霧霾成因及擴(kuò)散中的流體力學(xué)問題研究

胡明月 劉 璐/華北電力大學(xué)

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霧霾成因及擴(kuò)散中的流體力學(xué)問題研究

胡明月 劉 璐/華北電力大學(xué)

【摘 要】近年來，我國的霧霾天氣，對生態(tài)環(huán)境以及人類的身體健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害，分析霧霾成因及治理已迫在眉睫。從流體力學(xué)的角度對霧霾成因及擴(kuò)散作出新的分析，利用fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。大氣邊界層氣象條件、城市建筑布局及建筑墻體蓄熱都對霧霾形成及擴(kuò)散產(chǎn)生重要影響。

【關(guān)鍵詞】霧霾；逆溫層；城市建筑布局；城市建筑蓄熱

前言

以往對霧霾形成的研究大多數(shù)是從氣象條件、物理因子、地理?xiàng)l件、人為因素方面進(jìn)行分析。本文主要從逆溫層對霧霾形成及城市建筑布局和墻體蓄熱對霧霾擴(kuò)散的影響進(jìn)行分析，并運(yùn)用fluent軟件模擬分析建筑物的存在對周圍風(fēng)場分布的影響。

1.逆溫層對霧霾形成的影響

一般來說，大氣對流層內(nèi)溫度隨高度遞減，即底層暖上層冷，有利于地面氣流上升，底層空氣中的污染物可以向上擴(kuò)散。但在某些特殊情況下，高層氣溫反而高于低層氣溫，這種現(xiàn)象稱之為逆溫。

逆溫層的物理特征是下冷上暖、氣體狀態(tài)穩(wěn)定，對氣體上下對流有抑制作用，即大氣層低空的空氣垂直運(yùn)動(dòng)受到限制，低空空氣中的氣溶膠難以向高空飄散而被阻滯在低空和近地面，各種氣溶膠污染物逐漸堆積，逆溫厚度越厚，持續(xù)時(shí)間越長，造成的污染越嚴(yán)重。特別是進(jìn)入秋季，隨著太陽高度角降低，太陽輻射減少，大氣環(huán)境更加穩(wěn)定，在夜間更易出現(xiàn)靜穩(wěn)，同時(shí)夜間地面輻射增強(qiáng)，高層冷空氣較弱，溫度較低層空氣高，很容易在地面形成逆溫層，產(chǎn)生霧霾天氣。輻射逆溫層抑制污染空氣縱向?qū)α?，是?dǎo)致陰霾天氣形成的第一動(dòng)力[1]。

2.城市建筑布局對霧霾擴(kuò)散的影響

2.1單個(gè)建筑物周圍的流場分布

模擬是在大氣壓101325Pa，溫度為300K的大氣環(huán)境下，風(fēng)以初始速度5m/s正面吹向建筑物的。

分析流場，不難看出建筑物后面往往存在著旋渦區(qū)，容易形成空氣的滯留，如果有污染氣體存在時(shí)，就不容易擴(kuò)散，使空氣質(zhì)量變壞，可以看出建筑物周圍的風(fēng)環(huán)境是影響城市大氣質(zhì)量的重要因素之一。

2.2不同風(fēng)速下多個(gè)建筑周圍流場對比

在大氣壓101325Pa，溫度為300K的大氣環(huán)境下，風(fēng)分別以初始速度5m/s，10m/s并垂直于邊界和以初始速度5m/s并與邊界成45°角吹向建筑物。

速度分布對比圖如下：

v=5m/s垂直邊界

v=10m/s垂直邊界

v=5m/s與邊界成45度

壓強(qiáng)分布對比圖如下：

v=5m/s垂直邊界

v=10m/s垂直邊界

v=5m/s與邊界成45度

當(dāng)入口風(fēng)速較大v=20m/s時(shí)，在建筑物后方擾動(dòng)的范圍比風(fēng)速較小v=10m/s時(shí)擾動(dòng)的范圍更大。當(dāng)風(fēng)向垂直于建筑邊界時(shí)，在建筑的側(cè)風(fēng)面氣流被迫向建筑兩側(cè)分流。風(fēng)向45°時(shí)，最大負(fù)壓出現(xiàn)建筑外立面風(fēng)剝離處。風(fēng)速大時(shí)，污染物影響的范圍較大，但只在局部形成高污染區(qū)；小風(fēng)速時(shí)污染物影響的范圍較小，但是在該影響范圍內(nèi)污染物濃度相對來說都比較大。

總的來說，建筑物的存在會(huì)影響風(fēng)場的分布，建筑物周圍的風(fēng)環(huán)境又影響城市大氣質(zhì)量。若風(fēng)場上游存在空氣污染物時(shí)，在負(fù)壓區(qū)這些污染物就不容易擴(kuò)散，引起行人不適和近地面環(huán)境的二次污染[3]。

3.城市建筑蓄熱對霧霾形成的影響

城市與郊區(qū)地表面性質(zhì)不同，熱力性質(zhì)差異較大。城區(qū)反射率小，吸收熱量多，蒸發(fā)耗熱少，熱量傳導(dǎo)較快，而輻射散失熱量較慢。且城市中的建筑大多為石頭和混凝土建成，它的熱傳導(dǎo)率和熱容量都很高，加上建筑物本身對風(fēng)的阻擋或減弱作用，可使城市年平均氣溫比郊區(qū)可高2攝氏度，甚至更多，在溫度的空間分布上，城市猶如一個(gè)溫暖的島嶼，從而形成城市熱島效應(yīng)。

4.治理霧霾天氣的建議及措施

要治理陰霾天氣，一方面是嚴(yán)格控制PM2.5污染氣體排放，一方面是通過表面隔熱措施降低各地區(qū)的地面材料蓄熱，以減少PM2.5污染氣體富集。

對城市來說，選擇蓄熱系數(shù)很小的外墻保溫材料，做好建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計(jì)，將建筑鋼筋混凝土等重質(zhì)建筑材料包藏在比較厚的輕質(zhì)建筑保溫材料里；城市地面則盡可能選用能透水的輕質(zhì)地面磚，并多加強(qiáng)綠化；合理規(guī)劃城市建筑物的布局，負(fù)壓區(qū)不宜建造住宅樓，可用于綠化和其他休閑場所。農(nóng)村則提倡以植物秸稈覆蓋裸露的土地。

5.結(jié)論

逆溫層下冷上暖、氣體狀態(tài)穩(wěn)定，對氣體上下對流有抑制作用，是導(dǎo)致陰霾天氣形成的第一動(dòng)力。

建筑物的存在會(huì)影響風(fēng)場的分布，建筑物周圍的風(fēng)環(huán)境又影響城市大氣質(zhì)量。因此合理規(guī)劃城市建筑物的布局也是防治霧霾的一種方法。

哪一地區(qū)的單位面積地面材料蓄熱量越高，越抑制縱向空氣對流，越容易將太陽輻射熱量與空氣污染更多地集聚在大城市及其周邊地區(qū)，該地區(qū)越容易形成大氣逆溫層與城市熱島效應(yīng)，也更容易形成城市陰霾天氣。單位面積地面材料蓄熱量增長是加重霧霾天氣的第二動(dòng)力。

治理霧霾應(yīng)從兩方面著手：控制PM2.5污染氣體排放和減少PM2.5污染氣體富集。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊雪艷，杜倩，慕秀香.持續(xù)性霾天氣與大氣邊界層氣象條件的關(guān)系分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).2015，43(3): 240-243.

[2] 趙桂香，杜莉，衛(wèi)麗萍，賀耀武，李瑩，朱煜.一次持續(xù)性區(qū)域霧霾天氣的綜合分析[J].干旱區(qū)研究.2011，28(15):871-876.

[3] 張曉偉.住宅小區(qū)污染物擴(kuò)散的數(shù)值模擬及分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué).2007.

[4] 毛恒青，朱蓉.城市的低空氣溫分布特征及其對大氣污染物擴(kuò)散的影響[J].城市環(huán)境與城市生態(tài).1997，10(2):31-35.

[5]孫媛媛.混凝土建筑結(jié)構(gòu)蓄熱對室內(nèi)熱環(huán)境的影響研究[D].大連：大連理工大學(xué).2007.