不同街道交叉口形态对污染物扩散规律研究

摘 要：主要研究三种不同交叉口形态（三向交叉口、四向交叉口和环形交叉口）在不同纵横比（1、1.25和1.5）下交叉口的污染分布情况。结果表明，三向交叉口内街道通风效率最差，街道内横纵比增加，街道的通风效率减弱。建筑之间形成的涡流会导致交叉口中心的风场速度增大，道路内风速降低，污染物沉积。

关键词：计算流体力学；OpenFOAM；交叉口形态；纵横比；污染物扩散

中图分类号：X169 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2024）05-00-05

0 引言

经济的持续增长使机动车在城市居民出行中成为主要的交通工具，道路交通成为城市环境中空气污染的主要来源之一。若不采取措施，到2050年空气污染将成为造成最大环境死亡的因素[1]。截止到2022年3月，我国机动车保有量达

4.02亿辆，机动车驾驶人达4.87亿人[2]。城市街道交叉口是组织和管理各类道路交通的控制点，不同的街道交叉口形态会影响污染物的扩散轨迹[3，4]。当下对街道交叉口内污染物扩散的方法主要为：实地观测、风洞模拟和CFD（computational fluid dynamic）数值模拟[5]。

目前，大部分研究者运用风洞实验和CFD数值模拟的方法研究街道交叉口内污染物的扩散情况。风洞模拟具有应用广泛、可信度高但成本昂贵等特点。Daniel等[6]利用风洞实验模拟汽车通行时污染物的排放情况。He等[7]对四种类型的四向交叉口进行模拟，探究不同交叉口角度对行人通风的影响。另一方面，CFD模拟具有使用方便，成本低等特点，可以对同一风洞实验方案进行多次模拟研究，并在验证风洞实验的数据基础上进行模型更改。然而，CFD模拟的精确度易受到网格精密度和计算资源等因素的影响。黄东远等[8]利用CFD模拟三种不同风向下，T型城市街道交叉口内污染物C2H2的扩散情况。秦成君[9]通过实地观测和CFD模拟结合的方法，探究不同风向下高架桥的十字路拐角处主干道和辅路的污染物扩散情况，研究表明拐角处浓度高于其他位置。Lee等[10]利用无人机进行对交叉口周围的空气污染物进行实地监测，并通过WRF-CFD模型进行模拟分析，结果表明早高峰阶段，街道交叉口周围建筑一半高度处于污染，对人体不利。Hassan等[11]对达卡市街道进行建模，运用大涡模拟研究其交叉口处气流和污染物的扩散情况。Kawaminami等[12]对街道内不同建筑高度进行CFD模拟，研究表明高建筑附近的强风速有利于降低该区域浓度。Costanzo等[13]对建筑群中不同的建筑高度比和密度比进行CFD模拟，以研究高污染区域环境中，住宅建筑的通风情况。

综上所述，目前对街道内污染物扩散的研究主要着眼于交叉口的形态、风向和建筑高度中单一因素的影响，或是不同风向与交叉口形态的共同影响，而对于交叉口形态与街道纵横比共同影响下的气体污染物扩散规律研究十分有限。本文在前人研究的基础上，通过OpenFOAM平台自定义求解器CFOAM，探究不同街道交叉口形态与街道纵横比共同影响下的流体动力学特性及气体污染物扩散规律。

1 方法

1.1 数值模型

本文研究等温条件下的不可压缩空气稳态流动，采用标准模型描述湍流效应[15]，标量运输方程用于描述气体污染物的扩散。各方程表述如下：

连续性方程：

（1）

动量方程：

（2）

式中：µ—风速，m/s；p—静压，N/m2；t—时间，s；

ρ—空气密度，kg/m3；ν—层流运动粘度，m2/s；νt—湍流粘度，m2/s。

化学气体的标量运输方程：

（3）

式中：c—污染物气体浓度，kg/m3；Dc—污染物分子扩散系数，m2/s；Sct—湍流施密特数；Sc—化学气体的释放速率。

1.2 模型验证

模型验证的浓度数据来自CODASC风洞实验数据库（http：//www.windforschung.de/CODASC.htm），风洞实验的详细数据可从Gromke[16]等人的文献中获得。该风洞实验以1：150比例尺孤立街道峡谷为研究对象，两栋建筑与街道的纵横比

（H/W）为1，如图1所示。

来流方向为垂直街道正方向，街道中间有四条长120 mm（全尺寸180 m）高5 mm（全尺寸为0.75 m）的电源发射器以10 g/s的总速率恒定释放示踪气体SF6。湍流施密特数Sct为0.3，详细的边界条件及参数设置参考Xu和Jeanjean [19，20]，测得的浓度无量纲化表示为：

（4）

式中：建筑高度Zref=0.12 m，建筑高度处风速uref =4.7 m/s，总释放率Q=0.01 kg/s，释放源长度l=1.2 m。

图2为文献模拟[21]及本文模拟结果。如图所示，本文模拟中迎风面A和背风面B的等高线分布与文献模拟数据存在一些差异，主要原因为本文在网格处理上与文献处理略有不同，并且本文选取的湍流施密特数Sct为0.3，而文献中湍流施密特数Sct为0.5。从模拟结果可以看出，迎风面A的浓度高于背风面B浓度，这是由建筑物与风场相互作用下形成的角旋涡和峡谷中部形成的顺时针旋涡共同影响下形成。

1.3 研究案例描述

街道交叉口与街道格局、交通流量及建筑形态密切相关。本文根据交叉口分支数量，研究了三向交叉口、四向交叉口和环形交叉口三种不同类型的交叉口。使用SpaceClaim进行建模，并使用ICEM进行结构化网格划分，对计算空间部分进行网格加密。案例几何模型的计算域及边界条件如图1所示，几何模型的计算域尺寸为61H（x方向）×70H（y方向）×10H（z方向）（其中H=18 m），

建筑物位于计算域的中部，尺寸为14H（x方向）×14H（y方向）。

交叉口区域位于建筑物所在位置的中间，尺寸为6H（x方向）×6H（y方向）。污染源为连续释放的线源，释放率为风洞实验的两倍，即20 g/s，位于道路中心，宽度为0.34H，高度0.005H，长度1.04H。

大气气流沿x正方向垂直于道路方向经过交叉口街道，根据交叉口四周建筑高度，本文将建筑高度与街道宽度的纵横比设为H/W=1，H/W=1.25和H/W=1.5。建筑壁面设置为无滑移，其他边界条件见图1，论文模拟工况设置如图3所示，分别为三向交叉口A1-A3、四向交叉口B1-B3和环形交叉口C1-C3。

1.4 通风效率指标

纯净流量（PFR）可作为区域内通风效率的重要指标，可用于表示去除街道空气污染物所需的有效通风量，量化污染物去除能力，数值越高，通风性能越好。PFR计算如下：

（5）

（6）

式中：S—污染物释放速率，g/s；Vol—目标区域的体积，m3；c*—区域内的平均归一化浓度，kg/m3。

净逃逸速度（NEV）是用来评估目标的稀释污染物净能力，它独立于目标体积，定义为：

（7）

式中：Ap—目标区域的边界面积之和，m2；Uδ—边界层高度风速，m/s。

2 结果分析

本文探究了不同H/W情况下，街道交叉口形态对街区内风速分布及污染物扩散规律的影响。定义高度1.5 m（即大约为行人呼吸高度处）为研究参考面，截取参考面上的街道通风效率、速度和归一化浓度云图。

2.1 通风效率

为了更准确的研究不同交叉口形态和街道的H/W条件下行人高度的通风效率，本文采用PFR和NEV量化指标进行定量分析，图4为行人高度内的通风效率指标图。整体而言，横纵比增加时，同一形态交叉口街道的通风效率降低。其中，四向交叉口中PFR和NEV变化趋势最为明显达9.9 m3/s和0.58 m/s，远高于其它形态交叉口，H/W为1时四向交叉口内PFR和NEV最大为

18.8 m3/s和0.18 m/s。三向交叉口通风效率的差异不明显，环形交叉口在H/W为2时，街道通风效率首次低于三向交叉口为案例中最小值，PFR和NEV为7.5 m3/s和0.071 m/s。由此可见，三向交叉口内街道通风效率最差，横纵比增加街道内的通风效率减低。

2.2 速度场分析

为了探究不同街道交叉口形态下风速分布与街道的H/W之间的关系，不同交叉口形态街道行人高度风速分布云图如图5所示。从图中可以看出，三向交叉口区域入口风速受到建筑物阻挡导致风速明显低于其它交叉口区域。随着H/W的增大，所有形态下交叉口区域的入口风速均减小。当H/W

为1时，通过观察三向交叉口区域内的速度流线，可以发现街道两侧建筑之间存在明显的漩涡现象，而对比四向交叉口和环形交口区域并未存在明显的漩涡现象，此时三向交叉口区域内风速明显小于其它交叉口；当H/W为1.25时，四向交叉口和环形交叉口区域内漩涡均有增长趋势，而三向交叉口区域内街道两侧的漩涡基本保持不变。不同交叉口区域内的纵向道路间风速总体上呈现增加趋势；当H/W为1.5时，交叉口区域内街道两侧的漩涡现象较前两组数据更显著，区域内的风速增大，不同形态的交叉口区域内风速差异减小。在街道交叉口形态固定的前提下，不同H/W条件交叉口区域内风速分布不一致。其中，环形交叉口区域内风速最大且街道内风速分布均匀，受H/W的影响较小。相比较而言，三向交叉口区域内风速整体较小且主要集中在横向街道内，易受到H/W的影响。初步推断，不同街道交叉口形态区域内污染物分布不同，随着H/W的增加，交叉口区域内风速呈增长趋势，污染物更容易扩散，不易沉积。

2.3 浓度场分析

不同街道污染物归一化浓度分布云图如图6所示。整体而言，污染物主要沉积于释放源四周且靠近迎风侧壁面。在相同污染物释放速率相同的条件下，三向交叉口区域内扩散范围最小，绝大部分污染物沉积于释放源周围。相比之下，四向交叉口和环形交叉口区域污染物扩散更为明显。当H/W为1时，三向交叉口区域内污染物浓度沉积更为集中，四向交叉口和环形交叉口基本一致污染物浓度均呈现向区域外扩散的趋势。当H/W

为1.25时，不同形态交叉口区域污染物浓度分布扩散均呈现减小的趋势，其中，四向交叉口和环形交叉口区域内污染物较H/W为1条件下沉积区域面积增加。当H/W为1.5时，较前两组数据而言污染物沉积区域进一步增大，说明H/W增加有利于防止污染物扩散，该现象与图6所示的交叉口区域内风速减小的变化趋势相符合。

2.4“速度场-浓度场”综合分析

为了更准确的研究不同交叉口形态和街道H/W条件下污染物分布与交叉口区域内风速分布关系，对纵轴方向上的街道设置监测点用于进一步分析。如图7所示为交叉口区域内街道纵轴平均速度和归一化浓度云图。整体而言，纵横比为1时，不同形态交叉口区域内风速分布及归一化浓度分布变化趋势最为明显。此时，三向交叉口区域内风速最小且归一化浓度最高值为175，远高于其他形态交叉口区域。其中，四向交叉口区域内风速最大为3.53 m/s，

对应的污染物浓度分布最小。随着H/W的增加，不同交叉口形态对区域内风速影响减小，不同形态交叉口区域内风速均呈减小趋势。较H/W为1而言，

H/W为1.25时的风速波动均趋于平缓，四向交叉口区域风速仍为最大，污染物浓度最小。总的来说，四向交叉口与三向交叉口风速的差异呈减小趋势。当H/W为1.5时，不同形态交叉口区域内的风速进一步减小。此时，三向交叉口区域内归一化浓度的最大浓度由H/W为1时的175增大为198。由此可见，不同交叉口形态与H/W均影响污染物的扩散，其中交叉口形态影响更为明显。

3 结论

（1）建筑之间形成的顺时针涡流可以有效的抑制污染物的扩散，使得污染物更容易沉积在迎风建筑的壁面。

（2）交叉口街道纵横比相同时，三向交叉口区域内污染物沉积在释放源附近。相较而言，环形交叉口弧形区域内污染物更容易沉积。

（3）三向交叉口内街道通风效率最差，当交叉口形态相同时，街道污染浓度随纵横比的增大而增大。

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CFD Simulation of the Dispersion Patterns of Gas Pollutants Based on Different Street Intersection Configurations and Aspect Ratios

LUO Heng-hua， LIU Xiao-fang

（School of Energy and Environment， Anhui University of Technology， Ma'anshan Anhui 243002，China）

Abstract： The study examined three intersection configurations （three-way， four-way， and roundabout） at three aspect ratios （1， 1.25， and 1.5）. The study indicated that the ventilation efficiency of streets was weakest at three-way intersections and was further reduced by increasing the aspect ratio within the street. Vortices formed between buildings resulted in higher wind velocities in the center of the intersection， lower wind speeds within the roadway， and increased pollutant deposition.

Key words： computational fluid dynamics; OpenFOAM; intersection morphology; aspect ratio; pollutant dispersion

作者简介：罗恒华（1999-），男，硕士研究生，研究方向为城市风环境。