建筑架空层对街道峡谷内污染物浓度影响研究

贺广兴

（湖南人文科技学院能源与机电工程学院，湖南 娄底 417700）

0 引言

随着我国汽车保有量的增加，给城市带来一系列的环境问题，其中汽车尾气的排放对城市造成比较严重的空气污染，对城市居民的健康也造成负面影响[1-2]。尤其城市的街道峡谷受到两边高层建筑的影响，通风效果不好，污染物不容易扩散，从而造成污染物浓度升高。现有的街道峡谷中污染物扩散的研究方法中风洞实验和CFD模拟为最主要的两种手段[3-5]。

城市街道峡谷中污染物扩散的影响因素中，国内外诸多学者已通过各种方法研究了各种不同因素[6-12]对街道峡谷中污染物扩散的影响。

现有文献资料中，没有查阅到街区建筑下层的架空层结构对污染物扩散的影响，本文通过CFD模拟方法分析不同的架空结构对街道峡谷中污染物扩散的影响程度，得出最有利于污染物扩散的街道布局。

1 模型建立

1.1 控制方程

本研究采用现有资料中普遍采用的标准的k-ε模型[13]，控制方程如下：

连续性方程：

动量方程：

k与ε参数方程：

传输方程：

其中：

式中：uiuj—流体速度在i、j方向上的分量；xi、xj—i、j方向上的坐标；ρ—流体密度；p—流体压强；gi—重力加速度；v—流体运动粘性系数；μ—流体动力粘度；μt—流体湍流黏性系数；k—湍动能；ε—湍动耗散率；t—时间；Gk—湍动能产生源项；Di—组分分子扩散率；Ci—气体组分浓度；Sct—湍流施密特数；σk、—湍流Prandtl常数；、—模型常数；δij—Kronecker符号。

1.2 计算区域、网格划分及边界条件

1.2.1 模型计算区域

图1中（a）、（b）、（c）、（d）分别表示不同的街道建筑布局方式模型。（a）图为没有架空层的结构；（b）图为来流风向上的建筑架空一层结构；（c）图为背风向上的建筑架空一层结构；（d）图为两边建筑都架空一层结构。街道内部空气视为不可压缩气体。为了与后文CFD的验证模型保持统一，街道峡谷模型尺寸与后文的验证模型在尺寸上保持一致。街道模型的高度（H）和宽度（B）分别设为0.06 m，宽为0.01 m和高为0.0012 m的线污染源布置在街道中心位置。设汽车尾气中CO占比0.1%，其排放浓度设置为Qco=1×10-7m3/s。

图1 计算模型

1.2.2 边界条件

参考其他学者的相关研究文献[14]，此次模拟的入口边界条件如下：

式中：Z—距离地面高度；u(z)、k(z)、ε(z)—在Z高度位置的水平风速，湍动能和耗散系数；zref—整个计算区域高度；uref—参考风速；u*（0.325 m/s）—摩擦速度；κ（=0.4）—冯·卡门常数；Cμ=0.09；出口边界条件设置为0压力梯度；上边界为对称边界条件，其他边界为无滑移边界。

2 模型验证

CFD结果的可靠性利用Meroney的风洞实验进行验证[15]。风洞实验中，模型建筑高度和街道宽度都设为0.06 m；0.01 m宽和0.0012 m高的街道线性污染物（乙烷）和空气混合气体作为汽车尾气排放源布置在街道中心位置，来流风向垂直于街道，污染物浓度测量点布置在街道旁建筑的两侧，模型及监测点示意图分别如图2（a）、（b）所示。

图2 风洞实验模型

风速入口边界条件参照原实验，计算式如下：

式中：d0=2 mm；u(z) —Z高度处的风速；(δu)—高度0.5 m处的平均风速；指数α=0.28。

污染物浓度归一化处理[16]：

式中：C—乙烷体积浓度；Uref—参考风速，m/s；H—建筑高度，m；L—线源长度，m；Qe—污染物散发源强，m3/s。

模拟结果和实验结果对比结果如图3所示，由图可知，模拟结果与实验结果基本一致，迎风面两者数据基本重叠。背风面两个模拟数据与实验重合，另外两个数据一个稍微高于实验数据，一个模拟数据略低于实验数据，整体趋势保持一致，验证了模拟结果的可靠性。

图3 计算值与实验测量值对比

3 结果及讨论

3.1 峡谷内部流场分布

图4展现了不同架空层布置方式对流场的影响情况。图4（a）为没有布置架空层时流场的分布情况，由于来流风的切应力影响在内部和建筑后面形成了一个主要的顺时针涡旋。峡谷内部由于空气的涡旋运动，污染物不容易向外扩散，造成内部污染物浓度高；图4（b）为风来流方向建筑下层布置架空层的流场分布。与图（a）相比，峡谷内部的流场有了比较大的变化，中间部分形成了一个主涡旋，来流空气从建筑下部架空层进入峡谷，从右侧建筑上部流出了峡谷。由于流出的空气带走部分污染物，从而有利于峡谷内部污染物浓度的稀释。同图（a），建筑后面也形成一个比较大的顺时针涡旋。图4（c）为背风方向建筑下层布置架空层的流场分布。峡谷内部形成一个主要涡旋，外侧气流从右侧建筑下部进入峡谷，从上侧离开，可以带离部分污染物，有利于污染物浓度降低。同样，在建筑后面也形成一个大的顺时针涡旋。图4（d）为道路两侧建筑下方都布置架空层的流场分布。可以看出，峡谷内部形成了一个顺时针涡旋，底部的空气随流场直接离开峡谷。此种情况底部气流可带走大部分峡谷内部的污染物。建筑后面没有形成一个比较明显的涡旋，此种情况最有利于内部污染物的扩散。

图4 流场分布

3.2 峡谷内部CO浓度分布

不同架空层布置方式下街道峡谷内部CO浓度分布情况如图5所示。由图5（a）可知，在无架空层时，峡谷内部CO充满整个内部，其中高浓度区域集中在左下角区域，右侧区域的CO浓度比较低。峡谷内部的顺时针涡旋［图4（a）］导致污染物不容易扩散，聚集右侧区域。图5（b）为在风来流方向上的建筑下层设置架空层，与图5（a）相反，受流场的影响，CO主要集中在峡谷右侧下部区域，由于底部空气随流场离开峡谷，对污染物起到较好的稀释作用，CO浓度较图5（a）有所下降。图5（c）为背风建筑下层设置架空层，与图5（a）相似，由于在峡谷内部也形成了一个主要的顺时针涡旋，导致CO的浓度分布情况也类似。主涡旋外侧也形成了一个更大的涡旋，峡谷上部空气随外层大涡旋部分离开峡谷，底部又部分回到峡谷内部，此种情况造成了底部的通风效果较图5（a）得到部分提升，有利于CO的扩散。图5（d）峡谷两侧建筑都设置架空层，从流场分布情况可知，峡谷底部的通风效果得到显著提升，CO在峡谷内部的扩散能力也得到提高，污染物源散发的CO随底部流场离开峡谷，从而导致整个峡谷内部的污染物浓度显著降低。

图5 峡谷内CO浓度分布

4 结论

（1）架空层的布置对街道峡谷内部的流场有显著影响。设置架空层可以改变峡谷内部及背风建筑后的流场分布，尤其两旁建筑都设置架空层时影响最大。

（2）架空层对峡谷内部污染物浓度也存在明显影响。设有架空层可降低峡谷内部污染物浓度，背风方向上设置时影响较小，其次是风来流方向上设置，最理想的为两旁建筑都设置架空层。