基于CFD 的不同稳定度下污染物扩散研究回顾

何宗武 王汉青

1 南华大学土木工程学院

2 建筑环境气载污染物治理与放射性防护国家地方联合工程研究中心

3 中南林业科技大学土木工程学院

目前，研究污染物扩散的方法主要有现场实验，物理（风洞和水洞）实验，（半）经验模型和计算流体动力学（CFD）[1]。随着计算机技术和计算能力的快速发展，越来越多的学者利用CFD 方法对污染物扩散开展了研究。大气稳定度作为影响污染物扩散的典型气象参数，为保证研究的准确性，必须对其进行研究。本文综述了以往学者基于CFD 方法在不同大气稳定度下污染物扩散方面所做的研究，并讨论了这些研究存在的不足，为今后对真实大气环境中的污染物扩散研究提供一定的指导。

1 不同稳定度下污染物扩散的基本理论

1.1 大气稳定度的概念及判定

传统的静态稳定度常用于气象学中，表示气块受任意方向扰动后，返回或远离原平衡位置的趋势和程度。即空气微团是否保持在原来的位置，是否趋向于发生对流[2]。然而，静态稳定度是衡量浮力对流能力的静态指标，仅由局部的垂直温度分布决定，在大气边界层和污染物扩散研究中的应用存在局限性[3-4]。为了克服静态稳定度的不足，大量学者将动态稳定度的概念应用于污染物扩散研究中。动态稳定度主要取决于浮力和风，即使空气处于静态稳定，同样可能出现非稳定的情况[3-4]。显然，同时考虑热力和动力因子的动态稳定度概念更适用于污染物扩散这类动态过程。许多文献已经对大气稳定度的判定方法进行了介绍[4-6]。中国的大气污染物排放标准提供了大气稳定度的判定方法[6]。国际原子能署（IAEA）结合各国的经验，总结了7 种大气稳定度判定方法[6]。刘强对用于大气污染物扩散研究中的稳定度判定方法进行了概述，帮助研究人员更好的选择判定方法[7]。另外，大量文献对比了不同判定方法的差异，研究人员可通过阅读相关文献确定适合的大气稳定度判定方法[8]。要准确判定动态大气稳定度，需要同时考虑热力和动力因子的影响。因此，对于不同稳定度下污染物扩散的CFD 研究，建议采用理查森数和莫宁-奥布霍夫长度等热稳定参数作为大气稳定度的判定依据。

1.2 不同稳定度的烟羽特征

大气稳定度影响烟羽在大气中的垂直运动，使其在不同大气稳定度下呈现出不同的烟羽特征。在三种典型的稳定度条件下烟羽特征呈现波浪型，锥型和扇型，图1 展示了三种典型大气稳定度下的烟羽特征。不稳定条件促进了大气垂直方向的运动，有利于大气湍流的产生和发展，从而导致烟羽的扩散能力增强，呈现出循环现象。中性条件下湍流不受大气稳定性的促进或抑制，烟羽流在垂直方向具有均匀分布的特点，烟羽形状类似于圆锥体。在稳定条件下大气在垂直方向的运动被抑制，这种稳定度下，烟羽可被输送到很远的距离[9]。除了这三种典型的大气稳定度，也可能出现大气边界层的上部和下部呈现不同稳定度的情况，使烟羽表现出更加复杂的扩散行为。

图1 典型大气稳定度下的烟羽特征

1.3 不同扩散尺度的数值方法

大气污染物从不同的来源进入大气，在很大范围的空间尺度上进行扩散。Blocken[10]等人指出在污染物扩散模拟研究中，空间尺度可以分为全球或大尺度扩散（L＜6500 km）、中尺度扩散（L＜200 km）和微尺度扩散（L＜2 km），并总结了不同尺度适用的模型。图2 为不同研究尺度和适用模型的示意图[10]。对于中尺度和大尺度的模拟研究，由于计算能力、基础数据的限制以及影响因素的不确定性，通常基于分辨率较低的天气预报模型和中尺度气象模型进行。而在微尺度模拟研究中，一般采用具有高分辨率的CFD 方法[11-13]。Leelossy[13]等人指出微尺度的扩散模拟需要求解详细的流场和浓度场，所以有时微尺度研究所需的计算能力甚至高于中尺度和大尺度研究，这也限制了CFD 适用的空间尺度。幸运的是，随着计算能力的提升，CFD方法已成功用于更大的空间尺度[14-15]。另外，为了提高微尺度模拟中边界条件的准确性，部分学者开展了多尺度的模拟研究，并获得了更接近真实情况的模拟结果[16]。

图2 不同研究尺度和适用模型示意图

目前，针对不同尺度的污染物扩散，学者们已经提出了相对完善的研究方法。但仍存在一些问题，如：计算能力对模型分辨率的限制、不同尺度之间的耦合、边界条件的准确性和湍流模型的设置问题等。

2 不同大气稳定度下污染物的扩散研究

为准确认识污染物的扩散过程，研究人员已经利用CFD 技术进行了大量研究[17-19]，但这些研究很少考虑大气稳定度对污染物扩散影响。事实上，污染物的扩散区域包括近场和远场，近场区域的机械混合降低了稳定分层效应。为了保证研究结果的真实性，研究中应该考虑大气稳定度的影响[20]。对于远场以及过渡区域而言，建筑物对扩散场的影响减小，大气稳定性的影响就变得更加重要[21]。

2.1 污染物在中性稳定度下扩散

合理简化研究对象和条件不但可以有效地降低研究成本，而且能够直观的了解主要因素对研究结果的影响，提高研究的效率。因此，大部分学者首先进行了污染物在中性条件下扩散的CFD 研究，分别以孤立建筑模型[22]，建筑阵列[23]和街谷模型[24-26]作为研究对象。这类简化模型保留了真实情况下污染物扩散的主要特征，能够正确描述污染物扩散的一般规律。此外，研究人员也对真实模型中的污染物扩散开展了研究。Gousseau 等人[27]利用CFD 研究了中性条件下蒙特利尔市区某建筑群周围的污染物扩散，并通过风洞实验验证了模拟结果的准确性。董龙翔等人[28]利用FLUENT 分析了中性条件下入流的边界条件对榆林地区地面污染源扩散的影响，并将模拟结果与现场实验进行对比分析。Lee 等人[29]基于非标准k-ε模型预测了中性条件下某大楼烟囱排放的污染物扩散情况，并利用示踪气体实验对研究所用的湍流模型进行了验证。

随着社会工业化进程的加快，污染物扩散的CFD研究不再局限于城市区域，工业区域的污染也成为了当前研究的重点。秦超等人[30]利用CFD 方法模拟了中性大气层结条件下核电厂的烟羽分布，并将CFD 模拟结果与经典理论结果相对比，验证了CFD 方法在工业研究中的有效性。在此基础上，部分学者开展了工业区域的污染物扩散研究。Toja-Silva 等人[31-32]利用OpenFOAM 研究了慕尼黑城市上空的CO2扩散后，进一步对比分析了通用建筑模型与真实城市的模拟结果。Wu 等人[33]基于CFD 方法预测污染物扩散，为工业厂区制定应急方案提供了一定的指导。这些研究证明了CFD 技术在大气污染物扩散研究的可靠性，为CFD 在大气污染物研究中的应用提供了更多的研究思路。

需要注意的是，中性稳定度下的研究忽略了温度的影响，这种简化可以较好地重现中性稳定度下污染物的扩散规律，帮助人们更好地开展中性稳定度下污染物扩散的CFD 研究。在采用位温作为研究温度时，温度层结与大气稳定度之间存在直接的对应关系。此时，中性条件即为等温层结。

2.2 污染物在非中性稳定度下扩散

真实的大气环境并非只有中性稳定度，而是在中性与非中性稳定度之间不断转化，其中，非中性稳定度包括了稳定和不稳定两类。稳定条件抑制了大气在垂直方向的运动，从而降低了流动中的湍流扩散，污染物受平流影响可传播至较远的区域。在不稳定条件下，由于湍流扩散增强，污染物在近场的影响范围增大，但长距离传播能力明显减弱，以往的研究也说明了这一现象[34-35]。

目前，引起非中性大气稳定度的原因主要分为两类：①地面和建筑表面热量（局地热层结）；②入口流场的热分层（总体热层结）[36]。局地热层结对稳定度的影响远小于总体热层结，所以在局地热层结研究中，研究人员通常假设入流边界条件的温度恒定。而在进行总体热层结研究时，则无需考虑局地热层结对稳定度的影响。图3 列举了局地热层结和总体热层结的示意图。

图3 局地热层结和总体热层结的示意图

2.2.1 局地热层结对污染物扩散的影响

局地热层结对污染物扩散的影响主要集中在模型范围较小的研究中，重点研究了不同的配置对污染物扩散造成的影响。对街谷模型而言，如果对迎风面进行加热，则迎风面附近的墙角处会出现二次再循环现象，导致污染物被困在地面附近，从而增加污染物浓度[37]。为了进一步明确局地热层结对污染物扩散的影响，人们对研究模型的不同配置进行了研究。

Mei 等人[38]和Madalozzo 等人[39]针对多种街道配置与多种壁面加热配置，研究了不同热分层对街谷内流场和污染物扩散的影响。Tan 等人[40]采用不均匀街道加热的配置研究了地表温度日变化对街道峡谷流场和污染物扩散的影响，结果与均匀街道加热相比有显著改善。Boppana 等人[41]和Shen 等人[20]以建筑阵列为研究对象，分析了加热的地面对流动和污染物扩散的影响。此外，Shen 还指出机械混合降低了稳定度对污染物扩散的影响，但仍然能够观察到稳定条件导致了污染物的混合能力降低。Reiminger 等人[42]利用OpenFOAM 研究了风速与大气稳定度共同作用下隔音障的污染物除去率（CRR），发现稳定条件下的CRR最大。结果表明对道路而言，稳定条件减少了道路上的污染积累。此类热层结现象广泛存在于人们的日常生活中，如：小区，道路，学校等。因此，在研究中考虑局地热层结，可帮助设计者进行更好的城市规划[43]，减少污染物的危害。

上述研究表明，在局地热层结研究中，不同的加热配置所导致的污染物扩散现象存在明显差异，在之后的局地热层结研究中需要考虑更多的加热配置，如：建筑侧面加热，表面热量随时间的变化，不同下垫片类型等。

2.2.2 总体热层结对污染物扩散的影响

正如Xie[44]所述，在研究入口流场热层结对污染物扩散的影响时，局地热分层的影响通常会显得不太重要。一般在入流边界上添加不同的温度廓线，地面以及建筑表面则一般设置为绝热条件。总体热层结的现有研究中，入流边界温度廓线的确定方法主要有三类：①莫宁-奥布霍夫相似理论。②拟合真实的测量数据。③恒定的垂直温度梯度。Guo 等人[45]基于莫宁奥布霍夫相似理论，研究了不同的大气稳定度对单个立方体建筑屋顶污染物扩散的影响。结果表明，稳定条件抑制了气流的垂直运动，增加了水平传播，导致接近地表的污染物浓度水平高于不稳定和中性条件下的浓度水平。Guo 等人[46]进一步以建筑阵列为研究对象进行研究，并获得了一致的结果。图4 展示了不同稳定度下污染物的浓度分布。另外，Xie 等人[44]还基于DAPPLE 项目中拟合的入流温度廓线，研究了入口流场的热分层对湍流和污染物扩散的影响。

图4 不同大气稳定度下污染物的浓度分布（y/H=0）

与中性条件相同，非中性条件下街道和工业厂区的污染物扩散同样受到了学者们的广泛关注。Steffens等人[47]和Gong 等人[48]对不同稳定度条件下隔音障对污染物扩散的影响，采用CFD 方法模拟了不同来流稳定度下隔音障周围的污染物扩散情况，并进行了实验验证。另外，Chang 等人[49]和Guo 等人[50]利用CFD 方法模拟了不同稳定度对山丘周围的流场与污染物扩散的影响。表明了不同大气稳定度下复杂地形周围的气流和污染物扩散的研究是不可或缺的。对于工业区域的污染物扩散研究，研究人员多采用恒定的垂直温度梯度来确定入流的温度廓线[34，40-44]。Wee 等人[34]和Velamati 等人[51]利用CFD 分别研究了不同大气温度梯度对单烟道和多烟囱羽流扩散的影响。Kozic 等人[52]利用FLUENT 模拟了不同大气稳定度条件下Kostolac B 发电厂的烟囱污染物扩散情况，研究中出现扇形，熏蒸形和环形三种典型烟羽形状。最近，Issakhov 等人[53]以火电厂为研究对象，模拟了三种不同的温度梯度下污染物的扩散。由于稳定的大气稳定度在工业风险评估中经常产生最大的危险距离，所以对工业区域的研究一般更关注稳定条件的大气边界层[54]。

综上所述，不同大气稳定度下污染物扩散的研究已经涉及了孤立建筑、街谷模型、建筑阵列、山丘、公路和真实城市模型等众多模型（如图5 所示），但还未发现针对核电厂放射性流出物的相关研究。另外，同时考虑局部热层结和总体热层结的污染物扩散研究相对较少，之后可对此展开更深入的研究。

图5 不同研究模型的示意图

3 总结与展望

不同稳定度下污染物扩散的CFD 研究主要包括中性和非中性稳定度，非中性稳定度下的研究又分为局地和总体热层结对污染物扩散的影响两类。目前一般仅针对其中一类影响进行研究，后续研究中还需要重点关注两者对污染物扩散的共同影响。另外，需要注意，CFD 的研究结果要与可靠的实验数据同时使用，以保证研究结果的准确性。

目前不同大气稳定度下污染物扩散的CFD 研究中需要关注的一些问题有：

1）开展不同大气稳定度下污染物扩散的实验研究，通过现场实验和物理实验获得不同稳定度下污染物扩散的真实数据，为CFD 研究提供可靠验证数据。

2）完善多尺度污染物扩散研究中存在的不足，包括计算能力与分辨率的限制、多尺度的耦合和微尺度湍流模型的适用性等。

3）研究适用于非中性条件的相关参数设置，如：加热配置、速度廓线、温度廓线、施密特数等，使CFD研究结果能够更好的反映真实规律。

4）以真实模型为研究对象进行相关研究，对比分析通用模型与真实模型之间的差异，探究更加合理的模型简化方法。