背風壁面熱流對開窗建筑顆粒傳播的影響

張甫仁,何瀟楠,李 娜,陶嘉祥,朱世保

(1.重慶交通大學 機電與汽車工程學院，重慶400074；2.重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 401147)

背風壁面熱流對開窗建筑顆粒傳播的影響

張甫仁1,何瀟楠1,李 娜1,陶嘉祥2,朱世保2

(1.重慶交通大學 機電與汽車工程學院，重慶400074；2.重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 401147)

以汽車尾氣釋放的細微顆粒作為污染物研究對象，選取某住宅小區(qū)為背景建立了相應的物理模型。以三維湍流模型為基礎(chǔ)，采用CFD軟件在不同背風壁面熱流密度情況下，對不同風速、不同風向工況下的開窗建筑周圍流場進行了數(shù)值模擬計算，分析了不同情況下顆粒濃度分布的規(guī)律。結(jié)果表明：背風壁面有熱流的開窗建筑，偏向風更有利于建筑街區(qū)內(nèi)部的顆粒污染物隨風向建筑外側(cè)的運輸；風速對不同位置處的顆粒的稀釋作用是有一定臨界值的，超過臨界值則會阻礙顆粒物的傳播；背風壁面熱流所形成的熱效應對流場以及污染物的影響視風速大小不同而有所差異，對于較小風速，顆粒污染物的傳播主要受熱泳力的驅(qū)動，而較大風速時，風場則起著主導作用。

環(huán)境工程；背風壁面，熱流密度，熱泳力，數(shù)值模擬

0 引 言

近年我國東部部分地區(qū)經(jīng)常性出現(xiàn)灰霾天，造成灰霾天的元兇則是空氣中的細微顆粒物聚集。相關(guān)研究顯示顆粒物質(zhì)的濃度與兒童肺功能下降、城市居民死亡率等的關(guān)聯(lián)性比較高[1-5]。在此背景下，顆粒污染物如何在建筑周圍傳播受到越來越多的關(guān)注。

已有相當多的學者[6-8]對建筑空間(包括街谷與建筑群)中風場對污染物擴散、溫度場對污染物擴散以及室內(nèi)外顆粒物污染特性等規(guī)律進行了研究，且在對風場的研究中還考慮到了建筑物模型。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)時不同熱流密度、風速情況下室外顆粒污染物在建筑周圍傳播規(guī)律的研究，筆者將針對這一問題展開討論和研究。

1 物理模型

筆者選取了對稱分布的住宅小區(qū)作為研究對象。由于該住宅小區(qū)呈對稱分布，為適用計算機的內(nèi)存容量，建立了物理模型，如圖1。

圖1 住宅小區(qū)物理模型Fig.1 Physical model of residential area

圖1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45 m×15 m×15 m(長×寬×高)，建筑之間街谷的寬度為20m。計算流域的尺寸如圖2。每棟建筑都布置有15個開窗房間，房間尺寸為3 m×15 m×3 m，建筑兩側(cè)的窗口面積相等，建筑立面開窗房間示意如圖3。根據(jù)已有的研究結(jié)果[9]，冬季建筑壁面的熱流密度很小，只考慮壁面自身散熱情況，可設定熱流密度為0；春秋兩季壁面熱流密度稍高，不可忽略，可取值為40 W/m2；而夏季太陽輻射最強，壁面熱流也最高，可取70 W/m2。因此在不同壁面熱流(0，40，70 W/m2)和不同風速(1，1.9，2.5 m/s)情況下分析熱效應對室外顆粒污染物向室內(nèi)傳播規(guī)律的影響?？紤]到熱流密度會對流體密度產(chǎn)生影響，筆者采用Boussinesq假設，對密度僅僅考慮動量方程中與質(zhì)量有關(guān)的項，其余各項中的密度亦作為常數(shù)。

圖2 計算區(qū)域(單位：m)Fig.2 Calculation area

圖3 建筑立面開窗房間示意(單位：m)Fig.3 Schematic of window opening room in building facade

2 數(shù)值模型

筆者研究顆粒污染物在大氣介質(zhì)中的傳播過程，屬于兩相流研究。綜合來看，研究兩相流的方法，目前存在3種：歐拉-歐拉、歐拉-拉格朗日、拉格朗日-拉格朗日法等。筆者將采用歐拉-拉格朗日方法，將氣體設定為連續(xù)相，顆粒設定為離散相，來研究建筑空間中顆粒污染物的傳播特性。

2.1 連續(xù)相模型(標準k-ε模型)

標準k-ε模型的基礎(chǔ)是渦黏模型，并且有別于代數(shù)模式，其在渦黏系數(shù)中增加了部分歷史效應。通過這種方法考慮渦黏系數(shù)和湍動能及湍動能耗散的關(guān)系，采用量綱分析的方法，可以將渦粘系數(shù)寫作：

(1)

式中：Cμ是無量綱系數(shù)。

2.2 離散相(DPM)模型

Fluent中的離散相模型假定第二相(分散相)非常稀薄，因而顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分散對連續(xù)相的影響均未加以考慮。這樣就能模擬分散相質(zhì)量流率不小于連續(xù)相的流動[10]。

對于穩(wěn)態(tài)離散相的設定求解的過程一般如下：

1) 求解連續(xù)相流場；

2) 創(chuàng)建離散相噴射源(射流源)；

3) 求解耦合流動；

4) 用Plot或Report圖形界面跟蹤離散相。

對于非穩(wěn)態(tài)離散相的設定、求解的過程如下：

1) 創(chuàng)建離散相噴射入口；

2) 初始化流場；

3) 設定求解的時間步數(shù)和時間步長。

2.3 邊界條件的設定

文中顆粒源為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2.5，1.0，0.1μm等3種，顆粒密度1 550kg/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：連續(xù)相數(shù)學模型選用適用范圍廣、計算精度高的標準k-ε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=0.237 5,并設置為速度入口。出口和計算域上部截面采用壓力出口，計算區(qū)域前后側(cè)面采用對稱邊界，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：壁面對稱面均為反射邊界條件，并且恢復系數(shù)均為1.0，速度入口、壓力出口均采用逃逸邊界條件。粒子追蹤選擇非定常追蹤。

3 模擬計算結(jié)果及分析

3.1 對建筑周圍流場分布的影響

對比分析不同風速、不同建筑背風側(cè)壁面熱流情況下，Y=3.4m截面的流場分布情況。

圖4是壁面無熱流情況不同風速流場。從圖4中可以看出，3種風速情況下，其流場分布類似。建筑街谷內(nèi)部以及建筑兩側(cè)都有渦流產(chǎn)生，并且越靠近建筑橫向邊緣所形成的漩渦越明顯。在通風室內(nèi)，流經(jīng)房間的風的速度很小，風速為1m/s的情況不足0.4m/s，風速為1.9m/s的情況不足0.5m/s，風速為2.5m/s的情況不足0.8m/s。只在迎風側(cè)建筑的背風室內(nèi)，由于建筑街谷順時針渦流以及室內(nèi)自身存在的渦流共同作用，其流過的風速稍高。隨風速增加，建筑周圍流場擾動加強，街谷內(nèi)部渦流也隨之更加靠近背風側(cè)建筑，通風室內(nèi)房間的氣流速度也有所增加。

圖4 壁面無熱流情況不同風速流場Fig.4 Flow field diagram at different wind speed of case without heat flux

圖5是壁面熱流為40 W/m2情況不同風速流場。在Y=3.4 m截面上，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，風速為1 m/s時，街區(qū)兩側(cè)無明顯的渦流，反而內(nèi)部受熱羽流的影響只在靠近迎風側(cè)建筑背風面附近形成較小的漩渦。隨風速增加，街區(qū)兩側(cè)會形成兩個明顯的主漩渦。并且其分布情況與圖4(b)相似，不同的是，由于迎風側(cè)建筑的背風面有一定的熱流密度，在水平方向上存在溫度梯度，高溫區(qū)域流體膨脹，區(qū)域流體收縮，這樣就產(chǎn)生了較強的氣流交換，增加了流體之間的擾動，進而使建筑街谷內(nèi)部的空氣流速增大，速度大于0.5 m/s的流場區(qū)域擴大。

圖5 壁面熱流為40 W/m2情況不同風速流場Fig.5 Flow field diagram at different wind speed of case with heat flux of 40 W/m2

圖6是壁面熱流為70 W/m2情況不同風速流場。風速為1 m/s時，熱羽流與街區(qū)內(nèi)以及外部的對流交換增強，致使高速區(qū)集中在靠近建筑中心面處的位置，并且形成兩個明顯的渦流，出現(xiàn)分流的現(xiàn)象。隨風速增大，在風速為1.9以及2.5 m/s時，分流現(xiàn)象消失，只在兩側(cè)有渦流形成。

圖6 壁面熱流為70 W/m2情況不同風速流場Fig.6 Flow field diagram at different wind speed of case with heat flux of 70 W/m2

綜合比較4～圖6，從每一截面高度處的流場分布都可以看出，壁面熱流密度一定時，風速越大，建筑街谷以及通風室內(nèi)的流場擾動越強，在通風室內(nèi)產(chǎn)生的氣流速度也越大。風速一定時，背風壁面熱流密度對建筑周圍流場的影響視風速大小而有所差異。較小風速時，背風壁面受熱形成的熱羽流對風場影響明顯，隨熱流密度增加，建筑街區(qū)內(nèi)部的渦流很明顯地向中心面靠近，并出現(xiàn)分流的趨勢，通風房間室內(nèi)的風速也有所增加。較大風速時，壁面熱流密度對流場的影響不再明顯，各壁面熱流密度時的流場分布相似，只在街區(qū)內(nèi)部流速稍高的區(qū)域有所增加。

3.2 對建筑周圍顆粒物濃度分布的影響

背風壁面熱流不同情況下形成的流場分布,會直接影響到建筑街谷內(nèi)細微顆粒在室內(nèi)和室外的擴散傳播。為了研究不同季節(jié)其規(guī)律，筆者對不同風速、建筑壁面熱流情況下，建筑周圍顆粒物濃度的分布情況(顆粒物濃度為在標準狀態(tài)下氣體每單位體積含塵重量數(shù))進行了研究。選取的研究剖面為Y=3.4，8.2，13.0 m這3種帶有開窗的典型剖面。

圖7是壁面無熱流情況不同風速顆粒濃度分布。觀察Y=3.4 m截面上的3幅圖可以看出，在建筑橫向的兩側(cè)邊緣均有渦流產(chǎn)生，并且街谷內(nèi)部的污染源對迎風側(cè)建筑通風室內(nèi)幾乎沒影響，只對背風側(cè)建筑有通風的房間造成污染。屋頂風速較小的情況，污染物形成的渦流在兩棟建筑的中間位置，并且在迎風側(cè)建筑背風面的位置濃度較高，隨風速增加，正X方向上的渦流向背風側(cè)建筑移動，負X方向上的渦流向迎風側(cè)建筑移動。風速為1 m/s時由于建筑兩側(cè)有繞流，顆粒主要隨流場直接從建筑兩側(cè)向前傳播，對室內(nèi)污染程度較低，而建筑中部風速較低，進入室內(nèi)的顆粒也比較少。然而，風速為1.9 m/s時建筑周圍整體風速較高，橫向兩側(cè)雖有繞流，但因流經(jīng)室內(nèi)的風速稍高，并且與街谷內(nèi)部的渦流共同作用，致使顆粒污染物進入室內(nèi)，對室內(nèi)空氣造成污染，建筑中部也由于風壓的作用，只能從室內(nèi)通過，因此也有一定程度的污染，只是較邊緣建筑污染程度稍低。當風速達到2.5 m/s時，背風建筑通風房間的受到污染的范圍有所擴張，并且建筑橫向兩側(cè)顆粒的濃度有所降低，相反，街區(qū)中部顆粒濃度反而比風速為1.9 m/s時有所增加。再觀察Y=8.2 m截面上不同風速情況的顆粒濃度分布，依然是邊緣區(qū)域濃度較高，中間位置濃度較低，但相比與Y=3.4 m截面上不同風速下的顆粒濃度，顆粒已經(jīng)有向中間部位聚攏的趨勢。Y=13 m截面上不同風速情況下的顆粒濃度與Y=8.2 m的情況相似，其規(guī)律具有一致性。

圖7 壁面無熱流情況不同風速顆粒濃度分布Fig.7 Particle concentration diagram at different wind speed of case without heat flux

圖8是壁面熱流為40 W/m2情況下不同風速顆粒濃度分布。每一高度截面上3種風速情況的顆粒濃度分布差別較大，這主要是因為風速較低時，建筑壁面受熱形成的熱羽流的影響顯著，顆粒的運動主要受熱泳力的驅(qū)動，從溫度較高的區(qū)域向溫度較低的區(qū)域移動，因此背風壁面處的顆粒濃度較高，向街區(qū)內(nèi)部傳播的速度較慢。而風速較高時，熱泳力作用不如風場作用明顯，顆粒傳播主要隨風場運動，因此整體來看傳播到街區(qū)內(nèi)部的顆粒濃度要高一些。

圖8 壁面熱流為40 W/m2不同風速顆粒濃度分布Fig.8 Particle concentration diagram at different wind speed of case with heat flux of 40 W/m2

圖9是壁面熱流為70 W/m2情況不同風速顆粒濃度分布。分別觀察Y=3.4，8.2，13.0 m剖面上的濃度分布，不同風速情況下其顆粒濃度分布與圖8相應情況下的相似，但是由于背風壁面熱流更大，因此顆粒的熱泳現(xiàn)象更加顯著。3種風速情況下進入背風建筑通風房間的顆粒濃度都比低壁面熱流密度的情況稍高，建筑街區(qū)內(nèi)部停留的顆粒也相對減少。

圖9 壁面熱流為70 W/m2不同風速顆粒濃度分布Fig.9 Particle concentration diagram at different wind speed of case with heat flux of 70 W/m2

綜合比較圖7～圖9，建筑街區(qū)內(nèi)部的污染物主要對背風建筑橫向兩側(cè)的通風房間造成污染。背風壁面無熱流時，隨風速增加，建筑街區(qū)內(nèi)部的渦流逐漸從中間位置向兩側(cè)靠近建筑的方向移動，并且對背風建筑的污染區(qū)域逐漸從橫向兩側(cè)向中間部位擴張，顆粒濃度也有所增加：當風速增加到一定程度時，街區(qū)橫向兩側(cè)顆粒污染物濃度降低，顆粒向街區(qū)中部聚集，濃度增加。背風壁面有熱流時，較低風速情況下，顆粒的傳播主要受熱羽流而產(chǎn)生的熱泳力的驅(qū)動，從溫度較高的區(qū)域向溫度較低的區(qū)域移動，風場的作用相對較小。隨背風壁面熱流密度增加，顆粒熱泳作用加劇，顆粒從迎風側(cè)建筑背風面向背風側(cè)建筑的擴散速度增加，致使街區(qū)內(nèi)部顆粒分布稀疏，有利于街區(qū)污染物的擴散；而進入背風側(cè)建筑通風室內(nèi)的濃度增大，使對背風側(cè)建筑的污染加重。而較高風速情況下，熱泳力的影響較弱，顆粒傳播主要受風場的作用，隨空氣流動而擴散，同時受熱泳力的輔助影響，隨壁面熱流增加，街區(qū)內(nèi)部的顆粒較容易被稀釋，而背風側(cè)建筑橫向兩側(cè)通風房間的污染程度增加。

4 結(jié) 論

1)從流場分布來看，對于一定背風壁面熱流的風場，隨風速增加，其風場流動性增強。對于一定風速的風場，背風壁面熱流對流場的影響視風速大小而不同，較低風速時，隨背風壁面熱流增加，風場流動性增強，流向通風室內(nèi)的風速也有所增加。較高風速時，其熱效應對流場的影響則不明顯。

2)從顆粒濃度分布來看，一定的背風壁面熱流時，隨風速增加，顆粒隨風運動向背風側(cè)建筑的速度加快，使背風側(cè)建筑通風房間容易受到污染；但對于街區(qū)內(nèi)部的顆粒污染物來說，當風速增加到一定范圍時，其對邊緣區(qū)域的污染物稀釋作用明顯，對中部的污染物稀釋有阻礙作用。低風速情況下，顆粒污染物的傳播主要受熱效應的影響。在熱泳力的驅(qū)動下，顆粒從溫度較高的區(qū)域向溫度較低的區(qū)域運動，對背風側(cè)建筑通風房間造成污染。壁面熱流越大，顆粒向背風建筑的運動越劇烈，受污染程度也越大。而高風速情況下，顆粒污染物的傳播過程中流場的影響起主導作用，熱效應起輔助影響作用。

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The Effect of the Leeward Wall Heat Flux on the Particle Concentration Distribution of the Buildings

ZHANG Furen1, HE Xiaonan1, LI Na1,TAO Jiaxiang2, ZHU Shibao2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China; 2.Nanjiang Hydrogeological and Engineering Geological Party，Chongqing 401147，P.R.China)

A physical model was established by choosing some residential area as example to study the pollutant of fine particles existing in vehicle exhaust gas. Based on three-dimensional turbulant model and by use of CFD software, air flow field surrounding window-opened building under such conditions of different leeward wall surface heat flow density, under different wind velocity and different wind loading cases was simulated and calculated by numerical model.The law of the particle concentration distribution under different situations was analyzed. The results show that for the window-opened building with its leeward wall surface with heat flow, yaw wind facilitates more in transporting the particle pollutants along with the wind from interior of building street to outside the building area. A certain critical value exists for wind effect in diluting particles at different locations and any exceeding of the critical value will block the spreading of the particles. The thermal effect field formed by leeward wall surface heat flux and impact on pollutants vary depending on wind speeds. In case of smaller wind speed, the spreading of particle pollutants primarily is driven by thermophoretic force, while for greater wind speed, the wind field dominats.

environment engineering; leeward; heat flux density; thermophoretic force; numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.21

2015-07-01；

2016-01-12

張甫仁(1975—)，男，四川南充人，教授，博士后，主要從事暖通與熱能領(lǐng)域方面的研究。E-mail:zh_feixue@163.com。

X502

A

1674-0696(2016)05-103-07