基于片狀激光CCD濃度測試系統(tǒng)研究屋頂形狀對街谷內(nèi)污染物擴(kuò)散的影響

黃遠(yuǎn)東 周家正 崔鵬義

文章編號： 1005-5630（2018）06-0001-06

摘要： 基于風(fēng)洞實驗平臺，利用研發(fā)的片狀激光CCD濃度測試系統(tǒng)結(jié)合數(shù)值模擬，研究不同屋頂形狀對街道峽谷內(nèi)線源污染物擴(kuò)散分布的影響。結(jié)果表明，采用的濃度測試系統(tǒng)可以在不影響流場的情況下清晰再現(xiàn)街道峽谷內(nèi)部污染物分布的特征，并且測試結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果有較好的一致性。當(dāng)迎風(fēng)建筑屋頂?shù)陀诒筹L(fēng)建筑屋頂時，街谷內(nèi)為一順時針主渦，污染物主要聚集在街谷背風(fēng)側(cè);迎風(fēng)建筑屋頂高于背風(fēng)建筑時，街谷內(nèi)形成順時針旋渦在上、逆時針旋渦在下的兩個耦合旋渦，此時污染物在街谷迎風(fēng)側(cè)聚集。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)洞; 激光測試系統(tǒng); CCD系統(tǒng); 污染物擴(kuò)散; 屋頂形狀

中圖分類號： O 435文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.001

引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市地區(qū)機(jī)動車保有量持續(xù)增加，交通污染成為城市地區(qū)空氣污染的主要來源[1]。氣象條件（風(fēng)速[2]、風(fēng)向[3]、太陽輻射[4]、湍流強度等）及街道峽谷兩側(cè)建筑物幾何形狀[5-6]、機(jī)動車流特性引起污染源的位置、排放量等因素，對城市街道峽谷內(nèi)空氣流通及污染物遷移擴(kuò)散都有重要影響。國內(nèi)外對于該類問題的研究，主要采用數(shù)值模擬與風(fēng)洞實驗相結(jié)合的方法[7-9]。數(shù)值模擬，即計算流體力學(xué)技術(shù)（computational fluid dynamics，CFD），通過求解描述流動、傳熱、擴(kuò)散等方程可以獲得豐富的預(yù)測數(shù)據(jù)，從而節(jié)省成本。然而數(shù)值模型需要實測或?qū)嶒灁?shù)據(jù)的驗證，在滿足相似準(zhǔn)則的前提下，采用風(fēng)洞實驗對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗是常用的方法。

風(fēng)洞實驗對建筑環(huán)境的研究，需要使用按比例縮放的建筑模型。在傳統(tǒng)的采樣檢測方法中，流場容易受到采樣使用的儀器的干擾，且采樣數(shù)目也十分有限，難以充分反映整個街谷截面的污染物濃度分布情況，難以對數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行充分驗證。黃遠(yuǎn)東等研發(fā)的片狀激光系統(tǒng)[10]，已可以在不干擾流場的同時，將整個激光照射平面上污染物濃度轉(zhuǎn)化為散射光的強度，使用高速攝像機(jī)CCD系統(tǒng)可以連續(xù)清晰地記錄流場內(nèi)光強變化，經(jīng)過處理之后，得到激光照射截面上污染物濃度分布，可以定性地對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗[11]。

1實驗設(shè)備

實驗平臺為上海理工大學(xué)環(huán)境風(fēng)洞實驗室，該環(huán)境風(fēng)洞參數(shù)為：總長為33 m，實驗段長為18 m，寬為2.5 m，高為1.8～2.1 m;風(fēng)速為0.5～20 m/s;風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為90 kW，可控硅供電且無極調(diào)速（DC motor）。風(fēng)洞實驗段內(nèi)流場品質(zhì)為：速度不均勻性≤±1%;最大速度的 50%～80%范圍內(nèi)，動壓脈動量≤1%;俯仰方向≤±0.5°，偏航方向≤±1°，湍流度≤1%。

實驗所用儀器和裝置如下：

（1） 煙霧發(fā)生裝置。由變頻器、旋渦氣泵和煙霧發(fā)生器等組成，其原理為利用燃燒產(chǎn)生均勻煙霧的材料作為發(fā)煙裝置，發(fā)煙后與一定氣速的氣流混合，在實驗段指定位置向風(fēng)洞內(nèi)部釋放，主要構(gòu)造如圖1所示。

（2） 片狀激光CCD濃度測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)是我們集成開發(fā)的非接觸式、全場測量的濃度測試系統(tǒng)，其主要由激光器（型號：MGLW532Anm10W141069，如圖2所示）、高速數(shù)字圖像記錄系統(tǒng)組成。激光器發(fā)射出的光束直徑小于4 mm，發(fā)散角小于0.7 mrad，偏振比大于50∶1，輸出光是波長為 532（±1） nm的激光束，具有極高的連續(xù)性及穩(wěn)定性。光束經(jīng)過光學(xué)鏡片轉(zhuǎn)化為線光源，線光源經(jīng)煙氣粒子的散射，形成污染物無量綱濃度分布圖，使用高速數(shù)字圖像記錄系統(tǒng)將結(jié)果儲存于電腦中。CCD系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)由電腦（記錄軟件）、尼康A(chǔ)F鏡頭（相機(jī)）、CORE傳輸主機(jī)、固態(tài)硬盤（存儲設(shè)備）、連接線等構(gòu)成。

2數(shù)值方法

本文基于上述片狀激光CCD濃度測試系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)值模擬研究不同屋頂形狀對街道峽谷內(nèi)污染物擴(kuò)散分布的影響。

3結(jié)果與分析

風(fēng)洞實驗時，自由來流風(fēng)速為5 m/s，風(fēng)向自左向右，垂直于街道峽谷長度方向。工況1～3為下風(fēng)向建筑屋頂不低于上風(fēng)向建筑的情況，實驗及數(shù)值模擬結(jié)果如表1所示。

工況1街道峽谷兩側(cè)均為同高的平頂建筑，由表1結(jié)果可知：街道峽谷內(nèi)形成一個順時針旋渦，地面道路上污染物在順時針方向旋渦的作用下，向街谷背風(fēng)面聚集，因此背風(fēng)側(cè)近地面污染物濃度最高;隨著背風(fēng)側(cè)向上運動氣流，污染物向上擴(kuò)散傳遞，一部分在街道峽谷上部剪切流作用下流出街道峽谷，另一部分從迎風(fēng)面又回到街谷內(nèi);另外，激光測試的濃度分布與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，驗證了數(shù)值模型的精確性。

工況2街道峽谷背風(fēng)側(cè)為較高的平頂建筑，從速度矢量圖可以看出，工況2形成的順時針旋渦渦心位置較工況1偏上偏右，且氣流分離的位置更高，這使得渦心左側(cè)污染物高濃度區(qū)域面積增加，導(dǎo)致街谷內(nèi)污染物散布程度增加，且較高的背風(fēng)側(cè)建筑更不利于污染物流出街道峽谷，迎風(fēng)面?zhèn)冉ㄖ蓓斕幬廴疚餄舛让黠@升高。

工況3街谷內(nèi)污染物分布情況與工況2類似，不同之處在于當(dāng)氣流經(jīng)過背風(fēng)建筑物三角形屋頂時，未產(chǎn)生劇烈分離，近乎貼近屋頂壁面流動，使得進(jìn)入街谷的來流風(fēng)速進(jìn)一步弱于工況2中的平屋頂。街道峽谷內(nèi)同樣形成順時針旋渦，污染物高濃度區(qū)主要集中在背風(fēng)側(cè)，但街谷內(nèi)污染物分布更趨均勻，迎風(fēng)側(cè)污染物濃度有所增加。

表2為工況4～6的實驗及數(shù)值模擬結(jié)果。工況4由于迎風(fēng)建筑為矩形平屋頂，進(jìn)入街谷的氣流在迎風(fēng)建筑的迎風(fēng)面產(chǎn)生劇烈分離，順時針旋渦被抬升至街道峽谷上方，直接阻礙了氣流向街道峽谷內(nèi)流動，在街道峽谷內(nèi)部產(chǎn)生了與之耦合的逆時針的旋渦，污染物主要聚集在背風(fēng)建筑街道峽谷側(cè)，污染物濃度自下而上逐漸升高。相對于工況4，工況5街谷上方的順時針旋渦在迎風(fēng)建筑的三角形屋頂作用下被扭曲，在迎風(fēng)建筑街谷側(cè)屋頂處進(jìn)入街谷內(nèi)的氣流進(jìn)一步減弱，導(dǎo)致街道峽谷內(nèi)污染物比較分散，污染物濃度較高的區(qū)域覆蓋街谷的一半?yún)^(qū)域。對于工況6，迎背風(fēng)建筑上方均為三角形屋頂，在街谷上方、兩三角形屋頂處形成的順時針旋渦加大，擠壓街谷下方的逆時針旋渦，使街谷內(nèi)逆時針旋渦的中心下移，而街谷上方的順時針旋渦對街谷內(nèi)與街谷外氣流的交換仍起阻礙作用，街谷內(nèi)污染物濃集更加明顯。

綜合比較工況1～6，可以看出：工況1～3在街谷內(nèi)同樣形成順時針旋渦，當(dāng)背風(fēng)屋頂形狀改變，街谷內(nèi)形成的旋渦中心略微上升，順時針主渦整體增大;工況4～6由于迎風(fēng)面有增高的屋頂，對于自由來流的氣流運動有阻擋作用，使街谷內(nèi)順時針旋渦的中心高度上升至街谷上方的屋頂處，街谷內(nèi)產(chǎn)生的逆時針旋渦是與順時針旋渦耦合而成。數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)CCD系統(tǒng)測得的濃度分布結(jié)果相比，二者一致性較好，可清晰判斷主渦的結(jié)構(gòu)，但仍存在兩個缺陷：在建筑物邊緣處仍容易受到反光的影響;街谷上方污染物濃度較低的區(qū)域由于感光較弱，很難獲取測試數(shù)據(jù)。

4結(jié)論

基于風(fēng)洞實驗，利用研發(fā)的片狀激光CCD濃度測試系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)值模擬，研究了屋頂形狀對街谷內(nèi)污染物擴(kuò)散分布的影響。研究結(jié)果表明：片狀激光CCD濃度測試系統(tǒng)在不影響流場的情況下能夠清晰再現(xiàn)街谷內(nèi)污染物分布的特征，并且與數(shù)值模擬結(jié)果有較好的一致性，兩者可以相互驗證。迎風(fēng)建筑屋頂?shù)陀诒筹L(fēng)建筑屋頂時，街谷內(nèi)為一順時針主渦，此時背風(fēng)建筑屋頂?shù)男螤詈透叨葧绊懡止葍?nèi)的渦心位置和流動結(jié)構(gòu);迎風(fēng)建筑屋頂高于背風(fēng)建筑時，街谷內(nèi)形成順時針旋渦在上、逆時針旋渦在下的兩個耦合旋渦，迎風(fēng)建筑屋頂?shù)母叨扰c形狀主要影響上方旋渦的結(jié)構(gòu)與渦心的位置，進(jìn)而影響街谷內(nèi)污染物的分布與擴(kuò)散。

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（編輯：劉鐵英）