建筑物布局對街道交叉口內(nèi)氣流和污染擴(kuò)散的影響

黃遠(yuǎn)東+劉澤宇+許璇

摘 要： 采用Fluent軟件對7種不同建筑物偏移量Δy（Δy=0、1/6W、1/3W、1/2W、2/3W、5/6W和W，其中：W為街道寬度）下的交叉口內(nèi)氣流和污染擴(kuò)散進(jìn)行了三維數(shù)值模擬.模擬結(jié)果表明，建筑物偏移量對交叉口內(nèi)氣流運(yùn)動和污染擴(kuò)散具有顯著影響.1/6W的偏移量已足以在側(cè)向街道內(nèi)產(chǎn)生明顯的次生流；當(dāng)偏移量由1/6W增加到1/3W時(shí)，側(cè)向街道內(nèi)的速度場顯著增強(qiáng)；而當(dāng)偏移量分別為1/2W、2/3W、5/6W和W時(shí)，側(cè)向街道內(nèi)的風(fēng)速已與上風(fēng)街道內(nèi)的風(fēng)速相當(dāng).隨偏移量的增加，側(cè)向街道和交叉口的空氣交換增強(qiáng)而下風(fēng)街道與交叉口的空氣交換減弱.隨著偏移量的增加，從上風(fēng)街道尾端點(diǎn)源擴(kuò)散到側(cè)向街道內(nèi)的污染物增加.

關(guān)鍵詞： 氣流； 污染擴(kuò)散； 建筑物偏移； 街道交叉口； 數(shù)值模擬

中圖分類號： X 51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： 3D numerical simulation was performed using Fluent software to evaluate the airflow and pollutant dispersion in a street intersection under seven different building offsets of Δy=0，1/6W，1/3W，1/2W，2/3W，5/6W and W.The results revealed clearly that the airflow and pollutant dispersion in a street intersection were influenced significantly by the building offset.The offset of 1/6W was sufficient to develop the secondary flow well in the lateral streets.As the offset increased from 1/6W to 1/3W，the velocity fields in the lateral streets were strengthened significantly.In the cases with the offset of 1/2W，2/3W，5/6W and W，the wind velocity in the lateral streets was comparable with that in the upwind street.The velocity field in the downwind street became weaker as the offset increased.As the offset increased，the air exchange between the lateral streets and the intersection was strengthened while the air exchange was weakened between the intersection and the downwind street.As the offset increased，more pollutants were transported into the lateral streets from the point source，which situated at the end of the upwind street.

Keywords： airflow； pollutant dispersion； building offset； street intersection； numerical simulation

機(jī)動車尾氣排放仍然是城市內(nèi)氣態(tài)污染物（例如一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸铮┑闹饕獊碓?在城市區(qū)域內(nèi)，一種典型情況是機(jī)動車尾氣常排放于街道峽谷內(nèi)[1]，正因如此，街道峽谷內(nèi)氣流運(yùn)動和污染物擴(kuò)散已成為環(huán)境研究中的一個(gè)熱點(diǎn)[2].現(xiàn)場實(shí)測[3-4]、風(fēng)洞試驗(yàn)[5-6]和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬[7]都已廣泛應(yīng)用于探究峽谷內(nèi)的氣流運(yùn)動和污染物擴(kuò)散.在城市區(qū)域中，街道峽谷通過交叉口相連而形成街道路網(wǎng).由于不利風(fēng)環(huán)境、車流量大且頻繁存在著機(jī)動車的加速和減速過程，使得在交叉口內(nèi)常形成高污染物濃度.在交叉口內(nèi)風(fēng)場和污染擴(kuò)散的分析中，已有研究主要考慮街道方位、交叉口形狀、機(jī)動車的加速/減速過程[8]等對氣流和污染擴(kuò)散的影響.Robins等[9]的風(fēng)洞試驗(yàn)表明，由兩條垂直街道形成的交叉口內(nèi)的氣流特征對側(cè)向建筑物偏移非常敏感.然而，對于交叉口內(nèi)風(fēng)場及污染物分布隨建筑物布局變化的規(guī)律尚未見系統(tǒng)性研究.本研究的目的是揭示建筑物布局對交叉口內(nèi)氣流和污染擴(kuò)散的影響.為此，采用三維縮尺交叉口模型和氣態(tài)污染物點(diǎn)源，考慮7種不同建筑物偏移量.在每種建筑物偏移條件下，采用Fluent軟件仿真得到交叉口內(nèi)的風(fēng)速場和污染物質(zhì)量濃度分布.

1 交叉口物理模型

由四個(gè)方形建筑物構(gòu)成的三維交叉口的構(gòu)造及計(jì)算區(qū)域如圖1所示.該交叉口俯視圖如圖2所示，參考高度Href取為0.4 m，參考高度處的水平風(fēng)速Uref取為5.37 m·s-1.每個(gè)建筑物長0.25 m、寬0.25 m和高0.06 m（本研究采用1∶100的幾何縮尺模型進(jìn)行計(jì)算）.每條街道寬度W為0.06 m.地面污染物點(diǎn)源設(shè)置于由建筑物A和B構(gòu)成的上風(fēng)街道尾端；來流垂直于由建筑物B和C構(gòu)成的側(cè)向街道的軸線.為了評估建筑物布局對街道交叉口內(nèi)氣流和污染擴(kuò)散的影響，本研究考慮7種建筑物C和D的側(cè)向偏移量Δy，分別為0、1/6W、1/3W、1/2W、2/3W、5/6W和W.

2 CFD模型

基于Fluent軟件構(gòu)建模擬街道交叉口內(nèi)氣流運(yùn)動和污染物擴(kuò)散的數(shù)值模型.endprint

2.1 氣流運(yùn)動和污染物擴(kuò)散的控制方程

風(fēng)繞建筑物的流動可視為不可壓縮流動，同時(shí)忽略太陽輻射熱效應(yīng).對于交叉口內(nèi)氣流運(yùn)動，其控制方程為定常N-S方程，而湍流模型采用Realizable k-ε模型.對于氣態(tài)污染物擴(kuò)散，采用組分輸運(yùn)方程進(jìn)行模擬.

2.2 計(jì)算區(qū)域和邊界條件

如圖1、2所示，計(jì)算區(qū)域長1.8 m、寬1.02 m、高0.4 m.邊界條件為：在進(jìn)口平面污染物濃度為零，而在任意高度z處的水平風(fēng)速Uz為

在出口平面，流動充分發(fā)展，因此采用零梯度條件；在計(jì)算域頂部及兩側(cè)面采用對稱邊界條件；在建筑物表面及地面上，采用無滑移氣流條件和零通量污染物擴(kuò)散條件.

空氣和乙烷（污染物）的混合物從點(diǎn)源連續(xù)釋放，總流量和乙烷的流量分別為2.890、0.030 kg·m-3·s-1.

2.3 網(wǎng)格和數(shù)值格式

采用四面體和六面體混合網(wǎng)格.在交叉口內(nèi)采用均勻網(wǎng)格（每個(gè)網(wǎng)格單元邊長為5×10-3m），而在交叉口外部采用非均勻網(wǎng)格（初始網(wǎng)格單元邊長為5×10-3m，最大網(wǎng)格單元邊長為2×10-2m，擴(kuò)展率為1.2）.整個(gè)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格單元數(shù)為2×105.

所有計(jì)算均在Fluent軟件平臺上完成.SIMPLE格式用于壓力速度耦合，而二階迎風(fēng)格式用于各控制方程的離散.

3 結(jié)果與討論

3.1 交叉口處的空氣交換

為了分析交叉口處各街道之間的空氣交換，以及交叉口內(nèi)部（z≤0.06 m）和外部（z>0.06 m）之間的空氣交換，選擇圍繞交叉口的5個(gè)截面（如圖3所示）.每個(gè)垂直截面（S1、S2、S3和S4）的高度和寬度均為0.06 m.水平截面S5置于離街道地面高度0.06 m處，其長、寬分別為（Δy+0.06） m和0.06 m.5個(gè)截面、地面和建筑物表面圍成了一個(gè)密閉空間.

基于模擬得到的氣流速度場，計(jì)算各建筑物偏移量下5個(gè)截面的空氣通量.表1給出了每個(gè)截面（S1、S2、S3、S4、S5）的空氣通量與截面S1上的空氣通量之比的百分?jǐn)?shù)，分別為Q1、Q2、Q3、Q4、Q5.應(yīng)指出的是，進(jìn)入交叉口內(nèi)的空氣通量為正，而流出交叉口的空氣通量為負(fù).

對于無偏移工況，表1表明空氣通過截面S1、S2和 S3流進(jìn)交叉口，而從截面S4和 S5流出交叉口；對于其他6種偏移量工況，表1揭示出空氣通過截面S1和 S2流進(jìn)交叉口，而從截面S3、S4和S5流出交叉口.顯然，1/6W的建筑物偏移量已足以使通過截面S3的氣流方向發(fā)生改變.

從表1中可以看出：通過截面S2、S3的空氣通量隨偏移量的增加而顯著增加，表明側(cè)向街道內(nèi)的水平流動隨偏移量的增加而增強(qiáng)；當(dāng)偏移量從0增加到2/3W時(shí)通過截面S4的空氣通量減少，而當(dāng)偏移量進(jìn)一步從2/3W增加到W時(shí)通過截面S4的空氣通量幾乎不變；當(dāng)偏移量從1/6W增加到5/6W時(shí)通過水平截面S5的空氣通量增加，而當(dāng)偏移量進(jìn)一步從5/6W增加到W時(shí)通過截面S5的空氣通量幾乎不變.

3.2 氣流場

圖4為7種建筑物偏移量下水平面（z=0.001 m）上的速度矢量分布.從圖中可以看出，街道和交叉口內(nèi)流場受建筑物偏移影響顯著.

在無偏移工況下，靠近交叉口的側(cè)向街道內(nèi)水平流動非常弱，空氣主要沿上風(fēng)街道、交叉口和下風(fēng)街道流動如圖4（a）所示.比較圖4（a）、（b）可以看出，小至1/6W的建筑物偏移量已足以在側(cè)向街道內(nèi)產(chǎn)生明顯的次生流.例如，當(dāng)偏移量為1/6W時(shí)，空氣從街道2流入交叉口，以及從交叉口流入街道3.

比較圖4（b）、（c）可知，

當(dāng)建筑物偏移量從1/6W增加到1/3W時(shí)，側(cè)向街道內(nèi)的速度場顯著增強(qiáng)；當(dāng)建筑物偏移量分別為1/2W、2/3W、5/6W和W時(shí)，側(cè)向街道內(nèi)的風(fēng)速與上風(fēng)街道內(nèi)的風(fēng)速相當(dāng)；隨著偏移量的增加，下風(fēng)街道內(nèi)的速度場變?nèi)酰貏e是當(dāng)偏移量為W時(shí)空氣在下風(fēng)街道的大部分區(qū)域內(nèi)的流動幾乎停滯.

由于受到建筑物D的阻擋，當(dāng)偏移量為1/6W時(shí)，來自上風(fēng)街道的少部分氣流流進(jìn)街道3；當(dāng)偏移量分別為1/3W、1/2W和2/3W時(shí)，來自上風(fēng)街道的大部分氣流流進(jìn)街道3，如圖4（c）、（d）、（e）所示；當(dāng)偏移量為5/6W和W時(shí)，來自上風(fēng)街道的氣流幾乎全部流進(jìn)街道3，如圖4（f）、（g）所示.

3.3 污染物擴(kuò)散的討論

圖5為7種不同偏移量下水平面（z=0.001 m）上的污染物質(zhì)量濃度分布.來自點(diǎn)源的污染物的擴(kuò)散由點(diǎn)源周圍的空氣流動控制.由圖5可知：對于無偏移工況，來自上風(fēng)街道的氣流完全沿交叉口和下風(fēng)街道流動，導(dǎo)致來自點(diǎn)源的污染物沿交叉口和下風(fēng)街道擴(kuò)散，從而在側(cè)向街道內(nèi)未見污染物分布；當(dāng)偏移量為1/6W時(shí)，來自上風(fēng)街道的少部分氣流流入街道3，因此大部分污染物散布在交叉口和下風(fēng)街道內(nèi)，僅少部分污染物分布于街道3內(nèi)；當(dāng)偏移量分別為1/3W、1/2W和2/3W時(shí)，大部分污染物聚集在交叉口和街道3內(nèi)，僅少量污染物散布在下風(fēng)街道內(nèi)，這是因?yàn)閬碜陨巷L(fēng)街道的大部分氣流流入側(cè)向街道3；當(dāng)偏移量分別為5/6W和W時(shí)，由于來自上風(fēng)街道的氣流幾乎全部流進(jìn)街道3，因此僅見污染物散布在交叉口和街道3內(nèi).

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的比較

對有偏移和無偏移條件下交叉口內(nèi)的污染物擴(kuò)散分別開展了風(fēng)洞模擬.該風(fēng)洞試驗(yàn)在上海理工大學(xué)的大氣邊界層風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行.在風(fēng)洞物理模擬中，交叉口構(gòu)造和點(diǎn)源位置等與上述數(shù)值模擬工況一致.試驗(yàn)中自由來流風(fēng)速為3 m·s-1，考慮無偏移和偏移量為W兩個(gè)工況.

圖6（a）、（b）分別為無偏移和偏移量為W時(shí)通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到的污染物質(zhì)量濃度分布.通過比較圖6（a）、5（a）以及圖6（b）、5（g）可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果非常相似.

4 結(jié) 論endprint

采用Fluent軟件對7種不同建筑物偏移量（Δy=0、1/6W、1/3W、1/2W、2/3W、5/6W和W）下的交叉口內(nèi)氣流運(yùn)動和污染物擴(kuò)散進(jìn)行了三維數(shù)值模擬.數(shù)值模擬結(jié)果表明建筑物偏移量對交叉口內(nèi)氣流和污染物擴(kuò)散具有顯著影響：

（1） 1/6W的偏移量已足以在側(cè)向街道內(nèi)產(chǎn)生明顯的次生流.當(dāng)偏移量從1/6W增加到1/3W時(shí)，側(cè)向街道內(nèi)的速度場顯著增強(qiáng).當(dāng)偏移量分別為1/2W、2/3W、5/6W和W時(shí)，側(cè)向街道內(nèi)的風(fēng)速與上風(fēng)街道內(nèi)的風(fēng)速相當(dāng).隨著偏移量的增加，下風(fēng)街道內(nèi)的速度場變?nèi)?

（2） 隨著偏移量的增加，側(cè)向街道和交叉口的空氣交換加強(qiáng)，而交叉口和下風(fēng)街道的空氣交換變?nèi)?

（3） 隨著偏移量的增加，更多的污染物從置于上風(fēng)街道尾端的地面點(diǎn)源處擴(kuò)散到側(cè)向街道.

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