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探讨街道峡谷内的污染物扩散及空气流动规律

2020-06-12 386 上传者：管理员

摘要：通过CFD数值模拟方法研究了街道峡谷中斜屋顶建筑在不同风速、不同开窗率时污染物流动与扩散的规律。模拟结果表明，斜屋顶街道峡谷中的空气涡流主要集中在背风面和迎风面的顶部，迎风面的污染物浓度指数远小于背风面的污染物浓度指数。提高风速和增大开窗率整个峡谷流动旋涡有减小和消失的趋势，街道峡谷中背风面的污染物浓度指数下降明显。开窗和提高风速有利于污染物的移除。

关键词：
大气探测
开窗率
数值模拟
斜屋顶
污染物浓度
街区
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近年来，由于快速的城市化和高速的工业化，空气质量已经成了公众十分关心且急需解决的问题。特别是在中国现代大都市，雾霾情况时有发生，普通公众对空气质量尤其关注。国内外学者对此开展了大量的研究。Meroney[1]等和尤学一[2]等分别利用风洞实验和CFD数值方法研究了开放街区和城市街谷的污染物流动与扩散问题。Rafailidis[3]通过风洞实验揭示了建筑物屋顶形状对污染物流动与扩散的影响。程云章[4]等基于CFD方法探究了不同交通流量下，斜顶建筑物街区机动车污染物排放情况。Huang[5]等探究了不同的屋顶形状与不同的建筑物高度对街区污染物流动与扩散的影响。Yuepeng[6]等人采用数值模拟的方法研究了建筑物在自然通风情况下开窗对街区气流和污染物扩散的影响。本文将进一步探究斜屋顶建筑街道峡谷在不同风速(常年平均风速和极端风速)、不同开窗率时污染物流动与扩散的情况，探讨其污染物浓度指数的变化规律。

1、计算模型

本文所讨论的物理模型如图1所示，包括来流进口、出口，上部对称边界与下部街区，其中街区屋顶为两边倾斜形状，建筑物开窗率分别为w=10%、20%、30%。四栋相同的建筑物连成一排，形成五街峡谷，其中入口区域距离第一街10H，出口区域距离最后一街20H。街区建筑物的高度H与街区的宽度W分别为H=W=0.06m，进风口与出风口高度为10H，因此整个计算域的大小为0.66×2.34m。以上模型是按照1∶250比例缩小后的基本尺寸。

2、模型验证

2.1CFD计算模型控制方程

本文采用ReynoldsAveragedNavier-Stokes(RANS)方程对街道峡谷内空气污染物的流动与扩散进行模拟计算。其控制方程如下:

组分输运方程

式中:u为来流速度;ρ和p分别为密度和压力;μ'为湍流粘度;μ为分子粘度;gj为重力加速度;k、ε分别为湍流动能、湍流耗散率;c为污染物平均浓度;δij为克罗内克积;Sct为施密特数。

2.2模型验证

本物理模型中污染物(空气与乙烷的混合物)从街区中心发出，假设空气流动为不可压缩的稳态流动，空气密度为常数。水平进口风速采用呈指数分布的自定义函数，计算域上端壁面为对称边界条件，出口为充分发展流动，其他建筑物壁面均为无滑移壁面。根据压力与速度耦合，采用SIMPLE算法和一阶迎风格式求解。其中湍流动能k与湍流耗散率ε采用以下公式进行计算:

式中:z为地面的高度;μ*为摩擦速度;经验常数Cμ=0.09;卡门常数k=0.4。

建筑物表面乙烷的无量纲浓度指数K定义为:

式中:C为乙烷的体积分数;风速Uref=5m/s，建筑物高度H=0.06m，街区污染物线源长度L=0.018m，污染物乙烷的体积流量为Qe=1.11×10-6m3s-1。

街道峡谷建筑物迎风面与背风面的无量纲污染物浓度K模拟结果与Meroney等[1]人的实验数据对比如图2所示。从图中可以看出，背风面和迎风面从屋顶到街谷无量纲浓度K的变化趋势基本一致，特别是迎风面数值模拟与实验数据具有良好的一致性;在背风面，当0.02<z/h<0.06时，模拟结果略大于实验数据。通过以上数值模拟与Meroney等[1]风洞实验数据对比验证了数值模型的正确性。

3、模拟结果与讨论

3.1城市街道峡谷空气流分布

图3所示为风速Uref=3m/s，三种不同开窗率w=10%、w=20%、w=30%情况下，城市街道峡谷内空气流动情况。从图中可以明显看出，对于斜屋顶建筑，空气涡流主要集中在背风面和迎风面的顶部(y>0m)，随着开窗率从w=10%增加到w=30%，目标街道峡谷的气流特性发生了明显的变化，街道峡谷的空气流增强，背风面和迎风面顶部的旋涡尺寸逐渐减小，甚至消失。表明开窗率的增加有利于空气流动和污染物的扩散。

图4所示为风速Uref=5m/s时，三种开窗率w=10%、w=20%、w=30%情况下，城市街道峡谷内空气涡流分布。相同开窗率的情况下，风速提高时，整个峡谷流动旋涡有减小和消失的趋势，但是在开窗率达到30%时，由于开窗率的增加对空气流动的影响，背风面建筑物不同高度处出现了旋涡增加的现象，但是迎风面顶部的旋涡基本消失了。提高风速和适当增加开窗率有利于提高街区污染物的移除效率。

3.2城市街道峡谷污染物浓度分布规律

图5所示为进口风速Uref=3m/s和Uref=5m/s，三种不同开窗率下(w=10%、20%、30%)，目标街道峡谷内迎风面与背风面不同楼层的污染物浓度指数分布。从图上可以看出，迎风面的污染物浓度指数远小于背风面的污染物浓度指数，而且基本不随风速、开窗率和楼层发生变化。背风面污染物浓度指数随着开窗率的增加逐渐降低。即开窗率增加，更多的污染物从目标街道峡谷逸出。当开窗率一定时，随着风速的增加，背风面处的污染物浓度明显降低，而且楼层越高，污染物浓度指数越低。当开窗率达到30%时，背风面污染物浓度在二楼和四楼较高，其余楼层相对较低，主要是开窗率的增加对空气造成了扰流。由此可见，城市街道峡谷中，迎风面的污染物浓度远小于背风面的污染物浓度。适当增大开窗率和提高风速有利于提高污染物的去除效率。

4、结论

本文采用CFD方法研究了不同进口风速(Uref=3m/s和Uref=5m/s，不同开窗率(w=10%、20、30%)对城市斜屋顶建筑街道峡谷内污染物流动与扩散的影响。模拟结果表明:街道峡谷中空气涡流主要集中在背风面以及迎风面的顶部(y>0m)，迎风面的污染物浓度指数远小于背风面的污染物浓度指数。适当增大开窗率和提高风速，街道峡谷内空气流动会增强，空气中旋涡尺寸逐渐减小，甚至消失，污染物浓度指数降低。因此，城市街道峡谷内迎风面污染物浓度远小于背风面污染物的浓度，开窗和提高风速有利于污染物的扩散。

参考文献：

[2]尤学一,李莉,刘伟.城市街道内污染物扩散的数值模拟[J].天津大学学报,2007,40(9).

[4]程云章,黄远东,李文孟.城市街道峡谷内污染物扩散分布的数值模拟[J].环境科学与技术,2009,32(8).

刘红姣,熊孝鹏,晋梅,石零.街道峡谷内空气流动和污染物扩散研究[J].环境科学导刊,2020,39(03):40-43.

基金:江汉大学工业烟尘污染控制湖北省重点实验室开放基金项目(HBIK2018-06).