室外顆粒污染物的傳播特性研究

李雪洋

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，中國(guó) 重慶 400074）

隨著生活水平的提高，室內(nèi)外環(huán)境的空氣品質(zhì)備受人們關(guān)注。已有相當(dāng)多的學(xué)者對(duì)建筑空間（包括街谷與建筑群）中風(fēng)場(chǎng)以及對(duì)污染物擴(kuò)散[1]、溫度場(chǎng)以及對(duì)污染物擴(kuò)散、室內(nèi)外顆粒物污染特性[2]等規(guī)律進(jìn)行了研究，但是這些研究中都將建筑物簡(jiǎn)化為了封閉的長(zhǎng)方體，鮮有針對(duì)建筑壁面存在通風(fēng)口（門(mén)或窗口）時(shí)以及不同窗口開(kāi)啟度情況下室外顆粒污染物在建筑周?chē)鷤鞑ヒ?guī)律的研究，根據(jù)已有實(shí)測(cè)調(diào)查數(shù)據(jù)（東華大學(xué)實(shí)測(cè)調(diào)查數(shù)據(jù)），選取不同建筑窗口開(kāi)啟度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分別為：不開(kāi)窗、中等窗口開(kāi)啟度（窗口總面積與建筑立面面積之比為4.44%）、高等窗口開(kāi)啟度（窗口總面積與建筑立面面積之比為9.78%）。根據(jù)模擬計(jì)算，分析不同窗口開(kāi)啟度對(duì)建筑周?chē)鲌?chǎng)、壓力場(chǎng)的變化規(guī)律。

1 物理模型及數(shù)值方法的描述

本文的研究對(duì)象選取了對(duì)稱(chēng)分布的住宅小區(qū)為模型背景，建立了如圖1所示的物理模型：

圖1 住宅小區(qū)物理模型

圖中，計(jì)算模型的坐標(biāo)系中X=0位于前棟建筑的橫向中心，Y=0位于地面，Z=0位于前棟建筑迎風(fēng)面，方形建筑尺寸為15m×45m×15m(寬×長(zhǎng)×高)，建筑之間街谷的寬度為20m。每棟建筑都布置有15個(gè)開(kāi)窗房間，房間尺寸為3m×15m×3m(寬×長(zhǎng)×高)，建筑兩側(cè)的窗口面積相等，當(dāng)窗口尺寸為1m×2m時(shí)表示中等窗口開(kāi)啟度，當(dāng)窗口尺寸為2m×2.2m時(shí)表示高等窗口開(kāi)啟度。本文劃分網(wǎng)格選取非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，本文的網(wǎng)格數(shù)為177萬(wàn)。

2 邊界條件的設(shè)定

本文選用以歐拉—拉格朗日方法為基礎(chǔ)的DPM模型。將氣體相視為三維連續(xù)不可壓縮流體，在歐拉坐標(biāo)系下滿(mǎn)足N—S方程；將顆粒相視為離散體系，通過(guò)積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來(lái)求解離散相顆粒的軌道。

本文顆粒源為1m寬的面源，位于街谷中央，顆粒源的質(zhì)量流量為3g/s，由于顆粒污染物選取室外PM2.5，因此顆粒粒徑選取 2.5μm，顆粒密度取1550kg/m3。采用數(shù)值方法模擬計(jì)算的邊界條件設(shè)置如下。

連續(xù)相邊界條件：采用標(biāo)準(zhǔn)模型（雙方程模型）。對(duì)整個(gè)計(jì)算域來(lái)說(shuō)，入口采用UDF根據(jù)風(fēng)速隨高度變化曲線編寫(xiě)的速度廓線，其中地面粗糙度 m=0.2375,并設(shè)置為速度入口（velocity inlet）。

出口和計(jì)算域上部截面采用壓力出口(pressure outlet)，計(jì)算區(qū)域前后側(cè)面采用對(duì)稱(chēng)邊界（symmetry）,所有建筑壁面以及地面采用無(wú)滑移邊界條件。求解器選擇定常壓力求解器。

離散相邊界條件：壁面（wall）、對(duì)稱(chēng)面（symmetry）均為反射（reflect）邊界條件，并且恢復(fù)系數(shù)均為 1.0，速度入口（velocity inlet）、壓力出口(pressure outlet)均采用逃逸（escape）邊界條件。粒子追蹤選擇非定常追蹤。

3 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 不同窗口開(kāi)啟度流場(chǎng)分布

建筑立面兩側(cè)有通風(fēng)口時(shí)，會(huì)在室內(nèi)形成穿堂風(fēng)，這樣就會(huì)對(duì)建筑周?chē)约笆覂?nèi)的流場(chǎng)產(chǎn)生影響。通過(guò)模擬分析得到，當(dāng)來(lái)流風(fēng)沿街谷垂直方向吹向建筑小區(qū)時(shí)，風(fēng)流在兩建筑中間及其前后都形成順時(shí)針渦流，并且在迎風(fēng)建筑的背風(fēng)側(cè)流線沿豎直方向向上，形成“爬墻效應(yīng)”。中心面（X=0）處渦流主要聚居在背風(fēng)建筑的迎風(fēng)側(cè)，接近屋頂高度。隨著剖面向建筑邊緣移動(dòng)，渦流位置逐漸向下移動(dòng)，并且略微向迎風(fēng)建筑背風(fēng)側(cè)靠近。

由穿堂風(fēng)引起的建筑空間整個(gè)流場(chǎng)的擾動(dòng)，與建筑之間的流場(chǎng)共同作用，加強(qiáng)了氣流沿豎直方向的速度，造成建筑之間漩渦形成的位置發(fā)生改變，渦流更加靠近背風(fēng)建筑迎風(fēng)面。由此可見(jiàn)，窗口開(kāi)啟度越大，對(duì)建筑小區(qū)街谷內(nèi)氣流沿豎直方向的強(qiáng)化作用越強(qiáng)。當(dāng)空氣流體攜帶顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，有利于顆粒污染物向高空擴(kuò)散。此外，窗口開(kāi)啟度加強(qiáng)了迎風(fēng)建筑室內(nèi)空氣擾動(dòng)，強(qiáng)化了穿堂風(fēng)速，而背風(fēng)建筑則影響不大，氣流速度相對(duì)較低，顆粒污染物到達(dá)背風(fēng)建筑后不容易向遠(yuǎn)處傳播擴(kuò)散。

3.2 不同窗口開(kāi)啟度靜壓分布

窗口開(kāi)啟程度必然會(huì)對(duì)室內(nèi)外壓力差產(chǎn)生影響，因此分析壓力場(chǎng)的變化是必要的。在建筑的典型位置（不受開(kāi)窗氣流干擾）處設(shè)定了壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)各點(diǎn)處?kù)o壓隨高度變化進(jìn)行分析。通過(guò)模擬分析得到迎風(fēng)建筑的迎風(fēng)側(cè)以及背風(fēng)建筑的背風(fēng)側(cè)各點(diǎn)的靜壓值受窗口開(kāi)啟度的影響較小，靜壓值隨高度變化規(guī)律相似，而建筑街區(qū)內(nèi)側(cè)各靜壓值受窗口開(kāi)啟度影響較大，不可忽略。

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，分析建筑立面不同開(kāi)窗情況下建筑周?chē)廴疚飩鞑サ牧鲌?chǎng)、壓力場(chǎng)變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）建筑立面有自然通風(fēng)房間時(shí)，窗口開(kāi)啟度越大，對(duì)豎向氣流的強(qiáng)化作用也越大，有利于氣流攜帶污染物的傳輸。

2）迎風(fēng)建筑的迎風(fēng)側(cè)以及背風(fēng)建筑的背風(fēng)側(cè)各點(diǎn)的靜壓值受窗口開(kāi)啟度的影響較小，靜壓值隨高度變化規(guī)律相似，而建筑街區(qū)內(nèi)側(cè)各靜壓值受窗口開(kāi)啟度影響較大，不可忽略。

3）位于建筑中心面附近的通風(fēng)住戶(hù)受到污染的程度比邊緣處住戶(hù)的大，位于建筑底層的通風(fēng)住戶(hù)受到的污染程度比上層住戶(hù)的大。因此位于容易受污染位置的住戶(hù)應(yīng)該加強(qiáng)防污措施，對(duì)建筑小區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮到這方面因素，加大前后建筑間的距離，以降低對(duì)住戶(hù)的污染。

［1］張小偉.住宅小區(qū)污染物擴(kuò)散的數(shù)值模擬分析[J].低溫建筑技術(shù),2008,26(1)：121-123.

［2］王遠(yuǎn)成,吳文權(quán).不同形狀建筑物周?chē)L(fēng)環(huán)境的研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(1)：19-23.