特殊城市街谷空氣污染物擴散研究

楊世佺，金阿芳，岳海燕，高衛(wèi)強

（新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

1 引言

隨著我國城市化進程加快，越來越多的人口涌入城市，隨之而來的是，一座座高層建筑拔地而起，交通工具的大量使用導致城市污染加劇[1]，而高層建筑群形成的建筑幾何形態(tài)—街谷對空氣流通的影響，阻礙了污染物的擴散、稀釋[2]。因而，研究街谷內(nèi)部流場以及污染物分布規(guī)律，對城市規(guī)劃、具有一定參考意義。

文獻[3]采用PHOENICS軟件，分別采用標準k-e模型及RNG模型以及C-K模型模擬了街谷內(nèi)污染物擴散分布情況，對照風洞實驗結(jié)果顯示良好。

文獻[4]采用FLUENT模擬了街谷內(nèi)氣流運動，對比了2種不同峽谷寬高比，4種建筑物高寬比情況，結(jié)果表明，樓層建筑高度不變的情況下，減小建筑物寬度以及增大峽谷寬度有助于峽谷內(nèi)空氣質(zhì)量提升。

文獻[5]利用FLUENT 模擬了由不同形狀建筑組成街谷內(nèi)風和湍流分布，結(jié)果顯示，建筑物越趨近流線型，街谷內(nèi)氣流擴散效果越好，污染物濃度越低。文獻[6]采用大渦模擬（LES）研究了街道峽谷內(nèi)建筑物不同高寬比時空氣交換率（ACH），研究得知，空氣交換率同高寬比成反比例關系，即高寬比越小，空氣交換率越大。

街谷可分為對稱街道峽谷與非對稱街谷兩大類[7]。上述研究多集中在對稱街谷的高寬比，長寬比，以及來流風向角度的不同。而非對稱街谷多為研究兩側(cè)建筑不等高及特殊形狀街谷。這些研究多采用簡化的二維模型模擬峽谷內(nèi)氣動運動及污染物擴散，對一些特殊類型街谷內(nèi)氣流及污染物擴散運動是否能做出很好的預測尚未可知。將目光聚焦于帶房裙街谷（多見于商業(yè)區(qū)，房裙為商業(yè)用房），如圖1所示。

圖1 街道峽谷示意圖Fig.1 Sketch of Street of Canyon

街谷一側(cè)房裙上部中間分開，形成街谷中含小型街谷的特殊建筑形態(tài)。由于CBD范圍內(nèi)人流量大，相應機動車流量隨之增大，因而排放的污染物濃度高于其他地區(qū)。故研究該類型街谷對于城市規(guī)劃及行人出行具有一定指導意義。

2 理論與研究方法

數(shù)值模擬是以計算機為工具，通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法，達到對工程以及物理問題研究的目的。數(shù)值模擬技術相較于傳統(tǒng)方法（風洞實驗、戶外實地測量），具有不受場地約束、低成本等優(yōu)點，隨著計算機技術的快速發(fā)展，越來越被廣泛使用。通過建立不同類型的街谷，數(shù)值模擬其內(nèi)大氣污染物擴散及分布規(guī)律。其計算要點包括：來流邊界條件、出口邊界條件、控制守恒方程、收斂條件等。

來流邊界條件以風速為控制指標，風速采用隨高度變化的擬合曲線，用指數(shù)率形式表示為：

式中：u—來流邊界控制風速，m/s；U10—基準高度10m處的風速，3m/s；y10—基準高度，m；n—地面粗糙度變化因子，參考GB 50009—2012 取值，取大城市市區(qū)地面粗糙度變化因子值為0.30。

設置出口邊界條件為無約束的自由出口，假定空氣為不可壓縮粘性流體，文獻[8]研究結(jié)果表明，標準k-ε模型模擬城市街谷濃度分布更為準確，故建立標準k-ε兩方程湍流模型[9]如下所示：

湍流運輸方程可表示成湍流能量運輸式（2）和能量耗散運輸式（3）[10]：

式中:k—湍流脈動動能，m2/s2；ε—湍流脈動動能耗散率，m2/s3；ρ—空氣密度，g/m3。其中右端項分別表示生成項（production term）、耗散項（dissipation term）和壁面項（wall term）。

模式中各常數(shù)的值，如表1所示。

表1 k-ε模型各項常數(shù)Tab.1 All Constants of the k-ε Model

式（2）和式（3）采用FLUENT 15.0求解，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，離散方法為二階迎風差分。分析FLUENT的收斂條件及適用范圍，結(jié)果表明，收斂標準為殘差小于1.0E-4時，迭代收斂。

3 影響因素

街谷對城市風環(huán)境的影響主要受街谷的高寬比，建筑物的高寬比[4]，以及風向角度等因素。這里主要研究房裙高度變化對風環(huán)境影響，故采用理想型街谷，即街谷寬度W及建筑高度H比例為1，通過改變房裙高度h1與上部建筑高度h2比例，研究不同比例房裙高度對城市空氣流場及污染物擴散的影響。

4 數(shù)值建模

4.1 確定物理模型

街谷模型與實體建筑比例為1：2，南北走向街谷長L=40m，街谷寬度W=36m，建筑物高度H=36m，即理想街谷高寬比1：1。在這個前提下，建立四個模型，分別是：常規(guī)街谷、街谷房裙與上側(cè)建筑高度比例1：3、1：2、1：1。（即：9：27、12：24、18：18）。

模擬區(qū)域道路為雙向四車道，通常汽車排氣道平均高度0.4m，故將污染源簡化為兩長方體，尺寸均為40×1.7m2，高0.4m，污染物分子從長方體上側(cè)面射出。

4.2 模擬區(qū)域范圍

采用FLUENT模擬街谷內(nèi)流場，計算結(jié)果受計算域尺寸、網(wǎng)格密度及流場邊界條件等影響[11]，設定計算域，如圖2所示。

圖2 計算區(qū)域與邊界條件圖Fig.2 Sketch of Simulation Area and Wall Condition

簡化模型假定組成街谷的建筑物為長方體，不考慮建筑物局部細微變化，街谷中兩側(cè)綠化帶以及窗戶是否打開等因素。設置計算域入口及兩側(cè)對稱邊界距離建筑物5H，出口距離建筑物為10H，計算域高度為10H，兩側(cè)距離邊界5H。

進風方向與街谷垂直時內(nèi)部風速最低，不利于街谷內(nèi)通風[12]。取海拔10m處風速為3.0m/s。由于CO在大氣中比較穩(wěn)定，故研究對象為CO分子，且其在空氣中所占體積比濃度較低，可視為離散相，采用DPM模型進行模擬。污染物源強為3g/s[13]。邊界條件的處理：入口邊界采用速度入口邊界條件，出口采用自由回流，及頂部采用對稱邊界條件，在建筑物壁面和地面上采用無滑移邊界條件。

5 模擬結(jié)果分析

5.1 常規(guī)街谷同帶房裙街谷對比

Z=0截面上有帶房裙街谷同傳統(tǒng)街谷對比圖，如圖3所示。由于污染物分子運動主要受風速影響，因而街谷內(nèi)流場分布很大程度上影響了污染物分子運動軌跡及分布。（為便于觀察，對圖形進行局部放大處理）

由圖3可知：對比流線圖，兩種街谷均含有順時針旋渦，區(qū)別在于正常街谷旋渦范圍大，旋渦內(nèi)風速小，因而旋渦中心處污染物濃度較高。同時，風速小導致無力將污染物分子吹向遠方，這同右側(cè)濃度圖正好對應。與之相反，帶房裙上部速度并未減小，反倒是因為峽谷效應，加速了氣流流動，因而可以明顯看到街谷上部污染物被吹向遠處，通過右側(cè)濃度分布云圖，可以清楚的看到帶有房裙的街谷，在迎風側(cè)建筑后側(cè)污染物濃度明顯增大，而峽谷內(nèi)濃度減少，這與流線圖推出的影響效果基本吻合。

圖3 傳統(tǒng)街谷及房裙街谷的流線圖、濃度分布云圖Fig.3 The Streamline and Concentration Distribution of Traditional and Skirt House Canyon

5.2 不同比例房裙街谷對比

由圖3可知，帶有房裙街谷相較傳統(tǒng)街谷，更有助于污染物擴散。在此基礎上，繼續(xù)深究下去，房裙高度同其上部建筑高度的比例為多少時，對污染物擴散的影響效果最佳，在行人呼吸高度處（通常為1.5m）污染物濃度最低。因而，設置了以下三種情況，在理想街谷中，房裙高度h1與其上部建筑高度h2比分別為1：1，1：2，1：3（18：18，12：24，9：27）。

由圖4可見：在人行呼吸高度處，房裙同其上建筑高度比h1：h2為3時，擴散范圍最廣，街谷內(nèi)污染物濃度降低，擴散效果明顯，等于2時次之，多淤積在峽谷背風側(cè)以及峽谷右側(cè)臨近處，并未很好的向遠處擴散，比例為1時傳播距離最短，污染物幾乎滯留在背風側(cè)，擴散效果相對而言最差；污染物多淤積在背風側(cè)及污染源處，街谷出口污染物濃度明顯高于中心位置。結(jié)合圖5流線圖來看：隨著房裙高度的降低，街谷內(nèi)形成的順時針漩渦位置從迎風側(cè)移動至背風側(cè)，房裙上側(cè)建筑的峽谷效應增大風速，因而房裙高度越低，被風吹向遠處的污染物分子越多，擴散效果越好，反之，房裙越高，污染物濃度越高，特別是背風側(cè)出口處，可以明顯看到象征高濃度的紅色區(qū)域范圍增大。

圖4 Y=1.5m截面濃度分布云圖Fig.4 Concentration Distribution of Y=1.5m Cross Section

5.3 Y=1.5m平均污染物濃度

由圖5可知，在整個Y=1.5m（即人行呼吸高度）處平面上，以街谷比例h1/h2=3擴散效果最好，而要具體得街谷中某一點濃度值大小，并不容易。因而取背風側(cè)-25≤Z≤25m，-16≤X≤-6m范圍內(nèi)，分別計算X、Z軸方向平均值，如圖5所示。

圖5 Z=0m截面濃度分布云圖Fig.5 Concentration Distribution of Z=0m Cross Section

由圖6可知：靠近背風側(cè)X軸方向值越小濃度越大，街谷中心濃度值為近背風側(cè)濃度（7～9）倍。由街谷比例為3可知，靠近背風側(cè)（-16～-13）m 區(qū)域內(nèi)濃度同其他兩比例街谷幾乎相同，從（-12～-9）m范圍內(nèi)濃度明顯低于其他兩比例，靠近街谷中心處濃度低于比例1：1，略高于比例1：2，明顯可以看出街谷比例1：1濃度最高，即污染物滯留最多，擴散效果最差。

圖6 沿X軸濃度分布Fig.6 Concentration Distribution Along X Axis

由圖7 可見：街谷出口處污染物淤積濃度明顯高于中心濃度，這對應了中心峽谷效應增大風速，使得中心處污染物向上方擴散。兩側(cè)濃度峰值均出現(xiàn)在Z軸20m處，即街谷出口，該處濃度為中心濃度（3～4）倍，建議行人快速經(jīng)過。同時，可看出比例3和2的街谷濃度值幾乎相等，即商業(yè)用房9m同12m高區(qū)別不大，而比例1：1時，即商業(yè)用房高18m時，濃度明顯變大。故建議房裙（3～4）層高最佳，即（9～12）m。

圖7 街谷沿Z軸濃度分布Fig.7 Concentration Distribution Along Z Axis

6 結(jié)論

（1）相較于傳統(tǒng)城市街谷，帶有商業(yè)用房裙的街谷中，污染物濃度擴散效果更好。

當然，在街谷的背風側(cè)形成回流區(qū)，污染物淤積于此，建議行人靠近迎風側(cè)行走。

（2）經(jīng)過對三種比例帶房裙街谷的對比可知，房裙高度越低，街谷中污染物擴散效果越好，反之，房裙增高，污染物濃度隨之增大，尤其是背風側(cè)出口高濃度范圍增大。

（3）經(jīng)折線圖知，車道中央處濃度最高，街谷中心靠近建筑處濃度最低。背風側(cè)兩側(cè)出口濃度較高，建議行人快速通過。