城市街谷與上游阻擋建筑最不利間距的研究

周華元,亢燕銘,楊 方,劉改玲,鐘 珂

城市街谷與上游阻擋建筑最不利間距的研究

周華元,亢燕銘,楊 方,劉改玲,鐘 珂*

(東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620)

采用數(shù)值模擬的方法,研究了街谷內(nèi)上風(fēng)建筑與上游阻擋建筑的間距(),即上游建筑間距,對街谷內(nèi)空氣流動特性和氣態(tài)污染物分布規(guī)律的影響.模擬結(jié)果表明,街谷內(nèi)迎風(fēng)區(qū)的氣流速度基本不隨的變化而變化,而背風(fēng)區(qū)和中心區(qū)的氣流速度隨著的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,并在= 90m時(shí),氣流速度達(dá)到最小值.相應(yīng)地,在= 90m時(shí)街谷內(nèi)污染物濃度最高,表明存在最不利值,在城市規(guī)劃中應(yīng)盡可能避免該間距.當(dāng)大于90m時(shí),越大,污染物濃度越低,而小于90m時(shí),越小,污染物濃度也越低,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)約用地和減小交通污染的目的.

街道峽谷；上游阻擋建筑；交通污染物；間距；數(shù)值模擬

隨著我國機(jī)動車保有量的不斷提高,機(jī)動車尾氣對城市居民健康的威脅日益增大.特別是近年霾污染治理過程中,交通污染被列為主要原因之一[1].為便于交通污染物快速擴(kuò)散,在我國近年的城市規(guī)劃中,盡可能在建筑物之間設(shè)置公共綠地,增大部分街道峽谷(以下簡稱“街谷”)兩側(cè)相鄰建筑的間距,給居民提供更好的空氣品質(zhì).考慮到城市區(qū)域土地緊張的現(xiàn)狀,這種措施不僅實(shí)施難度大,而且也沒有數(shù)據(jù)結(jié)果證明其有效性.

關(guān)于街谷微環(huán)境,在過去的三十余年里,已經(jīng)開展了大量的研究工作.大致可以分為兩類.一類主要關(guān)注傳統(tǒng)街谷內(nèi)部氣流細(xì)節(jié)特征和污染物濃度分布的研究[2-9],如Hunter等[2]分析了街谷尺寸對街谷中渦流形態(tài)的影響.董龍翔等[3]對地面點(diǎn)源釋放的污染物在城市中的擴(kuò)散過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并通過敏感性數(shù)值試驗(yàn)定量分析了邊界入口風(fēng)速和風(fēng)向擾動對城市內(nèi)流場和污染物擴(kuò)散的影響.另一類則針對街谷約束物,如高架道路、綠化帶和樹冠等對街谷內(nèi)流場和污染物擴(kuò)散的影響進(jìn)行分析[10-16],如Zhang等[10]討論了高架橋下深街谷內(nèi)流場和污染物分布的特征,Ng等[11]采用數(shù)值模擬的方法研究了不同高寬比下植被對孤立深街谷內(nèi)空氣質(zhì)量的影響.

然而,現(xiàn)有大部分工作的研究均針對孤立街谷展開.實(shí)際上,在城市中街谷不是孤立存在的,建筑之間公共綠地的尺寸和上游阻擋建筑的存在顯然會對下游街谷內(nèi)的流場產(chǎn)生影響.對此,有人對上游阻擋建筑對街谷來流的阻擋作用進(jìn)行了研究[17-19].如朱強(qiáng)等[17]研究了不同上游阻擋建筑布局下,行列式和錯列式街谷內(nèi)氣流速度和污染物濃度場特征.結(jié)果表明,在行列式街谷中,若不考慮上游阻擋建筑的存在,將會過高估計(jì)街谷內(nèi)污染程度.因此,上游阻擋建筑對街谷來流的阻擋作用不能被忽視.并且可以推測,上游阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑的間距(),也會對街谷內(nèi)的污染物分布產(chǎn)生一定的影響.為更加準(zhǔn)確地預(yù)測街谷內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量并為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考依據(jù),本文將對此展開研究,以分析可能存在的的最不利取值.

本文擬采用計(jì)算流體力學(xué)的方法,根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)研究[20-23]及其實(shí)測結(jié)果選擇合適的湍流模型,運(yùn)用驗(yàn)證后的數(shù)值計(jì)算方法,以上游阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑的間距為變量,研究其對街谷內(nèi)部流場和濃度場的影響.

1 計(jì)算模型與方法

1.1 模型建立與計(jì)算方法

街谷兩側(cè)都會有相鄰建筑,其中下游相鄰建筑對街谷內(nèi)的氣流形態(tài)的影響可以忽略不計(jì),故本文僅研究上游相鄰建筑(以下簡稱“上風(fēng)建筑”)對來流的阻擋作用及其對街谷內(nèi)部氣流和污染物擴(kuò)散特征的影響.

圖1是本文建立的街谷模型示意.為保證結(jié)果的普適性,本文以規(guī)則的多層建筑物為研究對象,通過CFD數(shù)值模擬,對街谷兩側(cè)的建筑物高度均為20m的情況進(jìn)行分析.設(shè)臨街建筑和上游阻擋建筑的幾何參數(shù)均為長60m (),寬15m (),高20m (),街谷同側(cè)相鄰建筑的間距為10m (),街寬為30m (),上游建筑間距為.臨街建筑沿街谷長軸方向周期性排列.為了更廣泛地分析上游阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑的間距對街谷內(nèi)空氣環(huán)境的影響,本文中在15~200m范圍內(nèi),按一定規(guī)律取10個(gè)值,用以分析對交通污染物分布規(guī)律的影響.

圖1 街谷模型示意

使用Gambit 2.4.6軟件建立模型和劃分網(wǎng)格,使用Fluent 6.3.26軟件對計(jì)算域內(nèi)流場(包括風(fēng)速與湍流強(qiáng)度)和污染物濃度場進(jìn)行三維數(shù)值模擬.為盡量減小因求解域有限產(chǎn)生的端部效應(yīng),上游阻擋建筑與計(jì)算域上游邊界相距5,街谷下風(fēng)建筑與計(jì)算域下游出口相距15,建筑頂端與計(jì)算域上方自由面相距4[24].

已有研究[25]表明,街谷中進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn)-模型適合作為湍流模型,并采用有限容積法離散控制方程[26-27],采用二階迎風(fēng)差分格式控制方程離散[28],污染物的擴(kuò)散方程采用QUICK格式.離散化計(jì)算域后總網(wǎng)格數(shù)約有3.3′106個(gè).有關(guān)流動與污染物輸送的控制方程,其網(wǎng)格穩(wěn)定性、可靠性分析與描述方法以及其他參數(shù)選取的細(xì)節(jié)參見文獻(xiàn)[29].

風(fēng)向?qū)止葍?nèi)的流場影響很大,進(jìn)而影響街谷內(nèi)污染物的擴(kuò)散.當(dāng)風(fēng)向與街谷軸線垂直時(shí),最不利于交通污染物的擴(kuò)散[30].因此,本文僅考慮來流風(fēng)向與街谷軸線垂直的情況.此時(shí),街谷內(nèi)流場分布呈周期性變化規(guī)律,可采用鏡像法在街谷兩側(cè)設(shè)置對稱面(Symmetry),簡化計(jì)算,只需計(jì)算圖1(街谷模型)中灰色區(qū)域.

計(jì)算域的其他邊界條件設(shè)置如下:計(jì)算域內(nèi)的建筑表面及街谷地面設(shè)為無滑移條件,而求解域的頂面設(shè)為滑移條件[28].因計(jì)算域出口的空氣流態(tài)可視為充分發(fā)展湍流,故出口邊界條件可設(shè)為自由出流(Outflow).入口邊界條件設(shè)置為速度入口(Velocity Inlet),并采用用戶定義函數(shù)(UDF)設(shè)置自定義速度廓線.自定義速度廓線設(shè)置如下.

大氣中風(fēng)的湍流特性及風(fēng)速的垂直分布與地形、地面的粗糙度密切相關(guān)[18].因此,本文采用冪指數(shù)的風(fēng)速廓線[31-32]

式中:為任意高度,m;z為該高度下的速度平均值,m/s;為地面粗糙度指數(shù),本文取= 0.28;為參考標(biāo)準(zhǔn)高度,m;V為高度處所測的參考標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速,m/s,定義建筑物高度20m為參考標(biāo)準(zhǔn)高度,則高度=20m處的屋頂風(fēng)速為參考標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速V.為模擬近地面處不利的大氣擴(kuò)散條件下街谷空間中交通污染物分布情況,設(shè)置屋頂風(fēng)速為V=2.0m/s,易估得求解域的Reynolds數(shù)的量級為105.

街谷空間內(nèi)的污染源可視為連續(xù)發(fā)散的線源[33],污染物均勻分布在一個(gè)寬10m、高0.5m,長度與求解域相同的區(qū)域內(nèi),并位于街谷街道正中.污染物氣體設(shè)為機(jī)動車的尾氣主要成分CO.為更直觀明了地進(jìn)行分析比較,定義無量綱濃度C表征交通污染物濃度:

式中:C為點(diǎn)處的污染物濃度,kg/m3;0為污染物發(fā)散強(qiáng)度,kg/s.

1.2 數(shù)值計(jì)算方法的合理性驗(yàn)證

數(shù)值計(jì)算之前,首先需要對模型和計(jì)算方法進(jìn)行合理性驗(yàn)證.

1.2.1 流場的驗(yàn)證 在已發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,與本文特征最接近的是Li等[20]的水槽實(shí)驗(yàn), 因此本文利用該水槽實(shí)測數(shù)據(jù)對計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證.

圖2給出了街谷兩側(cè)建筑1/2高度處(/= 0.5)水平方向和垂直方向的無量綱速度分量沿街道寬度方向的變化曲線.另外,圖中還給出了Liu等的LES模型[21]和Li等的標(biāo)準(zhǔn)-模型[22]的模擬結(jié)果.

(a) 水平速度分量

(b) 垂直速度分量

圖2 流場模擬值與實(shí)測值的比較

Fig.2 Comparisons of simulated velocities with test data in street canyon

由圖2可以看出,本文與另外兩篇文獻(xiàn)的模擬結(jié)果都與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好,其中均采用標(biāo)準(zhǔn)-模型的本文和文獻(xiàn)[22]的計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)測結(jié)果,表明本文選擇的湍流模型適當(dāng),采用的數(shù)值計(jì)算方法可以較準(zhǔn)確地預(yù)測街谷內(nèi)流場.

1.2.2 濃度場的驗(yàn)證 除流場的驗(yàn)證外,本文的數(shù)值模型還需要對街谷內(nèi)的污染物濃度場進(jìn)行驗(yàn)證.本文采用Meroney等[23]的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對和校驗(yàn),分別驗(yàn)證了入口風(fēng)速為ref= 3m/s和ref= 5m/s的情況,結(jié)果如圖3所示.

(a) Vref = 3m/s (b) Vref = 5m/s

圖3 濃度場模擬值與實(shí)測值的比較

Fig.3 Comparisons of simulated concentration with test data in street canyon

圖3的結(jié)果表明,盡管實(shí)測值與模擬值之間存在一些差異,但兩者的變化規(guī)律基本相同,大部分模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好.

從上述驗(yàn)證的過程來看,本文選擇的數(shù)值模型和數(shù)值計(jì)算方法能較好地預(yù)測街谷內(nèi)的流場和速度場.

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 上游建筑間距D對街谷內(nèi)氣流特征的影響

圖4(a)和(b)分別給出AA’橫剖面(圖1)上街谷內(nèi)氣流速度矢量圖和湍流強(qiáng)度分布云圖.從圖4(a)中的流場可以看出,街谷上風(fēng)建筑的迎風(fēng)側(cè)在無上游阻擋建筑時(shí),街谷上風(fēng)建筑附近的氣流由地面吹向屋頂;而在有上游阻擋建筑情況下風(fēng)向相反.由于此風(fēng)向的不同,導(dǎo)致街谷內(nèi)部形成的渦流形態(tài)和風(fēng)速有一些差別.前者在街谷內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)較小的渦,靠近上風(fēng)建筑和下風(fēng)建筑處的風(fēng)速較大;而后者產(chǎn)生了一個(gè)較大的渦.不僅如此,在不同的下,街谷內(nèi)渦的位置和大小也有一定區(qū)別,這些區(qū)別會對交通污染物的擴(kuò)散有一定的影響.從圖4(b)可以看出,雖然在無上游阻擋建筑時(shí),上風(fēng)建筑的迎風(fēng)側(cè)上端湍流強(qiáng)度最大;在有上游阻擋建筑時(shí),該處湍流強(qiáng)度有所減小,但是街谷內(nèi)較低位置的湍流強(qiáng)度卻基本無變化.

(a) 氣流速度

(b) 湍流強(qiáng)度

圖4 街谷橫剖面AA’ (= 15m)上的流場

Fig.4 Flow fields on plane AA’ (= 15m) in street canyons

為更加具體地比較對街谷空間空氣流動狀態(tài)的影響,圖5給出中心區(qū)3個(gè)典型位置處(圖1)氣流速度沿高度方向分布的情況.

由圖5(a)可以看到,在6m高度以下,= 200m時(shí)街谷內(nèi)氣流速度較其他間距小,= 75m時(shí)街谷內(nèi)氣流速度最大.而在6m高度以上,= 200m時(shí)街谷內(nèi)氣流速度反而最大,因此對街谷內(nèi)的流場有一定影響.由圖5(b)可以看到,對位置2的影響作用較小,不同的對應(yīng)的氣流速度在各高度處基本相同.

圖5 街谷中典型位置處氣流速度沿高度方向分布曲線

另一方面,有上游阻擋建筑時(shí),3個(gè)考察點(diǎn)的速度分布的最小值都出現(xiàn)在街谷內(nèi)部,最小值出現(xiàn)的高度因考察點(diǎn)位置不同而不同,并受到的影響.無上游阻擋建筑時(shí),速度最小值出現(xiàn)位置高度受考察點(diǎn)位置影響非常大.

湍流強(qiáng)度也是影響流場的主要因素之一,圖6給出了中心區(qū)3個(gè)典型位置處(圖1)湍流強(qiáng)度沿高度方向分布的情況.

從圖6可以看到,無上游阻擋建筑下3個(gè)考察點(diǎn)的湍流強(qiáng)度均比有上游阻擋建筑下的湍流強(qiáng)度小.有上游阻擋建筑的情況下,各個(gè)位置處湍流強(qiáng)度的規(guī)律基本相似,且都在近地面處增加的幅度較其他高度處大.雖然湍流強(qiáng)度在數(shù)值上稍有不同,但變化規(guī)律不隨的變化而變化,因此下文將主要分析街谷內(nèi)風(fēng)速隨的變化規(guī)律.

為了統(tǒng)計(jì)分析上游阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑的間距對街谷內(nèi)氣流和濃度分布的影響,本文在街谷空間內(nèi)均勻設(shè)點(diǎn).相鄰取值點(diǎn)間距為1m,最邊緣處的點(diǎn)距建筑壁面或地面0.5m,取值區(qū)域的劃分見圖7中灰色的區(qū)域.

圖6 街谷中典型位置處湍流強(qiáng)度沿高度方向分布曲線

圖7 街谷內(nèi)平面區(qū)域劃分

根據(jù)CFD模擬結(jié)果,得到每個(gè)取值點(diǎn)的信息,圖8給出3個(gè)區(qū)域內(nèi)氣流速度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

圖8 街谷內(nèi)氣流速度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖8(a)和(b)表明,在街谷的背風(fēng)區(qū)和中心區(qū),氣流速度受到的影響較大,且都在= 90m時(shí)氣流速度達(dá)到最小值.而在迎風(fēng)區(qū)(圖8(c))中,氣流速度受到的影響較小,不同的下氣流速度基本沒有變化,但氣流速度在60~135m范圍內(nèi)也存在最小值.

比較圖8的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,無論為何值時(shí),有上游阻擋建筑的街谷內(nèi)氣流速度都比無上游阻擋建筑的街谷內(nèi)氣流速度要小,這將導(dǎo)致污染物擴(kuò)散不暢,影響街谷內(nèi)的空氣品質(zhì).

為明確對街谷內(nèi)氣流速度的改變作用,定義街谷內(nèi)氣流速度的下降率為:

式中:為空間高度下的氣流速度下降率;為空間高度下的平均風(fēng)速;0i為無上游阻擋建筑情況下的平均風(fēng)速.

圖9給出了相對于無上游阻擋建筑時(shí),在不同下街谷內(nèi)氣流速度的下降率.可以看出,上游阻擋建筑的存在會使街谷內(nèi)的風(fēng)速下降30%~50%,且在75m時(shí)下降率達(dá)到最大值.相比于中心區(qū)和迎風(fēng)區(qū),背風(fēng)區(qū)風(fēng)速下降率高出5%~10%左右.

圖9 不同D時(shí)街谷內(nèi)氣流速度下降率

上游阻擋建筑對街谷內(nèi)氣流速度的影響將會影響到街谷內(nèi)機(jī)動車污染源的擴(kuò)散特征.以下將對街谷內(nèi)污染物濃度分布進(jìn)行分析.

2.2 上游建筑間距D對污染物濃度分布的影響

圖10給出了AA’橫剖面(圖1)的街谷污染物分布和流線.

從圖10(a)可以看出,無上游阻擋建筑時(shí),污染物在渦流的作用下主要堆積在街谷背風(fēng)區(qū)建筑附近和中心區(qū)近地面.當(dāng)45m(圖10(b))時(shí),污染物向街谷中心區(qū)的渦流中心聚集.而當(dāng)增大到200m (圖10(c))時(shí),污染物又向街谷背風(fēng)區(qū)的地面以及街谷空間聚集.

圖10 街谷橫剖面AA’(x = 15m)上的濃度場

造成以上區(qū)別的原因是不同的對應(yīng)的流場不同.當(dāng)上游阻擋建筑距離街谷較遠(yuǎn)(如圖10(c))時(shí),上游阻擋建筑對來流的阻擋作用接近于無上游阻擋建筑的情況,因此濃度場又近似于無上游阻擋建筑的情況,向街谷背風(fēng)區(qū)的地面聚集.

根據(jù)圖7中劃分的三個(gè)區(qū)域,從數(shù)值模擬結(jié)果中提取相應(yīng)區(qū)域的污染物無量綱濃度,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示.

圖11 街谷內(nèi)污染物無量綱濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對比圖11可以看出,背風(fēng)區(qū)污染物濃度最高,迎風(fēng)區(qū)污染物濃度最低.這是由于街谷中形成了順時(shí)針渦流,迎風(fēng)區(qū)得到的是新鮮空氣,因此污染物濃度最小;而背風(fēng)區(qū)得到的是受污染空氣,因此污染物濃度最大.

另外,在背風(fēng)區(qū)(如圖11(a))中,雖然不同下風(fēng)速變化較大,但由于處在污染源下游,直接受到污染物的擴(kuò)散影響,污染物濃度在各下基本一致,不受大小的影響.而在迎風(fēng)區(qū)(如圖11(c))中,雖然風(fēng)速在各下基本一致(圖8(c)),但由于受到中心區(qū)回流的影響,中心區(qū)風(fēng)速在= 90m處存在風(fēng)速最小值,因此污染物濃度在= 90m處存在一個(gè)最大值.

為估算其他上游阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑的間距下交通污染物的濃度,采用Origin程序擬合3個(gè)區(qū)域內(nèi)污染物濃度的平均值,擬合采用三次多項(xiàng)式:

根據(jù)誤差最小原則,得到擬合結(jié)果,如圖12所示.

由圖12可以看出,在中心區(qū)和迎風(fēng)區(qū)內(nèi),交通污染物濃度均在90m左右達(dá)到最大值,而背風(fēng)區(qū)濃度在各下濃度基本不變.

3個(gè)區(qū)域的擬合函數(shù)分別為:

背風(fēng)區(qū):

中心區(qū):