特殊城市街谷空气污染物扩散研究

2022-10-12杨世佺金阿芳岳海燕高卫强

机械设计与制造 2022年10期

杨世佺，金阿芳，岳海燕，高卫强

（新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐 830047）

1 引言

随着我国城市化进程加快，越来越多的人口涌入城市，随之而来的是，一座座高层建筑拔地而起，交通工具的大量使用导致城市污染加剧[1]，而高层建筑群形成的建筑几何形态—街谷对空气流通的影响，阻碍了污染物的扩散、稀释[2]。因而，研究街谷内部流场以及污染物分布规律，对城市规划、具有一定参考意义。

文献[3]采用PHOENICS软件，分别采用标准k-e模型及RNG模型以及C-K模型模拟了街谷内污染物扩散分布情况，对照风洞实验结果显示良好。

文献[4]采用FLUENT模拟了街谷内气流运动，对比了2种不同峡谷宽高比，4种建筑物高宽比情况，结果表明，楼层建筑高度不变的情况下，减小建筑物宽度以及增大峡谷宽度有助于峡谷内空气质量提升。

文献[5]利用FLUENT 模拟了由不同形状建筑组成街谷内风和湍流分布，结果显示，建筑物越趋近流线型，街谷内气流扩散效果越好，污染物浓度越低。文献[6]采用大涡模拟（LES）研究了街道峡谷内建筑物不同高宽比时空气交换率（ACH），研究得知，空气交换率同高宽比成反比例关系，即高宽比越小，空气交换率越大。

街谷可分为对称街道峡谷与非对称街谷两大类[7]。上述研究多集中在对称街谷的高宽比，长宽比，以及来流风向角度的不同。而非对称街谷多为研究两侧建筑不等高及特殊形状街谷。这些研究多采用简化的二维模型模拟峡谷内气动运动及污染物扩散，对一些特殊类型街谷内气流及污染物扩散运动是否能做出很好的预测尚未可知。将目光聚焦于带房裙街谷（多见于商业区，房裙为商业用房），如图1所示。

图1 街道峡谷示意图Fig.1 Sketch of Street of Canyon

街谷一侧房裙上部中间分开，形成街谷中含小型街谷的特殊建筑形态。由于CBD范围内人流量大，相应机动车流量随之增大，因而排放的污染物浓度高于其他地区。故研究该类型街谷对于城市规划及行人出行具有一定指导意义。

2 理论与研究方法

数值模拟是以计算机为工具，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程以及物理问题研究的目的。数值模拟技术相较于传统方法（风洞实验、户外实地测量），具有不受场地约束、低成本等优点，随着计算机技术的快速发展，越来越被广泛使用。通过建立不同类型的街谷，数值模拟其内大气污染物扩散及分布规律。其计算要点包括：来流边界条件、出口边界条件、控制守恒方程、收敛条件等。

来流边界条件以风速为控制指标，风速采用随高度变化的拟合曲线，用指数率形式表示为：

式中：u—来流边界控制风速，m/s；U10—基准高度10m处的风速，3m/s；y10—基准高度，m；n—地面粗糙度变化因子，参考GB 50009—2012 取值，取大城市市区地面粗糙度变化因子值为0.30。

设置出口边界条件为无约束的自由出口，假定空气为不可压缩粘性流体，文献[8]研究结果表明，标准k-ε模型模拟城市街谷浓度分布更为准确，故建立标准k-ε两方程湍流模型[9]如下所示：

湍流运输方程可表示成湍流能量运输式（2）和能量耗散运输式（3）[10]：

式中:k—湍流脉动动能，m2/s2；ε—湍流脉动动能耗散率，m2/s3；ρ—空气密度，g/m3。其中右端项分别表示生成项（production term）、耗散项（dissipation term）和壁面项（wall term）。

模式中各常数的值，如表1所示。

表1 k-ε模型各项常数Tab.1 All Constants of the k-ε Model

式（2）和式（3）采用FLUENT 15.0求解，压力与速度耦合采用SIMPLE算法，离散方法为二阶迎风差分。分析FLUENT的收敛条件及适用范围，结果表明，收敛标准为残差小于1.0E-4时，迭代收敛。

3 影响因素

街谷对城市风环境的影响主要受街谷的高宽比，建筑物的高宽比[4]，以及风向角度等因素。这里主要研究房裙高度变化对风环境影响，故采用理想型街谷，即街谷宽度W及建筑高度H比例为1，通过改变房裙高度h1与上部建筑高度h2比例，研究不同比例房裙高度对城市空气流场及污染物扩散的影响。

4 数值建模

4.1 确定物理模型

街谷模型与实体建筑比例为1：2，南北走向街谷长L=40m，街谷宽度W=36m，建筑物高度H=36m，即理想街谷高宽比1：1。在这个前提下，建立四个模型，分别是：常规街谷、街谷房裙与上侧建筑高度比例1：3、1：2、1：1。（即：9：27、12：24、18：18）。

模拟区域道路为双向四车道，通常汽车排气道平均高度0.4m，故将污染源简化为两长方体，尺寸均为40×1.7m2，高0.4m，污染物分子从长方体上侧面射出。

4.2 模拟区域范围

采用FLUENT模拟街谷内流场，计算结果受计算域尺寸、网格密度及流场边界条件等影响[11]，设定计算域，如图2所示。

图2 计算区域与边界条件图Fig.2 Sketch of Simulation Area and Wall Condition

简化模型假定组成街谷的建筑物为长方体，不考虑建筑物局部细微变化，街谷中两侧绿化带以及窗户是否打开等因素。设置计算域入口及两侧对称边界距离建筑物5H，出口距离建筑物为10H，计算域高度为10H，两侧距离边界5H。

进风方向与街谷垂直时内部风速最低，不利于街谷内通风[12]。取海拔10m处风速为3.0m/s。由于CO在大气中比较稳定，故研究对象为CO分子，且其在空气中所占体积比浓度较低，可视为离散相，采用DPM模型进行模拟。污染物源强为3g/s[13]。边界条件的处理：入口边界采用速度入口边界条件，出口采用自由回流，及顶部采用对称边界条件，在建筑物壁面和地面上采用无滑移边界条件。

5 模拟结果分析

5.1 常规街谷同带房裙街谷对比

Z=0截面上有带房裙街谷同传统街谷对比图，如图3所示。由于污染物分子运动主要受风速影响，因而街谷内流场分布很大程度上影响了污染物分子运动轨迹及分布。（为便于观察，对图形进行局部放大处理）

由图3可知：对比流线图，两种街谷均含有顺时针旋涡，区别在于正常街谷旋涡范围大，旋涡内风速小，因而旋涡中心处污染物浓度较高。同时，风速小导致无力将污染物分子吹向远方，这同右侧浓度图正好对应。与之相反，带房裙上部速度并未减小，反倒是因为峡谷效应，加速了气流流动，因而可以明显看到街谷上部污染物被吹向远处，通过右侧浓度分布云图，可以清楚的看到带有房裙的街谷，在迎风侧建筑后侧污染物浓度明显增大，而峡谷内浓度减少，这与流线图推出的影响效果基本吻合。

图3 传统街谷及房裙街谷的流线图、浓度分布云图Fig.3 The Streamline and Concentration Distribution of Traditional and Skirt House Canyon

5.2 不同比例房裙街谷对比

由图3可知，带有房裙街谷相较传统街谷，更有助于污染物扩散。在此基础上，继续深究下去，房裙高度同其上部建筑高度的比例为多少时，对污染物扩散的影响效果最佳，在行人呼吸高度处（通常为1.5m）污染物浓度最低。因而，设置了以下三种情况，在理想街谷中，房裙高度h1与其上部建筑高度h2比分别为1：1，1：2，1：3（18：18，12：24，9：27）。

由图4可见：在人行呼吸高度处，房裙同其上建筑高度比h1：h2为3时，扩散范围最广，街谷内污染物浓度降低，扩散效果明显，等于2时次之，多淤积在峡谷背风侧以及峡谷右侧临近处，并未很好的向远处扩散，比例为1时传播距离最短，污染物几乎滞留在背风侧，扩散效果相对而言最差；污染物多淤积在背风侧及污染源处，街谷出口污染物浓度明显高于中心位置。结合图5流线图来看：随着房裙高度的降低，街谷内形成的顺时针漩涡位置从迎风侧移动至背风侧，房裙上侧建筑的峡谷效应增大风速，因而房裙高度越低，被风吹向远处的污染物分子越多，扩散效果越好，反之，房裙越高，污染物浓度越高，特别是背风侧出口处，可以明显看到象征高浓度的红色区域范围增大。

图4 Y=1.5m截面浓度分布云图Fig.4 Concentration Distribution of Y=1.5m Cross Section

5.3 Y=1.5m平均污染物浓度

由图5可知，在整个Y=1.5m（即人行呼吸高度）处平面上，以街谷比例h1/h2=3扩散效果最好，而要具体得街谷中某一点浓度值大小，并不容易。因而取背风侧-25≤Z≤25m，-16≤X≤-6m范围内，分别计算X、Z轴方向平均值，如图5所示。

图5 Z=0m截面浓度分布云图Fig.5 Concentration Distribution of Z=0m Cross Section

由图6可知：靠近背风侧X轴方向值越小浓度越大，街谷中心浓度值为近背风侧浓度（7～9）倍。由街谷比例为3可知，靠近背风侧（-16～-13）m 区域内浓度同其他两比例街谷几乎相同，从（-12～-9）m范围内浓度明显低于其他两比例，靠近街谷中心处浓度低于比例1：1，略高于比例1：2，明显可以看出街谷比例1：1浓度最高，即污染物滞留最多，扩散效果最差。

图6 沿X轴浓度分布Fig.6 Concentration Distribution Along X Axis

由图7 可见：街谷出口处污染物淤积浓度明显高于中心浓度，这对应了中心峡谷效应增大风速，使得中心处污染物向上方扩散。两侧浓度峰值均出现在Z轴20m处，即街谷出口，该处浓度为中心浓度（3～4）倍，建议行人快速经过。同时，可看出比例3和2的街谷浓度值几乎相等，即商业用房9m同12m高区别不大，而比例1：1时，即商业用房高18m时，浓度明显变大。故建议房裙（3～4）层高最佳，即（9～12）m。