中性與穩(wěn)定層結(jié)條件下建筑物周圍流場(chǎng)與污染物擴(kuò)散的風(fēng)洞模擬研究

李云鵬，張俊芳，李若潔，李 煜，姚仁太

(中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006)

污染物通過(guò)建筑物頂部通風(fēng)管或煙囪進(jìn)入大氣環(huán)境中，建筑物形狀、風(fēng)速、溫度層結(jié)等因素都會(huì)影響污染物流動(dòng)和擴(kuò)散規(guī)律。其中，溫度層結(jié)是一個(gè)重要的因素，其會(huì)影響大氣邊界層的厚度、結(jié)構(gòu)以及邊界層內(nèi)的風(fēng)、溫和湍流強(qiáng)度廓線[1]。根據(jù)我國(guó)已建和擬建核電廠址的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，濱海核電廠址有32%～58%(根據(jù)ΔT～u分類法)的時(shí)間出現(xiàn)非中性大氣層結(jié)，一些內(nèi)陸核電廠址該比例高達(dá)63%～73%.因此，有必要研究溫度層結(jié)對(duì)大氣流動(dòng)和污染物擴(kuò)散的影響。

國(guó)外關(guān)于建筑物周圍流場(chǎng)與污染物擴(kuò)散研究大多是在中性層結(jié)條件下開展的，結(jié)果表明，建筑物尖銳邊緣會(huì)導(dǎo)致污染物濃度降低[2]；建筑物頂部回流區(qū)污染物濃度隨著煙囪高度或釋放速率的升高而降低[3]。只有部分學(xué)者研究了溫度層結(jié)對(duì)建筑物尾流區(qū)污染物擴(kuò)散的影響。KOTHARI et al[4]，HIGSONE et al[5]以及MAVROIDIS et al[6]研究了不同溫度層結(jié)條件下建筑物尾流區(qū)的污染物擴(kuò)散。UEHARA et al[7]研究了溫度層結(jié)對(duì)城市街區(qū)峽谷中污染物流動(dòng)和擴(kuò)散的影響。YASSIN et al[8]模擬了不同溫度層結(jié)條件下對(duì)建筑物周圍流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的影響，但只研究了下風(fēng)向1.5倍建筑物高度距離處的規(guī)律。MARUCCI et al[9]通過(guò)風(fēng)洞在壁面加熱的基礎(chǔ)上研究了穩(wěn)定邊界層對(duì)二維街道峽谷中污染物流動(dòng)與擴(kuò)散的影響。在我國(guó)，一些學(xué)者已在中性層結(jié)下對(duì)建筑物或建筑物群周圍的流場(chǎng)與污染物擴(kuò)散問(wèn)題開展相關(guān)研究[10-11]，結(jié)果表明，建筑物和建筑物群對(duì)污染物擴(kuò)散的影響非常復(fù)雜，這種影響與建筑物幾何形狀、來(lái)流方向、煙囪高度以及邊界層流動(dòng)的性質(zhì)和尺度密切相關(guān)。然而，這些研究均處于中性層結(jié)條件下。

本研究參照核電站主要建筑物，以方形建筑物為研究對(duì)象，圍繞中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下建筑物周圍流場(chǎng)與污染物擴(kuò)散的風(fēng)洞模擬展開研究，建立了穩(wěn)定層結(jié)風(fēng)洞模擬方法，摸索出穩(wěn)定層結(jié)模擬技術(shù)，彌補(bǔ)了我國(guó)在溫度層結(jié)條件下污染物大氣擴(kuò)散風(fēng)洞模擬方面的欠缺，為今后深入開展不同溫度層結(jié)條件下，復(fù)雜地形、復(fù)雜建筑物對(duì)流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散影響規(guī)律研究奠定基礎(chǔ)。

1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M

1.1 大氣環(huán)境風(fēng)洞及模型

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)輻射防護(hù)研究院大氣邊界層1號(hào)風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞為直流下吹式。風(fēng)洞洞體全長(zhǎng)36 m，試驗(yàn)段長(zhǎng)17 m，寬1.5 m，高1 m.試驗(yàn)段風(fēng)速范圍為0.2～20.0 m/s，通過(guò)在試驗(yàn)段入口調(diào)節(jié)尖劈、粗糙元分布和溫度層結(jié)模擬系統(tǒng)模擬中性和非中性大氣邊界層流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中選用模型長(zhǎng)、寬、高(H)均為150 mm的立方體建筑物。

為模擬溫度層結(jié)，風(fēng)洞配有溫度層結(jié)模擬系統(tǒng)，它可控制風(fēng)洞內(nèi)部氣流溫度變化，形成溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)大氣理查遜數(shù)和大氣邊界層的模擬。溫度層結(jié)模擬系統(tǒng)主要由來(lái)流溫度控制系統(tǒng)、溫度車和下均溫板三部分組成。來(lái)流溫度控制系統(tǒng)能夠使得進(jìn)入風(fēng)洞內(nèi)部的氣流處于同一溫度，減少外部氣流溫度不均對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，溫度控制范圍為4～10 ℃.溫度車可以分層調(diào)節(jié)氣流溫度，溫度調(diào)節(jié)范圍為10～85 ℃，以模擬溫度層結(jié)流動(dòng)。下均溫板可進(jìn)行加熱和冷卻，溫度調(diào)節(jié)范圍是10～90 ℃，用來(lái)模擬水陸交界面的流動(dòng)。

1.2 相似準(zhǔn)則

根據(jù)相似理論，兩個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)相似必須滿足一套確定的相似準(zhǔn)則，除要求模型與原型之間實(shí)現(xiàn)幾何相似外，還要求運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似以及邊界條件相似。

中性大氣邊界層通過(guò)3個(gè)79 cm高的尖劈和兩種粗糙元(7.5 cm×6 cm×4.5 cm和3 cm×3 cm×2 cm)生成，中性條件下風(fēng)廓線冪指數(shù)為0.15，0.04 m高度處湍流強(qiáng)度為0.14，0.4 m高度處湍流強(qiáng)度為0.075.穩(wěn)定層結(jié)條件下尖劈和粗糙元的排列與中性一致。實(shí)驗(yàn)中采用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)詳見表1.中性和穩(wěn)定條件下的來(lái)流風(fēng)速廓線、溫度廓線、湍流強(qiáng)度廓線見圖1.

表1 中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下主要參數(shù)Table 1 Main parameters under neutral and stable stratifications

圖1 中性和穩(wěn)定條件下的風(fēng)速廓線、湍流強(qiáng)度廓線、溫度廓線Fig.1 Velocity profile, turbulence intensity profile, and tem- perature profile under neutral and stable stratifications

1.3 流場(chǎng)與濃度測(cè)量

實(shí)驗(yàn)中，利用熱線風(fēng)速儀二維熱絲探頭(X型)與一維冷絲探頭進(jìn)行速度剖面、溫度及湍流特性的測(cè)量，采樣頻率1 kHz，采樣時(shí)長(zhǎng)16 s.見圖2，定量研究不同層結(jié)與建筑物對(duì)流動(dòng)的影響。

圖2 流場(chǎng)和溫度場(chǎng)測(cè)量示意圖Fig.2 Flow field and temperature field measurement diagram

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M污染源在立方體建筑物頂部，來(lái)流與建筑物迎風(fēng)側(cè)呈90°時(shí)污染物的擴(kuò)散規(guī)律，污染源釋放高度為165 mm(1.1H)，釋放源內(nèi)徑4 mm，外徑6 mm，污染源、建筑物與來(lái)流的相對(duì)關(guān)系見圖3.選用CO為示蹤氣體，釋放速率為建筑物高度處風(fēng)速的85%，用同步自動(dòng)化示蹤采樣測(cè)量系統(tǒng)分析樣品CO濃度，采樣時(shí)長(zhǎng)為120 s.

圖3 污染源、建筑物與來(lái)流的相對(duì)關(guān)系Fig.3 Relative relationship between pollution source, building and incoming flow

2 結(jié)果分析與比較

2.1 流場(chǎng)結(jié)果分析

本文主要研究中性與穩(wěn)定層結(jié)下立方體建筑物周圍流場(chǎng)與污染物擴(kuò)散規(guī)律，分別在沿建筑物中心線x/H=1/3，1.0，2.0，3.0，4.0，6.0和8.0七個(gè)不同位置進(jìn)行流場(chǎng)特征的研究。采用歸一化速度消除不同模擬風(fēng)速引起的建筑物對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響差異。歸一化縱向速度(u/vH)為局地縱向平均速度(u)與來(lái)流建筑物頂部縱向平均速度(vH)之比，歸一化垂向速度(w/vH)為局地垂向平均速度(w)與來(lái)流建筑物頂部縱向平均速度(vH)之比。下風(fēng)向不同距離處歸一化縱向速度、歸一化垂向速度、縱向湍流強(qiáng)度和垂向湍流強(qiáng)度比較結(jié)果見圖4-圖7.

圖4、圖5分別為中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下，下風(fēng)向不同距離處歸一化縱向和垂向速度廓線。由圖4可知，縱向速度在建筑物背風(fēng)向減小，當(dāng)x/H=1/3時(shí)，在01時(shí)，隨著下風(fēng)向距離的增加，氣流混合逐漸均勻，風(fēng)速逐漸恢復(fù)到來(lái)流狀態(tài)，但是大氣處于穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，風(fēng)速恢復(fù)相對(duì)較慢。由圖5可知，垂直速度廓線清楚地反映了流體的流動(dòng)。穩(wěn)定層結(jié)條件下，在建筑物近場(chǎng)，即x/H<1，垂向速度在z/H<0.8變化不明顯，略小于中性層結(jié)，在z/H>0.8的區(qū)域，穩(wěn)定層結(jié)下的垂向速度小于中性層結(jié)。隨著下風(fēng)向距離的增加(x/H>1)，受建筑物擾動(dòng)影響減弱，氣流恢復(fù)來(lái)流狀態(tài)。

圖6、圖7分別為中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下，下風(fēng)向不同距離處縱向和垂向湍流強(qiáng)度廓線?？梢钥闯觯跓焽韪浇纳喜?，即x/H=1/3，觀察到縱向和垂向湍流強(qiáng)度的峰值，z/H=1.2附近處，中性和穩(wěn)定條件下出現(xiàn)了最大湍流強(qiáng)度，最大縱向湍流強(qiáng)度分別為0.30和0.25，最大垂向湍流強(qiáng)度分別為0.13和0.10.在x/H<1時(shí)，垂向湍流強(qiáng)度和縱向湍流強(qiáng)度在00.8的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)大氣處于穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，垂向湍流強(qiáng)度和縱向湍流強(qiáng)度的變化顯著低于中性層結(jié)。當(dāng)x/H>1時(shí)，穩(wěn)定層結(jié)下縱向湍流強(qiáng)度和垂向湍流強(qiáng)度均小于中性條件。主要原因是由于大氣處于穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，垂直方向大氣的溫度梯度處于逆溫狀態(tài)，抑制了大氣在垂直方向上的湍流運(yùn)動(dòng)，從而湍流強(qiáng)度減小，并且湍流強(qiáng)度的變化對(duì)流場(chǎng)與濃度場(chǎng)的影響較大。

圖4 中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下，下風(fēng)向不同距離處歸一化縱向速度廓線Fig.4 Normalized longitudinal velocity profiles at different downwind distances under neutral and stable stratification

圖5 中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下，下風(fēng)向不同距離處歸一化垂向速度廓線Fig.5 Normalized vertical velocity profiles at different downwind distances under neutral and stable stratification

圖6 中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下，下風(fēng)向不同距離處縱向湍流強(qiáng)度廓線Fig.6 Longitudinal turbulent intensity profile at different downwind distances under neutral and stable stratification

圖7 中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下，下風(fēng)向不同距離處垂向湍流強(qiáng)度廓線Fig.7 Vertical turbulence intensity profile at different downwind distances under neutral and stable stratifications

綜合分析表明，建筑物對(duì)中性和穩(wěn)定條件下流場(chǎng)的影響規(guī)律是一致的，都會(huì)引起建筑物背風(fēng)向風(fēng)速減小，湍流增大，隨著下風(fēng)向距離的增加，建筑物的影響減小，風(fēng)速廓線、湍流強(qiáng)度趨近于來(lái)流狀況。相比于中性層結(jié)，穩(wěn)定層結(jié)條件下會(huì)造成建筑物背風(fēng)向速度虧損增大，垂向湍流強(qiáng)度和縱向湍流強(qiáng)度減小。

2.2 濃度場(chǎng)結(jié)果分析

圖8為中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下，下風(fēng)向不同位置處中軸線上污染物擴(kuò)散的歸一化濃度垂直分布圖。由圖8可知，兩種層結(jié)條件下，建筑物下風(fēng)向均出現(xiàn)下洗現(xiàn)象，這主要是因?yàn)闊焽璧呐欧潘俣鹊陀谧杂闪魉俣??？拷ㄖ锏奈恢?x/H=1/3)，中性和穩(wěn)定條件下均在z/H=1.2高度處出現(xiàn)峰值，中性條件下最大歸一化濃度達(dá)到7，穩(wěn)定條件下歸一化濃度達(dá)到11.隨著下風(fēng)向距離的增加，峰值出現(xiàn)的高度下降。在x/H<1.0時(shí)，近地面(z/H<0.8)受建筑物產(chǎn)生的機(jī)械湍流影響，中性和穩(wěn)定條件下垂直方向下部歸一化濃度并沒有太大的差異，中部位置(0.81.0時(shí)，隨著下風(fēng)向距離的增加受建筑物產(chǎn)生的機(jī)械湍流影響逐漸減弱，層結(jié)產(chǎn)生的影響逐漸增加，垂直方向下部(z/H<0.8)穩(wěn)定條件下的歸一化濃度逐漸開始大于中性條件下的歸一化濃度。

圖8 中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下，下風(fēng)向不同位置處歸一化濃度隨高度(z/H)的變化Fig.8 Normalized concentration profiles at different downwind distances under neutral and stable stratification

圖9給出了中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下歸一化濃度的垂直剖面圖。從圖中可以看出，兩種條件下都出現(xiàn)下洗現(xiàn)象，穩(wěn)定層結(jié)下垂直方向上的擴(kuò)散范圍相對(duì)中性要窄，在下風(fēng)向較遠(yuǎn)的區(qū)域可以觀測(cè)到較高的污染物濃度。

圖9 中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下，歸一化濃度垂直剖面等值線圖Fig.9 Normalized concentration contour at the central plane under neutral and stable stratifications

圖10給出了中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下，地面場(chǎng)歸一化濃度等值線圖，可以看出，相較中性而言，穩(wěn)定層結(jié)地面污染物濃度較高，水平方向散布范圍變窄。造成這一現(xiàn)象的主要原因是穩(wěn)定層結(jié)抑制了垂直方向上的湍流混合以及湍流強(qiáng)度的減弱使得水平和垂直方向上的擴(kuò)散范圍較小。

圖10 中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下，地面場(chǎng)歸一化濃度等值線圖Fig.10 Normalized concentration contour on the ground under neutral and stable stratifications

圖11給出了中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下地面軸線歸一化濃度隨距離的變化。由圖中可以看出，中性層結(jié)條件下最大歸一化濃度出現(xiàn)在x/H=2/3處，K=0.52，穩(wěn)定層結(jié)條件下最大歸一化濃度出現(xiàn)在x/H=5處，K=0.85.相比中性層結(jié)條件下，穩(wěn)定層結(jié)最大濃度出現(xiàn)的距離變遠(yuǎn)，穩(wěn)定層結(jié)會(huì)使得軸線濃度升高，這正是由于穩(wěn)定層結(jié)對(duì)煙羽垂直擴(kuò)散的抑制造成的。

圖11 中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下，地面軸線歸一化濃度隨距離的變化Fig.11 Ground-level normalized concentrations along the central axis under neutral and stable stratifications

3 結(jié)論

本文在大氣邊界層風(fēng)洞中模擬了不同溫度層結(jié)下建筑物周圍流場(chǎng)與擴(kuò)散規(guī)律，研究結(jié)果表明：

1) 縱向速度在建筑物背風(fēng)向減小，當(dāng)大氣處于穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，速度虧損略大于中性層結(jié)條件?？v向和垂向湍流強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在靠近建筑物的位置(x/H=1/3，z/H=1.2)，穩(wěn)定層結(jié)下的湍流強(qiáng)度峰值小于中性層結(jié)下。在建筑物近區(qū)(x/H<1.0)時(shí)，近地面(z/H<0.8)垂向和縱向湍流強(qiáng)度變化不大，隨著下風(fēng)向距離的增加，穩(wěn)定層結(jié)下縱向和垂向湍流強(qiáng)度小于中性條件下。

2) 濃度的垂直分布清楚地表明建筑物下風(fēng)向出現(xiàn)下洗現(xiàn)象，最大歸一化濃度出現(xiàn)在x/H=1/3，z/H=1.2處，隨著下風(fēng)向距離的增加，濃度峰值出現(xiàn)高度下降，且相比于中性層結(jié)，穩(wěn)定層結(jié)濃度峰值較大，出現(xiàn)高度較低。由于穩(wěn)定層結(jié)抑制了垂直方向上的湍流混合以及湍流強(qiáng)度的減弱使得水平和垂直方向上的擴(kuò)散范圍較小，穩(wěn)定層結(jié)下污染物在垂直方向上的擴(kuò)散范圍相對(duì)中性要窄，地面污染物濃度較高，污染物濃度最大值出現(xiàn)位置較遠(yuǎn)。中性和穩(wěn)定層結(jié)下地面軸線污染物濃度最大的位置分別出現(xiàn)在x/H=2/3，x/H=5處，濃度值分別為K=0.52，K=0.85.