能源研究与信息  2017, Vol. 33 Issue (3): 132-137   PDF    
引用本文
黄远东, 刘泽宇, 许璇 . 建筑物布局对街道交叉口内气流和污染扩散的影响[J]. 能源研究与信息, 2017, 33(3): 132-137.
HUANG Yuandong, LIU Zeyu, XU Xuan . Impact of Building Arrangement on the Airflow and Pollutant Dispersion in a Street Intersection[J]. Energy Research and Information, 2017, 33(3): 132-137.
建筑物布局对街道交叉口内气流和污染扩散的影响
黄远东, 刘泽宇, 许璇     
上海理工大学 环境与建筑学院, 上海 200093
收稿日期：2015-06-05
第一作者：黄远东(1964-), 男, 博士, 教授.研究方向:大气污染控制.E-mail:huangyd@usst.edu.cn
摘要：采用Fluent软件对7种不同建筑物偏移量Δy（Δy=0、1/6W、1/3W、1/2W、2/3W、5/6W和W，其中：W为街道宽度）下的交叉口内气流和污染扩散进行了三维数值模拟.模拟结果表明，建筑物偏移量对交叉口内气流运动和污染扩散具有显著影响.1/6W的偏移量已足以在侧向街道内产生明显的次生流；当偏移量由1/6W增加到1/3W时，侧向街道内的速度场显著增强；而当偏移量分别为1/2W、2/3W、5/6W和W时，侧向街道内的风速已与上风街道内的风速相当.随偏移量的增加，侧向街道和交叉口的空气交换增强而下风街道与交叉口的空气交换减弱.随着偏移量的增加，从上风街道尾端点源扩散到侧向街道内的污染物增加.
关键词：气流     污染扩散     建筑物偏移     街道交叉口     数值模拟    
Impact of Building Arrangement on the Airflow and Pollutant Dispersion in a Street Intersection
HUANG Yuandong, LIU Zeyu, XU Xuan     
School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: 3-D numerical simulation was performed using Fluent software to evaluate the airflow and pollutant dispersion in a street intersection under seven different building offsets of Δy=0, 1/6W, 1/3W, 1/2W, 2/3W, 5/6W and W.The results revealed clearly that the airflow and pollutant dispersion in a street intersection were influenced significantly by the building offset.The offset of 1/6W was sufficient to develop the secondary flow well in the lateral streets.As the offset increased from 1/6W to 1/3W, the velocity fields in the lateral streets were strengthened significantly.In the cases with the offset of 1/2W, 2/3W, 5/6W and W, the wind velocity in the lateral streets was comparable with that in the upwind street.The velocity field in the downwind street became weaker as the offset increased.As the offset increased, the air exchange between the lateral streets and the intersection was strengthened while the air exchange was weakened between the intersection and the downwind street.As the offset increased, more pollutants were transported into the lateral streets from the point source, which situated at the end of the upwind street.
Key words: airflow     pollutant dispersion     building offset     street intersection     numerical simulation    

机动车尾气排放仍然是城市内气态污染物(例如一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物)的主要来源.在城市区域内, 一种典型情况是机动车尾气常排放于街道峡谷内[1], 正因如此, 街道峡谷内气流运动和污染物扩散已成为环境研究中的一个热点[2].现场实测[3-4]、风洞试验[5-6]和计算流体力学(CFD)模拟[7]都已广泛应用于探究峡谷内的气流运动和污染物扩散.在城市区域中, 街道峡谷通过交叉口相连而形成街道路网.由于不利风环境、车流量大且频繁存在着机动车的加速和减速过程, 使得在交叉口内常形成高污染物浓度.在交叉口内风场和污染扩散的分析中, 已有研究主要考虑街道方位、交叉口形状、机动车的加速/减速过程[8]等对气流和污染扩散的影响.Robins等[9]的风洞试验表明, 由两条垂直街道形成的交叉口内的气流特征对侧向建筑物偏移非常敏感.然而, 对于交叉口内风场及污染物分布随建筑物布局变化的规律尚未见系统性研究.本研究的目的是揭示建筑物布局对交叉口内气流和污染扩散的影响.为此, 采用三维缩尺交叉口模型和气态污染物点源, 考虑7种不同建筑物偏移量.在每种建筑物偏移条件下, 采用Fluent软件仿真得到交叉口内的风速场和污染物质量浓度分布.

1 交叉口物理模型

由四个方形建筑物构成的三维交叉口的构造及计算区域如图 1所示.该交叉口俯视图如图 2所示, 参考高度Href取为0.4 m, 参考高度处的水平风速Uref取为5.37 m·s-1.每个建筑物长0.25 m、宽0.25 m和高0.06 m(本研究采用1:100的几何缩尺模型进行计算).每条街道宽度W为0.06 m.地面污染物点源设置于由建筑物A和B构成的上风街道尾端; 来流垂直于由建筑物B和C构成的侧向街道的轴线.为了评估建筑物布局对街道交叉口内气流和污染扩散的影响, 本研究考虑7种建筑物C和D的侧向偏移量Δy, 分别为0、1/6W、1/3W、1/2W、2/3W、5/6W和W.

图 1 交叉口构造及计算区域(单位:m) Fig.1 Configuration of the street intersection and its computational domain(unit:m)

图 2 交叉口俯视图(单位:m) Fig.2 Overhead view of the street intersection(unit:m)
2 CFD模型

基于Fluent软件构建模拟街道交叉口内气流运动和污染物扩散的数值模型.

2.1 气流运动和污染物扩散的控制方程

风绕建筑物的流动可视为不可压缩流动, 同时忽略太阳辐射热效应.对于交叉口内气流运动, 其控制方程为定常N-S方程, 而湍流模型采用Realizable k-ε模型.对于气态污染物扩散, 采用组分输运方程进行模拟.

2.2 计算区域和边界条件

如图 1、2所示, 计算区域长1.8 m、宽1.02 m、高0.4 m.边界条件为:在进口平面污染物浓度为零, 而在任意高度z处的水平风速Uz为

(1)

式中:z为离街道地面的高度; α=0.22.

在出口平面, 流动充分发展, 因此采用零梯度条件; 在计算域顶部及两侧面采用对称边界条件; 在建筑物表面及地面上, 采用无滑移气流条件和零通量污染物扩散条件.空气和乙烷(污染物)的混合物从点源连续释放, 总流量和乙烷的流量分别为2.890、0.030 kg·m-3·s-1.

2.3 网格和数值格式

采用四面体和六面体混合网格.在交叉口内采用均匀网格(每个网格单元边长为5×10-3m), 而在交叉口外部采用非均匀网格(初始网格单元边长为5×10-3m, 最大网格单元边长为2×10-2m, 扩展率为1.2).整个计算区域的网格单元数为2×105.所有计算均在Fluent软件平台上完成.SIMPLE格式用于压力-速度耦合, 而二阶迎风格式用于各控制方程的离散.

3 结果与讨论 3.1 交叉口处的空气交换

为了分析交叉口处各街道之间的空气交换, 以及交叉口内部(z≤0.06 m)和外部(z＞0.06 m)之间的空气交换, 选择围绕交叉口的5个截面(如图 3所示).每个垂直截面(S1、S2、S3和S4)的高度和宽度均为0.06 m.水平截面S5置于离街道地面高度0.06 m处, 其长、宽分别为(Δy+0.06) m和0.06 m.5个截面、地面和建筑物表面围成了一个密闭空间.

图 3 5个截面的位置分布 Fig.3 Positions of five cross-sections

基于模拟得到的气流速度场, 计算各建筑物偏移量下5个截面的空气通量.表 1给出了每个截面(S1、S2、S3、S4、S5)的空气通量与截面S1上的空气通量之比的百分数, 分别为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5.应指出的是, 进入交叉口内的空气通量为正, 而流出交叉口的空气通量为负.

表 1 每个截面的空气通量与截面S1上的空气通量之比的百分数 Table 1 Ratio of the air flux in each section to the air flux in section S1 under seven different building offsets

对于无偏移工况, 表 1表明空气通过截面S1、S2和S3流进交叉口, 而从截面S4和S5流出交叉口; 对于其他6种偏移量工况, 表 1揭示出空气通过截面S1和S2流进交叉口, 而从截面S3、S4和S5流出交叉口.显然, 1/6W的建筑物偏移量已足以使通过截面S3的气流方向发生改变.

从表 1中可以看出:通过截面S2、S3的空气通量随偏移量的增加而显著增加, 表明侧向街道内的水平流动随偏移量的增加而增强; 当偏移量从0增加到2/3W时通过截面S4的空气通量减少, 而当偏移量进一步从2/3W增加到W时通过截面S4的空气通量几乎不变; 当偏移量从1/6W增加到5/6W时通过水平截面S5的空气通量增加, 而当偏移量进一步从5/6W增加到W时通过截面S5的空气通量几乎不变.

3.2 气流场

图 4为7种建筑物偏移量下水平面(z=0.001 m)上的速度矢量分布.从图中可以看出, 街道和交叉口内流场受建筑物偏移影响显著.

图 4 不同偏移量下z=0.001 m水平面上的速度矢量分布 Fig.4 Distribution of velocity vectors on the plane of z=0.001 m for different offsets

在无偏移工况下, 靠近交叉口的侧向街道内水平流动非常弱, 空气主要沿上风街道、交叉口和下风街道流动如图 4(a)所示.比较图 4(a)、(b)可以看出, 小至1/6W的建筑物偏移量已足以在侧向街道内产生明显的次生流.例如, 当偏移量为1/6W时, 空气从街道2流入交叉口, 以及从交叉口流入街道3.比较图 4(b)、(c)可知, 当建筑物偏移量从1/6W增加到1/3W时, 侧向街道内的速度场显著增强; 当建筑物偏移量分别为1/2W、2/3W、5/6W和W时, 侧向街道内的风速与上风街道内的风速相当; 随着偏移量的增加, 下风街道内的速度场变弱, 特别是当偏移量为W时空气在下风街道的大部分区域内的流动几乎停滞.

由于受到建筑物D的阻挡, 当偏移量为1/6W时, 来自上风街道的少部分气流流进街道3;当偏移量分别为1/3W、1/2W和2/3W时, 来自上风街道的大部分气流流进街道3, 如图 4(c)、(d)、(e)所示; 当偏移量为5/6W和W时, 来自上风街道的气流几乎全部流进街道3, 如图 4(f)、(g)所示.

3.3 污染物扩散的讨论

图 5为7种不同偏移量下水平面(z=0.001 m)上的污染物质量浓度分布.来自点源的污染物的扩散由点源周围的空气流动控制.由图 5可知:对于无偏移工况, 来自上风街道的气流完全沿交叉口和下风街道流动, 导致来自点源的污染物沿交叉口和下风街道扩散, 从而在侧向街道内未见污染物分布; 当偏移量为1/6W时, 来自上风街道的少部分气流流入街道3, 因此大部分污染物散布在交叉口和下风街道内, 仅少部分污染物分布于街道3内; 当偏移量分别为1/3W、1/2W和2/3W时, 大部分污染物聚集在交叉口和街道3内, 仅少量污染物散布在下风街道内, 这是因为来自上风街道的大部分气流流入侧向街道3;当偏移量分别为5/6W和W时, 由于来自上风街道的气流几乎全部流进街道3, 因此仅见污染物散布在交叉口和街道3内.

图 5 不同偏移量下z=0.001 m水平面上的污染物质量浓度分布 Fig.5 Pollutant distribution on the plane of z=0.001 m for seven different offsets
3.4 数值模拟结果和风洞试验结果的比较

对有偏移和无偏移条件下交叉口内的污染物扩散分别开展了风洞模拟.该风洞试验在上海理工大学的大气边界层风洞内进行.在风洞物理模拟中, 交叉口构造和点源位置等与上述数值模拟工况一致.试验中自由来流风速为3 m·s-1, 考虑无偏移和偏移量为W两个工况.图 6(a)、(b)分别为无偏移和偏移量为W时通过风洞试验得到的污染物质量浓度分布.通过比较图 6(a)、5(a)以及图 6(b)、5(g)可以看出, 数值模拟结果和风洞试验结果非常相似.

图 6 Δy=0、W时z=0.001 m水平面上的污染物质量浓度分布 Fig.6 Pollutant distribution on the plane of z=0.001 m with Δy=0 and W
4 结论

采用Fluent软件对7种不同建筑物偏移量(Δy=0、1/6W、1/3W、1/2W、2/3W、5/6W和W)下的交叉口内气流运动和污染物扩散进行了三维数值模拟.数值模拟结果表明建筑物偏移量对交叉口内气流和污染物扩散具有显著影响:

(1) 1/6W的偏移量已足以在侧向街道内产生明显的次生流.当偏移量从1/6W增加到1/3W时, 侧向街道内的速度场显著增强.当偏移量分别为1/2W、2/3W、5/6W和W时, 侧向街道内的风速与上风街道内的风速相当.随着偏移量的增加, 下风街道内的速度场变弱.

(2) 随着偏移量的增加, 侧向街道和交叉口的空气交换加强, 而交叉口和下风街道的空气交换变弱.

(3) 随着偏移量的增加, 更多的污染物从置于上风街道尾端的地面点源处扩散到侧向街道.

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