街道峽谷形態(tài)對污染物擴(kuò)散的數(shù)值模擬

雷林清，崔鵬義，黃遠(yuǎn)東

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

機(jī)動車排放的尾氣污染物及其形成的二次污染，是城市大氣污染的重要來源，對其采取主動控制措施的前提是要掌握機(jī)動車尾氣等污染物在街道峽谷內(nèi)流動擴(kuò)散及其分布的規(guī)律[1]。街道峽谷的概念最早由Nicholson[2]提出來，它是指兩側(cè)具有連續(xù)高大建筑物的狹長街道。后來街道峽谷這一概念被中國學(xué)者王寶明等[3]進(jìn)行了擴(kuò)展，即使街道兩旁的建筑物高低不平，不連續(xù)甚至有一定的缺口也可稱作街道峽谷。目前，對于街道峽谷內(nèi)污染物擴(kuò)散傳遞規(guī)律的影響研究，國內(nèi)外有關(guān)科學(xué)工作者已經(jīng)取得了一定的研究進(jìn)展。

Yang等[4]通過數(shù)值模擬研究了街道峽谷內(nèi)不同建筑物布局的空氣對流對街谷內(nèi)氣流運(yùn)動和污染物擴(kuò)散的影響。Heist等[5]研究了6車道的道路結(jié)構(gòu)以及隔聲屏障對街谷中氣流場和污染物擴(kuò)散的影響,并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，得出在評估道路附近的空氣質(zhì)量時，道路布局和結(jié)構(gòu)必須考慮進(jìn)來。Maider等[6]基于大渦模擬（large eddy simulation，LES），研究了建筑物的屋頂結(jié)構(gòu)對街道峽谷內(nèi)空氣流動的影響。Sanchez等[7]研究了城市街道峽谷的設(shè)計(jì)對城市交通噪聲暴露的影響，但對街谷內(nèi)氣流運(yùn)動和污染物的擴(kuò)散卻未作進(jìn)一步的研究。作者之前利用數(shù)值仿真技術(shù)研究了帶廊道，以及不同廊道尺寸的建筑物結(jié)構(gòu)對街谷內(nèi)氣流運(yùn)動和污染物擴(kuò)散的影響[8]，但并未系統(tǒng)、深入地進(jìn)行定量分析，并對下沉式機(jī)動車道內(nèi)污染物擴(kuò)散對機(jī)動車駕駛員的影響進(jìn)行進(jìn)一步的分析。鑒于此，本文將基于Sanchez等[7]的研究，結(jié)合現(xiàn)實(shí)中街道的形狀特點(diǎn)，構(gòu)建9種2類街道截面形態(tài)（道路抬升類型和兩側(cè)建筑底部廊道）的數(shù)值模型，探究其截面形態(tài)內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)與污染物濃度分布的影響。

圖1 計(jì)算模型、區(qū)域及網(wǎng)格劃分Fig.1 Computational models, domain and mesh generation

1 物理模型及計(jì)算區(qū)域

由于風(fēng)向垂直于街道峽谷，而且只分析街谷中流場和污染物的擴(kuò)散，因此峽谷的結(jié)構(gòu)可以簡化為二維。圖1為計(jì)算模型、區(qū)域及網(wǎng)格劃分。

圖1（a）為不同類型城市街道峽谷的二維物理模型，考慮街道兩側(cè)建筑底部廊道的深度和高度變化（工況2，3，4，5，6），以及街道內(nèi)機(jī)動車道路結(jié)構(gòu)變化（工況1，2，7，8，9）對流場和污染物擴(kuò)散的影響，將實(shí)驗(yàn)工況分為9種：工況1為參考工況；工況2為深度1.7 m的下沉式道路；工況3的廊道深度和高度均為3 m；工況4的廊道深度為 5 m，高度為 3 m；工況 5 的廊道深度為 3 m，高度為6 m；工況6的廊道深度為5 m，高度為6 m；工況7的道路為兩層式結(jié)構(gòu)，下沉深度為3 m；工況8為深度3 m的下沉式道路；工況9為抬高1.7 m的上升道路。

計(jì)算區(qū)域及尺寸如圖1（b）所示，圖中街道峽谷寬及兩側(cè)建筑物高均為20 m，即街道峽谷的高寬比H/W為1，可視為理想的城市街道峽谷。兩條污染源均是邊長為0.5 m的正方形，位于距地面中心1.5 m處的兩側(cè)，用來模擬機(jī)動車尾氣排放。本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對工況1進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性考核，比較了6種網(wǎng)格密度，網(wǎng)格數(shù)量分別為3 368，4 468，10 710，22 940，40 130 和 63 135。街道峽谷內(nèi)流速及污染物濃度分布隨網(wǎng)格密度變化，綜合計(jì)算精度及時間，確定采用0.2 m的網(wǎng)格尺寸。如圖1（c）以工況1為例，計(jì)算區(qū)域采用增長型網(wǎng)格，增長比率為1.01，網(wǎng)格總數(shù)為40 130。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

通過求解描述空氣流動與污染物擴(kuò)散的Navier-Stokes方程、污染物組分輸運(yùn)方程及封閉方程的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，獲取所構(gòu)建模型的數(shù)值解。為了能夠更好地利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)來進(jìn)行計(jì)算和分析，本研究的數(shù)值模擬采用以下的假設(shè)：a. 流體的熱物性為常數(shù)；b. 浮升力的影響可以忽略不計(jì)；c. 街谷內(nèi)的氣流流動為不可壓縮流動[9]。對于二維的定常不可壓縮流動，其雷諾時均化的湍流控制方程[10]為

不可壓連續(xù)性方程：

2.2 邊界條件設(shè)置

a. 進(jìn)口邊界條件。

計(jì)算區(qū)域進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口風(fēng)速按指數(shù)分布方程給定[11]，即

b. 出口邊界條件。

出口為流動充分發(fā)展邊界，即

d. 壁面邊界條件。

在建筑物壁面和地面上速度采用無滑移邊界條件，污染物濃度采用無滲透邊界條件。

1.道德認(rèn)知變得比較模糊。學(xué)生在一元文化時代構(gòu)建起來的價值觀與核心文化，變得越來越少，學(xué)校和教師的道德權(quán)威也越來越削弱，不知道怎樣的價值觀和文化與值得學(xué)習(xí)和崇拜，道德認(rèn)知變得比較模糊。

e. 污染源的設(shè)置。

以CO作為污染氣體，因源強(qiáng)隨交通流狀態(tài)的變化而改變，為了更有實(shí)際意義，本文采用本課題組之前的研究成果來評估CO的排放[13]。源強(qiáng)可由機(jī)動車的綜合排放因子和車流量計(jì)算得到。

式中：Q為車流量，輛/h；Eco為機(jī)動車車組的CO綜合排放因子，g/（km·輛）。CO的綜合排放因子Eco與平均車速有關(guān)，其關(guān)系式為

式中，V為平均車速，km/h，考慮到實(shí)際的路況和車速的限制，假設(shè) V = 40 km/h[11]。

f. 無量綱濃度。

以無因次濃度的形式來表示所測的污染物濃度，即無量綱濃度K。其表達(dá)式為

式中：L為線源長度，m。

2.3 數(shù)值方法

本研究中采用有限體積法（FVM）對控制方程進(jìn)行離散，所有變量離散格式采用二階迎風(fēng)格式。整個研究計(jì)算是在ANSYS FLUENT 14.5平臺上獨(dú)立完成，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)離散化方法進(jìn)行處理和計(jì)算。

2.4 模型驗(yàn)證

本文數(shù)值模擬的湍流模型采用已驗(yàn)證過的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，具體的驗(yàn)證過程可參考文獻(xiàn)[14]。文中研究不同屋頂結(jié)構(gòu)對街道峽谷內(nèi)流動擴(kuò)散的影響，將風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果與3種湍流模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性最好。本文模型研究與其相似，故采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對其進(jìn)行研究。圖2為3種湍流模型和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的擬合曲線圖，從圖中可以看出標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。

圖2 模型驗(yàn)證Fig.2 Model validation

3 結(jié)果及分析

圖3（見下頁）為9種二維城市街道截面形態(tài)、街道峽谷內(nèi)速度流線圖和無量綱濃度云圖。首先分析機(jī)動車道路結(jié)構(gòu)的變化對街道峽谷內(nèi)流場和污染物擴(kuò)散的影響。比較工況1，2，7，8，9可知，機(jī)動車道的下降基本不會改變街道峽谷內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)和污染物的分布情況，主要表現(xiàn)在，工況1，2，7，8中街道峽谷內(nèi)都會形成一個規(guī)則的順時針旋渦，造成污染物在背風(fēng)面近地面處聚集，由近地面向高度處降低，且在街道峽谷內(nèi)污染物濃度分布情況相似。另外，由于機(jī)動車道路結(jié)構(gòu)下沉，在背風(fēng)面近地面處有小的逆時針旋渦生成（工況2，7，8），造成該處污染物濃度較工況1升高。隨著機(jī)動車道路結(jié)構(gòu)下沉深度增加（工況1，2，7，8），機(jī)動車道內(nèi)逆時針旋渦結(jié)構(gòu)尺寸增加，造成下沉結(jié)構(gòu)中空氣流通不暢，尾氣污染物在機(jī)動車道內(nèi)逐漸積累，這也是下沉式機(jī)動車道內(nèi)空氣污染嚴(yán)重的原因，會對機(jī)動車駕駛員的呼吸環(huán)境造成較大危害。此外，對于工況7兩層道路結(jié)構(gòu)，下層除了機(jī)動車道位置形成一個逆時針旋渦結(jié)構(gòu)，污染較為嚴(yán)重外，機(jī)動車道兩側(cè)空間也形成左側(cè)順時針、右側(cè)逆時針的渦旋結(jié)構(gòu)，由于空間閉塞，空氣流動速度基本為0，污染物濃度水平較高。對于工況9，抬升型道路結(jié)構(gòu)，機(jī)動車道的抬升有利于污染物的迅速擴(kuò)散，因此，機(jī)動車道的污染濃度水平較下沉式結(jié)構(gòu)低；但上升的道路結(jié)構(gòu)使得街道背風(fēng)面近地面人行道路處產(chǎn)生尺寸較大的逆時針旋渦，造成上風(fēng)向擴(kuò)散來的尾氣污染物在該處聚集，污染物濃度水平較其他情況都高，對該側(cè)行人健康造成不利影響。

圖3 不同截面形態(tài)的城市街谷內(nèi)的速度流線圖和無量綱濃度分布Fig.3 Streamlines and distributions of the pollutant dimensionless concentration in the street canyon under different working cases

其次，研究街道峽谷兩側(cè)建筑廊道高度和深度變化對街道峽谷內(nèi)空氣流動與污染物擴(kuò)散的影響。工況2～6均為下沉1.7 m道路結(jié)構(gòu)，但兩側(cè)建筑中廊道的高度和深度不同。從圖3可知，廊道高度和深度的變化不會對街道峽谷內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，即工況3～6在街道峽谷內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)與無廊道的工況2基本相同，因此污染物濃度的分布也基本相同，即廊道結(jié)構(gòu)不會改變街道峽谷主體區(qū)域內(nèi)的污染物濃度分布情況。另外，除了主渦，街道兩側(cè)廊道內(nèi)也會形成左側(cè)逆時針、右側(cè)逆時針的旋渦，而廊道結(jié)構(gòu)尺寸直接影響旋渦的大小。雖然右側(cè)廊道有旋渦產(chǎn)生，但由于主渦的影響使得右側(cè)污染物濃度較低，因此右側(cè)廊道內(nèi)污染水平較低；左側(cè)廊道正好相反，空氣流通不暢，污染物在此聚集，污染物濃度水平較高。

圖4 不同工況條件下人行呼吸高度水平速度及污染物無量綱濃度分布Fig.4 Distributions of velocity and dimensionless concentration on the respiratory plane under different working cases

為了進(jìn)一步分析機(jī)動車道路結(jié)構(gòu)及兩側(cè)廊道對街道峽谷內(nèi)行人健康的影響，圖4中給出了9 種不同街道截面形態(tài)下行人呼吸高度處（y = 1.5 m）流速和污染物無量綱濃度分布。首先，由圖4（a）可知，工況2，3，4的速度曲線幾乎重合，這說明廊道較低時，與沒有廊道相比，對人行呼吸高度流速的影響幾乎可以忽略，且此時廊道深度也對流動沒有影響，主要是由于廊道較低時其內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)大小與深度無關(guān)。隨著廊道的增高，廊道內(nèi)渦結(jié)構(gòu)逐漸變大，與沒有廊道相比，街道兩側(cè)人行呼吸高度處流速變化愈加明顯。從圖4（b）可以看出，機(jī)動車道路下沉深度對背風(fēng)側(cè)人行呼吸高度流動變化影響較大，相同深度的結(jié)構(gòu)，流速分布相同（如工況7和8），但對迎風(fēng)面?zhèn)然緵]有影響。工況9抬升型道路對兩側(cè)人行呼吸高度流速影響較大，因?yàn)榈缆方Y(jié)構(gòu)阻礙了水平流速，在街道左側(cè)近地面產(chǎn)生較大的二次旋渦。工況9由于是抬高為1.7 m的抬升型道路，上升型道路阻礙了水平流速，而人行呼吸高度處的速度是提取街道峽谷中1.5 m處水平上的速度，因此其人行呼吸高度處的速度只分布在車道的兩側(cè)，車道中間沒有呼吸高度的水平速度。

從圖4（c）可知，街道兩側(cè)廊道尺寸對迎風(fēng)面?zhèn)热诵泻粑叨任廴疚餄舛确植紱]有影響，對于背風(fēng)面?zhèn)热诵泻粑叨任廴疚餄舛确植悸杂杏绊?，主要表現(xiàn)在廊道高度的影響。廊道內(nèi)污染物濃度分布受廊道高度的影響較大，其人行呼吸高度處背風(fēng)側(cè)附近污染物濃度值相對參考工況增加大約5%。從圖4（d）可知，下沉式道路的深度對迎風(fēng)面?zhèn)热诵泻粑叨任廴疚餄舛确植家矌缀鯖]有影響，但對背風(fēng)側(cè)人行呼吸高度污染物濃度分布影響較大。隨著機(jī)動車道下沉深度增加，人行呼吸高度處污染物濃度會隨之增加（工況1，2，8）。工況9由于抬升型道路結(jié)構(gòu)的影響，在街谷左人行道內(nèi)形成一個相對較大的逆時針旋渦，導(dǎo)致污染物在該處不容易擴(kuò)散而在此累積，因此，工況9背風(fēng)側(cè)的人行呼吸高度水平處的污染物濃度比其他工況的都大。工況9由于是抬高為1.7 m的抬升型道路，而人行呼吸高度處的濃度，提取的是街道峽谷中1.5 m處水平上的濃度，受抬升型道路的阻礙，其人行呼吸高度處的濃度只分布在車道的兩側(cè)。

由圖5（見下頁）可見，順時針主旋渦作用下，背風(fēng)面附近的污染物濃度比迎風(fēng)面的高，其值約是迎風(fēng)面附近濃度值的2～3倍。不同工況污染物濃度在迎風(fēng)建筑物背風(fēng)側(cè)近地面附近處達(dá)到最大，最大值約是迎風(fēng)面污染物濃度最大值的2.5倍，不利于該側(cè)行人和居住人群的呼吸以及室內(nèi)外空氣的交換。工況1和工況2污染物濃度在背風(fēng)面附近處變化不大，這是由于在順時針大旋渦的作用下污染物向背風(fēng)面遷移所致。由于下沉式道路結(jié)構(gòu)的影響，工況2迎風(fēng)面附近的污染物濃度值要小于參考工況。工況3和工況4污染物濃度在背風(fēng)面和迎風(fēng)面附近分布曲線相似，工況5和工況6無量綱濃度曲線分布也類似，受廊道結(jié)構(gòu)的影響，4個工況在背風(fēng)側(cè)附近的近地面處濃度變化較大。工況7和工況8在背風(fēng)面沿高度方向污染物濃度分布變化不大。由于抬升型道路結(jié)構(gòu)的影響，工況9在左側(cè)人行道內(nèi)形成了一個逆時針旋渦，從而導(dǎo)致在街谷背風(fēng)側(cè)的污染物濃度比較高。而迎風(fēng)面，帶廊道的工況無量綱濃度沿高度變化不大，道路結(jié)構(gòu)變化的工況無量綱濃度沿高度變化則較大。工況1～2，工況7～9在迎風(fēng)側(cè)近地面附近處的污染物濃度相差也比較大，而在建筑物最高處濃度相近且達(dá)到最低，也可表明迎風(fēng)面污染物濃度分布受道路結(jié)構(gòu)影響較大。

圖5 廊道結(jié)構(gòu)變化和道路結(jié)構(gòu)變化的街谷內(nèi)背風(fēng)面、迎風(fēng)面無量綱濃度Fig.5 Dimensionless concentration profiles near the leeward and windward surfaces

圖6 不同工況機(jī)動車道內(nèi)高度1 m處水平方向的污染物無量綱濃度分布Fig.6 Dimensionless distributions of pollutant concentration along the horizontal direction of 1 m height in the vehicle lane for different cases

圖6 給出了不同工況機(jī)動車道內(nèi)高度1 m處水平方向的（機(jī)動車駕駛員呼吸高度）污染物無量綱濃度分布情況。首先工況1機(jī)動車道污染水平最低，且污染物濃度在峽谷兩側(cè)的分布比較均勻。這主要是由于街道峽谷內(nèi)主渦的影響，且檢測位置距離主渦渦心位置較遠(yuǎn)，通風(fēng)條件較好，污染物可以及時擴(kuò)散。工況2～8，機(jī)動車道污染物濃度均呈現(xiàn)“左低右高”的趨勢，主要是受下沉式機(jī)動車道內(nèi)逆時針旋渦的影響，污染物向右側(cè)車道遷移；車道內(nèi)小的旋渦結(jié)構(gòu)造成空氣流通不暢，污染物在此累積。從圖中可知，工況2～6中機(jī)動車道內(nèi)污染物濃度水平相當(dāng)，說明街道兩側(cè)廊道結(jié)構(gòu)對下沉式機(jī)動車道內(nèi)污染水平影響不大。對于工況2，7，8，隨著下沉式道路深度加深，機(jī)動車道污染程度進(jìn)一步增加；工況7和8由于下沉深度相同，機(jī)動車道污染水平相當(dāng)。工況9抬升型機(jī)動車道，檢測位置處污染物濃度呈現(xiàn)“左高右低”的趨勢，這主要是受街道內(nèi)順時針主渦結(jié)構(gòu)的影響，但其污染物濃度較工況1偏高是由于右端抬升結(jié)構(gòu)阻礙由右及左的水平流動，造成機(jī)動車道位置處空氣流動減緩，不利于污染物的擴(kuò)散。

4 結(jié) 論

本研究基于二維不可壓縮流動的Navier-Stocks方程、污染物組分輸運(yùn)方程及標(biāo)準(zhǔn)k-?湍流模型，獲取所構(gòu)建模型的數(shù)值解。采用驗(yàn)證的模型參數(shù)，構(gòu)建了9種2類H/W為1的二維城市街道截面形態(tài)構(gòu)造，在來流平均風(fēng)速為3 m/s情況下，模擬研究了不同城市街道截面形態(tài)對街谷內(nèi)流動結(jié)構(gòu)和污染物分布規(guī)律的影響，結(jié)論如下：

a. 下沉式道路結(jié)構(gòu)不會改變街道峽谷內(nèi)主渦結(jié)構(gòu)和污染物分布；下沉式道路結(jié)構(gòu)隨著下沉深度的增加，機(jī)動車道內(nèi)污染程度將進(jìn)一步加重，且受機(jī)動車道內(nèi)渦旋的影響，右側(cè)車道污染程度高于左側(cè)車道。

b. 廊道內(nèi)污染物濃度分布受廊道高度的影響較大，其人行呼吸高度處背風(fēng)側(cè)附近污染物濃度值相對參考工況增加大約5%，受廊道高度的影響背風(fēng)側(cè)附近廊道內(nèi)及近地面人行道處污染物濃度會比較高。