交通源顆粒物對小區內環境的影響

喬文佳賀啟濱齊亞茹劉艷華

1西安交通大學人居學院

2深圳市建筑科學研究院有限公司

交通源顆粒物對小區內環境的影響

喬文佳1賀啟濱2齊亞茹1劉艷華1

1西安交通大學人居學院

2深圳市建筑科學研究院有限公司

利用湍流k-ε模型及離散相模型（DPM）研究了小區外交通源（線源）排放顆粒物對小區內環境的影響。對比分析了有、無圍墻情況下，小區內環境受交通源污染物的影響狀況。結果表明：圍墻對顆粒物有很好的阻擋作用。因圍墻的存在，顆粒物大部分積聚在小區外、圍墻附近。雖然部分顆粒物能夠進入小區，由于其濃度很低，小區環境基本不受影響。但是，無圍墻存在時，顆粒物無阻擋地進入小區，小區受交通源顆粒物的影響很大，特別是前排建筑物的迎風面和繞流區域。

交通源顆粒物 小區內環境 圍墻 離散相模型

0 引言

機動車保有量的持續增加，不僅帶來了城市中心區域交通擁堵等嚴重問題，與此同時也帶來了交通源污染的持續攀升[1～2]，對城市環境造成嚴重損害。交通源排放的污染物不僅包括氣態污染物（CO、SO2、NOx等），也包括固態顆粒物。研究表明，顆粒物可引起呼吸系統疾病、心腦血管疾病等多種疾病。Dockery等在一項對哈佛六城市長期顆粒物污染的研究中，指出：居住在濃度大的城市增加30%心血管疾病死亡的危險[3]；Dominici等分析了204個美國城市的醫療數據，指出PM2.5的濃度每增加10ug/m3，缺血性心臟疾病入院人數增加0.44%，腦血管疾病0.81%，外周動脈疾病0.86%，心律失常0.57%，心臟衰竭1.28%[4]。

近年來，針對交通源氣態污染物對城市環境的影響研究已經較為深入，這其中包括現場實測[5～6]、風洞實驗[7]、數值模擬[8～9]。針對交通源固態顆粒物污染的研究還較少，并且相關研究主要集中于街道峽谷中顆粒物的擴散[10～11]，但交通源顆粒物對臨街小區環境是否同樣有影響，對此問題卻很少有人研究。故本文建立小區物理模型研究在有無圍墻兩種情況下，道路交通源顆粒物對小區環境的影響問題。

1 物理模型

本文的物理模型如圖1。該小區由四棟建筑物組成，各建筑物尺寸相同。建筑物長、高、寬皆為10m；各建筑左右、前后間距都是10m；當小區有圍墻時，圍墻高度為2m，圍墻距建筑物10m。距離圍墻5m有道路。假設道路上車輛污染源為線污染源，位于地面。污染源的長度為50m，寬度為1m。當小區無圍墻時，除了去除圍墻外，其參數相同。計算區域選擇為：入口距離圍墻150m，出口距離圍墻250m，左右側距離圍墻皆為100m，高度為50m。采用非結構網格，并在壁面及其附近區域進行網格加密。加密區域為距離圍墻外各10m、高度20m的立方體。圖2為結果分析剖面所在位置的示意圖。

圖1 有圍墻小區結構圖

圖2 剖面示意圖

2 控制方程與邊界條件

2.1 控制方程

本文采用標準k-ε模型模擬風場運動。

連續方程：

動量方程：

k和ε輸運方程：

式中：vt=Cμk2/ε，Cμ=0.9，Cε1=1.41～1.45，Cε2=1.91～1.92，Ck=0.09～0.11，Cε=0.07～0.09。

本文應用拉格朗日方法跟蹤顆粒物的運動。對于顆粒相本文做如下假設：①假定所有顆粒相都為球形；②由于顆粒相所占體積比率十分小，所以不考慮顆粒的碰撞。通過對顆粒所受的各種外力平衡方程可以得到預測顆粒的運動軌跡運動方程如下：

式中：FD(u-up)為顆粒的單位質量曳力，表達式為

式中：u為流體項速度；up為顆粒速度；μ為流體動力粘性系數；ρ為流體密度；ρp為顆粒密度（骨架密度）；dp為顆粒直徑；Re為相對雷諾數。

式中：Fx為顆粒所受的其它力，包含布朗力FB和薩夫曼力FS，即Fx=FB+FS。

布朗力表征的是微小顆粒熱運動所受的力，粒徑越小，布朗力越大，其表達式如下：

S0是強度量，其表達式如下：

薩夫曼剪切提升力是由于流場中的速度梯度引起，其表達式為

式中：ui為流體項速度；upi為顆粒速度；v為流體的運動粘性系數；ρ為流體密度；ρp為顆粒密度（骨架密度）；dp為顆粒直徑；dij為變形速率張量；kc=2.594為一常數[12]。

流體渦團特征生存時間表達式如下：

式中：經驗常數CL在k-ε模型中取為0.15；r為服從（0，1）區間均勻分布的隨機數。

顆粒穿過流體渦團時間表達式如下：

式中：τ為顆粒松弛時間；Le為渦團特征長度標尺；|u-up|為顆粒與流體速度差。

隨機軌道模型假設脈動速度服從高斯概率分布。脈動速度表達式如下：

式中：δ為服從正態分布的隨機數。

對于本文選取的標準k-ε模型，脈動速度表達式如下：

經過流體與顆粒相互作用的時間間隔，顆粒終止在當前渦內的計算，并在下一個時間間隔，顆粒進入一個新的渦團，重復以上步驟獲得顆粒新的速度、軌跡。當顆粒碰到壁面被捕捉或離開計算區域時，終止軌跡的計算。

2.2 邊界條件

本文計算有無圍墻兩種模型。入口風速風剖面表示為：

式中：zb和uzb分別為參考高度和參考高度上的風速；α為地面粗糙度指數。這里取zb=10，uzb=2.0，α=0.24。

污染源排放的顆粒物顆粒密度取2000kg/m3，粒徑取1μm，流量取0.003kg/s。

1）入口邊界條件：速度入口；

2）出口邊界條件：質量出口邊界條件；

3）壁面邊界條件：地面和墻面無滑移邊界條件；計算域的上邊界、左右邊界取為對稱邊界，相當于滑移邊界條件。

4）顆粒相邊界條件：壁面為reflect邊界條件；出口、入口為escape邊界條件；

5）對控制方程離散格式：二階迎風格式，simple算法非耦合計算。

3 結果分析

3.1 流場分析

圖3分別是有、無圍墻小區y=15m剖面速度矢量圖。從中可看出無論有無圍墻都會在建筑物中間區域及其后排建筑物尾部出現渦旋，并且位置基本相同。不同之處在于對于有圍墻小區，因圍墻對氣流的阻擋及壓差梯度作用在圖3中位置1、2處會出現渦旋；對于無圍墻小區因前排建筑物阻擋及壓差作用會在圖3中位置3處出現渦旋。

圖3 y=15m剖面速度矢量圖

圖4分別是有、無圍墻小區z=1.5m剖面速度矢量圖。進入小區的氣流在遇到建筑物后分成上下兩股繞流在兩棟建筑物中間和后排建筑物尾部形成渦旋。但由于圍墻的阻擋作用，導致進入小區的氣流在z=1.5m剖面速度矢量不同，進而影響建筑物中間區域和后排建筑物尾部的渦旋位置分布。

圖4 z=1.5m剖面速度矢量圖

圖5分別是有、無圍墻小區z=5m剖面速度矢量圖。來流遇到前排建筑物分成兩股繞流，因壓差作用在建筑物中間區域和后排建筑物尾部形成渦旋。但由于圍墻的存在影響了小區流場，渦旋的位置有所變化。

圖5 小區z=5m剖面速度矢量圖

3.2 濃度分析

為便于分析濃度的相對值大小，圖6～圖8皆采用統一比色卡。圖6分別是有、無圍墻小區y=15m剖面濃度分布圖。對于有圍墻小區，圍墻對于顆粒物有很好的阻擋作用，部分顆粒物被阻擋在圍墻外，導致圍墻外邊緣附近濃度極大；只有部分顆粒物爬墻進入小區，且因為前排建筑物阻擋，使小區內各點的濃度值皆很小。對于無圍墻小區，顆粒物無阻礙地進入小區，遇到前排建筑物受到阻擋，部分顆粒物積聚在前排建筑物迎風面附近，導致前排建筑物迎風面附近區域濃度很大，部分隨流體繞流或是爬墻繼續進入小區內部，使兩排建筑物中間和后排建筑物尾部區域濃度偏大。

圖6 小區y=15m剖面濃度分布

圖7分別是有、無圍墻小區z=1.5m剖面濃度分布圖。對于有圍墻小區，因為圍墻的阻擋作用，進入小區的顆粒物只是部分，所以顆粒物對小區的環境影響很小。對于無圍墻小區，顆粒物無阻擋地進入小區，遇到前排建筑物隨氣流以繞流方式通過，繞流和壓差影響使前排建筑物迎風面濃度很大，繞流區域濃度很大。后排建筑物尾部和建筑區域后部也因同樣原因呈現較高濃度值。

圖7 小區z=1.5m剖面濃度分布

圖8分別是有、無圍墻小區z=5m剖面濃度分布圖。對于有圍墻小區，z=5m剖面濃度值極小。對于無圍墻小區只有部分區域因為壓差作用等出現較高濃度值。從中可看出，隨著高度的增加，交通源顆粒物對小區的影響逐漸減小。

圖8 小區z=5m剖面濃度分布

4 結論

利用湍流k-ε模型及離散相模型（DPM）研究了小區外交通源（線源）排放顆粒物對小區內環境的影響。分析了小區外交通源在小區有、無圍墻兩種情況下對小區的影響情況，通過模擬計算結果得到如下結論：

1）圍墻的存在時，對顆粒物擴散有阻擋作用。部分顆粒物爬過圍墻進入小區，均勻地向小區擴散，顆粒物分布范圍大，影響區域大。但所影響區域濃度相對值不會很大。

2）無圍墻存在時，顆粒物因無阻擋全部進入小區。遇到前排建筑物受阻擋，所以前排建筑物受影響較大。部分顆粒物受阻擋后跟隨流體發生繞流，繞流區域在建筑物附近，故造成小區左右通道中靠近建筑區域濃度較大。顆粒物跟隨流體通過建筑區域后均勻擴散，在建筑物后側因有尾渦存在，濃度也會偏大。

3）無論是否有圍墻，隨著高度增加，顆粒物濃度都將減小。

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Im pa c t of Tra ffic Exha us ting Pa rtic le s on Com m unity Environm e nt

QIAO Wen-jia1,HE Qi-bin2,QI Ya-ru1,LIU Yan-hua1
1 School of Human Settlements and Civil Engineering,Xi'an Jiaotong University
2 Shenzhen Institute of Building Research Co.Ltd.

In this paper,the impact of traffic exhausting particles on community environment was simulated using the standard-turbulence model and Dispersed Phased Model(DPM).The community near street which with and without fences are simulated.The results show that fences have a barrier function to particles:most of the particles accumulate nearby the area of fences outside the community for fences exist.Minority particles enter into the community,while the impact on the community environment is little.The particles will enter into the community completely for no fences exist.The community environment will be greatly impact by the traffic exhausting particles,especially the front buildings windward and bilateral area.

traffic exhausting particles,community environment,fences,DPM

1003-0344（2015）02-037-5

2013-10-12

喬文佳（1988～），男，碩士研究生；西安市咸寧西路28號西安交通大學興慶校區人居學院（710049）；E-mail:798656402@qq.com

"十二五"國家科技支撐計劃（2012BAJ09B01）；"十二五"國家科技支撐計劃（2012BAJ06B03）