室外顆粒污染物的傳播特性研究

李雪洋

(重慶交通大學機電與汽車工程學院，中國 重慶 400074）

隨著生活水平的提高，室內(nèi)外環(huán)境的空氣品質(zhì)備受人們關(guān)注。已有相當多的學者對建筑空間（包括街谷與建筑群）中風場以及對污染物擴散[1]、溫度場以及對污染物擴散、室內(nèi)外顆粒物污染特性[2]等規(guī)律進行了研究，但是這些研究中都將建筑物簡化為了封閉的長方體，鮮有針對建筑壁面存在通風口（門或窗口）時以及不同窗口開啟度情況下室外顆粒污染物在建筑周圍傳播規(guī)律的研究，根據(jù)已有實測調(diào)查數(shù)據(jù)（東華大學實測調(diào)查數(shù)據(jù)），選取不同建筑窗口開啟度進行數(shù)值模擬計算，分別為：不開窗、中等窗口開啟度（窗口總面積與建筑立面面積之比為4.44%）、高等窗口開啟度（窗口總面積與建筑立面面積之比為9.78%）。根據(jù)模擬計算，分析不同窗口開啟度對建筑周圍流場、壓力場的變化規(guī)律。

1 物理模型及數(shù)值方法的描述

本文的研究對象選取了對稱分布的住宅小區(qū)為模型背景，建立了如圖1所示的物理模型：

圖1 住宅小區(qū)物理模型

圖中，計算模型的坐標系中X=0位于前棟建筑的橫向中心，Y=0位于地面，Z=0位于前棟建筑迎風面，方形建筑尺寸為15m×45m×15m(寬×長×高)，建筑之間街谷的寬度為20m。每棟建筑都布置有15個開窗房間，房間尺寸為3m×15m×3m(寬×長×高)，建筑兩側(cè)的窗口面積相等，當窗口尺寸為1m×2m時表示中等窗口開啟度，當窗口尺寸為2m×2.2m時表示高等窗口開啟度。本文劃分網(wǎng)格選取非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，本文的網(wǎng)格數(shù)為177萬。

2 邊界條件的設定

本文選用以歐拉—拉格朗日方法為基礎的DPM模型。將氣體相視為三維連續(xù)不可壓縮流體，在歐拉坐標系下滿足N—S方程；將顆粒相視為離散體系，通過積分拉氏坐標系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。

本文顆粒源為1m寬的面源，位于街谷中央，顆粒源的質(zhì)量流量為3g/s，由于顆粒污染物選取室外PM2.5，因此顆粒粒徑選取 2.5μm，顆粒密度取1550kg/m3。采用數(shù)值方法模擬計算的邊界條件設置如下。

連續(xù)相邊界條件：采用標準模型（雙方程模型）。對整個計算域來說，入口采用UDF根據(jù)風速隨高度變化曲線編寫的速度廓線，其中地面粗糙度 m=0.2375,并設置為速度入口（velocity inlet）。

出口和計算域上部截面采用壓力出口(pressure outlet)，計算區(qū)域前后側(cè)面采用對稱邊界（symmetry）,所有建筑壁面以及地面采用無滑移邊界條件。求解器選擇定常壓力求解器。

離散相邊界條件：壁面（wall）、對稱面（symmetry）均為反射（reflect）邊界條件，并且恢復系數(shù)均為 1.0，速度入口（velocity inlet）、壓力出口(pressure outlet)均采用逃逸（escape）邊界條件。粒子追蹤選擇非定常追蹤。

3 模擬計算結(jié)果及分析

3.1 不同窗口開啟度流場分布

建筑立面兩側(cè)有通風口時，會在室內(nèi)形成穿堂風，這樣就會對建筑周圍以及室內(nèi)的流場產(chǎn)生影響。通過模擬分析得到，當來流風沿街谷垂直方向吹向建筑小區(qū)時，風流在兩建筑中間及其前后都形成順時針渦流，并且在迎風建筑的背風側(cè)流線沿豎直方向向上，形成“爬墻效應”。中心面（X=0）處渦流主要聚居在背風建筑的迎風側(cè)，接近屋頂高度。隨著剖面向建筑邊緣移動，渦流位置逐漸向下移動，并且略微向迎風建筑背風側(cè)靠近。

由穿堂風引起的建筑空間整個流場的擾動，與建筑之間的流場共同作用，加強了氣流沿豎直方向的速度，造成建筑之間漩渦形成的位置發(fā)生改變，渦流更加靠近背風建筑迎風面。由此可見，窗口開啟度越大，對建筑小區(qū)街谷內(nèi)氣流沿豎直方向的強化作用越強。當空氣流體攜帶顆粒運動時，有利于顆粒污染物向高空擴散。此外，窗口開啟度加強了迎風建筑室內(nèi)空氣擾動，強化了穿堂風速，而背風建筑則影響不大，氣流速度相對較低，顆粒污染物到達背風建筑后不容易向遠處傳播擴散。

3.2 不同窗口開啟度靜壓分布

窗口開啟程度必然會對室內(nèi)外壓力差產(chǎn)生影響，因此分析壓力場的變化是必要的。在建筑的典型位置（不受開窗氣流干擾）處設定了壓力監(jiān)測點，對各點處靜壓隨高度變化進行分析。通過模擬分析得到迎風建筑的迎風側(cè)以及背風建筑的背風側(cè)各點的靜壓值受窗口開啟度的影響較小，靜壓值隨高度變化規(guī)律相似，而建筑街區(qū)內(nèi)側(cè)各靜壓值受窗口開啟度影響較大，不可忽略。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法，分析建筑立面不同開窗情況下建筑周圍污染物傳播的流場、壓力場變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）建筑立面有自然通風房間時，窗口開啟度越大，對豎向氣流的強化作用也越大，有利于氣流攜帶污染物的傳輸。

2）迎風建筑的迎風側(cè)以及背風建筑的背風側(cè)各點的靜壓值受窗口開啟度的影響較小，靜壓值隨高度變化規(guī)律相似，而建筑街區(qū)內(nèi)側(cè)各靜壓值受窗口開啟度影響較大，不可忽略。

3）位于建筑中心面附近的通風住戶受到污染的程度比邊緣處住戶的大，位于建筑底層的通風住戶受到的污染程度比上層住戶的大。因此位于容易受污染位置的住戶應該加強防污措施，對建筑小區(qū)進行設計時也應考慮到這方面因素，加大前后建筑間的距離，以降低對住戶的污染。

［1］張小偉.住宅小區(qū)污染物擴散的數(shù)值模擬分析[J].低溫建筑技術(shù),2008,26(1)：121-123.

［2］王遠成,吳文權(quán).不同形狀建筑物周圍風環(huán)境的研究[J].上海理工大學學報,2004,26(1)：19-23.