稳定层结条件下建筑物体对流场影响的数值模拟研究

2022-08-11史学峰郭栋鹏李云鹏姚仁太

辐射防护 2022年4期

史学峰，郭栋鹏，李云鹏，姚仁太

(1.中国辐射防护研究院，太原 030006；2.太原科技大学，太原 030024)

污染物通过建筑物顶部通风管或烟囱进入大气环境中可能会对公众健康造成影响，如核设施厂房顶部排放的物质辐射影响、城市区域中工业厂房排放的潜在危害、人们健康物质的潜在健康风险等。影响污染物扩散的因素有很多，包括风速、建筑物形状、烟囱高度、烟囱与建筑物之间的关系和温度层结等。其中，稳定度会影响大气边界层(ABL)的厚度、结构以及边界层内的速度、温度和湍流廓线。特别是稳定层结，其会抑制大气污染物的扩散。建筑物近场污染物的扩散包括污染物与流场的相互作用，并且较高浓度的污染物主要分布在建筑物周围，特别是下风向尾流区范围内[1]。

由于条件限制，大多数的研究成果主要集中于中性条件下大气边界层的模拟技术[2-5]，而关于稳定层结流的研究成果并不多见，目前的研究大多数关注弱稳定条件下的层结流动。Yassin[6]通过风洞实验模拟了不同温度层结条件下对建筑物周围扩散的影响，但只研究了弱稳定条件下建筑物对周围流场与污染物扩散的影响，而对强稳定边界层的湍流结构和输送过程并不清楚。Mavroidis等人[7]通过风洞实验研究了不同形状建筑物对污染物扩散的影响，结果表明：由于现场试验过程中受风向脉动的影响，风洞实验污染物的水平扩散范围略小于现场试验，而中心轴线浓度略大于风洞实验。Ohya等人[8-9]尝试研究强稳定边界层下流场结构及其对边界层的影响，表明稳定层结抑制了湍流的发展，并且在强稳定层结下，整个边界层动量和热通量几乎为零。

近年来，计算流体力学(CFD)技术逐渐应用于模拟建筑物(群)周围流动特性及大气污染物的扩散规律[10-12]。Santos[13]与Olvera等人[14]使用CFD研究了不同温度层结下单个建筑物对污染物扩散的影响,并与实验结果进行对比分析。Sang等人[15]利用CFD研究不同大气稳定度(稳定度分别为A、B、C、D、E、F)对单个立方建筑屋顶排放污染物近场扩散的影响，结果表明，不稳定条件(稳定度为A、B、C时)下建筑物后方的空腔区长度和宽度均减小，稳定条件(稳定度E, F) 建筑物后方的空腔区长度和宽度均增大，使得污染物羽流侧向扩散，稳定条件下近地面污染物浓度高于不稳定和中性条件下的浓度。Farzad等人[16]采用大涡模拟(LES)方法，以建筑物(长宽高之比为1∶1∶2)为研究对象，研究了不同的温度层结条件下(稳定、中性和不稳定)对气流和气体污染物扩散过程的影响。Sessa等人[17]自行开发了一种混合湍流和温度波动产生的方法，并将其嵌入大涡模拟(LES)中研究理查森数(Rib)小于1的不同层结条件(例如Rib=0，0.21，0.50，0.70，1.0)对湍流和扩散的影响，研究结果表明，由于对湍流的抑制，即使是微弱稳定层结也会显著改变污染物扩散。在我国，一些研究人员尝试应用CFD技术模拟不同温度层结下建筑物周围污染物的扩散规律[18-21]。而对强稳定条件下建筑物周围污染物的扩散规律研究尚不多见。

由于低湍流度甚至是间歇性的湍流通常发生在稳定的条件下，因为浮力可以极大地抑制剪切产生的湍流, 因此，与对流边界层相比，湍流涡的尺寸有限、湍流的间歇性以及在稳定边界层中产生的重力波，使得建立稳定边界层的模型更加复杂。本文应用STAR-CD提供的RNGk-ε湍流模型，对稳定层结条件下特别是强稳定层结下建筑物的周围流场进行了模拟，并与风洞实验结果进行验证比对。

1 风洞实验模拟

1.1 大气环境风洞及模型

实验在中国辐射防护研究院大气边界层1号风洞中进行，该风洞为直流下吹式。风洞洞体全长36 m，试验段长17 m，宽1.5 m，高1 m，试验段风速范围为0.2～20.0 m/s。该风洞配有温度层结模拟系统，可控制风洞内部气流温度变化，形成温度梯度，从而实现大气理查森数和大气边界层的模拟。温度层结模拟系统主要由来流温度控制系统、温度车和下均温板三部分组成。来流温度控制系统温度控制范围为4～10 ℃。温度车可分层调节气流温度，温度调节范围为10～85 ℃。

下均温板可进行加热和冷却，温度调节范围是10～90 ℃，用来模拟水陆交界面的流动。通过在实验段入口调节尖劈、粗糙元分布和温度层结模拟系统模拟中性和非中性大气边界层流动。实验中选用模型长、宽、高(H)均为150 mm的立方体建筑物,见图1。

图1 建筑物与测点的位置关系图

1.2 相似准则

根据相似理论，两个流动系统相似必须满足一套确定的相似准则，除要求模型与原型之间实现几何相似外，还要求运动相似、动力相似以及边界条件相似。

表1 不同温度层结下主要参数

1.3 流场测量

实验中，利用热线风速仪X型二维热丝探头与一维冷丝探头进行速度、温度及湍流强度的测量，采样频率1 kHz，采样时长16 s，定量研究温度层结对建筑物近场流动的影响。

2 数值模拟

使用STAR-CD3.26作为计算平台，数值模拟的计算区域与风洞相同(17 m×1.5 m×1.0 m)，模型高度(H)为150 mm的正立方体，网格结构采用六面体网格，计算区域网格总数约为200万，区域内最大网格尺寸为20 mm，建筑物周围网格尺寸为2 mm。计算时入口边界条件风廓线、温度廓线、模型顶部处风速均与风洞实验相同，同时为了研究不同温度层结对流场的影响，CFD模拟过程改变了温度廓线。入口风廓线、温度廓线见图2。出口边界条件采用完全发展的出流边界条件，地面设置一定的摩擦速度(u*)与粗糙度(z0)，顶部与两侧边界设为光滑，建筑物边界采用无滑移壁面。数值模拟湍流动能(k，m2/s2)廓线与湍流耗散(ε,s-1)廓线见公式1、2。不同温度层结下主要参数见表1。采用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked)算法联立求解各离散方程。

图2 不同温度层结下风廓线与温度廓线

(1)

(2)

Φm=1+5z/L,z/L≥0

(3)

Φε=1+4z/L,z/L≥0

(4)

其中,Cμ是经验常数,0.09;Φm、Φε是以z/L为变量的函数。

3 结果分析与比较

主要研究了建筑物尾流区附近温度层结对流动特征的影响，分别在沿建筑物中心线x/H=0.6、1.5、2.5、3.5、5.5、7.5(如图1)不同位置进行流场特征的研究。

3.1 建筑物对流场的影响

3.1.1纵向平均速度分布u/uH

采用k-ε(RNG)湍流模型计算建筑物对其周围流场的影响，不同Rib下风向不同距离处建筑物对周围流场影响的纵向上归一化速度(u/uH)数值模拟与风洞实验结果比较见图3。

图3 不同位置处不同Rib归一化速度(u/uH)随高度的变化

由图3可知，Rib= 0.057，当z/H>1.5时，CFD对归一化风速的模拟结果与风洞实验结果较好吻合；当z/H< 1.5范围内，CFD对归一化风速的模拟结果与风洞实验结果吻合一般，尤其是在当z/H<1范围内，CFD数值模拟结果u/uH为负值，而风洞实验u/uH最小值为0.08，造成这一现象的原因是：一方面风洞实验使用的热线风速仪不能测量纵向上风速的负值，另一方面，与风洞实验结果相比，数值模拟的空腔区范围比较大[22]。当z/H>1.5时，不同距离处的归一化风速变化趋于一致，这是由于在此高度范围内受到建筑物影响减弱，归一化风速恢复来流状态导致的。在建筑物回流区范围内(x/H=0.6)，由于受建筑物机械扰动的影响, 不同Rib对流场影响不明显。x/H=1.5处，Rib= 0.82、1.13时，不同高度处u/uH>0，由于在强稳定条件下，气流运动主要通过浮力驱动，建筑物下风处形成小循环空腔区所致。随着下风距离的增大，温度层结对流场的影响逐渐显现，风速逐渐恢复到来流状态，但是Rib<0.52，风速恢复相对较慢。当x/H>1.5时，u/uH均未出现负值，这是由于此时气流脱离了回流区，不存在反向流动，使得u/uH均为正值。

3.1.2垂向平均速度分布w/uH

不同Rib不同距离处建筑物对周围流场影响的垂向上归一化速度值(w/uH)模拟结果与风洞实验结果比较见图4。由图4可知，当Rib= 0.057时，CFD对垂向上归一化速度的模拟结果与风洞实验结果总体较好吻合，不同位置处整体随高度的变化趋势相似。x/H=0.6处，Rib≤ 0.52时，近地面(z/H<0.5)范围内，由于建筑物机械扰动的影响，w/uH基本没有区别；z/H=1.0处，由于受较强向下气流的影响w/uH出现了峰值。Rib≥ 0.82时，z/H>0.75，由于强稳定条件下，受较强浮力作用的影响，w/uH均显著减小，特别是当Rib=1.13时。随着下风距离的增大，温度层结对流场的影响逐渐显现，Rib≥ 0.82时w/uH变化较快，主要由于强稳定条件下，浮力对流场的恢复起主导作用，抑制了气流垂直运动[23]。总之，在建筑物尾流区范围内，温度层结对流场的影响较为显著。

图4 不同位置处不同Rib归一化速度(w/uH)随高度的变化

3.1.3流场结构分布

不同Rib下建筑物对其周围流场影响的垂直数值模拟结果见图5。

由图5可知，CFD较好地模拟了建筑物附近尾流区和回流区的信息及建筑物顶部回流区位置的变化，随着Rib增大，顶部回流区逐渐向建筑物后端边缘移动。建筑物尾流区长度在Rib= 0.057 时达到最大,由于稳定层结加速了气流的下降，从而减少空腔区长度。当Rib> 0.21时，较强的稳定层结作用极大地抑制了建筑物顶部及其背风面气流的运动，特别是当Rib> 0.33时，温度层结对流场很明显。当Rib< 0.21时，机械湍流对流场结构起主导作用，当Rib≥ 0.33时，流场结构与层流类似，两个机制之间的过渡发生在Rib=0.21附近。总之，较强环境湍流倾向于诱导建筑物顶部的再附着，并且减少建筑物背风面空腔的大小。Zhang等人[23]分别用数值模拟与水槽试验进行了不同温度层结下建筑物对流场的影响，发现随着Rib的增大，建筑物背风面回流区的长度逐渐减小，并且较强的温度层结对湍流动能产生抑制作用，从而随着Rib的增大湍流动能逐渐减弱。本文研究结果与之相同。

图5 建筑物周围垂直流场结构模拟结果

3.2 湍流结构

不同Rib下建筑物对归一化湍流动能(k/uH2)影响的垂直剖面数值模拟结果见图6。

由图6可知，随着Rib增大k/uH2逐渐减小，由于强温度层结抑制尾流区内部湍流的发展。随着Rib从0.057增加到0.33，建筑物周围的k/uH2分布发生了较大的变化。特别是建筑物后方k/uH2较高的空腔区域要小得多，建筑物顶部回流区的k/uH2影响不大。与流场的变化相似，当Rib从0.33增加到1.13，k/uH2也发生了很大的变化，尾流区内k/uH2减小，建筑物顶部的高k/uH2区域，随着回流区的消失而消失，主要原因是强稳定层结增加了浮力驱动，从而抑制了垂直方向湍流结构[23]。总之，结果表明当Rib>0.21时，气流运动主要受浮力控制，浮力会抑制尾流内部的湍流。该结果与zhang等人[23]的研究结果一致。