高層建筑污染物室外擴散的CFD 模擬研究

肖小野 李瑞彬 高乃平

1 同濟大學基建處

2 同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

本文通過對某生科大樓的樓頂污染物排放在上海典型氣象條件（夏季東南風和冬季西北風）下的擴散過程進行CFD 模擬，通過對生科大樓及周邊環境的模型建立、計算域的合理選取、邊界條件的合理設定，分析生科大樓周圍的污染物擴散與排放源濃度、建筑方案、周邊環境的關系，為相似建筑物的規劃布局與設計優化提供參考，為動物房的建設選址與運行維護提供污染物排放控制方面的理論依據。

1 工程概況

上海市某生命科學實驗綜合樓，塔樓高度100 m，模式動物中心設在在地下三層。因場地周邊建筑物密集，且南側有居民住宅，模式動物中心的污染物排放對周邊環境影響是否可接受，成為項目立項的關鍵問題。項目區位及效果圖如圖1 所示。

圖1 項目區位及效果圖

2 模型及計算工況

2.1 CFD 模擬計算域的選取

不同于室內環境的模擬，建筑室外空間是一個無限大的大氣空間，除了地面是真實的物理邊界，其余不存在真實的物理邊界來圍合形成一個閉合的流域，因此需要人為地建立一個虛擬的閉合空間作為流體的計算區域。由于氣流通過建筑在計算域內流動時，建筑所在的區域過流斷面面積減小，若計算域過小，氣流通過建筑主體區域時會產生明顯的加速效果。可想而知，計算域取得越大，計算越符合真實情況，但過大的計算域會造成不必要的計算量，浪費計算資源和計算時間。

基于敏感性測試，各類導則中定義計算域大小的方式有以下三種：1）該處建筑或城市區域到各計算域邊界的最小距離（表1）。2）給出允許的最大阻塞比。3）同時給出計算域邊界距離和阻塞比兩項要求，取其中尺寸較大的一種方案。阻塞比是從風洞實驗中發展出來的概念，是指建筑在橫截面上的投影面積與整個計算域的過流橫截面面積之比。各類導則中對阻塞比的最大值要求均在3～5%之間，AIJ 和COST 導則對阻塞比的要求均是小于3%，Liu[1]也指出對于計算域的高度，阻塞率應低于3%，四個水平方向上的邊界層應至少保持5 勻的距離，以便在尾流區域后方建立真實的流動。

表1 AIJ[2]與COST[3-4]中計算域邊界到建筑邊界的距離要求

Meroney[5]實驗中的開放街道峽谷計算域如圖2所示，研究發現街道峽谷前面的距離A 的選取對街道峽谷內污染物濃度分布影響較大，為保證來流的充分發展，其值不能太小。當距離A ≥3 勻、B≥3 勻和C≥8 勻時，計算域的選取為不影響街道峽谷內污染物濃度的分布。對于城市街道峽谷，將計算域簡化為如圖3所示。

圖2 開放街道峽谷計算域

圖3 城市開放街道峽谷計算域

陳亞洲[6]通過對東風、東南風和東北風3 種風向下南京某小區內的風環境進行數值模擬，并對小區的風環境品質進行了評估，其計算區域的下游區取小區寬度的4 倍，高度取最高建筑的3 倍，采用速度進口，給定邊界層規律的梯度風，計算域的兩個側面和頂面采用對稱邊界條件，將地面和建筑物設置為固體壁面邊界，并使用無滑移邊界條件，出口為壓力出口，設置為環境壓力。

上海市地方標準DB31/T922-2015《建筑環境數值模擬技術規程》[7]中指出，風環境和自然通風模擬的計算域應參照模擬對象的特征尺寸確定（如圖4 所示），應保證計算域的獨立性，以不影響模擬對象的計算結果為基本原則。標準中規定，計算域水平方向的長和寬應在模擬對象各方向延伸4 勻～6 勻，垂直方向高度應在3 勻～6 勻，其中，特征尺寸為計算域最高建筑的高度勻。

圖4 建模域與計算域的確定原則示意圖

本次模擬依據上海市地方標準DB31/T922-2015《建筑環境數值模擬技術規程》確定建模域與計算域如圖5 所示，其中垂直方向上高度取4 勻（其中勻為特征尺寸，本文取對象建筑群中室外最高建筑高度作為特征尺寸，為100 m）。

圖5 室外污染物擴散CFD 模擬計算域

2.2 三維模型的建立

依據上面確定的計算域原則，建立三維模型并進行網格處理，如圖6～8 所示。

圖6 三維模型圖

圖7 計算域面網格

圖8 生科大樓與污染物排放源處網格

三維模型網格數為2837 萬。上海市地方標準DB31/T922-2015《建筑環境數值模擬技術規程》規定：距離地面1.5 m 高度內縱向網格不應小于3 格。在本模擬中，0～3 m 有10 層網格，網格間距為0.3 m。

2.3 邊界條件的設置

2.3.1 入口邊界條件設置

室外風、熱環境模擬的基礎邊界條件為室外風速、風向和室外溫度，需要根據項目目的地的實測值以及模擬目的確定基礎邊界條件，室外風環境基礎邊界條件如表2 所示。

表2 室外風環境基礎邊界條件

高度方向上風速按照“指數定律”設定具有梯度特征的風速邊界條件，如式（1）所示。

式中：V-高度為Z 處的風速，m/s；V0-基準高度Z0處的風速，m/s，上海市地方標準DB31/T 922-2015《建筑環境數值模擬技術規程》中取10 m 處的風速；a-底面粗糙度指數。

地面粗糙度指數按照如下方式進行確定：上海內環線以內：0.30；上海外環線和內環線之間：0.22；上海外環線以外：0.15；外環線以外的例外情況：郊區、郊縣的城鎮中心，且目標建筑（群）周邊500 m 范圍內綠地或農田面積占比≤50%：0.22。

本文模擬的生科大樓位于上海市內環線以內，因此CFD 模擬計算時，地面粗糙指數取0.30。風廓線如圖9 所示。

圖9 風廓線

2.3.2 污染物排放源處邊界條件設置

室外風、熱環境模擬的基礎邊界條件為室外風速、風向和室外溫度，需要根據項目目的地的實測值以及模擬目的確定基礎邊界條件，高度方向上風速按照“指數定律”設定具有梯度特征的風速邊界條件。污染物種類設置為氨氣（NH3），污染物質量分數設置為2×10-6（即2.545 mg/m3）。污染物豎直向上散發，邊界條件設置為速度入口（Velocity-inlet），風速根據設計工況設置為1.433 m/s。

計算域內的建筑物邊界條件設置為Wall，計算域的側面以及頂部設置為Symmetry 邊界條件。夏季和冬季模擬工況除了入口邊界風向不同外，其余設置均相同。

3 模擬結果及分析

3.1 污染物散發源處流線圖

由夏季污染物散發源處流線圖（如圖10 所示）可以看出，在建筑背風側形成了較大的回流區，氣流會自上而下運動。由于存在回流區，會使得樓頂排放的污染物被帶到下部區域。同時，在室外風的作用下，污染物隨氣流運動到下游區域，使得下游區域污染物濃度較高。冬季西北風向的下游區域建筑較多，在該區域建筑群內存在渦流，可能會導致污染物在建筑單體之間聚集（如圖11 所示）。

圖10 污染物散發源處流線圖(夏季)

圖11 污染物散發源處流線圖(冬季)

ASHRAE Handbook 中指出，當來流風吹至建筑迎風面時會分成三個區域[8]，如圖12 所示。一是在建筑高度1/2 至2/3 的地方形成一個滯止區，此區域內氣流方向與建筑立面垂直。二是滯止區以上自下而上的氣流。三是滯止區以下自上而下的氣流，且在建筑底部會形成渦流。在建筑的背風側，會形成一個較大的回流區，氣流會自上而下運動。

圖12 方形鈍體周圍的氣流組織[8]

3.2 不同維度污染物濃度模擬結果

3.2.1 Z=1.5 m 截面處污染物質量分數云圖

由于在建筑的背風側存在較大的回流區，會使得氣流自上而下運動，樓頂排放的污染物會被帶到建筑下部區域，并隨室外風氣流運動到下游區域（如圖13中的黃色圓圈所示），使得下游區域污染物質量分數較高。Z=1.5 m 截面屬于室外人員活動的高度，該截面上污染物最高質量分數為8×10-10，污染物在隨氣流運動過程中被稀釋了約2500 倍。

圖13 Z=1.5 m 截面污染物質量分數隨時間變化云圖

3.2.2 X=800 m 截面處污染物質量分數的云圖(夏季工況)

X=800 m 截面位于某高校校區內，截面上污染物最高質量分數為8×10-10，污染物在隨氣流運動過程中被稀釋了約2500 倍（圖14）。

圖14 X=800 m 截面污染物質量分數隨時間變化云圖

3.2.3 X=1200 m 截面處污染物質量分數的云圖(冬季工況)

X=1200 m 截面位于生科樓附近居民區內，該截面上的污染物最高質量分數為7×10-10，污染物在隨氣流運動過程中被稀釋了約2850 倍（圖15）。

圖15 X=1200 m 截面處污染物質量分數隨時間變化云圖

4 討論

上海市地方標準DB311025-2016《惡臭（異味）污染物排放標準》對惡臭（異味）特征污染物排放限值（如表3 所示）與周界監控點惡臭（異味）特征污染物濃度限值（如表4 所示）進行了規定。

表3 惡臭(異味)特征污染物排放限值[9]

表4 周界監控點惡臭(異味)特征污染物濃度限值[9]

模擬結果顯示，在建筑的背風側存在較大的回流，污染物從排放源排出后會被氣流帶到建筑背風側的下部區域，并隨氣流運動到來流風的下游區域，污染物到達下游區域后最高質量分數只有8×10-10（即1.02×10-3mg/m3），被稀釋了約2500 倍。

當污染物以最高排放濃度30 mg/m3排放時，到達下游居住區的污染物濃度可以被稀釋到0.012 mg/m3，而人對氨氣的嗅覺閾值為0.5～1 mg/m3。因此，上海典型風向（夏季東南風和冬季西北風）下游區域居住區內的居民聞不到臭味。

5 結論

本項目通過CFD 模擬方法對該大樓污染物室外擴散過程進行了研究，得到以下主要結論：室外污染擴散過程模擬結果顯示，當動物房以最高允許排放濃度排放污染物時，污染物到達居住區的濃度被稀釋到0.012 mg/m3，而對應人對氨氣的嗅覺閾值為0.5～1 mg/m3。因此，本項目中上海典型風向（夏季東南風/冬季西北風）下游區域居住區內的居民聞不到臭味。

通過對污染物室外擴散的CFD 模擬，大樓建設方可對動物房的規劃決策有更明確的方向，對將來交付使用后的社會效益及環境效益有積極作用。