濱水小區(qū)內(nèi)氣流和顆粒物擴散的特性研究*

郭瓊瓊 文遠高# 唐 虎 夏雨琳 明廷臻 徐千芃

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢地鐵運營有限公司，湖北 武漢 430030)

顆粒物是大氣環(huán)境中組分復(fù)雜、危害較大的污染物之一，是造成霧霾的主要原因[1-3]。近年來，顆粒物不僅對大氣環(huán)境造成嚴重的污染，還對人體健康造成潛在威脅[4]。研究表明，氣象條件對污染物的擴散、稀釋和積累有一定的影響，在污染源一定的條件下，污染物濃度的大小主要取決于氣象條件[5-7]。相對濕度是影響顆粒物理化性質(zhì)的重要因素[8]，相對濕度的增加有利于顆粒物的粒徑增長和新顆粒物的形成，而新顆粒物的形成及增長可能導(dǎo)致顆粒物粒徑發(fā)生改變[9]。武漢市江河縱橫，湖泊眾多，雖然近年來水域面積日益減少，但2010年后湖泊水域面積基本趨于穩(wěn)定，總面積為856.27 km2[10]。為了提高居民生活質(zhì)量，美化生活環(huán)境，越來越多的住宅小區(qū)瀕臨水體建設(shè)，然而驟增的人員活動和道路車輛，在一定程度上影響濱江大道及濱水小區(qū)受污染的程度。

城市濱水區(qū)是城市中陸地和水體相連區(qū)域的總稱，由水體、水際線和陸地組成。自然水體或人工水體在實現(xiàn)自身生態(tài)功能的同時也改善了濱水區(qū)周圍的熱濕環(huán)境，特別是水氣擴散和溫度[11]。MARTNEZ ARROYO等[12]對兩個湖泊進行了為期兩年的生態(tài)學(xué)研究，分析了城市中河流和大氣之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)湖泊對周圍環(huán)境有降溫增濕的作用。楊凱等[13]的研究表明，水體能使周邊環(huán)境溫度降低1～3 ℃、相對濕度增加6%～14%，且水體面積越大，溫濕效應(yīng)越顯著。

以上學(xué)者在研究氣象因素對污染物擴散的影響時多以現(xiàn)場實測為主，且對水體的研究多集中于水體對周圍環(huán)境的降溫增濕作用，以真實城市濱水小區(qū)為模型的研究較少?；诖?，本研究采用FLUENT軟件對濱水小區(qū)開展氣流及顆粒物擴散特性進行研究。

1 濱水小區(qū)模型

1.1 幾何模型及邊界條件

本研究根據(jù)某濱水小區(qū)的幾何參數(shù)采用三維計算域構(gòu)建模型，由于建筑物對大氣流動和污染物擴散的影響，使得小區(qū)中污染形態(tài)的研究非常復(fù)雜，為提高效率，遵從適當(dāng)?shù)暮喕瓌t，選取尺寸均為20.0 m×10.0 m×30.0 m的6棟建筑物組成規(guī)模較小的模型，6棟建筑物左右間距20.0 m，前后間距30.0 m，距前列建筑物約38.5 m有一寬度為80.0 m的水面。根據(jù)建筑室外風(fēng)環(huán)境計算流體動力學(xué)(CFD)模擬技術(shù)指導(dǎo)[14]，假設(shè)目標建筑高度為H，則計算域入口距最近建筑物滿足5H，自由出流邊界距建筑物滿足15H，側(cè)邊邊界距建筑物滿足5H，地面距離計算域上邊界滿足6H，其平面計算域如圖1所示。根據(jù)SOLAZZO等[15]的研究，計算域入口采用速度入口邊界，側(cè)面和頂面采用對稱性邊界；考慮出口流動狀態(tài)充分發(fā)展，計算域出口為自由出流邊界；水面為質(zhì)量入口邊界，且假設(shè)湖面的蒸發(fā)量為定常；建筑物面和地面采用固體壁面邊界。

圖1 濱水小區(qū)模型平面計算域

基于以上原則，計算域尺寸為700.0 m×350.0 m×180.0 m。污染源為濱水小區(qū)外道路上來往車輛排放的細顆粒物，且采用體污染源形式，距離前列建筑物10.0 m，尺寸為0.5 m×50.0 m×0.5 m。另外，水陸交界處會形成水陸局部環(huán)流，即水陸風(fēng)，白天和晚上風(fēng)向正相反，為了突出研究水體對濱水小區(qū)內(nèi)氣流和顆粒物擴散的影響，將風(fēng)向設(shè)為從水體吹向陸地，風(fēng)速參考武漢市全年平均風(fēng)速(3 m/s)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

考慮到湍流應(yīng)變率的影響，采用YAKHOT等[16]提出的RNG K-ε湍流模型模擬濱水小區(qū)內(nèi)連續(xù)相氣流場，空氣按不可壓縮流體處理，具體求解控制方程參見文獻[17]。用歐拉方法描述空氣流場，對離散的顆粒物用拉格朗日方法追蹤其運動軌跡，顆粒物濃度分布采用對數(shù)正態(tài)分布法[18]。參考文獻[19]，對顆粒物相做如下假設(shè):(1)所有顆粒物相都為球形；(2)因為顆粒物相所占體積比值很小，所以不考慮顆粒物間的碰撞。

1.3 水體蒸發(fā)率的計算

自然水體蒸發(fā)的傳熱和傳質(zhì)機理主要有兩種：一是分子運動(擴散)帶來的傳熱和傳質(zhì)；二是水體表面的流體對流帶來的傳熱和傳質(zhì)。當(dāng)空氣與水面接觸時，在貼近水表面處存在一個飽和空氣邊界層，在邊界層周圍，水蒸氣分子做不規(guī)則運動，一部分水分子進入邊界層中，同時也有一部分水蒸氣離開邊界層進入空氣中，當(dāng)由飽和空氣層進入空氣中的水分子多于由空氣進入飽和空氣層中的水分子時，就會發(fā)生水分蒸發(fā)現(xiàn)象[20]。本研究采用SARTORI[21]提出的自由水面蒸發(fā)公式來計算水面蒸發(fā)率。

1.4 顆粒物源強的計算

細顆粒物對人體健康和環(huán)境質(zhì)量的影響更大，所以假定污染源來自于濱水小區(qū)外道路上來往車輛排放的細顆粒物，粒徑取1.0 μm，顆粒物源強的計算公式為：

(1)

式中：Q為單位時間、單位長度道路上汽車排放顆粒物的源強，kg/(s·km)；n為車流量，輛/h；E為車輛排放顆粒物的排放因子，g/(輛·km)。

參考文獻[22]，本研究E取0.02 g/(輛·km)，n取高峰時段平均車流量500輛/h，計算得到Q=3×10-6kg/(s·km)。

2 結(jié)果與分析

2.1 相對濕度對氣流場的作用與影響

城市水體蒸發(fā)的水蒸氣擴散到空氣中，使空氣密度減小，同時伴隨蒸發(fā)過程的氣化潛熱使空氣溫度降低，大氣壓力發(fā)生變化，所以在濕度的影響下，大氣流場會發(fā)生變化，從而影響顆粒物的濃度分布。為了說明空氣中水蒸氣含量的增加對氣流場的影響，在不改變風(fēng)速的條件下，計算得到不同相對濕度下水蒸氣質(zhì)量分數(shù)和水體蒸發(fā)率，結(jié)果見表1。

表1 不同相對濕度下水蒸氣質(zhì)量分數(shù)和水體蒸發(fā)率

圖2為不同相對濕度下，穩(wěn)態(tài)時污染源高度(0.5 m)處大氣的水蒸氣擴散分布情況。由圖2可見，水蒸氣在風(fēng)向作用下不斷擴散，下風(fēng)向處質(zhì)量分數(shù)越來越小，且隨著相對濕度越來越大，小區(qū)流場內(nèi)水蒸氣的質(zhì)量分數(shù)也越來越大，但其增大的幅度逐漸減小。從圖2還可明顯看出，當(dāng)相對濕度較高時，小區(qū)橫向主通道內(nèi)的水蒸氣質(zhì)量分數(shù)較高，可在一定程度上提高人們對小區(qū)內(nèi)熱濕環(huán)境的滿意程度。張培紅等[23]研究發(fā)現(xiàn)，水體對小區(qū)內(nèi)熱濕環(huán)境的影響不容忽略，水體從溫度、相對濕度等方面改善小區(qū)熱濕環(huán)境，從而提高小區(qū)的熱舒適度。

圖2 不同相對濕度下0.5 m高度處大氣的水蒸氣擴散分布

2.2 相對濕度對顆粒物質(zhì)量濃度的影響

大量研究指出，相對濕度對顆粒物質(zhì)量濃度有一定的影響[24-25]。其中，崔術(shù)祥[26]認為相對濕度為65%時顆粒物間會發(fā)生凝并現(xiàn)象，但凝并生成的大顆粒結(jié)構(gòu)松散且不緊密；相對濕度為80%時顆粒物間發(fā)生明顯的凝并現(xiàn)象，且生成的大顆粒結(jié)構(gòu)緊密。本研究在不考慮顆粒物凝并的情況下，研究相對濕度≤70%時對顆粒物質(zhì)量濃度的影響。通過模擬計算得到在不同相對濕度下，3個典型截面(截面1～3)在人呼吸高度處(1.5 m)的顆粒物質(zhì)量濃度，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，在相對濕度≤70%時，顆粒物質(zhì)量濃度與相對濕度呈正比關(guān)系，這與楊志文等[27]和閻蕾等[28]的現(xiàn)場實測結(jié)果一致。這種現(xiàn)象可以解釋為，當(dāng)相對濕度較低時，顆粒物擴散速率較快，不容易積聚，而當(dāng)相對濕度增加時，空氣黏度增大，致使顆粒物擴散速率減慢，最后聚集造成質(zhì)量濃度增大。

圖3 典型截面在1.5 m高度處的顆粒物質(zhì)量濃度

2.3 濱水小區(qū)內(nèi)水蒸氣擴散特性

據(jù)統(tǒng)計，武漢市全年平均相對濕度為70%，假設(shè)水面蒸發(fā)為定常狀態(tài)，取表1中相對濕度為70%對應(yīng)的水面蒸發(fā)率為水面的定常蒸發(fā)率，即0.065 3 kg/(m2·s)。在西風(fēng)風(fēng)向的作用下， 0.5 m高度以及截面3的水蒸氣在不同時刻的擴散情況分別見圖4、圖5。

從圖4可看出，隨著時間的推移，在西風(fēng)風(fēng)向作用下水蒸氣向下風(fēng)向不斷擴散移動，擴散區(qū)域越來越大，建筑物周圍及橫向主通道內(nèi)水蒸氣的含量越來越高。由于風(fēng)的衰減性和地面的黏滯性，下風(fēng)向處水蒸氣的質(zhì)量分數(shù)較上風(fēng)向處低。受建筑物的阻擋作用，水蒸氣在前列建筑物兩側(cè)發(fā)生繞流，主要在小區(qū)兩側(cè)和橫向主通道內(nèi)擴散移動，但擴散到濱水小區(qū)豎向主通道內(nèi)的水蒸氣量相對較少。

圖4 0.5 m高度處在不同時刻的水蒸氣擴散

由圖5可知，在20 s時截面3的水蒸氣主要在水平方向上擴散，而在豎直方向上最高只擴散到10 m左右；60 s時第1豎向主通道內(nèi)的水蒸氣在豎直方向上有較為明顯的擴散，擴散高度約為20 m，100 s時最高擴散到35 m左右；由于建筑物的阻擋，第3列建筑物背風(fēng)側(cè)水蒸氣最高擴散到21 m左右。整體來說，水蒸氣在水平方向上的擴散速率比豎直方向上快。

2.4 濱水小區(qū)內(nèi)顆粒物擴散特性

為了突出水體對濱水小區(qū)內(nèi)顆粒物擴散的影響，設(shè)計污染源及建筑物參數(shù)相同的非濱水小區(qū)進行顆粒物的擴散對比分析。為便于比較，取相對濕度為70%、20 s時濱水小區(qū)和非濱水小區(qū)1.5 m高度處的顆粒物擴散情況進行模擬，結(jié)果如圖6所示。在非濱水小區(qū)內(nèi)，顆粒物主要集中于第1列建筑物的迎風(fēng)側(cè)處和橫向主通道內(nèi)，顆粒物質(zhì)量濃度較高；而在濱水小區(qū)內(nèi)，顆粒物在橫向主通道內(nèi)的擴散范圍較廣，小區(qū)兩側(cè)的顆粒物質(zhì)量濃度較非濱水小區(qū)兩側(cè)的高，橫向主通道內(nèi)的顆粒物質(zhì)量濃度較非濱水小區(qū)內(nèi)的低。整體來說，非濱水小區(qū)體污染源與第1列建筑之間的顆粒物濃度大于濱水小區(qū)。

圖5 截面3在不同時刻水蒸氣擴散

圖6 20 s時濱水小區(qū)和非濱水小區(qū)在1.5 m高度處的顆粒物擴散情況

此外，根據(jù)模擬結(jié)果，非濱水小區(qū)在20、60、100 s時顆粒物質(zhì)量濃度的最大值分別為1.01×10-8、9.55×10-9、1.14×10-8kg/m3，均大于相同時刻下濱水小區(qū)內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度的最大值(5.68×10-9、7.47×10-9、6.84×10-9kg/m3)，造成這種現(xiàn)象的原因可能是濱水小區(qū)水體表面蒸發(fā)不斷進行，大氣中水蒸氣的含量越來越多，過多的水氣附著在顆粒物表面使其重力增加，發(fā)生沉降現(xiàn)象，從而使大氣中顆粒物濃度降低。

綜上所述，水體不僅對小區(qū)周圍環(huán)境有降溫增濕的作用，而且還可以有效降低小區(qū)內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度，促進顆粒物擴散。

3 結(jié) 論

采用FLUENT軟件對濱水小區(qū)內(nèi)的氣流和顆粒物擴散特性進行分析，結(jié)論表明：(1) 隨著相對濕度越來越大，小區(qū)流場內(nèi)水蒸氣的質(zhì)量分數(shù)也越來越大，但其增大的幅度逐漸減小；(2)不考慮顆粒物間的凝并情況，顆粒物質(zhì)量濃度與相對濕度呈正比關(guān)系；(3)隨著時間的推移，在風(fēng)向作用下水蒸氣沿著下風(fēng)向不斷擴散移動，擴散區(qū)域越來越大，建筑物周圍及橫向主通道內(nèi)水蒸氣的含量越來越高，且由于風(fēng)的衰減性和地面的黏滯性，下風(fēng)向處水蒸氣的質(zhì)量分數(shù)較上風(fēng)向處低；(4)水蒸氣在水平方向上的擴散速率大于豎直方向上的擴散速率；(5)濱水小區(qū)的水體不僅對小區(qū)有降溫增濕的作用，而且還能有效降低小區(qū)內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度，促進顆粒物擴散，改善小區(qū)內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。