建筑架空層對街道峽谷內(nèi)污染物濃度影響研究

賀廣興

（湖南人文科技學(xué)院能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417700）

0 引言

隨著我國汽車保有量的增加，給城市帶來一系列的環(huán)境問題，其中汽車尾氣的排放對城市造成比較嚴(yán)重的空氣污染，對城市居民的健康也造成負(fù)面影響[1-2]。尤其城市的街道峽谷受到兩邊高層建筑的影響，通風(fēng)效果不好，污染物不容易擴(kuò)散，從而造成污染物濃度升高。現(xiàn)有的街道峽谷中污染物擴(kuò)散的研究方法中風(fēng)洞實驗和CFD模擬為最主要的兩種手段[3-5]。

城市街道峽谷中污染物擴(kuò)散的影響因素中，國內(nèi)外諸多學(xué)者已通過各種方法研究了各種不同因素[6-12]對街道峽谷中污染物擴(kuò)散的影響。

現(xiàn)有文獻(xiàn)資料中，沒有查閱到街區(qū)建筑下層的架空層結(jié)構(gòu)對污染物擴(kuò)散的影響，本文通過CFD模擬方法分析不同的架空結(jié)構(gòu)對街道峽谷中污染物擴(kuò)散的影響程度，得出最有利于污染物擴(kuò)散的街道布局。

1 模型建立

1.1 控制方程

本研究采用現(xiàn)有資料中普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型[13]，控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動量方程：

k與ε參數(shù)方程：

傳輸方程：

其中：

式中：uiuj—流體速度在i、j方向上的分量；xi、xj—i、j方向上的坐標(biāo)；ρ—流體密度；p—流體壓強(qiáng)；gi—重力加速度；v—流體運動粘性系數(shù)；μ—流體動力粘度；μt—流體湍流黏性系數(shù)；k—湍動能；ε—湍動耗散率；t—時間；Gk—湍動能產(chǎn)生源項；Di—組分分子擴(kuò)散率；Ci—氣體組分濃度；Sct—湍流施密特數(shù)；σk、—湍流Prandtl常數(shù)；、—模型常數(shù)；δij—Kronecker符號。

1.2 計算區(qū)域、網(wǎng)格劃分及邊界條件

1.2.1 模型計算區(qū)域

圖1中（a）、（b）、（c）、（d）分別表示不同的街道建筑布局方式模型。（a）圖為沒有架空層的結(jié)構(gòu)；（b）圖為來流風(fēng)向上的建筑架空一層結(jié)構(gòu)；（c）圖為背風(fēng)向上的建筑架空一層結(jié)構(gòu)；（d）圖為兩邊建筑都架空一層結(jié)構(gòu)。街道內(nèi)部空氣視為不可壓縮氣體。為了與后文CFD的驗證模型保持統(tǒng)一，街道峽谷模型尺寸與后文的驗證模型在尺寸上保持一致。街道模型的高度（H）和寬度（B）分別設(shè)為0.06 m，寬為0.01 m和高為0.0012 m的線污染源布置在街道中心位置。設(shè)汽車尾氣中CO占比0.1%，其排放濃度設(shè)置為Qco=1×10-7m3/s。

圖1 計算模型

1.2.2 邊界條件

參考其他學(xué)者的相關(guān)研究文獻(xiàn)[14]，此次模擬的入口邊界條件如下：

式中：Z—距離地面高度；u(z)、k(z)、ε(z)—在Z高度位置的水平風(fēng)速，湍動能和耗散系數(shù)；zref—整個計算區(qū)域高度；uref—參考風(fēng)速；u*（0.325 m/s）—摩擦速度；κ（=0.4）—馮·卡門常數(shù)；Cμ=0.09；出口邊界條件設(shè)置為0壓力梯度；上邊界為對稱邊界條件，其他邊界為無滑移邊界。

2 模型驗證

CFD結(jié)果的可靠性利用Meroney的風(fēng)洞實驗進(jìn)行驗證[15]。風(fēng)洞實驗中，模型建筑高度和街道寬度都設(shè)為0.06 m；0.01 m寬和0.0012 m高的街道線性污染物（乙烷）和空氣混合氣體作為汽車尾氣排放源布置在街道中心位置，來流風(fēng)向垂直于街道，污染物濃度測量點布置在街道旁建筑的兩側(cè)，模型及監(jiān)測點示意圖分別如圖2（a）、（b）所示。

圖2 風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ?/p>

風(fēng)速入口邊界條件參照原實驗，計算式如下：

式中：d0=2 mm；u(z) —Z高度處的風(fēng)速；(δu)—高度0.5 m處的平均風(fēng)速；指數(shù)α=0.28。

污染物濃度歸一化處理[16]：

式中：C—乙烷體積濃度；Uref—參考風(fēng)速，m/s；H—建筑高度，m；L—線源長度，m；Qe—污染物散發(fā)源強(qiáng)，m3/s。

模擬結(jié)果和實驗結(jié)果對比結(jié)果如圖3所示，由圖可知，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，迎風(fēng)面兩者數(shù)據(jù)基本重疊。背風(fēng)面兩個模擬數(shù)據(jù)與實驗重合，另外兩個數(shù)據(jù)一個稍微高于實驗數(shù)據(jù)，一個模擬數(shù)據(jù)略低于實驗數(shù)據(jù)，整體趨勢保持一致，驗證了模擬結(jié)果的可靠性。

圖3 計算值與實驗測量值對比

3 結(jié)果及討論

3.1 峽谷內(nèi)部流場分布

圖4展現(xiàn)了不同架空層布置方式對流場的影響情況。圖4（a）為沒有布置架空層時流場的分布情況，由于來流風(fēng)的切應(yīng)力影響在內(nèi)部和建筑后面形成了一個主要的順時針渦旋。峽谷內(nèi)部由于空氣的渦旋運動，污染物不容易向外擴(kuò)散，造成內(nèi)部污染物濃度高；圖4（b）為風(fēng)來流方向建筑下層布置架空層的流場分布。與圖（a）相比，峽谷內(nèi)部的流場有了比較大的變化，中間部分形成了一個主渦旋，來流空氣從建筑下部架空層進(jìn)入峽谷，從右側(cè)建筑上部流出了峽谷。由于流出的空氣帶走部分污染物，從而有利于峽谷內(nèi)部污染物濃度的稀釋。同圖（a），建筑后面也形成一個比較大的順時針渦旋。圖4（c）為背風(fēng)方向建筑下層布置架空層的流場分布。峽谷內(nèi)部形成一個主要渦旋，外側(cè)氣流從右側(cè)建筑下部進(jìn)入峽谷，從上側(cè)離開，可以帶離部分污染物，有利于污染物濃度降低。同樣，在建筑后面也形成一個大的順時針渦旋。圖4（d）為道路兩側(cè)建筑下方都布置架空層的流場分布。可以看出，峽谷內(nèi)部形成了一個順時針渦旋，底部的空氣隨流場直接離開峽谷。此種情況底部氣流可帶走大部分峽谷內(nèi)部的污染物。建筑后面沒有形成一個比較明顯的渦旋，此種情況最有利于內(nèi)部污染物的擴(kuò)散。

圖4 流場分布

3.2 峽谷內(nèi)部CO濃度分布

不同架空層布置方式下街道峽谷內(nèi)部CO濃度分布情況如圖5所示。由圖5（a）可知，在無架空層時，峽谷內(nèi)部CO充滿整個內(nèi)部，其中高濃度區(qū)域集中在左下角區(qū)域，右側(cè)區(qū)域的CO濃度比較低。峽谷內(nèi)部的順時針渦旋［圖4（a）］導(dǎo)致污染物不容易擴(kuò)散，聚集右側(cè)區(qū)域。圖5（b）為在風(fēng)來流方向上的建筑下層設(shè)置架空層，與圖5（a）相反，受流場的影響，CO主要集中在峽谷右側(cè)下部區(qū)域，由于底部空氣隨流場離開峽谷，對污染物起到較好的稀釋作用，CO濃度較圖5（a）有所下降。圖5（c）為背風(fēng)建筑下層設(shè)置架空層，與圖5（a）相似，由于在峽谷內(nèi)部也形成了一個主要的順時針渦旋，導(dǎo)致CO的濃度分布情況也類似。主渦旋外側(cè)也形成了一個更大的渦旋，峽谷上部空氣隨外層大渦旋部分離開峽谷，底部又部分回到峽谷內(nèi)部，此種情況造成了底部的通風(fēng)效果較圖5（a）得到部分提升，有利于CO的擴(kuò)散。圖5（d）峽谷兩側(cè)建筑都設(shè)置架空層，從流場分布情況可知，峽谷底部的通風(fēng)效果得到顯著提升，CO在峽谷內(nèi)部的擴(kuò)散能力也得到提高，污染物源散發(fā)的CO隨底部流場離開峽谷，從而導(dǎo)致整個峽谷內(nèi)部的污染物濃度顯著降低。

圖5 峽谷內(nèi)CO濃度分布

4 結(jié)論

（1）架空層的布置對街道峽谷內(nèi)部的流場有顯著影響。設(shè)置架空層可以改變峽谷內(nèi)部及背風(fēng)建筑后的流場分布，尤其兩旁建筑都設(shè)置架空層時影響最大。

（2）架空層對峽谷內(nèi)部污染物濃度也存在明顯影響。設(shè)有架空層可降低峽谷內(nèi)部污染物濃度，背風(fēng)方向上設(shè)置時影響較小，其次是風(fēng)來流方向上設(shè)置，最理想的為兩旁建筑都設(shè)置架空層。