不对称孤立街谷内流动和污染物扩散数值模拟研究

2021-05-06任蘇琪罗杨崔鹏义上海理工大学环境与建筑学院

珠江水运 2021年7期

◎ 任蘇琪罗杨崔鹏义上海理工大学环境与建筑学院

1.引言

城市环境中的街道峡谷是指道路与道路两侧建筑所形成的连续或稍有间隔的狭长区域，按照峡谷两侧建筑的对称性，可以分为对称街道峡谷和不对称街道峡谷。计算流体力学(CFD)的发展使研究街道峡谷内气流流动与交通污染物扩散问题不再单独依赖现场测试和风洞实验等传统方法，进而提供了新的研究手段，很大程度地减少了人力物力。目前有关街道峡谷的数值模拟研究多集中在对称街道峡谷几何形状对其内部流场和污染物浓度场地影响，关于街道峡谷对称性对于街谷内流场影响的研究很多，但针对不同类型的对称街谷以及不对称街谷的流场以及浓度场等研究还有很大的空间。

为了进一步分析在垂直风向下，本文主要对比了几种不对称街道峡谷内流动和污染物扩散的影响，采用了孤立峡谷二维缩尺模型对交通气体污染物分布进行了分析。基于雷诺平均纳维斯托克斯方程以及标准k-ε模型湍流模型和惰性气体污染物输运方程，模拟了不同类型的不对称街道峡谷内部的流场和浓度场，然后与风洞测量数据进行验证。进而探究街道峡谷对称性对内部流动特性和污染物扩散规律的影响，为城市环境中城市规划和道路设计提供依据。

2.方法

2.1 数值模型设置

为了探究不对称街道峡谷内气流流场和污染物浓度场随着建筑高度的增加的变化规律，本文设置了四种不对称型街谷布局。此外，本文采用了建筑高度H与街道宽度W均为12cm的对称性街道峡谷模型作为参考工况。

为了保证来流风可以充分发展，本文设置计算域整体尺寸为27H×8H，入口边界处设置为速度入口条件，出口边界采用自由出流条件，上边界设置为对称边界条件，建筑壁面和地面采用壁面无滑移、浓度无渗透边界条件。

2.2 模型验证

本文采用德国卡尔斯鲁厄环境风洞实验室的风洞试验数据对数值模型进行验证，这里的模型比例尺在实验设置中为1:500。来流风垂直于街道轴线，两个平行的建筑(边为0.12 m，长为1.2 m)安装在隧道地板上。在距离上游建筑0.035 m处沿峡谷地面设置线源，空气和示踪气体六氟化硫的混合物从源头连续释放，以模拟汽车尾气排放。街道峡谷设计以及计算域均与参考工况相同。通过街道峡谷内两侧壁面上污染物数值模拟结果和风洞实验实测结果比较验证，得出Sct=0.4时105万的中等网格计算结果与风洞实验实测数据有较好的一致性。

3.结果与讨论

3.1 升阶式街道峡谷内部流场和污染物浓度场分布

图1(a)显示了当HA/HB=3/4时不对称街谷内流场云图和浓度场示意图，街谷内顺时针单涡在上游建筑屋顶水平向右变形，街谷下方气流流速减弱的区域增大，导致顺时针涡漩作用下背风侧附近形成高污染区域。不对称的建筑高度改变了建筑上方平滑流动的大气气流，不利于污染物在下游建筑高度水平逸出。当HA/HB=1/2时，如图1(b)所示，涡心上升至上游建筑高度水平，导致背风侧高浓度区域继续变大。由此可见，在升阶式街道峡谷中，随着下游建筑高度的增加，背风侧高浓度污染区域变大。

图1 升阶式街谷内流场及无量纲浓度分布

图2 降阶式街谷内流场及无量纲浓度分布

3.2 降阶式街道峡谷内部流场和污染物浓度场分布

图2 显示了两种降阶式不对称街谷内流场和污染物浓度场示意图，如图2(a)所示，在HA/HB=4/3的降阶式街道峡谷内产生一个变形的顺时针涡漩，涡漩上方延伸到下游建筑屋顶，涡心移动到高度为H的街道中心处。此时峡谷内污染物高浓度区域增大，且集中在背风侧附近.当上游建筑高度增加，HA/HB=2时，峡谷内产生了两个方向相反变形的涡漩，峡谷内涡漩流速较小，顶部涡漩严重变形向下游建筑倾斜，并覆盖了整个下游建筑屋顶，涡心移动到下游建筑后侧，且在屋顶右侧产生了很小的逆时针涡漩，在两个涡的作用下，污染物高污染浓度区域主要集中在迎风侧附近（如图2(b)）。由此可见，降阶式街谷设计也不利于污染物的扩散，随着上游建筑高度的增加，高污染浓度区从背风侧逐渐向迎风侧移动。