环境工程学报, 12(10): 2825-2832

DOI 10.12030/j.cjee.201806060    中图分类号  X513   文献标识码  A


许栋, 张博曦, 及春宁, 等. 防风网扬尘庇护区湍流流场模拟数值边界条件[J]. 环境工程学报,2018,12(10):2825-2832.
XU Dong, ZHANG Boxi, JI Chunning, et al. Numerical boundary conditions for simulation of turbulent flow field in the shielding zone behind windbreaks [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2018,12(10):2825-2832, doi:10.12030/j.cjee.201806060
防风网扬尘庇护区湍流流场模拟数值边界条件
许 栋 1, 张 博曦 1, 及 春宁 1,*, 杨 海滔 1, 季 则舟 2 , 张 志强 3
1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072
2. 中交第一航务工程勘察设计院有限公司,天津 300222
3. 格瑞(天津)科技发展有限公司,天津 301802
第一作者:许栋(1980—),男,博士,副教授,研究方向:河流动力学。 E-mail: xudong@tju.edu.cn
*
通信作者, E-mail: cnji@tju.edu.cn
收稿日期: 2018-06-11; 录用日期: 2018-07-10
基金项目: 国家自然科学基金创新研究群体项目(51621092);国家自然科学基金资助项目(51579175, 51009105);天津市科技支撑计划项目(16ZXCXSF00020)

摘  要 

防风网后方存在复杂的湍流结构,通过耗散能量、降低风速形成扬尘庇护区。数值风洞是研究防风网流场结构及预测堆场扬尘的重要方法,由于涉及复杂的大气边界层及多孔介质边界问题,建立高精度的数值风洞目前仍是计算流体的难题。通过一系列数值模拟并与物理实验对比分析,研究了影响防风网数值风洞模拟精度的3个边界条件,即紊流入流边界、地面粗糙边界和多孔介质边界。结果表明:计算域入流紊动强度对风场结构模拟结果具有较大影响,紊动不足能够造成高达50%以上的虚假庇护长度;数值风洞地面粗糙高度通过壁面函数影响流场结构,对防风网抑尘效应有较大影响;防风网阻风效果可利用多孔跳跃介质边界模型实现,模型中惯性阻力系数对模拟结果有较大影响,应根据风压损失系数、防风网厚度和雷诺数设定。
Numerical boundary conditions for simulation of turbulent flow field in the shielding zone behind windbreaks
XU Dong 1, ZHANG Boxi 1, JI Chunning 1,*, YANG Haitao 1, JI Zezhou 2 , ZHANG Zhiqiang 3
1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2. First Harbor Consultants Co. Ltd. of China Communications Construction Company, Tianjin 300222, China
3. Green (Tianjin) Technology Development Company Ltd., Tianjin 301802, China
*
Corresponding author, E-mail: cnji@tju.edu.cn

Abstract  

There is a complex turbulence structure behind the windbreak, where a dust refuge will be formed by energy dissipation and wind speed reduction. The numerical wind tunnel is an important method to study the flow field structure of the windbreak and predict the dust in the yard. Due to the complex atmospheric boundary and porous boundary conditions, the establishment of high-precision numerical wind tunnels is still a computational fluid challenge. Through a series of numerical simulations and comparison with physical experiments, three boundary conditions, such as turbulent inflow boundary, rough surface boundary and porous media boundary, were studied, which could affect wind tunnel numerical wind tunnel simulation accuracy. The results show that the turbulence intensity of inflow in computational domain has a relatively high effect on the simulation results of wind farm structure. The lack of turbulence can lead to a false refuge length of up to 50%. In numerical wind tunnel, the roughness height affects the structure of flow field through the wall function, which has a great impact on the dust suppression effect of the windbreak. The wind blocking effect of the windbreak can be simulated by using the porous jumping medium boundary model. The inertial resistance factor in the model has a great influence on the simulation results, and it should be set according to the wind pressure loss coefficient, windbreak thickness and Reynolds number.
防风网作为一种新型的防风抑尘措施,近年来在港口煤堆场、矿石堆场等环境获得广泛应用。防风网是一种疏透多孔边界,通过降低风速在网后形成扬尘庇护区,减少物料损失和大气污染。防风网抑尘效果与网后复杂的湍流流场密切相关,工程设计中需要借助计算流体力学(CFD)模拟-数值风洞等手段深入研究。
防风网数值风洞的建立涉及3个重要边界条件。首先,大气边界层受地表影响,边界层内来流流速及湍流度受较大影响,见图1;而数值风洞中来流湍流强度及流速分布直接影响网后流场结构,因此,边界层湍流通量设置至关重要;然而,数值风洞中湍流强度的设置没有统一,陈光辉等[1]在研究导流型防风网中采用中等紊流条件;王泽涛[2]研究防风网风速折减效果时采用日本建筑规范设置;SANTIAGO等[3]从平衡边界层的假设出发,计算湍动能的入口边界条件及其耗散率。其次,地面粗糙边界是大气边界层的重要组成,BLOCKEN等[4]研究CFD壁面函数设置,表明不恰当的地面粗糙度模拟,会对精度造成较大影响;方平治等[5]对不同类型风场模拟表面粗糙度较小的风场,现有标准壁面函数可实现大气边界层模拟。再次,由于防风网的多孔性,防风网边界模拟常在实体边界上打孔实现,许栋等[6]通过在防风网边界打孔研究蝶型防风网透流风流动特性,明确大涡模拟的优势;李建隆等[7]通过打孔研究防风网开孔形式对流场的影响,表明圆形孔防风网阻风效果最好。直接打孔法精度高,但由于防风网孔洞较多,网格划分较复杂,常用多孔介质边界代替,但影响多孔介质边界的惯性阻力系数及渗透率没有统一:PERRY等[8]进行惯性阻力系数经验公式研究,建立了惯性阻力系数同雷诺数及孔径的关系;郭辉[9]及SONG等[10]研究防风网遮蔽效应时,均利用经验公式模拟多孔介质边界;HONG等[11]通过风洞实验确定网后风压损失,进而计算惯性阻力系数及渗透率。大量研究表明,防风网风场模拟以及抑尘效果预测对边界条件具有很强的敏感性[7,12-14],处理好这些边界条件是建立高精度数值风洞的基础。
图1 大气边界层对防风网来流风影响
Fig. 1 Influence of atmosphere boundary layer on flow inlet of windbreak
图1 大气边界层对防风网来流风影响
Fig. 1 Influence of atmosphere boundary layer on flow inlet of windbreak
Cjee 201806060 t1
本研究基于通用计算流体力学求解器建立防风网风场数值模拟模型,研究不同紊流入流边界、地面粗糙高度边界及多孔介质边界条件对模拟结果的影响,形成运用CFD建立防风网模拟数值风洞的系统方法。

1 风场模拟数学模型

1.1 湍动控制方程

本研究基于通用计算流体力学求解器FLUENT进行数值模拟。考虑自然界风速一般在30 m·s−1以下(小于48 m·s−1),忽略其压缩性,采用不可压缩黏性流体控制方程描述其运动。控制方程采用连续性方程及雷诺平均Navier-stokes方程(RANS),见式(1)式(2)
ρ t + x i ( ρ u i ) = 0
(1)
t ( ρ u i ) + x i ( ρ u i u j ) = p x i + x i [ μ ( u i x j + u j x i 2 3 δ i j u i x j ) ] + x j ( ρ u i u j ¯ )
(2)
式中: u i i方向上的速度,m·s−1 x i 为沿i方向的空间坐标,m; t 为时间,s; μ 为分子黏滞系数,N·s·m−2 p 为压强,Pa; ρ 为流体密度,kg·m−3 δ i j 为 Kronecker函数, ρ u i u j ¯ 为雷诺应力。
针对湍流引起的雷诺应力,采用对复杂流场有较好适应性的雷诺应力模型。

1.2 边界条件

防风网数值风洞涉及多孔介质及大气边界层2个重要边界。

1.2.1 多孔介质边界条件

防风网模型采用多孔跳跃模型,其实质是在动量方程中添加动量损失源项实现阻流效果,方程见式(3)
S i = ( μ α v i + C 2 1 2 ρ | v | v i )
(3)
式中: α 为渗透率,m2 C 2 为惯性阻力系数,m−1 v i 为垂直网面的速度,m·s−1 ρ 为密度,kg·m−3
惯性阻力系数提供多孔介质中惯性损失的校正,根据PERRY经验公式,由式(4)计算。
C 2 = 1 C 2 ( A p / A f ) 2 1 t
(4)
式中: A p / A f 为板面积与孔隙面积之比; t 为板的厚度; C 为受雷诺数 R e 及孔径与板厚的比值影响的修正系数,孔径与板厚的比值大于1.6且 R e > 4 000时, C 0.98
黏性损失系数与渗透率、分子黏滞系数及多孔介质厚度有关,而防风网为典型薄壁结构,对于单层开孔率35%的防风网,风洞实验测得渗透率取值达3 × 10−5 m2 [11],故建模过程中常忽略黏性项;考虑通用CFD(如FLUENT)计算中一般保留渗透率项,因此,本研究探讨渗透率对数值风洞精度的影响。

1.2.2 大气边界层边界条件

受大气边界层影响,来流风流速及湍动能分布垂直梯度变化大。流速剖面根据我国建筑规范规定的指数型公式模拟,见式(5)
v = v 0 ( z 10 ) α
(5)
式中: v 0 为10 m处的速度大小,m·s−1 α 为系数,对B类地面粗糙度,按规范 α 取为0.14; z 为高度,m。
湍流度剖面目前没有统一的设置方式。日本建筑规范(AIJ)规定湍流度剖面、湍动能及湍动能耗散率公式见式(6)~式(8),其中,湍动能及湍动能耗散率构成湍流度入流边界,简称AIJ边界。中等紊流条件紊流强度 I 为5%,紊流黏度比为10,其对应雷诺数为11 000左右。
I = { 0.23 z z b 0.1 ( z / z G ) 0.35 z b < z z G
(6)
κ = 1.5 ( v I ) 2
(7)
ε = 0.234 7 κ 1.5
(8)
式中: I 为紊流强度; z G 为梯度风高度,m; κ 为湍动能,m2·s−2 ε 为湍动能耗散率,m2·s−3 v 为风速,m·s−1 z b 为边界层厚度,m。
地面粗糙边界对流场的影响[4]通过标准壁面模型实现,商业软件(FLUENT)中一般要求物理粗糙高度 K s 小于第一层网格中心距壁面距离 z P ,若 K s > z P ,必须在标准壁面函数中引入附加项以修正。

2 模型建立与计算工况

采用风洞测量数据验证数值模拟结果。王泽涛[2]在风速15 m·s−1的工况下对网高0.3 m、板厚1.6 mm、开孔率40%的防风网进行风洞模拟,测量沿程风速折减效果;验证模型将防风网放置于入口10倍网高处,左侧为速度入口,右侧为速度出口,防风网高0.5 m。采用结构化网格,最小网格大小为0.01 m × 0.05 m,壁面第1层网格中心至壁面距离zp为0.025 m;采用标准壁面模型。入口边界条件采用流速入口;出口边界条件采用自由出流;根据王泽涛[2]实验建立验证模型,见图2,防风网采用多孔跳跃边界,惯性阻力修正系数取0.98。模型风速取15 m·s−1,雷诺数 R e 取513 440,平面网开孔率40%,网厚取1.6 mm。计算工况见表1
图2 计算域及边界条件
Fig. 2 Computational domain and boundary conditions
图2 计算域及边界条件
Fig. 2 Computational domain and boundary conditions
Cjee 201806060 t2
表1 数值模拟边界条件设置
Table 1 Configuration of boundary conditions for numerical simulations
表1 数值模拟边界条件设置
Table 1 Configuration of boundary conditions for numerical simulations
工况编号
紊流边界
粗糙高度边界/m
多孔介质边界
惯性阻力系数/m−1
渗透率/m2
1
中等紊流条件
0.01
3 416.5
1 × 1020
2
AIJ边界
0.01
3 416.5
1 × 1020
3
AIJ边界
0
3 416.5
1 × 1020
4
AIJ边界
0.005
3 416.5
1 × 1020
5
AIJ边界
0.01
3 416.5
1 × 1020
6
AIJ边界
0.01
3 416.5
1 × 1010
7
AIJ边界
0.01
3 416.5
1 × 1015
8
AIJ边界
0.01
3 416.5
1 × 1020
模型验证以网高为基准长度,进行量纲归一处理,对比同一距离及高度下速度的大小。定义速度 λ (量纲一):
λ = V V
(9)
式中: V 为布网工况下的网后风速,m·s−1 V 为无网工况下的风速,m·s−1。定义距离 β (量纲一)及高度 η (量纲一):
β = L H
(10)
η = h H
(11)
式中: L 为测点距防风网的水平距离(网前为负,网后为正),m; H 为网高,m; h 为距离地面的高度,m。

3 计算结果及分析

3.1 数值模拟结果验证

为验证多孔介质模型准确性,使用建模与风洞实验进行对比,见图3。可以看出,多孔介质模型模拟结果与风洞实验吻合,约10倍网高后,误差在5%以下;网后3~4倍网高处存在最优遮蔽区域,该结果与实验[2]一致。通过惯性阻力系数经验公式能够较好模拟多孔介质阻风效应,在缺乏风洞实验的情况下,可通过经验公式模拟多孔介质。对于0.8倍网高下近网处与风洞实验存在较大误差,这一方面是由于防风网三维结构对阻风效应影响大,LIU等[15]对防风林阻风效应研究表明改变防风网几何结构及孔隙率分布能改善阻风效果,多孔介质模型将防风网结构简化为均质结构,无法体现孔隙率分布的影响,而王泽涛[2]实验中所用防风网模型孔径大小不完全一致,为非均质模型,故将防风网简化为多孔介质模型在该工况存在限制,尤其近网区,4倍网高后影响趋小;另一方面,风洞实验虽整体效果好,但近网区域受局部大尺度影响,流场较紊乱,造成风洞实验所测的数据可能有所偏差,这与郭辉 [9]实验结果类似,该实验整体测量精度较高,但近网区域实验数据随机性较大,部分出现负值。
图3 风洞实验与数值模拟沿程遮蔽效果对比
Fig. 3 Comparison of stream wise shielding effect between wind tunnel test and numerical simulation
图3 风洞实验与数值模拟沿程遮蔽效果对比
Fig. 3 Comparison of stream wise shielding effect between wind tunnel test and numerical simulation
Cjee 201806060 t3

3.2 紊流入流边界的影响

紊流入流边界是数值风洞模拟的一个重要边界。本研究选取中等紊流边界及AIJ边界进行比较,流速分布见图4。AIJ边界模拟所得低流区主要分布于网后2~6倍网高处,6倍网高后流速趋于正常;中等紊流边界模拟所得低流区主要分布于6~20倍网高间,20倍网高后,流速仍受影响。
图4 风场流线图
Fig. 4 Wind field streamline
图4 风场流线图
Fig. 4 Wind field streamline
Cjee 201806060 t4
进一步提取流场流速与风洞实验对比,见图5。由图5可知,紊流入流边界对模型影响大。采用AIJ紊流入流边界模拟结果与风洞实验结果相当贴合,整体误差5%以内,低流区分布范围与SANTIAGO等[3]研究40%开孔率下各紊流模型流速沿程分布相近;而中等紊流入流边界模型计算结果明显偏离风洞实验,与风洞实验对比误差在50%~60%左右,该边界条件下,防风网后风速急剧减小,形成50%以上虚假庇护区。造成该现象的原因是:本研究模拟工况下流速大,雷诺数达510 000,紊动条件剧烈;中等紊流边界是针对常态流体的紊流条件,对应雷诺数仅10 000左右;因此,中等紊流入流边界的设定略显不足,导致在防风网阻风作用下,大部分紊流动能被消耗,进而造成网后风速的急剧减小,故建议在无法确定紊流入流边界情况下,采用日本建筑规范给出的紊流入流边界。
图5 紊流入流边界的影响
Fig. 5 Influence of turbulence inflow boundary
图5 紊流入流边界的影响
Fig. 5 Influence of turbulence inflow boundary
Cjee 201806060 t5

3.3 地面粗糙边界的影响

地面粗糙边界是大气边界层的重要边界。为研究其对风场结构影响,选取地面粗糙度 K s 为0、0.005、0.01等3种工况。其中 K s =0.005为经验公式计算所得;3种工况 K s 均小于壁面第1层网格中心至壁面距离 z P ,可采用标准壁面模型模拟。模拟结果见图6。结果表明,地面粗糙高度边界对模型存在影响,近底区域影响大。0.5倍及0.8倍网高下,3种粗糙高度模拟结果相近,误差1%左右。而近底区域:粗糙高度0 m的模拟与粗糙高度0.01 m的模拟比较,在近网区域相差不大,但随遮蔽距离的增加,误差增大,在20倍网高后,结果误差已达7%左右;而粗糙高度0.005 m与粗糙高度0.01 m的模拟比较,误差在1%以内;因此,随着粗糙高度的增加,数值模拟误差逐步减小,这与方平治等[5]研究物理粗糙高度对壁面附近湍流的影响结果一致。造成近底区域影响大的原因是:地面粗糙高度远小于防风网高度,粗糙高度的主要影响范围在于底部;但在研究防风网抑尘效应时,表面切应力对煤堆不可忽略,此时,煤堆外轮廓相当于地面,存在粗糙高度,若忽略该处粗糙高度进行数值模拟,会对抑尘效应的估算造成误差。故在研究防风网抑尘效应时需考虑煤堆粗糙高度的影响。
图6 地面粗糙高度的影响
Fig. 6 Influence of roughness height on model
图6 地面粗糙高度的影响
Fig. 6 Influence of roughness height on model
Cjee 201806060 t6

3.4 多孔介质边界影响

防风网作为典型薄壁结构,进行多孔介质模拟时,一般将黏性项消除,但在通用CFD(如FLUENT)计算中一般保留渗透率项,考虑薄壁结构渗透率较大,本研究对比渗透率为1 × 1010、1 × 1015 和1 × 1020 m2的数值模拟,探究渗透率的设置对多孔介质的影响,见图7。不同渗透率下数值模拟的计算结果一致;与风洞实验对比,整体误差5%以内;因此,可认为渗透率大于1 × 1010 m2时,渗透率项对多孔介质防风网模型没有影响,且在该渗透率下,精度符合要求。HONG等[11]通过风洞实验得到1~3层网渗透率均在1 × 10−5~1 × 10−6 m2之间,对于无网厚的防风网数值风洞模型,1 × 1010 m2的渗透率较符合,因此,在缺少风洞实验的情况下,单层网渗透率可设置为1 × 1010 m2
图7 风洞实验与数值模拟沿程风速折减对比 (0.5倍网高处)
Fig. 7 Comparison of streamwise wind speed deduction between wind tunnel experiment and numerical simulation(extracted from a height of 0.5H
图7 风洞实验与数值模拟沿程风速折减对比 (0.5倍网高处)
Fig. 7 Comparison of streamwise wind speed deduction between wind tunnel experiment and numerical simulation(extracted from a height of 0.5H
Cjee 201806060 t7

4 结论

1)紊流入流边界对数值模拟结果具有较大影响,中等紊流条件仅适用于雷诺数10 000左右的工况,无法满足防风网模拟的高强风条件,该情况下数值风洞可造成50%以上虚假庇护长度;采用日本建筑规范规定的紊流边界(AIJ边界)能够将误差缩小至5%以内。
2)地面粗糙高度设置主要在近底区域影响模拟结果,近底区域较大的地面粗糙高度能够有效减小数值模拟误差,若忽略近底区域粗糙高度,随遮蔽距离的增加,模拟误差逐渐增大,在20倍网高后误差达7%,进而影响对防风网抑尘效果的预测,因此,建议模拟网后煤堆扬尘时应该设置足够的地面粗糙高度。
3)多孔介质模型能够有效模拟防风网的宏观阻风效果,但对特殊开孔及不均匀孔洞排布防风网,因其阻风机制更为复杂,使用多孔介质模型,对网后4倍网高区域阻风效果影响较大,达15%。多孔介质模拟所得庇护区长度约为2~6倍网高,最优庇护区存在于3~4倍网高处,此结果与风洞实验类似,且整体误差5%以内。对渗透率项的研究表明,当渗透率达到或超过1 × 1010 m2时,渗透率项对多孔介质防风网模型没有影响。

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