開窗建筑周圍汽車尾氣細(xì)微顆粒傳播規(guī)律研究

張閃閃　李娜

摘 要：為研究不同因素下污染物在開窗建筑周圍擴(kuò)散傳播規(guī)律，基于汽車尾氣釋放細(xì)微顆粒及開窗建筑開啟度，運(yùn)用數(shù)值模擬分析室內(nèi)濃度的分布規(guī)律。仿真結(jié)果表明：自然通風(fēng)能夠促進(jìn)建筑街區(qū)內(nèi)部顆粒擴(kuò)散，窗口開啟度越大，稀釋效果越好。建筑街區(qū)中部氣流穩(wěn)定性高，不利于顆粒污染物擴(kuò)散，且細(xì)微顆粒直徑對(duì)停留時(shí)間影響甚微。

關(guān)鍵詞：開窗建筑；數(shù)值模擬；開啟度；顆粒濃度

1 引言

工業(yè)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的當(dāng)代社會(huì)，環(huán)境污染問題成為了世界性的研究課題之一。考慮到居民70%～90%的時(shí)間是在室內(nèi)度過的，室內(nèi)環(huán)境空氣品質(zhì)對(duì)于人員健康起到至關(guān)重要作用。顆粒污染物為主要污染源之一，可通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲透、無組織自然通風(fēng)及有序機(jī)械通風(fēng)等方式進(jìn)入室內(nèi)空間。

為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的政策，建筑設(shè)計(jì)也會(huì)更多考慮自然通風(fēng)以降低建筑能耗.貫流式通風(fēng)俗稱穿堂風(fēng)，既建筑物迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)均采用開口式設(shè)計(jì)，且開口之間有順暢的空氣通路，自然風(fēng)會(huì)直接貫穿整個(gè)房間。此時(shí)，若室外有污染物，則會(huì)跟隨氣流進(jìn)入室內(nèi)空間造成污染。

受季節(jié)影響，居民窗戶開啟度也有所不同。據(jù)東華大學(xué)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，普通住宅小區(qū)住戶春秋兩季開窗通風(fēng)頻率高，平均窗口開啟度為9.78%。夏冬季節(jié)由于溫度原因則開窗頻率低，平均窗口開啟度僅為4.44%。不同窗戶開啟度對(duì)自然通風(fēng)影響不同[1-2]。因此研究穿堂風(fēng)下室外顆粒污染物傳播規(guī)律及分布情況，對(duì)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)具有重要意義。

綜上，本文運(yùn)用數(shù)值模擬分析方法，在自然通風(fēng)條件下研究污染物在不同窗戶開啟度及顆粒物直徑下，建筑顆粒污染物濃度場(chǎng)的分布情況及規(guī)律。

2 建筑模型數(shù)值分析描述

選取對(duì)稱式分布住宅小區(qū)作為本文模型背景的研究對(duì)象。由于建筑呈對(duì)稱分布，為降低計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量及數(shù)據(jù)處理量，建立如圖2所示簡(jiǎn)化模型：

圖2、圖3、圖4所示為建筑物尺寸、建筑間街谷距離及開窗房間布局。建筑物45m×15m×15m，建筑間街谷距離20m，每棟建筑開窗房間15個(gè)，房間尺寸15m×3m×3m（1m×2m時(shí)表示中等窗口開啟度；2m×2.2m時(shí)表示高等窗口開啟度）：

基于FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)需計(jì)算區(qū)域進(jìn)行精密網(wǎng)格劃分。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)點(diǎn)不具有相同的毗鄰單元，對(duì)于外形復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，具有更好的靈活性和適用性。

基于非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，對(duì)建筑物、窗口以及污染面源等處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，遠(yuǎn)離建筑物區(qū)域網(wǎng)格劃分稀疏。既可滿足后期模擬分析精度要求，又能減少網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目，總計(jì)網(wǎng)格數(shù)177萬。

3 數(shù)值模擬邊界設(shè)定

本文以歐拉—拉格朗日方法為基礎(chǔ)建立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)系下滿足N-S方程；將顆粒相視為離散體系，通過積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道[3]。

具體參數(shù)設(shè)定：顆粒源為1m寬面源，位于街谷中央，其質(zhì)量流量為3g/s。顆粒污染物重點(diǎn)研究室外PM2.5，粒徑選取2.5 、1.0 以及0.1 三種，密度取1550kg/m3模擬計(jì)算。

連續(xù)相邊界條件設(shè)定：連續(xù)相數(shù)學(xué)模型采用標(biāo)準(zhǔn) 模型（雙方程模型）。整體模擬分析區(qū)域，入口采用UDF根據(jù)風(fēng)速隨高度變化曲線，編寫的速度廓線。所有建筑壁面以及地面采用無滑移邊界條件。求解器選擇定常壓力求解器[4-5]。

邊界條件設(shè)定：壁面（wall）、對(duì)稱面（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。

4 模擬仿真分析

4.1 不同開啟度下顆粒濃度模擬分布

建筑立面的窗口開啟度對(duì)室內(nèi)空間的流場(chǎng)及壓力場(chǎng)產(chǎn)生影響，而流場(chǎng)、壓力場(chǎng)共同作用，進(jìn)而對(duì)街谷中的顆粒物濃度場(chǎng)產(chǎn)生影響。

由圖可知，當(dāng)來流風(fēng)沿街谷垂直方向時(shí)，建筑物具有一定遮擋作用。中心面處渦流主要聚居在背風(fēng)建筑迎風(fēng)側(cè)，接近屋頂高度。隨剖面向建筑邊緣移動(dòng)，渦流位置逐漸向下移動(dòng)，且略向迎風(fēng)建筑背風(fēng)側(cè)靠近。由于建筑立面存在通風(fēng)口，顆粒會(huì)向室內(nèi)擴(kuò)散，對(duì)空氣品質(zhì)造成影響。觀察可得，通風(fēng)口加強(qiáng)了建筑流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，顆粒物分布呈現(xiàn)分散趨勢(shì)，靠近建筑中心的顆粒分散明顯，反而建筑邊緣處顆粒濃度相對(duì)集中，并且漩渦中心濃度達(dá)到最大。

同時(shí)，背風(fēng)建筑每一層開窗室內(nèi)均有顆粒擴(kuò)散進(jìn)去，越低層住戶室內(nèi)顆粒濃度越高。受流場(chǎng)分布影響，顆粒隨流場(chǎng)在建筑中心面區(qū)域向室內(nèi)擴(kuò)散，越靠近建筑邊緣，受污染程度越小。顆粒污染物受來流風(fēng)場(chǎng)影響，基本不對(duì)迎風(fēng)室內(nèi)造成污染。背風(fēng)建筑靠中心位置開窗房間受污染嚴(yán)重。

由圖可知，顆粒在建筑小區(qū)內(nèi)的覆蓋濃度較小，且呈現(xiàn)分散分布，邊緣區(qū)域有較漩渦趨勢(shì)。中心面處的背風(fēng)側(cè)建筑通風(fēng)房間顆粒濃度低，反而從屋頂繞流到背風(fēng)側(cè)的顆粒濃度較高。相比圖5，建筑立面開窗會(huì)加速顆粒污染物向街區(qū)擴(kuò)散，且會(huì)對(duì)靠近建筑中部通風(fēng)房間造成較明顯的污染。高等窗口開啟度下，X=16m剖面處的背風(fēng)建筑底層通風(fēng)房間有顆粒擴(kuò)散進(jìn)去，說明此處氣流不穩(wěn)定，增強(qiáng)自然通風(fēng)同時(shí)容易受到外界污染物的侵襲。

4.2 不同粒徑顆粒在建筑周圍的停留時(shí)間

基于不同粒徑顆粒所受到重力、布朗力、薩夫曼力等均不相同。而其受力情況會(huì)影響到顆粒在建筑周圍的停留、擴(kuò)散。顆粒源選取的PM2.5，粒徑取0.1 、2.5 三種，分析高等窗口開啟度情況下不同粒徑的顆粒在建筑周圍的停留時(shí)間，以探究粒徑大小對(duì)建筑小區(qū)的污染程度。

觀察粒徑0.1仿真結(jié)果圖可知，建筑寬度方向邊緣區(qū)域的顆粒停留時(shí)間均在190s以內(nèi)，部分區(qū)域顆粒的停留時(shí)間僅有9s。這是由于氣流受建筑物遮擋，從建筑兩側(cè)繞流，而顆粒隨氣流運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)較快傳播。反之越靠近建筑街區(qū)內(nèi)部，顆粒的停留時(shí)間越長(zhǎng)，有些停留長(zhǎng)達(dá)1510s。此區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生的渦流，顆粒隨順時(shí)針渦流在街區(qū)內(nèi)部盤旋，難以向外部傳播，污染程度較大。在背風(fēng)建筑的背風(fēng)區(qū)域，同樣受流場(chǎng)漩渦的影響，顆粒普遍停留時(shí)間較長(zhǎng)，不易向建筑更遠(yuǎn)處傳播。

比較不同粒徑下三種顆粒仿真分析圖，可知不同粒徑的顆粒在建筑周圍的停留時(shí)間分布差別不大，具有相同的規(guī)律。其主要原因?yàn)楸疚乃x顆粒源為細(xì)微顆粒，顆粒的粒徑都很小，受力的量綱級(jí)別低，差別不大?；谏鲜龇治隹傻?，細(xì)微顆粒在建筑小區(qū)中及建筑周圍傳播過程中，受到粒徑的影響很小，基本可以忽略。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）建筑兩側(cè)通風(fēng)口形成 “穿堂風(fēng)”能促進(jìn)街區(qū)兩側(cè)顆粒污染物的稀釋，窗口開啟度越大，稀釋作用越好，但中部流場(chǎng)由于其氣流穩(wěn)定性高，不利于顆粒污染物向街區(qū)外側(cè)的傳播。沿建筑高度方向，位于建筑底層的通風(fēng)住戶比高層更容易受到室外顆粒的污染，傳播進(jìn)入室內(nèi)的顆粒濃度相對(duì)較大。建筑設(shè)計(jì)之初應(yīng)考慮此因素，降低對(duì)應(yīng)區(qū)域污染。

（2）細(xì)微顆粒PM2.5在建筑橫向邊緣區(qū)域的停留時(shí)間較短，此處污染物較易向遠(yuǎn)處傳播，而在街區(qū)內(nèi)部其停留時(shí)間較長(zhǎng)，不易向遠(yuǎn)處傳播。由于細(xì)微顆粒整體粒徑都比較小，其顆粒大小對(duì)顆粒停留時(shí)間的影響甚微，可以忽略。

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