上游建筑对街道峡谷内流场和污染物分布特征的影响

朱 强，亢燕铭，杨 方，钟 珂（东华大学环境科学与工程学院，上海 201620）

上游建筑对街道峡谷内流场和污染物分布特征的影响

朱 强，亢燕铭，杨 方，钟 珂*（东华大学环境科学与工程学院，上海 201620）

利用数值模拟方法研究了不同的上游阻挡建筑布局下，行列式和错列式街谷内气流速度和污染物浓度场特征.结果指出，阻挡建筑的存在改变了街谷内的二次流，从而对流场和浓度场均有明显影响.在行列式街谷中，无论上游建筑以何种布局存在，都会减小街谷内污染物浓度.若不考虑上游建筑的存在，将会过高估计行列式街谷内污染程度；在错列式街谷中，与街谷建筑并列的上游阻挡建筑会减小街谷内污染物浓度，而与街谷建筑错列布置的阻挡建筑会增大街谷内污染物浓度；数值模拟结果还表明，街谷内污染物的扩散和清除效果受气流速度和涡流特性的共同作用.

上游建筑；行列式街谷；错列式街谷；平均风速；污染物浓度

随着建筑密度的增加和道路交通污染状况的加剧，我国城市大气环境问题已日益突出.作为建筑群与街道共同构成的城市区域微环境单元，街谷（street canyon）内的空气质量是城市大气环境的重要组成部分，而影响街谷内气流和污染物分布的因素除了气象条件和污染源特性外，建筑布局显然是重要因素之一［1-6］.由于街谷是微环境的基本结构，因此，过去30年来，许多人对街谷空气微环境的不同特征进行了研究［4-5，7］.根据Xie等［8］的数值模拟结果，街谷布局对街谷内风场有直接作用，污染物扩散主要受街谷内涡流结构的影响.Gu等［3］的研究表明，非均匀建筑布局更有利于微环境中的污染物扩散.汪立敏等［9］的结果指出，非孤立型街谷中污染物浓度远高于孤立街谷中的污染物浓度.赵宝芹等［10］的研究表明，随着建筑物高度的增加，污染物难以扩散，从而使峡谷近地面处的污染物浓度增大.何泽能等［11］的结果显示出，前低后高型的峡谷形式对峡谷内部污染物的迁移和扩散更加有效，而Yassin［6］则认为合适的建筑物顶部形状对街道峡谷内的污染物扩散更为有利.

必须指出，大部分已有研究均未考虑街谷上游的阻挡建筑（以下简称“阻挡建筑”）对街谷内部气流的影响.这些研究将阻挡建筑对近地面风速的影响通过风速廓线函数中的粗糙度参数体现出来，虽然这种设定可以很好体现城市下垫面对气流的平均影响效果，但却使阻挡建筑对街谷内部涡流分布的影响因此被忽略.DePaul等［12］，Murena等［13］及Ghenu等［14］通过风洞实验研究指出，障碍物之间或城市冠层下的再循环涡流对近地区域污染物的扩散和清除十分重要.为此，有必要研究和分析上游阻挡建筑对街谷内流场和污染物扩散的影响.

若以街谷形式为准来划分，则建筑群平面布局可简单归为行列式、错列式及两者结合的混合模式等［1］.本文将针对两种典型建筑布局下的街谷结构，利用数值流体力学方法，研究存在上游阻挡建筑物时，街谷内部流场和污染物浓度场基本特征，并与忽略阻挡建筑影响的情形做对比和分析，为更加合理地预测街谷内空气质量提供必要的信息和参考依据.

1 计算模型与方法

1.1 建筑模型与计算方法

图1给出了6种建筑布局平面构成的街谷，及随后分析中涉及到的部分几何参数（图中A-A为垂直方向剖面，位于建筑物1/4长度处）.其中布局1和布局4是已有研究中常见的孤立街谷形式，即不存在上游阻挡建筑；二者的不同之处是，布局1为行列式街谷，布局4则为错列式街谷.其余4种布局则分别为布局1和布局4的变化型式，即街谷上游存在阻挡建筑.

图1 不同建筑布局构成的街谷模型Fig.1 Sketch of street canyon models for different building layouts

实际中，街谷两侧建筑物高度越大，街谷内气流形态受两侧建筑的约束和影响亦越强，上游阻挡建筑对街谷流场的干扰和影响越小.因此，为获得一般性结果，本文以常见的多层建筑为研究对象，通过数值模拟来分析街谷两侧建筑高度相等且为15m的情况.为简明起见，图1中，设所有建筑物长均为65m （L），宽15m （B），高15m （H），阻挡建筑与街谷迎风建筑的间距和街宽均为30m （W），街谷同侧相邻建筑间距亦为30m （R），临街建筑物在沿街谷轴线方向呈周期性排列.

风向对街谷内流场和污染物扩散的影响很大，其中风垂直吹向街谷时，街谷内气流受两侧建筑物的约束作用最强，也是污染物扩散最不利的情况.因此，本文主要考虑垂直风向的情形.设来流风向垂直于街谷轴线.此时，所形成的街谷流场也呈周期性空间分布.因此，对图中各布局均采用镜像法设置对称面，仅计算街谷涂灰部分的区域.本文重点考察建筑布局对气流和污染物扩散的作用，故不考虑太阳辐射导致的热效应可能产生的附加影响.

数值模拟采用FLUENT-6.3.26为基本程序对求解区域内的气流速度和污染物浓度场进行三维模拟.为尽量消除区域有限导致的端部效应，模拟时做如下处理［15-16］，迎风的首排建筑距求解区域上游边界为12H，末排建筑距区域下游出口17H，建筑顶部距上方自由边界面5H.由于为三维模拟，为节约计算成本并保证结果的可靠性，根据已有研究的分析［17］，湍流模型取标准k - ε模型，有限容积法离散控制方程.为保证计算精度，控制方程的离散用二阶迎风格式，污染物扩散方程则用QUICK格式.

数值区域离散后，布局1和4的总网格数约为1.3×106，其余4种布局的网格数约为3.2×106.关于流动和污染物输送控制方程的描述、网格可靠性与稳定性分析方法及其他数值模拟参数选择的细节可参阅文献［18］.

模拟时将计算域入口条件设为速度入口（Velocity inlet），通过用户自定义函数（UDF）描述速度廓线.出口处视为充分发展湍流，故将边界条件设为自由出流（Outflow），由于模拟的建筑呈对称分布，故设置对称边界条件（Symmetry）.对于建筑物壁面和计算域地面，釆用无滑移边界，而对于计算域的顶面和侧面采用滑移边界条件.

湍流特性和风速的垂直分布受地形的影响，并与地面粗糙度有密切关系.根据已有研究，本文采用幂指数风速廓线［19-20］

式中:z和Vz分别为任一高度（m）和任一高度处的平均风速（m/s）；α为地面粗糙度指数，根据文献［20］，这里取α = 0.25；h和Vh分别为标准参考高度（m）和此高度处测得的标准参考风速（m/s），注意到本文设置的建筑物模型高度为15m，故定义屋顶高度处（H = 15m）的风速为屋顶风速Vh.

本文对屋顶来流风速Vh= 1.0m/s时进行模拟计算，以反映在近地大气扩散条件较差时街谷内污染物分布的情况.容易估计出，求解区域的Reynolds数Re的量级为105.

将交通污染源视作连续散发的线源，污染物均匀分布在一个高 × 宽 = 0.1m × 0.5m并与计算域同长的区域，区域底面距地面0.3m，置于街谷中央.以汽车尾气的重要成分CO为代表污染物.为了便于比较，采用如下无量纲污染物浓度C*

式中:Ci是i点处的污染物浓度， kg/m3；q0为污染源强度， kg/s.

1.2 数值计算方法的合理性验证

首先需要对数值模型进行可靠性验证.为此，将图1中的布局1改为无缺口的无限长街谷，分别以Li等［21］和Meroney等［22］的实验参数（包括街谷几何参数、流动参数和污染物参数），利用本文拟采用的离散模式、网格划分方法和计算控制等对二者的实验分别做了数值再现，以验证本研究的数值方案.其中速度场采用Li等的水槽实验结果，并沿水平（x方向）和垂直（z方向）两个方向同时考察风速廓线；在速度场得到验证后，继续求解浓度场，对比数据采用Meroney等的实验结果.图2给出了数值计算结果与上述实验研究结果的比较.图中Vzx和Vzz分别为街谷内无量纲高度Z（= z/H）处考察点沿x和z方向的风速分量.由于近年来，有研究建议用大涡模拟分析街谷流动问题，图中也以Liu等［23］的模拟为例，给出了大涡模拟速度场计算曲线.

图2 风速和浓度数值计算结果与实验数据的比较Fig.2 Comparisons of wind speed and concentration between numerical results and the experimental data

图2的结果表明，对于街谷内的速度场，本文与Liu等人的大涡模拟结果在街谷内大部分区域均与实验结果吻合得较好，这说明本文的湍流模型与大涡并无本质差别，另一方面，说明本文的数值方案可以获得可靠的数值结果.浓度场验证进一步证实了本文数值方案的合理性.通常迎风区涡流会干扰实测，因此，图2（c）中的迎风区浓度计算结果与实测也符合得较好，背风区则完全吻合.验证比较说明，本文采用的计算方法可以很好地预测街谷内的气流流动和污染物浓度分布.

2 模拟结果与分析

2.1 上游建筑对街谷内典型位置流动和浓度分布的影响

2.1.1 行列式街谷 数值模拟分别对图1给出的6种布局进行.为获得简单明了的图像，图3仅以布局1至3的A-A剖面（y =16.3m）为例，给出了街谷缺口中心处竖向平面内的流动和浓度分布.为考虑污染物对街道中人员的影响，图4给出了布局1至3在呼吸面高度（z = 1.5m）处的流场和浓度分布情况.

图3 A - A剖面处（y =16.3m）布局1至3流场与浓度分布比较Fig.3 Flow fields and concentration distributions at A - A plan （y =16.3m） for Models 1to 3

自图3可见，街谷外的上游阻挡建筑对街谷内的气流和污染物分布影响明显.当存在阻挡建筑物时，如图3（b）和（c），街谷内气流流动与图3（a）给出的孤立街谷内的情况不同.上游阻挡建筑物的存在将对街谷内的流动产生影响，布局2中，阻挡建筑削弱了街谷上风建筑在屋顶处的分离效应，虽然对谷内气流的旋转效应起到了减弱作用，但却将涡流限制在了街谷内，导致污染物不易自高度方向扩散出街谷；类似地，布局3使污染物在上风建筑背风面进一步聚集.布局2和3均减少了街谷下风建筑尾流区的涡流强度和范围.结果，图3（a）所示的孤立街谷中的污染物分布因阻挡建筑的作用而发生改变.同时，如图3（b）和3（c），在上游阻挡建筑与街谷上风建筑之间会首先出现一个较强的回流涡旋（以下称“前导涡”）.

图4 上游阻挡建筑不同时行列式街谷内呼吸面高度（z = 1.5m）的速度与浓度分布Fig.4 Wind speed and concentration distributions at the breathing levels （z = 1.5m） in regular canyons for Models 1to 3

但布局2和布局3对街谷内流动和污染物分布的影响亦不同.图4从水平方向气流和污染物分布情况说明了这些区别.分别对照图3（a）和3（c）及图4（a）和4（c），可发现阻挡建筑错列布置时（即布局3），前导涡出现在阻挡建筑的侧墙，街谷上风建筑侧墙处也多出一个小的涡旋，其结果是将污染物进一步限制在上风建筑的背风区.布局2则不同，因阻挡建筑与街谷建筑平行布置，街谷内二次流水平位置虽然移向缺口一侧，但仍被限制在街谷内，比较图4（a）和（b）可知，平行布置的阻挡建筑减弱了上风建筑侧墙处的流动分离效应，污染物反倒被推向街谷内部.这是导致布局2和3在街谷内污染物浓度分布不同的主要原因.

上述结果说明，上游阻挡建筑对街谷内速度和污染物浓度场的影响不可忽略.图5给出了布局1至3街谷内典型位置处气流速度沿高度分布的数值结果.其中“建筑中心”位置和“街谷缺口”以图4（c）为例，分别用“P1”和“P2”标出.

图5 布局1～3街谷内典型位置处气流速度沿高度的分布Fig.5 Variations of wind speed in the canyon along the height at two positions for Models 1to 3

从图5的结果可以看到，对于靠近缺口的街谷区域，阻挡建筑的存在增大了近地面处的气流速度，减小了上空的风速；在街谷建筑中心位置，布局2则与布局1的风速廓线很接近，而布局3明显减小了街谷建筑中心位置处的气流速度.

为进一步分析不同布局对污染物扩散的影响，图6给出了布局1至3街谷不同位置处污染物浓度沿高度方向分布的数值结果.

从图6中可知，存在阻挡建筑时，街谷建筑中心位置的浓度均大于布局1给出的孤立街谷的情形；但在街谷缺口位置，布局3的浓度低于布局1，而布局2与布局1的浓度接近，在贴近地面位置的浓度较高，并且街谷上部空间布局2浓度较布局1高.这些特点与图2和3给出的整体图谱一致.

图6 布局1～3街谷内典型位置处污染物浓度沿高度的分布Fig.6 Concentration variations in the canyon along the height at two positions for Models 1to 3

图7 A - A剖面处（y =16.3m）布局1至3流场与湍流强度分布比较Fig.7 Comparisons of the distributions of turbulent intensity and flow field at A - A plan （y =16.3m） for Models 1to 3

为考察气流湍流强度分布对污染物扩散的影响，图7给出了A-A剖面上的湍流强度分布的比较.可以看到，3种布局下，屋顶高度及以上掠流区域内湍流度分布存在较明显差异，但街谷内部湍流分布非常相似.

2.1.2 错列式街谷 数值结果表明，错列式与平行式街谷布局内的流动和污染物分布具有不同的特点.图8给出了上游阻挡建筑排列方式不同时，错列式街谷（即图1中布局4至6）中呼吸高度平面的流动和污染物浓度分布图谱.

从图8可以看出，虽同为错列式街谷，但布局4至6中的流动特征有差别.布局4在上风和下风建筑的侧墙处各有一个气流漩涡；布局5中，上风建筑的气流漩涡中心位置在建筑背风区，下风建筑侧面涡旋增强；而布局6中则出现了3个强度不同的局部涡旋.

图8给出的污染物浓度分布表明，阻挡建筑与街谷上风建筑平行布置时，即图8（b），上风建筑附近的绕流将污染物向街谷内推移；图8（c）给出的完全错列式布局中，下风建筑附近的气流速度要比布局4和5中的低.于是缺口位置的浓度要比街谷中心位置的低，由于布局6中上风建筑物挡在了街谷缺口的中心，减少了进入街谷的气流，如图8（c），故在下风建筑的迎风和上风建筑的背风区都将出现污染物聚集现象.

2.2 阻挡建筑对街谷空间风速和浓度影响的统计分析

为得到阻挡建筑对街谷内气流和浓度分布影响的统计结果，根据数值计算数据，在图9所示的两种街谷布局的迎风区、中心区和背风区围成的高度分别为15m和2m的空间内均匀取值，取值点总数分别为3696点和693点.

图8 上游阻挡建筑布局不同时错列式街谷呼吸高度平面的速度场和浓度场Fig.8 Wind speed and concentration distributions at the breathing levels in staggered canyons for Models 4to 6

图9 两种街谷布局下速度和浓度统计区域的划分Fig.9 Zones for statistical analysis of wind speed and concentration in the two types of street canyon

2.2.1 街谷内整体统计结果分析 图10和图11分别给出了平行式街谷（布局1至3）和错列式街谷（布局4至6）下，数值模拟得到的街谷整个高度上不同区域内的气流速度VZ、湍流强度I和无量纲浓度C*的统计平均结果.

图10 行列式街谷内风速、湍流强度与污染物浓度的统计平均结果Fig.10 Statistical results of the averaged wind speed，turbulent intensity and dimensionless concentration in different zones of regular canyons

由图10（a）可以看出，对于行列式街谷，布局1至3均为迎风区气流平均速度最大，中心区其次，背风区最小.存在并列式阻挡建筑（即布局2）时，增大了背风区和中心区的平均风速，但对迎风区平均风速几乎无影响；存在错列式阻挡建筑（即布局3）时，则减小了背风区平均风速，增大了中心区平均风速，迎风区平均风速几乎不变.图10（b）是不同区域内湍流强度数值结果的统计平均.可以看到，3种布局下中心区和迎风区的湍流强度均增加约20%，背风区湍流强均增大约10%.图10（c）是不同区域内污染物浓度的数值结果统计平均.显见，两种阻挡建筑布置都减小了街谷内的污染物平均浓度，只是各区域减小程度不同而已.

图11（a）说明，与行列式街谷一样，错列式街谷的3种布局都是在街谷迎风区流速最大，中心区其次，背风区最小.此外，还可以看到，布局5街谷内的气流速度并没有因上游多出一个并列的阻挡建筑物而变小，其气流速度大小与布局4（错列式孤立街谷）中的几乎没有明显差别.当错列式街谷上游布置一个错列的阻挡建筑（即布局6）时，其内部流速将明显下降.图11（b）表明，布局4、5、6下中心区和迎风区的湍流强度均增加约25%，背风区湍流强均增大约15%.从图11（c）来看，与行列式街谷不同，阻挡建筑对错列式街谷内污染物浓度的整体分布特征影响明显.阻挡建筑对街谷内各区域污染物分布的影响在布局5中均表现为浓度明显降低，而在布局6中则为浓度升高.此外，对比图11和图10可知，同样的上游阻挡建筑下，布局4至6在街谷内对应区域的浓度显著低于布局1至3.

2.2.2 街谷内呼吸区域统计结果分析 考虑到街谷内2m以下区域为人员活动区，图12（a）和图12（b）分别给出了布局1至3和布局4至6时，根据数值模拟得到的街谷2m以下区域内的无量纲浓度统计平均情况.

从图12来看，人员活动区域内的局部污染物浓度分布与街谷整体平均情况不同.在行列式街谷中，如图12（a），背风区呼吸高度以下空间的污染物浓度比同一区域整体平均浓度高出35%以上，相应的中心区高出约50%，但迎风区则略有降低；图12（b）则指出，错列式街谷中，中心区域呼吸高度以下空间浓度显著高于整体平均浓度，三种布局下平均高出150%，而其他两个区域的浓度则基本没有变化，仅在布局6时，背风区浓度增加约40%.

图11 错列式街谷内无量纲风速、湍流强度与污染物浓度的统计平均结果Fig.11 Statistical results of the averaged wind speed，turbulent intensity and dimensionless concentration in different zones of staggered canyons

2.2.3 上游阻挡建筑对流动和污染物浓度影响相对大小的估计 根据前述分析，为整体评价上游阻挡建筑的出现对街谷内流场和浓度场的影响，分别定义平均风速、污染物平均浓度和湍流强度改变率ηV、ηC和ηi分别为:

图12 街谷内呼吸区污染物无量纲平均浓度统计结果Fig.12 Statistics of the dimensionless averaged concentrations in breathing regions for different zones in the canyons

式中:V0和Vi分别为街谷建筑上游没有和有建筑物时的平均气流速度， m/s；C0和Ci分别为街谷上游没有和有建筑时的污染物无量纲平均浓度；I0和Ii分别为街谷上游没有和有建筑时的湍流强度.当i = 1时，街谷上游阻挡建筑物并列布置；i = 2时，阻挡建筑物为错列布置.

图13给出了由此得到的阻挡建筑不同时，两种街谷型式下，街谷内不同区域的速度和浓度变化率统计计算结果.

由图13（a）可以看到，阻挡建筑对平行式街谷迎风区内的平均风速影响很小，但对背风区和中心区平均风速的作用超过了10%，且布局2的影响作用略大于布局3.自图13（a）还可以看到，阻挡建筑对街谷内浓度的降低率远大于对平均速度的改变率，布局2时上游阻挡建筑对街谷各区域浓度的改变率约为15%，布局3则大于20%，其中对街谷中心区域污染物浓度的减小作用最显著.布局2中的上游建筑对街谷内风速以增大为主，而布局3的阻挡建筑对街谷整个区域风速的影响不大，但对污染物浓度的降低作用却明显大于布局2，这是因为影响街谷内污染物扩散的因素除了气流速度外，涡流特征也是重要因素.由图13（a）可以看到，布局3中街谷内涡流有利于污染物扩散出去.

图13 上游建筑布局不同时行列式街谷内气流速度、湍流强度和浓度的改变比率Fig.13 Changed ratios of the wind speed， turbulent intensity and concentration in the street canyons

图13（b）与图11（c）均说明，对错列式街谷，布局5的上游阻挡建筑总体上并未明显增大街谷内风速，但街谷内污染物浓度下降率却高达30 ～60%，浓度大幅度下降的另一个原因，是上游阻挡建筑改变了街谷的涡流特征，见图8（a）和8（b）.布局6中，阻挡建筑大大降低了街谷内风速，特别是靠近下风建筑缺口处的气流速度，如图11（c），而这一缺口为污染物在水平方向的主要输送通道，因此，街谷背风区和迎风区的污染物浓度可能都将增加60 %以上.

图13（a）和图13（b）还表明，上游阻挡建筑仅对行列式迎风区的湍流强度有不大于15%的影响，但由于迎风区气流速度较大，气流速度对污染物扩散的影响更显著.其他区域湍流强度的变化均在5%以内，说明所讨论的布局型式对街谷内湍流的影响大体相似.

3 结论

3.1 无论行列式还是错列式街谷，上游阻挡建筑的存在对街谷内流场和浓度场均有明显影响，对湍流强度分布的影响相似.由于对街谷内平均风速和涡流特征的改变，不同布置方式的阻挡建筑对街谷内污染物平均浓度的影响明显大于平均风速的影响.

3.2 在行列式街谷中，无论上游阻挡建筑以何种方式布置，都会降低街谷内的污染物浓度.在本文的计算条件下，减小率大约为20 ～ 60%.由此看来，在行列式街谷污染特征的研究中，若不考虑上游建筑的存在，将会过高估计街谷内的污染物浓度.

3.3 在错列式街谷中，与街谷建筑并列布置的上游阻挡建筑会降低街谷内污染物浓度，而与街谷建筑错列的阻挡建筑可能会增大街谷内污染物浓度.

3.4 存在上游阻挡建筑时，行列式和错列式两类街谷内流动和污染物分布的数值图像表明，实际中街谷外建筑物的存在将改变街谷内的流速和局部涡流的特征，并影响街谷内污染物的扩散和清除效果.

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Impacts of upstream buildings on the flow fields and pollutant distributions in street canyons.

ZHU Qiang， KANG Yan-ming， YANG Fang， ZHONG Ke*（School of Environmental Science and Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：45～54

Numerical simulations were conducted to study the flow and concentration fields in both regular and staggered street canyons with different layouts of the upstream buildings. The results showed that the upstream buildings changed the wind speed and distorted the secondary flows in the canyons thus had significant effects on the flow and concentration fields. In the regular street canyons， the average pollutant concentrations could be reduced regardless of layout of the upstream buildings. The average concentration would be overestimated by numerical simulations without considering the existence of the upstream buildings in practice. In the staggered street canyons， when upstream buildings are aligned with street canyons，the pollutant concentrations in the street canyon could be reduced by the blocking effect. In contrast， when the upstream buildings are staggered with the canyons， the concentrations could be increased. The results also showed that the pollutant dispersion and removal in street canyons are effected by both the airflow velocity and local vortex characteristics.

upstream building；regular street canyon；staggered street canyon；averaged wind speed；pollutant concentration

X51，P463，TU119，TU984

A

1000-6923（2015）01-0045-10

朱 强（1989-），男，安徽芜湖人，东华大学硕士研究生，主要从事城市大气环境与室内空气品质研究.

2014-04-02

国家自然科学基金（40975093，41275157）；上海市教委科研创新重点项目（14ZZ073）

* 责任作者， 教授， zhongkeyx@dhu.edu.cn