1.030，提高到2013年逼近2.000大关，为1.971，名列环境保护部主管期刊第一名。在全国收录环境科学类66种期刊中排位第6名，其中2012年位列全国第18名，2011年第29名，2010年第33名。

致谢：本文系《2011年江西省环境保护及相关产业基本情况调查》项目成果，项目实施得到江西省各县市环保局调查组支持，在此表示衷心感谢

引用文献格式：史晓燕等.江西省环境保护服务业发展现状研究[J].环境与可持续发展，2015，40(3)：89-92.