开窗建筑周围汽车尾气细微颗粒传播规律研究

张闪闪　李娜

摘 要：为研究不同因素下污染物在开窗建筑周围扩散传播规律，基于汽车尾气释放细微颗粒及开窗建筑开启度，运用数值模拟分析室内浓度的分布规律。仿真结果表明：自然通风能够促进建筑街区内部颗粒扩散，窗口开启度越大，稀释效果越好。建筑街区中部气流稳定性高，不利于颗粒污染物扩散，且细微颗粒直径对停留时间影响甚微。

关键词：开窗建筑；数值模拟；开启度；颗粒浓度

1 引言

工业和经济快速发展的当代社会，环境污染问题成为了世界性的研究课题之一。考虑到居民70%～90%的时间是在室内度过的，室内环境空气品质对于人员健康起到至关重要作用。颗粒污染物为主要污染源之一，可通过围护结构渗透、无组织自然通风及有序机械通风等方式进入室内空间。

为响应国家节能减排的政策，建筑设计也会更多考虑自然通风以降低建筑能耗.贯流式通风俗称穿堂风，既建筑物迎风侧和背风侧均采用开口式设计，且开口之间有顺畅的空气通路，自然风会直接贯穿整个房间。此时，若室外有污染物，则会跟随气流进入室内空间造成污染。

受季节影响，居民窗户开启度也有所不同。据东华大学实地调研数据，普通住宅小区住户春秋两季开窗通风频率高，平均窗口开启度为9.78%。夏冬季节由于温度原因则开窗频率低，平均窗口开启度仅为4.44%。不同窗户开启度对自然通风影响不同[1-2]。因此研究穿堂风下室外颗粒污染物传播规律及分布情况，对改善室内空气品质具有重要意义。

综上，本文运用数值模拟分析方法，在自然通风条件下研究污染物在不同窗户开启度及颗粒物直径下，建筑颗粒污染物浓度场的分布情况及规律。

2 建筑模型数值分析描述

选取对称式分布住宅小区作为本文模型背景的研究对象。由于建筑呈对称分布，为降低计算机内存容量及数据处理量，建立如图2所示简化模型：

图2、图3、图4所示为建筑物尺寸、建筑间街谷距离及开窗房间布局。建筑物45m×15m×15m，建筑间街谷距离20m，每栋建筑开窗房间15个，房间尺寸15m×3m×3m（1m×2m时表示中等窗口开启度；2m×2.2m时表示高等窗口开启度）：

基于FLUENT进行数值模拟分析，对需计算区域进行精密网格划分。非结构化网格区域内点不具有相同的毗邻单元，对于外形复杂的结构，具有更好的灵活性和适用性。

基于非结构化六面体网格，对建筑物、窗口以及污染面源等处网格进行加密处理，远离建筑物区域网格划分稀疏。既可满足后期模拟分析精度要求，又能减少网格节点数目，总计网格数177万。

3 数值模拟边界设定

本文以欧拉—拉格朗日方法为基础建立DPM模型。将气体相视为三维连续不可压缩流体，在欧拉坐标系下满足N-S方程；将颗粒相视为离散体系，通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒的轨道[3]。

具体参数设定：颗粒源为1m宽面源，位于街谷中央，其质量流量为3g/s。颗粒污染物重点研究室外PM2.5，粒径选取2.5 、1.0 以及0.1 三种，密度取1550kg/m3模拟计算。

连续相边界条件设定：连续相数学模型采用标准 模型（双方程模型）。整体模拟分析区域，入口采用UDF根据风速随高度变化曲线，编写的速度廓线。所有建筑壁面以及地面采用无滑移边界条件。求解器选择定常压力求解器[4-5]。

边界条件设定：壁面（wall）、对称面（symmetry）均为反射（reflect）边界条件，并且恢复系数均为1.0，速度入口（velocity inlet）、压力出口（pressure outlet）均采用逃逸（escape）边界条件。粒子追踪选择非定常追踪。

4 模拟仿真分析

4.1 不同开启度下颗粒浓度模拟分布

建筑立面的窗口开启度对室内空间的流场及压力场产生影响，而流场、压力场共同作用，进而对街谷中的颗粒物浓度场产生影响。

由图可知，当来流风沿街谷垂直方向时，建筑物具有一定遮挡作用。中心面处涡流主要聚居在背风建筑迎风侧，接近屋顶高度。随剖面向建筑边缘移动，涡流位置逐渐向下移动，且略向迎风建筑背风侧靠近。由于建筑立面存在通风口，颗粒会向室内扩散，对空气品质造成影响。观察可得，通风口加强了建筑流场运动，颗粒物分布呈现分散趋势，靠近建筑中心的颗粒分散明显，反而建筑边缘处颗粒浓度相对集中，并且漩涡中心浓度达到最大。

同时，背风建筑每一层开窗室内均有颗粒扩散进去，越低层住户室内颗粒浓度越高。受流场分布影响，颗粒随流场在建筑中心面区域向室内扩散，越靠近建筑边缘，受污染程度越小。颗粒污染物受来流风场影响，基本不对迎风室内造成污染。背风建筑靠中心位置开窗房间受污染严重。

由图可知，颗粒在建筑小区内的覆盖浓度较小，且呈现分散分布，边缘区域有较漩涡趋势。中心面处的背风侧建筑通风房间颗粒浓度低，反而从屋顶绕流到背风侧的颗粒浓度较高。相比图5，建筑立面开窗会加速颗粒污染物向街区扩散，且会对靠近建筑中部通风房间造成较明显的污染。高等窗口开启度下，X=16m剖面处的背风建筑底层通风房间有颗粒扩散进去，说明此处气流不稳定，增强自然通风同时容易受到外界污染物的侵袭。

4.2 不同粒径颗粒在建筑周围的停留时间

基于不同粒径颗粒所受到重力、布朗力、萨夫曼力等均不相同。而其受力情况会影响到颗粒在建筑周围的停留、扩散。颗粒源选取的PM2.5，粒径取0.1 、2.5 三种，分析高等窗口开启度情况下不同粒径的颗粒在建筑周围的停留时间，以探究粒径大小对建筑小区的污染程度。

观察粒径0.1仿真结果图可知，建筑宽度方向边缘区域的颗粒停留时间均在190s以内，部分区域颗粒的停留时间仅有9s。这是由于气流受建筑物遮挡，从建筑两侧绕流，而颗粒随气流运动实现较快传播。反之越靠近建筑街区内部，颗粒的停留时间越长，有些停留长达1510s。此区域内部产生的涡流，颗粒随顺时针涡流在街区内部盘旋，难以向外部传播，污染程度较大。在背风建筑的背风区域，同样受流场漩涡的影响，颗粒普遍停留时间较长，不易向建筑更远处传播。

比较不同粒径下三种颗粒仿真分析图，可知不同粒径的颗粒在建筑周围的停留时间分布差别不大，具有相同的规律。其主要原因为本文所选颗粒源为细微颗粒，颗粒的粒径都很小，受力的量纲级别低，差别不大。基于上述分析可得，细微颗粒在建筑小区中及建筑周围传播过程中，受到粒径的影响很小，基本可以忽略。

5 结束语

（1）建筑两侧通风口形成 “穿堂风”能促进街区两侧颗粒污染物的稀释，窗口开启度越大，稀释作用越好，但中部流场由于其气流稳定性高，不利于颗粒污染物向街区外侧的传播。沿建筑高度方向，位于建筑底层的通风住户比高层更容易受到室外颗粒的污染，传播进入室内的颗粒浓度相对较大。建筑设计之初应考虑此因素，降低对应区域污染。

（2）细微颗粒PM2.5在建筑横向边缘区域的停留时间较短，此处污染物较易向远处传播，而在街区内部其停留时间较长，不易向远处传播。由于细微颗粒整体粒径都比较小，其颗粒大小对颗粒停留时间的影响甚微，可以忽略。

参考文献

[1]王远成，吴文权.不同形状建筑物周围风环境的研究[J].上海理工大学学报，2004.26（1）：19-23.

[2]亢燕铭，张宁波.地面热力条件对庭院式建筑内部空气环境的影响[J].东华大学学报（自然科学版），2011，37（6）：767-773

[3]罗昔联，顾兆林.基于DPM模型的街谷内颗粒物扩散特性研究[J].中国科学院研究生院学报，2007，24（5）：578-583.

[4]Jonsson L，Karlsson E，Jonsson P.Aspects of particu- late dry deposition in the urban environment[J]. Journal of Hazardous Materials， 2008，153（1-2）： 229-243.

[5]王文龙，大气风场模型研究及应用[J]：[硕士学位论文].国防科学技术大学，2009.11.16.

[6]付志民，孙在.街道峡谷内细微颗粒物扩散特性的DPM数值模拟[J].中国计量学院学报，2011，22（4）：322-326.