摘要：防风网作为新兴的减风降尘手段，被港口散货码头和砂石料矿场这类易产生粉尘污染的工地广泛使用。本文通过在风洞中测量平面防风网板网后各位置的风速，选取风速折减率作为衡量减风效果的标准，绘制风速折减率曲线，从平行风向与垂直风向两个角度分析网后各位置的减风特性。结果表明，在平行风向的各断面上，风速折减率曲线大致呈抛物线，极值点位于距网材4至6倍网高位置；在垂直风向各断面上，风速折减率曲线的形状受断面离网距离的影响，随着距离增大，曲线由倒“C”型逐渐过渡为倒“S”型，最终变为线性，线性时断面底部风速折减率最高。整体看最佳遮蔽位置位于网后6倍网高处，且风速越高网材的减风效果越好。
关键词：防风网；物模试验；风速折减率；减风效果
1. 前言
防风网是指在堆场上风向设置的疏透（多孔）的网状障碍物，其作用是减小网后一定范围内的风速以达到降低堆场起尘的目的。近几年因为其降尘效果好，造价低廉，便于安装等优点，防风网逐渐取代了传统方法成为了减风降尘的首选。在施工之前，通常需要使用物模试验来确定防风网的减风效果，并根据实验结果选择现场所要搭建的网材高度、布网位置、堆场的摆放位置及堆场高度等。
2.无网均匀流场的风速剖面及流场品质测定
2.1 无网风洞试验条件设置
首先，进行无网空风洞流场试验确定流场的品质，为之后计算风速折减率提供基准。由于主要的关注对象为网材的减风效果，实验中应尽量减小边界层影响，故风口处未布置尖劈及粗糙元，试验全部在均匀流场中进行。风洞试验室内部试验段长18m、宽3m、高2.5m。
防风网的主要遮蔽范围为网后20倍网高以内部分，故试验中在布网位置（0m）、网后3m（10倍网高）和6m（20倍网高）处设置三个测试断面，每个断面上在距地面5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm和40cm处各布置一个测点，共计24个测点。采用6m/s、8m/s、10m/s、12m/s和14m/s共5种风速进行试验。
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（a）测试断面布置图 （b）各测试断面上测点布置图
图1 无网风洞试验测点布置图
2.2 均匀流场风速剖面及流场品质评定
根据边界层理论默认地面风速为零，由测点数据绘制各测试断面风速剖面。（曲线上的波动为两台风速仪的误差引起。图中“d”表示网材高度，下同）
（a）6m/s时风速剖面 （b）8m/s时风速剖面
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（c）10m/s时风速剖面 （d）12m/s时风速剖面
（e）14m/s时风速剖面
图2 各风速下的风速剖面
对比图2中同一风速下测试段内前部（0d）、中部（10d）和后部（20d）三个断面的风速剖面可知：随着距离的增加，底部边界层加厚，在0d处边界层厚度为10cm，在最远处（20d处）增加至15cm。但高于15cm部分风速一直比较稳定，且边界层内（15cm以下部分）各点风速虽然不同但相差不大，说明在试验段内均匀流场的品质良好，可用于均匀流场中的试验。
2.3 无网风速值的确定
在均匀流场中的各点应具有相同的风速值，故取同一试验风速下所有测点风速的均值作为各测点在该试验风速时的无网风速。由于边界层的影响，算得的无网风速值略小于试验风速。
表1 无网风速
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3.防风网的风速折减率曲线
3.1 带网风洞试验条件设置
在原定布网位置安装平面防风网板。网板宽3m、高30cm，厚1.2mm，开孔率33%。在网后0.5倍、1倍、1.5倍、2倍、3倍、4倍、6倍、7.5倍、15.5倍、20倍网高处分别设置10个测试断面，各断面上测点的布置方式同无网风洞试验（见图1(b)），共计测点80个，试验布置图见图3。
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图3 带网风洞试验测试断面布置图
风速仍选择6m/s、8m/s、10m/s、12m/s和14m/s共5种。在实测得到各点风速后，按下式计算各点风速折减率并绘制平行风向与垂直风向两方向断面的风速折减率曲线图。
（1）
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式中：γ为风速折减率；γ越大，减风效果越好；为布置防风网工况下测点处的风速；为无网时各测点风速，按表1取用。
3.2 垂直风向断面减风规律
以风速折减率γ为x轴，测点高度h为y轴，绘制各垂直风向断面的风速折减率曲线（由于在地面位置风速为0，风速折减系数没有意义，故曲线图中省略5cm以下曲线）。通过对比曲线可以发现：
（a）网后0.5d处h-γ曲线 （b）网后d处h-γ曲线
（c）网后1.5d处h-γ曲线 （d）网后2d处h-γ曲线
（e）网后3d处h-γ曲线
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（f）网后4d处h-γ曲线
（g）网后6d处h-γ曲线 （h）网后7.5d处h-γ曲线
（i）网后15.5d处h-γ曲线 （j）网后20d处h-γ曲线
图4 各垂直风向断面h-γ曲线
①在网后2d范围内，h-γ曲线呈倒“C”形，极值位于离地2/3d-5/6d范围内。在网后0.5d断面上、离地4/3d高度处存在一个高风速区，此处的风速要大于环境风速，约为其1.2倍左右，随着离网距离的增加风速趋于平缓；
②网后2d至6d范围是前后两部分的过渡段。在这一阶段内，原本的极值点位置上移且断面底部的风速折减率升高，形状呈倒“S”形，在离网6d断面上底部成为新的极值点。在距网4d处曲线下部相对混乱，主要原因是在该位置存在紊流，风速受干扰较为复杂混乱；
③在网后6d至20d范围内，断面上测点的风速折减率随着高度增加而降低，折减率最大点恒位于断面底部。在断面由6d过渡至20d过程中，随着离网距离的增加，h-γ曲线的形状由抛物线逐渐向直线转变，在20d断面上，曲线基本呈线性。
纵观整个试验段内所有断面的h-γ曲线可发现，高风速时的曲线基本都会包络低风速时的曲线，因此可知：风速越大防风网的减风效果越好。这一结论在网后0.5d至2d、6d至20d范围内较明显；
3.3 平行风向断面减风规律
以测点水平位置x为x轴，风速折减率γ为y轴，绘制各高度的γ-x曲线。通过对比曲线可以发现：
（a）离地1/6d处γ-x曲线 （b）离地1/3d处γ-x曲线
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（c）离地1/2d处γ-x曲线 （d）离地2/3d处γ-x曲线
（e）离地5/6d处γ-x曲线 （f）离地d处γ-x曲线
（g）离地7/6d处γ-x曲线 （h）离地4/3d处γ-x曲线
图5 各高度γ-x曲线
①在离地1/6d至2/3d高度范围内，各γ-x曲线整体呈抛物线趋势，曲线峰值位于离网6d位置。对比四个曲线图发现：随着高度的提升，曲线6d以内部分的风速折减率迅速提高，离网越近提高越明显；6d以外部分的折减率在断面高度提升时略有降低；曲线上3d至4d位置由于近地紊流的影响风速折减率降低；
②在离地2/3d至5/6d范围内，γ-x曲线形状基本不发生改变。曲线上距网3d至4d位置折减效果仍有降低但较之前幅度要小。在超出6d之后随着离网距离的增加，减风效果降低；
③在离地5/6d至4/3d范围内，曲线上近网位置（2d以内）的减风效果随着高度提升迅速降低。曲线的峰值移动到3d至4d位置。超出4d以后，随着离网距离的增加，减风效果逐渐下降。在该高度范围内测点风速几乎不受4d处近地紊流的影响。
对比图5可发现，提高风速会使得各高度上的减风效果略有提升，但曲线形状几乎不变，且高风速时的γ-x曲线会包络低风速的曲线，最佳遮蔽区位于网后6d处。
4． 结论
以防风网为研究对象进行风洞物模试验，通过变换试验风速来探究各风速下网后不同位置的减风规律。根据实验数据整理得到了各断面的风速折减率曲线，通过对比分析主要结论如下：
（1）防风网的最佳遮蔽位置位于网后6d处，遮蔽效果最大可达85%左右；在离网0.5d的断面上、距地面4/3d高度处有一个高风区，风速可达环境风速的1.2倍左右，随着遮蔽距离的增加风速趋于平缓；
（2）在垂直风向断面上，风速折减率极值点的高度与离网距离有关。由近及远，h-γ曲线形状由最初的倒“C”型（网后0-2d范围）转变为倒“S”型（网后2-6d范围），最终变为线性并稳定（网后6-20d范围）。在网后4d处存在紊流，断面底部风速较为混乱，折减率略有起伏；
（3）平行风向断面上，γ-x曲线整体呈抛物线形状。靠近地面处折减率最大值位于6d处。随着高度的提升，极值点逐渐移动到4d处。高度改变对距网4d以内部分的风速折减率影响较大；网后4d处的紊流对离地1/6d至2/3d高度范围内的风速影响较大，对上部风速不再产生影响，即紊流只存在于近地位置；
（4）从平行风向与竖向风向两个角度的分析均可得出，风速越高网材减风效果越好。风速折减率曲线中高风速时的曲线包络低风速曲线。
参考文献
[1] Ettema R．，Melville B．W．，Barkdoll B．Scale effect in pier—scour experiments [J]．Journal
of Hydraulic Engineering，1998，124(6)：639—642.
[2] Ettema R．，Melville B．W．，Scale effect in pier—scour experiments [J]．Journal of Hydraulic
Engineering，1999，125(8)：894—895．
[3] Ettema R．，Kirkil G．，Muste M．Similitude of large-scale turbulence in experiments on local
scour at cylinders [J]．Journal of Hydraulic Engineering，2006，132(1)：33—40．
[4] Cennak J E．Advances in physical modeling for wind engineering [J]．Journal of Engineering
Mechanics，ASCE，1987，113(12) ：2382-2398．
[5] Schewe G，Larsen A．Reynolds number effects in the flow around a bluff bridge deck cross
Section [J]．Journal of WindEngineering and Industrial Aerodynamics,1998，829—838．
[6] 柳淑学,杨帅,李金宣,李鹏飞.海洋平台风荷载物模试验的雷诺数效应研究[J].中国海洋平
台,2013,28(06):45-50.
[7] 杨帅. 海洋平台风荷载模型试验雷诺数效应的研究[D].大连理工大学,2013.
[8] 张宁. 风沙在防风网遮护区的跃移运动可视化观测[D].大连理工大学,2011.
[9] 张宁,陈廷国,Sang-joon Lee.防风网对煤堆遮风效果的风洞实验研究[J].实验流体力
学,2011,25(04):50-54.
[10] 郭辉. 防风网遮蔽效果研究[D].大连理工大学,2008.