架空建筑街谷內(nèi)流動與污染物擴散的數(shù)值模擬研究

任蘇琪， 黃遠東， 崔鵬義

（上海理工大學 環(huán)境與建筑學院，上海 200093）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，機動車保有量不斷增加，機動車排放的尾氣污染物已成為城市大氣污染的重要來源，也是各種呼吸系統(tǒng)疾病頻發(fā)的重要原因[1]。因此，了解城市環(huán)境中尤其是街道峽谷內(nèi)的氣流流動結構及交通污染物的對流擴散規(guī)律十分必要。街谷兩側建筑類型、街谷形態(tài)、氣象條件等因素對街谷內(nèi)的氣流流動及污染擴散有不同的影響[2-4]。例如，街谷的幾何形狀（街谷高寬比H/W[5-7]、長高比L/H[8]等）和亞熱帶地區(qū)較常見的建筑架空結構是影響街道峽谷內(nèi)氣流流動特性和污染物擴散規(guī)律的重要因素。

架空建筑由于其良好的通風防潮功能，近年來受到廣泛關注。在有關架空建筑的研究中，Tse等[9]研究了一系列不同架空結構對行人區(qū)風環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)架空結構可以顯著改變建筑周圍高風速和低風速區(qū)域的面積和大小。水滔滔等[10]利用風洞實驗研究了廣東某地底層架空住宅區(qū)結構對行人高度處風環(huán)境和住宅建筑側面風壓的影響，結果發(fā)現(xiàn)，住宅區(qū)底層架空顯著降低了行人高度處風速和住宅二層高度處風壓。Du等[11]利用CFD（computational fluid dynamics）方法對孤立架空建筑周圍風環(huán)境進行模擬，并與無架空建筑周圍風環(huán)境的結果進行對比，發(fā)現(xiàn)架空結構可以有效提高行人高度處風舒適度。Du等[12]研究了4種不同的架空建筑結構在3種風向條件下，對行人高度處風舒適度的影響，發(fā)現(xiàn)在斜風向條件下的風舒適度更佳。目前，大多數(shù)有關建筑架空結構的研究只考慮了架空結構對街谷內(nèi)的風環(huán)境及人體舒適性的影響[13-14]，而對街谷內(nèi)有效通風性能與污染擴散影響的綜合研究較少。

本文基于現(xiàn)實環(huán)境中存在的架空結構，利用經(jīng)風洞實驗驗證的CFD數(shù)值模型，研究不同街谷高寬比及不同底層架空結構對街谷內(nèi)氣流流動和污染物擴散的影響，研究結果可為城市規(guī)劃、道路交通流調(diào)控，以及城市污染控制提供參考。

1 研究方法

1.1 物理模型

采用1∶150的模型尺寸，建立了由4種不同的街谷高寬比（H/W= 1，4/3，5/3和2）及3種不同的架空建筑結構（上游、下游及兩側建筑架空）組合的16種工況，如表1所示。圖1（a）為參考工況，建筑尺寸大小為H×H，建筑高度H= 12 cm（實際尺寸為18 m），街谷寬度W=H，2條污染源邊長均為0.03H，分別位于距離迎風面0.42H和0.58H處，以恒定的速度釋放SF6（六氟化硫）來模擬道路上機動車尾氣排放，SF6作為示蹤氣體，具有背景濃度低、無污染、易檢測等優(yōu)點。參照圖1（a）所示的街谷設置，建立上游、下游和兩側建筑架空的街谷模型，圖1（b）為上游建筑架空街谷示意圖。

圖1 二維街谷模型Fig. 1 Two-dimensional street canyon model

表1 物理模型設置Tab.1 Physical model setting

本研究中，來流風垂直于街道峽谷中心軸線，風速設為7.0 m/s，對于每種街谷工況，參考雷諾數(shù)Re的計算公式為

式中：Uref為參考高度0.48 m處風速，Uref= 7 m/s；ν為流體的運動黏度，ν = 1.50×10-5m2/s。

計算得出Re= 5.6×104，確保了街谷內(nèi)的氣流流動與雷諾數(shù)無關[15]。

1.2 數(shù)值模型

1.2.1 控制方程

RANS（Reynolds Averaged Navier Stokes）模型是計算街谷內(nèi)流場最常用的模型，在RANS模型中，標準k-ε模型可以很好地再現(xiàn)完全湍流的一般結構，因此，本文采用標準k-ε模型對湍流的二維流動進行求解。控制方程：

式中：xi，xj為笛卡爾坐標；ui，uj為流體在i和j方向上的時均速度；ρ為空氣密度；p為空氣壓強；gi為i方向的重力；k為湍動能；ε為湍流耗散率；νt為湍流黏性系數(shù)；為雷諾應力；標準湍流模型中的常數(shù)

污染物對流擴散方程：

式中：Cα為污染物 α的濃度；Dα,m為污染物 α在混合物中的分子擴散系數(shù)；Sα,p為污染物 α的源項；Sct為湍流施密特數(shù)，取值范圍為0.2～1.3[16]，本文對Sct最優(yōu)取值進行驗證，得出Sct= 0.4。

1.2.2 計算域、邊界條件與計算方法

圖2為參考工況計算域示意圖，本文參照文獻[17]，計算域的長寬尺寸設為27H× 8H，入口邊界距離上游建筑迎風面8H，采用速度入口條件（velocity inlet），對水平風速、湍動能及耗散率進行設置。出口邊界與下游建筑背風面距離為16H，采用自由出流條件（outflow）。上邊界距離建筑頂部7H，采用對稱邊界條件（symmetry），建筑物壁面以及地面均設置為壁面無滑移、濃度無滲透的壁面邊界條件（wall）。

圖2 計算域示意圖Fig.2 Computational domain

采用ANSYS Fluent 14.5軟件進行計算求解，其中，描述流動與污染物擴散的控制方程采用有限體積法（FVM）離散，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，對流擴散方程采用三階QUICK格式[17]。各個變量的相對殘差設置為10-6。

1.3 模型驗證與網(wǎng)格獨立性分析

1.3.1 風洞實驗概況

采用德國Karlsruhe大學的風洞實驗實測數(shù)據(jù)[18]對模型進行驗證。驗證工況如圖3所示，與參考工況的街谷布局一致，但在街道內(nèi)只設置1條線源，距離街谷背風面0.42H。無量綱濃度K定義為

圖3 風洞實驗二維街谷模型Fig. 3 Two-dimensional street canyon model of wind-tunnel experiment

式中：C為污染物的體積分數(shù)；L為線源長度，L=1.42 m；Qe為SF6釋放源強。

入口處的水平風速、湍動能及耗散率公式為

式中：u為高度為z處的風速；zref為參考高度，zref=0.48 m；z為離地高度；d0為位移高度，d0= 0.002 m；u*為摩擦速度，u*= 0.385 m/s；κ為卡門常數(shù)，κ=0.4；Cu為經(jīng)驗常數(shù)，Cu= 0.09。

1.3.2 網(wǎng)格敏感性與模型參數(shù)驗證

驗證工況計算區(qū)域與參考工況一致，線源處采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格精度從0.2 mm逐漸增加到1 mm。內(nèi)區(qū)（圖2（b））采用1 mm的四邊形網(wǎng)格，街谷外部采用增長率為1.01的四邊形網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約為105萬。圖4（a）為不同網(wǎng)格精度的街谷背風面和迎風面無量綱濃度的計算值與風洞實驗測量值對比圖，結果表明，網(wǎng)格數(shù)為105萬時模擬結果與風洞實驗吻合較好。圖4（b）為不同Sct數(shù)的街谷背風面和迎風面無量綱濃度的計算值與風洞實驗測量值的對比圖，可以看出，Sct= 0.4時數(shù)值模擬與風洞實驗結果吻合較好。

圖4 數(shù)值模擬結果與風洞實驗數(shù)據(jù)對比Fig. 4 Comparison of numerical simulation results and wind tunnel experiment data

2 結果與討論

2.1 不同架空結構街谷內(nèi)流場變化與分析

如圖（5）所示，在標準街谷內(nèi)產(chǎn)生了一個中心略高于街谷中心的順時針渦，渦心附近氣流流速較小，靠近建筑迎風面和地面的氣流流速較大。隨著H/W的增加，渦心上移，主渦變大，街谷底部氣流流速明顯減弱（圖5（a），6（a），7（a），8（a）），當H/W=2時，上游建筑屋頂產(chǎn)生明顯的順時針渦（圖8（a））。當上游建筑架空時，強氣流穿過上游建筑架空通道向下游建筑移動，并沿著街谷迎風面向上爬升，導致流場反向（圖5（b），6（b），7（b），8（b））。街谷內(nèi)原有單順時針渦被破壞，背風面產(chǎn)生了2個反向渦，同時在街道迎風角形成很小的順時針渦。隨著H/W的增加，底部以及迎風面氣流流速明顯增強，當H/W=2時，背風面只有一個大的逆時針渦，兩側建筑屋頂均產(chǎn)生明顯的順時針渦，屋頂水平對流作用減弱（圖8（b））。當下游建筑底層架空時（圖5（c），6（c），7（c），8（c）），街谷內(nèi)流場分布沒有發(fā)生變化，氣流通過下游建筑架空通道進入街谷，背風面氣流流速增強，街谷內(nèi)氣流被切割成迎風面規(guī)則的順時針渦和背風角較小的反向渦。隨著H/W的增加，架空通道的氣流增強，街谷內(nèi)迎風面的順時針渦增大、增強，左上側逆時針渦減小，最終消失。圖5（d）為兩側建筑均架空時街谷內(nèi)的流動結構，大部分氣流直接穿過架空通道流出街谷，街谷內(nèi)形成2個方向相反的渦，氣流流速較低。隨著H/W的增加，如圖5（d），6（d），7（d），8（d）所示，街谷下部逆時針主渦逐漸增強、增大，而上方順時針渦逐漸減小、變?nèi)酰擧/W=2時，街谷上方的渦消失，迎風面氣流在屋頂水平的流動方向發(fā)生明顯變化，覆蓋了街谷上方，導致街谷屋頂水平對流作用減弱（圖8（d））。以上分析可知，氣流隨架空通道進入街谷，對街谷內(nèi)的流場產(chǎn)生影響，均從不同程度上增強了街谷內(nèi)的平均通風能力，且隨著H/W的增加，對街谷內(nèi)流動結構的影響增大。

圖5 H/W = 1時不同底層架空結構的街谷流場Fig.5 Flow fields inside street canyons with void decks when H/W = 1

圖6 H/W = 4/3時不同底層架空結構的街谷流場Fig.6 Flow fields inside street canyons with void decks when H/W = 4/3

圖7 H/W = 5/3時不同底層架空結構的街谷流場Fig.7 Flow fields inside street canyons with void decks when H/W = 5/3

2.2 不同架空結構街谷內(nèi)污染物濃度分布特點及分析

在街道峽谷中，交通污染物的對流擴散及分布主要受街谷內(nèi)流動結構的影響。在無架空街谷內(nèi)，污染物在順時針渦作用下聚集在背風面，又沿背風面向上爬升，部分污染物隨峽谷頂部水平氣流排出街谷，因此，背風面污染物濃度明顯高于迎風面（圖9（a），10（a），11（a），12（a））。隨著H/W的增加，街谷底部對流作用明顯減弱，導致污染物在背風面近地面積累，當H/W=2時，整個街谷底部通風能力最弱，污染物積累嚴重，空氣質(zhì)量最差（圖12（a））。當上游建筑架空時，街谷內(nèi)流場反向?qū)е挛廴疚镫S氣流移至迎風面，并沿迎風面向上逸出街谷，迎風面附近污染較嚴重，如圖9（b），10（b），11（b），12（b）所示。由于架空通道致使峽谷內(nèi)的氣流流速（通風能力）隨著H/W的增加而逐漸增大，因此，更多污染物沿迎風面隨氣流排出街谷，街谷內(nèi)污染程度明顯改善。當下游建筑架空時，街谷內(nèi)污染物分布特點與無架空街谷相似（圖9（c），10（c），11（c），12（c）），但由于架空通道增強了背風面氣流，因此，更多污染物隨氣流沿背風面排出街谷，致使背風面污染程度降低。相較于標準街谷，下游建筑架空結構對迎風面空氣質(zhì)量改善程度隨著H/W的增加逐漸增強。兩側建筑架空的街谷內(nèi)的污染物可以直接隨著架空通道的強氣流逸出街谷（圖9（d），10（d），11（d），12（d）），該架空結構的有效通風能力最強。隨著H/W的增加，架空街谷上部的流動結構雖然顯著改變，但底部有效的強氣流結構基本不變，污染物可隨氣流及時排出街谷，不會對街谷上部造成影響，因此，兩側建筑底部架空結構最有利改善街谷空氣質(zhì)量。

圖9 H/W = 1下不同底層架空結構的街谷內(nèi)無量綱濃度分布Fig.9 Dimensionless concentration distributions inside street canyons with void decks when H/W = 1

圖12 H/W = 2時不同底層架空結構的街谷內(nèi)無量綱濃度分布Fig.12 Dimensionless concentration distributions inside street canyons with void decks when H/W = 2

2.3 街谷內(nèi)平均污染水平評價分析

圖13（a）對比了所有工況街谷內(nèi)的平均污染物濃度，結果顯示，隨著H/W的增加，街谷內(nèi)平均污染物濃度逐漸增大。架空結構可降低街谷內(nèi)平均污染物濃度。與無架空街谷相比，架空結構顯著改善了街谷內(nèi)的空氣質(zhì)量。兩側建筑架空結構比單側建筑架空更有利于街谷內(nèi)污染擴散，兩側建筑架空街谷內(nèi)的污染物濃度降低91%～98%，而上游建筑架空街谷內(nèi)的污染物濃度可降低71%～90%。下游建筑架空結構對街谷內(nèi)污染物的擴散作用隨著H/W的增加逐漸增強，當H/W= 2時，街谷內(nèi)平均污染物濃度可降低69%。

圖10 H/W = 4/3時不同底層架空結構的街谷內(nèi)無量綱濃度分布Fig.10 Dimensionless concentration distributions inside street canyons with void decks when H/W = 4/3

圖11 H/W = 5/3時不同底層架空結構的街谷內(nèi)無量綱濃度分布Fig.11 Dimensionless concentration distributions inside street canyons with void decks when H/W = 5/3

圖13（b）和13（c）為所有工況背風面和迎風面行人高度處污染物平均濃度柱狀圖。從圖13（b）可以看出，對于無架空街谷，背風面污染物濃度隨著H/W的增加而不斷增大，當H/W= 2時，街谷內(nèi)背風面行人高度處污染物平均濃度為H/W= 1時的135%。由于上游建筑架空結構和兩側建筑架空結構改變了街谷內(nèi)的流場方向，背風面行人高度處污染物平均濃度為0。隨著H/W的增加，下游建筑架空對街谷背風面行人高度處污染物濃度影響并不顯著。

圖13 研究工況街谷內(nèi)不同位置的平均污染物濃度Fig.13 Mean concentrations at different locations for all studied cases

由圖13（c）可知，在H/W= 2的無架空街谷中，污染物聚集在街谷下方不易擴散，導致迎風面行人高度處平均濃度顯著增加。與標準街谷相比，上游建筑架空結構導致污染物聚集在迎風面，但是，隨著H/W的增加，迎風面行人高度處污染物平均濃度逐漸減小。下游建筑架空有利于迎風面行人高度處污染物的擴散，街谷內(nèi)迎風面行人高度處的污染物平均濃度降低了85%～99%。兩側建筑架空結構對迎風面行人高度處污染物濃度的影響隨H/W的增加變化不大。由此可見，從行人健康角度出發(fā)，建筑高度增加（H/W增大）不利于行人高度處污染物的擴散，但是，架空結構可以明顯改善行人高度處的空氣質(zhì)量，其中，上游建筑架空和兩側建筑架空最有利于靠近背風面人行道污染物的對流擴散，下游建筑架空最有利于靠近迎風面人行道污染物的擴散。

3 結論

通過經(jīng)風洞實驗驗證的CFD數(shù)值模型，研究了4種高寬比條件下不同架空結構對街谷內(nèi)流場和污染物分布的影響，可以得出以下結論：

a. 架空結構增強了街道峽谷內(nèi)的平均通風能力，且隨著H/W的增加，對街谷內(nèi)流動結構的影響逐漸增大。當H/W＜ 2時，架空建筑街谷內(nèi)的主渦逐漸變大，渦心上移，上方渦變小。當H/W=2時，架空建筑街谷內(nèi)流動結構與污染物擴散發(fā)生顯著變化，街谷內(nèi)僅有一個渦，屋頂上方對流作用減弱。

b. 不同建筑架空結構對街谷兩側污染物分布的影響不同。兩側建筑架空和上游建筑架空顯著降低了背風面污染物的濃度，背風面的污染物平均濃度為0。下游建筑架空結構有利于迎風面污染物的擴散。

c. 與無架空街谷相比，架空結構顯著改善了街谷內(nèi)的空氣質(zhì)量。兩側建筑架空結構比單側建筑架空更有利于街谷內(nèi)污染擴散，兩側建筑架空街谷內(nèi)的污染物濃度降低了91%～98%。而在單側建筑架空街谷內(nèi)，上游建筑架空街谷內(nèi)的污染物濃度可降低71%～90%。下游建筑架空結構對街谷內(nèi)污染物的擴散作用隨著H/W的增加逐漸增強，當H/W= 2時，街谷內(nèi)平均污染物濃度可降低69%。