高層建筑室外顆粒污染物擴(kuò)散的數(shù)值模擬研究?

楚德見(jiàn)，金阿芳，沈廣旭

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

0 引言

隨著科學(xué)的不斷發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，近幾年農(nóng)村人口不斷進(jìn)入大城市，伴隨而來(lái)的是住房的問(wèn)題，因此有高層建筑的不斷涌現(xiàn)．現(xiàn)在城市已經(jīng)成為各國(guó)經(jīng)濟(jì)中心和生產(chǎn)力的增長(zhǎng)點(diǎn)[1]，是各種能源消耗的主要地方，其中包括電力、各種化石燃料的燃燒，再加上城市車輛的不斷猛增排放出顆粒污染物，是城市中PM2.5的主要來(lái)源[2]，導(dǎo)致城市霧霾不斷出現(xiàn)，給人們的呼吸系統(tǒng)帶來(lái)影響[3]，越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注．烏魯木齊位于中國(guó)的西北部，地勢(shì)起伏懸殊，山地面積廣大，是世界上離海洋最遠(yuǎn)的內(nèi)陸城市，生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱，沙漠化比較嚴(yán)重，可利用的土地資源比較匱乏，帶來(lái)了一系列的環(huán)境問(wèn)題，受霧霾影響嚴(yán)重[4]，PM2.5濃度較高[5,6].

高層建筑是現(xiàn)在大城市的典型建筑類型，大跨度超高密度建筑群的大量出現(xiàn)，將影響大氣中的風(fēng)環(huán)境，使得城市建筑中低層的風(fēng)速減小并形成渦流現(xiàn)象，不利于空氣中的顆粒污染物的擴(kuò)散[7]，特別是高層建筑的背風(fēng)側(cè)會(huì)形成較大的回流區(qū)域[8]，造成局部空氣的惡化，這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在也越來(lái)越受到人們的關(guān)注.徐帆[9]、楊倫等[10]研究了瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)對(duì)高層建筑模型周邊的湍流效應(yīng)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)高層建筑風(fēng)致耦合震動(dòng)效應(yīng)，分析了結(jié)構(gòu)的震動(dòng)響應(yīng)和氣動(dòng)力隨高度和時(shí)間的變化規(guī)律.崔鵬義[11]運(yùn)用湍流RNG?ε模型、組分運(yùn)輸模型及多尺度方法，研究了高層建筑群四周街道上汽車尾氣顆粒污染物在高層建間的對(duì)流擴(kuò)散規(guī)律.pettersson[12]探討了歐拉多相流方法，對(duì)多相流方程進(jìn)行了改進(jìn)，提高了高層建筑室外顆粒污染物擴(kuò)散的計(jì)算精度.買買提明·艾尼[13]介紹了有關(guān)現(xiàn)代數(shù)值模擬方法和網(wǎng)格法研究成果，用有限元法、差分法和光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法探討了現(xiàn)代模擬方法在模擬計(jì)算和工程中的應(yīng)用.

目前研究建筑物風(fēng)環(huán)境的主要方法有風(fēng)洞試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法，分別被稱為實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué).而風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法成本高、花費(fèi)代價(jià)高，測(cè)試結(jié)果難于廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐.隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)已經(jīng)在流體模擬的各領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，其中FLUENT是國(guó)際公認(rèn)的最強(qiáng)的計(jì)算流體力學(xué)軟件之一，本文采用CFD數(shù)值模擬方法，在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，基于有限元法和耦合歐拉-拉格朗日法，結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)的分布特點(diǎn)[14]，分析了高層建筑室外風(fēng)的流動(dòng)現(xiàn)象及速度、壓力云圖和顆粒污染物PM2.5的分布對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)出污染物顆粒的擴(kuò)散規(guī)律.對(duì)生活在高層建筑中的人們和城市的建筑規(guī)劃有著比較現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義.

圖1 計(jì)算域幾何模型

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

1 理論和方法

1.1 問(wèn)題的描述和網(wǎng)格的劃分

本文以新疆大學(xué)北校區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)高層建筑物及其周圍物體進(jìn)行模型簡(jiǎn)化得到如圖1所示的長(zhǎng)方體計(jì)算區(qū)域.模擬區(qū)域內(nèi)的建筑物包括高為76m的一棟高層樓房、11m的體育館、15m的餐飲部和21m的一棟低層樓房住宅區(qū).計(jì)算域?yàn)椋洪L(zhǎng)×寬×高=300×200×200m，分別對(duì)來(lái)自東南和西北兩個(gè)方向的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬.

目前ICEM CFD是CFD分析中最好的前處理器之一，在劃分網(wǎng)格中有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[15]．考慮到對(duì)建筑物周圍的模擬精度，在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)建筑物進(jìn)行加密處理，邊界條件的定義也是在ICEM CFD中完成.最終生成的網(wǎng)格大約有250萬(wàn)，如圖2所示，網(wǎng)格的密度完全符合模擬計(jì)算的要求，導(dǎo)入FLUENT中檢查無(wú)誤.

1.2 邊界條件和控制方程

進(jìn)口(inlet)的邊界條件，采用FLUENT中的速度入口邊界條件(velocity inlet)，通過(guò)UDF編程使大氣在室外環(huán)境中來(lái)流按風(fēng)廓線分布，即不同高度的來(lái)流速度呈現(xiàn)如下指數(shù)分布

式中U10為距離地面10m高的來(lái)流速度，z為距離地面的高度，α為地面粗糙系數(shù)，這里取α=0.3；設(shè)定不同的風(fēng)速變化，把空氣視為不可壓縮的氣體.流動(dòng)出口和大氣壓力相同，出口為自由出口(outf l ow).其他的面采用無(wú)滑移的壁面條件(wall).對(duì)于所模擬的顆粒污染物，啟用FLUENT中離散相模型DPM(Discrete Phase Model)，在設(shè)定的風(fēng)速、濃度和步長(zhǎng)的條件下，自由隨機(jī)擴(kuò)散.

對(duì)于風(fēng)場(chǎng)的模擬是非穩(wěn)態(tài)的，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，k方程、ε方程與動(dòng)量方程、能量方程、連續(xù)相方程共同構(gòu)成了空氣流動(dòng)與換熱的基本控制方程.

動(dòng)量方程

式中P為靜壓，τij為應(yīng)力張量，ρgi是i方向的重力分量，F(xiàn)i是由于阻力和能源而引起的其他能源項(xiàng).

應(yīng)力張量由下式給出

能量方程

式中cp為比熱容，T為溫度，設(shè)為常溫，k為流體的傳熱系數(shù)，設(shè)為20W/(m∧2?K)，ST為流體為粘性作用的粘性耗散項(xiàng).

連續(xù)相方程

式中ρ為流體的密度即空氣的密度，ui為流體速度沿i方向的分量.

k和ε是兩個(gè)基本的未知量，對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程為[16]

Gk是由于平均速度梯度引的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)

Gb是由于浮力引起的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)

式中cμ=0.09，湍流能k對(duì)應(yīng)Prandtl數(shù)σk=1.0，耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)σε=1.3，c1=1.44，c2=1.92．YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，Sk和Si是自定義參數(shù).

2 結(jié)果分析

2.1 速度和壓力云圖分析

通過(guò)對(duì)不同風(fēng)向（東南風(fēng)、西北風(fēng)）下的數(shù)值模擬，分析了建筑物風(fēng)場(chǎng)的速度和壓力分布.圖3是風(fēng)速為4m/s時(shí)，高度為21m（7層樓的高度處所在的截面）的速度云圖，當(dāng)風(fēng)受到建筑物阻擋時(shí)風(fēng)速變化最為劇烈，壓力都為正壓分布，逼近壁面時(shí)風(fēng)速迅速減小并以弧狀不斷向外增加，從墻壁兩側(cè)面繞過(guò)，此時(shí)風(fēng)速增強(qiáng)達(dá)到最大值，沒(méi)有建筑物阻擋的地方風(fēng)速變化很小.在建筑物背面由于墻面的阻擋風(fēng)速流動(dòng)小，風(fēng)向的不穩(wěn)定性也會(huì)出現(xiàn)風(fēng)速增加的現(xiàn)象，背風(fēng)區(qū)壓力均為負(fù)壓分布，對(duì)顆粒污染物的擴(kuò)散有較大的影響，將不利于顆粒污染物的擴(kuò)散.

圖3 Z=21m速度云圖

當(dāng)遇到建筑物表面時(shí)，產(chǎn)生的壓力最大，然后向外圍以弧狀逐漸減弱，在迎風(fēng)面大多數(shù)產(chǎn)生正壓區(qū)，在背風(fēng)面大多數(shù)會(huì)產(chǎn)成負(fù)壓區(qū)，有渦流出現(xiàn)并產(chǎn)生回流區(qū)，因背風(fēng)面受風(fēng)速的影響較小，空氣流動(dòng)小，將不利于顆粒污染物的擴(kuò)散流動(dòng)，在沒(méi)有高層建筑阻擋的地方受壓力的影響較小，圖4為壓力云圖.

圖4 Z=21m壓力云圖

2.2 顆粒污染物PM2.5的分布

風(fēng)場(chǎng)是影響顆粒污染物在空氣中擴(kuò)散的主要因素，在空氣流動(dòng)性好的空間內(nèi)顆粒物的濃度較低，空氣流動(dòng)性差的空間顆粒物濃度升高.圖5是所研究的高層建筑立面的速度風(fēng)場(chǎng)受東南風(fēng)影響時(shí)的速度云圖，迎風(fēng)面受到風(fēng)場(chǎng)時(shí)，氣流受迎風(fēng)墻面的阻擋，風(fēng)速度迅速減小，風(fēng)向發(fā)生劇烈變化，沿背離墻面的方向兩側(cè)發(fā)散，空氣流動(dòng)性較好，此時(shí)迎風(fēng)面受顆粒污染物的影響相對(duì)較小，主要分布在底層，受低層建筑物阻擋的地方.

圖5 高層建筑立面速度云圖

圖6 高層建筑不同樓層PM2.5濃度分布

高層建筑背風(fēng)面受墻壁阻擋風(fēng)場(chǎng)較小，在不同的高度有明顯的渦流出現(xiàn)，形成的渦流大小不同，再加上受底層建筑物的影響，阻擋風(fēng)的流動(dòng)性，不利于氣體與外界大氣的交換，污染物濃度較高.隨著高度的增加風(fēng)場(chǎng)增加，出現(xiàn)渦流直到頂層受風(fēng)速的影響渦旋消失，風(fēng)速增大.在受風(fēng)場(chǎng)影響條件下，迎風(fēng)面PM2.5的濃度較低，主要分布在低層.背風(fēng)面受風(fēng)場(chǎng)渦流和回流的影響PM2.5濃度較高，此時(shí)的背風(fēng)面是居住面，因此對(duì)背風(fēng)面進(jìn)行濃度分析.圖6為背風(fēng)面不同樓層高度處PM2.5的濃度分布，與趙向偉[17]實(shí)驗(yàn)結(jié)果分布特征接近，底部1～7層濃度較高，受風(fēng)場(chǎng)的影響較小渦流較大，隨后風(fēng)場(chǎng)有所增大濃度減小，在樓層11～14層濃度最低，與擴(kuò)散有關(guān)，在19～21層濃度有所增加再次出現(xiàn)濃度高峰，這與背風(fēng)面的速度風(fēng)場(chǎng)分布接近一致，風(fēng)速低的和有渦流產(chǎn)生的樓層PM2.5濃度較高，與以上分析的速度和壓力云圖完全符合.

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)高層建筑室外顆粒污染物PM2.5擴(kuò)散的數(shù)值模擬研究，采用標(biāo)準(zhǔn)K?ε模型和離散相模型（DPM），對(duì)入口不同流場(chǎng)風(fēng)速的控制采用編寫UDF程序和FLUENT計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)合，基于有限元法耦合歐拉-拉格朗日法，然后對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，設(shè)定充分的計(jì)算域.分析了速度和壓力的特征變化對(duì)顆粒污染物擴(kuò)散的影響，高層建筑受室外風(fēng)場(chǎng)的影響對(duì)顆粒污染物擴(kuò)散規(guī)律的數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

1.速度場(chǎng)的分布受周圍建筑物的影響較大，有建筑物阻擋的地方就會(huì)產(chǎn)生風(fēng)場(chǎng)的劇烈變化，建筑物背面都呈現(xiàn)出負(fù)壓區(qū)，由于風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)的不穩(wěn)定性有時(shí)會(huì)出現(xiàn)渦流現(xiàn)象.不同風(fēng)向風(fēng)速條件下對(duì)污染物的擴(kuò)散規(guī)律有一定影響.

2.顆粒污染物PM2.5的擴(kuò)散和風(fēng)場(chǎng)分布渦流的形成具有較好的一致性，風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)性較小位置，大多都呈現(xiàn)出負(fù)壓區(qū)分布，顆粒污染物濃度較高.受低層建筑物影響產(chǎn)生的渦流不利于空氣流動(dòng)，顆粒污染物的濃度較高.

3.高層建筑模型的數(shù)值模擬結(jié)果和前人的實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果分布特征接近，基本上呈現(xiàn)雙峰分布.

參考文獻(xiàn)：

[1]張廷龍,孫慧.工業(yè)企業(yè)規(guī)模、分布與區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)[J].新疆大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,33(1):25-32.

[2]鄭玫,張延君,閆才青,等.中國(guó)PM2.5來(lái)源解析方法綜述[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,50(6):1141-1154.

[3]崔國(guó)權(quán),康真,呂嵩,等.哈爾濱市PM2.5污染水平對(duì)人群呼吸系統(tǒng)疾病影響[J].中國(guó)公共衛(wèi)生,2013,29(7):1046-1048

[4]鄒偉進(jìn),劉萬(wàn)里.生態(tài)文明視角下霧霾治理的博弈分析[J].新疆大學(xué)學(xué)報(bào)(哲學(xué)·人文社會(huì)科學(xué)版),2016,44(5):30-35.

[5]蔣浩.近5年烏魯木齊市PM2.5變化分析[J].環(huán)球人文地理,2016(16):208.

[6]劉新春,陳紅娜,趙克蕾,等.烏魯木齊氣溶膠粒徑分布及細(xì)顆粒物(PM(2.5))濃度變化分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2016,25(4):605-613.

[7]梁向麗,符永正,周傳輝.空氣動(dòng)力陰影區(qū)對(duì)高層建筑周圍污染物濃度分布的影響[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2003(12):21-23.

[8]劉朔.高層建筑室外氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[9]徐楓.結(jié)構(gòu)流固耦合振動(dòng)與流動(dòng)控制的數(shù)值模擬[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[10]楊倫,黃銘楓,樓文娟.高層建筑周邊三維瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)的混合數(shù)值模擬[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2013,47(5):824-830.

[11]崔鵬義,徐海霞,吳志根,等.高層建筑風(fēng)場(chǎng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)影響的多尺度數(shù)值模擬[C].長(zhǎng)沙:中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì),2012:276-283.

[12]Pettersson K,Krajnovic S,Kalagasidis A S,et al.Simulating wind-driven rain on building facades using Eulerian multiphase with rain phase turbulence model[J].Building and Environment,2016,106:1-9.

[13]買買提明·艾尼,熱合買提江·依明.現(xiàn)代數(shù)值模擬方法與工程實(shí)際應(yīng)用[J].工程力學(xué),2014,31(4):11-18.

[14]李瑞,余錦華,李如琦.烏魯木齊市近43年風(fēng)速氣候特征分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2009,23(5):106-110.

[15]李鵬飛,徐敏義,王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[16]王松濤.高層建筑風(fēng)沙流場(chǎng)的數(shù)值模擬[D].蘭州:蘭州大學(xué),2009.

[17]趙向偉,樊越勝,司鵬飛,等.建筑室內(nèi)外顆粒物污染特征研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2016,6(3):223-228.