高架覆蓋采風(fēng)口型街谷內(nèi)PM2.5分布模擬

翟靜 趙敬德 馮寒立

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，霾現(xiàn)象的發(fā)生頻率，持續(xù)時(shí)間及影響區(qū)域都明顯增加，城區(qū)中可吸入顆粒物的主要來源為汽車尾氣[1-2]。而越來越多高架覆蓋的街道峽谷的出現(xiàn)，影響著城市居民區(qū)的空氣質(zhì)量，危害沿街居民的健康。

街道峽谷這個(gè)概念從提出發(fā)展到現(xiàn)如今，已經(jīng)有所擴(kuò)展[3-4]，最典型的即為有高架路的街道峽谷。如今非典型街道峽谷為街道兩側(cè)建筑物中間存在開口、交叉口、采風(fēng)口等，由此產(chǎn)生了并列式與錯(cuò)列式[5]?，F(xiàn)有的研究中，實(shí)地測(cè)量[6-7]主要是對(duì)選定的特定街道空間區(qū)域的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)記錄，分析比較數(shù)據(jù)，得到相關(guān)的規(guī)律?？s尺模型試驗(yàn)根據(jù)相似原理，采用風(fēng)洞或者水槽進(jìn)行相似實(shí)驗(yàn)[8]。近年來數(shù)值模擬方法逐漸成為主要研究手段[9-10]。

目前已有的研究主要集中于典型街谷，研究?jī)?nèi)容集中于污染氣體[11-13]，存在采風(fēng)口型非典型街谷以及街谷內(nèi)可吸入顆粒物的研究較少，所用的衡量街谷內(nèi)空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)只是針對(duì)整個(gè)街谷區(qū)域，而非人員活動(dòng)區(qū)域。因此本文選取有30 m采風(fēng)口的街谷進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，分析高架道路以及采風(fēng)口的存在對(duì)街谷內(nèi)顆粒污染物的分布影響，并以呼吸面高度的可吸入顆粒物平均濃度作為新的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于改善街道峽谷微氣候環(huán)境有實(shí)際參考意義。

1 模型與計(jì)算域

1.1 街道峽谷模型

如圖1為高架覆蓋下的街道峽谷計(jì)算域三維簡(jiǎn)化模型，假設(shè)所有的街道峽谷兩側(cè)建筑外形幾何尺寸一致，根據(jù)實(shí)際街谷幾何特征，模擬所取建筑長(zhǎng)（L）=200 m，高（H）=18 m。經(jīng)過模型簡(jiǎn)化，將建筑簡(jiǎn)化為面，計(jì)算域僅取街道峽谷所在空間，圖中街道寬度W=40 m，高架路寬度B=14 m，高架路長(zhǎng)度選取同建筑長(zhǎng)度一致的200 m，高架路厚度（T）=0.5 m，高架路中心所在高度（H1）=12 m，此種情況下，街谷寬高比為2.2。本計(jì)算模型中（圖1），A為采風(fēng)口位置，采風(fēng)口兩側(cè)建筑壁面為背風(fēng)側(cè)壁面，坐標(biāo)原點(diǎn)取在背風(fēng)側(cè)壁面，B為雙側(cè)存在采風(fēng)口時(shí)迎風(fēng)側(cè)壁面上采風(fēng)口位置，兩側(cè)為迎風(fēng)側(cè)建筑壁面。街道峽谷背景來流風(fēng)考慮街谷內(nèi)顆粒污染物擴(kuò)散最不利情況下的垂直于街谷軸線所在方向[14]，采用離散相模型（DPM模型）進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖1 街道峽谷物理模型

1.2 邊界條件

街道中兩條線源設(shè)置于模型坐標(biāo)中的X=10 m和X=30 m處的位置，長(zhǎng)度同街道長(zhǎng)度為200 m。由于固態(tài)顆粒物源強(qiáng)難以估算，本文計(jì)算時(shí)依照市區(qū)早晚高峰時(shí)段進(jìn)行選定，取 2 μg/s[15]，顆粒粒徑取 2.5 μm。假定計(jì)算模型采風(fēng)口所在計(jì)算域流速均勻，邊界條件設(shè)為風(fēng)速入口（velocity inlet），風(fēng)速隨高度擬合曲線[16]為Uy=y0.2375，單位為m/s，y為距地高度，單位為m。計(jì)算域上邊界設(shè)為自由出流（outflow）[17]。壁面均為無滑移壁面，兩側(cè)邊界設(shè)為對(duì)稱邊界（symmetry）。入口風(fēng)速廓線設(shè)置于入口邊界條件中，建筑頂端參考風(fēng)速計(jì)算得V0=1.9 m/s，計(jì)算得其流動(dòng)雷諾數(shù)為2×106，此計(jì)算結(jié)果大于雷諾數(shù)獨(dú)立性所給出的參考標(biāo)準(zhǔn)，可以進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值模擬計(jì)算。

2 模擬結(jié)果

2.1 高架路覆蓋下單側(cè)存在采風(fēng)口型街谷模擬結(jié)果

圖2所示為高架路覆蓋下單側(cè)存在30 m采風(fēng)口DPM模型下的顆粒物分布，在采風(fēng)口通道內(nèi)部的顆粒物濃度低。迎風(fēng)側(cè)區(qū)域顆粒物濃度低于背風(fēng)側(cè)，且背風(fēng)側(cè)越靠近采風(fēng)口軸面的區(qū)域，顆粒物濃度越高，反之越低。這主要是受街谷內(nèi)流場(chǎng)分布特征的影響。由圖3的流場(chǎng)分布可以看出，采風(fēng)口通道內(nèi)部流場(chǎng)均勻。在采風(fēng)口兩側(cè)分別形成兩個(gè)大渦流，且次級(jí)渦流在近壁面和街口處。由此可以看出，顆粒物的分布情況與迎風(fēng)側(cè)流線分布密集、速度大、背風(fēng)側(cè)稀疏速度小，且次級(jí)渦流較靠近背風(fēng)側(cè)的流場(chǎng)分布特征相吻合。

圖2 高架路覆蓋下單側(cè)存在30 m采風(fēng)口DPM模型下的顆粒物分布

圖3 單側(cè)存在3 0m采風(fēng)口的街道峽谷流場(chǎng)分布

對(duì)于有高架路覆蓋單側(cè)30 m采風(fēng)口型街谷，在Y=1.5 m高度（呼吸面）的水平面上顆粒物分布表現(xiàn)出較明顯的規(guī)律性，如圖4。沿著X軸正向，主要表現(xiàn)出兩種特征：一種是，當(dāng)Z=20 m、60 m、80 m時(shí)，在X=0～20 m的區(qū)域內(nèi)，顆粒物濃度先降后升，當(dāng)X>20 m時(shí)，濃度表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。此現(xiàn)象的原因是流場(chǎng)分布表現(xiàn)為明顯的渦流特征，由渦流的邊緣至中心，產(chǎn)生第一次濃度下降的現(xiàn)象，上升的原因是高架路的存在會(huì)促進(jìn)小渦流的生成，滯留污染物的運(yùn)動(dòng)。另一種是，當(dāng)Z=0 m、40 m時(shí)，沿著X軸正向，污染物濃度逐漸下降，且整體濃度低于其他三個(gè)區(qū)域。這是由于此區(qū)域受次級(jí)渦流中心區(qū)域室外影響較小。同時(shí)，呼吸面高度顆粒物濃度分布還表現(xiàn)出一個(gè)比較明顯的特征，迎風(fēng)側(cè)區(qū)域顆粒物濃度分布較背風(fēng)側(cè)相對(duì)均勻。

圖4 單側(cè)存在30 m采風(fēng)口的街道峽谷Y=1.5 m高度的顆粒物分布曲線

2.2 高架路覆蓋下雙側(cè)存在30 m采風(fēng)口型街谷模擬結(jié)果

雙側(cè)存在3 0m采風(fēng)口街谷顆粒物分布如圖5所示。顆粒物分布出現(xiàn)明顯的不均勻現(xiàn)象。街道峽谷兩側(cè)顆粒物分布呈現(xiàn)較明顯的密集區(qū)與稀疏區(qū)：高架路區(qū)域分布較密集，靠近建筑物的兩側(cè)分布較稀疏。主要原因在于流場(chǎng)的影響。如圖6所示，在采風(fēng)口中心軸面（Z=100 m）兩側(cè)同樣各自形成兩個(gè)大渦流，且渦流的中心位于街道峽谷中心軸面（X=20 m）上?？拷瞬康臏u流較近采風(fēng)口中心軸面的渦流表現(xiàn)出更明顯的旋流特征。在旋流氣流的帶動(dòng)下，顆粒物集中分布于渦流區(qū)域。

圖5 雙側(cè)存在30 m采風(fēng)口的街道峽谷DPM模型下的顆粒物分布

如圖7所示，雙側(cè)模型內(nèi)呼吸面高度上顆粒物濃度分布表現(xiàn)較明顯波動(dòng)性。總體趨勢(shì)是：X<20 m時(shí)，顆粒物濃度有上升的趨勢(shì)，X>20 m時(shí)，顆粒物濃度下降且下降幅度較快。在Z=20～180 m的中部范圍內(nèi)，顆粒物濃度變化相對(duì)較小，而端部區(qū)域，顆粒物濃度明顯減小。

圖6 雙側(cè)存在30 m采風(fēng)口的街道峽谷流場(chǎng)分布

圖7 雙側(cè)存在30 m采風(fēng)口的街道峽谷Y=1.5 m高度的顆粒物分布曲線

2.3 有無高架覆蓋模型的對(duì)比分析

現(xiàn)選取無高架路單雙側(cè)存在30 m寬采風(fēng)口模型進(jìn)行對(duì)比分析，以探究高架路對(duì)顆粒物分布擴(kuò)散的影響。無高架路覆蓋單雙側(cè)存在30 m寬采風(fēng)口模型呼吸面高度顆粒物濃度分布曲線圖如圖8所示。

圖8 無高架路覆蓋30 m采風(fēng)口型街谷模擬結(jié)果

由圖8（a）可以看出無高架路模型呼吸面高度顆粒物沿X軸正向呈先降后升的趨勢(shì)，主要因?yàn)闊o高架路覆蓋時(shí)，高架路周圍的小渦流影響消失，在較規(guī)則的大渦流影響下，中心區(qū)域速度低壓力大，顆粒物在流場(chǎng)中受壓力影響向渦流邊緣區(qū)域運(yùn)動(dòng)。如圖8（b）所示，呼吸面高度顆粒物濃度呈明顯上升趨勢(shì)，街谷端部區(qū)域濃度低于其余區(qū)域。

3 高架路的存在對(duì)顆粒物濃度分布的影響

為探究高架路的存在對(duì)顆粒物分布的影響，通過對(duì)高架路存在與否街谷內(nèi)顆粒物濃度變化率的計(jì)算來進(jìn)行量化。

表1為四種模型呼吸面高度可吸入顆粒物平均濃度值，由表中數(shù)據(jù)計(jì)算有無高架路模型可吸入顆粒物濃度值的變化量并計(jì)算其與無高架路時(shí)呼吸面顆粒物平均濃度值的比值。結(jié)果見表2，其中Cg表示顆粒物濃度變化率，顆粒物濃度的變化量用ΔC表示，無高架路時(shí)呼吸面顆粒物平均濃度表示為Cg0，μg/m3。

表1 不同采風(fēng)口模型及高架路有無影響下的顆粒物濃度（μg/m3）

表2 不同采風(fēng)口模型及高架路有無影響下的顆粒物濃度變化率

根據(jù)表2可得，單側(cè)30 m采風(fēng)口型街谷在有高架路影響下，計(jì)算域內(nèi)顆粒物濃度的變化量ΔC=64.57 μg/m3，由于高架路存在的影響，顆粒物濃度變化率Cg=19.83%。雙側(cè)30 m采風(fēng)口型街谷有高架路影響下，顆粒物濃度的變化量ΔC=59.97 μg/m3，由于高架路存在的影響，顆粒物濃度變化率Cg=19.18%。

模型內(nèi)發(fā)散源強(qiáng)度持續(xù)不變，且線源布置位置按車流量不變情況設(shè)置。在現(xiàn)實(shí)街谷中，此模型及邊界條件為上海市區(qū)早晚高峰時(shí)段，車流量較大且基本保持不變情況下，顆粒物的濃度分布。在建筑單/雙側(cè)存在30 m路口或采風(fēng)口的街區(qū)情況下，高架路的存在會(huì)增大顆粒物的濃度，阻礙顆粒物向街谷外部擴(kuò)散，增加率為20%左右。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)有無高架路覆蓋采風(fēng)口型街谷進(jìn)行三維CFD數(shù)值模擬，對(duì)兩種模型進(jìn)行了對(duì)比分析，并以呼吸面濃度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得到如下結(jié)論：

1）高架路覆蓋單側(cè)存在30 m采風(fēng)口型街谷中，呼吸面高度迎風(fēng)側(cè)區(qū)域顆粒物濃度低于背風(fēng)側(cè)。背風(fēng)側(cè)越靠近采風(fēng)口處的區(qū)域，濃度越高，反之濃度越低。

2）高架路覆蓋雙側(cè)存在30 m采風(fēng)口型街谷中，呼吸面高度可吸入顆粒物集中分布于高架路覆蓋下的區(qū)域，兩側(cè)輔道及人行道區(qū)域顆粒物濃度較低。

3）在30 m寬采風(fēng)口模型中，高架路的存在會(huì)增大顆粒物的濃度，阻礙顆粒物向街谷外部擴(kuò)散，顆粒物濃度比無高架路模型增加20%左右。