不同形式的高架桥对街道峡谷气流和污染物分布的数值分析

朱楚雄,梁志勇

(东华大学 理学院,上海 201600)

改革开放以来,随着经济的发展与城市化进程的加速,城市的空气污染问题越来越严重,尤其是城市街道峡谷里的污染状况也日益成为人们关注的焦点.街道峡谷(street canyon)的概念首先由Nicholson[1]于1975年提出,指的是两旁都有连续,高大建筑物的相对狭长的街道空间.简单的街道峡谷可以由图1所表示,B表示街道的宽度,H表示建筑物的高度,W表示建筑物的宽度.由于峡谷的特定结构,城市街道中心峡谷区域容易产生独立的稳定的气流循环,从而导致峡谷中气流流动不通顺和污染气体不容易被稀释.

图1 街道峡谷示意图Fig.1 Schematic diagram of a street canyon

有关街道峡谷内气流运动和污染物扩散的数值研究的国内外报道已相当的丰富.Venegas L.E和Mazzeo N.A等[2]2000年在阿根廷首都布宜诺斯艾利斯的某条深街道峡谷测量了CO的浓度.Uehara等[3]2000年在日本国家环境研究院用大气扩散风洞实验研究了温度分层对峡谷的上方与内部风场的影响,研究结果表明峡谷内涡流在大气稳定状态下变弱.Nelson Y.O.Tong和Dennis Y.C[4]通过计算流体软件CFD数值模拟了城市街道峡谷内污染物扩散,特别是NO、NO2、O3的情形.随着汽车数量在城市中不断增多,为了缓解城市越来越大的交通压力,在城市建设中城市高架桥在许多城市竞相出现[5].这样,就使得原来类似于平面的交通转变成了立体的形式,从街道两旁的建筑物上下分开,提高了城市街道对机动车的承载力,能缓解城市机动车的拥堵情况.关于城市街道峡谷中高架桥的文献也相当丰富,李鹏飞等[6]认为,高架桥会加重桥下街道峡谷的空气污染.蒋海德等[7]用计算流体力学(CFD)软件中的FLUENT计算了高架桥对街道峡谷内CO含量的影响,研究结果表明宽度越小、高度越高的高架桥所造成的污染越小.KONDO[8]等研究了城市街道峡谷高架桥内NOx的扩散规律,结果表明,交通产生的湍流对污染物排放的影响比交通产生的流动对污染物排放的影响要大得多.张传福[9]等利用计算流体力学(CFD)数值模拟,研究了3种H/W(街道建筑物高度/峡谷宽度)下高架桥对街道峡谷内颗粒物扩散的影响,其结果表明H/W越大,街道峡谷内颗粒物浓度越高,相对于没有高架桥的街道峡谷,高架桥附近区域风场变化明显,但对建筑物墙壁、地面及峡谷顶层处影响较小;街道峡谷内存在高架桥时,在墙壁较低处颗粒物质量浓度增加.

1 物理模型的建立

1.1 计算域及边界条件

如图2为带高架桥的街道峡谷计算域的二维示意图.风向为自左向右垂直于街道.在边界条件处理上,,进口边界为速度入口边界,出口边界为压力出口边界,上边界为对称边界,建筑物墙壁和街道采用固体壁面边界条件.

图2 带高架桥街道峡谷示意图Fig.2 Schematic diagram of a street canyon with viaduct

1.2 计算方法

在该数值模拟计算中,将空气视为不可压流体,湍流模型采用二维的k-ε两方程模型,污染物扩散采用组分输运方程,流场与污染物浓度场可由下列计算控制方程来描述:

连续性方程为

(1)

动量方程为

由于采用的是标准的k-ε两方程模型,且空气为不可压流体,则k-ε方程为[10]:

污染物对外扩散的组分输运方程为

(6)

1.3 计算设置

该数值模拟采用有限体积法进行离散,离散方法为二阶迎风差分,压力与速度耦合采用Simple算法,污染物扩散不影响空气流场的分布并假设其在街道上均匀分布且不考虑室内与室外的空气交换,采用CO作为污染物.

2 模拟与分析

2.1 FLUENT建模

FLUENT是目前比较流行的计算流体力学软件,被广泛应用于与流体力学相关的航空、水利和工程设计等行业.FLUENT软件包括前处理,处理器和后处理三种.应用FLUENT软件建模计算时,一般可以先用其前处理器Gambit建立各种街道峡谷的模型,并进行合理的网格划分.

2.2 不同高架桥高度的街道峡谷

为了研究含有高架桥的高度对街道峡谷污染的影响,设计了如表1所示的6个算例,分析其所产生的影响.为了方便计算,假设建筑物的高度H

表1 对含有不同高度高架桥的街道峡谷模拟的算例Table 1 Simulated cases of street canyons with different heights viaducts

与街道峡谷的宽度B的比值为1∶1,且H=40 m.

图3a～图3f分别表示算例1～算例6的速度矢量场分布以及污染物浓度分布.由图3的速度矢量场可知,当无高架桥,空气流过建筑物时,由于迎风建筑的阻挡,气流在街道上部形成一个中心偏向迎风面的顺时针大漩涡;当有高架桥且高架桥高度比较低时,气流在高架桥的上方形成一个顺时针的漩涡,而随着高架桥的高度增加,逐渐在高架桥的上部和下部均形成了顺时针的漩涡,且上部的漩涡逐渐变小,下部的漩涡逐渐变大;当高架桥与建筑物的高度相同时,在靠近迎风建筑的下方和背风建筑的上方均形成顺时针的漩涡;当高架桥高于建筑物时,其速度矢量场的情形和无高架桥的情形基本相同.由污染物质量浓度场可知,当无高架桥时,污染物被气流场带到背风建筑的上方;当有高架桥且高架桥比较低时,污染物聚集在高架桥下部,且随着高架桥的高度升高其下部的质量浓度下降,背风建筑物上方的质量浓度逐渐升高;当高架桥高度与建筑物高度相同时,由于高架桥阻碍了气流在街道峡谷的流动,故其下方的污染物质量浓度最大;当高架桥高于建筑物时,其污染物质量浓度与无高架桥时的污染物质量浓度相同.

图3 在不同高度的高架桥面源排放对街道峡谷的污染物质量浓度与速度矢量场分布影响Fig.3 The influence of different heights viaducts polluting source on pollutant mass concentration distribution and velocity vector of street canyons(a)—算例1;(b)—算例2;(c)—算例3;(d)—算例4;(e)—算例5;(f)—算例6.

2.3 不同高架桥宽度的街道峡谷

表2为不同高架桥宽度的三个算例,并分析其产生的影响.假设街道峡谷高宽比H/B为1,且H=40 m,桥高为20 m.

表2 对含有不同宽度高架桥的街道峡谷模拟的算例Table 2 Simulated cases of street canyons with different widths viaducts

图4a～图4c分别表示算例7～算例9的速度矢量场分布以及污染物浓度分布.由速度矢量场可以看出在高架桥的上下两部分分别形成顺时针的漩涡,且随着高架桥宽度的增加而增大.由污染物浓度场可知,由于高架桥宽度的增加,在高架桥下部形成一个顺时针的大漩涡,导致污染物不能排出街道峡谷,故其在峡谷内污染物浓度逐渐增加.

图4 在不同宽度的高架桥面源排放对街道峡谷的污染物质量浓度与速度矢量场分布影响Fig.4 The influence of different widths viaducts polluting source on pollutant mass concentration distribution and velocity vector of street canyons(a)—算例7;(b)—算例8;(c)—算例9.

2.4 高架桥是否有污染源

为了研究高架桥是否有污染源对街道峡谷污染物扩散的影响,设计如下3个算例(表3).为了方便计算,假设建筑物的高度H与街道峡谷的宽度B的比值为1∶1,且H=40 m.

表3 对含有不同污染源高架桥的街道峡谷模拟的算例Table 3 Simulated cases of street canyons with different pollutants viaducts

由图5a～图5c表明,当污染源为地面源时,高架桥阻碍了其下部的空气流动,故其下部的污染物质量浓度较大,而其上部的污染物质量浓度比下部的小很多;当污染源为桥面源时,由于其上部和下部均形成一个顺时针漩涡(见算例3(1)),故其上部的流动将污染物传输到其下方,故高架桥下部也有一定的污染物浓度;当污染源为桥面源和地面源时,由于高架桥上下部的顺时针漩涡导致其地面源的污染物向上方扩散时加重桥面源的污染物质量浓度,同时桥面源由于顺时针的气流扩散到地面加重地面源的污染物质量浓度.

图5 在不同高架桥面源排放对街道峡谷的污染物质量浓度的影响Fig.5 The influence of different viaducts polluting source on pollutant mass concentration distribution(a)—算例10;(b)—算例11;(c)—算例12.

2.5 不等高的街道峡谷两旁的建筑物

为了研究建筑物是否等高对街道峡谷污染物扩散的影响,设计如下3个算例(见表4).

表4 对不等高街道峡谷模拟的算例Table 4 Simulated cases of street canyons with different height of constructions

如图6速度矢量场所示,当背风面建筑高于迎风面建筑时,其在高架桥上部形成两个顺时针的漩涡,在高架桥下部形成一个顺时针漩涡,污染物有助于向街道峡谷外扩散,当背风面建筑低于迎风面建筑时,其在高架桥上部形成的两个顺时针的漩涡明显比背风面建筑高于迎风面建筑时要小,且其在高架桥下方的污染物质量浓度要大.

图6 在两旁不同建筑物高度对街道峡谷的污染物质量浓度与速度矢量场分布影响Fig.6 The influence of different height constructions polluting on pollutant mass concentration distribution and velocity vector of street canyons(a)—算例13;(b)—算例14;(c)—算例15.

3 结 论

高架桥不利于街道峡谷内的空气流动以及污染物排放,其具体作用表现在以下几个方面:

(1) 随着高架桥高度的升高,其内部的空气流动速度减小,不利于污染物的扩散;当街道峡谷的高度与建筑物高度相同时,其高架桥下方的污染物质量浓度最大,而当高架桥高于建筑物高度时,对其峡谷内的空气流动和污染物扩散的影响基本可以忽略.

(2) 高架桥的宽度有利于保护其上方的背风面建筑物的污染.当高架桥的宽度增加时,气流逐渐在高架桥上部形成顺时针的漩涡,并随着其宽度的增加而变大,且高架桥上方背风面建筑的污染物质量浓度逐渐减小.

(3) 当地面有污染源时,其污染物随气流的流动扩散到背风建筑物上部;当地面和桥面均有污染源时,污染物质量浓度在地面和桥面均增大;而当桥面有污染源时,由于桥面上部形成一个顺时针的漩涡,其污染物在这顺时针漩涡内扩散,而两旁建筑物上部的污染物质量浓度均较小,因此当只有桥面污染源时对街道峡谷两旁的建筑物污染最小.

(4) 当背风面建筑高于迎风面建筑时,其空气在其上部形成一对顺时针的漩涡,且其速度比背风面建筑低于迎风面建筑的漩涡的速度大,故其在高架桥内部的污染物质量浓度较低,故可以根据城市每年实际的风向情况设计为背风面建筑高于迎风面建筑的街道峡谷,使其降低污染物的质量浓度,有利于城市的环保.

参考文献:

[1] Nicholson S E.A Pollution Model for Street-Level Air[J].Atmospheric Environment ,1975,9(1):19-31.

[2] Venegas L E,Mazzeo N A.Carbonmonoxide Concen-tration in a Street Canyon of Buenos Aires City(Argentina)[J].Environmental Monitoring and Assessment,2000,65:417-424.

[3] Uehara K,Murakami S,Oikawa S,et al.Wind Tunnel Experiments on How Thermal Stratification Affects Flow on and above Urban Street Canyons[J].Atmospheric Environment,2000,34:1553-1562.

[4] Nelson Y O T,Dennis Y C L.Effects of Building Aspect Ratio,Diurnal Heating Scenario,and Wind Speed on Reactive Pollutant Dispersion in Urban Street Canyons[J].Environmental Sciences,2012,24(12):2091-2103.

[5] 牛帅,李青宁.城市高架桥特点及分类[J] .山西建筑,2008,34(28):3-4.

(Niu Shuai,Li Qingning.The Characteristics and Classification of Urban Fly Over Crossing[J].Shanxi Architecture,2008,34(28):3-4.)

[6] 李鹏飞,周洪昌.城市高架道路建设对机动车尾气污染的影响分析[J].上海环境科学,1999,18(10):448-450.

(Li Pengfei,Zhou Hongchang.Analysis on Effect of Urban Viaduct Construction on Motor Vehicle Exhaust Pollution[J].Shanghai Environmental Sciences,1999,18(10):448-450.)

[7] 蒋德海,蒋维楣,苗世光.城市街道峡谷气流和污染物分布的数值模拟[J].环境科学研究,2006,19(3):7-12.

(Jiang Dehai,Jiang Weimei,Miao Shiguang.The Numerical Simulation of Air Flow and Pollutant Distribution in Street Canyons[J].Research of Environmental Sciences,2006,19(3):7-12.)

[8] Kondo H,Tomizuka T.A Numerical Experiment of Road Side Diffusion under Traffic-Produced Flow and Turbulence[J].Atmospheric Environment,2009,43(27):4137-4147.

[9] 张传福,曾建荣,文谋,等.高架桥对街道峡谷内大气颗粒物输运的影响[J].环境科学研究,2012,25(2):159-164.

(Zhang Chuanfu,Zeng Jianrong,Wen Mou,et al.Influence of Viaducts on Dispersion of Air Particles in Street Canyons[J].Research of Environmental Sciences,2012,25(2):159-164 .)

[10] 王福军.计算流体动力学分析: CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004:120-122.

(Wang Fujun.The Analysis of Computational Fluid Dynamics: The Principle and Application of CFD Software[M].Beijing: Tsinghua University Press,2004:120-122.)