公路路面熱輻射對汽車排放NOx擴散特性的影響

王占宇，都雪靜，陳 琳，李金鵬，郭歡歡

（1.東北林業大學 交通學院，黑龍江哈爾濱 150040;2.國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽），湖北襄陽 441004）

公路路面熱輻射對汽車排放NOx擴散特性的影響

王占宇1，都雪靜1，陳 琳2，李金鵬1，郭歡歡1

（1.東北林業大學 交通學院，黑龍江哈爾濱 150040;2.國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽），湖北襄陽 441004）

針對公路瀝青路面熱輻射，建立了三維大氣流動及機動車排放物擴散的CFD仿真模型，進行了非定常三維湍流流動模擬;結合氣象因素及單車排放NOx擴散濃度的實地測試，研究了路面熱輻射對機動車排放物擴散的影響。結果表明:路表加熱作用所產生的熱力環流使得污染物能夠被有效地輸送和擴散至上空，從而使得近地面的污染物濃度下降;隨地表溫度增高，輸送效應增強;在尾氣排放方向處于距排氣口10 m遠處，人的呼吸帶高度處NOx濃度仍然較高;NOx擴散濃度的模擬值與實測值具有較好的符合，驗證了數值模型的可靠性。

環境工程;尾氣擴散;路面熱輻射;數值模擬

0 引言

公路運營期產生的污染主要來自汽車尾氣，公路建設的快速發展及汽車保有量的增加，使機動車排放對公路沿線環境的污染日益嚴重。機動車排放污染物的傳輸和擴散受機動車排放源、氣象因素、地形條件等諸多因素的影響。國內外在機動車排放污染物的擴散規律方面的研究，主要集中在城市街道擴散規律［1-3］及公路擴散的模型［4-5］。謝曉敏，等［6］對日光照射街道峽谷地面時峽谷內氣體運動和機動車排放污染物擴散規律進行了研究;楊文娟，等［7］分析了路面溫度對城市熱島的影響;張新，等［8］分析了瀝青路面對城市大氣受熱的影響。公路路面完全處于自然環境的影響中，經受著持續變化的天氣影響，如太陽輻射、天空輻射及外界氣溫等，從而產生較高的路面溫度。地面附近的空氣受路面的加熱，對空氣流場及汽車排放物的擴散產生重要影響。筆者針對瀝青路面不同地面溫度，考慮機動車排放因子，建立CFD仿真模型，對受公路路面加熱條件下的汽車尾氣擴散進行三維流場的數值模擬，并比較模擬結果與實地采樣分析數據，預測探討公路路面熱輻射對空氣流場和汽車尾氣污染物遷移擴散特征的影響。

1 數值計算模型

數值計算域在x，y，z軸方向上長度為30 m×20 m ×5 m，排氣管直徑為0.06 m，中心距地面0.3 m，排氣方向沿x軸。入口風速u采用實際測得的來流風速，u的值按式（1）定義:

式中:u為污染源排放高度H（m）時的預測風速，m/s;u0為高度H0（m）時的實測風速，m/s，文中以2 m高度的實測風速值定義;m為風速高度指數，取0.15。

數值計算中采用udf函數自定義入口風速隨高度的變化。由于模擬環境的實際風速較低，可以把空氣視為不可壓流體，計算域頂部和兩個側面為自由流動，出流采用充分發展邊界條件;其余采用無滑移固壁邊界條件。湍流模型采用兩方程k-ε模型，污染物濃度采用大氣對流擴散方程［9］。在日光照射下，由于路面與上空的空氣存在溫差，使空氣的密度不均勻，在重力作用下產生浮升力使空氣發生流動，動量方程則需要考慮浮升力。由于空氣的溫差小于30℃，在流體自然對流及傳熱計算中使用Boussinesq假設［10］，在控制方程中，除浮升力項中的密度隨溫度線性變化外，其他各項中的密度及其他的物性都近似地按常物性處理。應用Fluent軟件實現非定常三維流動模擬。

2 樣品采集與分析

2.1 氣象條件測定

試驗地點選取瀝青路面，周圍無高建筑物及其他污染物排放源，以1.6 L排量的某轎車為穩定的排放源。在測試汽車排放物的同時測試氣象條件，采用PC-3型便攜式自動氣象站監測環境溫度、風速、風向等氣象參數。路表溫度采用美國Raytek Raynger ST Pro紅外測溫儀測定，輸出波長630～670 nm。測試時間為2011年6月，天氣晴朗，風速較小，測試結果如表1。

表1 氣象因素及路面溫度測試結果Table 1 Test datasheet on meteorological observation and highway pavement temperature

2.2 氣樣采集與分析

在選定的測試區域內，以汽車排放物NOx為監測對象，進行氣體污染物的監測及相關條件的測試。轎車排氣管距地面高度為0.3 m，測試區域附近無其他NOx排放源。各測試點采用便攜式2020型空氣采樣器采集氣樣，采集位置如圖1。

圖1 氣樣采集位置分布（單位:m）Fig.1 Positional distribution of contaminative gas sample collection

對離地面 0.3，0.9，1.5 m 各高度進行同時監測，在同一高度上的長寬為10 m ×5 m的矩形各點進行監測。分析方法按照GB/T 15436—1995《環境空氣氮氧化物的測定Saltzman法》，用TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計進行吸收液吸光度值的測試，完成NOx濃度的分析。用PC-3型便攜式自動氣象站監測環境溫度、風速、風向等氣象條件。

3 數值模擬結果與監測結果分析

發動機處于穩定怠速工況，轉速為750 r/min;排氣尾流排放速度由實際測得，為5.8 m/s;排氣管出口處尾氣溫度為36.5℃，出口處NOx體積濃度為1 300 × 10-6。圖 2為風速 0.2 m/s，環境溫度25.2℃，瀝青路面溫度31.2℃條件下NOx體積濃度計算結果。

圖2 NOx體積濃度分布Fig.2 Distribution of NOxvolume concentration

由圖2可以看出，在大氣風速及地面加熱等外界因素作用下，汽車排放NOx在大氣中迅速擴散，隨著距排氣管距離增加濃度逐漸降低;在高度方向上，污染物濃度隨高度增加則呈現出先增高后逐漸降低的趨勢，其原因在于排氣管距地面有一定高度所致。

由于排氣管排放口位置處于近地面，致使近地面處NOx濃度較高;隨距排氣口距離增加，在大氣風、湍流混合、環境溫度、地面熱輻射造成的溫度梯度及物質輸運等因素的共同作用下，氣體向上空擴散，濃度值迅速降低;在處于距排氣口10 m遠處，人的呼吸帶高度處NOx濃度仍然較高。

選取大氣風速均為0.2 m/s的1，4，7組，距地面分別為0.3，0.9，1.5 m 各監測點 NOx的體積濃度模擬值與實測值（將實測的質量濃度轉換為體積濃度）列于表2中。

圖3為bb'、ee'鉛垂線上各高度NOx在不同地面溫度條件下的模擬濃度對比。圖4為bb'、ee'鉛垂線NOx濃度模擬值與實測值對比。ee'鉛垂線為幾何模型中對稱面上距離排氣口10.5 m處的鉛垂線。

圖3 bb'和ee'鉛垂線不同路面溫度時NOx模擬濃度對比Fig.3 Comparison of NOxconcentration with CFD on the plumb line bb'＆ee'of different asphalt pavement temperature

圖4 bb'和ee'鉛垂線NOx濃度模擬值與實測值對比Fig.4 Comparison of NOxconcentration with CFD and observations on the plumb line bb'＆ee'

由圖3可以看出，在排氣管軸心所在鉛垂面NOx濃度較高，在相同大氣風速條件下，bb'鉛垂線上NOx濃度在同一高度上隨地面溫度的增加呈現較高值。表明地面熱輻射對近地層空氣流動產生一定影響，從而對汽車排放物的擴散遷移產生影響，也是瀝青公路路面產生鏡面效應的重要因素。由圖4可以看出，NOx濃度模擬值與實測值相比，最大誤差為9.89%，驗證了建立的CFD仿真模型的可靠性，產生誤差的主要原因是測試采用小時平均濃度，在1 h內風速風向存在瞬時變化，仿真時雖考慮風速風向的變化，但在邊界條件輸入時仍存在一定的偏差。

4 結語

為了研究公路瀝青路面熱輻射對機動車排放物擴散的影響，建立了三維大氣流動及機動車排放物擴散的CFD仿真模型，以實地測試的氣象因素及地面溫度為邊界條件，模擬了實際大氣條件下污染物NOx的傳輸擴散過程。對單車排放的NOx擴散濃度進行了實地測量，數值模擬結果與之比較，最大誤差為9.89%，驗證了數值模型的可靠性;在尾氣排放方向處于距排氣口10 m遠處，人的呼吸帶高度處NOx濃度仍然具有較高值。瀝青路面熱輻射所產生的熱力環流，使機動車排氣污染物能夠被有效地向上空輸送和擴散，從而使得近地面的污染物濃度下降，這是公路產生鏡面效應的重要因素，也是產生局地熱島現象的原因所在。

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Influence of Highway Pavement Thermal Radiation on Diffusion Characteristics of Automobile Emission NOx

Wang Zhanyu1，Du Xuejing1，Chen Lin2，Li Jinpeng1，Guo Huanhuan1
（1.School of Traffic，Northeast Forestry University，Harbin 150040，Heilongjiang，China;
2.Xiangyang National Automobile Quality Supervision Test Center，Xiangyang 441004，Hubei，China）

In order to study the diffusion characteristics of automotive emission NOxunder the condition of highway pavement thermal radiation，the CFD simulation models of automobile emission NOxdispersion in real atmospheric environment were built.The numerical simulation of three-dimensional unsteady turbulent flow was achieved，combining with the test of meteorological parameters and measured concentration of single vehicle;the diffusion characteristics of NOxwere obtained.The results show that with the increase of pavement temperature，transportation effect on automobile emission is enhanced.At 10m vertical distance to the exhaust port along the direction of the automobile exhaust，at the height of Person’respiratory level，the NOxconcentration still has a higher value.The numerical results are compared with the measured concentration and a good agreement is achieved，as well as the reliability of the CFD model is validated.

environmental engineering;pollutant diffusion;highway pavement thermal radiation;numerical simulation

U461

A

1674-0696（2013）02-0234-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.14

2012-09-16;

2013-01-04

國家自然科學基金項目（51108068）;黑龍江省教育廳科技項目（11553025）;中央高校基本科研業務費專項資金項目（DL12CB03）

王占宇（1975—），男，吉林集安人，副教授，工學博士，主要從事交通環境方面的研究。E-mail:zywang77@yahoo.com.cn。

都雪靜（1975—），女，吉林通化人，副教授，工學博士，碩士生導師，主要從事交通環境與安全技術方面的研究。E-mail:duxuejing@yahoo.com.cn。