風向對屋頂煙囪排放污染物擴散特性的影響研究

宋書銀，黃遠東，崔鵬義，羅 楊

（上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093）

隨著工業化和城市化進程逐漸加快，人口密集的城市地區的空氣質量備受關注。影響城市地區空氣質量的主要污染源有揚塵、機動車尾氣、惡臭和其他有毒有害污染物［1］，其中，某些建筑（如住宅、醫院等）內產生的廢氣污染物，往往會通過屋頂煙囪直接排放到大氣環境中。在不利氣象條件下，煙囪排放污染物可能會通過“下洗效應”返回到近地面，或者通過建筑通風系統進入室內，從而對近地面室內外空氣質量和人體健康造成危害［2–3］。

近年來，國內外學者對城市建筑環境間流動及污染物擴散進行了較為廣泛的研究，主要采用數值模擬和風洞試驗等方法［4–6］。隨著計算能力的提升以及各種算法的不斷改進，數值模擬方法以其成本低、效率高、直觀性強等優點，已經成為研究流動、傳熱與傳質過程的重要方法之一［7］。研究表明，污染物擴散主要受氣象條件（如風向、風速、太陽輻射等）、建筑幾何形狀（高寬比、屋頂結構、架空結構等）、煙囪設置（尺寸、位置、排放速率）等影響［8–10］。多位學者研究了孤立建筑物在不同風向角下的污染物擴散，結果顯示，方位角等的改變會顯著影響污染物的濃度分布［11–13］。但是相比于研究孤立建筑物，更具有現實意義的是研究在城市環境中相鄰或周圍建筑對屋頂煙囪排放污染物擴散的影響。

本文采用standardk-ε兩方程模型，并結合三維穩態對流擴散方程，利用商業軟件FLUENT對不同風向（風向角α= 0° ～ 180°）下，下臺階建筑屋頂煙囪釋放污染物進行數值模擬，研究污染物的擴散分布特性，分析建筑周圍流場分布，并著重討論不同建筑壁面尤其是背風面上和建筑間街谷內行人呼吸高度處的污染物分布情況。

1 研究方法

1.1 物理模型

本文選取的建筑物理模型如圖1 所示。圖中以1∶100 的縮尺建立下臺階式兩棟建筑模型，并以矮層建筑（記為“A”）的高度作為參考高度H（0.2 m），建筑A 尺寸為2H× 1.5H×H，高層建筑（記為“B”）尺寸為H× 1.5H× 2H；煙囪污染源位于建筑A 屋頂正中央，直徑為0.05H，高度為0.08H。按照來風向與建筑中心軸線的夾角設定不同的風向角α。圖2 中以俯視視角展示了0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°七種風向角情況。

圖2 風向角α 設定Fig.2 Setting of wind direction α

1.2 數值模型

1.2.1 控制方程

本研究涉及的所有工況中都將氣流運動視為不可壓縮流動，且不考慮熱效應。氣流運動的控制方程為連續性方程和動量方程（RANS）。

不可壓縮流動的連續性方程

動量方程

式中：xi、xj為笛卡爾坐標；ui、uj為xi、xj方向上的平均速度分量；μ為分子黏度；μt為湍流黏度；ρ為密度；p為壓力；gi為重力加速度的分量。

研究表明，對于預測城市湍流流動，standardk-ε模型［14］的計算結果與實驗數據相比［15–17］，具有較好的數值精確度。因此，本文選擇standardk-ε模型，具體方程為k方程

ε方程

式中：k為湍動能；ε為湍動能耗散率；C1?、C2?和Cμ等 均 采 用FLUENT 軟 件 中 的 默 認 參數，值分別為1.44、1.92 和0.09；αk和α?分別為與k和ε對應的湍流普朗特數，分別取為1.0、1.3；Gk為由平均速度梯度引起的湍動能。

采用Boussinesq 假設的方法評估Gk，有

式中，S為平均應變率張量的模量。

式中，Sij為應變率張量。

對于煙囪釋放污染物過程采用三維穩態對流擴散方程［18］，即

式中：Cβ為第β種組分的質量分數；為分子擴散系數；vt為湍流渦黏性；Sct為湍流施密特數，值為0.7；Sp為污染源項。

1.2.2 計算域

采用計算流體力學（CFD）軟件ANSYS FLUENT 14.5 進行數值模擬，并按照前處理—分析—后處理的流程對所研究問題進行求解。圖3 以風向角α=0°為例，展示了數值模擬時的計算域設置，其中，x–y–z直角坐標系的原點(x= 0,y=0,z= 0)位于建筑A、B 中心處，計算域大小的選取原則嚴格遵循AIJ［19］的指導指南，入口平面在建筑A 迎風墻上游6H處，出口平面在建筑B 背風墻下游15H處，頂部平面距離建筑B 屋頂6H，側面平面距離建筑側壁6H。

圖3 計算域設置（以α=0°為例）Fig.3 Setting of computational domain (taking α = 0°for an example)

1.2.3 求解計算

入口采用速度入口，其風速U(z)、湍動能k以及湍動能耗散率?分別定義為［20］

式中：Uref為選取的參考風速，值為3 m·s-1；a為風剖指數，值為0.18；H為0.2 m；I(z)為湍流強度。

出口設置為流出邊界條件（outflow），側面以及頂面設置為對稱邊界條件（symmetry），建筑壁面以及地面設置為無滑移邊界條件且近壁面區域采用標準壁面函數（standard wall functions,SWFs）?？刂品匠滩捎糜邢摅w積法（FVM）離散，壓力與速度采用壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE）進行耦合，對流離散項采用二階迎風格式，各變量相對殘差小于10-6，并且流場無變化即視為收斂。

無量綱濃度K定義為

式中：Cr為各監測點或平面處污染物摩爾分數，本文選取六氟化硫（SF6）作為污染物；Ce為煙囪排放口處污染物摩爾分數，值為1/7；Q為煙囪出口處污染物排放率，值為7.85 × 10-5m3·s-1。

1.2.4 網格獨立性分析

數值仿真計算時既要做到不失精度，又不浪費計算資源，因此選取合適的節點數網格非常重要。本文在煙囪釋放污染物工況下α=0 °時設計了3 種不同節點數網格，分別為網格1（91 萬）、網格2（172 萬）和網格3（327 萬），且計算域完全對稱，為了節約計算時間，所以僅劃分了一半的網格。提取街道峽谷中心軸線處無量綱濃度進行對比分析。網格獨立性分析如圖4 所示。經比較，網格1 和網格2 的無量綱濃度相差較大，最大差值大于10 %，而網格2 和網格3 的無量綱濃度相差較小，最大差值小于5%。說明在網格2 的基礎上再增加節點數對計算結果幾乎無影響，因此本文選取網格2 進行數值仿真計算。圖5 為建筑周圍以及煙囪附近網格，其建筑壁面最近一層網格高度為0.025H。

圖4 網格獨立性分析Fig.4 Grid independence analysis

圖5 網格劃分（172 萬）Fig.5 Meshing with 1.72 million grids

2 結果與分析

2.1 流場以及污染物濃度分布隨風向角α 的變化

圖6 為不同風向角α下流場分布以及行人呼吸高度處無量綱速度u/Uref分布，圖7 為不同風向角α下煙囪釋放的污染物濃度分布，并且為了便于觀察，將建筑物做半透明處理。經對比分析可知，如圖6（a）所示，當α= 0°時，經過建筑A 屋頂的來流，由于受建筑B 的阻擋，大部分氣流流向街道峽谷，并在街道峽谷內形成逆時針旋渦；街道峽谷內行人呼吸高度處無量綱速度為負值，表明街道峽谷存在旋渦。在這種氣流運動影響下，如圖7（a）所示，煙囪釋放的污染物大部分跟隨氣流進入街道峽谷內。此外，由于建筑A 兩側也存在氣流產生的漩渦，污染物被氣流從街道峽谷內帶動至建筑A 的兩側壁面處，而建筑B 四周壁面則被經過煙囪的來流包裹，污染物也流動至建筑B 的四周壁面處。如圖6（b）～（f）所示，在α= 30°、60°、 90°、120° 、150°五種工況下，當來流方向與建筑中心軸線成一定角度后，經過煙囪的大部分氣流未進入街道峽谷內，因此污染物擴散對街道峽谷內行人呼吸高度處平面影響相對較小。如圖7（e）、（f）所示，當α= 120°、150°時，污染物均未擴散至街道峽谷內，但由于氣流在建筑背風區后形成旋渦，并且在行人呼吸高度處平面無量綱速度也均為負值，說明氣流產生了漩渦，且對污染物擴散至背風壁面處有一定的影響。如圖7（b）、（c）所示，當α= 30°、60°時，污染物擴散至建筑B 的背風壁面處；如圖6（d ）～ （f）所示，當α=90°、120°和150°時，經過煙囪的氣流會在建筑A 背風區形成漩渦。如圖7（d）～（f）所示，污染物會擴散至建筑A 的背風面，但對建筑B 周圍壁面幾乎無影響；如圖6（g）所示，當α=180°時，兩建筑街道峽谷下方有明顯的逆時針漩渦，在其上方則形成了一個順時針的漩渦，這與黃曉天等［21］的研究結果一致，如圖7（g）所示，煙囪釋放的污染物擴散至建筑B 背風壁面以及建筑之間的街道峽谷內。

圖6 不同風向角α 下流場分布以及行人呼吸高度處無量綱速度u/Uref 分布Fig.6 Distribution of flow field and normalized velocity (u/Uref) at the pedestrian breathing height under different α

圖7 不同風向角α 下污染物濃度分布Fig.7 Distribution of the pollutants at different α

2.2 煙囪污染物濃度分布特性

圖8 為建筑四周壁面以及行人呼吸高度處平面對應編號。圖9 為不同風向角α下建筑四周壁面以及行人呼吸高度處平面上平均無量綱濃度表示壁面處污染物的平均摩爾分數］比較。當α= 0°時，壁面A-4 與行人呼吸高度處平面P 上平均無量綱濃度均處于一個相對較高的水平。這是由于氣流直接經過煙囪后，會攜帶污染物進入建筑間的街道峽谷內，但壁面B-1 上的平均無量綱濃度較小。這是因為形成的逆時針漩渦致使污染物大部分聚集至壁面A-4 以及行人呼吸高度處平面P 上。建筑側壁面也會受到污染物擴散的影響，結合圖6、圖7 可知，壁面A-3 主要是氣流在建筑A 下游區域形成回流區導致的。當α= 30°、60°時，平面P 上基本無污染物，壁面A-3 上有少許的污染物，且2 種風向角下污染物在壁面上的平均無量綱濃度很接近，當α= 30°時相比于α= 60°時，煙囪釋放的污染物會更多地影響壁面B-3 和B-4；當α= 90°時，僅建筑A 的背風面A-3 上平均無量綱濃度較高。這是因為建筑B 在該風向角下基本不受經過建筑A 屋頂煙囪的氣流影響，此時流動結構相對簡單，氣流在建筑A 背風區形成的漩渦致使污染物少量聚集于壁面A-3 附近。當α= 120°、150°時，煙囪釋放的污染物僅對建筑A 的背風面有影響；當α= 180°時，流動結構變得相對復雜，建筑四周壁面以及平面P 均有污染物擴散分布，且由于氣流在建筑B 背風區產生漩渦，將污染物卷吸至建筑間的街道峽谷內，且壁面B-1 的無量綱污染物相對較大。隨著風向角逐漸變大，建筑A 屋頂中心煙囪釋放的污染物對壁面A-1 的影響逐漸變大，對壁面A-3 的影響則是先變大后變小，而只有α= 0°和180°時污染物才會擴散至壁面A-2 和A-4，尤其是當α= 0°時處于街道峽谷內的壁面A-4 上污染物的平均無量綱濃度最大。建筑B 四周壁面以及平面P 只有當α= 0°、180°時才有污染物到達；不同的是當α= 180°時建筑B 背風面的尾流漩渦將部分污染物卷吸至平面P 處，該平面平均無量綱濃度比α= 0°時的減少80%。

圖8 建筑四周壁面以及行人呼吸高度處平面對應編號Fig.8 Labels of wall planes around the buildings and planes at the pedestrian breathing height

圖9 不同風向角α 下建筑四周壁面以及行人呼吸高度處平面上平均無量綱濃度比較Fig.9 Comparison of average dimensionless concentrations on the surrounding walls and the pedestrian breathing height plane under different wind directions

3 結 論

本文采用CFD 數值模擬方法，研究不同風向角下兩建筑模型中矮層建筑屋頂煙囪排放污染物的擴散分布特性，得到以下結論：

（1）氣流來流處是否有建筑對流動結構影響較大，來流方向無建筑時，僅會在煙囪所在建筑背風面形成旋渦，污染物也只會擴散至建筑物背風區域以及下游區域；當α= 180°時，來流處存在建筑且高度相對較高時，氣流會產生回流區，將污染物帶回街道峽谷區域。

（2）來流風向角的變化對煙囪釋放污染物擴散影響較大，會對建筑不同的壁面產生顯著影響。壁面A-1、A-2、B-1 在α= 180°時污染物的平均無量綱濃度達到最大，壁面A-3 在α= 90°時污染物平均無量綱濃度均達最大，壁面A-4、B-2、B-3、B-4 以及街道峽谷內行人呼吸高度處平面P 在α= 0°時污染物的平均無量綱濃度最大；壁面A-1 在α= 0° ～ 60°時基本不受污染物影響，壁面A-2、A-4、B-1、B-2 以及平面P 在α= 30° ～ 150°時基本不受污染物影響，壁面A-3 在α= 150°時污染物的平均無量綱濃度最小，壁面B-3、B-4 在α= 90°、120°、150°時基本不受污染物影響。