龍 軍，李錄會(huì)，李永金

（1.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610045； 2.四川蜀能礦山開(kāi)發(fā)技術(shù)咨詢有限公司，四川 成都 610045）

煤場(chǎng)采煤區(qū)作為一種露天開(kāi)放式的開(kāi)采或者存放料堆的場(chǎng)所，該場(chǎng)所在受到風(fēng)的影響下，形成嚴(yán)重的顆粒揚(yáng)塵，對(duì)于大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。顆粒揚(yáng)塵共分為靜態(tài)起塵以及動(dòng)態(tài)起塵，兩者發(fā)生原因存在明顯差異，場(chǎng)所的風(fēng)速和開(kāi)采以及存放料堆的含水率是前者的主要影響因素[2]，作業(yè)方式、強(qiáng)度等是后者的主要影響因素。防風(fēng)抑塵網(wǎng)則是用于該現(xiàn)象處理的一種有效的先進(jìn)手段，主要包含3個(gè)部分，分別為基礎(chǔ)部分、支撐部分以及擋風(fēng)板，前者為獨(dú)立狀態(tài)，中間者屬于鋼結(jié)構(gòu)；其可有效控制揚(yáng)塵的風(fēng)力[3]，使流風(fēng)的動(dòng)能最大限度減弱，可降低其揚(yáng)塵能力，綜合防風(fēng)抑塵率不低于80%。該墻體的設(shè)計(jì)需依據(jù)煤場(chǎng)采煤區(qū)的實(shí)際環(huán)境情況，以空氣動(dòng)力學(xué)原理為依據(jù)，結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果完成，并且該墻的幾何形狀、開(kāi)孔率、孔的形態(tài)均依據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)。防風(fēng)抑塵網(wǎng)目前已經(jīng)在多個(gè)揚(yáng)塵污染治理領(lǐng)域使用[4]，例如，港口碼頭、煤場(chǎng)、料場(chǎng)、鋼鐵等。概率估計(jì)是依據(jù)數(shù)值的統(tǒng)計(jì)和求解，獲取的估計(jì)量結(jié)果。為分析防風(fēng)抑塵網(wǎng)在煤場(chǎng)采煤區(qū)的實(shí)際應(yīng)用效果，許棟等[5]基于PM-IBM模型，分析其在堆場(chǎng)揚(yáng)塵中的應(yīng)用效果，韓媛雯等[6]基于DEMATEL-ANP方法分析其揚(yáng)塵治理效果，上述方法在效果分析過(guò)程中，是依據(jù)不同情況下的模擬以及關(guān)鍵因素權(quán)重計(jì)算完成，但是由于模擬過(guò)程中力學(xué)參數(shù)設(shè)定困難，模型構(gòu)建效率較低，并且關(guān)鍵因素之間存在相互關(guān)聯(lián)影響，導(dǎo)致最終分析結(jié)果存在一定的不可掌控性以及誤差。本文采用數(shù)值模擬方式構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模型分析不同孔隙率下，煤場(chǎng)采煤區(qū)防風(fēng)抑塵網(wǎng)的抑塵效果。

1 模型構(gòu)建

1.1 煤場(chǎng)采煤區(qū)防風(fēng)抑塵網(wǎng)幾何模型

料堆模型采用三維棱臺(tái)表示，其長(zhǎng)度為155、115 m，分別對(duì)應(yīng)下表面和上表面；2個(gè)表面的寬度分別為52、11 m，料堆高度為18 m。抑塵網(wǎng)的部署位置在料堆前[7]，其高度和長(zhǎng)度均是料堆高度的1倍。結(jié)合相關(guān)研究得出，當(dāng)前者高度高于料堆1.5倍時(shí)，抑塵效果沒(méi)有發(fā)生變化，在高度低于1.5倍、高于1倍的情況下抑塵效果顯著，基于此，擇取中間數(shù)值即1.25倍的料堆高度，即22.5 m。分析結(jié)果的可靠性與計(jì)算范圍的確定存在直接關(guān)聯(lián)，范圍過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致模型的計(jì)算量明顯增加，計(jì)算效率較低[8]；范圍過(guò)小則會(huì)對(duì)空氣的流動(dòng)造成直接影響，導(dǎo)致模型的計(jì)算精度受到直接影響。經(jīng)過(guò)研究測(cè)試，計(jì)算范圍的長(zhǎng)寬高的尺寸分為料堆長(zhǎng)寬高的6倍、7倍以及5倍，即分別為930、310、90 m，且為長(zhǎng)方體空間，x、y、z分別為料堆寬、高、長(zhǎng)3個(gè)方向，在計(jì)算范圍內(nèi)側(cè)建立原點(diǎn)，幾何模型如圖1所示。

圖1 煤場(chǎng)采煤區(qū)防風(fēng)抑塵幾何模型Fig.1 Geometric model of wind and dust prevention in coal mining area of coal yard

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 防塵控制方程

完成計(jì)算區(qū)域的確定后，完成數(shù)學(xué)物理模型的構(gòu)建。堆料附近的空氣成流體，且不能夠壓縮[9]，呈穩(wěn)態(tài)絕熱性流動(dòng)。所有的流動(dòng)需符合2種守恒基礎(chǔ)定律以及2種方程，分別為質(zhì)量和動(dòng)量、附加湍動(dòng)能和耗散率。防塵控制方程組由質(zhì)量和動(dòng)量2種守恒方程組成[10-11]，其公式分別為：

（1）

（2）

式中，ρ為空氣密度；x、y、z為方向；u、v、w為其各自方向上的速度；ui、uj為速度分量，前者對(duì)應(yīng)i方向，后者對(duì)應(yīng)j方向；xi，xj分別對(duì)應(yīng)x、y方向；μ為黏性系數(shù)；δij為張量，屬于克羅內(nèi)克爾；Cμ為常數(shù)；Si為源項(xiàng)。

當(dāng)Si的值處于抑塵網(wǎng)區(qū)域外時(shí)為0，位于區(qū)域內(nèi)時(shí)，其可用于完成多孔介質(zhì)作用的模擬[12-13]。Si由2部分損失組成，分別為黏性和慣性，則：

（3）

（4）

式中，α為多孔介質(zhì)滲透系數(shù)；C2為慣性阻力因子；Ap、Af為總面積，前者對(duì)應(yīng)孔，后者對(duì)應(yīng)板；t為抑塵網(wǎng)厚度。

模擬三維流場(chǎng)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方程k-ε完成，兩者方程分別為：

（5）

（6）

（7）

1.2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定

防風(fēng)抑塵網(wǎng)為跳躍模型（Porous-Jump），且為多孔介質(zhì)，為分析料堆表面微觀特性，采用Fluent6.3軟件模擬抑塵網(wǎng)和其料堆附近流場(chǎng)數(shù)值，在模擬過(guò)程中，將動(dòng)量方程作為動(dòng)量損失源項(xiàng)，并確定網(wǎng)格數(shù)量。用速度入口描述入口邊界，該處風(fēng)速為5 m/s，其梯度為零，為法向方向，屬于出口截面[14]；自由壓力出口用出口邊界描述，表面和地面通過(guò)壁面表示，且不存在滑移，前者屬于料堆；表示對(duì)稱邊界用求解結(jié)果表示，且為域前后以及上表面[15-16]。采用格式和半隱式方法，分別對(duì)應(yīng)二階迎風(fēng)、壓力耦合，描述多個(gè)參數(shù)、壓力、速度耦合項(xiàng)的處理過(guò)程，其中參數(shù)包含動(dòng)量、湍流動(dòng)能、耗散項(xiàng)；收斂誤差為0.000 05。

開(kāi)放性的煤場(chǎng)中，流動(dòng)特性和剪切力是采煤區(qū)的散塵特性決定采煤區(qū)散塵水平[17-18]，且前兩者分別對(duì)應(yīng)近壁邊界層和壁面。將不為0的Si，設(shè)為多孔介質(zhì)跳躍模型的邊界條件，且依據(jù)孔隙率完成，并屬于式（2）。由于在實(shí)行數(shù)值模擬過(guò)程中，采煤區(qū)物體的所有形狀信息無(wú)法全部采集[19-20]，為衡量模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用壓力損失系數(shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，其公式為：

（8）

式中，p、p0均為壓力，分別對(duì)應(yīng)料堆表面和參考；vin為風(fēng)速，屬于來(lái)流。

2 結(jié)果分析

2.1 模型網(wǎng)格數(shù)量確定

為保證模型獲取的數(shù)值結(jié)果的精確，分析模型在料堆附近的流場(chǎng)特點(diǎn)，得到數(shù)值模擬計(jì)算流場(chǎng)速度矢量如圖2所示。

圖2 防風(fēng)抑塵網(wǎng)與料堆間的流場(chǎng)速度矢量Fig.2 Velocity vector of the flow field between the wind-proof and dust-suppressing net and the stockpile

由圖2可知，來(lái)流風(fēng)通過(guò)防風(fēng)抑塵網(wǎng)后會(huì)形成繞流和滲流2種形式，在料堆頂部出現(xiàn)明顯的邊界層分離現(xiàn)象，繞流風(fēng)在繞過(guò)防風(fēng)抑塵網(wǎng)后沿著料堆迎風(fēng)面加速向上流動(dòng)，在防風(fēng)網(wǎng)及料堆的上空形成高速區(qū)，部分繞流風(fēng)下沉至背風(fēng)面形成速度回流區(qū)，從而避免對(duì)料堆的破壞，起到防風(fēng)抑塵的效果。

在圖2的基礎(chǔ)上，再以迎風(fēng)面剪切力結(jié)果作為宏觀衡量標(biāo)準(zhǔn)，以此確定模型網(wǎng)格數(shù)量，結(jié)果如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格數(shù)量分析結(jié)果Fig.3 Analysis results of model grid number

依據(jù)圖3結(jié)果可知，迎風(fēng)面剪切應(yīng)力隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，逐漸提升，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到12.5萬(wàn)個(gè)左右時(shí)，剪切應(yīng)力達(dá)到最大，并且當(dāng)數(shù)量超過(guò)18萬(wàn)個(gè)左右以后，剪切應(yīng)力趨于平穩(wěn)。因此，為保證模型數(shù)值計(jì)算的平穩(wěn)性，網(wǎng)格數(shù)量為超過(guò)18萬(wàn)個(gè)較佳，結(jié)合剪切力的平穩(wěn)趨勢(shì)，確定網(wǎng)格數(shù)量為20萬(wàn)個(gè)。

2.2 均勻孔隙率下的微觀動(dòng)力學(xué)結(jié)果

通過(guò)模型模擬均勻孔隙率分別為0.15、0.30、0.45、0.60、0.75、0.90時(shí)，抑塵網(wǎng)后面空氣流場(chǎng)的數(shù)值結(jié)果，沿坡面向上方向?yàn)檎颍y(tǒng)計(jì)料堆表面受力情況，該受力結(jié)果通過(guò)迎風(fēng)剪切力表示，見(jiàn)表1。

表1 不同孔隙率下的迎風(fēng)面剪切力結(jié)果Tab.1 Windward shear stress results under different porosity

由表1可知，以整個(gè)迎風(fēng)坡面為參照，均勻孔隙率為0.9時(shí)，迎風(fēng)剪切力值最高，均為正值；隨著迎風(fēng)坡面高度增加，剪切力隨之增加，達(dá)到坡頂位置，即22.5 m處剪切力最高，表示最大散塵點(diǎn)位于坡頂位置；隨著孔隙率降低，迎面剪切力隨之呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)均勻孔隙率下降至0.60時(shí)，剪切應(yīng)力結(jié)果明顯低于孔隙率為0.90時(shí)的剪切力結(jié)果，當(dāng)迎面坡度達(dá)到22.5 m時(shí)，剪切力顯著趨勢(shì)，達(dá)到42.21 N；隨著孔隙率的繼續(xù)減小，剪切力依舊隨之減小，當(dāng)均勻孔隙率降為0.45時(shí)，迎風(fēng)面剪切力在坡面高度低于15 m以前剪切力結(jié)果均低于10 N，高度超過(guò)19.5 m以后，剪切力顯著上升，達(dá)到18 N以上，在坡度達(dá)到22.5 m時(shí)，剪切力結(jié)果高于23 N。該現(xiàn)象是由于滲流和繞流2種空氣，在經(jīng)過(guò)抑塵網(wǎng)后匯集在坡頂，在料堆周圍形成繞流氣流，風(fēng)速以及剪切力梯度均發(fā)生提升，導(dǎo)致?lián)P塵情況越加嚴(yán)重，表示孔隙率越低，抑塵網(wǎng)的抑塵防風(fēng)效果越佳。與沒(méi)有抑塵網(wǎng)工況相比，降低剪切力的大小，是孔隙率較高的抑塵網(wǎng)的主要作用，并且剪切方向不發(fā)生改變，同時(shí)，其對(duì)料堆中部和下部的抑塵效果顯著。當(dāng)孔隙率為0.30時(shí)，料堆坡面高度在低于7.5 m時(shí)，剪切力為0，隨著高度逐漸增加，剪切力發(fā)生較小的降低，呈現(xiàn)負(fù)值；隨著坡面高度增加，剪切力呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，當(dāng)坡面高度達(dá)到18 m，剪切力為正值，并逐漸增加；孔隙率為0.15時(shí)的剪切力變化與0.30時(shí)的結(jié)果相似，迎風(fēng)剪切力值呈現(xiàn)降低、增加的波動(dòng)變化，并且存在負(fù)值，該現(xiàn)象是由于孔隙率較低時(shí)，經(jīng)過(guò)抑塵網(wǎng)的空氣以繞流為主，導(dǎo)致抑塵網(wǎng)后和網(wǎng)頂2個(gè)位置的壓力呈現(xiàn)差異化，前者為急劇下降，后者為增強(qiáng)，抑塵網(wǎng)和料堆面兩者之間在壓力差距的作用下，且方向?yàn)榇怪?，形成漩渦，且為順時(shí)針狀態(tài)。

綜合圖3的分析結(jié)果得出，抑塵網(wǎng)在不同的孔隙率下，起到的抑塵效果存在差異，即抑塵作用的位置存在差異，當(dāng)孔隙率較高，即大于0.60時(shí)，料堆中下部分抑塵效果顯著；當(dāng)孔隙率較低，即低于0.45時(shí)，抑塵網(wǎng)和料堆之間產(chǎn)生漩渦，在該作用下，位于料堆中下位置的氣流受到擾動(dòng)，即高度在9.0～15 m內(nèi)，剪切力逐漸降低，可使抑塵作用增強(qiáng)。

為進(jìn)一步分析均勻孔隙率下抑塵網(wǎng)的抑塵效果，獲取抑塵網(wǎng)不同的孔隙率下，料堆背面以及平頂面的剪切力變化結(jié)果，見(jiàn)表2、表3。

表2 料堆背面的剪切力變化結(jié)果Tab.2 Change results of shear force on the back of stockpile

分析表2結(jié)果可知，當(dāng)孔隙率低于0.45時(shí)，隨著料堆高度的增加，其背面的剪切力變化較為一致，均呈現(xiàn)先緩慢上升后下降趨勢(shì)，并且在高度為21 m以內(nèi)時(shí)，3種孔隙率下的剪切力值較為接近，差距較?。划?dāng)達(dá)到頂面后，剪切力之間發(fā)生顯著差距；當(dāng)孔隙率高于0.60以后，剪切力均逐漸增加；但是在相同料堆高度下，孔隙率越高，剪切力越大，相互之間的差距均不大。該結(jié)果與迎風(fēng)面結(jié)果呈現(xiàn)明顯差距，因此，該結(jié)果可體現(xiàn)背風(fēng)面對(duì)于剪切力的影響低于迎風(fēng)面剪切力的影響。

分析表3結(jié)果可知，在不同的頂面寬度下，6種孔隙率取值呈現(xiàn)差異性變化。取值為0.15、0.30、0.45時(shí)，三者的波動(dòng)變化相同，相對(duì)平穩(wěn)，均在較小的范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)變化，且變化較小，波動(dòng)幅度較??；當(dāng)孔隙率超過(guò)0.45，分別為0.60、0.75、0.90時(shí)，三者的剪切力隨著頂面寬度的增加，均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，當(dāng)頂面寬度達(dá)到8 m時(shí)，三者的剪切力下降趨勢(shì)明顯。當(dāng)寬度達(dá)到9 m以上后，3種孔隙率下的剪切力處于平穩(wěn)，變化極小。上述的分析結(jié)果是由于當(dāng)孔隙率較低時(shí)，2種流向的方向相同，分別為來(lái)流風(fēng)速與貼附流，且后者為貼附流，該兩者是隨著頂面寬度的增加而減小，并且，前半部分接近迎風(fēng)面，會(huì)在壓力的影響下，產(chǎn)生顯著的變化，后半部分壓力平穩(wěn)，使后半部分的波動(dòng)平穩(wěn)。

2.3 非均勻孔隙率下的微觀動(dòng)力學(xué)結(jié)果

將抑塵網(wǎng)實(shí)行上下2部分劃分，對(duì)2部分的孔隙率分別實(shí)行設(shè)定，上部分的孔隙率均為0.30以下，下部孔隙率為0.75以上，獲取該情況下的料堆表面剪切力結(jié)果，并將該結(jié)果與均勻空隙為0.15和0.45的結(jié)果實(shí)行對(duì)比，如圖4所示。且結(jié)果共分為3部分，分別為料堆的迎風(fēng)面、平頂面和背風(fēng)面，其中以平頂面中心作為中心點(diǎn)，迎風(fēng)面位于中心點(diǎn)左側(cè)，因此，其位置用負(fù)值表示，背風(fēng)面位于中心點(diǎn)右側(cè)，其位置用正值表示。

圖4 不同孔隙率下的料堆表面剪切力結(jié)果Fig.4 Results of pile surface shear stress under different porosity

分析圖4結(jié)果可知，料堆的迎風(fēng)面，隨著坡面高度的增加，3種孔隙率下的剪切力呈現(xiàn)差異性變化，非均勻孔隙率下的剪切應(yīng)力呈現(xiàn)小幅度上升后下降有上升的變化趨勢(shì)，2種均勻孔隙率下的剪切力分別呈現(xiàn)上升、平穩(wěn)上升和下降后上升2種變化趨勢(shì)，并且除坡面起始位置時(shí)，非均勻孔隙率的剪切力高于均勻孔隙率的剪切力以外，其一直處于2種均勻孔隙率剪切力之間。均勻孔隙率為0.45時(shí)的剪切力變化結(jié)果使料堆中部以上位置的剪切力梯度顯著提升；非均勻孔隙率下的剪切力則在坡面高度位置在-30 m開(kāi)始，呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，其滿足孔隙率較低時(shí)可降低迎風(fēng)面上部位置的剪切力效果，并且其變化趨勢(shì)與均勻孔隙率為0.15時(shí)相似。并且，料堆的平頂面結(jié)果中，兩者的剪切力依舊尤為接近，且均勻孔隙率為0.45時(shí)，剪切力在料堆中部位置剪切力顯著下降，剪切力較小，且頂面剪切力最大。除此之外，料堆背風(fēng)面的剪切力變化趨勢(shì)一致?；谏鲜鼋Y(jié)果，最終統(tǒng)計(jì)不同類別孔隙率下，料堆每個(gè)表面的剪切力結(jié)果，見(jiàn)表4。

表4 每個(gè)面的剪切力結(jié)果Tab.4 Shear force results of each face N

依據(jù)表4結(jié)果，最終確定非均勻孔隙率的防塵網(wǎng)抑風(fēng)防塵效果最佳，其在每個(gè)面的剪切力結(jié)果均小于均勻孔隙率的剪切力。因此，煤場(chǎng)采煤區(qū)抑塵網(wǎng)在非均勻孔隙率下，可實(shí)現(xiàn)良好的抑塵效果，也間接表明，為保證該場(chǎng)所的最佳抑塵效果，可結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)防塵網(wǎng)的非均勻孔隙率大小。

4 結(jié)語(yǔ)

煤場(chǎng)采煤區(qū)是造成空氣污染的典型場(chǎng)所，其大量的顆粒揚(yáng)塵，對(duì)于環(huán)境和人們身體健康造成較大影響，抑塵網(wǎng)是該類場(chǎng)所主要運(yùn)用的一種防風(fēng)抑塵手段，為準(zhǔn)確分析其準(zhǔn)確的抑塵效果，從概率估計(jì)的角度出發(fā)，通過(guò)孔隙率這個(gè)概率值，分析煤場(chǎng)采煤區(qū)防風(fēng)抑塵網(wǎng)抑塵效果。通過(guò)構(gòu)建孔隙率控制方程，估計(jì)在不同類型、不同取值的孔隙率下，抑塵網(wǎng)的抑塵效果。估計(jì)結(jié)果顯示，抑塵網(wǎng)在煤礦采煤區(qū)的抑塵效果良好，并且抑塵網(wǎng)在非均勻孔隙率下抑塵效果優(yōu)于均勻孔隙率下的抑塵效果，可有效降低煤場(chǎng)采煤區(qū)顆粒揚(yáng)塵，降低空氣污染。