建筑架空層對街道峽谷內污染物濃度影響研究

賀廣興

（湖南人文科技學院能源與機電工程學院，湖南 婁底 417700）

0 引言

隨著我國汽車保有量的增加，給城市帶來一系列的環境問題，其中汽車尾氣的排放對城市造成比較嚴重的空氣污染，對城市居民的健康也造成負面影響[1-2]。尤其城市的街道峽谷受到兩邊高層建筑的影響，通風效果不好，污染物不容易擴散，從而造成污染物濃度升高。現有的街道峽谷中污染物擴散的研究方法中風洞實驗和CFD模擬為最主要的兩種手段[3-5]。

城市街道峽谷中污染物擴散的影響因素中，國內外諸多學者已通過各種方法研究了各種不同因素[6-12]對街道峽谷中污染物擴散的影響。

現有文獻資料中，沒有查閱到街區建筑下層的架空層結構對污染物擴散的影響，本文通過CFD模擬方法分析不同的架空結構對街道峽谷中污染物擴散的影響程度，得出最有利于污染物擴散的街道布局。

1 模型建立

1.1 控制方程

本研究采用現有資料中普遍采用的標準的k-ε模型[13]，控制方程如下：

連續性方程：

動量方程：

k與ε參數方程：

傳輸方程：

其中：

式中：uiuj—流體速度在i、j方向上的分量；xi、xj—i、j方向上的坐標；ρ—流體密度；p—流體壓強；gi—重力加速度；v—流體運動粘性系數；μ—流體動力粘度；μt—流體湍流黏性系數；k—湍動能；ε—湍動耗散率；t—時間；Gk—湍動能產生源項；Di—組分分子擴散率；Ci—氣體組分濃度；Sct—湍流施密特數；σk、—湍流Prandtl常數；、—模型常數；δij—Kronecker符號。

1.2 計算區域、網格劃分及邊界條件

1.2.1 模型計算區域

圖1中（a）、（b）、（c）、（d）分別表示不同的街道建筑布局方式模型。（a）圖為沒有架空層的結構；（b）圖為來流風向上的建筑架空一層結構；（c）圖為背風向上的建筑架空一層結構；（d）圖為兩邊建筑都架空一層結構。街道內部空氣視為不可壓縮氣體。為了與后文CFD的驗證模型保持統一，街道峽谷模型尺寸與后文的驗證模型在尺寸上保持一致。街道模型的高度（H）和寬度（B）分別設為0.06 m，寬為0.01 m和高為0.0012 m的線污染源布置在街道中心位置。設汽車尾氣中CO占比0.1%，其排放濃度設置為Qco=1×10-7m3/s。

圖1 計算模型

1.2.2 邊界條件

參考其他學者的相關研究文獻[14]，此次模擬的入口邊界條件如下：

式中：Z—距離地面高度；u(z)、k(z)、ε(z)—在Z高度位置的水平風速，湍動能和耗散系數；zref—整個計算區域高度；uref—參考風速；u*（0.325 m/s）—摩擦速度；κ（=0.4）—馮·卡門常數；Cμ=0.09；出口邊界條件設置為0壓力梯度；上邊界為對稱邊界條件，其他邊界為無滑移邊界。

2 模型驗證

CFD結果的可靠性利用Meroney的風洞實驗進行驗證[15]。風洞實驗中，模型建筑高度和街道寬度都設為0.06 m；0.01 m寬和0.0012 m高的街道線性污染物（乙烷）和空氣混合氣體作為汽車尾氣排放源布置在街道中心位置，來流風向垂直于街道，污染物濃度測量點布置在街道旁建筑的兩側，模型及監測點示意圖分別如圖2（a）、（b）所示。

圖2 風洞實驗模型

風速入口邊界條件參照原實驗，計算式如下：

式中：d0=2 mm；u(z) —Z高度處的風速；(δu)—高度0.5 m處的平均風速；指數α=0.28。

污染物濃度歸一化處理[16]：

式中：C—乙烷體積濃度；Uref—參考風速，m/s；H—建筑高度，m；L—線源長度，m；Qe—污染物散發源強，m3/s。

模擬結果和實驗結果對比結果如圖3所示，由圖可知，模擬結果與實驗結果基本一致，迎風面兩者數據基本重疊。背風面兩個模擬數據與實驗重合，另外兩個數據一個稍微高于實驗數據，一個模擬數據略低于實驗數據，整體趨勢保持一致，驗證了模擬結果的可靠性。

圖3 計算值與實驗測量值對比

3 結果及討論

3.1 峽谷內部流場分布

圖4展現了不同架空層布置方式對流場的影響情況。圖4（a）為沒有布置架空層時流場的分布情況，由于來流風的切應力影響在內部和建筑后面形成了一個主要的順時針渦旋。峽谷內部由于空氣的渦旋運動，污染物不容易向外擴散，造成內部污染物濃度高；圖4（b）為風來流方向建筑下層布置架空層的流場分布。與圖（a）相比，峽谷內部的流場有了比較大的變化，中間部分形成了一個主渦旋，來流空氣從建筑下部架空層進入峽谷，從右側建筑上部流出了峽谷。由于流出的空氣帶走部分污染物，從而有利于峽谷內部污染物濃度的稀釋。同圖（a），建筑后面也形成一個比較大的順時針渦旋。圖4（c）為背風方向建筑下層布置架空層的流場分布。峽谷內部形成一個主要渦旋，外側氣流從右側建筑下部進入峽谷，從上側離開，可以帶離部分污染物，有利于污染物濃度降低。同樣，在建筑后面也形成一個大的順時針渦旋。圖4（d）為道路兩側建筑下方都布置架空層的流場分布。可以看出，峽谷內部形成了一個順時針渦旋，底部的空氣隨流場直接離開峽谷。此種情況底部氣流可帶走大部分峽谷內部的污染物。建筑后面沒有形成一個比較明顯的渦旋，此種情況最有利于內部污染物的擴散。

圖4 流場分布

3.2 峽谷內部CO濃度分布

不同架空層布置方式下街道峽谷內部CO濃度分布情況如圖5所示。由圖5（a）可知，在無架空層時，峽谷內部CO充滿整個內部，其中高濃度區域集中在左下角區域，右側區域的CO濃度比較低。峽谷內部的順時針渦旋［圖4（a）］導致污染物不容易擴散，聚集右側區域。圖5（b）為在風來流方向上的建筑下層設置架空層，與圖5（a）相反，受流場的影響，CO主要集中在峽谷右側下部區域，由于底部空氣隨流場離開峽谷，對污染物起到較好的稀釋作用，CO濃度較圖5（a）有所下降。圖5（c）為背風建筑下層設置架空層，與圖5（a）相似，由于在峽谷內部也形成了一個主要的順時針渦旋，導致CO的濃度分布情況也類似。主渦旋外側也形成了一個更大的渦旋，峽谷上部空氣隨外層大渦旋部分離開峽谷，底部又部分回到峽谷內部，此種情況造成了底部的通風效果較圖5（a）得到部分提升，有利于CO的擴散。圖5（d）峽谷兩側建筑都設置架空層，從流場分布情況可知，峽谷底部的通風效果得到顯著提升，CO在峽谷內部的擴散能力也得到提高，污染物源散發的CO隨底部流場離開峽谷，從而導致整個峽谷內部的污染物濃度顯著降低。

圖5 峽谷內CO濃度分布

4 結論

（1）架空層的布置對街道峽谷內部的流場有顯著影響。設置架空層可以改變峽谷內部及背風建筑后的流場分布，尤其兩旁建筑都設置架空層時影響最大。

（2）架空層對峽谷內部污染物濃度也存在明顯影響。設有架空層可降低峽谷內部污染物濃度，背風方向上設置時影響較小，其次是風來流方向上設置，最理想的為兩旁建筑都設置架空層。