特殊城市街谷空氣污染物擴散研究

楊世佺，金阿芳，岳海燕，高衛強

（新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

1 引言

隨著我國城市化進程加快，越來越多的人口涌入城市，隨之而來的是，一座座高層建筑拔地而起，交通工具的大量使用導致城市污染加劇[1]，而高層建筑群形成的建筑幾何形態—街谷對空氣流通的影響，阻礙了污染物的擴散、稀釋[2]。因而，研究街谷內部流場以及污染物分布規律，對城市規劃、具有一定參考意義。

文獻[3]采用PHOENICS軟件，分別采用標準k-e模型及RNG模型以及C-K模型模擬了街谷內污染物擴散分布情況，對照風洞實驗結果顯示良好。

文獻[4]采用FLUENT模擬了街谷內氣流運動，對比了2種不同峽谷寬高比，4種建筑物高寬比情況，結果表明，樓層建筑高度不變的情況下，減小建筑物寬度以及增大峽谷寬度有助于峽谷內空氣質量提升。

文獻[5]利用FLUENT 模擬了由不同形狀建筑組成街谷內風和湍流分布，結果顯示，建筑物越趨近流線型，街谷內氣流擴散效果越好，污染物濃度越低。文獻[6]采用大渦模擬（LES）研究了街道峽谷內建筑物不同高寬比時空氣交換率（ACH），研究得知，空氣交換率同高寬比成反比例關系，即高寬比越小，空氣交換率越大。

街谷可分為對稱街道峽谷與非對稱街谷兩大類[7]。上述研究多集中在對稱街谷的高寬比，長寬比，以及來流風向角度的不同。而非對稱街谷多為研究兩側建筑不等高及特殊形狀街谷。這些研究多采用簡化的二維模型模擬峽谷內氣動運動及污染物擴散，對一些特殊類型街谷內氣流及污染物擴散運動是否能做出很好的預測尚未可知。將目光聚焦于帶房裙街谷（多見于商業區，房裙為商業用房），如圖1所示。

圖1 街道峽谷示意圖Fig.1 Sketch of Street of Canyon

街谷一側房裙上部中間分開，形成街谷中含小型街谷的特殊建筑形態。由于CBD范圍內人流量大，相應機動車流量隨之增大，因而排放的污染物濃度高于其他地區。故研究該類型街谷對于城市規劃及行人出行具有一定指導意義。

2 理論與研究方法

數值模擬是以計算機為工具，通過數值計算和圖像顯示的方法，達到對工程以及物理問題研究的目的。數值模擬技術相較于傳統方法（風洞實驗、戶外實地測量），具有不受場地約束、低成本等優點，隨著計算機技術的快速發展，越來越被廣泛使用。通過建立不同類型的街谷，數值模擬其內大氣污染物擴散及分布規律。其計算要點包括：來流邊界條件、出口邊界條件、控制守恒方程、收斂條件等。

來流邊界條件以風速為控制指標，風速采用隨高度變化的擬合曲線，用指數率形式表示為：

式中：u—來流邊界控制風速，m/s；U10—基準高度10m處的風速，3m/s；y10—基準高度，m；n—地面粗糙度變化因子，參考GB 50009—2012 取值，取大城市市區地面粗糙度變化因子值為0.30。

設置出口邊界條件為無約束的自由出口，假定空氣為不可壓縮粘性流體，文獻[8]研究結果表明，標準k-ε模型模擬城市街谷濃度分布更為準確，故建立標準k-ε兩方程湍流模型[9]如下所示：

湍流運輸方程可表示成湍流能量運輸式（2）和能量耗散運輸式（3）[10]：

式中:k—湍流脈動動能，m2/s2；ε—湍流脈動動能耗散率，m2/s3；ρ—空氣密度，g/m3。其中右端項分別表示生成項（production term）、耗散項（dissipation term）和壁面項（wall term）。

模式中各常數的值，如表1所示。

表1 k-ε模型各項常數Tab.1 All Constants of the k-ε Model

式（2）和式（3）采用FLUENT 15.0求解，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，離散方法為二階迎風差分。分析FLUENT的收斂條件及適用范圍，結果表明，收斂標準為殘差小于1.0E-4時，迭代收斂。

3 影響因素

街谷對城市風環境的影響主要受街谷的高寬比，建筑物的高寬比[4]，以及風向角度等因素。這里主要研究房裙高度變化對風環境影響，故采用理想型街谷，即街谷寬度W及建筑高度H比例為1，通過改變房裙高度h1與上部建筑高度h2比例，研究不同比例房裙高度對城市空氣流場及污染物擴散的影響。

4 數值建模

4.1 確定物理模型

街谷模型與實體建筑比例為1：2，南北走向街谷長L=40m，街谷寬度W=36m，建筑物高度H=36m，即理想街谷高寬比1：1。在這個前提下，建立四個模型，分別是：常規街谷、街谷房裙與上側建筑高度比例1：3、1：2、1：1。（即：9：27、12：24、18：18）。

模擬區域道路為雙向四車道，通常汽車排氣道平均高度0.4m，故將污染源簡化為兩長方體，尺寸均為40×1.7m2，高0.4m，污染物分子從長方體上側面射出。

4.2 模擬區域范圍

采用FLUENT模擬街谷內流場，計算結果受計算域尺寸、網格密度及流場邊界條件等影響[11]，設定計算域，如圖2所示。

圖2 計算區域與邊界條件圖Fig.2 Sketch of Simulation Area and Wall Condition

簡化模型假定組成街谷的建筑物為長方體，不考慮建筑物局部細微變化，街谷中兩側綠化帶以及窗戶是否打開等因素。設置計算域入口及兩側對稱邊界距離建筑物5H，出口距離建筑物為10H，計算域高度為10H，兩側距離邊界5H。

進風方向與街谷垂直時內部風速最低，不利于街谷內通風[12]。取海拔10m處風速為3.0m/s。由于CO在大氣中比較穩定，故研究對象為CO分子，且其在空氣中所占體積比濃度較低，可視為離散相，采用DPM模型進行模擬。污染物源強為3g/s[13]。邊界條件的處理：入口邊界采用速度入口邊界條件，出口采用自由回流，及頂部采用對稱邊界條件，在建筑物壁面和地面上采用無滑移邊界條件。

5 模擬結果分析

5.1 常規街谷同帶房裙街谷對比

Z=0截面上有帶房裙街谷同傳統街谷對比圖，如圖3所示。由于污染物分子運動主要受風速影響，因而街谷內流場分布很大程度上影響了污染物分子運動軌跡及分布。（為便于觀察，對圖形進行局部放大處理）

由圖3可知：對比流線圖，兩種街谷均含有順時針旋渦，區別在于正常街谷旋渦范圍大，旋渦內風速小，因而旋渦中心處污染物濃度較高。同時，風速小導致無力將污染物分子吹向遠方，這同右側濃度圖正好對應。與之相反，帶房裙上部速度并未減小，反倒是因為峽谷效應，加速了氣流流動，因而可以明顯看到街谷上部污染物被吹向遠處，通過右側濃度分布云圖，可以清楚的看到帶有房裙的街谷，在迎風側建筑后側污染物濃度明顯增大，而峽谷內濃度減少，這與流線圖推出的影響效果基本吻合。

圖3 傳統街谷及房裙街谷的流線圖、濃度分布云圖Fig.3 The Streamline and Concentration Distribution of Traditional and Skirt House Canyon

5.2 不同比例房裙街谷對比

由圖3可知，帶有房裙街谷相較傳統街谷，更有助于污染物擴散。在此基礎上，繼續深究下去，房裙高度同其上部建筑高度的比例為多少時，對污染物擴散的影響效果最佳，在行人呼吸高度處（通常為1.5m）污染物濃度最低。因而，設置了以下三種情況，在理想街谷中，房裙高度h1與其上部建筑高度h2比分別為1：1，1：2，1：3（18：18，12：24，9：27）。

由圖4可見：在人行呼吸高度處，房裙同其上建筑高度比h1：h2為3時，擴散范圍最廣，街谷內污染物濃度降低，擴散效果明顯，等于2時次之，多淤積在峽谷背風側以及峽谷右側臨近處，并未很好的向遠處擴散，比例為1時傳播距離最短，污染物幾乎滯留在背風側，擴散效果相對而言最差；污染物多淤積在背風側及污染源處，街谷出口污染物濃度明顯高于中心位置。結合圖5流線圖來看：隨著房裙高度的降低，街谷內形成的順時針漩渦位置從迎風側移動至背風側，房裙上側建筑的峽谷效應增大風速，因而房裙高度越低，被風吹向遠處的污染物分子越多，擴散效果越好，反之，房裙越高，污染物濃度越高，特別是背風側出口處，可以明顯看到象征高濃度的紅色區域范圍增大。

圖4 Y=1.5m截面濃度分布云圖Fig.4 Concentration Distribution of Y=1.5m Cross Section

5.3 Y=1.5m平均污染物濃度

由圖5可知，在整個Y=1.5m（即人行呼吸高度）處平面上，以街谷比例h1/h2=3擴散效果最好，而要具體得街谷中某一點濃度值大小，并不容易。因而取背風側-25≤Z≤25m，-16≤X≤-6m范圍內，分別計算X、Z軸方向平均值，如圖5所示。

圖5 Z=0m截面濃度分布云圖Fig.5 Concentration Distribution of Z=0m Cross Section

由圖6可知：靠近背風側X軸方向值越小濃度越大，街谷中心濃度值為近背風側濃度（7～9）倍。由街谷比例為3可知，靠近背風側（-16～-13）m 區域內濃度同其他兩比例街谷幾乎相同，從（-12～-9）m范圍內濃度明顯低于其他兩比例，靠近街谷中心處濃度低于比例1：1，略高于比例1：2，明顯可以看出街谷比例1：1濃度最高，即污染物滯留最多，擴散效果最差。

圖6 沿X軸濃度分布Fig.6 Concentration Distribution Along X Axis

由圖7 可見：街谷出口處污染物淤積濃度明顯高于中心濃度，這對應了中心峽谷效應增大風速，使得中心處污染物向上方擴散。兩側濃度峰值均出現在Z軸20m處，即街谷出口，該處濃度為中心濃度（3～4）倍，建議行人快速經過。同時，可看出比例3和2的街谷濃度值幾乎相等，即商業用房9m同12m高區別不大，而比例1：1時，即商業用房高18m時，濃度明顯變大。故建議房裙（3～4）層高最佳，即（9～12）m。

圖7 街谷沿Z軸濃度分布Fig.7 Concentration Distribution Along Z Axis

6 結論

（1）相較于傳統城市街谷，帶有商業用房裙的街谷中，污染物濃度擴散效果更好。

當然，在街谷的背風側形成回流區，污染物淤積于此，建議行人靠近迎風側行走。

（2）經過對三種比例帶房裙街谷的對比可知，房裙高度越低，街谷中污染物擴散效果越好，反之，房裙增高，污染物濃度隨之增大，尤其是背風側出口高濃度范圍增大。

（3）經折線圖知，車道中央處濃度最高，街谷中心靠近建筑處濃度最低。背風側兩側出口濃度較高，建議行人快速通過。