發(fā)布時(shí)間：2021-02-26所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：利用數(shù)值模擬方法研究了不同的上游阻擋建筑布局下,行列式和錯(cuò)列式街谷內(nèi)氣流速度和污染物濃度場(chǎng)特征.結(jié)果指出,阻擋建筑的存在改變了街谷內(nèi)的二次流,從而對(duì)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)均有明顯影響.在行列式街谷中,無論上游建筑以何種布局存在,都會(huì)減小街谷內(nèi)污染物濃
摘要：利用數(shù)值模擬方法研究了不同的上游阻擋建筑布局下,行列式和錯(cuò)列式街谷內(nèi)氣流速度和污染物濃度場(chǎng)特征.結(jié)果指出,阻擋建筑的存在改變了街谷內(nèi)的二次流,從而對(duì)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)均有明顯影響.在行列式街谷中,無論上游建筑以何種布局存在,都會(huì)減小街谷內(nèi)污染物濃度.若不考慮上游建筑的存在,將會(huì)過高估計(jì)行列式街谷內(nèi)污染程度;在錯(cuò)列式街谷中,與街谷建筑并列的上游阻擋建筑會(huì)減小街谷內(nèi)污染物濃度,而與街谷建筑錯(cuò)列布置的阻擋建筑會(huì)增大街谷內(nèi)污染物濃度;數(shù)值模擬結(jié)果還表明,街谷內(nèi)污染物的擴(kuò)散和清除效果受氣流速度和渦流特性的共同作用.
關(guān)鍵詞：上游建筑;行列式街谷;錯(cuò)列式街谷;平均風(fēng)速;污染物濃度
隨著建筑密度的增加和道路交通污染狀況的加劇,我國城市大氣環(huán)境問題已日益突出.作為建筑群與街道共同構(gòu)成的城市區(qū)域微環(huán)境單元,街谷(streetcanyon)內(nèi)的空氣質(zhì)量是城市大氣環(huán)境的重要組成部分,而影響街谷內(nèi)氣流和污染物分布的因素除了氣象條件和污染源特性外,建筑布局顯然是重要因素之一[1-6].由于街谷是微環(huán)境的基本結(jié)構(gòu),因此,過去30年來,許多人對(duì)街谷空氣微環(huán)境的不同特征進(jìn)行了研究[4-5,7].根據(jù)Xie等[8]的數(shù)值模擬結(jié)果,街谷布局對(duì)街谷內(nèi)風(fēng)場(chǎng)有直接作用,污染物擴(kuò)散主要受街谷內(nèi)渦流結(jié)構(gòu)的影響.Gu等[3]的研究表明,非均勻建筑布局更有利于微環(huán)境中的污染物擴(kuò)散.汪立敏等[9]的結(jié)果指出,非孤立型街谷中污染物濃度遠(yuǎn)高于孤立街谷中的污染物濃度.趙寶芹等[10]的研究表明,隨著建筑物高度的增加,污染物難以擴(kuò)散,從而使峽谷近地面處的污染物濃度增大.何澤能等[11]的結(jié)果顯示出,前低后高型的峽谷形式對(duì)峽谷內(nèi)部污染物的遷移和擴(kuò)散更加有效,而Yassin[6]則認(rèn)為合適的建筑物頂部形狀對(duì)街道峽谷內(nèi)的污染物擴(kuò)散更為有利.
必須指出,大部分已有研究均未考慮街谷上游的阻擋建筑(以下簡稱“阻擋建筑”)對(duì)街谷內(nèi)部氣流的影響.這些研究將阻擋建筑對(duì)近地面風(fēng)速的影響通過風(fēng)速廓線函數(shù)中的粗糙度參數(shù)體現(xiàn)出來,雖然這種設(shè)定可以很好體現(xiàn)城市下墊面對(duì)氣流的平均影響效果,但卻使阻擋建筑對(duì)街谷內(nèi)部渦流分布的影響因此被忽略.DePaul等[12],Murena等[13]及Ghenu等[14]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究指出,障礙物之間或城市冠層下的再循環(huán)渦流對(duì)近地區(qū)域污染物的擴(kuò)散和清除十分重要.為此,有必要研究和分析上游阻擋建筑對(duì)街谷內(nèi)流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的影響.
若以街谷形式為準(zhǔn)來劃分,則建筑群平面布局可簡單歸為行列式、錯(cuò)列式及兩者結(jié)合的混合模式等[1].本文將針對(duì)兩種典型建筑布局下的街谷結(jié)構(gòu),利用數(shù)值流體力學(xué)方法,研究存在上游阻擋建筑物時(shí),街谷內(nèi)部流場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)基本特征,并與忽略阻擋建筑影響的情形做對(duì)比和分析,為更加合理地預(yù)測(cè)街谷內(nèi)空氣質(zhì)量提供必要的信息和參考依據(jù).
1計(jì)算模型與方法
1.1建筑模型與計(jì)算方法
圖1給出了6種建筑布局平面構(gòu)成的街谷,及隨后分析中涉及到的部分幾何參數(shù)(圖中A-A為垂直方向剖面,位于建筑物1/4長度處).其中布局1和布局4是已有研究中常見的孤立街谷形式,即不存在上游阻擋建筑;二者的不同之處是,布局1為行列式街谷,布局4則為錯(cuò)列式街谷.其余4種布局則分別為布局1和布局4的變化型式,即街谷上游存在阻擋建筑.
相關(guān)期刊推薦：《中國環(huán)境科學(xué)》是中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)主辦的國內(nèi)外公開發(fā)行的綜合性學(xué)術(shù)期刊，主要報(bào)道中國重大環(huán)境問題的最新研究成果，包括環(huán)境物理、環(huán)境化學(xué)、環(huán)境生態(tài)、環(huán)境地學(xué)、環(huán)境醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程、環(huán)境法、環(huán)境管理、環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)與分析。兼顧基礎(chǔ)理論研究與實(shí)用性成果，重點(diǎn)報(bào)道國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目、國家重大科技攻關(guān)項(xiàng)目以及各省部委的重點(diǎn)項(xiàng)目的新成果。
實(shí)際中,街谷兩側(cè)建筑物高度越大,街谷內(nèi)氣流形態(tài)受兩側(cè)建筑的約束和影響亦越強(qiáng),上游阻擋建筑對(duì)街谷流場(chǎng)的干擾和影響越小.因此,為獲得一般性結(jié)果,本文以常見的多層建筑為研究對(duì)象,通過數(shù)值模擬來分析街谷兩側(cè)建筑高度相等且為15m的情況.為簡明起見,圖1中,設(shè)所有建筑物長均為65m(L),寬15m(B),高15m(H),阻擋建筑與街谷迎風(fēng)建筑的間距和街寬均為30m(W),街谷同側(cè)相鄰建筑間距亦為30m(R),臨街建筑物在沿街谷軸線方向呈周期性排列.
風(fēng)向?qū)止葍?nèi)流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的影響很大,其中風(fēng)垂直吹向街谷時(shí),街谷內(nèi)氣流受兩側(cè)建筑物的約束作用最強(qiáng),也是污染物擴(kuò)散最不利的情況.因此,本文主要考慮垂直風(fēng)向的情形.設(shè)來流風(fēng)向垂直于街谷軸線.此時(shí),所形成的街谷流場(chǎng)也呈周期性空間分布.因此,對(duì)圖中各布局均采用鏡像法設(shè)置對(duì)稱面,僅計(jì)算街谷涂灰部分的區(qū)域.本文重點(diǎn)考察建筑布局對(duì)氣流和污染物擴(kuò)散的作用,故不考慮太陽輻射導(dǎo)致的熱效應(yīng)可能產(chǎn)生的附加影響.
數(shù)值模擬采用FLUENT-6.3.26為基本程序?qū)η蠼鈪^(qū)域內(nèi)的氣流速度和污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行三維模擬.為盡量消除區(qū)域有限導(dǎo)致的端部效應(yīng),模擬時(shí)做如下處理[15-16],迎風(fēng)的首排建筑距求解區(qū)域上游邊界為12H,末排建筑距區(qū)域下游出口17H,建筑頂部距上方自由邊界面5H.由于為三維模擬,為節(jié)約計(jì)算成本并保證結(jié)果的可靠性,根據(jù)已有研究的分析[17],湍流模型取標(biāo)準(zhǔn)k−ε模型,有限容積法離散控制方程.為保證計(jì)算精度,控制方程的離散用二階迎風(fēng)格式,污染物擴(kuò)散方程則用QUICK格式.
數(shù)值區(qū)域離散后,布局1和4的總網(wǎng)格數(shù)約為1.3×106,其余4種布局的網(wǎng)格數(shù)約為3.2×106.關(guān)于流動(dòng)和污染物輸送控制方程的描述、網(wǎng)格可靠性與穩(wěn)定性分析方法及其他數(shù)值模擬參數(shù)選擇的細(xì)節(jié)可參閱文獻(xiàn)[18].
模擬時(shí)將計(jì)算域入口條件設(shè)為速度入口(Velocityinlet),通過用戶自定義函數(shù)(UDF)描述速度廓線.出口處視為充分發(fā)展湍流,故將邊界條件設(shè)為自由出流(Outflow),由于模擬的建筑呈對(duì)稱分布,故設(shè)置對(duì)稱邊界條件(Symmetry).對(duì)于建筑物壁面和計(jì)算域地面,釆用無滑移邊界,而對(duì)于計(jì)算域的頂面和側(cè)面采用滑移邊界條件.
2模擬結(jié)果與分析
2.1上游建筑對(duì)街谷內(nèi)典型位置流動(dòng)和濃度分布的影響
2.1.1行列式街谷數(shù)值模擬分別對(duì)圖1給出的6種布局進(jìn)行.為獲得簡單明了的圖像,圖3僅以布局1至3的A-A剖面(y=16.3m)為例,給出了街谷缺口中心處豎向平面內(nèi)的流動(dòng)和濃度分布.為考慮污染物對(duì)街道中人員的影響,圖4給出了布局1至3在呼吸面高度(z=1.5m)處的流場(chǎng)和濃度分布情況.
自圖3可見,街谷外的上游阻擋建筑對(duì)街谷內(nèi)的氣流和污染物分布影響明顯.當(dāng)存在阻擋建筑物時(shí),如圖3(b)和(c),街谷內(nèi)氣流流動(dòng)與圖3(a)給出的孤立街谷內(nèi)的情況不同.上游阻擋建筑物的存在將對(duì)街谷內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生影響,布局2中,阻擋建筑削弱了街谷上風(fēng)建筑在屋頂處的分離效應(yīng),雖然對(duì)谷內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)起到了減弱作用,但卻將渦流限制在了街谷內(nèi),導(dǎo)致污染物不易自高度方向擴(kuò)散出街谷;類似地,布局3使污染物在上風(fēng)建筑背風(fēng)面進(jìn)一步聚集.布局2和3均減少了街谷下風(fēng)建筑尾流區(qū)的渦流強(qiáng)度和范圍.結(jié)果,圖3(a)所示的孤立街谷中的污染物分布因阻擋建筑的作用而發(fā)生改變.同時(shí),如圖3(b)和3(c),在上游阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑之間會(huì)首先出現(xiàn)一個(gè)較強(qiáng)的回流渦旋(以下稱“前導(dǎo)渦”).
但布局2和布局3對(duì)街谷內(nèi)流動(dòng)和污染物分布的影響亦不同.圖4從水平方向氣流和污染物分布情況說明了這些區(qū)別.分別對(duì)照?qǐng)D3(a)和3(c)及圖4(a)和4(c),可發(fā)現(xiàn)阻擋建筑錯(cuò)列布置時(shí)(即布局3),前導(dǎo)渦出現(xiàn)在阻擋建筑的側(cè)墻,街谷上風(fēng)建筑側(cè)墻處也多出一個(gè)小的渦旋,其結(jié)果是將污染物進(jìn)一步限制在上風(fēng)建筑的背風(fēng)區(qū).布局2則不同,因阻擋建筑與街谷建筑平行布置,街谷內(nèi)二次流水平位置雖然移向缺口一側(cè),但仍被限制在街谷內(nèi),比較圖4(a)和(b)可知,平行布置的阻擋建筑減弱了上風(fēng)建筑側(cè)墻處的流動(dòng)分離效應(yīng),污染物反倒被推向街谷內(nèi)部.這是導(dǎo)致布局2和3在街谷內(nèi)污染物濃度分布不同的主要原因.
上述結(jié)果說明,上游阻擋建筑對(duì)街谷內(nèi)速度和污染物濃度場(chǎng)的影響不可忽略.圖5給出了布局1至3街谷內(nèi)典型位置處氣流速度沿高度分布的數(shù)值結(jié)果.其中“建筑中心”位置和“街谷缺口”以圖4(c)為例,分別用“P1”和“P2”標(biāo)出.
從圖5的結(jié)果可以看到,對(duì)于靠近缺口的街谷區(qū)域,阻擋建筑的存在增大了近地面處的氣流速度,減小了上空的風(fēng)速;在街谷建筑中心位置,布局2則與布局1的風(fēng)速廓線很接近,而布局3明顯減小了街谷建筑中心位置處的氣流速度.
為進(jìn)一步分析不同布局對(duì)污染物擴(kuò)散的影響,圖6給出了布局1至3街谷不同位置處污染物濃度沿高度方向分布的數(shù)值結(jié)果.
從圖6中可知,存在阻擋建筑時(shí),街谷建筑中心位置的濃度均大于布局1給出的孤立街谷的情形;但在街谷缺口位置,布局3的濃度低于布局1,而布局2與布局1的濃度接近,在貼近地面位置的濃度較高,并且街谷上部空間布局2濃度較布局1高.這些特點(diǎn)與圖2和3給出的整體圖譜一致.
為考察氣流湍流強(qiáng)度分布對(duì)污染物擴(kuò)散的影響,圖7給出了A-A剖面上的湍流強(qiáng)度分布的比較.可以看到,3種布局下,屋頂高度及以上掠流區(qū)域內(nèi)湍流度分布存在較明顯差異,但街谷內(nèi)部湍流分布非常相似.
2.1.2錯(cuò)列式街谷數(shù)值結(jié)果表明,錯(cuò)列式與平行式街谷布局內(nèi)的流動(dòng)和污染物分布具有不同的特點(diǎn).圖8給出了上游阻擋建筑排列方式不同時(shí),錯(cuò)列式街谷(即圖1中布局4至6)中呼吸高度平面的流動(dòng)和污染物濃度分布圖譜.
從圖8可以看出,雖同為錯(cuò)列式街谷,但布局4至6中的流動(dòng)特征有差別.布局4在上風(fēng)和下風(fēng)建筑的側(cè)墻處各有一個(gè)氣流漩渦;布局5中,上風(fēng)建筑的氣流漩渦中心位置在建筑背風(fēng)區(qū),下風(fēng)建筑側(cè)面渦旋增強(qiáng);而布局6中則出現(xiàn)了3個(gè)強(qiáng)度不同的局部渦旋.
圖8給出的污染物濃度分布表明,阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑平行布置時(shí),即圖8(b),上風(fēng)建筑附近的繞流將污染物向街谷內(nèi)推移;圖8(c)給出的完全錯(cuò)列式布局中,下風(fēng)建筑附近的氣流速度要比布局4和5中的低.于是缺口位置的濃度要比街谷中心位置的低,由于布局6中上風(fēng)建筑物擋在了街谷缺口的中心,減少了進(jìn)入街谷的氣流,如圖8(c),故在下風(fēng)建筑的迎風(fēng)和上風(fēng)建筑的背風(fēng)區(qū)都將出現(xiàn)污染物聚集現(xiàn)象.
2.2阻擋建筑對(duì)街谷空間風(fēng)速和濃度影響的統(tǒng)計(jì)分析
為得到阻擋建筑對(duì)街谷內(nèi)氣流和濃度分布影響的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,根據(jù)數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù),在圖9所示的兩種街谷布局的迎風(fēng)區(qū)、中心區(qū)和背風(fēng)區(qū)圍成的高度分別為15m和2m的空間內(nèi)均勻取值,取值點(diǎn)總數(shù)分別為3696點(diǎn)和693點(diǎn).
2.2.1街谷內(nèi)整體統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析圖10和圖11分別給出了平行式街谷(布局1至3)和錯(cuò)列式街谷(布局4至6)下,數(shù)值模擬得到的街谷整個(gè)高度上不同區(qū)域內(nèi)的氣流速度VZ、湍流強(qiáng)度I和無量綱濃度C*的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果.
由圖10(a)可以看出,對(duì)于行列式街谷,布局1至3均為迎風(fēng)區(qū)氣流平均速度最大,中心區(qū)其次,背風(fēng)區(qū)最小.存在并列式阻擋建筑(即布局2)時(shí),增大了背風(fēng)區(qū)和中心區(qū)的平均風(fēng)速,但對(duì)迎風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速幾乎無影響;存在錯(cuò)列式阻擋建筑(即布局3)時(shí),則減小了背風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速,增大了中心區(qū)平均風(fēng)速,迎風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速幾乎不變.圖10(b)是不同區(qū)域內(nèi)湍流強(qiáng)度數(shù)值結(jié)果的統(tǒng)計(jì)平均.可以看到,3種布局下中心區(qū)和迎風(fēng)區(qū)的湍流強(qiáng)度均增加約20%,背風(fēng)區(qū)湍流強(qiáng)均增大約10%.圖10(c)是不同區(qū)域內(nèi)污染物濃度的數(shù)值結(jié)果統(tǒng)計(jì)平均.顯見,兩種阻擋建筑布置都減小了街谷內(nèi)的污染物平均濃度,只是各區(qū)域減小程度不同而已.
圖11(a)說明,與行列式街谷一樣,錯(cuò)列式街谷的3種布局都是在街谷迎風(fēng)區(qū)流速最大,中心區(qū)其次,背風(fēng)區(qū)最小.此外,還可以看到,布局5街谷內(nèi)的氣流速度并沒有因上游多出一個(gè)并列的阻擋建筑物而變小,其氣流速度大小與布局4(錯(cuò)列式孤立街谷)中的幾乎沒有明顯差別.當(dāng)錯(cuò)列式街谷上游布置一個(gè)錯(cuò)列的阻擋建筑(即布局6)時(shí),其內(nèi)部流速將明顯下降.圖11(b)表明,布局4、5、6下中心區(qū)和迎風(fēng)區(qū)的湍流強(qiáng)度均增加約25%,背風(fēng)區(qū)湍流強(qiáng)均增大約15%.從圖11(c)來看,與行列式街谷不同,阻擋建筑對(duì)錯(cuò)列式街谷內(nèi)污染物濃度的整體分布特征影響明顯.阻擋建筑對(duì)街谷內(nèi)各區(qū)域污染物分布的影響在布局5中均表現(xiàn)為濃度明顯降低,而在布局6中則為濃度升高.此外,對(duì)比圖11和圖10可知,同樣的上游阻擋建筑下,布局4至6在街谷內(nèi)對(duì)應(yīng)區(qū)域的濃度顯著低于布局1至3.
2.2.2街谷內(nèi)呼吸區(qū)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析考慮到街谷內(nèi)2m以下區(qū)域?yàn)槿藛T活動(dòng)區(qū),圖12(a)和圖12(b)分別給出了布局1至3和布局4至6時(shí),根據(jù)數(shù)值模擬得到的街谷2m以下區(qū)域內(nèi)的無量綱濃度統(tǒng)計(jì)平均情況.
從圖12來看,人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的局部污染物濃度分布與街谷整體平均情況不同.在行列式街谷中,如圖12(a),背風(fēng)區(qū)呼吸高度以下空間的污染物濃度比同一區(qū)域整體平均濃度高出35%以上,相應(yīng)的中心區(qū)高出約50%,但迎風(fēng)區(qū)則略有降低;圖12(b)則指出,錯(cuò)列式街谷中,中心區(qū)域呼吸高度以下空間濃度顯著高于整體平均濃度,三種布局下平均高出150%,而其他兩個(gè)區(qū)域的濃度則基本沒有變化,僅在布局6時(shí),背風(fēng)區(qū)濃度增加約40%.——論文作者：朱強(qiáng),亢燕銘,楊方,鐘珂
