城市立體交通系統中污染物傳播特性數值模擬

竇鴻文 ,明廷臻 *,許 杰 ,李政桐 ,蔡存金 ,方煒杰 (.武漢理工大學土木工程與建筑學院,湖北 武漢430070；.華中科技大學能源與動力工程學院,湖北 武漢 430074)

研究表明,機動車尾氣排放物不僅增強了全球的溫室效應[1],而且污染城市環境[2],成為城市空氣質量惡化的主要原因之一[3-4].為此,越來越多的研究者針對不同環境條件下,各種不同結構的城市街谷中污染物的傳播規律開展了理論和實驗研究[5].研究表明上游建筑的存在改變了街谷內二次流,減小了街谷內污染物濃度[6];街谷不對稱性越大,尾流區濃度越高[7].對街谷形態分析表明街谷高寬比,屋頂幾何結構,環境風(以下簡稱 ACW)的改變均會對街谷內污染物分布的產生影響[8].此外,對該類問題的研究發現模擬和實驗結果具有很好的一致性[9-10].

然而目前針對污染物的研究多集中于結構相對單一的模型[11-13],而對具有復雜結構的立體交通中污染物傳播特性研究尚屬起步階段.污染物在該種立體交通中的傳播機制與結構單一的街谷[14]、孤立建筑[15]、隧道[16-17]等處有很大的不同[18],為此本文構建了一種上部含有交通轉盤及直線型機動車道,下部含有敞開式直線型機動車道及封閉式隧道的立體交通模型,探究機動車尾氣污染物在該種交通系統中的傳播機制.

1 物理數學模型

1.1 物理模型

圖1 模型實際位置及物理模型Fig.1 Actual position of the model and physical model

以武漢市二環線馬房山通道為研究對象,參照實際工程設計尺寸,利用Gambit軟件建立全尺寸的幾何模型(圖1).模型計算域僅選取自然通風的雙洞雙向市政隧道、交通轉盤、交通輔道、敞開式地下通道、下沉式公交站、高架橋等區域,臨街建筑物未考慮在內.轉盤內圓半徑為40m,外圓半徑為 45m;交通輔道寬度為 6m;單向市政隧道寬度為 13m,高度為 5m;模型計算域還包括隧道向南,北出口方向分別延伸140m和 80m.市政隧道南側開口處有兩個公交站,地上轉盤內圓區為居民和行人活動的廣場.

圖1(b)、1(c)給出了本文所研究的目標位置,包括圖1(b)中轉盤廣場活動區P1平面,該平面在模型上部距地面1.5m高處.市政雙向雙洞隧道中心線X1、X2,貫穿整個隧道.還包括圖1(c)中P2、P3平面,該平面位于 X=120m 處.圖 1(b)中 Y1、Y2這兩條線分別位于 P2、P3平面上的東西兩側高架橋處,從地面開始,上至高架橋底部.

1.2 數學模型

采用RNG k-ε模型對計算域進行求解[19],并根據模型流動特性做如下假設：1)計算域內空氣物性不發生改變;2)流體為不可壓縮流體;3)計算域內流動為湍流并充分發展.

滿足條件的連續性方程、動量方程、能量方程如下：

式中：ui是平均流動速度;是脈動速度,ρ是流體密度;μ為運動粘度;為平均雷諾應力,可表示為：

RNGk-ε模型中,湍動能方程 k,湍流耗散率方程 ε為：

式中：Gk為由平均速度梯度所產生的湍動能;μeff為有效運動粘度,μeff=μ+μt; Cμ、C1ε、C2ε為湍流常數,取值如下：Cμ=0.0845, C1ε=1.42, C2ε=1.68. ακ,αε分別為與湍動能κ和耗散率 ε相對應 Prabdtl數有關的常量,其中 ακ=1.0, αε=1.3.污染物擴散的組分輸運方程為：

式中：CS為組分S的體積濃度;DS為組分S的擴散系數;SS為系統內部單位時間單位體積內組分 S的產生量.

1.3 邊界條件

以環境風為北風時為例,邊界條件設定如下：模型中固體壁面均為無滑移壁面;計算域最北側平面為速度入口,由于交通體系的高度較小為 7m,認定該高度范圍內環境風速恒定不發生改變,而交通體系以上計算域對體系內的流動影響較小,為此設定進口風速為恒定風速;計算域最東側平面、最西側平面、頂面為對稱面;計算域最南側平面為壓力出口,壓力值設定為表壓0Pa.

當環境風為西風時,邊界條件設定與此對應相同,這里不再贅述.

1.4 計算模型

對模型采用方程(1)～(7)進行離散,計算殘差設定最大值＜10-5,采用單精度壓力耦合半隱式算法求解.連續性方程、N-S方程、RNG k-ε方程的離散等采用一階迎風差分格式,過程中監控計算域內某一面上的平均速度,確保計算結果的可靠性.

1.5 污染源

模型中污染源設定在機動車道上,機動車排放物作為模型的污染源,模型中設置為體積源,并用CO作為污染物標記物.交通堵塞情況下,污染物傳播最終到達穩定狀態,強度可設定為4×10-6kg/(m3·s)[20].

2 結果與分析

2.1 模型驗證

采用結構化六面體網格對計算域進行劃分.考慮到隧道、敞開式地下通道及公交站區域湍流度較高,這3處網格全部被加密為0.5m×0.5m,以此 3個區域為網格中心區向模型計算域四周及上部等比加疏,控制漸進比不大于 1.1.為了測試模型網格的無關性,實際計算過程共進行了兩組網格劃分,數量分別為 7861356和9645721.模擬結果表明這兩組網格系統中,某截面上平均風速相差不超過 3%,據此認為模型網格具備獨立性.為節約計算成本,本文選定網格數量為 7861356的模型作為分析依據.

2.2 風向對流動及污染物分布的影響

本節主要討論環境風向分別為北風和西風時,在恒定的環境風速(以下簡稱 ACW)ACW=2m/s下,對公交站及轉盤廣場流場和污染物分布的影響.由于環境風向的改變會對模型中不同位置處的流場造成影響,進一步會影響到該處污染物的分布,為此需探究風向變化的影響.

圖2 公交站處流線Fig.2 Streamlines at the bus stop area環境風速ACW=2.0m/s

2.2.1 公交站 由圖2可知,進入該區域的氣流主要分為2部分：一部分直接來自于北側的隧道,另外一部分來自于流經模型上部地面向下偏轉的氣流.偏轉的氣流在下沉式公交站周壁的背風側形成漩渦.西風時氣流在進入敞開式公交站區域時也有部分向下偏轉,并在背風側形成漩渦,此后氣流進一步向下游運動,進入東側的公交站區域、西隧道及南側的敞開式地下通道.而東隧道內有氣流從南側開口流出,進入東側公交站區域.環境風向的改變直接改變了該區域內氣流流向的變化,從而污染物也隨氣流進入或流出該區域.

由圖3可發現,無論在何種風向下,公交站處的風速受周圍幾何特征的影響都是很低的,相對而言西風時 P3平面上的平均風速較高,但僅為北風時的1.1倍.北風時由于模型在X方向上左右對稱的特點,該處的風場圖也是對稱的,可以預測北風時污染物分布場圖也有類似對稱分布的特點.

圖3 公交站處速度云圖Fig.3 Velocity contour at the bus stop area環境風速ACW=2.0m/s

由圖 4可發現,北風時污染物的空間分布特性呈現出對稱的特點,與上述預測相一致.數值結果表明,北風時P3平面上CO平均濃度為西風時的 3.5倍.這一現象的原因一方面是北風時隧道內污染物被輸運到該區域,同時也與上文所述北風時通風情況相對較差有關.另一方面,西風時該區域上游沒有污染源,來流風為新鮮空氣可以更有效地稀釋污染物.由圖 1(b)可知 Y1、Y2這兩條線位于P3平面,對比兩幅圖可以發現,在Y1線附近北風時濃度明顯高于西風,而在 Y2線附近西風時濃度卻高于北風.這主要是由于西風時Y1處,上游來流的新鮮空氣沖淡了該處的污染物,而 Y2處于下游,來流風到達該處時已經受到了污染,使得該處的污染加劇,而在北風時 Y1處濃度值介于這兩者之間.

圖4 公交站處CO分布場Fig.4 CO distribution at the bus stop area環境風速ACW=2.0m/s

2.2.2 轉盤廣場活動區 由圖5可知,無論在何種風向下,濃度場在相應的風向上對稱分布.北風時P1平面上污染物濃度相對于西風時較高,主要是由于北風時除轉盤本身污染源外,P1平面上游方向還存在污染源,污染物隨氣流被輸運到該區域;而西風時除轉盤本身的污染源外,在上游方向不存在其他污染源,來流風為新鮮的空氣可以有效稀釋此處的污染物.數值計算結果表明北風時P1平面上污染物平均水平約為西風時的5倍.可見在來流風方向上,上游污染物的遷移對下游的污染相當嚴重.

2.3 風速對流動及污染物分布的影響

考慮到模型結構的復雜性,計算域內流場和污染物的分布除受風向的影響外,風速的改變也會對計算域內漩渦的形成、影響范圍、污染物的堆積與消散等產生影響.

2.3.1 公交站處 由圖6看出,首先無論風速怎樣變化均會在貼近背風側和迎風側的壁面附近形成一大一小2個漩渦.環境風速的大小,對于旋渦中心位置有顯著影響,風速越大,漩渦中心越靠近背風側,這一規律與 Ming等[21]的計算結果相一致.實際上該處結構類似于 AR=0.08的街谷,但旋渦尺度特別是大漩渦尺度遠小于 Kastner-Klein等[8]的結果,這主要是由于高架路的存在影響了漩渦的發展.此外,部分貼近西高架底部的氣流會從東高架上部流出.可知,受上游高架的影響,流經下游高架下部的風量會減少.

由圖7可見,Y1線上風速由下至上呈弓形變化,且環境風速越大,弓形變化幅度越大.這種變化主要由于Y1線上下端分別受高架橋底面及地面的影響,在這兩個表面上的速度為 0,在這種上下流動均受阻礙的影響下,速度必然在中間某處達到最大值.模擬結果表明,無論在何種環境風速下,Y1線上風速在Z=4.5m附近達到最大值.而在Y2線上也有類似的特征,但弓形變化不如Y1線上那么規則.這主要是由于西風時,下游的流動受到了上游高架橋的影響,其最大風速值在 Z=5m處達到最大值,且比Y1線上平均增大2.3～8.4%.

圖7 西風時Y1、Y2線上Y方向速度分布Fig.7 Y-velocity distribution at Y1 and Y2 lines in west ACW

圖8 中,由于Y1線上來流風是新鮮空氣,因此污染物水平除ACW=0.5m/s外,其余風速條件下近乎為 0,可見良好的通風條件對于污染物的稀釋擴散是十分有利的;同時,污染物變化曲線與圖7(a)風速變化呈反相關關系.在Y2線上也可發現環境風速越大,污染物濃度越低,在環境風由0.5m/s增加至3.5m/s時,Y2線上平均水平減小了95.21%.此外,下游高架下部濃度除受上游污染源影響外,還與如前所述該處通風量的減少有關.對比圖 8(a) 和 8(b)可知下游公交站的污染物濃度比上游高出 3個量級,說明西風時由于高架橋的存在,污染物向上層空間傳播的量是很少的,2個公交站之間路面上的污染物大量傳播到下游公交站.

圖8 西風時Y1、Y2線上CO分布Fig.8 CO distribution at Y1 and Y2 lines in west ACW

2.3.2 市政隧道 環境風為西風時,由圖9可知,這 2個隧道內的風速大致呈現隨環境風速的增大而增大,且在臨近隧道兩側開口區速度均有顯著的變化,這種變化在環境風速越大時越明顯.由于臨近隧道開口區流場的分布受外界影響很大,環境風速越大開口區速度分布的不均勻性也越大,表現為開口區的變化特點.對比圖 9(a)和 9(b)可知,同樣的環境風速下西隧道內速度相對較大,數值計算結果表明X1線上速度平均值為X2線上的1.65～4.41倍.基于此也可以預測西隧道內污染物水平相對較小.

圖 9(a)可知,西隧道內風速是負值,表明隧道內氣流的運動方向由南向北,臨近隧道南側開口局部區域有速度正值的出現也主要受開口區復雜流場的影響.而圖 9(b)則表現出隧道內空氣流向因外界環境的變化而發生改變的現象,即在ACW=0.5,3.5m/s時,東隧道內空氣整體表現出由南向北運動,其余兩種環境風速下由北向南運動.究其原因主要是與隧道南北兩側相連接區域的幾何特性不同,致使在垂直于隧道方向的環境風向下當風速發生變化時,引起了下游隧道內流場分布發生了巨大的變化.在臨近隧道開口區流場的分布是極為復雜的,關于自然通風隧道開口區流場的變化特點及對隧道內空氣流動的影響,我們將在下一步進行重點研究.

圖9 西風時X1、X2線上速度分布Fig.9 Velocity distribution on X1 and X2 lines in west ACW

圖10 中西隧道內污染物水平相對較低,這一點與上述分析西隧道內風速較大的特點相對應.污染物濃度的變化及其形成原因大致經歷這樣一個過程：外界風進入隧道稀釋隧道污染物的同時,自身的污染物濃度也越來越高,這樣就表現為污染物濃度沿隧道內氣流方向越來越高,并在下游某處聚集達到頂峰,緊接著再往下游運動又受隧道開口區氣流的影響,風速增大污染物濃度降低.結合圖9可知,隧道內風速越小,污染物濃度也就越大,污染物的堆積現象也就越明顯;而隧道內風速越大,污染物濃度的峰值位置越靠近下游開口.由于在ACW=0.5,3.5m/s時東隧道內氣流是由南向北的,因此污染物濃度會在隧道北半段達到峰值;而在ACW=1.5,2.5m/s時與此相反.

圖10 西風時X1、X2線上CO質量分數Fig.10 Mass fraction of CO on X1 and X2 lines in west ACW

2.4 展望

值得指出,本文僅分析了交通堵塞時環境風的變化對該種立體交通體系中流場及污染物分布的影響.然而在交通順暢時,車輛的快速行進引起周圍空氣運動的作用是不能忽略的[22].而且周圍建筑及植物綠化帶對污染物的擴散傳播也值得探索[23].此外,因太陽輻射而引起的受熱局部不均勻對結果的影響也很大.對于這些因素的影響將會作為以后工作中予以考慮.

3 結論

3.1 當環境風垂直于車流方向流過復雜立體交通體系時,上、下游高架橋和下沉式公交站的特殊空間結構對系統中的空氣流動和污染物傳播特性造成顯著影響,公交站之間路面上的污染物很難迅速向上層空間稀釋傳播,下游公交站的污染水平比上游公交站高出三個量級.

3.2 轉盤廣場處,污染物濃度受風向的影響較大,北風時該處平均濃度是西風時的5倍.

3.3 當環境風向垂直于隧道方向時,由于隧道開口兩側連接區域幾何特征的不同,環境風速的變化引起了隧道內空氣流動方向的改變,同時污染物沿空氣流通方向堆積,但在開口處卻迅速降低.

[1]De_Richter R, Ming T, Davies P, et al. Removal of non-CO2greenhouse gases by large-scale atmospheric solar photocatalysis[J]. Progress in Energy & Combustion Science, 2017,60：68-96.

[2]Yassin M F, Ohba M. Experimental study of the impact of structural geometry and wind direction on vehicle emissions in urban environment [J]. Transportation Research Part D, 2012,17(2)：161-168.

[3]Karakolios E A, Vosniakos F K, Mamoukaris A, et al. Vehicle emissions in the city of Leptokaria (Greece) and its contribution to the atmospheric air and noise pollution [J]. Fresenius Environmental Bulletin, 2013,22(3)：879-883.

[4]楊笑笑,湯莉莉,胡丙鑫,等.南京城區夏季大氣 VOCs的來源及對 SOA的生成研究——以亞青和青奧期間為例 [J]. 中國環境科學, 2016,36(10)：2896-2902.

[5]Sabatino S D, Buccolieri R, Salizzoni P. Recent advancements in numerical modelling of flow and dispersion in urban areas： A short review [J]. International Journal of Environment &Pollution, 2013,52(3/4)：172-191.

[6]朱 強,亢燕銘,楊 方,等.上游建筑對街道峽谷內流場和污染物分布特征的影響 [J]. 中國環境科學, 2015,35(1)：45-54.

[7]楊 方,鐘 珂,亢燕銘.街道峽谷對稱性對污染物擴散的影響[J]. 中國環境科學, 2015,35(3)：706-713.

[8]Kastner-Klein P, Plate E J. Wind-tunnel study of concentration fields in street canyons [J]. Atmospheric Environment, 1999,33(24/25)：3973-3979.

[9]Chang C H, Meroney R N. Numerical and physical modeling of bluff body flow and dispersion in urban street canyons [J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2001,89(14)：1325-1334.

[10]Gousseau P, Blocken B, Van Heijst G J. Large-Eddy Simulation of pollutant dispersion around a cubical building： analysis of the turbulent mass transport mechanism by unsteady concentration and velocity statistics [J]. Environmental Pollution, 2012,167(6)：47.

[11]胡 偉,鐘 秦.壁面加熱作用對街道峽谷污染物擴散的影響[J]. 中國環境科學, 2009,29(9)：908-913.

[12]王 樂,張云偉,顧兆林.動態風場及交通流量下街道峽谷內污染物擴散模擬 [J]. 中國環境科學, 2012,32(12)：2161-2167.

[13]田 豐,余 志,蔡 銘,等.雙車道街道峽谷內污染物擴散的模擬 [J]. 中國環境科學, 2007,27(5)：604-607.

[14]Michioka T, Takimoto H, Ono H, et al. Effect of Fetch on a Mechanism for Pollutant Removal from a Two-Dimensional Street Canyon [J]. Boundary-Layer Meteorology, 2016,160(1)：185-199.

[15]謝海英,陳康民.孤立與非孤立城市街道峽谷內污染物擴散 [J].環境污染與防治, 2007,29(8)：595-598.

[16]王子云,謝朝軍,唐上明,等.城市隧道雙洞口污染物擴散模擬分析 [J]. 鐵道工程學報, 2010,27(12)：69-72.

[17]季 亮,譚洪衛,王恩丞,等.城市中心區不同隧道排風井形式的污染物擴散比較研究 [J]. 建筑科學, 2009,25(6)：76-79.

[18]Tominaga Y, Stathopoulos T. CFD simulation of near-field pollutant dispersion in the urban environment： A review of current modeling techniques [J]. Atmospheric Environment, 2013,79(11)：716-730.

[19]Shih T H, Liou W W, Shabbir A, et al. A new k - eddy viscosity model for high reynolds number turbulent flows [J]. Computers &Fluids, 1995,24(3)：227-238.

[20]Tsai M Y, Chen K S. Measurements and three-dimensional modeling of air pollutant dispersion in an Urban Street Canyon [J].Atmospheric Environment, 2004,38(35)：5911-5924.

[21]Ming T, Gong T, Peng C, et al. Pollutant Dispersion in Built Environment [M]. Springer Singapore, 2017.

[22]劉紅年,蔣維楣,徐振濤,等.城市中心街道交通隧道廢氣排放模擬 [J]. 中國環境科學, 1998,18(6)：494-497.

[23]鐘 珂,亢燕銘,王翠萍,等.城市綠化對街道空氣污染物擴散的影響 [J]. 中國環境科學, 2005,25(6)：6-9.