唐山港集团股份有限公司 河北唐山 063600
摘要：随着经济的快速发展，我国对能源和原材料的需求越来越大，水路运输作为便捷、经济的运输方式，带动了我国港口的快速发展，但同时也引起了环境污染问题，尤其是矿石、煤炭等固体大宗散货在装卸、运输过程中的尘源扩散构成了港口粉尘污染的主体，对港口环境造成影响【1】。防风网对于散货的起尘与扩散具有良好的制约作用，其防尘效果已广泛得到公认，相关监测表明，防风网的防尘效果可达50%-70%，最高可达到90%。
关键词：防风网；防尘技术；研究和应用
2．防风网防尘机理
防风网防风抑尘机理【2,3】与堆场起沉、粉尘漂移、扩散、沉降机理本质上有直接关系。风流掠过矗立于其中的堆垛和起伏、凸凹复杂的堆场表面，形成堆场区极为复杂的风速梯度场和风速旋度场，使整个堆场区充满不同尺度、不同紊流度的旋涡，其中，在各堆顶后，在强来风条件下，局部涡流紊流度更大。堆场表面、特别是堆顶表面的微细颗粒在强风的推动和强涡场的卷吸作用下，大量进入风流中，形成堆场的起沉过程。显然，堆场的起尘，煤尘漂移、扩散、沉降过程主要决定于堆场区来流风速的大小、堆场前来流的紊流度。
防风网作为散货堆场用主要防尘措施之一，其主要防尘机理是防风网能够控制改善煤堆场区的风流场，减少堆场区的风速、减小堆场区风流场的紊流度。强风经过防风网后，部分风量透过防风网，其机械能衰减并变为低速风流，与此同时，这部分风量在网前的大尺度、高强度旋涡被衰减、梳理成小尺度、弱强度旋涡，防风网网后这部分低速、弱紊流度风流掠过煤堆场，形成低风速梯度、低风速旋度，弱涡量和弱紊流度的堆场区部分流场，使堆场低处起尘量大幅度减小。考虑到煤堆场控制起尘量的最小风速，强风只能部分透过防风网，而大部分风量被向上排开，并与主风流在防风网顶部汇集成更高速风流。这部分高速风流与紧邻下方网后的低速风流速度差很大，沿下游形成风速梯度很大，旋涡强度很高向低处发展的较长的条带区。在此条带区内高速风流和低速风流间产生强烈的动量交换和能量交换，使下部风流风速提高，很快恢复到来流风速，此即风流再附。若防风网高度不足，再附距离短，则堆场很多堆顶部可能落入风速梯度很大，旋涡强度很高的条带区。由于堆顶部煤的压实程度很低，所以此种情况堆顶部的起尘量反而增大，使堆场的总起尘量减小不理想。通过风洞模拟试验选择科学的防风网结构和防风网布局，最终使堆场总起沉量大幅度减小。粉尘漂移、扩散距离大幅度缩短，防护距离内的空气粉尘浓度大大降低，粉尘降尘量大大减小。
2．防风网的设置
防风网的设置主要有主导风向上风向设置型、三面设置型和四周设置型。设网方式主要是考虑堆场的大小、形状和当地的风向、风频等气象条件。
煤堆场防风网的高度主要取决于堆垛高度、堆场范围等因素。风洞试验表明：当防风网的高度为堆垛高度的0.6-1.1倍时，网高与抑尘效果成正比。当防风网高度为堆垛高度的1.1-1.5倍时，网高与抑尘效果的变化逐渐平缓。因此，防风网的高度一般在堆垛高度1.1.-1.5倍内选取。防风网高度的确定海英考虑堆场的大小，实验表明，网后下风向2-5倍网高的距离内，减尘率可达90%以上。对网后下风向16倍网高距离内，煤堆垛综合减尘效率达到80%以上。在网后25倍网高的距离处有较好的减尘效果。到网后50倍网高的距离处仍有削减风速20%的效果。实际应用中，大规模的防风网工程高度设计应在防风网抑尘效果较好的高度范围内确定几组方案，通过风洞试验或数值模拟对比分析，最终确定最佳设计高度。
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一般而言，风速越大、开孔率越小，在网后堆脚前的涡流越大，所以网设在堆脚处易起尘，在网后2-3倍堆垛高度的距离内有一个低风区，减速效果较好。一次防风网设在距堆垛2-3倍堆高的距离处为最佳。对于多个堆垛组成的堆场而言，可视堆场周围情况，因地制宜地设置防风网，一般可沿堆场堆垛边上设置防风网。日本的研究表明，防风网与最近堆垛的距离可控制在1.0-1.5倍堆高之内。
在考虑防风网的结构设计时，不仅需按规范计算等效静风压，对防风网应力、位移进行静力分析，在煤堆场规模较大时,如单面长度上千米、高十几米的防风网还须进一步研究防风网的动荷载、阻力系数及振动等结构安全性问题。以秦皇岛港煤三、四、五期及矿石堆场防风网工程为例，设计时除按规范规定进行了结构计算，还通过风洞试验确定阻力系数，并通过有限元ANSYS软件对防风网进行结构分析。研究表明，该工程防风网结构自振周期远离能量较大的脉动风荷载周期，不会发生共振现象。在脉动风荷载作用下，该工程防风网结构的位移和应力均有明显的动力放大效应，与规范计算方法相比，位移的动力放大系数在1.3左右，立柱和斜支撑应力的动力放大系数分别为1.332和1.433。若在规范方法中考虑1.4的风荷载分项系数，则与动力分析方法的计算结果很接近。同时也证明了对防风网结构进行脉动风荷载作用下的动力分析是十分必要的。在南方地区多台风，风向多变，风力较大，可能造成防风网的坍塌和损坏，因此进行防风网设计时风荷载取值不仅要考虑规范规定的基本风压，还应该结合当地的气象资料，尤其是台风的资料，适当提高设计级别以提高防风网的结构安全【4】。
3.防风网的遮蔽效果
目前国内港口粉尘防治措施依然以喷淋洒水为主，防风网在中小型堆场中的应用越来越多，通过风洞试验可知，防风网的作用随着遮蔽距离的增加而减弱。防风网的有效遮蔽距离为20倍网高，最大风速折减率可以达到80%左右。
防风网风洞试验遮蔽效果与数值模拟结果整体趋势相同，由于风洞试验未对网材进行缩尺处理，防风网顶部附近的流场受局部大比尺作用明显，试验结果和数值模拟结果之间存在一定误差。由于地面粗糙度的影响，导致试验结果在低倍网高(0.7倍网高)以下时明显优于数值模拟结果。
三维数值计算解决了风洞试验无法解决的问题，减少了研究成本，同时在防风网内部加入堆场模型，使之与实际情况更加接近，参考二维情况下数值模拟结果与风洞试验比较，风速遮蔽效果基本与实际情况柜符。
利用三维计算结果对依托工程起尘量进行计算，结果显示合理的布网方式下防风网有着良好的防风抑尘效果，四周布网结合洒水清况下基本上可以保证不起尘。防风网遮蔽效果与遮蔽距离有很大关系，依托工程南北距离较长（1600m），网高20m时有效遮蔽距离约400m，防风抑尘效果较差。相对动态起尘而言，防风网对静态起尘的影响效果比较明显。
4.结论
现场实测结果与风洞试验、数值模拟结果趋势相同，硬网和软网都有较好的风速遮蔽效果，大于3倍网高后硬网有更好的防风效果。防风网的建设有效的减少了堆场的起尘量，对于高风速情况，效果更加明显。
参考文献:
[1]田振涛，于嘉．加强粉尘治理打造绿色港口．港口经济，2011(1)：39～40。
[2]K.G.Ranga Raju，R.J.Garde，S.K.Singh，M.Singh，Experinental study on characteristics of flow past porous fences，J.Wind Eng.Ind.Aerodyn，1988，（29）156-163。
[3]李立新，张咏冰．挡风抑尘墙对粉尘污染的防治．环境保护，2005，5:37-39。
[4] 陈建华，詹水芬．港口散货堆场防风网防尘技术研究和应用．《珠江水运》,2008(3):44-46。
论文作者:李兆单
论文发表刊物:《防护工程》2017年第29期
论文发表时间:2018/2/28
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