不同溫度層結(jié)城市街區(qū)內(nèi)氣流與污染物擴(kuò)散的數(shù)值模擬研究

史學(xué)峰，郭棟鵬，王 冉，姚仁太

(1. 中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030002；2. 太原科技大學(xué)，太原 030024)

前 言

城市是人類工作和生活的聚居地，又是一個(gè)污染源密集的地區(qū)，城市區(qū)域污染問題日益突出，特別是有毒有害氣體的釋放對(duì)人體健康造成威脅，使得城市區(qū)域復(fù)雜下墊面的流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散問題越來越受到關(guān)注。目前，大氣污染物擴(kuò)散的風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬多數(shù)建立在中性層結(jié)下[1～5]，但是實(shí)際大氣并非如此，近地面層的大氣經(jīng)常在穩(wěn)定層結(jié)、不穩(wěn)定層結(jié)以及中性層結(jié)之間變化，與中性層結(jié)下相比，溫度層結(jié)下研究街道峽谷污染物流動(dòng)與遷移的數(shù)值模擬研究較少[6～9]，城市地區(qū)，溫度層結(jié)主要是由白天在建筑表面或地面上直接產(chǎn)生的太陽輻射加熱附近的空氣引起的，從而影響城市街區(qū)內(nèi)污染物的流動(dòng)與擴(kuò)散。因此，為更加真實(shí)模擬城市街區(qū)內(nèi)大氣污染物擴(kuò)散情況以及對(duì)環(huán)境的影響，需要研究在不同溫度層結(jié)下的污染物的擴(kuò)散。

關(guān)于城市街區(qū)中溫度層結(jié)對(duì)污染物流動(dòng)與擴(kuò)散的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)有限，主要是由于風(fēng)洞在控制氣流或表面溫度存在一定技術(shù)難度[10]。Uehara K等人[11]利用層結(jié)風(fēng)洞技術(shù)研究了不同大氣穩(wěn)定度(Rib=-0.21-0.79)對(duì)街道峽谷中流場(chǎng)影響，結(jié)果表明：當(dāng)大氣處于穩(wěn)定條件下時(shí)，處于街區(qū)中的空腔渦旋趨于減弱，反之增強(qiáng)，大氣處于穩(wěn)定時(shí)，由于浮力作用導(dǎo)致街區(qū)內(nèi)向下氣流減弱，當(dāng)Rib大于0.4時(shí)，街區(qū)內(nèi)速度接近于0。Rafailidis[12]在英國(guó)薩里大學(xué)的EnFlo風(fēng)洞中研究了溫度層結(jié)對(duì)城市街道峽谷通風(fēng)的影響。測(cè)量結(jié)果表明，穩(wěn)定的分層條件導(dǎo)致污染物會(huì)滯留在峽谷內(nèi)。Kovar-Panskus等人[13]使用風(fēng)洞研究了太陽輻射誘導(dǎo)的壁面加熱對(duì)2-D街道峽谷內(nèi)流動(dòng)的影響。通過比較有無壁面加熱的情況發(fā)現(xiàn)，在極低的弗洛德數(shù)下，加熱迎風(fēng)面壁面，在靠近峽谷地面的位置產(chǎn)生了非常弱的二次流，但是沒有說明壁面加熱對(duì)污染物的流動(dòng)與擴(kuò)散的影響。Yassin等人[14]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分別研究了不同穩(wěn)定度條件下不同風(fēng)向城市街道峽谷中污染物的擴(kuò)散，結(jié)果表明穩(wěn)定度和風(fēng)向是影響大氣擴(kuò)散的影響因素，穩(wěn)定層結(jié)下最大濃度高于中性和不穩(wěn)定層結(jié)，該風(fēng)洞和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)驗(yàn)證。

隨著CFD 的不斷發(fā)展, CFD模擬技術(shù)已逐漸用于估算各種建筑物環(huán)境下大氣污染物的擴(kuò)散規(guī)律，Tominaga等人[15]出版了基于穩(wěn)態(tài)RANS模擬的“ AIJ建筑物周圍行人風(fēng)環(huán)境CFD實(shí)際應(yīng)用的指南”。Blocken等人[16]將十步法應(yīng)用于環(huán)境流體力學(xué)模擬，并通過兩個(gè)回顧性案例分析表明，該方法適用于環(huán)境流體力學(xué)方面的研究。除了這些一般準(zhǔn)則之外，還發(fā)布了一些非常具體的準(zhǔn)則。其中包括(1)在計(jì)算域中對(duì)大氣平衡邊界層進(jìn)行一致建模，(2)生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，(3)使用現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。前兩個(gè)領(lǐng)域的大部分工作都集中在穩(wěn)態(tài)RANS上，這些準(zhǔn)則的建立為更準(zhǔn)確和可靠的CFD模擬提供支持。Sini and Anquetin[17]使用CFD研究了空腔區(qū)內(nèi)的機(jī)械浮力誘導(dǎo)流動(dòng)，結(jié)果表明表面溫度變化會(huì)影響空氣流動(dòng)和污染物交換，甚至不同的溫差可以引起街區(qū)內(nèi)湍流結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，如由單渦向多個(gè)反向旋轉(zhuǎn)渦流轉(zhuǎn)換。Kim和Baik[8]使用2-D k-e模型研究了不同縱橫比和街區(qū)底部加熱對(duì)街區(qū)內(nèi)流動(dòng)的影響。結(jié)果模擬出不同形式的流動(dòng)，表明底部加熱對(duì)街區(qū)內(nèi)流動(dòng)起重要作用，但該研究并沒有進(jìn)行污染物擴(kuò)散的研究。Xie等人[6,18-19]研究了在獨(dú)立街道峽谷和不同橫縱比的街區(qū)中由機(jī)械浮力誘導(dǎo)的流動(dòng)，進(jìn)一步表明了浮力在街道峽谷流動(dòng)和污染物輸送問題中的重要性。研究表明，溫度層結(jié)下街道峽谷中的風(fēng)特性是無量綱參數(shù)Gr/Re2的函數(shù)。Tan等人[7]用CFD模擬中性與不穩(wěn)定層結(jié)下，城市街區(qū)對(duì)流場(chǎng)與污染物擴(kuò)散的影響，結(jié)果表明，不穩(wěn)定層結(jié)下，地表溫度顯著影響流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與污染物的擴(kuò)散。隨著理查森數(shù)的增大，近地面污染物的濃度逐漸減小，但其在近地面模擬誤差較大，這可能由于使用二維模型所導(dǎo)致的。在這里需要說明的是，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的街區(qū)是由三維方形建筑物排列組成，但在實(shí)際驗(yàn)證時(shí)大部分學(xué)者采用了簡(jiǎn)化的二維模型進(jìn)行驗(yàn)證[6～8]，結(jié)果吻合存在一定的誤差，一方面可能與用二維簡(jiǎn)化模型模擬三維模型有關(guān)[6]，另一方面可能是由于使用不同湍流模型的原因或者與使用不同的壁面有關(guān)[20]。

在我國(guó)，大多研究人員僅研究中性層結(jié)下復(fù)雜建筑物群周圍的流場(chǎng)及其污染物的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究[21～24]，對(duì)不同溫度層結(jié)下復(fù)雜街區(qū)對(duì)流動(dòng)與污染物擴(kuò)散的影響的研究尚不多見[25～26]。

本文主要應(yīng)用STAR-CD提供的RNGk-ε模型對(duì)不同溫度層結(jié)下地面污染源在城市街區(qū)內(nèi)中間位置時(shí)，城市街區(qū)對(duì)附近流場(chǎng)以及污染物擴(kuò)散的影響，建立的3-D CFD物理模型與Uehara K[11]風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤?，采用布尼斯?Bonssinesq)假設(shè)在動(dòng)量方程添加了外部源相模擬溫度層結(jié)，通過莫寧奧布霍夫長(zhǎng)度(L)描述不同溫度層結(jié)下大氣的運(yùn)動(dòng)，并應(yīng)用Pontiggia M.等人[21]方法對(duì)RNGk-ε模型k方程與ε方程進(jìn)行修正，探索受復(fù)雜建筑物群影響不同溫度層結(jié)CFD模擬技術(shù)，預(yù)期建立數(shù)值風(fēng)洞。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

Uehara K等人[11]試驗(yàn)是在日本國(guó)家環(huán)境研究所(Japanese National Institute for Environmental Studies)風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行，該風(fēng)洞試驗(yàn)段長(zhǎng)24m，寬3m，高2m，實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速范圍為0.2～10 m/s，應(yīng)用來流空氣溫度(Ta)與風(fēng)洞底板溫度(Tf)控制試驗(yàn)過程中溫度廓線，城市街區(qū)模型縮比為1∶300，所有模型長(zhǎng)度、寬度、高度(H)均為100mm的立方體，風(fēng)向軸線(X方向)上建筑物間隔為100mm，因此街谷的比例為1∶1(寬度∶高度)，橫上(Y方向)建筑物間隔為50mm，風(fēng)洞試驗(yàn)街區(qū)模型共有13列，主要研究第5與第6列建筑物形成城市街區(qū)內(nèi)對(duì)流場(chǎng)影響,見圖1。風(fēng)洞試驗(yàn)共進(jìn)行了7種溫度層結(jié)的研究，整體理查森數(shù)(Rib)變化范圍為-0.21-0.79，不同溫度層結(jié)下主要參數(shù)見表1。為了進(jìn)一步研究城市街區(qū)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響，本文在第5與第6列建筑物形成城市街區(qū)地面中心位置處設(shè)置地面源，地面源高度(Hs)為2mm(0.02H)內(nèi)徑為4mm。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算域與網(wǎng)格設(shè)置

表1 Uehara K等人風(fēng)洞試驗(yàn)主要參數(shù)Tab.1 Main experimental parameters in Ueharaet al

圖1 模擬幾何示意及建筑物周圍網(wǎng)格劃分圖Fig.1 Simulated geometry and the computational domain mesh

CFD模擬過程，平衡大氣邊界層方法至關(guān)重要，因此，CFD數(shù)值模擬應(yīng)首先對(duì)所構(gòu)造的大氣邊界層的水平均勻性進(jìn)行檢驗(yàn)。為了檢驗(yàn)邊界層的保持性，本文先進(jìn)行了空洞模擬，空洞計(jì)算域尺寸與本文數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域相同，檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，由圖2可知，不同距離處CFD數(shù)值模擬大氣邊界層較好的保持。

圖2 不同位置處速度變化(Ld為計(jì)算域的長(zhǎng)度) Fig.2 Vertical profiles of the u velocity (Ldis the length of the domain).

2.2 湍流模型

大氣環(huán)境中用來描寫流體運(yùn)動(dòng)的基本方程是Navier-Stoke方程，空氣流動(dòng)速度一般不大，可將空氣當(dāng)作不可壓縮流體。近地層氣流的運(yùn)動(dòng)一般為復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)，目前常采用雷諾時(shí)均法對(duì)基本控制方程進(jìn)行處理，空氣溫度、密度變化不大，流動(dòng)符合Bonssinesq假設(shè)，在動(dòng)量方程添加了外部源相(SB=ρβ(Tamb-T)g, 其中ρ 為空氣的密度, Tamb為環(huán)境溫度, β= 1/T 為膨脹系數(shù))。由于RNG k-ε湍流模型能夠較好的模擬繞流問題[15]，本文選用RNG k-ε模型封閉N-S方程進(jìn)行計(jì)算。為了在CFD模擬中實(shí)現(xiàn)不同溫度層結(jié)，本文通過添加外部源相對(duì)選用的湍流模型進(jìn)行修正，該外部源相添加方法由Pontiggia M.等人提出，并將中性與穩(wěn)定條件下CFD模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析[27]。guo等人應(yīng)用Pontiggia M.等人提出方法對(duì)溫度層結(jié)下建筑物對(duì)流場(chǎng)與污染物擴(kuò)散的影響進(jìn)行了研究[28]。

2.3 邊界條件

本文CFD數(shù)值模擬入口邊界風(fēng)廓線與溫度的取值及其變化規(guī)律均與Uehara K等人應(yīng)用風(fēng)洞試驗(yàn)研究不同溫度層結(jié)下城市街區(qū)對(duì)周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響的模型相同，計(jì)算時(shí)入口邊界條件風(fēng)廓線見圖3。污染源排放速度為0.08m/s，通過調(diào)整入口邊界大氣溫度(Ta)以及計(jì)算區(qū)域底部溫度(Tf)實(shí)現(xiàn)不同穩(wěn)定度的模擬。不同高度處湍流動(dòng)能廓線與湍流耗散廓線分別根據(jù)式(1)，(2)計(jì)算。

圖3 入口邊界條件風(fēng)廓線Fig.3 The vertical velocity profiles of the approaching flow.

(1)

(2)

出口邊界條件按自由出口設(shè)定。計(jì)算域兩側(cè)及頂部采用滑移壁面條件。建筑物表面和地面設(shè)置一定的摩擦速度(u*)與粗糙度(z*)，采用無滑移的壁面條件并由壁面函數(shù)法確定壁面附近流動(dòng)，使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁面的流動(dòng)。示蹤氣體的擴(kuò)散采用被動(dòng)擴(kuò)散，示蹤氣體溫度與環(huán)境溫度相同。不同穩(wěn)定度條件下主要參數(shù)見表2。

采用壓力-速度修正算法 SIMPLE[30]聯(lián)立求解各離散方程，采用精度較高QUICK差分格式。

表2 不同穩(wěn)定度條件下主要參數(shù)Tab.2 Main parameters for different stratified conditions

3 結(jié)果分析與比較

本文主要研究不同溫度層結(jié)下，地面源位于距城市模型前邊界1m第五與第六排建筑物街區(qū)內(nèi)中間位置，第五與第六排建筑物街區(qū)對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)與污染物擴(kuò)散的影響。主要分析沿中心線(y=0)街區(qū)內(nèi), 街區(qū)中間位置(x/H= 0.0)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、溫度場(chǎng)以及街區(qū)背風(fēng)側(cè)(x/H= - 0.5)、迎風(fēng)側(cè)(x/H= 0.5)與街區(qū)內(nèi)濃度場(chǎng)分布特征。

3.1 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

研究采用RNG k-ε湍流模型計(jì)算了城市街區(qū)對(duì)周圍流場(chǎng)的影響，并采用無量綱的歸一化速度來消除風(fēng)速不同引起的差異。歸一化速度(u/U700)或(w/U700)為局地縱向平均速度(u)或垂直方向上平均速度(w)與邊界層頂部δ=700 mm處縱向平均速度(U700)之比。

3.1.1 縱向平均速度分布，u/U700

不穩(wěn)定、中性與穩(wěn)定層第五與第六排建筑物街區(qū)中心 x/H= 0.0 位置縱向上歸一化速度數(shù)值模擬與Uehara K等人[11]風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比較見圖4。

圖4 x/H= 0.0 位置縱向上歸一化速度變化，u/U700Fig.4 Vertical profiles of mean velocity component in the longitudinal direction, u/U700

由圖4可知，在街區(qū)內(nèi)部與上部(0.1

3.1.2 街區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

由圖5可知，不同溫度層結(jié)下，街區(qū)內(nèi)部均形成一個(gè)穩(wěn)定的渦，街區(qū)內(nèi)部渦的強(qiáng)度受溫度層結(jié)影響較明顯，穩(wěn)定層結(jié)下，街區(qū)內(nèi)渦流較弱，不穩(wěn)定層結(jié)下，街區(qū)內(nèi)渦流較強(qiáng)，中性層結(jié)位于中間。

不同溫度層結(jié)條件下街區(qū)內(nèi)垂直方向上氣流w/U700分布見圖6。由圖6 可知，在街區(qū)背風(fēng)面出現(xiàn)了向上氣流，街區(qū)迎風(fēng)面出現(xiàn)了較強(qiáng)的向下氣流，主要由于氣流遇到下游建筑物迎風(fēng)面時(shí)進(jìn)入街區(qū)內(nèi)部，到達(dá)地面，然后沿上游建筑物背風(fēng)面上升，在街區(qū)頂部作為來流的補(bǔ)充[11]。穩(wěn)定層結(jié)下向上與向下氣流相對(duì)較弱，主要由于穩(wěn)定層結(jié)抑制了垂直方向上氣流的運(yùn)動(dòng)。穩(wěn)定層結(jié)下迎風(fēng)面最強(qiáng)w/U700= -0.14，背風(fēng)面最強(qiáng)w/U700= 0.04；不穩(wěn)定層結(jié)下向上與向下氣流相對(duì)較強(qiáng)，迎風(fēng)面最強(qiáng)w/U700= -0.28，背風(fēng)面最強(qiáng)w/U700= 0.14；中性層結(jié)下，迎風(fēng)面最強(qiáng)w/U700= -0.22，背風(fēng)面最強(qiáng)w/U700= 0.1。

圖6 街區(qū)內(nèi)垂直方向上氣流w/U700分布Fig.6 Contour ofw/U700 within the street canyon

3.2 湍流結(jié)構(gòu)

圖7 湍流動(dòng)能隨高度(z/H)的變化Fig.7 Contours of the y/H= 0 plane in the street canyon

3.3 溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定與不穩(wěn)定層結(jié)條件下街區(qū)內(nèi)中心軸線溫度與歸一化溫度分布見圖8。由圖8可知，不穩(wěn)定條件下,數(shù)值模擬結(jié)果比Uehara K等人風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果略高，穩(wěn)定條件下,數(shù)值模擬結(jié)果比Uehara K等人風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果略低，但是溫度梯度變化規(guī)律相似，均反映了街區(qū)內(nèi)溫度隨高度的變化規(guī)律主要由于Uehara K等人風(fēng)洞試驗(yàn)沒有給出來流溫度廓線，僅給出來流空氣溫度與地板溫度，這增加了數(shù)值模擬的不確定性；近地面，數(shù)值模擬結(jié)果與Uehara K等人風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的差異，主要由于數(shù)值模擬壁面函數(shù)對(duì)近地面熱轉(zhuǎn)化不準(zhǔn)確，從而改變了近地面附近湍流混合[20]。不穩(wěn)定層結(jié)與穩(wěn)定層結(jié)在0.8

圖8 街區(qū)內(nèi)中心溫度變化Fig.8 Profiles at the central part of the street canyon

3.4 濃度場(chǎng)分析

圖9顯示了在不穩(wěn)定、中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下，街區(qū)背風(fēng)側(cè)墻面(x/H= - 0.5)、迎風(fēng)側(cè)墻面(x/H= 0.5)濃度場(chǎng)分布特征，并與Chang 和 Meroney[31]風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，Chang和Meroney風(fēng)洞試驗(yàn)主要研究中性層結(jié)下，地面源位于街區(qū)中間位置，不同城市街區(qū)高寬比以及污染源上風(fēng)向不同列建筑物對(duì)污染物擴(kuò)散的影響，本文污染源上風(fēng)向有5列建筑物，擴(kuò)散規(guī)律與Chang和Meroney風(fēng)洞試驗(yàn)污染源上風(fēng)向有8列建筑物的試驗(yàn)基本相同，均屬于相同城市粗造度，因此本文街區(qū)對(duì)污染物擴(kuò)散規(guī)律的影響主要與Chang和Meroney風(fēng)洞試驗(yàn) H/W=1并且污染物上風(fēng)向有8列建筑物結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖9 背風(fēng)面與迎風(fēng)面濃度變化，K Fig.9 Concentrations on the upwind and downwind walls K

由圖9可知，中性層結(jié)下，數(shù)值模擬結(jié)果與Chang和Meroney風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，風(fēng)洞試驗(yàn)由于測(cè)量點(diǎn)位置的影響，背風(fēng)側(cè)墻上(x/H=- 0.5)最大值出現(xiàn)在z/H=0.2處，歸一化濃度最大值 K=26.2；數(shù)值模擬最大值出現(xiàn)在z/H=0.05處，歸一化濃度最大值 K=36.6，在z/H=0.2處，歸一化濃度最大值 K=28.3。迎風(fēng)側(cè)墻(x/H=0.5)風(fēng)洞試驗(yàn)最大值出現(xiàn)在z/H=0.45處，歸一化濃度最大值 K=2.18，數(shù)值模擬最大值出現(xiàn)在z/H=0.47處，歸一化濃度最大值 K=2.12。

由圖9可以觀測(cè)到熱穩(wěn)定分層對(duì)污染物擴(kuò)散的影響，街區(qū)內(nèi)部不同穩(wěn)定度變化產(chǎn)生的濃度波動(dòng)。不同溫度層結(jié)，背風(fēng)側(cè)墻上(x/H=- 0.5)與迎風(fēng)側(cè)墻(x/H=0.5)數(shù)值模擬結(jié)果均表現(xiàn)為近地面穩(wěn)定層結(jié)歸一化濃度值最大，而不穩(wěn)定層結(jié)歸一化濃度值最小，中性層結(jié)位于中間，歸一化濃度最大值均出現(xiàn)在近地面，主要由于穩(wěn)定層結(jié)抑制了垂直方向上氣流的運(yùn)動(dòng)。背風(fēng)側(cè)墻上(x/H=- 0.5)穩(wěn)定條件下歸一化濃度最大值 K=49.7，不穩(wěn)定條件下歸一化濃度最大值 K=28.2，中性條件下歸一化濃度最大值 K=36.6；迎風(fēng)側(cè)墻上(x/H=0.5)穩(wěn)定條件下歸一化濃度最大值 K=2.75，不穩(wěn)定條件下歸一化濃度最大值 K=1.55，中性條件下歸一化濃度最大值 K=2.12。不同溫度層結(jié)下背風(fēng)側(cè)墻上(x/H=- 0.5)污染物的濃度均大于與迎風(fēng)側(cè)墻(x/H=0.5)濃度。主要由于在街區(qū)內(nèi)部形成一個(gè)循環(huán)渦，順時(shí)針氣流攜帶污染物撞擊到背風(fēng)面墻上，因此背風(fēng)側(cè)墻上污染物歸一化濃度值大于迎風(fēng)面[32]。

圖10為不同穩(wěn)定度條件下沿風(fēng)向軸線(y=0處)城市街區(qū)內(nèi)污染物擴(kuò)散的垂直剖面圖，由圖10可知，不同溫度層結(jié)下，較高歸一化污染物濃度均出現(xiàn)在污染源的上風(fēng)向，穩(wěn)定條件下歸一化濃度值最大 K=412.6，不穩(wěn)定條件下歸一化濃度值最大 K=296.3，中性條件下歸一化濃度值最大 K=361.6。主要由于在街區(qū)內(nèi)部形成一個(gè)循環(huán)渦，順時(shí)針氣流攜帶污染物向上風(fēng)向運(yùn)動(dòng)，并撞擊到背風(fēng)面墻上，從而在污染源的上風(fēng)向形成高濃度區(qū)。穩(wěn)定條件下,由于氣流垂直運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱，街區(qū)內(nèi)渦流的強(qiáng)度較小，污染物主要表現(xiàn)為在街區(qū)背風(fēng)面歸一化濃度值最大，不穩(wěn)定條件下,由于氣流垂直運(yùn)動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)，街區(qū)內(nèi)渦流的強(qiáng)度較大，污染物主要表現(xiàn)為街區(qū)背風(fēng)面歸一化濃度值相對(duì)較小。而中性層結(jié)位于中間?？傊?街區(qū)內(nèi)氣流的交換主要受空腔區(qū)與來流的湍流混合及其混合強(qiáng)度的影響[26]。

圖10 不同穩(wěn)定度條件下沿風(fēng)向軸線污染物擴(kuò)散的垂直剖面圖Fig.10 Vertical profile of pollutant diffusion along wind direction axis under different stability conditions

4 結(jié) 論

本文采用3-D計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬不同溫度層結(jié)下城市街區(qū)內(nèi)氣流與污染物擴(kuò)散規(guī)律，并與Uehara K等人風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，通過莫寧奧布霍夫長(zhǎng)度描述不同溫度層結(jié)下大氣的運(yùn)動(dòng)，并應(yīng)用Pontiggia M.等人方法對(duì)RNG k-ε模型k方程與ε方程進(jìn)行修正，建立數(shù)值風(fēng)洞模擬計(jì)術(shù)，結(jié)果表明。

4.1 Pontiggia M.等人對(duì)RNG k-ε模型k方程與ε方程進(jìn)行修正方法可以應(yīng)用在數(shù)值風(fēng)洞中模擬大氣邊界層氣體的流動(dòng)與污染物擴(kuò)散規(guī)律。

4.2 穩(wěn)定層結(jié)下，街區(qū)內(nèi)渦流較弱，不穩(wěn)定層結(jié)下，街區(qū)內(nèi)渦流較強(qiáng)；街區(qū)背風(fēng)面出現(xiàn)了向上氣流，街區(qū)迎風(fēng)面出現(xiàn)了較強(qiáng)的向下氣流，不穩(wěn)定條件下背風(fēng)面上升氣流較強(qiáng)，穩(wěn)定條件下背風(fēng)面上升氣流較弱。

4.4 不同溫度層結(jié)下，數(shù)值模擬結(jié)果與Uehara K等人風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果溫度梯度變化規(guī)律相似，均反映了街區(qū)內(nèi)溫度隨高度的變化規(guī)律，近地面，數(shù)值模擬結(jié)果與Uehara K等人風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的差異，主要由于地表粗糙度估算不準(zhǔn)確，從而改變了近地面附近湍流混合。

4.5 由于熱穩(wěn)定分層對(duì)污染物擴(kuò)散的影響，不同溫度層結(jié)街區(qū)內(nèi)部變化產(chǎn)生的濃度波動(dòng)。不同溫度層結(jié)下，較高歸一化污染物濃度均出現(xiàn)在污染源的上風(fēng)向，主要由于在街區(qū)內(nèi)部形成一個(gè)循環(huán)渦，順時(shí)針氣流攜帶污染物向上風(fēng)向運(yùn)動(dòng)，并撞擊到背風(fēng)面墻上，從而在污染源的上風(fēng)向形成高濃度區(qū)，因此不同溫度層結(jié)下背風(fēng)側(cè)墻上(x/H=- 0.5)污染物的濃度均大于與迎風(fēng)側(cè)墻(x/H=0.5)濃度，歸一化濃度最大值均出現(xiàn)在近地面。穩(wěn)定層結(jié)歸一化濃度值最大，主要由于穩(wěn)定層結(jié)抑制了垂直方向上氣流的運(yùn)動(dòng)。

分析表明: 不同溫度層結(jié)下，由于街區(qū)內(nèi)部與環(huán)境大氣溫度存在溫度差，影響了街區(qū)內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與湍流特征，從而影響了街區(qū)內(nèi)污染物的擴(kuò)散特征。盡管本文提出的新模擬方法能夠提高預(yù)測(cè)精度，但其只是闡明街區(qū)中溫度層結(jié)對(duì)污染物流動(dòng)與擴(kuò)散影響機(jī)理的墊腳石。未來仍需對(duì)本研究中的方法進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試和改進(jìn)，特別是在強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)條件下流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其污染物擴(kuò)散規(guī)律的研究是下一步研究的重點(diǎn)。