高架覆蓋采風口型街谷內PM2.5分布模擬

翟靜 趙敬德 馮寒立

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

隨著城市化進程的加快，霾現象的發生頻率，持續時間及影響區域都明顯增加，城區中可吸入顆粒物的主要來源為汽車尾氣[1-2]。而越來越多高架覆蓋的街道峽谷的出現，影響著城市居民區的空氣質量，危害沿街居民的健康。

街道峽谷這個概念從提出發展到現如今，已經有所擴展[3-4]，最典型的即為有高架路的街道峽谷。如今非典型街道峽谷為街道兩側建筑物中間存在開口、交叉口、采風口等，由此產生了并列式與錯列式[5]。現有的研究中，實地測量[6-7]主要是對選定的特定街道空間區域的環境參數進行觀測記錄，分析比較數據，得到相關的規律。縮尺模型試驗根據相似原理，采用風洞或者水槽進行相似實驗[8]。近年來數值模擬方法逐漸成為主要研究手段[9-10]。

目前已有的研究主要集中于典型街谷，研究內容集中于污染氣體[11-13]，存在采風口型非典型街谷以及街谷內可吸入顆粒物的研究較少，所用的衡量街谷內空氣質量的評價標準只是針對整個街谷區域，而非人員活動區域。因此本文選取有30 m采風口的街谷進行了三維數值模擬研究，分析高架道路以及采風口的存在對街谷內顆粒污染物的分布影響，并以呼吸面高度的可吸入顆粒物平均濃度作為新的評價標準，對于改善街道峽谷微氣候環境有實際參考意義。

1 模型與計算域

1.1 街道峽谷模型

如圖1為高架覆蓋下的街道峽谷計算域三維簡化模型，假設所有的街道峽谷兩側建筑外形幾何尺寸一致，根據實際街谷幾何特征，模擬所取建筑長（L）=200 m，高（H）=18 m。經過模型簡化，將建筑簡化為面，計算域僅取街道峽谷所在空間，圖中街道寬度W=40 m，高架路寬度B=14 m，高架路長度選取同建筑長度一致的200 m，高架路厚度（T）=0.5 m，高架路中心所在高度（H1）=12 m，此種情況下，街谷寬高比為2.2。本計算模型中（圖1），A為采風口位置，采風口兩側建筑壁面為背風側壁面，坐標原點取在背風側壁面，B為雙側存在采風口時迎風側壁面上采風口位置，兩側為迎風側建筑壁面。街道峽谷背景來流風考慮街谷內顆粒污染物擴散最不利情況下的垂直于街谷軸線所在方向[14]，采用離散相模型（DPM模型）進行數值模擬。

圖1 街道峽谷物理模型

1.2 邊界條件

街道中兩條線源設置于模型坐標中的X=10 m和X=30 m處的位置，長度同街道長度為200 m。由于固態顆粒物源強難以估算，本文計算時依照市區早晚高峰時段進行選定，取 2 μg/s[15]，顆粒粒徑取 2.5 μm。假定計算模型采風口所在計算域流速均勻，邊界條件設為風速入口（velocity inlet），風速隨高度擬合曲線[16]為Uy=y0.2375，單位為m/s，y為距地高度，單位為m。計算域上邊界設為自由出流（outflow）[17]。壁面均為無滑移壁面，兩側邊界設為對稱邊界（symmetry）。入口風速廓線設置于入口邊界條件中，建筑頂端參考風速計算得V0=1.9 m/s，計算得其流動雷諾數為2×106，此計算結果大于雷諾數獨立性所給出的參考標準，可以進行準確的數值模擬計算。

2 模擬結果

2.1 高架路覆蓋下單側存在采風口型街谷模擬結果

圖2所示為高架路覆蓋下單側存在30 m采風口DPM模型下的顆粒物分布，在采風口通道內部的顆粒物濃度低。迎風側區域顆粒物濃度低于背風側，且背風側越靠近采風口軸面的區域，顆粒物濃度越高，反之越低。這主要是受街谷內流場分布特征的影響。由圖3的流場分布可以看出，采風口通道內部流場均勻。在采風口兩側分別形成兩個大渦流，且次級渦流在近壁面和街口處。由此可以看出，顆粒物的分布情況與迎風側流線分布密集、速度大、背風側稀疏速度小，且次級渦流較靠近背風側的流場分布特征相吻合。

圖2 高架路覆蓋下單側存在30 m采風口DPM模型下的顆粒物分布

圖3 單側存在3 0m采風口的街道峽谷流場分布

對于有高架路覆蓋單側30 m采風口型街谷，在Y=1.5 m高度（呼吸面）的水平面上顆粒物分布表現出較明顯的規律性，如圖4。沿著X軸正向，主要表現出兩種特征：一種是，當Z=20 m、60 m、80 m時，在X=0～20 m的區域內，顆粒物濃度先降后升，當X>20 m時，濃度表現為下降趨勢。此現象的原因是流場分布表現為明顯的渦流特征，由渦流的邊緣至中心，產生第一次濃度下降的現象，上升的原因是高架路的存在會促進小渦流的生成，滯留污染物的運動。另一種是，當Z=0 m、40 m時，沿著X軸正向，污染物濃度逐漸下降，且整體濃度低于其他三個區域。這是由于此區域受次級渦流中心區域室外影響較小。同時，呼吸面高度顆粒物濃度分布還表現出一個比較明顯的特征，迎風側區域顆粒物濃度分布較背風側相對均勻。

圖4 單側存在30 m采風口的街道峽谷Y=1.5 m高度的顆粒物分布曲線

2.2 高架路覆蓋下雙側存在30 m采風口型街谷模擬結果

雙側存在3 0m采風口街谷顆粒物分布如圖5所示。顆粒物分布出現明顯的不均勻現象。街道峽谷兩側顆粒物分布呈現較明顯的密集區與稀疏區：高架路區域分布較密集，靠近建筑物的兩側分布較稀疏。主要原因在于流場的影響。如圖6所示，在采風口中心軸面（Z=100 m）兩側同樣各自形成兩個大渦流，且渦流的中心位于街道峽谷中心軸面（X=20 m）上。靠近端部的渦流較近采風口中心軸面的渦流表現出更明顯的旋流特征。在旋流氣流的帶動下，顆粒物集中分布于渦流區域。

圖5 雙側存在30 m采風口的街道峽谷DPM模型下的顆粒物分布

如圖7所示，雙側模型內呼吸面高度上顆粒物濃度分布表現較明顯波動性。總體趨勢是：X<20 m時，顆粒物濃度有上升的趨勢，X>20 m時，顆粒物濃度下降且下降幅度較快。在Z=20～180 m的中部范圍內，顆粒物濃度變化相對較小，而端部區域，顆粒物濃度明顯減小。

圖6 雙側存在30 m采風口的街道峽谷流場分布

圖7 雙側存在30 m采風口的街道峽谷Y=1.5 m高度的顆粒物分布曲線

2.3 有無高架覆蓋模型的對比分析

現選取無高架路單雙側存在30 m寬采風口模型進行對比分析，以探究高架路對顆粒物分布擴散的影響。無高架路覆蓋單雙側存在30 m寬采風口模型呼吸面高度顆粒物濃度分布曲線圖如圖8所示。

圖8 無高架路覆蓋30 m采風口型街谷模擬結果

由圖8（a）可以看出無高架路模型呼吸面高度顆粒物沿X軸正向呈先降后升的趨勢，主要因為無高架路覆蓋時，高架路周圍的小渦流影響消失，在較規則的大渦流影響下，中心區域速度低壓力大，顆粒物在流場中受壓力影響向渦流邊緣區域運動。如圖8（b）所示，呼吸面高度顆粒物濃度呈明顯上升趨勢，街谷端部區域濃度低于其余區域。

3 高架路的存在對顆粒物濃度分布的影響

為探究高架路的存在對顆粒物分布的影響，通過對高架路存在與否街谷內顆粒物濃度變化率的計算來進行量化。

表1為四種模型呼吸面高度可吸入顆粒物平均濃度值，由表中數據計算有無高架路模型可吸入顆粒物濃度值的變化量并計算其與無高架路時呼吸面顆粒物平均濃度值的比值。結果見表2，其中Cg表示顆粒物濃度變化率，顆粒物濃度的變化量用ΔC表示，無高架路時呼吸面顆粒物平均濃度表示為Cg0，μg/m3。

表1 不同采風口模型及高架路有無影響下的顆粒物濃度（μg/m3）

表2 不同采風口模型及高架路有無影響下的顆粒物濃度變化率

根據表2可得，單側30 m采風口型街谷在有高架路影響下，計算域內顆粒物濃度的變化量ΔC=64.57 μg/m3，由于高架路存在的影響，顆粒物濃度變化率Cg=19.83%。雙側30 m采風口型街谷有高架路影響下，顆粒物濃度的變化量ΔC=59.97 μg/m3，由于高架路存在的影響，顆粒物濃度變化率Cg=19.18%。

模型內發散源強度持續不變，且線源布置位置按車流量不變情況設置。在現實街谷中，此模型及邊界條件為上海市區早晚高峰時段，車流量較大且基本保持不變情況下，顆粒物的濃度分布。在建筑單/雙側存在30 m路口或采風口的街區情況下，高架路的存在會增大顆粒物的濃度，阻礙顆粒物向街谷外部擴散，增加率為20%左右。

4 結論

本文通過對有無高架路覆蓋采風口型街谷進行三維CFD數值模擬，對兩種模型進行了對比分析，并以呼吸面濃度作為評價標準，得到如下結論：

1）高架路覆蓋單側存在30 m采風口型街谷中，呼吸面高度迎風側區域顆粒物濃度低于背風側。背風側越靠近采風口處的區域，濃度越高，反之濃度越低。

2）高架路覆蓋雙側存在30 m采風口型街谷中，呼吸面高度可吸入顆粒物集中分布于高架路覆蓋下的區域，兩側輔道及人行道區域顆粒物濃度較低。

3）在30 m寬采風口模型中，高架路的存在會增大顆粒物的濃度，阻礙顆粒物向街谷外部擴散，顆粒物濃度比無高架路模型增加20%左右。