街道峽谷內(nèi)空氣流動(dòng)和污染物擴(kuò)散研究

劉紅姣，熊孝鵬，晉 梅，石 零

(1．江漢大學(xué)工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430021；2． 深圳麥格米特電氣股份有限公司，廣東 深圳 518000)

近年來(lái)，由于快速的城市化和高速的工業(yè)化，空氣質(zhì)量已經(jīng)成了公眾十分關(guān)心且急需解決的問(wèn)題。特別是在中國(guó)現(xiàn)代大都市，霧霾情況時(shí)有發(fā)生，普通公眾對(duì)空氣質(zhì)量尤其關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了大量的研究。Meroney[1]等和尤學(xué)一[2]等分別利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和CFD數(shù)值方法研究了開(kāi)放街區(qū)和城市街谷的污染物流動(dòng)與擴(kuò)散問(wèn)題。Rafailidis[3]通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)揭示了建筑物屋頂形狀對(duì)污染物流動(dòng)與擴(kuò)散的影響。程云章[4]等基于CFD方法探究了不同交通流量下，斜頂建筑物街區(qū)機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放情況。Huang[5]等探究了不同的屋頂形狀與不同的建筑物高度對(duì)街區(qū)污染物流動(dòng)與擴(kuò)散的影響。Yue peng[6]等人采用數(shù)值模擬的方法研究了建筑物在自然通風(fēng)情況下開(kāi)窗對(duì)街區(qū)氣流和污染物擴(kuò)散的影響。本文將進(jìn)一步探究斜屋頂建筑街道峽谷在不同風(fēng)速(常年平均風(fēng)速和極端風(fēng)速)、不同開(kāi)窗率時(shí)污染物流動(dòng)與擴(kuò)散的情況，探討其污染物濃度指數(shù)的變化規(guī)律。

1 計(jì)算模型

本文所討論的物理模型如圖1所示，包括來(lái)流進(jìn)口、出口，上部對(duì)稱(chēng)邊界與下部街區(qū)，其中街區(qū)屋頂為兩邊傾斜形狀，建筑物開(kāi)窗率分別為w=10%、20%、30%。四棟相同的建筑物連成一排，形成五街峽谷，其中入口區(qū)域距離第一街10H，出口區(qū)域距離最后一街20H。街區(qū)建筑物的高度H與街區(qū)的寬度W分別為H=W=0.06m，進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口高度為10H，因此整個(gè)計(jì)算域的大小為0.66×2.34 m。以上模型是按照1∶250比例縮小后的基本尺寸。

2 模型驗(yàn)證

2.1 CFD計(jì)算模型控制方程

本文采用Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS)方程對(duì)街道峽谷內(nèi)空氣污染物的流動(dòng)與擴(kuò)散進(jìn)行模擬計(jì)算。其控制方程如下：

(1)

(2)

組分輸運(yùn)方程

(3)

(4)

μ′=ρCμk2/ε

(5)

式中：u為來(lái)流速度；ρ和p分別為密度和壓力；μ′為湍流粘度；μ為分子粘度；gj為重力加速度；k、ε分別為湍流動(dòng)能、湍流耗散率；c為污染物平均濃度；δij為克羅內(nèi)克積；Sct為施密特?cái)?shù)。

2.2 模型驗(yàn)證

本物理模型中污染物(空氣與乙烷的混合物)從街區(qū)中心發(fā)出，假設(shè)空氣流動(dòng)為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，空氣密度為常數(shù)。水平進(jìn)口風(fēng)速采用呈指數(shù)分布的自定義函數(shù)，計(jì)算域上端壁面為對(duì)稱(chēng)邊界條件，出口為充分發(fā)展流動(dòng)，其他建筑物壁面均為無(wú)滑移壁面。根據(jù)壓力與速度耦合，采用SIMPLE算法和一階迎風(fēng)格式求解。其中湍流動(dòng)能k與湍流耗散率ε采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(6)

(7)

式中：z為地面的高度；μ*為摩擦速度；經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Cμ=0.09；卡門(mén)常數(shù)k=0.4。

建筑物表面乙烷的無(wú)量綱濃度指數(shù)K定義為：

(8)

式中：C為乙烷的體積分?jǐn)?shù)；風(fēng)速Uref=5m/s，建筑物高度H=0.06m，街區(qū)污染物線源長(zhǎng)度L=0.018m，污染物乙烷的體積流量為Qe=1.11×10-6m3s-1。

街道峽谷建筑物迎風(fēng)面與背風(fēng)面的無(wú)量綱污染物濃度K模擬結(jié)果與Meroney 等[1]人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2所示。從圖中可以看出，背風(fēng)面和迎風(fēng)面從屋頂?shù)浇止葻o(wú)量綱濃度K的變化趨勢(shì)基本一致，特別是迎風(fēng)面數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的一致性；在背風(fēng)面，當(dāng)0.02

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 城市街道峽谷空氣流分布

圖3所示為風(fēng)速Uref=3m/s，三種不同開(kāi)窗率w=10%、w=20%、w=30%情況下，城市街道峽谷內(nèi)空氣流動(dòng)情況。從圖中可以明顯看出，對(duì)于斜屋頂建筑，空氣渦流主要集中在背風(fēng)面和迎風(fēng)面的頂部(y>0m)，隨著開(kāi)窗率從w=10%增加到w=30%，目標(biāo)街道峽谷的氣流特性發(fā)生了明顯的變化，街道峽谷的空氣流增強(qiáng)，背風(fēng)面和迎風(fēng)面頂部的旋渦尺寸逐漸減小，甚至消失。表明開(kāi)窗率的增加有利于空氣流動(dòng)和污染物的擴(kuò)散。

圖4所示為風(fēng)速Uref=5 m/s時(shí)，三種開(kāi)窗率w=10%、w=20%、w=30%情況下，城市街道峽谷內(nèi)空氣渦流分布。相同開(kāi)窗率的情況下，風(fēng)速提高時(shí)，整個(gè)峽谷流動(dòng)旋渦有減小和消失的趨勢(shì)，但是在開(kāi)窗率達(dá)到30%時(shí)，由于開(kāi)窗率的增加對(duì)空氣流動(dòng)的影響，背風(fēng)面建筑物不同高度處出現(xiàn)了旋渦增加的現(xiàn)象，但是迎風(fēng)面頂部的旋渦基本消失了。提高風(fēng)速和適當(dāng)增加開(kāi)窗率有利于提高街區(qū)污染物的移除效率。

3.2 城市街道峽谷污染物濃度分布規(guī)律

圖5所示為進(jìn)口風(fēng)速Uref=3m/s和Uref=5m/s，三種不同開(kāi)窗率下(w=10%、20%、30%)，目標(biāo)街道峽谷內(nèi)迎風(fēng)面與背風(fēng)面不同樓層的污染物濃度指數(shù)分布。從圖上可以看出，迎風(fēng)面的污染物濃度指數(shù)遠(yuǎn)小于背風(fēng)面的污染物濃度指數(shù)，而且基本不隨風(fēng)速、開(kāi)窗率和樓層發(fā)生變化。背風(fēng)面污染物濃度指數(shù)隨著開(kāi)窗率的增加逐漸降低。即開(kāi)窗率增加，更多的污染物從目標(biāo)街道峽谷逸出。當(dāng)開(kāi)窗率一定時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，背風(fēng)面處的污染物濃度明顯降低，而且樓層越高，污染物濃度指數(shù)越低。當(dāng)開(kāi)窗率達(dá)到30%時(shí)，背風(fēng)面污染物濃度在二樓和四樓較高，其余樓層相對(duì)較低，主要是開(kāi)窗率的增加對(duì)空氣造成了擾流。由此可見(jiàn)，城市街道峽谷中，迎風(fēng)面的污染物濃度遠(yuǎn)小于背風(fēng)面的污染物濃度。適當(dāng)增大開(kāi)窗率和提高風(fēng)速有利于提高污染物的去除效率。

4 結(jié)論

本文采用CFD方法研究了不同進(jìn)口風(fēng)速(Uref=3m/s和Uref=5m/s，不同開(kāi)窗率(w=10%、20、30%)對(duì)城市斜屋頂建筑街道峽谷內(nèi)污染物流動(dòng)與擴(kuò)散的影響。模擬結(jié)果表明：街道峽谷中空氣渦流主要集中在背風(fēng)面以及迎風(fēng)面的頂部(y>0 m)，迎風(fēng)面的污染物濃度指數(shù)遠(yuǎn)小于背風(fēng)面的污染物濃度指數(shù)。適當(dāng)增大開(kāi)窗率和提高風(fēng)速，街道峽谷內(nèi)空氣流動(dòng)會(huì)增強(qiáng)，空氣中旋渦尺寸逐漸減小，甚至消失，污染物濃度指數(shù)降低。因此，城市街道峽谷內(nèi)迎風(fēng)面污染物濃度遠(yuǎn)小于背風(fēng)面污染物的濃度，開(kāi)窗和提高風(fēng)速有利于污染物的擴(kuò)散。