不對稱孤立街谷內(nèi)流動和污染物擴散數(shù)值模擬研究

◎ 任蘇琪 羅楊 崔鵬義 上海理工大學環(huán)境與建筑學院

1.引言

城市環(huán)境中的街道峽谷是指道路與道路兩側(cè)建筑所形成的連續(xù)或稍有間隔的狹長區(qū)域，按照峽谷兩側(cè)建筑的對稱性，可以分為對稱街道峽谷和不對稱街道峽谷。計算流體力學(CFD)的發(fā)展使研究街道峽谷內(nèi)氣流流動與交通污染物擴散問題不再單獨依賴現(xiàn)場測試和風洞實驗等傳統(tǒng)方法，進而提供了新的研究手段，很大程度地減少了人力物力。目前有關(guān)街道峽谷的數(shù)值模擬研究多集中在對稱街道峽谷幾何形狀對其內(nèi)部流場和污染物濃度場地影響，關(guān)于街道峽谷對稱性對于街谷內(nèi)流場影響的研究很多，但針對不同類型的對稱街谷以及不對稱街谷的流場以及濃度場等研究還有很大的空間。

為了進一步分析在垂直風向下，本文主要對比了幾種不對稱街道峽谷內(nèi)流動和污染物擴散的影響，采用了孤立峽谷二維縮尺模型對交通氣體污染物分布進行了分析。基于雷諾平均納維斯托克斯方程以及標準k-ε模型湍流模型和惰性氣體污染物輸運方程，模擬了不同類型的不對稱街道峽谷內(nèi)部的流場和濃度場，然后與風洞測量數(shù)據(jù)進行驗證。進而探究街道峽谷對稱性對內(nèi)部流動特性和污染物擴散規(guī)律的影響，為城市環(huán)境中城市規(guī)劃和道路設計提供依據(jù)。

2.方法

2.1 數(shù)值模型設置

為了探究不對稱街道峽谷內(nèi)氣流流場和污染物濃度場隨著建筑高度的增加的變化規(guī)律，本文設置了四種不對稱型街谷布局。此外，本文采用了建筑高度H與街道寬度W均為12cm的對稱性街道峽谷模型作為參考工況。

為了保證來流風可以充分發(fā)展，本文設置計算域整體尺寸為27H×8H，入口邊界處設置為速度入口條件，出口邊界采用自由出流條件，上邊界設置為對稱邊界條件，建筑壁面和地面采用壁面無滑移、濃度無滲透邊界條件。

2.2 模型驗證

本文采用德國卡爾斯魯厄環(huán)境風洞實驗室的風洞試驗數(shù)據(jù)對數(shù)值模型進行驗證，這里的模型比例尺在實驗設置中為1:500。來流風垂直于街道軸線，兩個平行的建筑(邊為0.12 m，長為1.2 m)安裝在隧道地板上。在距離上游建筑0.035 m處沿峽谷地面設置線源，空氣和示蹤氣體六氟化硫的混合物從源頭連續(xù)釋放，以模擬汽車尾氣排放。街道峽谷設計以及計算域均與參考工況相同。通過街道峽谷內(nèi)兩側(cè)壁面上污染物數(shù)值模擬結(jié)果和風洞實驗實測結(jié)果比較驗證，得出Sct=0.4時105萬的中等網(wǎng)格計算結(jié)果與風洞實驗實測數(shù)據(jù)有較好的一致性。

3.結(jié)果與討論

3.1 升階式街道峽谷內(nèi)部流場和污染物濃度場分布

圖1(a)顯示了當HA/HB=3/4時不對稱街谷內(nèi)流場云圖和濃度場示意圖，街谷內(nèi)順時針單渦在上游建筑屋頂水平向右變形，街谷下方氣流流速減弱的區(qū)域增大，導致順時針渦漩作用下背風側(cè)附近形成高污染區(qū)域。不對稱的建筑高度改變了建筑上方平滑流動的大氣氣流，不利于污染物在下游建筑高度水平逸出。當HA/HB=1/2時，如圖1(b)所示，渦心上升至上游建筑高度水平，導致背風側(cè)高濃度區(qū)域繼續(xù)變大。由此可見，在升階式街道峽谷中，隨著下游建筑高度的增加，背風側(cè)高濃度污染區(qū)域變大。

圖1 升階式街谷內(nèi)流場及無量綱濃度分布

圖2 降階式街谷內(nèi)流場及無量綱濃度分布

3.2 降階式街道峽谷內(nèi)部流場和污染物濃度場分布

圖2 顯示了兩種降階式不對稱街谷內(nèi)流場和污染物濃度場示意圖，如圖2(a)所示，在HA/HB=4/3的降階式街道峽谷內(nèi)產(chǎn)生一個變形的順時針渦漩，渦漩上方延伸到下游建筑屋頂，渦心移動到高度為H的街道中心處。此時峽谷內(nèi)污染物高濃度區(qū)域增大，且集中在背風側(cè)附近.當上游建筑高度增加，HA/HB=2時，峽谷內(nèi)產(chǎn)生了兩個方向相反變形的渦漩，峽谷內(nèi)渦漩流速較小，頂部渦漩嚴重變形向下游建筑傾斜，并覆蓋了整個下游建筑屋頂，渦心移動到下游建筑后側(cè)，且在屋頂右側(cè)產(chǎn)生了很小的逆時針渦漩，在兩個渦的作用下，污染物高污染濃度區(qū)域主要集中在迎風側(cè)附近（如圖2(b)）。由此可見，降階式街谷設計也不利于污染物的擴散，隨著上游建筑高度的增加，高污染濃度區(qū)從背風側(cè)逐漸向迎風側(cè)移動。

4.結(jié)論

通過CFD數(shù)值模擬方法探究對稱街道峽谷和不對稱街道峽谷內(nèi)氣流流場和污染物濃度場隨著建筑高度的增加的變化規(guī)律，得出了以下結(jié)論：

（1）在升階式街道峽谷中，污染物仍集中在背風側(cè)，隨著下游建筑的增高，渦漩向右開始變形，渦心逐漸上移，背風側(cè)高濃度污染區(qū)域逐漸變大。

（2）在降階式街道峽谷內(nèi)，隨著上游建筑的增高，渦的數(shù)量和大小發(fā)生變化。峽谷內(nèi)對流作用逐漸減弱，導致高污染濃度區(qū)從背風側(cè)逐漸向迎風側(cè)移動，背風側(cè)不同水平的污染物濃度逐漸減小，迎風側(cè)濃度逐漸增加。當HA/HB=2時下游建筑屋頂產(chǎn)生了閉合的逆時針渦漩，街谷內(nèi)污染物嚴重聚集，不利于污染物的擴散。

（3）對于街道峽谷整體污染水平而言，不對稱街谷設計并不利于污染物擴散，但對于背風側(cè)行人以及居民而言，隨著單側(cè)建筑的增高，降階式街谷設計減少了背風側(cè)污染水平，有利于居民健康生活以及出行。而升階式街谷并沒有顯著降低迎風側(cè)污染水平。