高层建筑污染物室外扩散的CFD 模拟研究

肖小野 李瑞彬 高乃平

1 同济大学基建处

2 同济大学机械与能源工程学院

0 引言

本文通过对某生科大楼的楼顶污染物排放在上海典型气象条件（夏季东南风和冬季西北风）下的扩散过程进行CFD 模拟，通过对生科大楼及周边环境的模型建立、计算域的合理选取、边界条件的合理设定，分析生科大楼周围的污染物扩散与排放源浓度、建筑方案、周边环境的关系，为相似建筑物的规划布局与设计优化提供参考，为动物房的建设选址与运行维护提供污染物排放控制方面的理论依据。

1 工程概况

上海市某生命科学实验综合楼，塔楼高度100 m，模式动物中心设在在地下三层。因场地周边建筑物密集，且南侧有居民住宅，模式动物中心的污染物排放对周边环境影响是否可接受，成为项目立项的关键问题。项目区位及效果图如图1 所示。

图1 项目区位及效果图

2 模型及计算工况

2.1 CFD 模拟计算域的选取

不同于室内环境的模拟，建筑室外空间是一个无限大的大气空间，除了地面是真实的物理边界，其余不存在真实的物理边界来围合形成一个闭合的流域，因此需要人为地建立一个虚拟的闭合空间作为流体的计算区域。由于气流通过建筑在计算域内流动时，建筑所在的区域过流断面面积减小，若计算域过小，气流通过建筑主体区域时会产生明显的加速效果。可想而知，计算域取得越大，计算越符合真实情况，但过大的计算域会造成不必要的计算量，浪费计算资源和计算时间。

基于敏感性测试，各类导则中定义计算域大小的方式有以下三种：1）该处建筑或城市区域到各计算域边界的最小距离（表1）。2）给出允许的最大阻塞比。3）同时给出计算域边界距离和阻塞比两项要求，取其中尺寸较大的一种方案。阻塞比是从风洞实验中发展出来的概念，是指建筑在横截面上的投影面积与整个计算域的过流横截面面积之比。各类导则中对阻塞比的最大值要求均在3～5%之间，AIJ 和COST 导则对阻塞比的要求均是小于3%，Liu[1]也指出对于计算域的高度，阻塞率应低于3%，四个水平方向上的边界层应至少保持5 匀的距离，以便在尾流区域后方建立真实的流动。

表1 AIJ[2]与COST[3-4]中计算域边界到建筑边界的距离要求

Meroney[5]实验中的开放街道峡谷计算域如图2所示，研究发现街道峡谷前面的距离A 的选取对街道峡谷内污染物浓度分布影响较大，为保证来流的充分发展，其值不能太小。当距离A ≥3 匀、B≥3 匀和C≥8 匀时，计算域的选取为不影响街道峡谷内污染物浓度的分布。对于城市街道峡谷，将计算域简化为如图3所示。

图2 开放街道峡谷计算域

图3 城市开放街道峡谷计算域

陈亚洲[6]通过对东风、东南风和东北风3 种风向下南京某小区内的风环境进行数值模拟，并对小区的风环境品质进行了评估，其计算区域的下游区取小区宽度的4 倍，高度取最高建筑的3 倍，采用速度进口，给定边界层规律的梯度风，计算域的两个侧面和顶面采用对称边界条件，将地面和建筑物设置为固体壁面边界，并使用无滑移边界条件，出口为压力出口，设置为环境压力。

上海市地方标准DB31/T922-2015《建筑环境数值模拟技术规程》[7]中指出，风环境和自然通风模拟的计算域应参照模拟对象的特征尺寸确定（如图4 所示），应保证计算域的独立性，以不影响模拟对象的计算结果为基本原则。标准中规定，计算域水平方向的长和宽应在模拟对象各方向延伸4 匀～6 匀，垂直方向高度应在3 匀～6 匀，其中，特征尺寸为计算域最高建筑的高度匀。

图4 建模域与计算域的确定原则示意图

本次模拟依据上海市地方标准DB31/T922-2015《建筑环境数值模拟技术规程》确定建模域与计算域如图5 所示，其中垂直方向上高度取4 匀（其中匀为特征尺寸，本文取对象建筑群中室外最高建筑高度作为特征尺寸，为100 m）。

图5 室外污染物扩散CFD 模拟计算域

2.2 三维模型的建立

依据上面确定的计算域原则，建立三维模型并进行网格处理，如图6～8 所示。

图6 三维模型图

图7 计算域面网格

图8 生科大楼与污染物排放源处网格

三维模型网格数为2837 万。上海市地方标准DB31/T922-2015《建筑环境数值模拟技术规程》规定：距离地面1.5 m 高度内纵向网格不应小于3 格。在本模拟中，0～3 m 有10 层网格，网格间距为0.3 m。

2.3 边界条件的设置

2.3.1 入口边界条件设置

室外风、热环境模拟的基础边界条件为室外风速、风向和室外温度，需要根据项目目的地的实测值以及模拟目的确定基础边界条件，室外风环境基础边界条件如表2 所示。

表2 室外风环境基础边界条件

高度方向上风速按照“指数定律”设定具有梯度特征的风速边界条件，如式（1）所示。

式中：V-高度为Z 处的风速，m/s；V0-基准高度Z0处的风速，m/s，上海市地方标准DB31/T 922-2015《建筑环境数值模拟技术规程》中取10 m 处的风速；a-底面粗糙度指数。

地面粗糙度指数按照如下方式进行确定：上海内环线以内：0.30；上海外环线和内环线之间：0.22；上海外环线以外：0.15；外环线以外的例外情况：郊区、郊县的城镇中心，且目标建筑（群）周边500 m 范围内绿地或农田面积占比≤50%：0.22。

本文模拟的生科大楼位于上海市内环线以内，因此CFD 模拟计算时，地面粗糙指数取0.30。风廓线如图9 所示。

图9 风廓线

2.3.2 污染物排放源处边界条件设置

室外风、热环境模拟的基础边界条件为室外风速、风向和室外温度，需要根据项目目的地的实测值以及模拟目的确定基础边界条件，高度方向上风速按照“指数定律”设定具有梯度特征的风速边界条件。污染物种类设置为氨气（NH3），污染物质量分数设置为2×10-6（即2.545 mg/m3）。污染物竖直向上散发，边界条件设置为速度入口（Velocity-inlet），风速根据设计工况设置为1.433 m/s。

计算域内的建筑物边界条件设置为Wall，计算域的侧面以及顶部设置为Symmetry 边界条件。夏季和冬季模拟工况除了入口边界风向不同外，其余设置均相同。

3 模拟结果及分析

3.1 污染物散发源处流线图

由夏季污染物散发源处流线图（如图10 所示）可以看出，在建筑背风侧形成了较大的回流区，气流会自上而下运动。由于存在回流区，会使得楼顶排放的污染物被带到下部区域。同时，在室外风的作用下，污染物随气流运动到下游区域，使得下游区域污染物浓度较高。冬季西北风向的下游区域建筑较多，在该区域建筑群内存在涡流，可能会导致污染物在建筑单体之间聚集（如图11 所示）。

图10 污染物散发源处流线图(夏季)

图11 污染物散发源处流线图(冬季)

ASHRAE Handbook 中指出，当来流风吹至建筑迎风面时会分成三个区域[8]，如图12 所示。一是在建筑高度1/2 至2/3 的地方形成一个滞止区，此区域内气流方向与建筑立面垂直。二是滞止区以上自下而上的气流。三是滞止区以下自上而下的气流，且在建筑底部会形成涡流。在建筑的背风侧，会形成一个较大的回流区，气流会自上而下运动。

图12 方形钝体周围的气流组织[8]

3.2 不同维度污染物浓度模拟结果

3.2.1 Z=1.5 m 截面处污染物质量分数云图

由于在建筑的背风侧存在较大的回流区，会使得气流自上而下运动，楼顶排放的污染物会被带到建筑下部区域，并随室外风气流运动到下游区域（如图13中的黄色圆圈所示），使得下游区域污染物质量分数较高。Z=1.5 m 截面属于室外人员活动的高度，该截面上污染物最高质量分数为8×10-10，污染物在随气流运动过程中被稀释了约2500 倍。

图13 Z=1.5 m 截面污染物质量分数随时间变化云图

3.2.2 X=800 m 截面处污染物质量分数的云图(夏季工况)

X=800 m 截面位于某高校校区内，截面上污染物最高质量分数为8×10-10，污染物在随气流运动过程中被稀释了约2500 倍（图14）。

图14 X=800 m 截面污染物质量分数随时间变化云图

3.2.3 X=1200 m 截面处污染物质量分数的云图(冬季工况)

X=1200 m 截面位于生科楼附近居民区内，该截面上的污染物最高质量分数为7×10-10，污染物在随气流运动过程中被稀释了约2850 倍（图15）。

图15 X=1200 m 截面处污染物质量分数随时间变化云图

4 讨论

上海市地方标准DB311025-2016《恶臭（异味）污染物排放标准》对恶臭（异味）特征污染物排放限值（如表3 所示）与周界监控点恶臭（异味）特征污染物浓度限值（如表4 所示）进行了规定。

表3 恶臭(异味)特征污染物排放限值[9]

表4 周界监控点恶臭(异味)特征污染物浓度限值[9]

模拟结果显示，在建筑的背风侧存在较大的回流，污染物从排放源排出后会被气流带到建筑背风侧的下部区域，并随气流运动到来流风的下游区域，污染物到达下游区域后最高质量分数只有8×10-10（即1.02×10-3mg/m3），被稀释了约2500 倍。

当污染物以最高排放浓度30 mg/m3排放时，到达下游居住区的污染物浓度可以被稀释到0.012 mg/m3，而人对氨气的嗅觉阈值为0.5～1 mg/m3。因此，上海典型风向（夏季东南风和冬季西北风）下游区域居住区内的居民闻不到臭味。

5 结论

本项目通过CFD 模拟方法对该大楼污染物室外扩散过程进行了研究，得到以下主要结论：室外污染扩散过程模拟结果显示，当动物房以最高允许排放浓度排放污染物时，污染物到达居住区的浓度被稀释到0.012 mg/m3，而对应人对氨气的嗅觉阈值为0.5～1 mg/m3。因此，本项目中上海典型风向（夏季东南风/冬季西北风）下游区域居住区内的居民闻不到臭味。

通过对污染物室外扩散的CFD 模拟，大楼建设方可对动物房的规划决策有更明确的方向，对将来交付使用后的社会效益及环境效益有积极作用。