城市街谷與上游阻擋建筑最不利間距的研究

周華元,亢燕銘,楊 方,劉改玲,鐘 珂

城市街谷與上游阻擋建筑最不利間距的研究

周華元,亢燕銘,楊 方,劉改玲,鐘 珂*

(東華大學環境科學與工程學院,上海 201620)

采用數值模擬的方法,研究了街谷內上風建筑與上游阻擋建筑的間距(),即上游建筑間距,對街谷內空氣流動特性和氣態污染物分布規律的影響.模擬結果表明,街谷內迎風區的氣流速度基本不隨的變化而變化,而背風區和中心區的氣流速度隨著的增加呈現先減小后增大的趨勢,并在= 90m時,氣流速度達到最小值.相應地,在= 90m時街谷內污染物濃度最高,表明存在最不利值,在城市規劃中應盡可能避免該間距.當大于90m時,越大,污染物濃度越低,而小于90m時,越小,污染物濃度也越低,可以同時實現節約用地和減小交通污染的目的.

街道峽谷；上游阻擋建筑；交通污染物；間距；數值模擬

隨著我國機動車保有量的不斷提高,機動車尾氣對城市居民健康的威脅日益增大.特別是近年霾污染治理過程中,交通污染被列為主要原因之一[1].為便于交通污染物快速擴散,在我國近年的城市規劃中,盡可能在建筑物之間設置公共綠地,增大部分街道峽谷(以下簡稱“街谷”)兩側相鄰建筑的間距,給居民提供更好的空氣品質.考慮到城市區域土地緊張的現狀,這種措施不僅實施難度大,而且也沒有數據結果證明其有效性.

關于街谷微環境,在過去的三十余年里,已經開展了大量的研究工作.大致可以分為兩類.一類主要關注傳統街谷內部氣流細節特征和污染物濃度分布的研究[2-9],如Hunter等[2]分析了街谷尺寸對街谷中渦流形態的影響.董龍翔等[3]對地面點源釋放的污染物在城市中的擴散過程進行了數值模擬,并通過敏感性數值試驗定量分析了邊界入口風速和風向擾動對城市內流場和污染物擴散的影響.另一類則針對街谷約束物,如高架道路、綠化帶和樹冠等對街谷內流場和污染物擴散的影響進行分析[10-16],如Zhang等[10]討論了高架橋下深街谷內流場和污染物分布的特征,Ng等[11]采用數值模擬的方法研究了不同高寬比下植被對孤立深街谷內空氣質量的影響.

然而,現有大部分工作的研究均針對孤立街谷展開.實際上,在城市中街谷不是孤立存在的,建筑之間公共綠地的尺寸和上游阻擋建筑的存在顯然會對下游街谷內的流場產生影響.對此,有人對上游阻擋建筑對街谷來流的阻擋作用進行了研究[17-19].如朱強等[17]研究了不同上游阻擋建筑布局下,行列式和錯列式街谷內氣流速度和污染物濃度場特征.結果表明,在行列式街谷中,若不考慮上游阻擋建筑的存在,將會過高估計街谷內污染程度.因此,上游阻擋建筑對街谷來流的阻擋作用不能被忽視.并且可以推測,上游阻擋建筑與街谷上風建筑的間距(),也會對街谷內的污染物分布產生一定的影響.為更加準確地預測街谷內空氣環境質量并為城市規劃設計提供參考依據,本文將對此展開研究,以分析可能存在的的最不利取值.

本文擬采用計算流體力學的方法,根據已有實驗研究[20-23]及其實測結果選擇合適的湍流模型,運用驗證后的數值計算方法,以上游阻擋建筑與街谷上風建筑的間距為變量,研究其對街谷內部流場和濃度場的影響.

1 計算模型與方法

1.1 模型建立與計算方法

街谷兩側都會有相鄰建筑,其中下游相鄰建筑對街谷內的氣流形態的影響可以忽略不計,故本文僅研究上游相鄰建筑(以下簡稱“上風建筑”)對來流的阻擋作用及其對街谷內部氣流和污染物擴散特征的影響.

圖1是本文建立的街谷模型示意.為保證結果的普適性,本文以規則的多層建筑物為研究對象,通過CFD數值模擬,對街谷兩側的建筑物高度均為20m的情況進行分析.設臨街建筑和上游阻擋建筑的幾何參數均為長60m (),寬15m (),高20m (),街谷同側相鄰建筑的間距為10m (),街寬為30m (),上游建筑間距為.臨街建筑沿街谷長軸方向周期性排列.為了更廣泛地分析上游阻擋建筑與街谷上風建筑的間距對街谷內空氣環境的影響,本文中在15~200m范圍內,按一定規律取10個值,用以分析對交通污染物分布規律的影響.

圖1 街谷模型示意

使用Gambit 2.4.6軟件建立模型和劃分網格,使用Fluent 6.3.26軟件對計算域內流場(包括風速與湍流強度)和污染物濃度場進行三維數值模擬.為盡量減小因求解域有限產生的端部效應,上游阻擋建筑與計算域上游邊界相距5,街谷下風建筑與計算域下游出口相距15,建筑頂端與計算域上方自由面相距4[24].

已有研究[25]表明,街谷中進行數值模擬計算,標準-模型適合作為湍流模型,并采用有限容積法離散控制方程[26-27],采用二階迎風差分格式控制方程離散[28],污染物的擴散方程采用QUICK格式.離散化計算域后總網格數約有3.3′106個.有關流動與污染物輸送的控制方程,其網格穩定性、可靠性分析與描述方法以及其他參數選取的細節參見文獻[29].

風向對街谷內的流場影響很大,進而影響街谷內污染物的擴散.當風向與街谷軸線垂直時,最不利于交通污染物的擴散[30].因此,本文僅考慮來流風向與街谷軸線垂直的情況.此時,街谷內流場分布呈周期性變化規律,可采用鏡像法在街谷兩側設置對稱面(Symmetry),簡化計算,只需計算圖1(街谷模型)中灰色區域.

計算域的其他邊界條件設置如下:計算域內的建筑表面及街谷地面設為無滑移條件,而求解域的頂面設為滑移條件[28].因計算域出口的空氣流態可視為充分發展湍流,故出口邊界條件可設為自由出流(Outflow).入口邊界條件設置為速度入口(Velocity Inlet),并采用用戶定義函數(UDF)設置自定義速度廓線.自定義速度廓線設置如下.

大氣中風的湍流特性及風速的垂直分布與地形、地面的粗糙度密切相關[18].因此,本文采用冪指數的風速廓線[31-32]

式中:為任意高度,m;z為該高度下的速度平均值,m/s;為地面粗糙度指數,本文取= 0.28;為參考標準高度,m;V為高度處所測的參考標準風速,m/s,定義建筑物高度20m為參考標準高度,則高度=20m處的屋頂風速為參考標準風速V.為模擬近地面處不利的大氣擴散條件下街谷空間中交通污染物分布情況,設置屋頂風速為V=2.0m/s,易估得求解域的Reynolds數的量級為105.

街谷空間內的污染源可視為連續發散的線源[33],污染物均勻分布在一個寬10m、高0.5m,長度與求解域相同的區域內,并位于街谷街道正中.污染物氣體設為機動車的尾氣主要成分CO.為更直觀明了地進行分析比較,定義無量綱濃度C表征交通污染物濃度:

式中:C為點處的污染物濃度,kg/m3;0為污染物發散強度,kg/s.

1.2 數值計算方法的合理性驗證

數值計算之前,首先需要對模型和計算方法進行合理性驗證.

1.2.1 流場的驗證 在已發表的實驗結果中,與本文特征最接近的是Li等[20]的水槽實驗, 因此本文利用該水槽實測數據對計算模型進行驗證.

圖2給出了街谷兩側建筑1/2高度處(/= 0.5)水平方向和垂直方向的無量綱速度分量沿街道寬度方向的變化曲線.另外,圖中還給出了Liu等的LES模型[21]和Li等的標準-模型[22]的模擬結果.

(a) 水平速度分量

(b) 垂直速度分量

圖2 流場模擬值與實測值的比較

Fig.2 Comparisons of simulated velocities with test data in street canyon

由圖2可以看出,本文與另外兩篇文獻的模擬結果都與實測數據吻合較好,其中均采用標準-模型的本文和文獻[22]的計算結果更接近實測結果,表明本文選擇的湍流模型適當,采用的數值計算方法可以較準確地預測街谷內流場.

1.2.2 濃度場的驗證 除流場的驗證外,本文的數值模型還需要對街谷內的污染物濃度場進行驗證.本文采用Meroney等[23]的風洞實驗結果進行比對和校驗,分別驗證了入口風速為ref= 3m/s和ref= 5m/s的情況,結果如圖3所示.

(a) Vref = 3m/s (b) Vref = 5m/s

圖3 濃度場模擬值與實測值的比較

Fig.3 Comparisons of simulated concentration with test data in street canyon

圖3的結果表明,盡管實測值與模擬值之間存在一些差異,但兩者的變化規律基本相同,大部分模擬值與實驗值吻合較好.

從上述驗證的過程來看,本文選擇的數值模型和數值計算方法能較好地預測街谷內的流場和速度場.

2 模擬結果與分析

2.1 上游建筑間距D對街谷內氣流特征的影響

圖4(a)和(b)分別給出AA’橫剖面(圖1)上街谷內氣流速度矢量圖和湍流強度分布云圖.從圖4(a)中的流場可以看出,街谷上風建筑的迎風側在無上游阻擋建筑時,街谷上風建筑附近的氣流由地面吹向屋頂;而在有上游阻擋建筑情況下風向相反.由于此風向的不同,導致街谷內部形成的渦流形態和風速有一些差別.前者在街谷內產生了一個較小的渦,靠近上風建筑和下風建筑處的風速較大;而后者產生了一個較大的渦.不僅如此,在不同的下,街谷內渦的位置和大小也有一定區別,這些區別會對交通污染物的擴散有一定的影響.從圖4(b)可以看出,雖然在無上游阻擋建筑時,上風建筑的迎風側上端湍流強度最大;在有上游阻擋建筑時,該處湍流強度有所減小,但是街谷內較低位置的湍流強度卻基本無變化.

(a) 氣流速度

(b) 湍流強度

圖4 街谷橫剖面AA’ (= 15m)上的流場

Fig.4 Flow fields on plane AA’ (= 15m) in street canyons

為更加具體地比較對街谷空間空氣流動狀態的影響,圖5給出中心區3個典型位置處(圖1)氣流速度沿高度方向分布的情況.

由圖5(a)可以看到,在6m高度以下,= 200m時街谷內氣流速度較其他間距小,= 75m時街谷內氣流速度最大.而在6m高度以上,= 200m時街谷內氣流速度反而最大,因此對街谷內的流場有一定影響.由圖5(b)可以看到,對位置2的影響作用較小,不同的對應的氣流速度在各高度處基本相同.

圖5 街谷中典型位置處氣流速度沿高度方向分布曲線

另一方面,有上游阻擋建筑時,3個考察點的速度分布的最小值都出現在街谷內部,最小值出現的高度因考察點位置不同而不同,并受到的影響.無上游阻擋建筑時,速度最小值出現位置高度受考察點位置影響非常大.

湍流強度也是影響流場的主要因素之一,圖6給出了中心區3個典型位置處(圖1)湍流強度沿高度方向分布的情況.

從圖6可以看到,無上游阻擋建筑下3個考察點的湍流強度均比有上游阻擋建筑下的湍流強度小.有上游阻擋建筑的情況下,各個位置處湍流強度的規律基本相似,且都在近地面處增加的幅度較其他高度處大.雖然湍流強度在數值上稍有不同,但變化規律不隨的變化而變化,因此下文將主要分析街谷內風速隨的變化規律.

為了統計分析上游阻擋建筑與街谷上風建筑的間距對街谷內氣流和濃度分布的影響,本文在街谷空間內均勻設點.相鄰取值點間距為1m,最邊緣處的點距建筑壁面或地面0.5m,取值區域的劃分見圖7中灰色的區域.

圖6 街谷中典型位置處湍流強度沿高度方向分布曲線

圖7 街谷內平面區域劃分

根據CFD模擬結果,得到每個取值點的信息,圖8給出3個區域內氣流速度的統計結果.

圖8 街谷內氣流速度的統計結果

圖8(a)和(b)表明,在街谷的背風區和中心區,氣流速度受到的影響較大,且都在= 90m時氣流速度達到最小值.而在迎風區(圖8(c))中,氣流速度受到的影響較小,不同的下氣流速度基本沒有變化,但氣流速度在60~135m范圍內也存在最小值.

比較圖8的統計結果可以看出,無論為何值時,有上游阻擋建筑的街谷內氣流速度都比無上游阻擋建筑的街谷內氣流速度要小,這將導致污染物擴散不暢,影響街谷內的空氣品質.

為明確對街谷內氣流速度的改變作用,定義街谷內氣流速度的下降率為:

式中:為空間高度下的氣流速度下降率;為空間高度下的平均風速;0i為無上游阻擋建筑情況下的平均風速.

圖9給出了相對于無上游阻擋建筑時,在不同下街谷內氣流速度的下降率.可以看出,上游阻擋建筑的存在會使街谷內的風速下降30%~50%,且在75m時下降率達到最大值.相比于中心區和迎風區,背風區風速下降率高出5%~10%左右.

圖9 不同D時街谷內氣流速度下降率

上游阻擋建筑對街谷內氣流速度的影響將會影響到街谷內機動車污染源的擴散特征.以下將對街谷內污染物濃度分布進行分析.

2.2 上游建筑間距D對污染物濃度分布的影響

圖10給出了AA’橫剖面(圖1)的街谷污染物分布和流線.

從圖10(a)可以看出,無上游阻擋建筑時,污染物在渦流的作用下主要堆積在街谷背風區建筑附近和中心區近地面.當45m(圖10(b))時,污染物向街谷中心區的渦流中心聚集.而當增大到200m (圖10(c))時,污染物又向街谷背風區的地面以及街谷空間聚集.

圖10 街谷橫剖面AA’(x = 15m)上的濃度場

造成以上區別的原因是不同的對應的流場不同.當上游阻擋建筑距離街谷較遠(如圖10(c))時,上游阻擋建筑對來流的阻擋作用接近于無上游阻擋建筑的情況,因此濃度場又近似于無上游阻擋建筑的情況,向街谷背風區的地面聚集.

根據圖7中劃分的三個區域,從數值模擬結果中提取相應區域的污染物無量綱濃度,統計結果如圖11所示.

圖11 街谷內污染物無量綱濃度統計結果

對比圖11可以看出,背風區污染物濃度最高,迎風區污染物濃度最低.這是由于街谷中形成了順時針渦流,迎風區得到的是新鮮空氣,因此污染物濃度最小;而背風區得到的是受污染空氣,因此污染物濃度最大.

另外,在背風區(如圖11(a))中,雖然不同下風速變化較大,但由于處在污染源下游,直接受到污染物的擴散影響,污染物濃度在各下基本一致,不受大小的影響.而在迎風區(如圖11(c))中,雖然風速在各下基本一致(圖8(c)),但由于受到中心區回流的影響,中心區風速在= 90m處存在風速最小值,因此污染物濃度在= 90m處存在一個最大值.

為估算其他上游阻擋建筑與街谷上風建筑的間距下交通污染物的濃度,采用Origin程序擬合3個區域內污染物濃度的平均值,擬合采用三次多項式:

根據誤差最小原則,得到擬合結果,如圖12所示.

由圖12可以看出,在中心區和迎風區內,交通污染物濃度均在90m左右達到最大值,而背風區濃度在各下濃度基本不變.

3個區域的擬合函數分別為:

背風區:

中心區: