上游阻挡建筑间距对街谷内空气环境的影响

陈晓萌,亢燕铭,杨 方,钟 珂



上游阻挡建筑间距对街谷内空气环境的影响

陈晓萌,亢燕铭,杨 方,钟 珂*

(东华大学环境科学与工程学院,上海 201620)

城市中的大部分街谷都存在上游阻挡建筑.为考察阻挡建筑对街谷内空气环境的影响,通过数值计算方法研究分析了上游阻挡建筑对街谷内空气品质的影响作用,结果表明,在常规建筑间距范围内,街谷湍流强度、平均风速和风速波动范围均随着上游阻挡建筑间距增大而减小,这将导致当上游阻挡建筑与街谷建筑间距从15m增加到60m时,街谷空间污染物平均浓度增大36%,近地空间增大41%.因此,实际设计中街谷上游阻挡建筑与临街建筑间的距离不应过大.

上游阻挡建筑；间距；街谷；风速；湍流强度；污染物浓度

城市人口快速增长,使得城市用地紧张,进而导致建筑密度大大增加;另一方面,随着城市机动车数量的持续增加,尾气排放增多,也在某种程度上驱使城市区域大气污染问题日益严重.街谷(street canyon)是城市大气环境的基本结构单元,街谷微环境中的空气质量直接影响着城市大气环境.因此,在过去30年中,许多人对街谷环境的不同特征进行了研究[1-5].然而,已有研究大多数都是针对孤立街谷进行的,仅有少数研究针对街谷上游的阻挡建筑(以下简称”阻挡建筑”)对街谷内部气流和污染物分布特征的影响进行了研究.朱强等[6]通过对比有无上游阻挡建筑的街谷内部流场和浓度场特征,指出与临街建筑并列对齐的上游建筑对街谷气流速度和形态均有影响,同时会减小街谷内平均浓度.然而以上研究立足于上游阻挡建筑存在与否对街谷污染物浓度的影响.由于城市中的大部分街谷都存在上游阻挡建筑,因此,研究并找到不同特征的上游阻挡建筑对街谷内空气品质的影响,对减小交通污染物对街谷内行人的影响,改善城市空气质量是非常必要的.

本文将采用数值流体力学方法,研究上游阻挡建筑物与街谷之间的距离对街谷内部流场和污染物浓度场特征的影响,为更加准确预测街谷微环境空气质量和合理的城市规划提供参考依据和设计原则.

1 计算模型与方法

1.1 模型建立与计算方法

图1给出了计算用的街谷平面布局.为保证结果的普遍性,本文以一般的多层建筑为研究对象,通过数值模拟的方法,来分析街谷两侧的建筑物高度同为20m的情况.如图1所示,设所有建筑物均为长60m (),宽15m (),高20m (),街宽均为30m (),街谷同一侧相邻两建筑的间距为10m (),阻挡建筑与街谷迎风建筑的间距为.街谷两侧建筑物沿街谷轴线周期性排列.城市建筑布局中,阻挡建筑与街谷迎风建筑的间距较常见的值通常在15~60m范围内,因此,模拟计算时,分别设为15、30、45和60m,以研究分析上游阻挡建筑与街谷的距离对交通污染物扩散规律的影响.

风向对街谷内空气流场的影响很大,并影响污染物的扩散,其中风向与街谷垂直时,最不利于污染物扩散.因此,本文将主要考虑风向垂直于街谷的情形.设来流风向与街谷纵长轴线垂直.此时,街谷内形成的流场分布也呈周期性分布.所以,采用镜像法对建筑布局设置对称面,仅计算图1中灰色区域.

采用FLUENT-6.3.26作为基本应用程序进行数值模拟,对计算域内的流场(包括流速、湍流强度)和污染物的浓度场进行三维模拟.为尽量避免由计算区域有限造成的端部效应,模拟中做如下处理[7-8],上游阻挡建筑距求解区域上游边界为5,街谷靠下游一侧建筑距区域下游出口15,建筑顶端距区域上方自由边界面4.由于是三维模拟,为保证模拟值的可靠性,根据以往的研究[9],采用标准-模型为湍流模型,有限容积法离散控制方程.为提高计算精度,采用二阶迎风格式以控制方程的离散,污染物扩散方程的离散则采用QUICK格式.

离散化数值区域后,总网格数约为3.3´106个.关于流动及污染物输运的控制方程,其描述、网格稳定性与可靠性分析方法以及其他模拟参数选取的细节见文献[10].

模拟时,计算域的入口条件设置为速度入口(Velocity inlet),采用自定义函数(UDF)设定速度廓线.出口流态视为充分发展湍流,故将出口条件设置为自由出流(Outflow),由于视建筑为对称分布,故设置侧面为对称边界条件(Symmetry).对于建筑壁面及计算域地面,釆用无滑移边界,而对于计算域的顶面和侧面采用滑移边界条件.

风的湍流特性和速度的垂直分布与地形、地面粗糙度密切相关[11].根据现有文献[12-13],本研究采用的幂指数风速廓线为

式中:为任意某高度,m;V为高度处的平均风速,m/s;为地表粗糙度指数,根据文献[14],可取= 0.25;为标准参考高度,m,V为高度处所测的标准参考风速,m/s,由于本研究中把建筑物模型高度设为20m,故将高度= 20m处的风速定义为屋顶风速V.

为模拟近地处大气扩散条件不利时,街谷中污染物的分布,计算时设置来流屋顶风速V= 2.0m/s,易估出计算域的Reynolds数Re的量级为105.

把街谷内污染源看作连续发散的线源,污染物在一个高0.5m,宽10m,长度与计算域相同的区域均匀分布,且位于街谷地面正中.考虑到机动车尾气中主要成分是CO,因此模拟时污染物气体设置为CO.本文为方便作比较,采用无量纲浓度表征污染物浓度:

式中:C为点处污染物的浓度, kg/m3;0为污染源发散强度, kg/s.

1.2 计算方法的可靠性验证

数值模拟计算前,首先需要对计算所建立的模型和相应的计算方法进行可靠性验证.本文以Li等[15]和Meroney等[16]的实验参数(包括建筑和街道的几何参数、大气流动参数以及污染物参数)为基准,利用本研究中采用的离散模式、划分网格方法和控制方程等对上述文献的实验进行了数值再现,并与本研究的数值方案进行了比对.

本文模拟结果与文献[15]和[16]的实验结果吻合较好,详细信息见文献[6].表明本研究建立的模型及采用的计算模拟方案,能够较好地分析出街谷内的大气流场和污染物浓度场,可以用于本文随后的研究和分析.

2 模拟结果与分析

2.1 上游阻挡建筑间距对目标街谷流场的影响

(a) AA’横剖面上的流场

(b) EE’横剖面上的流场

图2 不同值时街谷横剖面上速度矢量
Fig.2 Flow fields on plane AA’ (= 5m) and EE’ (= 25m) with different

图2(a)和(b)分别给出了通过横剖面AA’和EE’(图1街谷模型)上的速度分布模拟结果.

由图2可以看出,上游阻挡建筑间距对目标街谷两个剖面上的流场都有影响,但在接近建筑物端部的AA’剖面上的街谷流场受影响程度远大于靠近建筑物中心的EE’剖面上的街谷流场.随着上游阻挡建筑间距增大,前者不仅涡流形态发生变化,街谷内气流速度也明显减小.

为了更清晰地看出目标街谷内的气流速度随着上游阻挡建筑间距变化的规律,图3分别给出了靠近建筑物中心和端部的位置p和q(图1)处,气流速度沿高度的变化曲线.

由图3给出的速度廓线可知,在靠近建筑物端部的位置p处,随着上游建筑间距增加,街谷近地面气流速度减小而上方气流速度增大.但在靠近建筑物中心的位置q处,则表现出相反的规律.显然,上游阻挡建筑间距对街谷内不同区域气流的影响作用不同.

为得到阻挡建筑对街谷内气流和浓度分布影响的统计结果,在街谷围成的高度分别为20m和2.5m的空间(全空间和人员空间)内均匀设点,自数值模拟结果中提取相应的计算值.其中相邻的取值点间距为1.0m,最边缘处的点距建筑壁面或地面0.5m,取值点总数分别为21000个和2730个,取值区域见图4.设街谷内靠近迎风和背风建筑的1.5m宽的区域分别为背风区和迎风区,街谷中间27m宽的区域为中心区.

根据上述取值规则和数值模拟结果,可以得到每个观测点的信息.图5分别给出了上游阻挡建筑与街谷距离不同时,街谷内背风区、中心区和迎风区的风速统计情况.

由图5可以看出,随着上游阻挡建筑远离街谷,3个区域内的平均风速和风速变化范围都逐步减小,但当增大到45m后,速度不再发生明显变化.

比较图5(a)和图5(b)还可以看出,迎风区、中心区和背风区内的平均气流速度在街谷全高度空间内的统计平均值很接近,但在2.5m高度以下的人员空间内统计结果相差很大,中心区的平均速度最高.同时,人员空间的平均速度明显小于全空间的值.

湍流强度也是影响污染物扩散的主要因素之一,图6给出了上游阻挡建筑与街谷距离不同时,街谷内背风区、中心区和迎风区的湍流强度的统计情况.

由图6(b)可以看出,与风速分布类似,随着上游阻挡建筑远离街谷,背风区和中心区内的平均湍流强度逐步减小.比较图6(a)和图6(b)可知,上游阻挡建筑间距对湍流强度在全空间内的统计平均值影响很小,但对2.5m以下人员活动空间的统计平均值影响很大.另外,全空间街谷迎风区的平均湍流强度明显大于中心区和背风区,并且基本不受上游阻挡建筑距离的影响.这是因为街谷内湍动能主要源于迎风面对来流的阻挡作用,迎风面附近的湍流特征主要受来流速度和迎风面特征控制,但远离迎风面的中心区和背风区的湍流特征则不完全受控于迎风面,因此上游阻挡建筑的影响作用较明显.

上游阻挡建筑对街谷内气流速度和湍流强度的影响,将会影响到街谷内机动车污染源的扩散特征.以下将对街谷内浓度分布情况进行分析.

2.2 上游阻挡建筑对街谷内浓度分布的影响

图7(a)和(b)分别给出了街谷典型横剖面AA’和EE’(图1街谷模型)上的浓度分布模拟结果.

(a) AA’横剖面上的浓度场

(b) EE’横剖面上的浓度场

图7 不同值时街谷横剖面浓度流线图
Fig.7 Pollutant concentration distributions on plane AA’ plan (= 5m) and EE’ plan (= 25m) with different

由图7(a)可以看出,当上游阻挡建筑距离街谷较近时,街谷内高浓度仅出现在背风区和地面附近,这与已有文献[7-9]研究中给出的无上游建筑的街谷内浓度分布特征类似.而图7(b)表明,当上游建筑与街谷距离增大到60m时,由于涡流中心从靠近背风区和地面的位置向迎风区移动[6],使更多的污染物向街谷中心扩散,最终不仅背风区和地面浓度很高,在街谷上方也出现了高浓度区.

造成以上差别的原因可能是上游阻挡建筑距离街谷较近时,上游阻挡建筑和街谷迎风建筑对来流的阻挡作用可以近似视作一个厚度较大的建筑集合体的作用,因此,街谷内流场和浓度分布与无上游阻挡建筑时接近,但当上游阻挡建筑远离街谷时,上游阻挡建筑不能再被视作街谷的附属建筑.这时,街谷内气流将更多地受上游阻挡建筑与街谷之间区域气流的影响,而这个区域内的流场几乎完全受控于上游建筑和该区域的尺度,即上游阻挡建筑与街谷的间距.图5和图6表明,随着上游建筑远离街谷,街谷内气流速度和湍流强度均逐步下降,这势必减弱街谷对污染物的扩散消除能力,进而造成街谷内污染物平均浓度上升.

由图8(a)可见,在靠近建筑端部的位置p处,上游阻挡建筑间距影响作用很大.当高度<5m时,15m和30m间距下的浓度最高,但随高度升高迅速下降;在5~15m的范围内,浓度随高度变化相对较平稳;当> 15m时,不同间距下的浓度比较接近,间距的影响减小.由图8(b)可以看出,在靠近建筑物中心的位置q处,尽管与= 15m时相比,= 30m时污染物浓度仅略微增长,但总体上表现为随着上游阻挡建筑间距增大,污染物浓度越高.

作为进一步的比较和说明,图9给出了街谷内污染物浓度统计结果.

由图9(a)的结果可以看出,全空间中心区和迎风区的浓度平均值均随着的增大而明显升高,虽然在从15m增加到30m时,背风区的平均浓度变化不明显,但总体变化规律与中心区和迎风区一致.主要原因是平均气流速度随着增大而减小(图5),气流对污染物的稀释和扩散作用减弱.

图9(b)则显示,人员空间的浓度随的变化特征与全空间不同,仅浓度变化范围随着增大而减小,浓度平均值并没有明显变化.因此,可以认为,上游阻挡建筑间距对目标街谷上部空间的平均浓度影响较大,对街谷下部空间的平均浓度影响不大.但是随着的增大,街谷下部空间浓度的空间分布趋同性增强.

为明确上游阻挡建筑间距对街谷内污染物浓度的改变作用,定义街谷内污染物浓度的改变率为

式中:为1或2,当1时研究空间高度为20m,当2时研究空间高度为2.5m;0i表示= 15m时的无量纲浓度值;C则表示分别为30,45,60m时的无量纲浓度值.

图10给出了相对于=15m时,上游阻挡建筑间距为=30,45,60m时,街谷污染物浓度的改变率.

由图10可以看出,增加使得街谷全空间内的平均浓度增大7%~36%,并使近地面平均浓度降低了15%~41%.近地面浓度的下降显然有利于改善街谷内行人的呼吸环境,而全空间浓度升高将会对临街建筑室内空气环境构成较强的室外污染源.可见,增大上游阻挡建筑与街谷的间距利弊皆有.因此,在能够满足建筑日照要求的情况下,街谷临街建筑与上游阻挡建筑的距离不必刻意增大,这同时也顺应了城市用地紧张的局面.

3 结论

3.1 在常规建筑间距范围内,随着上游阻挡建筑远离街谷,街谷湍流强度、平均风速和风速变化范围都逐步减小.

3.2 当上游阻挡建筑与街谷的距离较小时,街谷中心污染物浓度分布规律与无上游建筑的情况相似,但随着增加,不仅街谷背风面和地面附近浓度高,在街谷上方也有较大高浓度区.

3.3 在常规范围内增大上游阻挡建筑与街谷的距离对近地面行人所在空间的空气品质有改善作用;但会导致街谷空间平均浓度明显增加,这将影响到临街建筑室内空气环境.因此,建议街谷临街建筑与上游阻挡建筑的距离不必过大.

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* 责任作者, 教授, zhongkeyx@dhu.edu.cn

Impact of the distance between the upstream buildings and the street canyon on the air environment in the street canyons

CHEN Xiao-meng, KANG Yan-ming, YANG Fang, ZHONG Ke*

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)., 2016,36(7)：1967~1973

Urban street canyons are always blocked by upstream buildings. To evaluated the block effects on the air flow in a canyon, numerical simulations were conducted to investigate the impacts of the distances between the upstream building and the street canyon () on the air environment in the street canyons. In the range of the normal intervals between the buildings, the turbulence intensity, the averaged velocity and the fluctuation of the wind velocity in the street canyons would be decreased with increase of the value of, and this would lead to increments of the averaged pollutant concentration by 36% within the canyon and by 41% in the near ground region ifincreased from 15m to 60m. Therefore, large value ofis not necessary for building design in practice.

upstream buildings；distance；street canyon；wind speed；turbulence intensity；pollutant concentration

X51

A

1000-6923(2016)07–1967-07

陈晓萌(1991-),女,湖北十堰人,东华大学硕士研究生,主要从事城市大气环境与室内空气品质研究.

2015-12-10

国家自然科学基金(40975093,41275157);上海市教委科研创新重点项目(14ZZ073)