基于CFD模擬的城市道路汽車尾氣擴散分布規律

楊愷 鄧建華

摘要：城市道路的空間形態對其內部的尾氣污染物的擴散分布有顯著影響。文章基于CFD建立城市建筑-道路模型，模擬高寬比分別為0.5：1、1：1、1.5：1、2：1的情況下不同風向的尾氣污染物分布規律，總結影響尾氣擴散的因素以及規劃建議，為更科學的防治汽車尾氣帶來的危害提供依據。

Abstract： The spatial form of urban roads has a significant impact on the diffusion and distribution of exhaust pollutants. Based on CFD， this paper establishes the urban building road model to simulate the distribution of tail gas pollutants in different wind directions when the height width ratio is 0.5：1， 1：1， 1.5：1 and 2：1 respectively， summarizes the factors that affect the diffusion of tail gas and the planning suggestions， so as to provide a basis for more scientific prevention and control of automobile tail gas hazards.

關鍵詞：CFD;城市;尾氣污染;分布規律

Key words： CFD;city;tail gas pollution;distribution law

中圖分類號：X513? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）03-0261-02

0? 引言

在環境污染日益嚴重以及汽車保有量激增的背景下，由汽車尾氣引發的城市污染已得到廣泛的關注，汽車尾氣污染已成為城市污染物中最主要的組成部分。城市道路的特點是兩邊矗立著大量建筑物，由街道和建筑物組成的峽谷綿延幾公里，且汽車尾氣的排放又是低空排放，這就使得城市近地面容易堆積污染物，不易稀釋和擴散，會造成城市區域污染物濃度升高，形成污染。汽車尾氣的排放高度接近人體呼吸帶高度，其污染物將嚴重危害行人和周圍居民的身體健康。

汽車所排放的主要污染物有 NOx、CO、烴類、Pb和顆粒物等[1]。研究發現，尾氣污染物在城市道路中的分布具有一定的規律，不同的道路由于建筑物高度和街道寬度的不同，其污染物的分布規律也不相同。尤學一、李莉[2]采用二維RNG k-ε湍流模型，通過模擬不同位置污染源和建筑物不同規劃位置，研究了單棟建筑物和雙排多建筑物情況下，污染源對建筑物或建筑群的影響，得到了相應的污染物濃度分布。劉水長[3]等以當地常年氣象風向作為重要的邊界條件之一，應用CFD多相流技術，模擬了十字交叉口車輛隊列怠速等候35s時的尾氣擴散過程，發現城市空間結構對汽車尾氣擴散影響較大。

1? 研究思路

蘇州位于中國華東地區，江蘇省的東南部，四季分明氣候溫和，以平原為主要地貌形態。夏季多為東南風，冬季多為西北風，年平均風速約為2.5m/s。文章以蘇州市的城市街道為參照，利用CFD軟件包建立模型研究城市道路在不同建筑物高度、不同風向下的尾氣污染物CO的擴散分布規律。

2? CFD模擬步驟

運用ANSYS 18.2軟件包中的SCDM建立幾何模型，導入Workbench中自帶軟件Meshing中劃分網格，因其集成在工作界面里，容易導入且操作簡便，對于體網格的劃分也比較完備;Fluent是目前市場上最優秀的CFD軟件且前后處理以及數值計算方法非常強大，能夠精確模擬文章所設置的各種模型環境，將繪制完畢后的網格導入Fluent中設置邊界條件、模擬所用模型、流體域的氣體材料以及排放速度。

3? 模型建立的方法

根據Herbret[4]提出的模型比例構建方案，模擬區域的上風側為建筑物高度的2倍，下風側為建筑物高度的5倍，兩側寬度是建筑物高度的1/2，高度為建筑物高度的4倍。文章根據上述模型建立方法研究城市建筑物高度與街道寬度（以下簡稱高寬比）為0.5：1、1：1、1.5：1、2：1的情況下不同風向的尾氣污染物分布規律。模型如圖1。

模型中兩建筑物之間間距為30m，建筑物長度100m，寬度10m，污染物流速設置為2.5m/s，模型選用標準k-？著模型，以及組分運輸模型。將污染物入口邊界設置為速度入口（velocity-inlet），污染物出口邊界設置為自由出口（outflow），建筑物壁面設置為wall且壁面無滑移，流體域底面設置為wall，兩個側面以及頂面設置為對稱邊界（symmetry）。污染物為Fluent自帶的CO，流體域的材料設置為Air和CO的混合物，但CO占比為1。

4? 模擬結果分析

文章統一選取行人呼吸帶高度Z=1.5m處的水平剖面污染物分布圖作為分析研究對象，研究街道中心線上的污染物分布規律，此處污染物分布更具有代表性。

①當污染物來流與街道方向平行時，模擬出污染物濃度分布見圖2。

可知當污染物來流向與街道方向平行時，無論高寬比為多少，污染物濃度與街道中心線距建筑迎風面的距離x成正比關系。高寬比為0.5時街道尾部污染物濃度較大，是因為低矮的建筑物不容易阻擋自然風的擴散，自然風更容易從建筑物的上方擴散出去，隨著街道的延伸風速隨之減小，建筑物尾部風速最低，污染物容易堆積，導致街道尾部易形成污染。高大的建筑物更容易使自然風聚集在街道內部，左右兩邊的自然風受建筑表面低壓區的吸引會形成一股強勁的下沖方向自然風，這會迅速的帶走滯留在此高層建筑物底部的污染物，有利于污染物的擴散。高寬比為1、1.5、2時污染物濃度分布差別不大，可見建筑物的高度并不是越高越好，超過一定高度的建筑物對于污染物的擴散并沒有起到決定性作用。

②當污染物來流向與街道方向成45°夾角時，模擬出污染物濃度分布見圖3。

高寬比為0.5時，街道入口處和街道中心區域污染物濃度最小，街道前部有一個明顯的污染物堆積區，這是由于街道入口處建筑物的阻擋使得此處風速低，污染物不易擴散。同樣街道尾部也有一個污染物堆積區，參照①的結論可知，自然風經過街道內部多次的阻擋以及擴散，經過街道尾部時風速已經很低，造成局部污染。高寬比為1時，污染物的分布趨勢和高寬比0.5的情況相似，其污染物濃度最小區域出現在街道后半部分。高寬比為1.5和2這兩種情形都是在街道入口處污染物濃度相對偏低，其后污染物維持在一個較高的程度，隨著建筑物高度的增加，污染物濃度峰值會向街道后方移動。隨著建筑物高度的增加，街道內部污染物濃度會逐漸提高，污染物越來越不容易擴散。

5? 結論

①污染物來流進入街道時，街道入口處風速較大，污染物濃度相對較低。污染物來流向平行于街道時，污染物濃度與街道中心線距建筑迎風面的距離x成正比關系。

②高寬比為1：1以下時，污染物來流向無論是平行于街道還是成一定夾角，街道內部污染物擴散情況都較好;高大建筑物對自然風的阻擋作用使自然風聚集在街道內部，左右兩邊的自然風受建筑的影響會形成一股強勁的下沖方向自然風，這會迅速的帶走滯留在此高層建筑物底部的污染物，有利于污染物的擴散。而迎風側靠后建筑物的增高對于街道中心處的污染物擴散是不利的，迎風側建筑物高度對于污染物擴散有決定性作用。

③當污染物來流向與街道方向成45°夾角、高寬比為1及以上時，隨著建筑物高度的增加，污染物濃度峰值會向街道后方移動。

參考文獻：

[1]梁文艷，孫德智，黃珊.編制城市交通道路環境空氣質量監測技術規范的探討[J].環境科學研究，2010，23.

[2]尤學一，李莉.污染源對建筑小區影響的數值模擬[J].環境科學研究，2006，19（3）：13-17.

[3]劉水長，張勇，余勇，趙萬東.城市空間結構對汽車尾氣擴散影響規律研究[J].工業安全與環保，2014，40.

[4]J M Herbert，G T Johnson，A J Arnfield. Modeling the Thermal Climate in City Canyons[J]. Environment Modeling and Software，1998，13（324）：267-277.