公路路面热辐射对汽车排放NOx扩散特性的影响

王占宇，都雪静，陈 琳，李金鹏，郭欢欢

（1.东北林业大学 交通学院，黑龙江哈尔滨 150040;2.国家汽车质量监督检验中心（襄阳），湖北襄阳 441004）

公路路面热辐射对汽车排放NOx扩散特性的影响

王占宇1，都雪静1，陈 琳2，李金鹏1，郭欢欢1

（1.东北林业大学 交通学院，黑龙江哈尔滨 150040;2.国家汽车质量监督检验中心（襄阳），湖北襄阳 441004）

针对公路沥青路面热辐射，建立了三维大气流动及机动车排放物扩散的CFD仿真模型，进行了非定常三维湍流流动模拟;结合气象因素及单车排放NOx扩散浓度的实地测试，研究了路面热辐射对机动车排放物扩散的影响。结果表明:路表加热作用所产生的热力环流使得污染物能够被有效地输送和扩散至上空，从而使得近地面的污染物浓度下降;随地表温度增高，输送效应增强;在尾气排放方向处于距排气口10 m远处，人的呼吸带高度处NOx浓度仍然较高;NOx扩散浓度的模拟值与实测值具有较好的符合，验证了数值模型的可靠性。

环境工程;尾气扩散;路面热辐射;数值模拟

0 引言

公路运营期产生的污染主要来自汽车尾气，公路建设的快速发展及汽车保有量的增加，使机动车排放对公路沿线环境的污染日益严重。机动车排放污染物的传输和扩散受机动车排放源、气象因素、地形条件等诸多因素的影响。国内外在机动车排放污染物的扩散规律方面的研究，主要集中在城市街道扩散规律［1-3］及公路扩散的模型［4-5］。谢晓敏，等［6］对日光照射街道峡谷地面时峡谷内气体运动和机动车排放污染物扩散规律进行了研究;杨文娟，等［7］分析了路面温度对城市热岛的影响;张新，等［8］分析了沥青路面对城市大气受热的影响。公路路面完全处于自然环境的影响中，经受着持续变化的天气影响，如太阳辐射、天空辐射及外界气温等，从而产生较高的路面温度。地面附近的空气受路面的加热，对空气流场及汽车排放物的扩散产生重要影响。笔者针对沥青路面不同地面温度，考虑机动车排放因子，建立CFD仿真模型，对受公路路面加热条件下的汽车尾气扩散进行三维流场的数值模拟，并比较模拟结果与实地采样分析数据，预测探讨公路路面热辐射对空气流场和汽车尾气污染物迁移扩散特征的影响。

1 数值计算模型

数值计算域在x，y，z轴方向上长度为30 m×20 m ×5 m，排气管直径为0.06 m，中心距地面0.3 m，排气方向沿x轴。入口风速u采用实际测得的来流风速，u的值按式（1）定义:

式中:u为污染源排放高度H（m）时的预测风速，m/s;u0为高度H0（m）时的实测风速，m/s，文中以2 m高度的实测风速值定义;m为风速高度指数，取0.15。

数值计算中采用udf函数自定义入口风速随高度的变化。由于模拟环境的实际风速较低，可以把空气视为不可压流体，计算域顶部和两个侧面为自由流动，出流采用充分发展边界条件;其余采用无滑移固壁边界条件。湍流模型采用两方程k-ε模型，污染物浓度采用大气对流扩散方程［9］。在日光照射下，由于路面与上空的空气存在温差，使空气的密度不均匀，在重力作用下产生浮升力使空气发生流动，动量方程则需要考虑浮升力。由于空气的温差小于30℃，在流体自然对流及传热计算中使用Boussinesq假设［10］，在控制方程中，除浮升力项中的密度随温度线性变化外，其他各项中的密度及其他的物性都近似地按常物性处理。应用Fluent软件实现非定常三维流动模拟。

2 样品采集与分析

2.1 气象条件测定

试验地点选取沥青路面，周围无高建筑物及其他污染物排放源，以1.6 L排量的某轿车为稳定的排放源。在测试汽车排放物的同时测试气象条件，采用PC-3型便携式自动气象站监测环境温度、风速、风向等气象参数。路表温度采用美国Raytek Raynger ST Pro红外测温仪测定，输出波长630～670 nm。测试时间为2011年6月，天气晴朗，风速较小，测试结果如表1。

表1 气象因素及路面温度测试结果Table 1 Test datasheet on meteorological observation and highway pavement temperature

2.2 气样采集与分析

在选定的测试区域内，以汽车排放物NOx为监测对象，进行气体污染物的监测及相关条件的测试。轿车排气管距地面高度为0.3 m，测试区域附近无其他NOx排放源。各测试点采用便携式2020型空气采样器采集气样，采集位置如图1。

图1 气样采集位置分布（单位:m）Fig.1 Positional distribution of contaminative gas sample collection

对离地面 0.3，0.9，1.5 m 各高度进行同时监测，在同一高度上的长宽为10 m ×5 m的矩形各点进行监测。分析方法按照GB/T 15436—1995《环境空气氮氧化物的测定Saltzman法》，用TU-1901型双光束紫外可见分光光度计进行吸收液吸光度值的测试，完成NOx浓度的分析。用PC-3型便携式自动气象站监测环境温度、风速、风向等气象条件。

3 数值模拟结果与监测结果分析

发动机处于稳定怠速工况，转速为750 r/min;排气尾流排放速度由实际测得，为5.8 m/s;排气管出口处尾气温度为36.5℃，出口处NOx体积浓度为1 300 × 10-6。图 2为风速 0.2 m/s，环境温度25.2℃，沥青路面温度31.2℃条件下NOx体积浓度计算结果。

图2 NOx体积浓度分布Fig.2 Distribution of NOxvolume concentration

由图2可以看出，在大气风速及地面加热等外界因素作用下，汽车排放NOx在大气中迅速扩散，随着距排气管距离增加浓度逐渐降低;在高度方向上，污染物浓度随高度增加则呈现出先增高后逐渐降低的趋势，其原因在于排气管距地面有一定高度所致。

由于排气管排放口位置处于近地面，致使近地面处NOx浓度较高;随距排气口距离增加，在大气风、湍流混合、环境温度、地面热辐射造成的温度梯度及物质输运等因素的共同作用下，气体向上空扩散，浓度值迅速降低;在处于距排气口10 m远处，人的呼吸带高度处NOx浓度仍然较高。

选取大气风速均为0.2 m/s的1，4，7组，距地面分别为0.3，0.9，1.5 m 各监测点 NOx的体积浓度模拟值与实测值（将实测的质量浓度转换为体积浓度）列于表2中。

图3为bb'、ee'铅垂线上各高度NOx在不同地面温度条件下的模拟浓度对比。图4为bb'、ee'铅垂线NOx浓度模拟值与实测值对比。ee'铅垂线为几何模型中对称面上距离排气口10.5 m处的铅垂线。

图3 bb'和ee'铅垂线不同路面温度时NOx模拟浓度对比Fig.3 Comparison of NOxconcentration with CFD on the plumb line bb'＆ee'of different asphalt pavement temperature

图4 bb'和ee'铅垂线NOx浓度模拟值与实测值对比Fig.4 Comparison of NOxconcentration with CFD and observations on the plumb line bb'＆ee'

由图3可以看出，在排气管轴心所在铅垂面NOx浓度较高，在相同大气风速条件下，bb'铅垂线上NOx浓度在同一高度上随地面温度的增加呈现较高值。表明地面热辐射对近地层空气流动产生一定影响，从而对汽车排放物的扩散迁移产生影响，也是沥青公路路面产生镜面效应的重要因素。由图4可以看出，NOx浓度模拟值与实测值相比，最大误差为9.89%，验证了建立的CFD仿真模型的可靠性，产生误差的主要原因是测试采用小时平均浓度，在1 h内风速风向存在瞬时变化，仿真时虽考虑风速风向的变化，但在边界条件输入时仍存在一定的偏差。

4 结语

为了研究公路沥青路面热辐射对机动车排放物扩散的影响，建立了三维大气流动及机动车排放物扩散的CFD仿真模型，以实地测试的气象因素及地面温度为边界条件，模拟了实际大气条件下污染物NOx的传输扩散过程。对单车排放的NOx扩散浓度进行了实地测量，数值模拟结果与之比较，最大误差为9.89%，验证了数值模型的可靠性;在尾气排放方向处于距排气口10 m远处，人的呼吸带高度处NOx浓度仍然具有较高值。沥青路面热辐射所产生的热力环流，使机动车排气污染物能够被有效地向上空输送和扩散，从而使得近地面的污染物浓度下降，这是公路产生镜面效应的重要因素，也是产生局地热岛现象的原因所在。

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Influence of Highway Pavement Thermal Radiation on Diffusion Characteristics of Automobile Emission NOx

Wang Zhanyu1，Du Xuejing1，Chen Lin2，Li Jinpeng1，Guo Huanhuan1
（1.School of Traffic，Northeast Forestry University，Harbin 150040，Heilongjiang，China;
2.Xiangyang National Automobile Quality Supervision Test Center，Xiangyang 441004，Hubei，China）

In order to study the diffusion characteristics of automotive emission NOxunder the condition of highway pavement thermal radiation，the CFD simulation models of automobile emission NOxdispersion in real atmospheric environment were built.The numerical simulation of three-dimensional unsteady turbulent flow was achieved，combining with the test of meteorological parameters and measured concentration of single vehicle;the diffusion characteristics of NOxwere obtained.The results show that with the increase of pavement temperature，transportation effect on automobile emission is enhanced.At 10m vertical distance to the exhaust port along the direction of the automobile exhaust，at the height of Person’respiratory level，the NOxconcentration still has a higher value.The numerical results are compared with the measured concentration and a good agreement is achieved，as well as the reliability of the CFD model is validated.

environmental engineering;pollutant diffusion;highway pavement thermal radiation;numerical simulation

U461

A

1674-0696（2013）02-0234-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.14

2012-09-16;

2013-01-04

国家自然科学基金项目（51108068）;黑龙江省教育厅科技项目（11553025）;中央高校基本科研业务费专项资金项目（DL12CB03）

王占宇（1975—），男，吉林集安人，副教授，工学博士，主要从事交通环境方面的研究。E-mail:zywang77@yahoo.com.cn。

都雪静（1975—），女，吉林通化人，副教授，工学博士，硕士生导师，主要从事交通环境与安全技术方面的研究。E-mail:duxuejing@yahoo.com.cn。