分層流水槽實驗在大氣風環(huán)境研究中的應(yīng)用

李佩聰 王怡 吳松恒 曹嘉璇

1 省部共建西部綠色建筑國家重點實驗室

2 西安建筑科技大學建筑設(shè)備科學與工程學院

大氣風環(huán)境作為通風領(lǐng)域中的一個重要組成部分，其不僅會直接影響建筑室外空氣質(zhì)量，而且會通過建筑通風系統(tǒng)影響室內(nèi)空氣質(zhì)量[1]。對大氣風環(huán)境的研究通常需要考慮大氣層結(jié)狀態(tài)，其中穩(wěn)定層結(jié)會抑制大氣在垂直方向的對流，許多大氣污染事件發(fā)生于此。在穩(wěn)定層結(jié)大氣流動的研究中，密度分層流水槽實驗一直是備受青睞的研究方法，利用水槽內(nèi)流體密度的垂直梯度來代表大氣的位溫梯度，可以模擬實際大氣中各種不同的大氣層結(jié)狀態(tài)[2-4]。本文首先對密度分層流水槽實驗原理進行了簡要介紹，然后對密度分層的營造以及流場的可視化方法進行了梳理，最后總結(jié)其在大氣風環(huán)境研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀。本文可以為密度分層流水槽實驗的設(shè)計和應(yīng)用提供更加系統(tǒng)高效的指導。

1 分層流水槽模擬層結(jié)大氣流動的相似性原理

分層流是大氣和海洋中很常見的一種自然現(xiàn)象，分層流中由于密度變化引起的內(nèi)波對流體流動有很大的影響。密度分層流水槽實驗是以相似理論為基礎(chǔ)的室內(nèi)縮尺實驗平臺，廣泛運用在研究海洋內(nèi)波現(xiàn)象的水動力學和層結(jié)大氣流動的空氣動力學研究中。在分層流水槽實驗研究大氣流動問題時，通常采用鹽水密度梯度來反應(yīng)實際層結(jié)大氣中的溫度梯度，這與均勻流體的主要區(qū)別在于密度或熵的非均勻性。由于密度和的非均勻性在分層流體中主要產(chǎn)生慣性效應(yīng)和浮力效應(yīng)，這與實際溫度層結(jié)大氣流動過程出現(xiàn)的物理特征是完全一致的，這一研究特點在以往多項研究工作中得到證實[5]。因此可以根據(jù)分層流鹽水中擴散運動模擬實際層結(jié)大氣流動。

水和空氣的運動特性相差巨大，水的密度是空氣的800 多倍，動力黏性系數(shù)50 多倍，要保證水槽模擬實際大氣流動現(xiàn)象的相似，必須在滿足幾何相似的前提下，保證兩個系統(tǒng)中無量綱相似準則數(shù)相等。實現(xiàn)相似準則的方法是從流體力學基本方程組出發(fā)，選取適當?shù)奶卣髁繉⒖刂品匠探M無量綱化后，可以推導得到層結(jié)大氣流動動力學相似準則數(shù)（Re，F(xiàn)r，Pr，Ro）[6]。理論上，只有當這4 個相似準則數(shù)在兩個系統(tǒng)中完全相等時，水槽模擬層結(jié)大氣流動現(xiàn)象才相似。但是，水槽實驗中一般只能做到“部分相似”，表1 為上述4 個相似準則數(shù)在水槽中所能達到的數(shù)量級與實際層結(jié)大氣中的數(shù)量級比較。研究一種具體問題時，并非所有的相似準則數(shù)都同等重要，必須根據(jù)各個相似準則的物理意義，并結(jié)合具體研究的內(nèi)容，討論相似準則數(shù)的選取。在鹽水分層流水槽模擬層結(jié)大氣流動的實驗中，重點需要保證Fr 的相似，以體現(xiàn)大氣浮力的影響，其他相似準則數(shù)可放寬要求[7]。

表1 實際層結(jié)大氣的準則數(shù)與水槽模擬中的數(shù)量級比較

2 密度分層流水槽實驗方法

2.1 水槽內(nèi)線性密度分層的實現(xiàn)方法

采用鹽水分層流水槽實驗?zāi)M穩(wěn)定層結(jié)大氣流動時，首先需要制備線性密度分層的鹽水。早期通常采用多層不同濃度鹽溶液擴散的方法得到線性密度分層鹽水，將整個分層設(shè)計為若干均勻?qū)?，然后通過分子擴散以達到預先設(shè)置的密度剖面。北京大學湍流與復雜系統(tǒng)研究國家重點實驗室[8]的分層流水槽就是通過這種多層不同濃度鹽水靜置擴散所得，配置所需的鹽水密度剖面通常需要10 h 以上。采用多層不同濃度鹽溶液擴散的方法得到鹽水密度線性分層往往得不到預先設(shè)置的密度剖面，而且制取分層密度鹽水的時間過長，因此具有一定的實驗局限性。Oster[9]設(shè)計的“雙缸法”能一次性獲得鹽水線性分層，無需靜置通過分子擴散獲得分層。圖1 為“Oster 雙缸法”示意圖。

圖1 “Oster 雙缸法”示意圖

“Oster 雙缸法”需要2 個尺寸相同的水箱以及一個實驗水槽，2 個水箱分別裝有相同體積，但不同密度ρA和ρB（ρA>ρB）的鹽水。2 個水箱處于相同高度，水箱底部相連通形成連通器。在制備線性密度分層流體的時候，水箱B 中鹽水以流量QB注入到實驗水槽的底部，此時水箱B 中的水量減少，底部壓強變小，在大氣壓力的作用下鹽水箱A 中的鹽水會以流量QA流入混合水箱中。可以近似認為2 個水箱中的液面時刻處于相同的高度，則可以得到。隨著水箱A 中高密度鹽水不斷流入水箱B 中，經(jīng)計算當時，水箱B 中的鹽水密度隨時間呈線性形式遞增。由于水箱B 中鹽水是通過實驗水槽的底部注入到實驗水槽中，因此實驗水槽中鹽水密度隨高度會減下。當實驗水槽的截面形狀保持不變時，經(jīng)過計算可得到實驗水槽中的鹽水的密度隨深度線性遞增?！癘ster 雙缸法”廣泛應(yīng)用在鹽水分層流水槽中層結(jié)鹽水的制備[3、22-25]。

2.2 水槽內(nèi)流動顯示方法

流動顯示方法是在流體中加入可視粒子，當流場運動或變化時，可視粒子隨同流場運動，通過目視，照相或者其它探測手段能對流場的分布結(jié)構(gòu)和運動狀態(tài)進行有效觀測，便于流場的結(jié)構(gòu)分析和狀態(tài)研究。劉可器[8]和宣捷[10]介紹了分層流水槽流動的顯示方法。在水槽中常用的流動顯示主要有彩液示蹤法，激光誘導熒光法，PIV 等方法。

1）彩液示蹤法。彩液示蹤法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于拖曳水槽研究污染物擴散實驗的流動顯示中[10，29，32，33]，在水槽注入外加的彩色液體，可以認為彩色液體的運動代表大氣污染物的擴散運動，可以清楚的觀察到污染物在不同大氣狀態(tài)下的擴散特性。釋放彩液時，彩液本身的發(fā)散應(yīng)盡可能小，否則會影響示蹤效果，釋放出的彩液除必須滿足相似條件外，要求所配制的彩液密度必須與出口處環(huán)境介質(zhì)的密度相同，以避免人為地造成彩液釋放后的上浮或下沉，造成流型失真。釋放彩液應(yīng)與該處的速度方向一致，以避免垂直動量對流場的干擾[10]。

2）激光誘導熒光法。激光誘導熒光法是將熒光染料注入水槽中，在激光的照射下熒光可發(fā)出一定波長的可見光，可以清楚的顯示流動現(xiàn)象，并且可以通過光學技術(shù)處理熒光強度可以定量分析流動特性。該方法具有定量獲取瞬時全場濃度信息、捕捉微小湍流結(jié)構(gòu)、可視化顯示流場內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。吳昊坤[3]將激光熒光誘導技術(shù)運用在鹽水分層流拖曳水槽中，定量分析了不同大氣層結(jié)條件下，單體建筑污染物擴散的濃度分布。

3）PIV 技術(shù)。PIV 稱為粒子圖像測速法，PIV 可測量和顯示流場的整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)場的變化，它是利用圖像處理技術(shù)發(fā)展起來的一種新的光學測量技術(shù)，既具備單點測量技術(shù)的精度和分辨率，又能獲得平面流場顯示的整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)圖像[5]。在研究空氣動力學問題的水槽實驗中，水槽內(nèi)流動速度較小，粒子很容易撒播，在水槽中很方便實現(xiàn)PIV 光學測量技術(shù)。

3 分層流水槽的實驗研究現(xiàn)狀

3.1 熱力對流方面的研究

密度分層流水槽實驗最初用來研究平坦地形下墊面對流邊界層特征，其中最著名是Deardorff 等人[11-13]的對流水槽實驗，他們最早在水槽內(nèi)利用熱對流的方法研究野外觀測實驗中大氣邊界層的特性。在此基礎(chǔ)上，我國學者袁仁民[14-16]采用溫度分層水槽對對流邊界層的發(fā)展做了大量的研究，不僅總結(jié)了一系列關(guān)于水槽內(nèi)溫度場、邊界層高度、速度場等的測量方法，而且在對流邊界層的湍流結(jié)構(gòu)以及熱泡結(jié)構(gòu)等方面得到了一系列結(jié)論。

密度分層流對流水槽也運用在靜風下中尺度局地熱力環(huán)流的研究中。Fernando[17]采用鹽水密度分層流水槽對城市熱島環(huán)流進行了實驗研究，實驗結(jié)果與實地測量對比發(fā)現(xiàn)，密度分層鹽水能很好的模擬實際大氣中溫度分層的城市熱島環(huán)流。桑建國[18]采用加熱水槽底部的方式模擬了香港九龍地區(qū)地面熱源作用下的城市熱島環(huán)流特性，采用可視化手段對不同層結(jié)大氣的環(huán)流特征做了直觀的流動顯示。香港大學Fan[19-20]利用鹽水層結(jié)對穩(wěn)定層結(jié)下的城市熱島進行了水槽實驗，采用粒子成像測速（PIV）對城市熱島環(huán)流發(fā)展特征進行了可視化研究，分析了不同城市形態(tài)的城市熱島環(huán)流特征，同時對多個城市之間的熱島環(huán)流流場特性進行了研究。梁彬等人[21-22]采用拖曳水槽對非對稱山谷谷底加熱引起的局地熱力環(huán)流進行了流場研究，分析了局地環(huán)流與大尺度天氣風共同作用下的山谷內(nèi)流場的基本特征。梁彬等人[23]采用分層流水槽研究了海陸風強度與內(nèi)邊界層之間的關(guān)系。Reuten[24]采用密度分層流水槽實驗研究了山谷地形日間太陽輻射不均引起的上坡風流動特征，分析了上坡風流動邊界層結(jié)構(gòu)及其對山谷內(nèi)空氣污染輸送的影響，研究發(fā)現(xiàn)上坡風會將山谷內(nèi)污染物帶出山谷，但是又會被回流的下沉氣流帶回谷內(nèi)。

劉輝志等人[25-26]首次利用鹽水分層流水槽實驗研究了溫度梯度存在時城市街谷的流場特性，利用PIV技術(shù)觀測了流場的基本結(jié)構(gòu)，證實了近地層大氣層結(jié)對街谷流場結(jié)構(gòu)有明顯影響。Jiang[27]采用數(shù)值模擬和水槽實驗相結(jié)合的方法研究了兩類不同形態(tài)比街谷的污染物擴散特性，在水槽內(nèi)采用彩液示蹤法對污染物在街谷內(nèi)的擴散做了直觀的研究，并通過數(shù)值模擬分析了街谷的流場特征。

3.2 大氣污染物擴散方面的研究

由于穩(wěn)定層結(jié)對大氣的對流發(fā)展具有抑制作用，因此研究大氣污染物在穩(wěn)定層結(jié)下的擴散有十分重要的意義。國外對污染物在層結(jié)大氣下的擴散實驗研究比較著名的是澳大利亞大氣研究分部（這是一個啥）用于對流邊界層污染擴散的鹽水槽實驗。Hibberd[28]對此進行了詳細描述，并研究了不同對流邊界層的擴散機制。

從上世紀八十年代起，我國學者張伯寅教授[29-33]就在拖曳水槽中采用鹽水密度分層模擬不同大氣層結(jié)，通過彩液示蹤法對大氣污染物在復雜地形下的擴散做了可視化研究。通過對比水槽實驗彩液示蹤結(jié)果與實際大氣中測量得到污染物擴散數(shù)據(jù)，水槽實驗?zāi)M污染物在不同層結(jié)大氣下擴散的可靠性得到了驗證。后來，張伯寅[34]對大亞灣地區(qū)進行污染物擴散模擬實驗時，利用煙流擴散投影值灰度的變化進行定量化測量，分析了污染物濃度場的擴散規(guī)律，并輔以數(shù)值模擬對水槽模擬的趨勢性結(jié)果進行了驗證。

梁彬等人[35]采用拖曳水槽對實際香港銅鑼灣地區(qū)的大氣污染物在不同風場下的擴散做了可視化研究，分析了不同大氣層結(jié)下和不同風場下污染物擴散范圍。謝東[36-37]利用水槽內(nèi)鹽水溶液在水中的擴散研究了鈾礦通風尾氣核素大氣擴散特性，揭示了鈾礦通風尾氣核素大氣遷移擴散和濃度分布規(guī)律，并將數(shù)值模擬得到的結(jié)果與水槽實驗的結(jié)果得到的濃度場進行了對比分析，結(jié)果表明拖曳鹽水水槽實驗可以廣泛應(yīng)用到煙囪、礦山等污染擴散問題。朱鳳榮[38]對銷毀工程廠區(qū)在復雜地形的煙氣擴散地形進行了水槽模擬研究，分析了不同大氣層結(jié)下的煙氣擴散規(guī)律。秦頌[39]、蒯念生[40]、鄭遠攀[41]等人采用鹽水分層流水槽對重氣擴散進行了模擬研究，研究結(jié)果表明鹽水分層流水槽可以運用到重氣擴散的研究中。

吳昊坤[3]在拖曳水槽中首次利用平面激光誘導熒光技術(shù)，建立了適用于大氣擴散濃度場定量化測量方法，并初步運用于單體建筑物附近的污染物擴散研究。實驗結(jié)果表明，該方法能夠模擬不同層結(jié)下大氣污染物擴散的濃度場。

4 分層流水槽實驗存在不足

從已有的研究成果來看，密度分層流水槽實驗擁有在實驗室條件下，對實際穩(wěn)定層結(jié)大氣風環(huán)境進行研究的優(yōu)勢，但是不可忽視的是此方法同樣存在一些不足之處。首先是相似性，密度分層流水槽實驗是以相似理論為基礎(chǔ)的室內(nèi)縮尺實驗，在相似準則數(shù)的選取中，通常無法滿足所有相似準則數(shù)都接近真實大氣，而是選取對實驗結(jié)果影響相對較大的Fr 數(shù)作為相似的判斷依據(jù)。但是其它相似準則數(shù)會對實驗結(jié)果造成一定程度的影響，例如當研究區(qū)域足夠大時，若不考慮因地球自轉(zhuǎn)造成的科氏力而出現(xiàn)的Ro 數(shù)，實驗結(jié)果將與實際大氣存在較大差異。其次是實驗過程中邊界條件的創(chuàng)造，在目前密度分層流水槽實驗中，無論是熱力邊界條件還是動力邊界條件都與實際大氣有一定差異。由于實際大氣環(huán)境中太陽輻射造成的熱力邊界條件不斷變化，而在水槽實驗中熱力邊界條件通常保持不變。在動力邊界條件上，實際大氣中的風速與高度有一定關(guān)系，而在水槽中通常用拖車來拖動模型模擬大氣風場，風速隨高度保持不變，這些都會造成水槽實驗結(jié)果與實際大氣存在一定差異。

5 結(jié)論與展望

密度分層流體水槽實驗是模擬層結(jié)大氣流動的重要研究手段，本文結(jié)合相關(guān)文獻對密度分層流體水槽實驗的實驗原理，密度分層的營造和流場可視化技術(shù)以及研究現(xiàn)狀等方面進行了系統(tǒng)的總結(jié)梳理，主要結(jié)論如下：

1）密度分層流水槽實驗的基本原理是利用鹽水密度或熵的非均勻性在分層流體中產(chǎn)生慣性效應(yīng)和浮力效應(yīng)，以體現(xiàn)大氣溫度梯度中的浮力作用的影響。在分層流水槽實驗研究穩(wěn)定層結(jié)大氣流動相似準則數(shù)選取中，F(xiàn)r 數(shù)通常是實驗必須考慮的相似準則數(shù)。

2）目前密度分層流水槽主要運用于熱力作用下的大氣對流和動力作用下的層結(jié)大氣污染物擴散兩方面的實驗研究中。在涉及到存在溫度梯度的對流流動中，鹽水分層流水槽實驗具有獨特的優(yōu)勢。從早期的主要針對大氣對流邊界層的發(fā)展研究，逐漸發(fā)展到用于中尺度局地熱力環(huán)流以及小尺度城市街谷熱力作用的對流中。密度分層流水槽實驗?zāi)芎芎玫脑佻F(xiàn)復雜地形下大氣污染物擴散現(xiàn)象，同時結(jié)合相關(guān)可視化技術(shù)，分層流水槽實驗可以定量得到層結(jié)大氣中污染物擴散的濃度場。

近年來，隨著城市化進展的不斷推進，源自燃煤、工業(yè)、機動車，揚塵等方面的大氣污染物已經(jīng)逐漸超過了環(huán)境容量，霧霾問題正變得日益嚴重，尤其是在靜穩(wěn)天氣狀況頻發(fā)的冬季。當大尺度的氣象風缺失時，探究如何合理有效地利用自然熱壓驅(qū)動所形成的中尺度局地環(huán)流（諸如城市熱島環(huán)流，海-陸風，湖-陸風，山谷風等）對城市進行通風，對未來城市的規(guī)劃發(fā)展有著重要的指導意義。從目前的研究成果看來，密度分層流水槽實驗在穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)下的大氣對流和污染物的擴散研究中有獨特的優(yōu)勢，未來可以更多地將密度分層流水槽實驗運用在城市通風領(lǐng)域上。