上游阻擋建筑間距對街谷內空氣環境的影響

陳曉萌,亢燕銘,楊 方,鐘 珂

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上游阻擋建筑間距對街谷內空氣環境的影響

陳曉萌,亢燕銘,楊 方,鐘 珂*

(東華大學環境科學與工程學院,上海 201620)

城市中的大部分街谷都存在上游阻擋建筑.為考察阻擋建筑對街谷內空氣環境的影響,通過數值計算方法研究分析了上游阻擋建筑對街谷內空氣品質的影響作用,結果表明,在常規建筑間距范圍內,街谷湍流強度、平均風速和風速波動范圍均隨著上游阻擋建筑間距增大而減小,這將導致當上游阻擋建筑與街谷建筑間距從15m增加到60m時,街谷空間污染物平均濃度增大36%,近地空間增大41%.因此,實際設計中街谷上游阻擋建筑與臨街建筑間的距離不應過大.

上游阻擋建筑；間距；街谷；風速；湍流強度；污染物濃度

城市人口快速增長,使得城市用地緊張,進而導致建筑密度大大增加;另一方面,隨著城市機動車數量的持續增加,尾氣排放增多,也在某種程度上驅使城市區域大氣污染問題日益嚴重.街谷(street canyon)是城市大氣環境的基本結構單元,街谷微環境中的空氣質量直接影響著城市大氣環境.因此,在過去30年中,許多人對街谷環境的不同特征進行了研究[1-5].然而,已有研究大多數都是針對孤立街谷進行的,僅有少數研究針對街谷上游的阻擋建筑(以下簡稱”阻擋建筑”)對街谷內部氣流和污染物分布特征的影響進行了研究.朱強等[6]通過對比有無上游阻擋建筑的街谷內部流場和濃度場特征,指出與臨街建筑并列對齊的上游建筑對街谷氣流速度和形態均有影響,同時會減小街谷內平均濃度.然而以上研究立足于上游阻擋建筑存在與否對街谷污染物濃度的影響.由于城市中的大部分街谷都存在上游阻擋建筑,因此,研究并找到不同特征的上游阻擋建筑對街谷內空氣品質的影響,對減小交通污染物對街谷內行人的影響,改善城市空氣質量是非常必要的.

本文將采用數值流體力學方法,研究上游阻擋建筑物與街谷之間的距離對街谷內部流場和污染物濃度場特征的影響,為更加準確預測街谷微環境空氣質量和合理的城市規劃提供參考依據和設計原則.

1 計算模型與方法

1.1 模型建立與計算方法

圖1給出了計算用的街谷平面布局.為保證結果的普遍性,本文以一般的多層建筑為研究對象,通過數值模擬的方法,來分析街谷兩側的建筑物高度同為20m的情況.如圖1所示,設所有建筑物均為長60m (),寬15m (),高20m (),街寬均為30m (),街谷同一側相鄰兩建筑的間距為10m (),阻擋建筑與街谷迎風建筑的間距為.街谷兩側建筑物沿街谷軸線周期性排列.城市建筑布局中,阻擋建筑與街谷迎風建筑的間距較常見的值通常在15~60m范圍內,因此,模擬計算時,分別設為15、30、45和60m,以研究分析上游阻擋建筑與街谷的距離對交通污染物擴散規律的影響.

風向對街谷內空氣流場的影響很大,并影響污染物的擴散,其中風向與街谷垂直時,最不利于污染物擴散.因此,本文將主要考慮風向垂直于街谷的情形.設來流風向與街谷縱長軸線垂直.此時,街谷內形成的流場分布也呈周期性分布.所以,采用鏡像法對建筑布局設置對稱面,僅計算圖1中灰色區域.

采用FLUENT-6.3.26作為基本應用程序進行數值模擬,對計算域內的流場(包括流速、湍流強度)和污染物的濃度場進行三維模擬.為盡量避免由計算區域有限造成的端部效應,模擬中做如下處理[7-8],上游阻擋建筑距求解區域上游邊界為5,街谷靠下游一側建筑距區域下游出口15,建筑頂端距區域上方自由邊界面4.由于是三維模擬,為保證模擬值的可靠性,根據以往的研究[9],采用標準-模型為湍流模型,有限容積法離散控制方程.為提高計算精度,采用二階迎風格式以控制方程的離散,污染物擴散方程的離散則采用QUICK格式.

離散化數值區域后,總網格數約為3.3′106個.關于流動及污染物輸運的控制方程,其描述、網格穩定性與可靠性分析方法以及其他模擬參數選取的細節見文獻[10].

模擬時,計算域的入口條件設置為速度入口(Velocity inlet),采用自定義函數(UDF)設定速度廓線.出口流態視為充分發展湍流,故將出口條件設置為自由出流(Outflow),由于視建筑為對稱分布,故設置側面為對稱邊界條件(Symmetry).對于建筑壁面及計算域地面,釆用無滑移邊界,而對于計算域的頂面和側面采用滑移邊界條件.

風的湍流特性和速度的垂直分布與地形、地面粗糙度密切相關[11].根據現有文獻[12-13],本研究采用的冪指數風速廓線為

式中:為任意某高度,m;V為高度處的平均風速,m/s;為地表粗糙度指數,根據文獻[14],可取= 0.25;為標準參考高度,m,V為高度處所測的標準參考風速,m/s,由于本研究中把建筑物模型高度設為20m,故將高度= 20m處的風速定義為屋頂風速V.

為模擬近地處大氣擴散條件不利時,街谷中污染物的分布,計算時設置來流屋頂風速V= 2.0m/s,易估出計算域的Reynolds數Re的量級為105.

把街谷內污染源看作連續發散的線源,污染物在一個高0.5m,寬10m,長度與計算域相同的區域均勻分布,且位于街谷地面正中.考慮到機動車尾氣中主要成分是CO,因此模擬時污染物氣體設置為CO.本文為方便作比較,采用無量綱濃度表征污染物濃度:

式中:C為點處污染物的濃度, kg/m3;0為污染源發散強度, kg/s.

1.2 計算方法的可靠性驗證

數值模擬計算前,首先需要對計算所建立的模型和相應的計算方法進行可靠性驗證.本文以Li等[15]和Meroney等[16]的實驗參數(包括建筑和街道的幾何參數、大氣流動參數以及污染物參數)為基準,利用本研究中采用的離散模式、劃分網格方法和控制方程等對上述文獻的實驗進行了數值再現,并與本研究的數值方案進行了比對.

本文模擬結果與文獻[15]和[16]的實驗結果吻合較好,詳細信息見文獻[6].表明本研究建立的模型及采用的計算模擬方案,能夠較好地分析出街谷內的大氣流場和污染物濃度場,可以用于本文隨后的研究和分析.

2 模擬結果與分析

2.1 上游阻擋建筑間距對目標街谷流場的影響

(a) AA’橫剖面上的流場

(b) EE’橫剖面上的流場

圖2 不同值時街谷橫剖面上速度矢量
Fig.2 Flow fields on plane AA’ (= 5m) and EE’ (= 25m) with different

圖2(a)和(b)分別給出了通過橫剖面AA’和EE’(圖1街谷模型)上的速度分布模擬結果.

由圖2可以看出,上游阻擋建筑間距對目標街谷兩個剖面上的流場都有影響,但在接近建筑物端部的AA’剖面上的街谷流場受影響程度遠大于靠近建筑物中心的EE’剖面上的街谷流場.隨著上游阻擋建筑間距增大,前者不僅渦流形態發生變化,街谷內氣流速度也明顯減小.

為了更清晰地看出目標街谷內的氣流速度隨著上游阻擋建筑間距變化的規律,圖3分別給出了靠近建筑物中心和端部的位置p和q(圖1)處,氣流速度沿高度的變化曲線.

由圖3給出的速度廓線可知,在靠近建筑物端部的位置p處,隨著上游建筑間距增加,街谷近地面氣流速度減小而上方氣流速度增大.但在靠近建筑物中心的位置q處,則表現出相反的規律.顯然,上游阻擋建筑間距對街谷內不同區域氣流的影響作用不同.

為得到阻擋建筑對街谷內氣流和濃度分布影響的統計結果,在街谷圍成的高度分別為20m和2.5m的空間(全空間和人員空間)內均勻設點,自數值模擬結果中提取相應的計算值.其中相鄰的取值點間距為1.0m,最邊緣處的點距建筑壁面或地面0.5m,取值點總數分別為21000個和2730個,取值區域見圖4.設街谷內靠近迎風和背風建筑的1.5m寬的區域分別為背風區和迎風區,街谷中間27m寬的區域為中心區.

根據上述取值規則和數值模擬結果,可以得到每個觀測點的信息.圖5分別給出了上游阻擋建筑與街谷距離不同時,街谷內背風區、中心區和迎風區的風速統計情況.

由圖5可以看出,隨著上游阻擋建筑遠離街谷,3個區域內的平均風速和風速變化范圍都逐步減小,但當增大到45m后,速度不再發生明顯變化.

比較圖5(a)和圖5(b)還可以看出,迎風區、中心區和背風區內的平均氣流速度在街谷全高度空間內的統計平均值很接近,但在2.5m高度以下的人員空間內統計結果相差很大,中心區的平均速度最高.同時,人員空間的平均速度明顯小于全空間的值.

湍流強度也是影響污染物擴散的主要因素之一,圖6給出了上游阻擋建筑與街谷距離不同時,街谷內背風區、中心區和迎風區的湍流強度的統計情況.

由圖6(b)可以看出,與風速分布類似,隨著上游阻擋建筑遠離街谷,背風區和中心區內的平均湍流強度逐步減小.比較圖6(a)和圖6(b)可知,上游阻擋建筑間距對湍流強度在全空間內的統計平均值影響很小,但對2.5m以下人員活動空間的統計平均值影響很大.另外,全空間街谷迎風區的平均湍流強度明顯大于中心區和背風區,并且基本不受上游阻擋建筑距離的影響.這是因為街谷內湍動能主要源于迎風面對來流的阻擋作用,迎風面附近的湍流特征主要受來流速度和迎風面特征控制,但遠離迎風面的中心區和背風區的湍流特征則不完全受控于迎風面,因此上游阻擋建筑的影響作用較明顯.

上游阻擋建筑對街谷內氣流速度和湍流強度的影響,將會影響到街谷內機動車污染源的擴散特征.以下將對街谷內濃度分布情況進行分析.

2.2 上游阻擋建筑對街谷內濃度分布的影響

圖7(a)和(b)分別給出了街谷典型橫剖面AA’和EE’(圖1街谷模型)上的濃度分布模擬結果.

(a) AA’橫剖面上的濃度場

(b) EE’橫剖面上的濃度場

圖7 不同值時街谷橫剖面濃度流線圖
Fig.7 Pollutant concentration distributions on plane AA’ plan (= 5m) and EE’ plan (= 25m) with different

由圖7(a)可以看出,當上游阻擋建筑距離街谷較近時,街谷內高濃度僅出現在背風區和地面附近,這與已有文獻[7-9]研究中給出的無上游建筑的街谷內濃度分布特征類似.而圖7(b)表明,當上游建筑與街谷距離增大到60m時,由于渦流中心從靠近背風區和地面的位置向迎風區移動[6],使更多的污染物向街谷中心擴散,最終不僅背風區和地面濃度很高,在街谷上方也出現了高濃度區.

造成以上差別的原因可能是上游阻擋建筑距離街谷較近時,上游阻擋建筑和街谷迎風建筑對來流的阻擋作用可以近似視作一個厚度較大的建筑集合體的作用,因此,街谷內流場和濃度分布與無上游阻擋建筑時接近,但當上游阻擋建筑遠離街谷時,上游阻擋建筑不能再被視作街谷的附屬建筑.這時,街谷內氣流將更多地受上游阻擋建筑與街谷之間區域氣流的影響,而這個區域內的流場幾乎完全受控于上游建筑和該區域的尺度,即上游阻擋建筑與街谷的間距.圖5和圖6表明,隨著上游建筑遠離街谷,街谷內氣流速度和湍流強度均逐步下降,這勢必減弱街谷對污染物的擴散消除能力,進而造成街谷內污染物平均濃度上升.

由圖8(a)可見,在靠近建筑端部的位置p處,上游阻擋建筑間距影響作用很大.當高度<5m時,15m和30m間距下的濃度最高,但隨高度升高迅速下降;在5~15m的范圍內,濃度隨高度變化相對較平穩;當> 15m時,不同間距下的濃度比較接近,間距的影響減小.由圖8(b)可以看出,在靠近建筑物中心的位置q處,盡管與= 15m時相比,= 30m時污染物濃度僅略微增長,但總體上表現為隨著上游阻擋建筑間距增大,污染物濃度越高.

作為進一步的比較和說明,圖9給出了街谷內污染物濃度統計結果.

由圖9(a)的結果可以看出,全空間中心區和迎風區的濃度平均值均隨著的增大而明顯升高,雖然在從15m增加到30m時,背風區的平均濃度變化不明顯,但總體變化規律與中心區和迎風區一致.主要原因是平均氣流速度隨著增大而減小(圖5),氣流對污染物的稀釋和擴散作用減弱.

圖9(b)則顯示,人員空間的濃度隨的變化特征與全空間不同,僅濃度變化范圍隨著增大而減小,濃度平均值并沒有明顯變化.因此,可以認為,上游阻擋建筑間距對目標街谷上部空間的平均濃度影響較大,對街谷下部空間的平均濃度影響不大.但是隨著的增大,街谷下部空間濃度的空間分布趨同性增強.

為明確上游阻擋建筑間距對街谷內污染物濃度的改變作用,定義街谷內污染物濃度的改變率為

式中:為1或2,當1時研究空間高度為20m,當2時研究空間高度為2.5m;0i表示= 15m時的無量綱濃度值;C則表示分別為30,45,60m時的無量綱濃度值.

圖10給出了相對于=15m時,上游阻擋建筑間距為=30,45,60m時,街谷污染物濃度的改變率.

由圖10可以看出,增加使得街谷全空間內的平均濃度增大7%~36%,并使近地面平均濃度降低了15%~41%.近地面濃度的下降顯然有利于改善街谷內行人的呼吸環境,而全空間濃度升高將會對臨街建筑室內空氣環境構成較強的室外污染源.可見,增大上游阻擋建筑與街谷的間距利弊皆有.因此,在能夠滿足建筑日照要求的情況下,街谷臨街建筑與上游阻擋建筑的距離不必刻意增大,這同時也順應了城市用地緊張的局面.

3 結論

3.1 在常規建筑間距范圍內,隨著上游阻擋建筑遠離街谷,街谷湍流強度、平均風速和風速變化范圍都逐步減小.

3.2 當上游阻擋建筑與街谷的距離較小時,街谷中心污染物濃度分布規律與無上游建筑的情況相似,但隨著增加,不僅街谷背風面和地面附近濃度高,在街谷上方也有較大高濃度區.

3.3 在常規范圍內增大上游阻擋建筑與街谷的距離對近地面行人所在空間的空氣品質有改善作用;但會導致街谷空間平均濃度明顯增加,這將影響到臨街建筑室內空氣環境.因此,建議街谷臨街建筑與上游阻擋建筑的距離不必過大.

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* 責任作者, 教授, zhongkeyx@dhu.edu.cn

Impact of the distance between the upstream buildings and the street canyon on the air environment in the street canyons

CHEN Xiao-meng, KANG Yan-ming, YANG Fang, ZHONG Ke*

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)., 2016,36(7)：1967~1973

Urban street canyons are always blocked by upstream buildings. To evaluated the block effects on the air flow in a canyon, numerical simulations were conducted to investigate the impacts of the distances between the upstream building and the street canyon () on the air environment in the street canyons. In the range of the normal intervals between the buildings, the turbulence intensity, the averaged velocity and the fluctuation of the wind velocity in the street canyons would be decreased with increase of the value of, and this would lead to increments of the averaged pollutant concentration by 36% within the canyon and by 41% in the near ground region ifincreased from 15m to 60m. Therefore, large value ofis not necessary for building design in practice.

upstream buildings；distance；street canyon；wind speed；turbulence intensity；pollutant concentration

X51

A

1000-6923(2016)07–1967-07

陳曉萌(1991-),女,湖北十堰人,東華大學碩士研究生,主要從事城市大氣環境與室內空氣品質研究.

2015-12-10

國家自然科學基金(40975093,41275157);上海市教委科研創新重點項目(14ZZ073)