濱水小區內氣流和顆粒物擴散的特性研究*

郭瓊瓊 文遠高# 唐 虎 夏雨琳 明廷臻 徐千芃

(1.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070；2.武漢地鐵運營有限公司，湖北 武漢 430030)

顆粒物是大氣環境中組分復雜、危害較大的污染物之一，是造成霧霾的主要原因[1-3]。近年來，顆粒物不僅對大氣環境造成嚴重的污染，還對人體健康造成潛在威脅[4]。研究表明，氣象條件對污染物的擴散、稀釋和積累有一定的影響，在污染源一定的條件下，污染物濃度的大小主要取決于氣象條件[5-7]。相對濕度是影響顆粒物理化性質的重要因素[8]，相對濕度的增加有利于顆粒物的粒徑增長和新顆粒物的形成，而新顆粒物的形成及增長可能導致顆粒物粒徑發生改變[9]。武漢市江河縱橫，湖泊眾多，雖然近年來水域面積日益減少，但2010年后湖泊水域面積基本趨于穩定，總面積為856.27 km2[10]。為了提高居民生活質量，美化生活環境，越來越多的住宅小區瀕臨水體建設，然而驟增的人員活動和道路車輛，在一定程度上影響濱江大道及濱水小區受污染的程度。

城市濱水區是城市中陸地和水體相連區域的總稱，由水體、水際線和陸地組成。自然水體或人工水體在實現自身生態功能的同時也改善了濱水區周圍的熱濕環境，特別是水氣擴散和溫度[11]。MARTNEZ ARROYO等[12]對兩個湖泊進行了為期兩年的生態學研究，分析了城市中河流和大氣之間的相互作用，發現湖泊對周圍環境有降溫增濕的作用。楊凱等[13]的研究表明，水體能使周邊環境溫度降低1～3 ℃、相對濕度增加6%～14%，且水體面積越大，溫濕效應越顯著。

以上學者在研究氣象因素對污染物擴散的影響時多以現場實測為主，且對水體的研究多集中于水體對周圍環境的降溫增濕作用，以真實城市濱水小區為模型的研究較少?；诖?，本研究采用FLUENT軟件對濱水小區開展氣流及顆粒物擴散特性進行研究。

1 濱水小區模型

1.1 幾何模型及邊界條件

本研究根據某濱水小區的幾何參數采用三維計算域構建模型，由于建筑物對大氣流動和污染物擴散的影響，使得小區中污染形態的研究非常復雜，為提高效率，遵從適當的簡化原則，選取尺寸均為20.0 m×10.0 m×30.0 m的6棟建筑物組成規模較小的模型，6棟建筑物左右間距20.0 m，前后間距30.0 m，距前列建筑物約38.5 m有一寬度為80.0 m的水面。根據建筑室外風環境計算流體動力學(CFD)模擬技術指導[14]，假設目標建筑高度為H，則計算域入口距最近建筑物滿足5H，自由出流邊界距建筑物滿足15H，側邊邊界距建筑物滿足5H，地面距離計算域上邊界滿足6H，其平面計算域如圖1所示。根據SOLAZZO等[15]的研究，計算域入口采用速度入口邊界，側面和頂面采用對稱性邊界；考慮出口流動狀態充分發展，計算域出口為自由出流邊界；水面為質量入口邊界，且假設湖面的蒸發量為定常；建筑物面和地面采用固體壁面邊界。

圖1 濱水小區模型平面計算域

基于以上原則，計算域尺寸為700.0 m×350.0 m×180.0 m。污染源為濱水小區外道路上來往車輛排放的細顆粒物，且采用體污染源形式，距離前列建筑物10.0 m，尺寸為0.5 m×50.0 m×0.5 m。另外，水陸交界處會形成水陸局部環流，即水陸風，白天和晚上風向正相反，為了突出研究水體對濱水小區內氣流和顆粒物擴散的影響，將風向設為從水體吹向陸地，風速參考武漢市全年平均風速(3 m/s)。

1.2 數學模型

考慮到湍流應變率的影響，采用YAKHOT等[16]提出的RNG K-ε湍流模型模擬濱水小區內連續相氣流場，空氣按不可壓縮流體處理，具體求解控制方程參見文獻[17]。用歐拉方法描述空氣流場，對離散的顆粒物用拉格朗日方法追蹤其運動軌跡，顆粒物濃度分布采用對數正態分布法[18]。參考文獻[19]，對顆粒物相做如下假設:(1)所有顆粒物相都為球形；(2)因為顆粒物相所占體積比值很小，所以不考慮顆粒物間的碰撞。

1.3 水體蒸發率的計算

自然水體蒸發的傳熱和傳質機理主要有兩種：一是分子運動(擴散)帶來的傳熱和傳質；二是水體表面的流體對流帶來的傳熱和傳質。當空氣與水面接觸時，在貼近水表面處存在一個飽和空氣邊界層，在邊界層周圍，水蒸氣分子做不規則運動，一部分水分子進入邊界層中，同時也有一部分水蒸氣離開邊界層進入空氣中，當由飽和空氣層進入空氣中的水分子多于由空氣進入飽和空氣層中的水分子時，就會發生水分蒸發現象[20]。本研究采用SARTORI[21]提出的自由水面蒸發公式來計算水面蒸發率。

1.4 顆粒物源強的計算

細顆粒物對人體健康和環境質量的影響更大，所以假定污染源來自于濱水小區外道路上來往車輛排放的細顆粒物，粒徑取1.0 μm，顆粒物源強的計算公式為：

(1)

式中：Q為單位時間、單位長度道路上汽車排放顆粒物的源強，kg/(s·km)；n為車流量，輛/h；E為車輛排放顆粒物的排放因子，g/(輛·km)。

參考文獻[22]，本研究E取0.02 g/(輛·km)，n取高峰時段平均車流量500輛/h，計算得到Q=3×10-6kg/(s·km)。

2 結果與分析

2.1 相對濕度對氣流場的作用與影響

城市水體蒸發的水蒸氣擴散到空氣中，使空氣密度減小，同時伴隨蒸發過程的氣化潛熱使空氣溫度降低，大氣壓力發生變化，所以在濕度的影響下，大氣流場會發生變化，從而影響顆粒物的濃度分布。為了說明空氣中水蒸氣含量的增加對氣流場的影響，在不改變風速的條件下，計算得到不同相對濕度下水蒸氣質量分數和水體蒸發率，結果見表1。

表1 不同相對濕度下水蒸氣質量分數和水體蒸發率

圖2為不同相對濕度下，穩態時污染源高度(0.5 m)處大氣的水蒸氣擴散分布情況。由圖2可見，水蒸氣在風向作用下不斷擴散，下風向處質量分數越來越小，且隨著相對濕度越來越大，小區流場內水蒸氣的質量分數也越來越大，但其增大的幅度逐漸減小。從圖2還可明顯看出，當相對濕度較高時，小區橫向主通道內的水蒸氣質量分數較高，可在一定程度上提高人們對小區內熱濕環境的滿意程度。張培紅等[23]研究發現，水體對小區內熱濕環境的影響不容忽略，水體從溫度、相對濕度等方面改善小區熱濕環境，從而提高小區的熱舒適度。

圖2 不同相對濕度下0.5 m高度處大氣的水蒸氣擴散分布

2.2 相對濕度對顆粒物質量濃度的影響

大量研究指出，相對濕度對顆粒物質量濃度有一定的影響[24-25]。其中，崔術祥[26]認為相對濕度為65%時顆粒物間會發生凝并現象，但凝并生成的大顆粒結構松散且不緊密；相對濕度為80%時顆粒物間發生明顯的凝并現象，且生成的大顆粒結構緊密。本研究在不考慮顆粒物凝并的情況下，研究相對濕度≤70%時對顆粒物質量濃度的影響。通過模擬計算得到在不同相對濕度下，3個典型截面(截面1～3)在人呼吸高度處(1.5 m)的顆粒物質量濃度，結果如圖3所示。由圖3可以看出，在相對濕度≤70%時，顆粒物質量濃度與相對濕度呈正比關系，這與楊志文等[27]和閻蕾等[28]的現場實測結果一致。這種現象可以解釋為，當相對濕度較低時，顆粒物擴散速率較快，不容易積聚，而當相對濕度增加時，空氣黏度增大，致使顆粒物擴散速率減慢，最后聚集造成質量濃度增大。

圖3 典型截面在1.5 m高度處的顆粒物質量濃度

2.3 濱水小區內水蒸氣擴散特性

據統計，武漢市全年平均相對濕度為70%，假設水面蒸發為定常狀態，取表1中相對濕度為70%對應的水面蒸發率為水面的定常蒸發率，即0.065 3 kg/(m2·s)。在西風風向的作用下， 0.5 m高度以及截面3的水蒸氣在不同時刻的擴散情況分別見圖4、圖5。

從圖4可看出，隨著時間的推移，在西風風向作用下水蒸氣向下風向不斷擴散移動，擴散區域越來越大，建筑物周圍及橫向主通道內水蒸氣的含量越來越高。由于風的衰減性和地面的黏滯性，下風向處水蒸氣的質量分數較上風向處低。受建筑物的阻擋作用，水蒸氣在前列建筑物兩側發生繞流，主要在小區兩側和橫向主通道內擴散移動，但擴散到濱水小區豎向主通道內的水蒸氣量相對較少。

圖4 0.5 m高度處在不同時刻的水蒸氣擴散

由圖5可知，在20 s時截面3的水蒸氣主要在水平方向上擴散，而在豎直方向上最高只擴散到10 m左右；60 s時第1豎向主通道內的水蒸氣在豎直方向上有較為明顯的擴散，擴散高度約為20 m，100 s時最高擴散到35 m左右；由于建筑物的阻擋，第3列建筑物背風側水蒸氣最高擴散到21 m左右。整體來說，水蒸氣在水平方向上的擴散速率比豎直方向上快。

2.4 濱水小區內顆粒物擴散特性

為了突出水體對濱水小區內顆粒物擴散的影響，設計污染源及建筑物參數相同的非濱水小區進行顆粒物的擴散對比分析。為便于比較，取相對濕度為70%、20 s時濱水小區和非濱水小區1.5 m高度處的顆粒物擴散情況進行模擬，結果如圖6所示。在非濱水小區內，顆粒物主要集中于第1列建筑物的迎風側處和橫向主通道內，顆粒物質量濃度較高；而在濱水小區內，顆粒物在橫向主通道內的擴散范圍較廣，小區兩側的顆粒物質量濃度較非濱水小區兩側的高，橫向主通道內的顆粒物質量濃度較非濱水小區內的低。整體來說，非濱水小區體污染源與第1列建筑之間的顆粒物濃度大于濱水小區。

圖5 截面3在不同時刻水蒸氣擴散

圖6 20 s時濱水小區和非濱水小區在1.5 m高度處的顆粒物擴散情況

此外，根據模擬結果，非濱水小區在20、60、100 s時顆粒物質量濃度的最大值分別為1.01×10-8、9.55×10-9、1.14×10-8kg/m3，均大于相同時刻下濱水小區內顆粒物質量濃度的最大值(5.68×10-9、7.47×10-9、6.84×10-9kg/m3)，造成這種現象的原因可能是濱水小區水體表面蒸發不斷進行，大氣中水蒸氣的含量越來越多，過多的水氣附著在顆粒物表面使其重力增加，發生沉降現象，從而使大氣中顆粒物濃度降低。

綜上所述，水體不僅對小區周圍環境有降溫增濕的作用，而且還可以有效降低小區內顆粒物質量濃度，促進顆粒物擴散。

3 結 論

采用FLUENT軟件對濱水小區內的氣流和顆粒物擴散特性進行分析，結論表明：(1) 隨著相對濕度越來越大，小區流場內水蒸氣的質量分數也越來越大，但其增大的幅度逐漸減?。?2)不考慮顆粒物間的凝并情況，顆粒物質量濃度與相對濕度呈正比關系；(3)隨著時間的推移，在風向作用下水蒸氣沿著下風向不斷擴散移動，擴散區域越來越大，建筑物周圍及橫向主通道內水蒸氣的含量越來越高，且由于風的衰減性和地面的黏滯性，下風向處水蒸氣的質量分數較上風向處低；(4)水蒸氣在水平方向上的擴散速率大于豎直方向上的擴散速率；(5)濱水小區的水體不僅對小區有降溫增濕的作用，而且還能有效降低小區內顆粒物質量濃度，促進顆粒物擴散，改善小區內環境質量。