导流型防风网的力学特性分析

陈光辉，白学花，李建隆

（青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266042）

引 言

随着中国城市化进程的加快及城市周边生态环境的恶化，扬尘已成为城市颗粒物污染的最重要来源[1-2]。防风网抑尘工程技术是治理露天堆料场风致扬尘的有效措施，优于传统的洒水、喷结壳固凝剂及织物覆盖等，在达到同等条件的环境指标时比封闭仓储经济，且一次投资、长期受益、维修管理费用低[3]。

前期，防风网的研究大多集中在防风网的抑尘机理方面[4-8]，对防风网的结构稳定性、强度和安全性分析的文献报道较少。1994年，天津市某煤炭仓储场小型碟型防风网工程，因为前期对防风网及支撑结构的受力和结构稳定性的研究分析不足，致使网板最后在风和低温作用下被撕裂脱落，工程没有达到预期效果[3]。

自此，中国许多学者开始就防风网支撑钢构件在风荷载下的力学响应及风振疲劳方面进行了分析研究[9]。秦皇岛港建设了全国最大煤堆场防风网工程，洪宁宁等[10]、刘现鹏等[11]、张亚青等[12]诸多研究者以秦皇岛港防风网工程为研究对象，针对防风网结构风振响应和防风网结构动力特性等进行了分析讨论。段振亚等[9]对直立平行式与直立斜支撑式两种类型的钢构架，进行了相应的力学特性分析。孙熙平等[13]对防风网的抗振疲劳特性进行了研究。

综上所述，国内防风网的结构稳定性研究，大多集中于传统单一形式的网板分析，对于不同形式的网板缺乏对比性的研究。李建隆等[14-19]研发出一种新型导流型防风网，在常规平板型防风网网孔上增设导流翅片，减小了来流风直接冲击料堆迎风面的作用力，来流风速为10 m·s-1时，网后最低风速可降至2 m·s-1[20]。但还缺乏对此新型防风网的力学特性研究。本文基于流场变化对网板荷载的直接影响，利用CFD系列Fluent模拟软件，针对导流型、传统圆孔平板型和方孔平板型3种网板形式进行了模拟比较。基于流场特性分析网板的受力与结构稳定性，期望在防风网支撑结构的设计优化、工程投资成本的节约与工程装置的安全运行等方面提供实质性的帮助[9]。

1 数值模拟

1.1 物理模型

模拟用3D模型如图1所示，流场设为长2000 mm、宽300 mm、高600 mm的长方体空间；防风网为厚2 mm、宽300 mm、高100mm、开孔率30%的多孔薄板；垛堆的横截面设为倾斜角45°、下底边长130 mm、上底边长30 mm、高50 mm的等腰梯形四棱柱。网板距入口4倍堆高，网高为2倍堆高，网堆距为4倍堆高。模拟用开孔率相同的传统方孔、圆孔平板网和导流型防风网进行对比。图2为3种网板模型，其中（c）为导流型防风网板，根据文献[20-21]，导流翅片采用最优排布形式，倾斜角度从上到下依次为α=60°，65°，70°，75°，80°，85°。各种网板布孔时孔总个数与单孔面积都设为近似相等。

图1 计算区域及几何模型示意图 Fig.1 Sketch map of computational domain and geometric model

图2 3种防风网板几何模型 Fig.2 Model of porous fence with different porosities

图3 模拟计算区域网格示意图 Fig.3 Meshed geometry of computational domain

1.2 计算网格划分

网格划分是进行数值计算的前提，其质量的好坏直接影响到计算结果的精度[20]。防风网模型厚 度小，且有翅片，所以采用分区划分网格的方式，对网板区域加密处理；考虑到计算机模拟计算的能力，对左右两侧墙面采取镜像手段，尽量接近自然无边界情况。生成的网格效果如图3所示。网格总数为575983，最大扭曲度0.8＜0.85，最大长径比3.37＜5。

1.3 边界条件

（1）入口边界条件：入口假设为常温常压下的空气，并认为湍流已充分发展，入口气流速度为沿截面法向速度[20,22]。

（2）出口边界条件：采用压力出口边界，有利于解决出口回流收敛困难的问题，压力设置P表压=0。

（3）固壁面边界条件：采用无滑移边界[22]。

1.4 基本假设

（1）风荷载均匀分布于整个板面。

（2）界面无滑移。

（3）流体流动视为稳态流动，忽略流动中各参数随时间的变化。

（4）气流为干燥均质气体，不考虑相变、气液交换和太阳辐射的影响[23]。将空气看作黏性不可压缩流体，且黏度μ=1.789×10-5kg·m-1·s-1，密度ρ=1.225 kg·m-3。

1.5 数学模型

（1）离散格式采用计算精度高、稳定性好的二阶迎风格式，SIMPLE算法处理压力-速度耦合关系，压力差补格式采用默认的Standard格式。

（2）采用Standard（标准）k-ε湍流模型[20-21],其控制方程包括湍动能k和湍动耗散率ε输运方程 方程。

2 力学特性分析

模拟过程中，根据材料力学小变形假定，忽略网板形变和自身重力。作用在网板上的外力包括风荷载施加的作用力和支撑结构提供的约束力，二者构成网板平衡力系。

图4所示分别为来流风通过导流型防风网和圆孔平板型的网板时形成的气流速度矢量图，导流翅片的存在使得气流具有上升优势，降低对料堆面的冲击。根据气流运动的速度矢量图确定网板的受力如图5所示。风荷载转化为均布力f作用于网板，将单位面积网板风荷载定义为等效集中力F；通过CFD模拟得到力F的等效作用位置，定义为A点；将网板底部与地面接触点视为固定端，定义为矩心O；A点到O点的距离定义为力臂h；H定义为网板高度。

图4 气流通过网板的速度矢量图 Fig.4 Velocity vector when airflow through porous fence

图5 网板受力简图 Fig.5 Map of force analysis of porous fence

3 结果分析与讨论

模拟不同来流风速（3，5，8，10，13，15 m·s-1）下3种开孔网板（方孔板、圆孔板、导流型）受风荷载作用情况。

3.1 不同防风网板的受力分析

图6给出了由于速度流场分布不均匀而对3种开孔形式网板产生的受力F随风速的变化。由图可以看出，F随着风速不断加大呈现二次方性增长。风速由最初的3 m·s-1增加到15 m·s-1过程中，方孔板、圆孔板和导流型受力分别由12.5、14.9、13.6 N·m-2增加到281.6、298.4、298.4 N·m-2，增长约20倍。在风速为5～10 m·s-1时，导流型板的等效集中力F一直处于最低水平，且方孔板与导流型的曲线接近；随着风速增加到11 m·s-1之 后，导流型板的受力曲线开始攀升，与圆孔板的接近，方孔板的最低；当风速达到13 m·s-1以后，导流型的受力增加大过其他板。整体来说在不同来流风速下方孔板的受力比圆孔板的受力略低，两孔板受力随来流风速的增加趋势一致。

图6 受力曲线图 Fig.6 Graph of force analysis

3.2 防风网力臂分析

图7为不同开孔网板的力臂与固定网高之比随风速变化。由图可以看出，3种网板受集中力F作用的位置A点都在网板的几何中心上方，且随着风速加大，力臂都在慢慢变短。圆孔板的变化趋势最明显，导流型的变化相对较缓慢。导流型的A点位置一直高于其他两种板，而圆孔板的最低，最接近网板几何中心；方孔板介于二者之间。在风速为8 m·s-1和10 m·s-1时，方孔板、圆孔板和导流型力臂与网高之比分别为0.507，0.506，0.512和0.506，0.504，0.511，三者悬差达到最大，导流型的A点位置高出圆孔板1.28%，高出方孔板1.06%，导流型板与传统网板的风荷载作用位置基本一致，没有明显偏差，导流型防风网在提高防风抑尘性能的同时，结构稳定性与常规防风网相比差别不大。

3.3 网板阻力的来源

防风网对风的阻碍作用，直接降低风的动能，使得网板与风之间产生复杂作用力。研究网板阻力的来源，不仅对分析防风网支撑结构及自身稳定性有意义，对防风网的挡风机理也有直接的指导意义。

图7 力臂曲线图 Fig.7 Graph of moment arm

3.3.1 网板摩擦曳力 图8为3种网板在15 m·s-1来流风速下Z=150 mm位置处的x-y平面局部放大速度矢量图。气流穿过板孔后，由于通道截面的突然扩大，急速流过的气流发生边界层分离，使部分高速气流汇入网板背面未开孔部分形成的负压区，形成旋涡。其中，由涡底部流入高速气流而形成的旋涡，称为上卷旋涡；当旋涡是由上部高速气流急速流入而形成，则称为下卷旋涡。涡的旋转以及不同运动方向的涡相遇产生摩擦要消耗大量的来流能量，所以在贴近网板的背风面对网板存在较强的雷诺应力。穿过方孔板和圆孔板的气流直接朝向后方运动，形成的旋涡杂乱无序，而穿过导流板的气流容易形成规律的旋涡。

湍流动能越大说明流动状况随时间变化越不稳定。分析15 m·s-1来流风速条件下导流型网后不同距离处湍流动能等值线（图9）可知，导流型网后距离网板X/H=0.03，X/H=0.1，X/H=0.2，X/H=0.4位置处存在一定程度的湍流，且随着距离加大湍流动能会慢慢减弱。在远离网板的过程中，强有力的小旋涡在主流风作用下，逐渐扩散成湍流 动能很微弱的大尺度涡，并且旋涡在后续运动过程中受到空气黏性阻尼影响，湍动能被逐渐耗散。湍动能的快速耗散可有效减少对网后料堆表面颗粒的作用力，大大降低颗粒起动；湍动能的快速耗散还可降低网后流场的高频脉动对网板的作用力。

图8 Z=150mm处x-y平面速度矢量局部放大图 Fig.8 Distribution of velocity vector at x-ysurface in Z=150 mm

从图9中导流型网板后距离网板X/H=0.03处湍流动能等值线图可以看出，在近网处y-z平面上湍流旋涡是均匀有序的，在网板高度范围内，随着高度的上升，气流湍动能是不断增加的，其对应的拖曳旋涡对网板的吸引作用也增大。图10为模拟15 m·s-1风速时，3种开孔形式的防风网在横截面X/H=0.4处的湍流动能等值线图，从图可以看出导流型板的湍动能仅为7.4 m2·s-2左右，远低于方孔板的14.4～17.3 m2·s-2和圆孔板的13.9～16.67 m2·s-2，从湍动能耗散来看导流型板比方孔板及圆孔板更有利于抑制颗粒起动、降低高频脉动对网板的作用力。

3.3.2 网板形体曳力 图11为网板近壁面等压线图，在15 m·s-1来流风速下，方孔板（a）的前后压差最大为494.1 Pa，圆孔板（b）的前后压差最大为546.4 Pa，导流型（c）的前后压差最大为512 Pa。该压差带给防风网最大形体曳力，且导流型前后压差方面明显优于圆孔板。该负压区是网板受力的另一重要来源。

3种开孔形式中圆孔板受风荷载作用最大，一是因为圆孔板网后旋涡较导流型的旋涡更加无序杂乱，如图8所示，当上卷旋涡与下卷旋涡相遇后，由于相反的旋转方向，以及产生的摩擦，会使能量消耗更大，且圆孔板网后较其他两板存在更大的拖曳旋涡，旋涡波及范围也更大；二是因为圆孔板网后形成的负压区的压力最低，所以圆孔板近壁面的前后压差大于另外两种开孔板，如图11所示。由图6受力曲线图可以明显看出，导流型防风网在5～10 m·s-1风速时，导流型板的集中力F一直处于最低水平，是因为在导流翅片的隔离作用下，方孔板近壁面前后压力差稍大于导流型板，且从湍动能等值线图10中可以看出，导流型后的湍流曳涡的尺度更小，所以导流型的受力比方孔板的稍低。当风速达 到13 m·s-1以后，导流型的受力增加大过其他板，原因是风速增大翅片上的受力明显增加，其低拖曳涡的优势被抵消了，此时，导流型孔板较方孔无翅片板的风荷载略大，与圆孔板所受风荷载基本一样。

图11 网板近壁面压力等值线图 Fig.11 Pressure contour line near porous fence/Pa

4 结 论

研究网板阻力的来源，不仅对分析防风网支撑结构及自身稳定性有意义，对防风网的挡风机理也有直接的指导意义。本文应用CFD模拟软件Fluent对不同开孔型式的防风网进行了力学特性分析。由数值模拟得到以下结论：

（1）通过比较不同开孔形式的防风网，风荷载都是随着风速不断加大，呈现二次方性增长， 当风速由3 m·s-1增加到15 m·s-1时，风荷载增长约20倍。导流型受风荷载作用与传统网板比较并没有明显差别。

（2）渐进角度式导流型防风网板与传统网板的风荷载等效作用点位置相比较，位置基本一致，都在网板的几何中心上方，且随着风速加大，等效集中力作用点逐渐接近几何中心。

（3）小涡的旋转和摩擦消耗大量的来流能量，所以在贴近网板的背风面对网板存在较强的雷诺应力。在远离网板的过程中，强有力的小旋涡在主流风作用下，逐渐扩散成湍流动能很微弱的大尺度涡，并且旋涡在后续运动过程中受到空气黏性阻尼影响，涡动能被逐渐耗散。产生网板阻力的主要原因是网板近壁面的前后压差和网后气流湍动形成的拖曳涡。

符 号 说 明

F——单位面积等效集中力，N·m-2

f——均布力，N·m-2

H——防风网高度，mm

h——力臂，mm

K——湍流动能，m2·s-2

U——风速，m·s-1

α——开孔率，%

ε——湍动耗散率

μ——黏度，kg·m-1·s-1

ρ——密度，kg·m-3

[1] Bai Xiangbing (白向兵), Liu Jian (刘建), Yan Yingtao (闫英桃), Liu Yanping (刘艳萍).Fugitive dust pollution of city and situation and prospect of study on dust-depressor [J].Journal of Shanxi University of Technology (陕西理工学院学报), 2005, 21 (4): 44-46.

[2] Ma Lan (马兰).Optimizing a construction scheme of windproof net board for storage yard in harbor engineering[D].Tianjin: Tianjin University, 2009.

[3] Duan Zhenya (段振亚), Shi Wenmei (石文梅), Zhen Wenjuan (郑文娟), Zong Runkuan (宗润宽).Progress in dust-removing mechanism study and engineering application [J].Petro-Chemical Equipment(石油化工设备), 2010, 39 (3): 40-44.

[4] Lee S J, Kim H B.Laboratory measurements of velocity and turbulence field behind porous fences [J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1999, 80 (3): 311-326.

[5] Dong Z B, Luo W Y, Qian G Q, et al.A wind tunnel simulation of the mean velocity fields behind upright porous fences [J].Agricultural and Forest Meteorology, 2007, 146 (1/2): 82-93.

[6] Zhang N, Kang J H, Lee S J.Wind tunnel observation on the effect of a porous fence on shelter of salting sand particles [J].Geomorphology, 2010: 224-232.

[7] Xuan Jie, Robins A.The effects of turbulence and complex terrain on dust emissions and depositions from coal stockpiles [J].Atmospheric Environment, 1994, 28: 1951-1960.

[8] Xuan Jie, Ye Wenhu.Wind tunnel modeling of dust emission and deposition in lower atmosphere: similarity principles [J].Asia-Pacific Symposium on Wind Engineering(Hong Kong), 1993, (2): 1053.

[9] Duan Zhenya (段振亚), Huang Wenbo (黄文博), Fu Jin (傅进).Structure design and mechanical characteristics analysis of steel bracing [J].Petro-Chemical Equipment(石油化工设备), 2013, 42 (4): 27-30.

[10] Hong Ningning (洪宁宁), Zhan Shuifen (詹水芬).Structure dynamic finite element analysis of porous fence//The Wind Engineering Structure Set Fourteenth National Academic Conference (第十四届全国结构风工程学术会议论文集) [C].Beijing, 2009: 789-793.

[11] Liu Xianpeng (刘现鹏), Wang Yuanzhan (王元战), Hong Ningning (洪宁宁).Response analysis on wind excitation of wind-break structure around coal store yard of Qinhuangdao port [J].Port Engineering Technology(港口技术), 2008, 44 (5): 15-17.

[12] Zhang Yaqing (张亚青), Zhan Shuifen (詹水芬).Research on windbreak dynamic characteristic about Qinghuangdao port [J].Journal of Waterway and Harbor(水道港口), 2008, 29 (4): 294-295.

[13] Sun Xiping (孙熙平), Wang Yuanzhan (王元战).Research on wind-induced fatigue characteristic of windbreak structure [J].Port Engineering Technology(港口技术), 2009, 46 (2): 30-33.

[14] Chen Guanghui (陈光辉), Li Jianlong (李建隆), Wang Weiwen (王伟文), et al.Method of wind-proof and dust suppression for open storage yard and the used of porous fence [P]: CN, 200810249627.5 .2009-07-22.

[15] Fan Junling (范军领), Wang Weiwen (王伟文), Zhang Pan (张攀), et al.Porous fence [P]: CN, 200820232839.2009-12-16.

[16] Dong Jipeng (董继鹏).Simulation and research of windbreak shelter effect on material piles under intense wind [D].Qingdao: Qingdao University of Science & Technology, 2009.

[17] Chen Guanghui (陈光辉) , Duan Jihai (段继海), Li Jianlong (李建隆).Numerical simulation of influence of the porosity on the dust suppression of deflector-porous fence [J].Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities(高校化学工程学报), 2013, 27 (5): 773-778.

[18] Chen Guanghui (陈光辉), Sun Changfeng (孙昌峰), Wang Weiwen (王伟文), et al.Numerical simulation of a porous fence with deflector [J].Computers and Applied Chemistry(计算机与应用化学), 2011, 28 (6): 725-728.

[19] Chen Guanghui (陈光辉), Wu Yulei (吴玉雷), Wang Weiwen (王伟文), et al.Simulation and shelter effect research behind a windbreak with deflector [J].Journal of Qingdao University of Science and Technology: Natural Science Edition(青岛科技大学学报: 自然科学版), 2010, 31 (5): 485-489.

[20] Chen Guanghui (陈光辉).Study on the structure optimization and mechanism of the porous fence [D].Qingdao: Qingdao University of Science & Technology, 2011.

[21] Sun Changfeng (孙昌峰).Study on the dust suppression property and mechanism of the porous fence with deflectors [D].Qingdao: Qingdao University of Science & Technology, 2011.

[22] Wang Fujun (王福军).Analysis of Computational Fluid Dynamics Principle and Application of CFD Software [M].Beijing: Tsinghua University Press, 2004.

[23] Hu Jinming (胡晋明), Shen Henggen (沈恒根).Numerical simulation of windbreak with effect of shield [J].Pollution Control Technology(污染防治技术), 2003, 16 (4): 1-3.