穩定層結條件下建筑物體對流場影響的數值模擬研究

史學峰，郭棟鵬，李云鵬，姚仁太

(1.中國輻射防護研究院，太原 030006；2.太原科技大學，太原 030024)

污染物通過建筑物頂部通風管或煙囪進入大氣環境中可能會對公眾健康造成影響，如核設施廠房頂部排放的物質輻射影響、城市區域中工業廠房排放的潛在危害、人們健康物質的潛在健康風險等。影響污染物擴散的因素有很多，包括風速、建筑物形狀、煙囪高度、煙囪與建筑物之間的關系和溫度層結等。其中，穩定度會影響大氣邊界層(ABL)的厚度、結構以及邊界層內的速度、溫度和湍流廓線。特別是穩定層結，其會抑制大氣污染物的擴散。建筑物近場污染物的擴散包括污染物與流場的相互作用，并且較高濃度的污染物主要分布在建筑物周圍，特別是下風向尾流區范圍內[1]。

由于條件限制，大多數的研究成果主要集中于中性條件下大氣邊界層的模擬技術[2-5]，而關于穩定層結流的研究成果并不多見，目前的研究大多數關注弱穩定條件下的層結流動。Yassin[6]通過風洞實驗模擬了不同溫度層結條件下對建筑物周圍擴散的影響，但只研究了弱穩定條件下建筑物對周圍流場與污染物擴散的影響，而對強穩定邊界層的湍流結構和輸送過程并不清楚。Mavroidis等人[7]通過風洞實驗研究了不同形狀建筑物對污染物擴散的影響，結果表明：由于現場試驗過程中受風向脈動的影響，風洞實驗污染物的水平擴散范圍略小于現場試驗，而中心軸線濃度略大于風洞實驗。Ohya等人[8-9]嘗試研究強穩定邊界層下流場結構及其對邊界層的影響，表明穩定層結抑制了湍流的發展，并且在強穩定層結下，整個邊界層動量和熱通量幾乎為零。

近年來，計算流體力學(CFD)技術逐漸應用于模擬建筑物(群)周圍流動特性及大氣污染物的擴散規律[10-12]。Santos[13]與Olvera等人[14]使用CFD研究了不同溫度層結下單個建筑物對污染物擴散的影響,并與實驗結果進行對比分析。Sang等人[15]利用CFD研究不同大氣穩定度(穩定度分別為A、B、C、D、E、F)對單個立方建筑屋頂排放污染物近場擴散的影響，結果表明，不穩定條件(穩定度為A、B、C時)下建筑物后方的空腔區長度和寬度均減小，穩定條件(穩定度E, F) 建筑物后方的空腔區長度和寬度均增大，使得污染物羽流側向擴散，穩定條件下近地面污染物濃度高于不穩定和中性條件下的濃度。Farzad等人[16]采用大渦模擬(LES)方法，以建筑物(長寬高之比為1∶1∶2)為研究對象，研究了不同的溫度層結條件下(穩定、中性和不穩定)對氣流和氣體污染物擴散過程的影響。Sessa等人[17]自行開發了一種混合湍流和溫度波動產生的方法，并將其嵌入大渦模擬(LES)中研究理查森數(Rib)小于1的不同層結條件(例如Rib=0，0.21，0.50，0.70，1.0)對湍流和擴散的影響，研究結果表明，由于對湍流的抑制，即使是微弱穩定層結也會顯著改變污染物擴散。在我國，一些研究人員嘗試應用CFD技術模擬不同溫度層結下建筑物周圍污染物的擴散規律[18-21]。而對強穩定條件下建筑物周圍污染物的擴散規律研究尚不多見。

由于低湍流度甚至是間歇性的湍流通常發生在穩定的條件下，因為浮力可以極大地抑制剪切產生的湍流, 因此，與對流邊界層相比，湍流渦的尺寸有限、湍流的間歇性以及在穩定邊界層中產生的重力波，使得建立穩定邊界層的模型更加復雜。本文應用STAR-CD提供的RNGk-ε湍流模型，對穩定層結條件下特別是強穩定層結下建筑物的周圍流場進行了模擬，并與風洞實驗結果進行驗證比對。

1 風洞實驗模擬

1.1 大氣環境風洞及模型

實驗在中國輻射防護研究院大氣邊界層1號風洞中進行，該風洞為直流下吹式。風洞洞體全長36 m，試驗段長17 m，寬1.5 m，高1 m，試驗段風速范圍為0.2～20.0 m/s。該風洞配有溫度層結模擬系統，可控制風洞內部氣流溫度變化，形成溫度梯度，從而實現大氣理查森數和大氣邊界層的模擬。溫度層結模擬系統主要由來流溫度控制系統、溫度車和下均溫板三部分組成。來流溫度控制系統溫度控制范圍為4～10 ℃。溫度車可分層調節氣流溫度，溫度調節范圍為10～85 ℃。

下均溫板可進行加熱和冷卻，溫度調節范圍是10～90 ℃，用來模擬水陸交界面的流動。通過在實驗段入口調節尖劈、粗糙元分布和溫度層結模擬系統模擬中性和非中性大氣邊界層流動。實驗中選用模型長、寬、高(H)均為150 mm的立方體建筑物,見圖1。

圖1 建筑物與測點的位置關系圖

1.2 相似準則

根據相似理論，兩個流動系統相似必須滿足一套確定的相似準則，除要求模型與原型之間實現幾何相似外，還要求運動相似、動力相似以及邊界條件相似。

表1 不同溫度層結下主要參數

1.3 流場測量

實驗中，利用熱線風速儀X型二維熱絲探頭與一維冷絲探頭進行速度、溫度及湍流強度的測量，采樣頻率1 kHz，采樣時長16 s，定量研究溫度層結對建筑物近場流動的影響。

2 數值模擬

使用STAR-CD3.26作為計算平臺，數值模擬的計算區域與風洞相同(17 m×1.5 m×1.0 m)，模型高度(H)為150 mm的正立方體，網格結構采用六面體網格，計算區域網格總數約為200萬，區域內最大網格尺寸為20 mm，建筑物周圍網格尺寸為2 mm。計算時入口邊界條件風廓線、溫度廓線、模型頂部處風速均與風洞實驗相同，同時為了研究不同溫度層結對流場的影響，CFD模擬過程改變了溫度廓線。入口風廓線、溫度廓線見圖2。出口邊界條件采用完全發展的出流邊界條件，地面設置一定的摩擦速度(u*)與粗糙度(z0)，頂部與兩側邊界設為光滑，建筑物邊界采用無滑移壁面。數值模擬湍流動能(k，m2/s2)廓線與湍流耗散(ε,s-1)廓線見公式1、2。不同溫度層結下主要參數見表1。采用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked)算法聯立求解各離散方程。

圖2 不同溫度層結下風廓線與溫度廓線

(1)

(2)

Φm=1+5z/L,z/L≥0

(3)

Φε=1+4z/L,z/L≥0

(4)

其中,Cμ是經驗常數,0.09;Φm、Φε是以z/L為變量的函數。

3 結果分析與比較

主要研究了建筑物尾流區附近溫度層結對流動特征的影響，分別在沿建筑物中心線x/H=0.6、1.5、2.5、3.5、5.5、7.5(如圖1)不同位置進行流場特征的研究。

3.1 建筑物對流場的影響

3.1.1縱向平均速度分布u/uH

采用k-ε(RNG)湍流模型計算建筑物對其周圍流場的影響，不同Rib下風向不同距離處建筑物對周圍流場影響的縱向上歸一化速度(u/uH)數值模擬與風洞實驗結果比較見圖3。

圖3 不同位置處不同Rib歸一化速度(u/uH)隨高度的變化

由圖3可知，Rib= 0.057，當z/H>1.5時，CFD對歸一化風速的模擬結果與風洞實驗結果較好吻合；當z/H< 1.5范圍內，CFD對歸一化風速的模擬結果與風洞實驗結果吻合一般，尤其是在當z/H<1范圍內，CFD數值模擬結果u/uH為負值，而風洞實驗u/uH最小值為0.08，造成這一現象的原因是：一方面風洞實驗使用的熱線風速儀不能測量縱向上風速的負值，另一方面，與風洞實驗結果相比，數值模擬的空腔區范圍比較大[22]。當z/H>1.5時，不同距離處的歸一化風速變化趨于一致，這是由于在此高度范圍內受到建筑物影響減弱，歸一化風速恢復來流狀態導致的。在建筑物回流區范圍內(x/H=0.6)，由于受建筑物機械擾動的影響, 不同Rib對流場影響不明顯。x/H=1.5處，Rib= 0.82、1.13時，不同高度處u/uH>0，由于在強穩定條件下，氣流運動主要通過浮力驅動，建筑物下風處形成小循環空腔區所致。隨著下風距離的增大，溫度層結對流場的影響逐漸顯現，風速逐漸恢復到來流狀態，但是Rib<0.52，風速恢復相對較慢。當x/H>1.5時，u/uH均未出現負值，這是由于此時氣流脫離了回流區，不存在反向流動，使得u/uH均為正值。

3.1.2垂向平均速度分布w/uH

不同Rib不同距離處建筑物對周圍流場影響的垂向上歸一化速度值(w/uH)模擬結果與風洞實驗結果比較見圖4。由圖4可知，當Rib= 0.057時，CFD對垂向上歸一化速度的模擬結果與風洞實驗結果總體較好吻合，不同位置處整體隨高度的變化趨勢相似。x/H=0.6處，Rib≤ 0.52時，近地面(z/H<0.5)范圍內，由于建筑物機械擾動的影響，w/uH基本沒有區別；z/H=1.0處，由于受較強向下氣流的影響w/uH出現了峰值。Rib≥ 0.82時，z/H>0.75，由于強穩定條件下，受較強浮力作用的影響，w/uH均顯著減小，特別是當Rib=1.13時。隨著下風距離的增大，溫度層結對流場的影響逐漸顯現，Rib≥ 0.82時w/uH變化較快，主要由于強穩定條件下，浮力對流場的恢復起主導作用，抑制了氣流垂直運動[23]。總之，在建筑物尾流區范圍內，溫度層結對流場的影響較為顯著。

圖4 不同位置處不同Rib歸一化速度(w/uH)隨高度的變化

3.1.3流場結構分布

不同Rib下建筑物對其周圍流場影響的垂直數值模擬結果見圖5。

由圖5可知，CFD較好地模擬了建筑物附近尾流區和回流區的信息及建筑物頂部回流區位置的變化，隨著Rib增大，頂部回流區逐漸向建筑物后端邊緣移動。建筑物尾流區長度在Rib= 0.057 時達到最大,由于穩定層結加速了氣流的下降，從而減少空腔區長度。當Rib> 0.21時，較強的穩定層結作用極大地抑制了建筑物頂部及其背風面氣流的運動，特別是當Rib> 0.33時，溫度層結對流場很明顯。當Rib< 0.21時，機械湍流對流場結構起主導作用，當Rib≥ 0.33時，流場結構與層流類似，兩個機制之間的過渡發生在Rib=0.21附近。總之，較強環境湍流傾向于誘導建筑物頂部的再附著，并且減少建筑物背風面空腔的大小。Zhang等人[23]分別用數值模擬與水槽試驗進行了不同溫度層結下建筑物對流場的影響，發現隨著Rib的增大，建筑物背風面回流區的長度逐漸減小，并且較強的溫度層結對湍流動能產生抑制作用，從而隨著Rib的增大湍流動能逐漸減弱。本文研究結果與之相同。

圖5 建筑物周圍垂直流場結構模擬結果

3.2 湍流結構

不同Rib下建筑物對歸一化湍流動能(k/uH2)影響的垂直剖面數值模擬結果見圖6。

由圖6可知，隨著Rib增大k/uH2逐漸減小，由于強溫度層結抑制尾流區內部湍流的發展。隨著Rib從0.057增加到0.33，建筑物周圍的k/uH2分布發生了較大的變化。特別是建筑物后方k/uH2較高的空腔區域要小得多，建筑物頂部回流區的k/uH2影響不大。與流場的變化相似，當Rib從0.33增加到1.13，k/uH2也發生了很大的變化，尾流區內k/uH2減小，建筑物頂部的高k/uH2區域，隨著回流區的消失而消失，主要原因是強穩定層結增加了浮力驅動，從而抑制了垂直方向湍流結構[23]。總之，結果表明當Rib>0.21時，氣流運動主要受浮力控制，浮力會抑制尾流內部的湍流。該結果與zhang等人[23]的研究結果一致。

4 結論

通過對不同Rib建筑物對流場結構影響的數值模擬研究，結果表明：

(1)除建筑物背后空腔區外，CFD對歸一化風速的數值模擬結果與風洞實驗結果較好吻合，不一致的原因主要是由于風洞實驗使用的熱線風速儀不能測量縱向上風速的負值造成的。

(2)隨著Rib的增大氣流運動逐漸受浮力驅動，建筑物背風面的空腔區逐漸減小，特別是Rib≥ 0.82時，浮力對流場的恢復起主導作用，抑制了氣流垂直運動。隨著下風距離的增大，溫度層結對流場的影響逐漸顯現。

(3)Rib< 0.21時，機械湍流對流場結構起主導作用，Rib≥ 0.33時，流場結構與層流類似，兩個機制之間的過渡發生在Rib=0.21附近。隨著Rib增大，由于強穩定層結增加浮力驅動，從而抑制了垂直方向湍流結構，因此建筑物頂部的高k/uH2區域隨著回流區的消失而消失。

本文通過與風洞實驗結果的對比,建立了穩定層結下數值模擬技術,為進一步評價不同溫度層結(特別是強穩定層結)下核設施建筑物(群)近場氣載放射性污染物的流動與擴散奠定了基礎。