街道峽谷形態對污染物擴散的數值模擬

雷林清，崔鵬義，黃遠東

（上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093）

機動車排放的尾氣污染物及其形成的二次污染，是城市大氣污染的重要來源，對其采取主動控制措施的前提是要掌握機動車尾氣等污染物在街道峽谷內流動擴散及其分布的規律[1]。街道峽谷的概念最早由Nicholson[2]提出來，它是指兩側具有連續高大建筑物的狹長街道。后來街道峽谷這一概念被中國學者王寶明等[3]進行了擴展，即使街道兩旁的建筑物高低不平，不連續甚至有一定的缺口也可稱作街道峽谷。目前，對于街道峽谷內污染物擴散傳遞規律的影響研究，國內外有關科學工作者已經取得了一定的研究進展。

Yang等[4]通過數值模擬研究了街道峽谷內不同建筑物布局的空氣對流對街谷內氣流運動和污染物擴散的影響。Heist等[5]研究了6車道的道路結構以及隔聲屏障對街谷中氣流場和污染物擴散的影響,并與風洞實驗進行了驗證，得出在評估道路附近的空氣質量時，道路布局和結構必須考慮進來。Maider等[6]基于大渦模擬（large eddy simulation，LES），研究了建筑物的屋頂結構對街道峽谷內空氣流動的影響。Sanchez等[7]研究了城市街道峽谷的設計對城市交通噪聲暴露的影響，但對街谷內氣流運動和污染物的擴散卻未作進一步的研究。作者之前利用數值仿真技術研究了帶廊道，以及不同廊道尺寸的建筑物結構對街谷內氣流運動和污染物擴散的影響[8]，但并未系統、深入地進行定量分析，并對下沉式機動車道內污染物擴散對機動車駕駛員的影響進行進一步的分析。鑒于此，本文將基于Sanchez等[7]的研究，結合現實中街道的形狀特點，構建9種2類街道截面形態（道路抬升類型和兩側建筑底部廊道）的數值模型，探究其截面形態內部流動結構與污染物濃度分布的影響。

圖1 計算模型、區域及網格劃分Fig.1 Computational models, domain and mesh generation

1 物理模型及計算區域

由于風向垂直于街道峽谷，而且只分析街谷中流場和污染物的擴散，因此峽谷的結構可以簡化為二維。圖1為計算模型、區域及網格劃分。

圖1（a）為不同類型城市街道峽谷的二維物理模型，考慮街道兩側建筑底部廊道的深度和高度變化（工況2，3，4，5，6），以及街道內機動車道路結構變化（工況1，2，7，8，9）對流場和污染物擴散的影響，將實驗工況分為9種：工況1為參考工況；工況2為深度1.7 m的下沉式道路；工況3的廊道深度和高度均為3 m；工況4的廊道深度為 5 m，高度為 3 m；工況 5 的廊道深度為 3 m，高度為6 m；工況6的廊道深度為5 m，高度為6 m；工況7的道路為兩層式結構，下沉深度為3 m；工況8為深度3 m的下沉式道路；工況9為抬高1.7 m的上升道路。

計算區域及尺寸如圖1（b）所示，圖中街道峽谷寬及兩側建筑物高均為20 m，即街道峽谷的高寬比H/W為1，可視為理想的城市街道峽谷。兩條污染源均是邊長為0.5 m的正方形，位于距地面中心1.5 m處的兩側，用來模擬機動車尾氣排放。本文采用結構化網格，對工況1進行網格獨立性考核，比較了6種網格密度，網格數量分別為3 368，4 468，10 710，22 940，40 130 和 63 135。街道峽谷內流速及污染物濃度分布隨網格密度變化，綜合計算精度及時間，確定采用0.2 m的網格尺寸。如圖1（c）以工況1為例，計算區域采用增長型網格，增長比率為1.01，網格總數為40 130。

2 數學模型

2.1 控制方程

通過求解描述空氣流動與污染物擴散的Navier-Stokes方程、污染物組分輸運方程及封閉方程的標準k-ε湍流模型，獲取所構建模型的數值解。為了能夠更好地利用CFD數值模擬技術來進行計算和分析，本研究的數值模擬采用以下的假設：a. 流體的熱物性為常數；b. 浮升力的影響可以忽略不計；c. 街谷內的氣流流動為不可壓縮流動[9]。對于二維的定常不可壓縮流動，其雷諾時均化的湍流控制方程[10]為

不可壓連續性方程：

2.2 邊界條件設置

a. 進口邊界條件。

計算區域進口采用速度進口邊界條件，進口風速按指數分布方程給定[11]，即

b. 出口邊界條件。

出口為流動充分發展邊界，即

d. 壁面邊界條件。

在建筑物壁面和地面上速度采用無滑移邊界條件，污染物濃度采用無滲透邊界條件。

1.道德認知變得比較模糊。學生在一元文化時代構建起來的價值觀與核心文化，變得越來越少，學校和教師的道德權威也越來越削弱，不知道怎樣的價值觀和文化與值得學習和崇拜，道德認知變得比較模糊。

e. 污染源的設置。

以CO作為污染氣體，因源強隨交通流狀態的變化而改變，為了更有實際意義，本文采用本課題組之前的研究成果來評估CO的排放[13]。源強可由機動車的綜合排放因子和車流量計算得到。

式中：Q為車流量，輛/h；Eco為機動車車組的CO綜合排放因子，g/（km·輛）。CO的綜合排放因子Eco與平均車速有關，其關系式為

式中，V為平均車速，km/h，考慮到實際的路況和車速的限制，假設 V = 40 km/h[11]。

f. 無量綱濃度。

以無因次濃度的形式來表示所測的污染物濃度，即無量綱濃度K。其表達式為

式中：L為線源長度，m。

2.3 數值方法

本研究中采用有限體積法（FVM）對控制方程進行離散，所有變量離散格式采用二階迎風格式。整個研究計算是在ANSYS FLUENT 14.5平臺上獨立完成，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，壓力項采用標準離散化方法進行處理和計算。

2.4 模型驗證

本文數值模擬的湍流模型采用已驗證過的標準k-ε湍流模型，具體的驗證過程可參考文獻[14]。文中研究不同屋頂結構對街道峽谷內流動擴散的影響，將風洞實驗結果與3種湍流模型計算結果進行比較，發現標準k-ε湍流模型與風洞實驗數據一致性最好。本文模型研究與其相似，故采用標準k-ε模型對其進行研究。圖2為3種湍流模型和風洞實驗的擬合曲線圖，從圖中可以看出標準k-ε模型與風洞實驗結果吻合得較好。

圖2 模型驗證Fig.2 Model validation

3 結果及分析

圖3（見下頁）為9種二維城市街道截面形態、街道峽谷內速度流線圖和無量綱濃度云圖。首先分析機動車道路結構的變化對街道峽谷內流場和污染物擴散的影響。比較工況1，2，7，8，9可知，機動車道的下降基本不會改變街道峽谷內的流動結構和污染物的分布情況，主要表現在，工況1，2，7，8中街道峽谷內都會形成一個規則的順時針旋渦，造成污染物在背風面近地面處聚集，由近地面向高度處降低，且在街道峽谷內污染物濃度分布情況相似。另外，由于機動車道路結構下沉，在背風面近地面處有小的逆時針旋渦生成（工況2，7，8），造成該處污染物濃度較工況1升高。隨著機動車道路結構下沉深度增加（工況1，2，7，8），機動車道內逆時針旋渦結構尺寸增加，造成下沉結構中空氣流通不暢，尾氣污染物在機動車道內逐漸積累，這也是下沉式機動車道內空氣污染嚴重的原因，會對機動車駕駛員的呼吸環境造成較大危害。此外，對于工況7兩層道路結構，下層除了機動車道位置形成一個逆時針旋渦結構，污染較為嚴重外，機動車道兩側空間也形成左側順時針、右側逆時針的渦旋結構，由于空間閉塞，空氣流動速度基本為0，污染物濃度水平較高。對于工況9，抬升型道路結構，機動車道的抬升有利于污染物的迅速擴散，因此，機動車道的污染濃度水平較下沉式結構低；但上升的道路結構使得街道背風面近地面人行道路處產生尺寸較大的逆時針旋渦，造成上風向擴散來的尾氣污染物在該處聚集，污染物濃度水平較其他情況都高，對該側行人健康造成不利影響。

圖3 不同截面形態的城市街谷內的速度流線圖和無量綱濃度分布Fig.3 Streamlines and distributions of the pollutant dimensionless concentration in the street canyon under different working cases

其次，研究街道峽谷兩側建筑廊道高度和深度變化對街道峽谷內空氣流動與污染物擴散的影響。工況2～6均為下沉1.7 m道路結構，但兩側建筑中廊道的高度和深度不同。從圖3可知，廊道高度和深度的變化不會對街道峽谷內的流動結構產生影響，即工況3～6在街道峽谷內的流動結構與無廊道的工況2基本相同，因此污染物濃度的分布也基本相同，即廊道結構不會改變街道峽谷主體區域內的污染物濃度分布情況。另外，除了主渦，街道兩側廊道內也會形成左側逆時針、右側逆時針的旋渦，而廊道結構尺寸直接影響旋渦的大小。雖然右側廊道有旋渦產生，但由于主渦的影響使得右側污染物濃度較低，因此右側廊道內污染水平較低；左側廊道正好相反，空氣流通不暢，污染物在此聚集，污染物濃度水平較高。

圖4 不同工況條件下人行呼吸高度水平速度及污染物無量綱濃度分布Fig.4 Distributions of velocity and dimensionless concentration on the respiratory plane under different working cases

為了進一步分析機動車道路結構及兩側廊道對街道峽谷內行人健康的影響，圖4中給出了9 種不同街道截面形態下行人呼吸高度處（y = 1.5 m）流速和污染物無量綱濃度分布。首先，由圖4（a）可知，工況2，3，4的速度曲線幾乎重合，這說明廊道較低時，與沒有廊道相比，對人行呼吸高度流速的影響幾乎可以忽略，且此時廊道深度也對流動沒有影響，主要是由于廊道較低時其內部渦結構大小與深度無關。隨著廊道的增高，廊道內渦結構逐漸變大，與沒有廊道相比，街道兩側人行呼吸高度處流速變化愈加明顯。從圖4（b）可以看出，機動車道路下沉深度對背風側人行呼吸高度流動變化影響較大，相同深度的結構，流速分布相同（如工況7和8），但對迎風面側基本沒有影響。工況9抬升型道路對兩側人行呼吸高度流速影響較大，因為道路結構阻礙了水平流速，在街道左側近地面產生較大的二次旋渦。工況9由于是抬高為1.7 m的抬升型道路，上升型道路阻礙了水平流速，而人行呼吸高度處的速度是提取街道峽谷中1.5 m處水平上的速度，因此其人行呼吸高度處的速度只分布在車道的兩側，車道中間沒有呼吸高度的水平速度。

從圖4（c）可知，街道兩側廊道尺寸對迎風面側人行呼吸高度污染物濃度分布沒有影響，對于背風面側人行呼吸高度污染物濃度分布略有影響，主要表現在廊道高度的影響。廊道內污染物濃度分布受廊道高度的影響較大，其人行呼吸高度處背風側附近污染物濃度值相對參考工況增加大約5%。從圖4（d）可知，下沉式道路的深度對迎風面側人行呼吸高度污染物濃度分布也幾乎沒有影響，但對背風側人行呼吸高度污染物濃度分布影響較大。隨著機動車道下沉深度增加，人行呼吸高度處污染物濃度會隨之增加（工況1，2，8）。工況9由于抬升型道路結構的影響，在街谷左人行道內形成一個相對較大的逆時針旋渦，導致污染物在該處不容易擴散而在此累積，因此，工況9背風側的人行呼吸高度水平處的污染物濃度比其他工況的都大。工況9由于是抬高為1.7 m的抬升型道路，而人行呼吸高度處的濃度，提取的是街道峽谷中1.5 m處水平上的濃度，受抬升型道路的阻礙，其人行呼吸高度處的濃度只分布在車道的兩側。

由圖5（見下頁）可見，順時針主旋渦作用下，背風面附近的污染物濃度比迎風面的高，其值約是迎風面附近濃度值的2～3倍。不同工況污染物濃度在迎風建筑物背風側近地面附近處達到最大，最大值約是迎風面污染物濃度最大值的2.5倍，不利于該側行人和居住人群的呼吸以及室內外空氣的交換。工況1和工況2污染物濃度在背風面附近處變化不大，這是由于在順時針大旋渦的作用下污染物向背風面遷移所致。由于下沉式道路結構的影響，工況2迎風面附近的污染物濃度值要小于參考工況。工況3和工況4污染物濃度在背風面和迎風面附近分布曲線相似，工況5和工況6無量綱濃度曲線分布也類似，受廊道結構的影響，4個工況在背風側附近的近地面處濃度變化較大。工況7和工況8在背風面沿高度方向污染物濃度分布變化不大。由于抬升型道路結構的影響，工況9在左側人行道內形成了一個逆時針旋渦，從而導致在街谷背風側的污染物濃度比較高。而迎風面，帶廊道的工況無量綱濃度沿高度變化不大，道路結構變化的工況無量綱濃度沿高度變化則較大。工況1～2，工況7～9在迎風側近地面附近處的污染物濃度相差也比較大，而在建筑物最高處濃度相近且達到最低，也可表明迎風面污染物濃度分布受道路結構影響較大。

圖5 廊道結構變化和道路結構變化的街谷內背風面、迎風面無量綱濃度Fig.5 Dimensionless concentration profiles near the leeward and windward surfaces

圖6 不同工況機動車道內高度1 m處水平方向的污染物無量綱濃度分布Fig.6 Dimensionless distributions of pollutant concentration along the horizontal direction of 1 m height in the vehicle lane for different cases

圖6 給出了不同工況機動車道內高度1 m處水平方向的（機動車駕駛員呼吸高度）污染物無量綱濃度分布情況。首先工況1機動車道污染水平最低，且污染物濃度在峽谷兩側的分布比較均勻。這主要是由于街道峽谷內主渦的影響，且檢測位置距離主渦渦心位置較遠，通風條件較好，污染物可以及時擴散。工況2～8，機動車道污染物濃度均呈現“左低右高”的趨勢，主要是受下沉式機動車道內逆時針旋渦的影響，污染物向右側車道遷移；車道內小的旋渦結構造成空氣流通不暢，污染物在此累積。從圖中可知，工況2～6中機動車道內污染物濃度水平相當，說明街道兩側廊道結構對下沉式機動車道內污染水平影響不大。對于工況2，7，8，隨著下沉式道路深度加深，機動車道污染程度進一步增加；工況7和8由于下沉深度相同，機動車道污染水平相當。工況9抬升型機動車道，檢測位置處污染物濃度呈現“左高右低”的趨勢，這主要是受街道內順時針主渦結構的影響，但其污染物濃度較工況1偏高是由于右端抬升結構阻礙由右及左的水平流動，造成機動車道位置處空氣流動減緩，不利于污染物的擴散。

4 結 論

本研究基于二維不可壓縮流動的Navier-Stocks方程、污染物組分輸運方程及標準k-?湍流模型，獲取所構建模型的數值解。采用驗證的模型參數，構建了9種2類H/W為1的二維城市街道截面形態構造，在來流平均風速為3 m/s情況下，模擬研究了不同城市街道截面形態對街谷內流動結構和污染物分布規律的影響，結論如下：

a. 下沉式道路結構不會改變街道峽谷內主渦結構和污染物分布；下沉式道路結構隨著下沉深度的增加，機動車道內污染程度將進一步加重，且受機動車道內渦旋的影響，右側車道污染程度高于左側車道。

b. 廊道內污染物濃度分布受廊道高度的影響較大，其人行呼吸高度處背風側附近污染物濃度值相對參考工況增加大約5%，受廊道高度的影響背風側附近廊道內及近地面人行道處污染物濃度會比較高。