街道峡谷（简称街谷）是城市典型的建筑结构。街谷由于闭塞的半封闭式结构，其通风能力受限，极易造成机动车排放的尾气污染物在其中聚集，从而对行人及两侧建筑内居民的健康造成威胁^［1-4］。因此，如何优化现有街谷空间及结构布局，提升通风能力，加速机动车尾气污染物扩散稀释，对于减缓二次污染、改善空气质量具有重要的环境和社会效益。

近年来，许多研究^［5-10］聚焦于城市街谷内流动结构和通风对污染物扩散分布的影响。Huang等^［11-13］采用数值模拟方法研究了不同屋顶结构对城市街谷内气流和污染物扩散的影响。结果表明，街谷内涡流结构和污染物分布模式强烈依赖于屋顶结构，同时街道下风和迎风两侧的建筑高度是决定街谷内涡流结构和污染物分布的关键因素。Wen等^［14］利用计算流体力学（CFD）方法和参数化方法研究了传统斜屋顶对街谷通风和污染物扩散的影响，发现斜屋顶不利于街谷通风，且会导致平均污染物浓度增加，尤其是在背风侧，屋顶坡度与平均污染物在街谷内的浓度分布显著相关。大量研究^［15-19］表明，在屋顶结构中设置捕风器（导流结构）可有效提升街谷的通风能力。Ming等^［20］利用CFD方法研究了捕风器对街谷内污染物扩散的影响。结果表明，设置捕风器可显著提升降阶梯状街谷内空气质量，并使街谷内平均污染物浓度降低75%。Ahmad等^［21］通过风洞实验和CFD数值模型（标准k−ɛ湍流模型）研究了安装双侧捕风器的建筑的通风效果。结果表明，安装捕风器能够加强建筑内部通风，大大提升通风效果。Li等^［22］研究了交通潮流下设置捕风器对不同街谷内污染物扩散的影响。研究发现，设置捕风器能够改变街谷内的流动结构并提高风速，促进污染物的扩散稀释。

综上可知，对于不同形状屋顶，如何设计并优化屋顶导流结构以增强通风和精准调控污染物扩散分布的研究还较少，并且未就其结构设计及对应的调控机理展开系统研究。因此，本文利用经风洞实验验证的CFD数值模型，研究街谷两侧屋顶结构及相应导流结构设计优化对街谷内流动和污染物扩散分布的影响。研究结果可为城市街谷微改造、增强通风和调节局部空气质量等提供参考。

1 研究方法 1.1 物理模型

根据相似原理，采用1∶150的缩尺比，构建5种屋顶结构的街谷模型，如图1所示，其中H、W分别为建筑高度和街谷宽度。每种屋顶结构下考虑4种导流结构，研究工况如表1所示，其中a、b、c、d、h、β分别为导流结构上板间距、右板宽度、上板长度、右板长度、平行间距、角度。图1（a）为参考工况（双平屋顶），其中：建筑尺寸为H × 4H/3，H=12 cm（实际尺寸为18 m），W=H。线源位置如图2所示。2条污染源（线源）边长均为0.03H，分别位于距离迎风面0.31 H和0.69 H处。污染源以恒定速率释放示踪污染物SF₆，以模拟机动车尾气排放。导流结构设置时主要考虑了其长度、宽度、角度等因素，以实现最优导流结构设计。以双平屋顶为例，导流结构位置及尺寸如图3所示。

2 数值模型 2.1 数值模型设置

本研究在等温条件下进行，忽略温度变化对热浮力以及街谷内气流与污染物扩散的影响^［23］。采用雷诺平均纳维−斯托克斯（RANS）方程耦合组分输运方程描述街谷内流动与污染物扩散。研究表明，标准k−ɛ湍流模型可较好地再现街谷内湍流结构。图4为计算域示意图。计算域尺寸为14H × 8H；来流和出流边界距目标街谷中心7H，建筑屋顶距计算域顶部7H。来流风垂直于街谷中心轴线，边界层高度处风速为6.0 m/s。建筑高度雷诺数Re_H为

$ \qquad R{e_{{H}}} = \frac{{{U_{{\text{ref}}}}H}}{\nu } $

(1)

式中：${U_{{\text{ref}}}}$为参考高度0.96 m处的风速，${U_{{\text{ref}}}}$=6 m/s；$\nu $为流体的运动黏度。

经计算得到Re_H=4.8 × 10⁴，从而确保街谷内的流动结构进入雷诺数无关状态^［24］。

进口边界采用速度入口，出口边界采用自由出流条件。计算域顶部采用对称边界条件，建筑物壁面以及地面均采用速度无滑移、浓度无渗透的壁面边界条件。入口边界流体的高度z处的风速$ {U({\textit z})} $、湍流动能k和湍流耗散率ɛ定义分别为

$ \qquad \frac{{U({\textit z})}}{{{U_{{\text{ref}}}}}} = {\left(\frac{{\textit z}}{H}\right)^\alpha } $

(2)

$ \qquad k = \frac{{u_*^2}}{{\sqrt {{c_\mu }} }}\left(1 - \frac{{\textit z}}{\delta }\right) $

(3)

$ \qquad \varepsilon = \frac{{u_*^3}}{{\kappa {\textit z}}}\left(1 - \frac{{\textit z}}{\delta }\right) $

(4)

式中：α为大气边界层风剖指数，取0.187；${u_*}$为摩擦速度；δ为边界层高度；κ为冯•卡门常数，取0.4；${c_\mu }$为模型常数，取0.09。

对污染物浓度进行无量纲处理。无量纲污染物浓度K计算式为

$ \qquad K = \frac{{C{U_{{\text{ref}}}}HL}}{{{Q_{\text{e}}}}} $

(5)

$ \qquad {Q_{\text{e}}} = \frac{{Q V}}{\rho } $

(6)

式中：$C$为SF₆体积分数；$L$为线源长度；${Q_{\text{e}}}$为SF₆的释放流量；$Q$为SF₆设定质量流量；$V$为线源体积；$\rho $为SF₆的密度。

采用有限容积法(FVM)对控制方程进行离散，利用ANSYS FLUENT14.5软件进行计算求解。压力与速度耦合采用SIMPLE算法，对流项离散采用二阶迎风格式，各变量收敛相对残差设置为10⁻⁸。

2.2 网格独立性分析及模型验证

采用Gambit软件对模型进行网格划分。目标区域中污染源为体源，采用1.7 mm的四边形网格；非目标区域采用增长率为1.02的四边形网格。初始网格尺寸为1.7 mm，最大网格尺寸为25 mm。选取3套网格精度下双平屋顶街谷中心线上的K进行网格独立性考核。图5为网格独立性分析。由图可知，网格数为1.06万时的模拟结果与3.82万和6.23万时的结果相差较大，而3.82万和6.23万时的结果几乎一致，说明随着网格精度的继续增加，模拟结果不再发生变化，因此选取网格数3.82万为网格独立解。

以双平屋顶为例进行二维城市街谷的风洞实验。实验模型与实际建筑物的缩尺比为 1∶150，模型尺寸为：12 cm×12 cm×120 cm。在目标街谷的迎风面和背风面分别设置6个采样点。实验过程中，采用黑色的丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物（ABS） 板封闭街谷两侧，以避免进风干扰，从而更好地保证实验过程的二维性。

图6（a）和（b）分别为无导流结构时目标街谷迎风面、背风面的风洞实验值与模拟值的对比。图6（c）和（d）分别为工况a₁时目标街谷迎风面、背风面的风洞实验值与模拟值的对比。由图可知，有、无导流结构时污染物浓度的模拟值与实验值变化趋势均相同，而有导流结构时背风面、迎风面两结果的吻合效果更佳。这表明采用标准k−ε模型研究屋顶导流结构对街谷内的流动与扩散是可行的。

3 结果与分析 3.1 不同屋顶形状与导流结构街谷内流场及污染物浓度分布

图7为不同导流结构双平屋顶街谷内流场及污染物浓度分布。无导流结构时，在离街谷底部中心0.7H高度处产生一个顺时针主涡，靠近建筑迎风面气流速度较大。街谷内污染物主要分布在背风面近地面处，迎风面污染物浓度较低。在背风面设置90°导流结构（工况a₁）时，原顺时针涡变为逆时针涡，靠近建筑背风面气流速度较大。由于受逆时针涡的影响，背风面污染物浓度大幅降低，迎风面污染物浓度升高。保持导流结构的角度为90°，导流结构右板宽度b由1.8 cm变为1.0 cm时，在背风面靠近建筑顶部会形成一个小的顺时针涡（工况a₂），且逆时针涡有所减弱，故背风面、迎风面的污染物浓度均略有升高。导流结构的角度分别为120°（工况a₃）和135°（工况a₄）时，街谷上方以及下游建筑上部均产生一个顺时针涡，且随着角度的增加，2个顺时针涡会分别向上、向右移动，街谷底部以及背风面气流流速明显提高，迎风面、背风面污染物浓度进一步降低。

图8为不同导流结构双三角形屋顶街谷内流场及污染物浓度分布。无导流结构时，离街谷底部中心0.4H高度处会产生一个逆时针涡，在屋顶附近会形成一个顺时针涡。污染物在逆时针涡的影响下向迎风面扩散，导致迎风面污染物浓度较高。在背风面屋顶设置一个与之平行的导流结构（工况b₁），平行间距h=1.8 cm时：屋顶附近的顺时针涡的涡心右移，旋涡变小，逆时针涡强度明显提高；靠近屋顶背风面的流速较大，背风面和迎风面的污染物浓度显著降低。在保持平行的情况下，h由1.8 cm变为2.6 cm（工况b₃）时，屋顶附近的顺时针涡减小，且涡心左移，逆时针涡变大；建筑附近的流速也有所增大，背风面和迎风面的污染物浓度明显降低。当导流结构的右板宽度b由1.8 cm变为1.0 cm时，除了下游建筑的顺时针涡减小（工况b₂）外，在上游建筑附近产生一个顺时针涡，且逆时针涡强度进一步提高。在此基础上，将导流结构的上板长度c由7.6 cm变为8.8 cm时，建筑附近的2个顺时针涡略有增大（工况b₄），且进入街谷的气流流速增大，背风面和迎风面的污染物浓度随之降低。

图9、10分别为不同导流结构双上楔形屋顶和双下楔形屋顶街谷内流场及污染物浓度分布。无导流结构时双上楔形屋顶街谷内会形成两个旋涡，即街谷上部的顺时针涡和街谷下部（距街谷底部中心0.6 H高度处）的逆时针涡；街谷内平均流速较小，且逆时针涡较弱，造成污染物在街谷迎风面聚集。在双上楔形屋顶背风面设置与之平行的导流结构（工况c₁）后，街谷上部的顺时针涡变小，涡心左移，街谷下部的逆时针涡变大，涡心上移，并在下游建筑附近产生一个顺时针旋涡。街谷内平均流速和通风能力增大，使得两侧污染物浓度均大幅降低。当导流结构的角度调至90°（工况c₂）时，街谷下部的逆时针涡略有增强，上部的顺时针涡增大，而下游建筑附近的顺时针涡减小，背风面和迎风面污染物浓度随着流速的增大略有降低。当导流结构的角度分别调至120°（工况c₃）和135°（工况c₄）时，街谷下部的逆时针旋涡逐渐增强，且街谷上部的顺时针涡和下游建筑附近的顺时针涡分别上移和右移，街谷中的污染物在加强气流作用下进一步稀释。

对于双下楔形屋顶，无导流结构时会有一个顺时针涡（距街谷底部中心0.8 H高度处）产生，且靠近建筑迎风面流速较大，导致背风面污染物浓度比迎风面的高。类似于双三角形屋顶，在双下楔形屋顶背风面设置与之平行的导流结构（工况d₁）时，街谷内原顺时针涡变化不大，靠近上游建筑和导流结构附近的流速有所增加，两侧污染物浓度略有降低。平行间距h由1.8 cm变为2.6 cm（工况d₃）时，街谷内顺时针涡无明显变化，而靠近上游建筑和导流结构附近的流速有所降低，两侧污染物浓度均略有上升。导流结构的右板宽度b由1.8 cm变为1.0 cm（工况d₂）时街谷内顺时针涡无明显变化，且靠近背风面的流速增强，街谷背风面污染物浓度也降低。将导流结构的上板长度c由7.6 cm变为8.8 cm（工况d₄）时，街谷内原顺时针旋涡仍占主导，两侧平均流速均增大，因此污染物浓度随之降低。然而，以上4种导流结构的设置对整个街谷内污染物平均浓度的影响均不大。

图11为不同导流结构双梯形屋顶街谷内流场及污染物浓度分布。无导流结构时，街谷内产生一个顺时针主涡，污染物在顺时针涡的作用下主要聚集于背风面。在双梯形屋顶背风面设置一个与其右腰平行的导流结构（工况e₁）时，街谷内原顺时针涡被破坏，而街谷下部（距街谷底部中心0.65 H高度处）和上部分别形成一个逆时针涡和顺时针涡，且在迎风面屋顶附近形成一个小的顺时针涡；此时，背风面流速明显增大，污染物浓度较低。导流结构右板宽度b由1.8 cm变为1.0 cm（工况e₂）时，街谷下部的逆时针涡无明显变化，而街谷上部的顺时针涡往左上方移动，迎风面屋顶附近的小顺时针涡变大。由于靠近迎风面近地面的流速较大，此处污染物浓度进一步降低。在双梯形屋顶背风面设置一个与上底平行的导流结构（工况e₃）时，街谷下部（距街谷底部中心0.35H高度处）会产生一个顺时针主涡，街谷上部会产生一个逆时针次涡和顺时针次涡；尽管通过导流结构进入街谷的部分气流明显增强，但因其几乎横贯高度为H的街谷，并未有效促进污染物的扩散，反而一定程度上减弱了顺时针主涡，导致污染物严重聚集。导流结构右板长度d由3.8 cm变为7.6 cm时，街谷内旋涡并无明显变化。由于通过导流结构的气流在横贯街谷时的高度有所下降，街谷内污染物浓度略有降低(工况e₄)。

3.2 不同屋顶及导流结构街谷内平均污染水平

图12为街谷内不同位置（迎风面、背风面、人行呼吸高度面）的平均污染物浓度。由分析可知，就双平屋顶而言，导流结构能够显著降低街谷内背风面及人行呼吸高度面的污染物浓度，降幅分别为95%～99%及29%～84%[图12（a）]。90°导流结构的右板宽度b由1.8 cm变为1.0 cm时，背风面及人行呼吸高度面的污染物稀释效果分别减弱了3%、13.5%，可见在一定角度下减小导流结构的右板宽度不利于污染物扩散，而在不改变导流结构的长度和宽度的情况下，135°的导流结构效果最佳。

对于双三角形屋顶街谷[图12（b）]，导流结构可降低迎风面污染物浓度62%～83%，人行呼吸高度面污染物浓度72%～91%。导流结构平行间距h由1.8 cm变为2.6 cm时，背风面及人行呼吸高度面的污染物浓度分别降低25%、19%。导流结构右板宽度b由1.8 cm变为1.0 cm时，背风面以及人行呼吸高度面污染物浓度分别降低19%和18%。导流结构上板长度c由7.6 cm变为8.8 cm时，污染物稀释效果分别提升5%、3%。这表明在导流结构角度一定时，增加导流结构与屋顶之间的距离或者减小导流结构的宽度，或者增加导流结构长度均有利于污染物的稀释扩散。结果表明，右板宽度b为1.0 cm、上板长度c为8.8 cm的导流结构效果最佳。

在双上楔形屋顶设置导流结构[图12（c）]时，迎风面污染物浓度可降低87%～92%，人行呼吸高度面污染物浓度可降低92%～95%。随着导流结构角度的不断增加，背风面以及人行呼吸高度面的通风及污染物扩散能力增强。此时，135°的导流结构效果最佳。而对于下楔形屋顶，与无导流结构街谷相比，导流结构对街谷内的污染物扩散并无明显影响[图12（d）]，故对双下楔形屋顶设置导流结构的必要性不大。

图12（e）表明双梯形屋顶背风面设置一与右腰平行的导流结构，可分别降低背风面及人行呼吸高度面的污染物浓度99%、70%～80%。当导流结构右板宽度b由1.8 cm变为1.0 cm时，背风面污染物浓度降低99%，人行呼吸高度面的稀释能力提高12%，因此减小导流结构的宽度能够增强街谷内的通风能力。而双梯形屋顶背风面设置一与上底平行的导流结构，会加剧街谷内污染物的聚集；迎风面和背风面污染物浓度分别增加45%～49%、16%～24%，人行呼吸高度面增加12%～18%。综上，在双梯形屋顶背风面设置一与右腰平行且b为1.0 cm的导流结构时效果最佳。

4 结论

本文通过数值模拟研究了4种导流结构对不同屋顶街谷内流场及污染物扩散的影响，主要结论有：

(1) 与无导流结构相比，设置导流结构能够大幅增强街谷（双平屋顶、双三角形屋顶、双上楔形屋顶）的通风能力，可精准调控街谷内污染物分布。双平屋顶、双三角形屋顶及双上楔形屋顶设置最优导流结构后，人行呼吸高度面的污染物浓度分别降低84%、91%、95%，可见导流结构的设置对降低双上楔形屋顶街谷污染物浓度效果更显著。

(2) 双下楔形屋顶设置导流结构后，街谷背风面、迎风面及人行呼吸高度面的污染物浓度基本不变，即导流结构对双下楔形屋顶街谷影响不大。对于双梯形屋顶，在背风面设置一与右腰平行的导流结构，能够促进街谷内污染物的扩散稀释，且最佳导流结构可使人行呼吸高度面污染物浓度降低80%。而在背风面设置一与上底平行的导流结构将阻碍污染物的扩散稀释。

(3) 通过增大导流结构的角度β（双平屋顶、双上楔形屋顶）、平行间距h(双三角形屋顶)、导流结构的上板长度c（双三角形屋顶）或者减小导流结构的右板宽度b（双三角形屋顶和双梯形屋顶）均可显著提高街谷内的通风能力，从而精准改善街谷内空气质量。