汞蒸氣在參差建筑街區中沉積過程模擬

趙福云,肖 婷,李 林,梅碩俊,劉呈威,王漢青

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汞蒸氣在參差建筑街區中沉積過程模擬

趙福云1,2*,肖 婷1,李 林1,梅碩俊2,劉呈威2,王漢青1

(1.湖南工業大學土木工程學院,湖南 株洲 412000；2.武漢大學動力與機械工程學院,湖北 武漢 430072)

利用計算流體動力學方法,分別選用參差比為0.0, 0.2, 0.4, 0.6和0.8等5種建筑模型,探討了在水平自然風條件下重密度污染源(汞)在不同參差比建筑物間的沉積過程,以及街區內行人層汞濃度與建筑參差比之間的關系.模擬結果發現,城市街區建筑物高低錯落分布的布局會促進高空汞污染源在行人層的聚集,使得街區行人層汞濃度明顯增大;并且隨著街區建筑物參差比的增大,最高汞濃度值所在的街道有序地靠近來流上游,而較高建筑物背風面街道行人層汞質量流量明顯高于較矮建筑物背風面街道行人層汞質量流量.

參差比；汞沉積；計算流體動力學；城市街區通風

汞是一種有毒的重金屬元素,是唯一在常溫下可蒸發的金屬,其蒸汽無色無味,密度比空氣重7倍,無論汞蒸汽本身還是其化合物都有著很大的毒性[1].自工業革命以來,化石燃料的燃燒、有色金屬的冶煉以及其他行業汞的應用,都使得環境中汞的濃度顯著增加[2].當汞污染進入人類活動區域時,部分汞能被溶解或者被雨水收集,也有部分汞能自身參與復雜的大氣化學過程,被轉化成其他形態的汞,從而達到被清除的效果,但還有一部分汞會通過陸—氣交換過程降至地表,然后二次揮發進入人群周圍的空氣,積聚在人類的生活區域,對人體健康造成嚴重危害[3],有學者也提出了許多在人居環境中對汞污染進行治理的有效方法[4].

隨著現代化城市的發展,排列緊湊的建筑群使得污染物不容易擴散,探究高密度建筑群中污染物擴散的方式以及城市建筑結構的不同對污染物擴散的影響成了國內外研究的熱點.有學者研究了包括街道高寬比不同情況下重密度污染物的擴散[5-7];還有學者基于簡化模型研究了街道峽谷幾何形態與污染物沉積效率關系[8-9],提出了一系列控制城市街區污染物聚集的策略,如降低了城市建筑密度和街區高寬比[10];同時有學者發現,略有錯落的建筑布局有利于獲取更好的通風條件[11];如當污染物產生于行人區時,建筑體之間有更大參差比(standard deviationσ= (2-1)/(2+1)=d/0)時更有利于污染物的擴散[12].但汞由于密度大、易沉降、易揮發的性質,與普通污染物以被動標量的形式輸運的方式有所不同.國內外許多學者對不同地區汞的垂直分布特征進行研究,得到氣態汞在不同環境條件下的一些分布規律[13-15].在郊外工業區煙囪中產生的汞會在水平自然風的驅動下進入城區,并有可能沉積在城市居民經?；顒拥男腥藢?離地0~2m的區域[16]),直接對人體健康產生危害.

面對如今復雜的城市街區結構以及隨時隨處可能爆發的城市污染,一些不易被自然風帶走而沉積在城區各個街道的重密度污染物成為了危害行人健康的安全隱患.因此,如何快速找到污染最嚴重的街道并對城市污染進行及時有效的處理是環境科學研究人員刻不容緩的責任.而汞蒸氣作為重密度氣態污染物的代表,研究其在建筑高度變化城區的沉積規律有利于幫助解決一定的城區污染問題.本文擬在前人的研究基礎上,利用數值模擬的方法,對汞在建筑物高低錯落分布的建筑群中的沉積機理進行研究.

1 數值計算模型

1.1 街區模型

本文參考了Hang等[17]的模型數據,將城市街區簡化為二維問題,采用計算流體動力學(CFD)方法模擬計算汞在街區中的沉積過程.以工況[18-42,0.4]的模型為例,建筑模型尺寸如圖1所示.

由圖1可知,建筑模型由8排不同高度的建筑交替排列(建筑寬度為,街道寬度為),2種建筑的高度1、2通過參差比(σ)為0.4計算.其中,1=18m是第1、3、5、7排建筑的高度,2=42m是第2、4、6、8排建筑的高度,計算模型與實際模型的比例為1:1,背景風假設為自左向右的中性分層風,第一排建筑的外側為上風向的迎風面.

表1 建筑模型的幾何參數Table 1 Geometric parameters of buildings

注:工況名稱表示[1-2,σ].

本文共設定了5個工況,工況參數如表1所示.參數的計算依據為在建筑高度相等的情況下(1=2=30m),以0=30m為基準線增加或減小相鄰兩排建筑高度,達到參差不齊錯落有致的建筑布局效果.

1.2 數學模型

假設空氣為不可壓等溫流體,本文采用FLUENT軟件模擬穩定狀態下的等溫流場.用標準模型對湍流流動進行計算,利用SIMPLE算法來迭代求解壓力-速度耦合方程,為了降低數值解的震蕩獲得較精確的解,對流項全部采用二階迎風格式計算,各項收斂殘差均設置為10-5.

每一個工況中定義一個正方形區域(方向范圍:-33~-30m,方向范圍:60~63m)為汞源位置,研究在入口風的影響下,汞蒸汽散布到街區內的情況.汞源以恒定的速率產生汞蒸氣,穩態下的汞蒸氣的組分輸運方程如下:

式中:u為時均速度,K=ν/S,ν為湍流運動粘度,S為施密特數;S是污染物的生成速率,為0.0075kg/(m3·s).

1.3 模型驗證

為了充分驗證數值模型的可靠性,本文將計算結果與風洞實驗結果進行了比較.Brown等[18]的大氣邊界層風洞中對建筑群內的空氣流動進行了測量[18].基于這一實驗,本文構造了與風洞模型一致的數值計算模型,并在4個測量位置(圖2中的A~D)對時均速度、湍流動能和湍流耗散進行了對比,測量線位置設定如圖2所示.共采用了3種雷諾時均湍流模型,分別是標準模型,Realizable模型和RNG模型,然后將風洞實驗4個豎直測量線上的時均速度(U)與數值模擬結果進行了對比,如圖3所示.對于時均速度的計算,3個湍流模型的計算結果與風洞計算結果都十分接近,對比于Realizable模型和RNG模型,標準模型在各個位置的時均速度與風洞測量的結果最為接近,故本文采用標準對建筑擾流進行計算是比較合理的.

1.4 計算域和邊界條件

所有工況的計算域的定義尺寸以及邊界條件如圖4所示.

入口風速設置成垂直方向上的梯度風[19]:

式中:()為高度處的水平風速,m/s;為離地面高度,U=2m/s是當建筑高度為2而=0.35時的靜風速.湍流動能和耗散率則通過下兩式進行計算:

式中:為湍流動能,m2/s2;U=0.19m/s為地面摩擦速度;為馮卡門常數,取0.40;為標準閉合方案的常數,取0.09;8×2為計算域的高度.計算域的頂部邊界條件設定成symmetry以保證計算域頂部平行流的實現.出口邊界設置為outflow用來模擬街區中自然擾動狀態的充分發展流.所有的建筑物表面及地面邊界條件設置為無滑移邊界.

以工況[18-42,0.4]為例,計算域的網格尺寸中(圖5),最小的網格尺寸為0.5m,網格增長率小于1.15,離地面1.5m~2m處的行人區在第3和第4個網格.所有工況的網格總數約為200000~ 460000,并且已經獲得了網格獨立解,即增加網格密度已經對計算結果不產生明顯影響[20].

為了便于分析,對汞蒸氣濃度進行了無量綱處理,無量綱汞蒸氣濃度C定義為:

式中:為汞蒸氣的時均濃度;ref為汞源高度, 60m.

2 結果與討論

圖6描述了在上風側模擬的工業排放含汞污染口(:-33~-30m,:60~63m)生成的汞蒸氣的影響下,擁有不同高度差建筑群的街道峽谷中,氣流組織和汞濃度的分布.由圖6a中可知,在來流風的作用下,當建筑物高度一致時,街道峽谷內形成與建筑等高的漩渦渦流,在建筑的背風面風向向上(建筑迎風面和背風面的參照街道外的來風方向).而當建筑高度開始出現差別時(圖6b,6c),街道峽谷內在較高建筑背面會形成2個漩渦渦流,而較矮建筑背面只有1個漩渦渦流形成,并且風流動的方向為在較高建筑的迎風面向下流動,在較高建筑的背風面向上流動.當建筑高度差逐漸增大(圖6d和6e),較高建筑背面的2個漩渦中位置較高的漩渦跨過較矮建筑頂部,逐漸與較矮建筑背面的漩渦聯通,最終在較矮建筑的頂部和背面形成1個大漩渦,而2個漩渦中位置較低的漩渦也在高度差的持續增長中,有分割成2個漩渦的趨勢.但無論漩渦形狀如何變化,漩渦的風向始終保持為緊貼著較矮建筑前的為逆時針流動,其余皆為順時針流動.

入口來流將高空污染源中的汞蒸氣帶到城區,擴散到各個街道,造成城區中各街道不同程度的汞污染.將2m以下高度定義為行人區,表2記錄了各個街道的水平位置范圍.

表2 街谷水平方向位置范圍Table 2 Horizontal axial range of street canyons

將每個工況下各街道行人區的汞濃度進行對比(圖7):在工況[30-30,0]和工況[24-36,0.2]中,隨著街道順移,汞的濃度增長趨勢呈現為一條較光滑曲線,工況[18-42,0.4]中曲線則在街道2和街道4處出現明顯拐角,而在工況[12-48,0.6]和工況[6-54,0.8]中,汞的濃度值在街道2中達到區別于街道1的比較高值,使得曲線出現拐角,在之后6個街道中保持始終遠高于街道1濃度數值,并在小范圍內上下波動;工況[30-30,0]和工況[24-36,0.2]中,汞的最高濃度值出現在城區尾部的街道7中,工況[18-42,0.4]中汞的最高濃度值出現在街道5中,工況[12-48,0.6]中汞的最高濃度值出現在街道4中,工況[6-54,0.8]中汞的最高濃度值出現在街道3中;工況[30-30,0]下各街道的濃度值最小,工況[6-54,0.8]下各街道的濃度值最大,每個街道在不同工況下的濃度值都在工況[30-30,0]和[6-54,0.8]的濃度值范圍之內波動.

由圖8可見:當建筑物高度不變時,汞的質量流量基本不變,而當建筑高度變化時,汞的質量流量產生了規律性的變化.建筑高度不變時(工況[30-30,0]),汞的質量流量的數值基本呈現為緩慢的有序下降,即隨著街道的順序遷移,汞的質量流量緩慢下降,在街道6中達到相對低值后,在隨后出現的街道7中有些許回升;當城區建筑高度出現變化時,城區各個街道中汞的質量流量也隨之出現波動性變化:較高建筑背部街道汞的質量流量數值始終處于波峰位置,而較矮建筑背部街道的數值則始終比較高建筑背部街道的數值小,處于波谷位置;每個街道中汞的質量流量都在工況[6-54,0.8]中達到最大值,并且各個街道中汞質量流量的數值總量也最大;當建筑高度發生變化時,只有在工況[24-36,0.2]中汞的質量流量的最高值出現在街道6中,并依次隨著街道4、街道2(兩個較高建筑背部街道)的順序,波峰數值減小,而在工況[18-42,0.4]、工況[12-48,0.6]和工況[6-54,0.8]中,汞的質量流量的最高值都出現在街道2中,并依次隨著街道4、街道6(兩個較高建筑背部街道)的順序,波峰數值減小.

3 結論

3.1 當街區建筑高度一致時,在建筑的迎風面風向向下,在建筑的背風面風向向上;而當街區建筑高度參差變化時,建筑物之間的風向為緊貼著較矮建筑前的為逆時針流動,其余皆為順時針流動.

3.2 汞在參差高度街區中各個街道的沉積能力比在相同高度建筑街區中的沉積能力強.

3.3 隨著高度差的增大,汞的最高濃度值出現的街道有序的往城區上游靠近.

3.4 當城區建筑高度參差變化時,處于較高建筑背風面的街道的汞的質量流量比處于較矮建筑背風面的街道大.

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致謝：本研究獲得了湖南省建筑節能與環境控制關鍵技術協同創新中心的大力支持,在此一并致謝.

* 責任作者, 教授fyzhao@whu.edu.cn

Numerical modeling of mercury vapour dispersion and sedimentation within the urban building street canyons composed by diverse building heights

ZHAO Fu-yun1,2*, XIAO Ting1, LI Lin1, MEI Shuo-jun2, LIU Chen-wei2, WANG Han-qing1

(1.School of Civil Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412000, China；2.School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430076, China)., 2016,36(6)：1690~1696

With the use of computational fluid dynamics, dispersion and accumulation of Hg inside the street canyons with various building heights were numerically investigated, concerning with neutral thermal stratifications and five canyon deviations, 0.0, 0.2, 0.4, 0.6, and 0.8. Particularly, correlations between building height variation and pedestrian level pollutant accumulation were established depending on the discrete numerical simulations. Numerical simulations indicate that high altitude Hg pollutants were inclined to accumulate in the region of pedestrian level due to the enhanced street canyon building height variations, Hg concentration in the region of pedestrian level therefore significantly increased. Furthermore, street canyons of peak Hg concentrations usually were sequentially allocated along the wind flows, maximum one mostly closing the upwind side. Hg fluxes in the street canyons of high-rise buildings backward were observed to be significantly higher than those in the street canyons of low-rise buildings backward.

buildings height deviation；mercury vapour accumulation；computational fluid dynamics；ventilation in urban street canyons

X169

A

1000-6923(2016)06-1690-07

趙福云(1977-),男,湖南株洲人,教授,博士,主要從事建筑環境流體動力學與建筑節能研究.發表論文120余篇.

2015-11-25

湖南省研究生科研創新項目(CX2016B637);國家自然科學基金(51208192,51304233);湖南省杰出青年基金(14JJ1002);科技部十二五科技支持計劃(2011BAJ03B07)