基于Fluent的不同相位T型交叉口内机动车尾气扩散规律研究

王忠昶，孙剑，陈阳，夏洪春

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028；2.大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622)

机动车尾气是城市大气的主要污染源之一，尾气的扩散严重影响城市居民的身体健康.道路交叉口作为大量机动车的集聚地，机动车处于不同信号周期内，存在怠速、加速、减速等多种行驶状态，将产生大量尾气[1-2]，而道路交叉口旁的建筑物会对尾气扩散起阻碍作用，在道路交叉口附近产生复杂的流场，影响废气的正常扩散.因此研究道路交叉口机动车尾气的扩散规律对于城市交通规划及环境保护的协调发展具有重要意义[3-4].

近年来，已有众多学者对道路交叉口的机动车污染物扩散问题进行了研究，研究方法集中于数值模拟、风洞试验、实地监测[5-7].数值模拟可在不同控制条件下进行多工况的模拟，可实现全流场数据的实时再现，且成本较低[8].田丰[9]利用Fluent软件模拟了理想交叉口同周期内连续两个相位的机动车尾气扩散规律.黄远东等[10]运用CFD软件数值模拟了三种风向下T型交叉口内空气流场与污染物扩散规律，并与风洞试验数据对比.芮丽燕[11]数值模拟了9种不同形态的平面交叉口在不同风向下的空气流动场以及污染物扩散情况，利用通风评价指标分析了不同形态交叉口的通风性能.目前的研究多将车流视为恒定位置排放源，而实际交叉口内车流会根据信号相位的控制而发生位置的改变，导致空气对机动车污染物的扩散规律产生复杂变化.本文研究的交叉口物理模型采用Yassin实施的风洞试验模型，运用Fluent软件模拟两种典型三相位信号配时控制下T型交叉口内机动车的尾气扩散情况，设定不同高度及垂直平面，对污染物扩散趋势和计算域流场流线进行分析，同时借助Yassin的风洞试验结果探究城市道路交叉口内污染物扩散规律.

1 T型交叉口尾气扩散的数值模拟

1.1 数值计算模型确立

本文使用ANSYS DesignModeler软件进行物理建模，以Yassin等[12]在进行风洞试验时所使用的典型T型交叉口为背景，建筑物高度为H(20 m)，整体计算域大小设置为50H×16H×15H(长×宽×高)，计算域示意图见图1.采用ICEM CFD对模型进行网格划分，整体采用四面体网格划分，对靠近污染源的建筑物壁面及地面进行局部加密，有限元网格剖分见图2.

图1 计算域示意图

图2 有限元网格剖分图

1.2 边界条件设定

计算模型采用组分输运方程，应用有限体积法进行离散，设定离散格式为一阶迎风，采用SIMPLE算法，流场设为非定常流动，计算域入口边界条件设置为Velocity-inlet，进口来流速度设定为幂指数型风速设置(式(1))，出口条件为自由出流，按车道位置建立等效线源，设置为Massflow-inlet，以CO为研究污染物，排放源强度按线源等效公式计算，地面及建筑物表面设置为无滑移壁面[13].

(1)

式中：Uy为y方向(垂直方向)处来流风速度，m/s；UH为H高度处自由来流风速度，取值为2.9 m/s；y为距地面高度，m；H为建筑高度，取值为20 m；α为风轮廓指数，取值为0.25.

1.3 湍流模型选取及有效性验证

使用k-ε湍流模型计算域内风流场变化及污染物扩散，Fluent包含三种形式k-ε湍流模型(Realizable、RNG、Standard).为使模拟效果最佳，分别选取三种模型进行模拟，设立同一垂直线下不同高度的监测点，获取CO体积分数，得出无量纲浓度进行模拟数据与风洞试验结果的对比，进而选取合适的湍流模型.对比结果见图3，从图中可知，Realizable模型与风洞试验结果吻合性较好，故使用Realizable模型进行模拟.

图3 风洞试验与数值模拟结果的对比

1.4 模拟方案的建立

本文模拟两种T型交叉口三信号控制周期内的污染物扩散过程，两方案皆为两相位车流通行方式[14](忽略行人过街相位)，其中方案一设置为单口放行，方案二设置为对称放行，相位设计示意图见图4.假设模拟方案背景为城市晚高峰时刻，车辆平均密度设置为0.19 veh/m，通行状态车辆时速为30 km/h，排放因子为61.6 g/(km·veh).忽略电动车辆，视非通行状态车辆为怠速待行状态，其排放因子为647 g/h[15]，通行状态时间均设为60 s.

(a) 相位一(单口放行) (b) 相位二(单口放行) (c) 相位一(对称放行) (d) 相位二(对称放行)图4 各相位示意图

2 尾气扩散数值计算结果分析

为便于对T型交叉口内进行空气流场和机动车尾气扩散规律的分析，设定各街谷名称及监测点，交叉口各区域名称及监测点位置示意图，见图5.

图5 交叉口各区域名称及监测点位置示意图

2.1 风流场流动规律分析

车辆通行状态随相位的改变会对研究区域的风流场造成扰动，继而影响机动车尾气的正常扩散.图6给出了计算域内不同相位下的流场流线分布图，可知:

(a) 相位一(单口放行) (b) 相位二(单口放行) (c) 相位一(对称放行) (d) 相位二(对称放行)图6 不同相位流场流线分布图

(1)在来流风和建筑几何特征条件相同情况下，不同相位的流场变化具有明显的差异，其中T型交叉口内各相位流场差异最为显著;

(2)相位方案一(单口放行)条件下，相位一时，街谷1和街谷2流场涡旋数量基本相同.相位二时，街谷1和街谷2流场产生的涡旋方向呈对称分布，对街谷2的流场扰乱程度较严重;

(3)相位方案二(对称放行)条件下，相位一时，朝向街谷2方向的直行车道产生的扰动与交叉口外部来流共同流动导致街谷2的流场更加复杂，涡旋数量更多，又因在受限空间内来流风会带动街内污染物形成绕流运动.相位二时，交叉口内涡流方向更加紊乱，街谷2尾部流线重叠现象严重，且大部分流线向街谷3方向流动.两相位对街谷2的流场扰乱程度较轻;

(4)各相位中，街谷3内部流线较规则且不产生涡旋，随着流动会在交叉口出口处产生较大范围水平涡旋.

2.2 污染物扩散规律分析

2.2.1 行人呼吸高度截面污染物扩散分布

通过获取污染物在大气中的相对体积分数(假设大气中只含空气和CO)，可探究汽车尾气对周围环境的影响程度，图7给出了各方案不同相位交叉口1.5m高度截面的污染物分布图，由图7可见：

(1)CO集中分布在建筑物背风侧，扩散范围随车道位置的改变而不同，邻近建筑物3一侧受车流尾气影响最为严重;

(2)各相位下在街谷2内不同位置都出现污染断流分布，该处受机动车尾气影响较轻.与街谷1、2相比，街谷3空间相对狭小，污染物扩散范围更广;

(3)1.5 m高度处方案一的污染物浓度整体维持在稳定水平，仅在局部路段出现积聚点，对街谷3影响严重，且污染物整体扩散范围较大，有向交叉口外溢的趋势，方案二在街谷1尾部呈现重污染区.

(a) 相位一(单口放行) (b) 相位二(单口放行) (c) 相位一(对称放行)

图8给出了街谷内各相位不同监测点处的CO相对体积分数，监测点①～⑥为行人过街等待区.由图8可见：

(1)各监测点污染物测量浓度大小为监测点③>监测点①>监测点⑤>监测点②>监测点④>监测点⑥.

(2)监测点①、③、⑤处有大量污染物积聚，位于此处的行人受尾气影响较大，街谷3两侧整体污染物浓度大小与分布跨度明显低于街谷1、2.

(3)在相位一(单口放行)状态下污染物平均浓度较低，说明街谷内污染物稀释状态良好.

图8 各相位不同监测点处的CO相对体积分数

2.2.2 各垂直高度水平截面污染物扩散分布

为分析污染物扩散随垂直高度的变化，截取3个不同高度水平截面(6.6 m、12.2 m、17.8 m)，以探讨其扩散规律随垂直高度的扩散分布变化，见图9.

(1)各相位污染物扩散变化规律相似；随高度升高，污染物主要沿交叉口中心向街谷3扩散，并且在街谷1与2交界处和街谷3出口处更为密集.

(2)街谷1出口端污染物扩散区域和浓度明显增大，有继续向外围蔓延趋势；街谷2内污染物逐步消失殆尽.

(3)建筑物3和4周边区域所受的污染影响最大，建筑3所受影响区域集中分布在两端与建筑中心靠右处，随高度增加，两端位置污染物浓度变低，建筑中心处扩散范围略有增加.

(a) 相位一(单口放行)

3 结论

本文使用Fluent软件对T型交叉口内不同信号控制情况下机动车尾气排放过程进行了模拟，获得了不同工况下的流场流线分布与机动车尾气扩散范围，得出以下结论：

(1)不同相位下，交叉口内流场变化差异显著；方案二条件下，交叉口内流线运动更加复杂；同时，街谷3内部流线较为规则，流线受相位改变扰动程度较轻.

(2)在同一水平高度下，污染范围主要分布于交叉口内建筑物背风侧.浓度基本保持在某一稳定范围，仅在车流交织点和机动车道出现污染物积聚点，建筑物3受车流尾气影响较为严重.监测点①、③、⑤污染物浓度相对较高，该处的行人在过街等待区等待时受污染影响较大.

(3)随垂直高度的上升，污染物主要沿街谷3扩散，在交叉口中心与街谷3形成两个重污染区域.受此影响，建筑物1和3相对位置所受污染危害较大.