基于片状激光CCD浓度测试系统研究屋顶形状对街谷内污染物扩散的影响

黄远东 周家正 崔鹏义

文章编号： 1005-5630（2018）06-0001-06

摘要： 基于风洞实验平台，利用研发的片状激光CCD浓度测试系统结合数值模拟，研究不同屋顶形状对街道峡谷内线源污染物扩散分布的影响。结果表明，采用的浓度测试系统可以在不影响流场的情况下清晰再现街道峡谷内部污染物分布的特征，并且测试结果与数值仿真结果有较好的一致性。当迎风建筑屋顶低于背风建筑屋顶时，街谷内为一顺时针主涡，污染物主要聚集在街谷背风侧;迎风建筑屋顶高于背风建筑时，街谷内形成顺时针旋涡在上、逆时针旋涡在下的两个耦合旋涡，此时污染物在街谷迎风侧聚集。

关键词： 风洞; 激光测试系统; CCD系统; 污染物扩散; 屋顶形状

中图分类号： O 435文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.001

引言

随着我国城市化进程的加快，城市地区机动车保有量持续增加，交通污染成为城市地区空气污染的主要来源[1]。气象条件（风速[2]、风向[3]、太阳辐射[4]、湍流强度等）及街道峡谷两侧建筑物几何形状[5-6]、机动车流特性引起污染源的位置、排放量等因素，对城市街道峡谷内空气流通及污染物迁移扩散都有重要影响。国内外对于该类问题的研究，主要采用数值模拟与风洞实验相结合的方法[7-9]。數值模拟，即计算流体力学技术（computational fluid dynamics，CFD），通过求解描述流动、传热、扩散等方程可以获得丰富的预测数据，从而节省成本。然而数值模型需要实测或实验数据的验证，在满足相似准则的前提下，采用风洞实验对数值模拟结果进行检验是常用的方法。

风洞实验对建筑环境的研究，需要使用按比例缩放的建筑模型。在传统的采样检测方法中，流场容易受到采样使用的仪器的干扰，且采样数目也十分有限，难以充分反映整个街谷截面的污染物浓度分布情况，难以对数值仿真结果进行充分验证。黄远东等研发的片状激光系统[10]，已可以在不干扰流场的同时，将整个激光照射平面上污染物浓度转化为散射光的强度，使用高速摄像机CCD系统可以连续清晰地记录流场内光强变化，经过处理之后，得到激光照射截面上污染物浓度分布，可以定性地对数值模拟结果进行检验[11]。

1实验设备

实验平台为上海理工大学环境风洞实验室，该环境风洞参数为：总长为33 m，实验段长为18 m，宽为2.5 m，高为1.8～2.1 m;风速为0.5～20 m/s;风机电机功率为90 kW，可控硅供电且无极调速（DC motor）。风洞实验段内流场品质为：速度不均匀性≤±1%;最大速度的 50%～80%范围内，动压脉动量≤1%;俯仰方向≤±0.5°，偏航方向≤±1°，湍流度≤1%。

实验所用仪器和装置如下：

（1） 烟雾发生装置。由变频器、旋涡气泵和烟雾发生器等组成，其原理为利用燃烧产生均匀烟雾的材料作为发烟装置，发烟后与一定气速的气流混合，在实验段指定位置向风洞内部释放，主要构造如图1所示。

（2） 片状激光CCD浓度测试系统。该系统是我们集成开发的非接触式、全场测量的浓度测试系统，其主要由激光器（型号：MGLW532Anm10W141069，如图2所示）、高速数字图像记录系统组成。激光器发射出的光束直径小于4 mm，发散角小于0.7 mrad，偏振比大于50∶1，输出光是波长为 532（±1） nm的激光束，具有极高的连续性及稳定性。光束经过光学镜片转化为线光源，线光源经烟气粒子的散射，形成污染物无量纲浓度分布图，使用高速数字图像记录系统将结果储存于电脑中。CCD系统如图3所示，该系统由电脑（记录软件）、尼康AF镜头（相机）、CORE传输主机、固态硬盘（存储设备）、连接线等构成。

2数值方法

本文基于上述片状激光CCD浓度测试系统，结合数值模拟研究不同屋顶形状对街道峡谷内污染物扩散分布的影响。

3结果与分析

风洞实验时，自由来流风速为5 m/s，风向自左向右，垂直于街道峡谷长度方向。工况1～3为下风向建筑屋顶不低于上风向建筑的情况，实验及数值模拟结果如表1所示。

工况1街道峡谷两侧均为同高的平顶建筑，由表1结果可知：街道峡谷内形成一个顺时针旋涡，地面道路上污染物在顺时针方向旋涡的作用下，向街谷背风面聚集，因此背风侧近地面污染物浓度最高;随着背风侧向上运动气流，污染物向上扩散传递，一部分在街道峡谷上部剪切流作用下流出街道峡谷，另一部分从迎风面又回到街谷内;另外，激光测试的浓度分布与数值模拟结果吻合较好，验证了数值模型的精确性。

工况2街道峡谷背风侧为较高的平顶建筑，从速度矢量图可以看出，工况2形成的顺时针旋涡涡心位置较工况1偏上偏右，且气流分离的位置更高，这使得涡心左侧污染物高浓度区域面积增加，导致街谷内污染物散布程度增加，且较高的背风侧建筑更不利于污染物流出街道峡谷，迎风面侧建筑屋顶处污染物浓度明显升高。

工况3街谷内污染物分布情况与工况2类似，不同之处在于当气流经过背风建筑物三角形屋顶时，未产生剧烈分离，近乎贴近屋顶壁面流动，使得进入街谷的来流风速进一步弱于工况2中的平屋顶。街道峡谷内同样形成顺时针旋涡，污染物高浓度区主要集中在背风侧，但街谷内污染物分布更趋均匀，迎风侧污染物浓度有所增加。

表2为工况4～6的实验及数值模拟结果。工况4由于迎风建筑为矩形平屋顶，进入街谷的气流在迎风建筑的迎风面产生剧烈分离，顺时针旋涡被抬升至街道峡谷上方，直接阻碍了气流向街道峡谷内流动，在街道峡谷内部产生了与之耦合的逆时针的旋涡，污染物主要聚集在背风建筑街道峡谷侧，污染物浓度自下而上逐渐升高。相对于工况4，工况5街谷上方的顺时针旋涡在迎风建筑的三角形屋顶作用下被扭曲，在迎风建筑街谷侧屋顶处进入街谷内的气流进一步减弱，导致街道峡谷内污染物比较分散，污染物浓度较高的区域覆盖街谷的一半区域。对于工况6，迎背风建筑上方均为三角形屋顶，在街谷上方、两三角形屋顶处形成的顺时针旋涡加大，挤压街谷下方的逆时针旋涡，使街谷内逆时针旋涡的中心下移，而街谷上方的顺时针旋涡对街谷内与街谷外气流的交换仍起阻碍作用，街谷内污染物浓集更加明显。

综合比较工况1～6，可以看出：工况1～3在街谷内同样形成顺时针旋涡，当背风屋顶形状改变，街谷内形成的旋涡中心略微上升，顺时针主涡整体增大;工况4～6由于迎风面有增高的屋顶，对于自由来流的气流运动有阻挡作用，使街谷内顺时针旋涡的中心高度上升至街谷上方的屋顶处，街谷内产生的逆时针旋涡是与顺时针旋涡耦合而成。数值模拟结果与经CCD系统测得的浓度分布結果相比，二者一致性较好，可清晰判断主涡的结构，但仍存在两个缺陷：在建筑物边缘处仍容易受到反光的影响;街谷上方污染物浓度较低的区域由于感光较弱，很难获取测试数据。

4结论

基于风洞实验，利用研发的片状激光CCD浓度测试系统，结合数值模拟，研究了屋顶形状对街谷内污染物扩散分布的影响。研究结果表明：片状激光CCD浓度测试系统在不影响流场的情况下能够清晰再现街谷内污染物分布的特征，并且与数值模拟结果有较好的一致性，两者可以相互验证。迎风建筑屋顶低于背风建筑屋顶时，街谷内为一顺时针主涡，此时背风建筑屋顶的形状和高度会影响街谷内的涡心位置和流动结构;迎风建筑屋顶高于背风建筑时，街谷内形成顺时针旋涡在上、逆时针旋涡在下的两个耦合旋涡，迎风建筑屋顶的高度与形状主要影响上方旋涡的结构与涡心的位置，进而影响街谷内污染物的分布与扩散。

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（编辑：刘铁英）