地下車庫汽車尾氣CO 污染的擴(kuò)散規(guī)律分析*

杞昊 王新偉 潘揚(yáng)松 陳小開

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 引言

國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)表明：2021年末全國民用汽車保有量30 151 萬輛，比上年末增加2 064 萬輛，其中私人汽車保有量26 246 萬輛，增加1 852 萬輛。隨著私人汽車保有量的快速增長及城市可利用土地資源逐漸減少，地下車庫逐漸成為停車場設(shè)計的首選方案［1］。然而，地下車庫由于其封閉性，會導(dǎo)致汽車尾氣在車庫內(nèi)形成堆積，惡化車庫中的空氣質(zhì)量［2］。汽油尾氣排放的污染物主要有害成分為一氧化碳（CO），長期吸入會造成記憶力受損、缺氧，甚至是死亡［3-5］。CO 中毒還會嚴(yán)重危害生命安全，因此汽車尾氣CO 濃度被視為控制地下車庫空氣污染的主要指標(biāo)。

為了降低污染物的堆積，很多學(xué)者對地下車庫中CO的擴(kuò)散規(guī)律和濃度分布規(guī)律進(jìn)行了研究。XUE H等［6］提出了平均擴(kuò)散模型、隨機(jī)靜止模型、隨機(jī)平均模型等3 種基于計算流體力學(xué)（CFD）的數(shù)值模型，并指出隨機(jī)平均模型能夠更合理地預(yù)測地下車庫中的溫度和CO 濃度。PAPAKONSTANTINOU K 等［7］通過CFD對雅典城區(qū)一個地下車庫內(nèi)CO 濃度進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測，并對員工和車庫使用者的CO暴露進(jìn)行了評估，結(jié)果顯示在適當(dāng)?shù)耐L(fēng)條件下，CO濃度水平下降且保持在推薦的公共健康標(biāo)準(zhǔn)下。PENG S B［8］將CFD 數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，探討了某地下車庫CO 的擴(kuò)散，通過對通風(fēng)性能和能耗的綜合考慮，確定了該車庫的最佳機(jī)械通風(fēng)方案。殷明昊等［9］將車庫內(nèi)污染物模型假設(shè)為在車道中間的帶狀面污染源，對使用機(jī)械通風(fēng)的北京某商業(yè)地下車庫的CO濃度進(jìn)行了數(shù)值模擬。綜合已有的文獻(xiàn)和研究可以看出，數(shù)值模擬由于其人力和材料的低消耗，最近被越來越多地采用。但是大部分模擬考慮的都是車輛靜止?fàn)顟B(tài)下車庫內(nèi)CO濃度的變化，忽略了汽車在行駛時對周圍氣流的影響。

本文通過對汽車怠速行駛狀態(tài)（速度≤5 km/h）和汽車停止運(yùn)動后的CFD 數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試，研究了汽車在2 種狀態(tài)下車庫內(nèi)的通風(fēng)情況以及CO濃度變化規(guī)律，為降低CO 污染濃度、改善車庫室內(nèi)空氣品質(zhì)提供參考。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 數(shù)學(xué)模型及簡化假設(shè)

地下車庫中污染物的擴(kuò)散為湍流擴(kuò)散，氣流流速較低，氣體均可視為不可壓縮氣體，因此采用標(biāo)準(zhǔn)k- 兩方程模型求解CO 擴(kuò)散規(guī)律。除此之外，根據(jù)實(shí)際問題，做出了以下假設(shè)：①流動為三維非穩(wěn)態(tài)湍流，各變量隨時間改變；②模擬過程中排氣管口的CO 發(fā)生率恒定；③排氣管口排出的CO 溫度較高，應(yīng)當(dāng)考慮密度變化產(chǎn)生的浮升力對氣流的影響；④車庫中無其他內(nèi)熱源，且所有圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱。

針對上述問題和假設(shè)，聯(lián)立求解連續(xù)方程、動量方程、能量方程及組分方程，統(tǒng)一寫成標(biāo)準(zhǔn)形式［10］：

表1 符號與各方程的對應(yīng)關(guān)系

1.2 物理模型

該車庫位于昆明某高校教學(xué)樓地下，共有21 個車位，車庫的建模如圖1 所示。該模型內(nèi)部包含樓梯間和配電室，模型的詳細(xì)局部幾何尺寸見表2。

1.3 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證

因涉及車輛運(yùn)動，車身周圍流場會隨著邊界運(yùn)動而改變，故采用動網(wǎng)格技術(shù)（Moving Mesh）中的層鋪法（Layering）對車輛駛過的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且對進(jìn)、出風(fēng)口及車身周圍的網(wǎng)格適當(dāng)加密以保證精度。最終繪制了3 套網(wǎng)格如表3 所示。

為選擇合理的網(wǎng)格數(shù)量，選取點(diǎn)（15，5，2.5）到（25，5，2.5）之間的線段，在30 s時對該線段上3 種網(wǎng)格劃分下的CO濃度進(jìn)行比較（見圖2），其中網(wǎng)格Ⅱ與網(wǎng)格Ⅲ的計算最大誤差為2.4%（≤5%），故可認(rèn)為網(wǎng)格Ⅱ已經(jīng)滿足網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證要求。同時考慮到網(wǎng)格Ⅱ的網(wǎng)格數(shù)量相較網(wǎng)格Ⅲ來說占用的計算資源少，所以選取網(wǎng)格Ⅱ作為本次模擬使用的計算網(wǎng)格。

圖2 不同網(wǎng)格劃分下的CO 濃度

1.4 邊界條件

車庫門作為新鮮空氣的速度入口，平均風(fēng)速為0.3 m/s，室外空氣沿x 方向流入車庫內(nèi)，且不含污染物。配電室門由于長期處于關(guān)閉狀態(tài)，故配電室不參與本次模擬。樓梯間門設(shè)置為壓力出口。排氣管附著于汽車尾部，管口直徑為0.08 m，距地面高度為0.4 m，作為CO 的質(zhì)量流量入口向車庫中排放CO，質(zhì)量流率為0.000 561 kg/s［12］，尾氣溫度為45 ℃。汽車的運(yùn)動通過函數(shù)profile預(yù)先定義，具體為：汽車從車庫門位置沿x 方向做勻速直線運(yùn)動（v=1 m/s），運(yùn)動42 s 后停放在車庫底部的車位中。汽車熄火后不再向外排氣，因此將排氣管更改為壁面邊界，繼續(xù)對汽車停止后的60 s 內(nèi)的CO 濃度分布進(jìn)行計算。整個過程共102 s，時間步長設(shè)置為0.02 s，每一個時間步長迭代20 次。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)汽車的2 種不同運(yùn)行狀態(tài)，對車庫內(nèi)的CO濃度分布和速度矢量分布進(jìn)行分析。

2.1 氣流速度矢量分布

不同時刻車庫內(nèi)z=0.4 m 平面上的氣流速度矢量云圖如圖3 所示。從圖3（a）—圖3（d）中可以看出汽車的運(yùn)動對車身周圍的氣流產(chǎn)生推動作用，具體表現(xiàn)為汽車前側(cè)的空氣向兩側(cè)散開，汽車后側(cè)的空氣向中間聚集。同時由于車輛的運(yùn)動，汽車駛過的車道中央的空氣流速始終大于車道兩側(cè)。從t=30 s開始，汽車行駛方向的右側(cè)氣流流動方向發(fā)生了改變，由之前的向前流動變?yōu)橄蚝罅鲃印Ｔ斐蛇@一現(xiàn)象的原因主要有以下2 點(diǎn)：①車輛已經(jīng)越過了氣流出口（即樓梯間門）所處的的平面，故而氣體會由于壓差會被向后吸入樓梯間中；②車輛前側(cè)的空氣被推至車庫墻壁后向兩側(cè)擴(kuò)散，形成了回流。

圖3 不同時刻的氣流速度矢量云圖

圖3（e）顯示了汽車停止運(yùn)動后的第60 s時的速度矢量情況。可以看出即便過了1 min，在汽車周圍形成的渦流仍然沒有消失，同時車庫入口附近也形成了新的漩渦區(qū)，這對于污染物的稀釋十分不利。

綜上所述，該車庫的氣流組織形式并不理想。首先，車庫門靠近下側(cè)，導(dǎo)致車庫上側(cè)大部分空間中的氣流速度較慢，均小于0.12 m/s；其次，車庫的氣流出口僅有1 個，且設(shè)置在車庫中部，使得出口右側(cè)的空氣形成回流；最后，由于樓梯間以及配電室的存在，導(dǎo)致配電室右側(cè)的區(qū)域變?yōu)橥L(fēng)死角，室外的潔凈空氣難以抵達(dá)，進(jìn)而會使該區(qū)域的空氣齡較大。

2.2 CO 濃度分布

為了更加清晰地掌握CO 濃度的分布情況，從空間以及時間2 個角度對CO 的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究。車庫當(dāng)?shù)氐氖彝饪諝庵蠧O 質(zhì)量濃度約2mg/m3，故而將CO 濃度分布云圖中低于該指標(biāo)的區(qū)域隱去。

2.2.1 CO 濃度隨空間變化規(guī)律

汽車怠速行駛中，各時段的CO擴(kuò)散特性基本相似，故只選取t=30 s 時予以分析，詳細(xì)結(jié)果見圖4—圖8。

圖4 z=0.4 m 處CO 濃度分布

從圖4 和圖5 可以看出，CO被排出后克服空氣阻力沿著排氣管軸向流動一段距離，待尾氣動量逐漸降低之后，CO卷吸周圍空氣并向上流動形成煙羽。圖6 和圖7 顯示在煙羽形成后，并不會立即擴(kuò)散到周圍，而是由于尾氣與環(huán)境溫度存在溫差，因此有一定的升騰，在達(dá)到距地約0.9 m后，才開始橫向擴(kuò)散，污染周圍空氣。

圖5 z=1.5 m 處CO 濃度分布

圖6 距車尾1 m 處CO 濃度分布

圖7 距車尾2 m 處CO 濃度分布

即便CO會因?yàn)槲矚鉁囟染哂幸欢ǖ纳v，但是熱量相對較小，很快會被周圍環(huán)境平衡。之后由于CO 分子量與空氣分子量接近，CO 將會根據(jù)濃度梯度以及車庫中的氣流組織形式進(jìn)行擴(kuò)散，所以在汽車尾部的尾渦區(qū)域，CO 會發(fā)生再循環(huán)，形成局部高濃度，危害周圍人群的健康。

從圖6—圖8 可以看出，CO濃度沿豎直方向高度的增加而逐漸降低，在z=1.8 m 處，CO 濃度基本已降至室外環(huán)境背景濃度。但是在人體呼吸平面（z=1.5m）附近，CO 濃度仍然較高，達(dá)到我國工作場所有害因素職業(yè)接觸限值［13］，此濃度下的汽車尾氣CO污染可使人達(dá)到重度中毒。

圖8 y=5 m 處CO 濃度分布

除此之外，還對汽車停止運(yùn)動1 min 后車庫中CO濃度分布規(guī)律進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 t=100 s 時不同平面上CO 濃度分布

從圖9 可以看出，3 個截面上的CO 濃度分布大致相同。即便經(jīng)過了1min，汽車停放位置周圍的CO依舊有部分堆積，導(dǎo)致局部CO 濃度顯著高于四周，其中z=0.4、1.5、2.5 m 這3 個截面上的CO 最大質(zhì)量濃度分別為29.3、20.9、21.6mg/m3。整體上看，z=0.4m平面上的CO 濃度略高于另外2 個平面，這是因?yàn)槠嚺艢夤芫嗟馗叨仍O(shè)置為0.4 m，且計算時間僅為60 s，CO氣體的擴(kuò)散還不夠充分。由此可以看出，在車輛停止排放后的短時間內(nèi)，CO沿地下車庫高度方向的擴(kuò)散速度較慢，近地面的CO濃度依舊處于較高水平。

2.2.2 CO 濃度隨時間變化規(guī)律

根據(jù)汽車在車庫中的行駛路徑，在汽車駛過的過道前端與后端分別取1 個檢測點(diǎn)記為A（20，5，1.5）、B（42，5，1.5）（見圖1）。從汽車停放后每間隔2 s，對2 個監(jiān)測點(diǎn)的CO濃度變化進(jìn)行記錄，再由體積濃度轉(zhuǎn)換為質(zhì)量濃度，現(xiàn)場檢測結(jié)果見圖10 所示。

圖10 各監(jiān)測點(diǎn)處的CO 質(zhì)量濃度

從圖10 可以看出，在汽車停放后，監(jiān)測點(diǎn)A處的CO 質(zhì)量濃度隨著時間的增加在單調(diào)遞減，從42 s 時的3.254 mg/m3下降到0.057 mg/m3。這是因?yàn)锳點(diǎn)位于車庫中氣流出入口之間，此處通風(fēng)條件較好，因此排出的CO 能夠很快被稀釋。而監(jiān)測點(diǎn)B處的CO 質(zhì)量濃度隨時間先上升后下降，從開始的14.745mg/m3上升到52s時達(dá)到最大值20.518mg/m3，為我國室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［14］限值的2 倍多，隨后開始逐漸下降，在102 s 時降至3.892 mg/m3。呈現(xiàn)出這個規(guī)律的主要原因是B 點(diǎn)附近的氣流有渦流，致使車輛行駛到此區(qū)域時，排出的尾氣會形成再循環(huán)，因此即便車輛停止運(yùn)行后，也會因?yàn)橹靶旭傊械能囕v排放的污染物不能夠及時稀釋，導(dǎo)致該點(diǎn)CO濃度堆積上升。

3 結(jié)論

1）該車庫由于通風(fēng)出口位置不合理，導(dǎo)致氣流組織形式較差，車庫右側(cè)的區(qū)域形成了漩渦和通風(fēng)死角。

2）怠速行駛中的汽車會引起周圍氣流的擾動，周圍的空氣由于壓差會迅速補(bǔ)充到汽車駛過后的尾部區(qū)域，形成較大的尾渦，造成該區(qū)域的CO 濃度遠(yuǎn)超國家標(biāo)準(zhǔn)限值。

3）行駛中汽車排放的CO 會因?yàn)閯恿肯蚝罅鲃右欢尉嚯x，并且由于溫差的存在向上升騰0.9 m后開始以煙羽的形式向四周擴(kuò)散，整體上CO濃度隨高度增加逐漸降低。

4）車輛熄火停止排放后的1 min內(nèi)，汽車停放位置周圍的CO濃度會因?yàn)檠h(huán)堆積，呈現(xiàn)出先上升后下降的規(guī)律，且仍然明顯高于環(huán)境背景濃度。