城市街道峡谷（简称街谷）通常指由连续且高大的建筑物两侧围合而成的相对狭长且封闭的城市街道空间^［1］。该区域一般人口密度较大，交通流量密集。街谷内人群吸入污染空气的风险显著增加^［2］。汽车尾气排放是导致街谷内区域性大气污染及其相关危害的主要且直接原因。影响街谷内交通污染物扩散的因素众多，包括气象因素^［3］、街道设计^［4］以及绿化配置^［5–6］等。气温和气压的差异也会引起污染物的定向移动^［7］，即温差和气压差所引发的浮升力可以促进污染物逸出街谷^［8］，而气压差所产生的气旋则可能导致污染物的聚集，妨碍街谷内污染物的排放^［9］。

街道设计包括街谷高宽比^［10］、高度比^［11］、底层架空^［12］以及屋顶形状结构^［13］等等。这些因素均能显著影响街谷内污染物的扩散及分布。任蘇琪等^［14］考虑了4种非对称街谷结构，采用经风洞实验验证的数值模型，研究了街谷不对称性对气流运动和污染物扩散的影响。结果表明，在不对称街道结构中，升阶式街谷内旋涡涡心随着迎风面建筑高度增加而向下游建筑移动，导致街谷内气流运动强度减弱，从而使街谷内污染物浓度升高。而在降阶式街谷内，随着背风面建筑高度逐渐增加，气流运动形式发生显著变化，背风面污染物浓度反而降低。这表明降阶式结构有利于保护背风面行人与居民的健康。

影响街谷内污染物扩散的气象因素中，来流风向对于大气污染物扩散与气流运动规律有重要影响^［15］。Chen等^［16］使用 ENVI−met 模型建立了3种绿化模式，以评估3种典型来流风向下理想 3D 街谷内不同种植模式对 PM_2.5 扩散过程的影响。结果表明，不同来流风向下PM_2.5的浓度水平和垂直分布特征均存在显著差异。宋书银等^［17］采用数值模拟方法研究了不同来流风向（风向角α = 0°～180°）下建筑屋顶烟囱排放污染物的扩散特性。结果表明，风向角在很大程度上决定了烟囱排放污染物对近地面空气质量的影响程度，并导致建筑背风面污染物浓度分布不一致。然而，目前相关研究尚未探讨建筑高度比不同的宽街谷内来流风向变化对气流运动和污染物扩散的影响。常规街谷内来流风向变化所引起的气流扩散特征与宽街谷内的存在显著差异。因此，有必要对不同建筑高度比的宽街谷内气流运动和污染物扩散受来流风向影响的情况进行研究。

本文基于3种不同高度比的建筑，采用经风洞实验验证的数值模型研究不同来流风向下对称街谷和非对称街谷内气流运动和污染物扩散规律，旨在获取不同来流风向下有利于污染物扩散的街谷构型，为改善街谷内空气质量提供理论依据，并为不同城市（主导风向不同）的街道两侧建筑布局提供参考。

1 研究方法 1.1 物理模型

本文采用缩尺比1∶150构建三维孤立街谷，如图1所示。平街谷内建筑高度H = 0.12 m（全尺寸条件下H =18 m），阶梯式街谷内建筑高宽比分别为1∶2、2∶1，街道宽度W= 2 H = 0.24 m，街道长度L= 8 H = 0.96 m。在来流风向垂直于建筑物时，以目标街谷中心点为原点建立三维笛卡尔坐标系，如图1（a）所示。在来流风向与街谷长度方向成45°时，以街谷一端中心点为原点建立三维笛卡尔坐标系，如图1（b）所示。建筑A、B的宽度W_A、W_B 均为H，长度为8 H。四条平行于建筑排列的线源贯穿整条街谷，以模拟四车道城市道路的交通排放。采用示踪气体SF₆来模拟汽车尾气。计算过程中四条线源同时均匀地释放示踪气体。考虑到街道交叉口的交通排放，线源两端各超出街谷横向出口0.92 H。线源宽度和高度均为0.041 H，长度为 9.84 H。本文考虑了3种街谷、2种来流风向，共计6个工况，如表1所示，其中：H₁为上游建筑高度；H₂为下游建筑高度。

1.2 数值模型 1.2.1 控制方程

计算流体力学（CFD）数值模拟的三个基本方程分别为连续性方程、能量方程以及动量方程（Navier−Stokes方程）。本研究中温度保持不变，因此能量方程可不予考虑。污染物输运方程为

$ \qquad {u}_{j}\frac{\partial {C}^{\alpha }}{\partial {x}_{j}}=\frac{\partial }{\partial {x}_{j}}\left[\left(D_{{\mathrm{m}}}^{\alpha } + \frac{{\nu }_{{\mathrm{t}}}}{S{c}_{{\mathrm{t}}}}\right)\frac{\partial {C}^{\alpha }}{\partial {x}_{j}}\right] + {S}_{\mathrm{p}} $

(1)

式中：$ {C}^{\alpha } $为污染物$ \alpha $的质量浓度；$ D_{\mathrm{m}}^{\alpha } $为污染物$ \alpha $在混合物中的分子扩散系数；$ {S}_{\mathrm{p}} $为污染物$ \alpha $的源项；$ S{c}_{\mathrm{t}} $为湍流施密特数，取0.7；$ {\nu }_{\mathrm{t}} $为湍动黏性系数；$ {u}_{j} $为速度分量，j为张量下标；$ {x}_{j} $为坐标分量。

1.2.2 计算域与网格

利用模型的几何对称性建立半对称计算域，并以垂直于y轴的街谷中心面为对称面。为保证湍流在计算域内能够充分发展，街谷计算域的划分如图2所示。由于进口到研究区域的距离应大于等于5 H，本文将其设置为8 H，以满足规定要求。建筑物与计算域两侧的距离均为6 H，建筑物距离顶面7 H，距离出口15 H。同时，计算域进口边界条件采用速度入口边界条件，而出口边界条件采用自由出流边界条件，顶面与左、右两侧则属于对称边界，底面与建筑物壁面均采用无滑移壁面边界条件。风速进口边界、湍动能k 和耗散率ε的表达式分别为

$\qquad \frac{u({\textit z})}{{U}_{\text{ref}}}={\left(\frac{{\textit z}}{H}\right)}^{0.187} $

(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：$ u({\textit z}) $为高度z处的平均水平速度；$ {U}_{\text{ref}} $为建筑参考高度H处的平均水平速度，值为4.7 m/s；$ \delta $为边界层厚度，值为0.5 m；$ {u}_{*} $为摩擦速度，值为 0.54 m/s；$ \kappa $ 为卡门常数，值为0.4；$ {C}_{\mu } $为模型常数，取0.09。

为精简网格数量、减少计算量，网格划分采用非均分网格，即在目标街谷建筑物壁面附近区域采用较密的网格，而由两侧向上将网格进行一定比例的放大（网格膨胀比为1.08），从而形成渐变式网格分布。其中，除来流风向为45°时的街谷外围区域采用非结构化网格，其余计算域均采用结构化网格。通过网格敏感性分析，本研究最终采用的网格数为270万。

1.3 模型验证

本文验证工况参照Jon等^［18］的风洞物理模型。CFD模型复制了卡尔斯鲁厄大学风洞实验的有关条件^［19］，街谷模型选用45°来流风向下建筑高度比为1∶1的平街谷。采用标准k−ɛ模型并结合标准壁函数（SWFs）进行计算。图3给出了数值模拟和风洞实验中在背风墙和迎风墙上沿三条垂直线（如 y/H=0、y/H=1.26 和 y/H=3.79）处的污染物浓度，其中无量纲浓度K定义为

$ \qquad K=\frac{C{U}_{{{\mathrm{ref}}}}Hl}{{Q}_{\mathrm{e}}} $

(5)

式中：$ C $为污染物的体积分数；l为线源长度；$ {Q}_{{\mathrm{e}}} $为气态污染物释放源强，此处气态污染物采用SF₆。

本文采用归一化均方误差N_MSE、皮尔逊相关系数R、在观测值两倍因子内的预测分数F_AC2以及分数偏差F_B对模拟值与实验值的关联程度进行统计评估^［20］。表2为数值模型评估指标。可见，由数值模型得到的各项验证评估指标均在规定范围内，且数值模拟结果与风洞实验结果一致性良好，说明标准k−ɛ模型结合标准壁函数具有良好的预测精度，因此本文将利用标准k−ɛ模型开展数值研究。

2 结果与讨论 2.1 90°来流风向下不同建筑高度比街谷内流场与污染物浓度场对比

图4为90°来流风向、不同建筑高度比下，街谷竖直中心面流场与污染物浓度场的变化，其中：U/U_ref为无量纲速度，U为气流速度。如图4(a)所示，当两侧建筑物高度比为1∶1（平街谷）时，街谷内未形成涡流结构，污染物随着气流沿街谷向迎风面扩散，因此高污染区域出现在街谷迎风面附近。对于升阶式街谷（H₁∶H₂ = 1∶2），如图4(b)所示，来流风受到下游高建筑物的阻挡，导致街谷内形成一个顺时针旋涡。在该旋涡作用下，污染物被带入背风区域，迎风面污染物浓度显著降低。相比于平街谷，升阶式街谷下游建筑高度的增加显著改变了涡流结构，导致污染物浓度分布出现明显差异。当H₁∶H₂=2∶1（降阶式街谷）时，街谷内形成了两种不同方向的旋涡结构：迎风建筑高度以上的旋涡顺时针旋转，而迎风建筑高度以下的旋涡则逆时针旋转。逆时针旋涡将污染物带向迎风面，并在迎风面产生较大范围的污染物扩散。以上分析表明，街谷两侧建筑高度比的变化会显著影响街谷内的流动结构及污染物的扩散规律。由图4可见，在三种建筑高度比中，H₁:H₂ = 1∶2的升阶式结构最有利于街谷内污染物的扩散与稀释，此时街谷背风面与迎风面的污染物浓度均较低；而H₁:H₂ = 2∶1的降阶式结构所形成的顺时针涡流结构则抑制了污染物向外扩散，导致街谷内高浓度污染区域扩大。

图5为90°来流风向下不同建筑高度比的街谷内行人呼吸高度面（z = 1.5 m）流场和污染物浓度场。由图5(a)可知，平街谷两端的气流向街谷中心流动，导致污染物聚集在街谷中心区域。在升阶式街谷中，气流首先从迎风面向背风面流动，随后向街谷两端扩散，导致大部分污染物被带出街谷，仅有少量污染物积聚在背风面。因此，在升阶式街谷中，行人呼吸高度面污染物浓度较低，且污染物主要集中在背风面，迎风面几乎没有污染物积聚。当建筑高度比为2∶1（降阶式街谷）时，气流方向发生逆转，流动由背风面转向迎风面，但流速相对较小。此外，街谷两端出口处涡流结构的存在对气流产生了阻碍作用，导致街谷内污染物大范围积聚，且高浓度区域主要分布在迎风面附近。通过对比三种不同街谷结构下行人呼吸高度面流场与污染物浓度场可以发现，降阶式街谷在行人呼吸高度面流速最小，且出口处涡流结构抑制了污染物的扩散；而升阶式街谷的风速最高，且街谷内及出口处的气流运动方向均有利于污染物的扩散。因此，升阶式街谷内污染物浓度最低，而降阶式街谷内污染物浓度最高。综上所述，当来流风向为90°时，相较于对称型平街谷（H₁∶H₂ = 1∶1），升阶式结构更有利于污染物的扩散，而降阶式结构则抑制了街谷内污染物的扩散。

2.2 45°来流风向下不同建筑高度比街谷内流场与污染物浓度场对比

图6为45°来流风向下不同建筑高度比街谷中心面流场与污染物浓度分布。由图中可知，45°来流风向下，平街谷、升阶式街谷和降阶式街谷内均形成了顺时针旋涡，导致污染物在街谷背风面积聚，因此各街谷内背风面污染物浓度高于迎风面。90°来流风向下不同街谷的涡流结构和污染物扩散分布特征存在显著差异。当来流风向为45°时，这一差异有所减弱，且三种街谷类型的污染物扩散分布趋于一致。同时，45°来流风向下街谷中心区域的气流速度较快，污染物浓度较低。进一步分析45°来流风向下街谷行人呼吸高度面（z = 1.5 m）的气流运动和污染物扩散情况发现，各类型街谷的气流特征相似，即来流风从街谷入口进入后均在背风墙附近形成逆时针旋涡（如图7所示）。相比之下，降阶式街谷入口处的顺时针旋涡尺寸较大。因此，在降阶式街谷行人呼吸高度面，流向背风面的气流速度较平街谷和升阶式街谷的更快，而顺时针旋涡区域由于流速较小，污染物浓度较高。尽管如此，与90°来流风向下相比，45°来流风向下街谷行人呼吸高度面污染物浓度普遍较低，尤其是在降阶式街谷中，45°来流风向下污染物浓度明显低于90°来流风向下的值。此外，街谷入口处的旋涡结构使得三种街谷内污染物均在背风面聚集。

通过对比分析90°、45°来流风向下街谷行人呼吸高度面流场与污染物浓度分布情况可知，45°来流风向下街谷内流速增大，导致污染物浓度普遍低于90°来流风向下的值。此外，无论来流风向为90°还是45°，升阶式街谷结构均有利于污染物的扩散。

为了进一步评估不同来流风向下街谷的通风性能，本文引入空气交换率R_ACH，即单位时间内街谷与环境大气之间的空气交换量作为评价因子^［21］，并结合街谷内不同平面的平均污染物浓度，开展来流风向和建筑高度比对街谷通风能力影响的对比研究。图8为街谷内迎风面、背风面、行人呼吸高度面及中心面的污染物平均无量纲浓度K和空气交换率R_ACH。

从图8可见，90°来流风向下平街谷中心面污染物浓度远高于其他两种街谷，约分别为升阶式街谷和降阶式街谷中心面的5倍和2倍。这是因为在90°来流风向下，平街谷内顺时针旋涡和从两侧进入街谷的气流将污染物带到街谷中心区域，导致中心区域浓度增大。行人呼吸高度面污染物浓度最高的是降阶式街谷，约分别为升阶式街谷和平街谷的3倍和2倍。三种街谷两侧建筑背风面污染物浓度差异不大，但迎风面污染物浓度差异显著。具体而言，降阶式街谷迎风面污染物浓度约分别为升阶式街谷和平街谷的8倍和2倍。因此，整体而言，90°来流风向下，污染物平均浓度最高的是降阶式街谷，最低的是升阶式街谷。这与街谷整体通风能力密切相关。从图8可以看出，90°来流风向下，升阶式街谷的空气交换率R_ACH 最大，其次是平街谷的，降阶式街谷的最低，仅为升阶式街谷的一半。

在45°来流风向下，所有街谷的R_ACH 较来流风向90°下的均有显著提高，污染物浓度明显降低，且三种街谷不同平面污染物浓度差异缩小。从图8可以看出，升阶式街谷行人呼吸高度面污染物浓度最低，而降阶式街谷的则最高。具体而言：升阶式街谷在除背风面外所有平面的污染物浓度均为最低，而降阶式街谷背风面污染物浓度最低。综合来看，45°来流风向下，各街谷污染物浓度显著低于90°来流风向下对应街谷平面污染物浓度。这主要是由于45°来流风向下进入街谷的气流速度更大，促进了污染物向街谷外扩散，从而显著降低了街谷内污染物浓度。值得注意的是，45°来流风向下空气交换率最大的仍为升阶式街谷，而平街谷的R_ACH 最低，分别比降阶式街谷和升阶式街谷的低25.0%和30.3%。这是因为平街谷由于两侧建筑高度相等，缺乏沿流向的高度变化。升阶式街谷由于建筑高度递增有利于污染物的垂直扩散；降阶式街谷内沿街谷纵向流动增强，有利于空气沿纵向流出。

3 结论

采用经风洞实验验证的标准k−ε数值模型，模拟研究了90°和45°两种来流风向下，不同建筑高度比街谷内流场与污染物扩散分布特性。基于数值模拟结果，对比分析了不同工况下街谷中心面及行人呼吸高度面流场与污染物浓度分布特性，并对街谷内各平面污染物浓度与街谷空气交换率R_ACH进行了定量对比。主要结论为：

（1）90°来流风向下，平街谷内的污染物浓度分布与降阶式街谷内的相似，高浓度污染物积聚在街谷迎风面区域，而升阶式街谷内污染物主要积聚在背风面区域。该来流风向下，降阶式街谷行人呼吸高度面污染物浓度远高于另两种街谷；平街谷的次之，且高浓度区域集中在街谷中心；升阶式街谷内污染物浓度最低。对于通风性能，升阶式街谷空气交换率最高，降阶式街谷的最低。

（2）45°来流风向下，由于三种街谷内均形成了顺时针旋涡，三种街谷中心面和行人呼吸高度面污染物均积聚在背风面，且平均浓度均显著降低，空气交换率R_ACH明显增大。该来流风向下，升阶式街谷的通风性能最优，而平街谷的R_ACH最低；相比于90°来流风向下，此时降阶式街谷的通风性能改善得最为显著，其R_ACH增长超过三倍。

（3）通过对比两种来流风向下街谷内气流运动和污染物扩散特性，发现来流风向不仅显著影响街谷内污染物的分布，而且能显著改变污染物浓度。与垂直风向相比，倾斜风向更有利于污染物的扩散，从而显著改善街谷的通风性能，尤其对于在垂直风向下污染最严重的降阶式街谷，其污染物浓度在45°来流风向下显著下降。

（4）升阶式街谷在不同来流风向下均表现出良好的通风性能，其在90°来流风向下R_ACH为降阶式街谷的2倍多，45°来流风向下R_ACH高于降阶式街谷和平街谷的值。