霧霾成因及擴散中的流體力學問題研究

胡明月 劉 璐/華北電力大學

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霧霾成因及擴散中的流體力學問題研究

胡明月 劉 璐/華北電力大學

【摘 要】近年來，我國的霧霾天氣，對生態環境以及人類的身體健康產生了嚴重的危害，分析霧霾成因及治理已迫在眉睫。從流體力學的角度對霧霾成因及擴散作出新的分析，利用fluent軟件進行數值模擬。大氣邊界層氣象條件、城市建筑布局及建筑墻體蓄熱都對霧霾形成及擴散產生重要影響。

【關鍵詞】霧霾；逆溫層；城市建筑布局；城市建筑蓄熱

前言

以往對霧霾形成的研究大多數是從氣象條件、物理因子、地理條件、人為因素方面進行分析。本文主要從逆溫層對霧霾形成及城市建筑布局和墻體蓄熱對霧霾擴散的影響進行分析，并運用fluent軟件模擬分析建筑物的存在對周圍風場分布的影響。

1.逆溫層對霧霾形成的影響

一般來說，大氣對流層內溫度隨高度遞減，即底層暖上層冷，有利于地面氣流上升，底層空氣中的污染物可以向上擴散。但在某些特殊情況下，高層氣溫反而高于低層氣溫，這種現象稱之為逆溫。

逆溫層的物理特征是下冷上暖、氣體狀態穩定，對氣體上下對流有抑制作用，即大氣層低空的空氣垂直運動受到限制，低空空氣中的氣溶膠難以向高空飄散而被阻滯在低空和近地面，各種氣溶膠污染物逐漸堆積，逆溫厚度越厚，持續時間越長，造成的污染越嚴重。特別是進入秋季，隨著太陽高度角降低，太陽輻射減少，大氣環境更加穩定，在夜間更易出現靜穩，同時夜間地面輻射增強，高層冷空氣較弱，溫度較低層空氣高，很容易在地面形成逆溫層，產生霧霾天氣。輻射逆溫層抑制污染空氣縱向對流，是導致陰霾天氣形成的第一動力[1]。

2.城市建筑布局對霧霾擴散的影響

2.1單個建筑物周圍的流場分布

模擬是在大氣壓101325Pa，溫度為300K的大氣環境下，風以初始速度5m/s正面吹向建筑物的。

分析流場，不難看出建筑物后面往往存在著旋渦區，容易形成空氣的滯留，如果有污染氣體存在時，就不容易擴散，使空氣質量變壞，可以看出建筑物周圍的風環境是影響城市大氣質量的重要因素之一。

2.2不同風速下多個建筑周圍流場對比

在大氣壓101325Pa，溫度為300K的大氣環境下，風分別以初始速度5m/s，10m/s并垂直于邊界和以初始速度5m/s并與邊界成45°角吹向建筑物。

速度分布對比圖如下：

v=5m/s垂直邊界

v=10m/s垂直邊界

v=5m/s與邊界成45度

壓強分布對比圖如下：

v=5m/s垂直邊界

v=10m/s垂直邊界

v=5m/s與邊界成45度

當入口風速較大v=20m/s時，在建筑物后方擾動的范圍比風速較小v=10m/s時擾動的范圍更大。當風向垂直于建筑邊界時，在建筑的側風面氣流被迫向建筑兩側分流。風向45°時，最大負壓出現建筑外立面風剝離處。風速大時，污染物影響的范圍較大，但只在局部形成高污染區；小風速時污染物影響的范圍較小，但是在該影響范圍內污染物濃度相對來說都比較大。

總的來說，建筑物的存在會影響風場的分布，建筑物周圍的風環境又影響城市大氣質量。若風場上游存在空氣污染物時，在負壓區這些污染物就不容易擴散，引起行人不適和近地面環境的二次污染[3]。

3.城市建筑蓄熱對霧霾形成的影響

城市與郊區地表面性質不同，熱力性質差異較大。城區反射率小，吸收熱量多，蒸發耗熱少，熱量傳導較快，而輻射散失熱量較慢。且城市中的建筑大多為石頭和混凝土建成，它的熱傳導率和熱容量都很高，加上建筑物本身對風的阻擋或減弱作用，可使城市年平均氣溫比郊區可高2攝氏度，甚至更多，在溫度的空間分布上，城市猶如一個溫暖的島嶼，從而形成城市熱島效應。

4.治理霧霾天氣的建議及措施

要治理陰霾天氣，一方面是嚴格控制PM2.5污染氣體排放，一方面是通過表面隔熱措施降低各地區的地面材料蓄熱，以減少PM2.5污染氣體富集。

對城市來說，選擇蓄熱系數很小的外墻保溫材料，做好建筑外圍護結構隔熱設計，將建筑鋼筋混凝土等重質建筑材料包藏在比較厚的輕質建筑保溫材料里；城市地面則盡可能選用能透水的輕質地面磚，并多加強綠化；合理規劃城市建筑物的布局，負壓區不宜建造住宅樓，可用于綠化和其他休閑場所。農村則提倡以植物秸稈覆蓋裸露的土地。

5.結論

逆溫層下冷上暖、氣體狀態穩定，對氣體上下對流有抑制作用，是導致陰霾天氣形成的第一動力。

建筑物的存在會影響風場的分布，建筑物周圍的風環境又影響城市大氣質量。因此合理規劃城市建筑物的布局也是防治霧霾的一種方法。

哪一地區的單位面積地面材料蓄熱量越高，越抑制縱向空氣對流，越容易將太陽輻射熱量與空氣污染更多地集聚在大城市及其周邊地區，該地區越容易形成大氣逆溫層與城市熱島效應，也更容易形成城市陰霾天氣。單位面積地面材料蓄熱量增長是加重霧霾天氣的第二動力。

治理霧霾應從兩方面著手：控制PM2.5污染氣體排放和減少PM2.5污染氣體富集。

參考文獻：

[1] 楊雪艷，杜倩，慕秀香.持續性霾天氣與大氣邊界層氣象條件的關系分析[J].安徽農業科學.2015，43(3): 240-243.

[2] 趙桂香，杜莉，衛麗萍，賀耀武，李瑩，朱煜.一次持續性區域霧霾天氣的綜合分析[J].干旱區研究.2011，28(15):871-876.

[3] 張曉偉.住宅小區污染物擴散的數值模擬及分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學.2007.

[4] 毛恒青，朱蓉.城市的低空氣溫分布特征及其對大氣污染物擴散的影響[J].城市環境與城市生態.1997，10(2):31-35.

[5]孫媛媛.混凝土建筑結構蓄熱對室內熱環境的影響研究[D].大連：大連理工大學.2007.