滨水小区内气流和颗粒物扩散的特性研究*

郭琼琼 文远高# 唐 虎 夏雨琳 明廷臻 徐千芃

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070；2.武汉地铁运营有限公司，湖北 武汉 430030)

颗粒物是大气环境中组分复杂、危害较大的污染物之一，是造成雾霾的主要原因[1-3]。近年来，颗粒物不仅对大气环境造成严重的污染，还对人体健康造成潜在威胁[4]。研究表明，气象条件对污染物的扩散、稀释和积累有一定的影响，在污染源一定的条件下，污染物浓度的大小主要取决于气象条件[5-7]。相对湿度是影响颗粒物理化性质的重要因素[8]，相对湿度的增加有利于颗粒物的粒径增长和新颗粒物的形成，而新颗粒物的形成及增长可能导致颗粒物粒径发生改变[9]。武汉市江河纵横，湖泊众多，虽然近年来水域面积日益减少，但2010年后湖泊水域面积基本趋于稳定，总面积为856.27 km2[10]。为了提高居民生活质量，美化生活环境，越来越多的住宅小区濒临水体建设，然而骤增的人员活动和道路车辆，在一定程度上影响滨江大道及滨水小区受污染的程度。

城市滨水区是城市中陆地和水体相连区域的总称，由水体、水际线和陆地组成。自然水体或人工水体在实现自身生态功能的同时也改善了滨水区周围的热湿环境，特别是水气扩散和温度[11]。MARTNEZ ARROYO等[12]对两个湖泊进行了为期两年的生态学研究，分析了城市中河流和大气之间的相互作用，发现湖泊对周围环境有降温增湿的作用。杨凯等[13]的研究表明，水体能使周边环境温度降低1～3 ℃、相对湿度增加6%～14%，且水体面积越大，温湿效应越显著。

以上学者在研究气象因素对污染物扩散的影响时多以现场实测为主，且对水体的研究多集中于水体对周围环境的降温增湿作用，以真实城市滨水小区为模型的研究较少。基于此，本研究采用FLUENT软件对滨水小区开展气流及颗粒物扩散特性进行研究。

1 滨水小区模型

1.1 几何模型及边界条件

本研究根据某滨水小区的几何参数采用三维计算域构建模型，由于建筑物对大气流动和污染物扩散的影响，使得小区中污染形态的研究非常复杂，为提高效率，遵从适当的简化原则，选取尺寸均为20.0 m×10.0 m×30.0 m的6栋建筑物组成规模较小的模型，6栋建筑物左右间距20.0 m，前后间距30.0 m，距前列建筑物约38.5 m有一宽度为80.0 m的水面。根据建筑室外风环境计算流体动力学(CFD)模拟技术指导[14]，假设目标建筑高度为H，则计算域入口距最近建筑物满足5H，自由出流边界距建筑物满足15H，侧边边界距建筑物满足5H，地面距离计算域上边界满足6H，其平面计算域如图1所示。根据SOLAZZO等[15]的研究，计算域入口采用速度入口边界，侧面和顶面采用对称性边界；考虑出口流动状态充分发展，计算域出口为自由出流边界；水面为质量入口边界，且假设湖面的蒸发量为定常；建筑物面和地面采用固体壁面边界。

图1 滨水小区模型平面计算域

基于以上原则，计算域尺寸为700.0 m×350.0 m×180.0 m。污染源为滨水小区外道路上来往车辆排放的细颗粒物，且采用体污染源形式，距离前列建筑物10.0 m，尺寸为0.5 m×50.0 m×0.5 m。另外，水陆交界处会形成水陆局部环流，即水陆风，白天和晚上风向正相反，为了突出研究水体对滨水小区内气流和颗粒物扩散的影响，将风向设为从水体吹向陆地，风速参考武汉市全年平均风速(3 m/s)。

1.2 数学模型

考虑到湍流应变率的影响，采用YAKHOT等[16]提出的RNG K-ε湍流模型模拟滨水小区内连续相气流场，空气按不可压缩流体处理，具体求解控制方程参见文献[17]。用欧拉方法描述空气流场，对离散的颗粒物用拉格朗日方法追踪其运动轨迹，颗粒物浓度分布采用对数正态分布法[18]。参考文献[19]，对颗粒物相做如下假设:(1)所有颗粒物相都为球形；(2)因为颗粒物相所占体积比值很小，所以不考虑颗粒物间的碰撞。

1.3 水体蒸发率的计算

自然水体蒸发的传热和传质机理主要有两种：一是分子运动(扩散)带来的传热和传质；二是水体表面的流体对流带来的传热和传质。当空气与水面接触时，在贴近水表面处存在一个饱和空气边界层，在边界层周围，水蒸气分子做不规则运动，一部分水分子进入边界层中，同时也有一部分水蒸气离开边界层进入空气中，当由饱和空气层进入空气中的水分子多于由空气进入饱和空气层中的水分子时，就会发生水分蒸发现象[20]。本研究采用SARTORI[21]提出的自由水面蒸发公式来计算水面蒸发率。

1.4 颗粒物源强的计算

细颗粒物对人体健康和环境质量的影响更大，所以假定污染源来自于滨水小区外道路上来往车辆排放的细颗粒物，粒径取1.0 μm，颗粒物源强的计算公式为：

(1)

式中：Q为单位时间、单位长度道路上汽车排放颗粒物的源强，kg/(s·km)；n为车流量，辆/h；E为车辆排放颗粒物的排放因子，g/(辆·km)。

参考文献[22]，本研究E取0.02 g/(辆·km)，n取高峰时段平均车流量500辆/h，计算得到Q=3×10-6kg/(s·km)。

2 结果与分析

2.1 相对湿度对气流场的作用与影响

城市水体蒸发的水蒸气扩散到空气中，使空气密度减小，同时伴随蒸发过程的气化潜热使空气温度降低，大气压力发生变化，所以在湿度的影响下，大气流场会发生变化，从而影响颗粒物的浓度分布。为了说明空气中水蒸气含量的增加对气流场的影响，在不改变风速的条件下，计算得到不同相对湿度下水蒸气质量分数和水体蒸发率，结果见表1。

表1 不同相对湿度下水蒸气质量分数和水体蒸发率

图2为不同相对湿度下，稳态时污染源高度(0.5 m)处大气的水蒸气扩散分布情况。由图2可见，水蒸气在风向作用下不断扩散，下风向处质量分数越来越小，且随着相对湿度越来越大，小区流场内水蒸气的质量分数也越来越大，但其增大的幅度逐渐减小。从图2还可明显看出，当相对湿度较高时，小区横向主通道内的水蒸气质量分数较高，可在一定程度上提高人们对小区内热湿环境的满意程度。张培红等[23]研究发现，水体对小区内热湿环境的影响不容忽略，水体从温度、相对湿度等方面改善小区热湿环境，从而提高小区的热舒适度。

图2 不同相对湿度下0.5 m高度处大气的水蒸气扩散分布

2.2 相对湿度对颗粒物质量浓度的影响

大量研究指出，相对湿度对颗粒物质量浓度有一定的影响[24-25]。其中，崔术祥[26]认为相对湿度为65%时颗粒物间会发生凝并现象，但凝并生成的大颗粒结构松散且不紧密；相对湿度为80%时颗粒物间发生明显的凝并现象，且生成的大颗粒结构紧密。本研究在不考虑颗粒物凝并的情况下，研究相对湿度≤70%时对颗粒物质量浓度的影响。通过模拟计算得到在不同相对湿度下，3个典型截面(截面1～3)在人呼吸高度处(1.5 m)的颗粒物质量浓度，结果如图3所示。由图3可以看出，在相对湿度≤70%时，颗粒物质量浓度与相对湿度呈正比关系，这与杨志文等[27]和阎蕾等[28]的现场实测结果一致。这种现象可以解释为，当相对湿度较低时，颗粒物扩散速率较快，不容易积聚，而当相对湿度增加时，空气黏度增大，致使颗粒物扩散速率减慢，最后聚集造成质量浓度增大。

图3 典型截面在1.5 m高度处的颗粒物质量浓度

2.3 滨水小区内水蒸气扩散特性

据统计，武汉市全年平均相对湿度为70%，假设水面蒸发为定常状态，取表1中相对湿度为70%对应的水面蒸发率为水面的定常蒸发率，即0.065 3 kg/(m2·s)。在西风风向的作用下， 0.5 m高度以及截面3的水蒸气在不同时刻的扩散情况分别见图4、图5。

从图4可看出，随着时间的推移，在西风风向作用下水蒸气向下风向不断扩散移动，扩散区域越来越大，建筑物周围及横向主通道内水蒸气的含量越来越高。由于风的衰减性和地面的黏滞性，下风向处水蒸气的质量分数较上风向处低。受建筑物的阻挡作用，水蒸气在前列建筑物两侧发生绕流，主要在小区两侧和横向主通道内扩散移动，但扩散到滨水小区竖向主通道内的水蒸气量相对较少。

图4 0.5 m高度处在不同时刻的水蒸气扩散

由图5可知，在20 s时截面3的水蒸气主要在水平方向上扩散，而在竖直方向上最高只扩散到10 m左右；60 s时第1竖向主通道内的水蒸气在竖直方向上有较为明显的扩散，扩散高度约为20 m，100 s时最高扩散到35 m左右；由于建筑物的阻挡，第3列建筑物背风侧水蒸气最高扩散到21 m左右。整体来说，水蒸气在水平方向上的扩散速率比竖直方向上快。

2.4 滨水小区内颗粒物扩散特性

为了突出水体对滨水小区内颗粒物扩散的影响，设计污染源及建筑物参数相同的非滨水小区进行颗粒物的扩散对比分析。为便于比较，取相对湿度为70%、20 s时滨水小区和非滨水小区1.5 m高度处的颗粒物扩散情况进行模拟，结果如图6所示。在非滨水小区内，颗粒物主要集中于第1列建筑物的迎风侧处和横向主通道内，颗粒物质量浓度较高；而在滨水小区内，颗粒物在横向主通道内的扩散范围较广，小区两侧的颗粒物质量浓度较非滨水小区两侧的高，横向主通道内的颗粒物质量浓度较非滨水小区内的低。整体来说，非滨水小区体污染源与第1列建筑之间的颗粒物浓度大于滨水小区。

图5 截面3在不同时刻水蒸气扩散

图6 20 s时滨水小区和非滨水小区在1.5 m高度处的颗粒物扩散情况

此外，根据模拟结果，非滨水小区在20、60、100 s时颗粒物质量浓度的最大值分别为1.01×10-8、9.55×10-9、1.14×10-8kg/m3，均大于相同时刻下滨水小区内颗粒物质量浓度的最大值(5.68×10-9、7.47×10-9、6.84×10-9kg/m3)，造成这种现象的原因可能是滨水小区水体表面蒸发不断进行，大气中水蒸气的含量越来越多，过多的水气附着在颗粒物表面使其重力增加，发生沉降现象，从而使大气中颗粒物浓度降低。

综上所述，水体不仅对小区周围环境有降温增湿的作用，而且还可以有效降低小区内颗粒物质量浓度，促进颗粒物扩散。

3 结 论

采用FLUENT软件对滨水小区内的气流和颗粒物扩散特性进行分析，结论表明：(1) 随着相对湿度越来越大，小区流场内水蒸气的质量分数也越来越大，但其增大的幅度逐渐减小；(2)不考虑颗粒物间的凝并情况，颗粒物质量浓度与相对湿度呈正比关系；(3)随着时间的推移，在风向作用下水蒸气沿着下风向不断扩散移动，扩散区域越来越大，建筑物周围及横向主通道内水蒸气的含量越来越高，且由于风的衰减性和地面的黏滞性，下风向处水蒸气的质量分数较上风向处低；(4)水蒸气在水平方向上的扩散速率大于竖直方向上的扩散速率；(5)滨水小区的水体不仅对小区有降温增湿的作用，而且还能有效降低小区内颗粒物质量浓度，促进颗粒物扩散，改善小区内环境质量。