華鳳皎， 亢燕銘， 鐘 珂

(東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620)

建筑體型廓線對建筑物表面粒子沉積特性的影響

華鳳皎， 亢燕銘， 鐘 珂

(東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620)

選取典型建筑體型，利用計算流體力學方法研究了建筑體型對氣溶膠粒子在建筑表面沉積速度和沉積通量的影響．結果表明：迎風面寬度是影響氣溶膠粒子在建筑表面沉積速度和沉積通量的重要因素，且迎風面和背風面對其的影響規(guī)律不同；建筑表面上氣溶膠粒子的沉積通量隨著其粒徑的變化而變化，且不同建筑表面最小沉積通量對應的粒徑不同．

建筑體型； 建筑外表面；慣性沉積； 沉積速度； 沉積通量； 氣溶膠粒子

目前，城市大氣霾污染已成為我國重要的環(huán)境問題．工業(yè)過程、機動車尾氣以及其他人類活動產(chǎn)生的氣溶膠粒子，不僅對人體健康產(chǎn)生威脅，也將對建筑物、構筑物以及其他各種市政設施產(chǎn)生嚴重污染腐蝕和損害，如建筑表面的粒子沉積會影響其圍護結構的熱工性能及美觀要求．近幾年，隨著霾天氣在我國大范圍地區(qū)的頻繁出現(xiàn)，這種氣溶膠污染效應也變得越發(fā)嚴重．即使大氣中有害氣溶膠已被有效清除，沉積在建筑物表面的粒子仍然會長時間地影響建筑物附近的空氣質量．為了減少氣溶膠粒子造成的危害，須對這些粒子沉積特征有清楚的認識．此外，古建筑的保護也需要了解和預測建筑各表面的粒子沉積情況，通過對建筑物墻體進行及時清洗，減弱氣溶膠對文物和古跡的腐蝕．

粒子在固體表面的沉積特性研究報道較多.如文獻[1]給出了封閉空間內(nèi)均勻湍流粒子沉積的解析解．文獻[2]對粒子的沉積速度進行了參數(shù)化分析，給出了計算粒子干沉積速度的簡化公式．文獻[3]采用多層箱體模型模擬了包含多種地表形態(tài)的大尺度區(qū)域粒子的沉積通量，但并沒有求解區(qū)域內(nèi)的流動情況．文獻[4]采用離散軌跡模型研究了不同通風房間內(nèi)粒子的質量濃度分布和沉積特性．文獻[5]研究了城市環(huán)境下墊面、建筑物墻體和屋頂?shù)臍馊苣z粒子沉積速度，指出僅用一個或幾個物理量來表示城市氣溶膠粒子沉積速度的方法過于簡化了對問題的分析．

上述文獻側重于研究粒子沉積速度與氣流分布的關系以及室內(nèi)粒子的沉積，均沒有考慮建筑體型對室外粒子在墻面沉積的影響．通常情況下，粒子的沉積效應主要受擴散和慣性的共同作用[6]．由于不同建筑物體型對氣流的阻擋效應和其周圍流場特征不同，導致了粒子在不同體型建筑周圍隨氣流運動時的動力學行為的差異．

為考察不同的建筑體型廓線下粒子在建筑物表面的沉積特征，本文將針對城市中常見的點式建筑和條形建筑體型，采用計算流體力學方法構建粒子沉積模型，分析建筑體型對其圍護結構外表面上的粒子沉積特性的影響．

1 數(shù)值計算模型和方法

1．1 數(shù)值計算模型

表1給出了典型建筑體型的特征參數(shù)，其中，建筑體型尺寸長為L，寬為W，高度為H．計算區(qū)域的大小對于計算量和模擬結果的準確性會造成影響，當計算區(qū)域長度和高度不小于建筑物高度的5～6倍時，可消除邊界效應對計算結果的影響[7-8]．因此，本研究中計算區(qū)域高度取為6H，入口距建筑物迎風面的距離為5H，出口距建筑物背風面距離為10H．本文建筑體型case 2 L的計算區(qū)域如圖1所示．

表1 建筑體型尺寸

圖1 模型計算域及網(wǎng)格示意圖Fig．1 Schematic diagram of the computational domain and enlarged mesh

采用Gambit軟件對求解區(qū)域進行非結構化網(wǎng)格劃分，并對建筑外表面附近區(qū)域進行網(wǎng)格局部加密處理，而其他區(qū)域則采用正常尺寸網(wǎng)格來優(yōu)化整體網(wǎng)格數(shù)量并節(jié)約數(shù)值計算成本．模擬計算前，進行了網(wǎng)格獨立性檢驗，即增加網(wǎng)格數(shù)，直至網(wǎng)格數(shù)的增加對計算結果沒有影響為止[9]．經(jīng)檢驗，最終網(wǎng)格數(shù)量為163～291萬．

1．2 計算方法和邊界條件的設定

湍流流場可以采用不同的湍流模型進行模擬，為節(jié)約計算成本并獲得簡潔合理的數(shù)值結果，根據(jù)文獻[10-13]可知，標準κ-ε模型能很好地模擬本文條件下的湍流流場，其中壁面湍流特征用標準壁面函數(shù)描述，采用有限容積法離散控制方程，并對動量、湍流動能κ、能量耗散率ε的輸運方程采用二階迎風格式進行差分，以提高計算精度．

污染物輸送質量濃度變化的對流擴散方程為

(1)

式中：Ci為污染物質量濃度；K為粒子擴散系數(shù)；Si為污染源項；uj為j方向的速度分量；xj為笛卡爾坐標分量．

計算域的進口邊界條件設為速度入口，風速大小采用速度廓線形式．風速的垂直特性與地形及地面粗糙度有關，速度廓線可由指數(shù)律分布[14-16]表示，如式(2)所示．

(2)

式中：z為任一高度， m；zs為參考高度， m；u(zs)為zs處的參考風速， m/s， 考慮到城市區(qū)域的穩(wěn)定氣象條件，本文取20 m高度處的風速為2 m/s；α為地面粗糙系數(shù)(風剖面冪指數(shù))，本文α取0．25[17-18]．速度廓線采用C++語言用戶編程并與Fluent程序提供的UDF(user-defined functions)對接．

計算區(qū)域出口處可視為充分發(fā)展的湍流，采用出流邊界條件(outflow)，即該流出區(qū)域的質量流率和流入?yún)^(qū)域的質量流率相等．建筑表面及地面采用無滑移條件，其余各面則采用滑移速度邊界．

假設城市背景氣流中粒子質量濃度均勻，因此，設每種粒徑粒子在計算域進口處空氣中的質量濃度為10 μg/m3．城市大氣中，氣溶膠粒子的粒徑范圍很廣，生物有害性粒子尺寸(空氣動力學直徑)通常在1～10 μm范圍，其中2 μm左右及以下的粒子占絕大多數(shù)[3]，粒子密度約為1 300 kg/m3[19]．故本文選取粒子密度取ρp= 1 500 kg/m3，對粒徑dp=0．5， 1．0， 1．5， 2．5， 3．5， 5．0， 7．0和10．0 μm分別進行計算和分析．

1．3 粒子輸運理論基礎和計算方法

粒子在空氣中的輸運模擬采用歐拉法，選用混合模型求解第二相粒子的動量和體積分數(shù)．大氣環(huán)境中粒子可視為稀薄相，只考慮流場對顆粒物的單向耦合作用．壁面處的粒子沉積通量J可用式(3)計算．

(3)

式中：CVOF-dA為靠近壁面控制體中粒子相體積分數(shù)；vd-dA為某一點粒子的沉積速度； dA為控制體壁面的面積；Awall為建筑物表面面積．

建筑物不同外表面上的粒子沉積速度vd為垂直面上的沉積速度vdv

(4)

朝上的水平面沉積速度vdu

(5)

式中：vs為粒子的終端沉降速度， m/s；u*為摩擦速度， m/s； 參量I的具體表達式見文獻[20]；u*為通過流體的湍流動能k， m2/s，由式(6)計算得到．

(6)

1．4 數(shù)值模型的合理性驗證

為了保證數(shù)值模擬方法分析建筑流場分布特征的可靠性，需要對所采用數(shù)學模型進行驗證．本文利用漢堡大學氣象研究所提供的BLASIUS風洞試驗數(shù)據(jù)庫[21]對速度場進行驗證．模擬參數(shù)與試驗保持一致，模型采用邊長為125 mm的立方體，入口風速采用速度廓線，參考高度500 mm處的參考風速為6 m/s，風速廓線指數(shù)為0．22．采用文獻[22]的試驗結果驗證濃度場，具體如下：風洞中的模型尺寸為60 mm×60 mm，其長度與風洞長度相等，充分發(fā)展區(qū)的風速廓線指數(shù)為0．20，參考高度650 mm處的參考風速為3 m/s．污染物質量濃度采用無因次濃度C*來表示，如式(7)所示．

(7)

式中：Ci為i點處的污染物質量濃度， kg/m3；q0為污染物散發(fā)強度， kg/s；Ls為污染源長度，取0．9 m．

建筑迎風區(qū)和背風區(qū)的數(shù)值計算結果與風洞試驗結果如圖2所示，其中u(z)為沿無量綱高度Z(Z=z/H)方向的氣流速度分量．由圖2(a)可以看出，本文模擬結果在建筑物高度范圍內(nèi)與風洞試驗結果吻合得比較好．圖2(b)給出的污染物質量濃度分布驗證說明，迎風區(qū)質量濃度計算值與實測值符合得較好，背風區(qū)幾乎完全吻合．因此，本文采用的數(shù)值模型可以很好地預測城市中單體建筑物附近的氣流流動狀況和粒子質量濃度分布情況．

(a) 氣流速度

(b) 質量濃度

2 模擬結果與分析

2．1 建筑體型對建筑附近氣流速度的影響

對表1給出的各建筑體型逐一進行了模擬．在case 1L和case 3L兩種典型情況下，在z=5 m高度處建筑周圍的氣流流線分布如圖3所示．

圖3 典型建筑z=5 m平面上的氣流流線分布Fig．3 Streamline distributions on typical planes of the buildings at z=5 m

由圖3可以看出，由于建筑物對來流的阻擋，導致在建筑側面及背風面區(qū)域均會形成渦流．由于case 3L的迎風面寬度較大，其背風面形成的回漩渦流區(qū)域也明顯大于case 1L． case 3L側面近壁區(qū)完全處于渦流狀態(tài)，而case 1L側面較長，渦流主要分布在擾流區(qū)前端．二次流的分布不同可能會導致粒子沉積到建筑物表面的概率不同，從而造成建筑表面粒子沉積通量的差異．圖3還表明，不同體型的建筑物附近的氣流流動速度不同，可能會導致建筑物不同表面的粒子沉積速度有所不同．

為定量分析建筑各表面附近氣流速度的差異，圖4給出了距離建筑物背風面、迎風面和側面0．25 m處投影平面的垂直中心線上氣流速度沿無量綱高度Z的變化情況．

(a) 迎風面

(b) 背風面

(c) 側面

由圖4(a)可見，在迎風面附近，高度相同、體型不同的建筑物附近氣流速度變化曲線相似，僅在Z<0．3的近地區(qū)域略有不同．高度不同的建筑物附近氣流速度變化趨勢也基本一致，這表明建筑體型和高度對迎風面中心附近氣流速度的影響很?。畯膱D4(b)和4(c)中可看出，建筑物背風面和側面的氣流速度受建筑體型和迎風面寬度影響很大．不同體型的建筑物背風面在Z<0．3的近地區(qū)域氣流速度基本相等，上部流速隨著迎風面寬度增大而增大，且建筑物越高，規(guī)律越明顯．另外，較高建筑的背風區(qū)氣流速度也高于相同平面結構的較低建筑．

由圖4(c)還可以看到，在case 2L/case 2H和case 3L/case 3H兩種情況下，建筑側面近地區(qū)域的氣流速度很接近，且遠大于case 1L/case 1H的氣流速度．這是因為前者建筑側面尺寸較小，建筑側面完全位于渦流區(qū)內(nèi)，流速受渦流影響而明顯增大，而后者側面部分的前端區(qū)域位于渦流區(qū)內(nèi)，而所考察的速度樣本點位置已在渦流區(qū)外，故氣流速度較小．這一差別將會對粒子在建筑物表面的沉積特性產(chǎn)生影響．

2．2 建筑各表面上的粒子沉積通量

由數(shù)值模擬結果和式(3)沉積通量的計算可以得到表1中6種情形的迎風面、側面、背風面和屋頂上粒子沉積通量J與粒徑dp的關系，結果如圖5所示．

由圖5(a)可知，不論建筑高低，均表現(xiàn)為迎風面越寬，迎風面上的沉積通量越小，此外，粒子粒徑越小，沉積通量受建筑體型影響越小.這是因為小粒子的沉積主要受擴散機理控制，而大粒子的沉積主要受慣性力控制．由于建筑體型是通過影響周圍流場來影響粒子沉積效果的，因此只能影響到受慣性力控制的大粒子的沉積效果．

(a) 迎風面和側面

(b) 背風面

(c) 屋頂

(d) 建筑物總表面

另外，比較不同建筑體型中迎風面最小沉積通量對應的粒子直徑可以看到，除了迎風面面積較小的case 1H迎風面上的最小沉積通量對應粒徑為2．5 μm外，其他體型建筑對應粒徑均為3．5 μm．這是因為case 1H對氣流的阻擋作用小，迎風面附近氣流平均速度大于其他建筑體型的情況，粒子受到的慣性作用大，故導致最小沉積通量對應的粒徑小于其他建筑體型．由圖5(a)還可以看到，雖然側面粒子沉積通量略小于迎風面，但沉積通量隨粒徑的變化曲線與迎風面非常相似，最小沉積通量對應的粒徑也是3．5 μm．

由圖5(b)可見，背風面上沉積通量隨粒徑的變化規(guī)律為，迎風面越寬，背風面粒子沉積通量越大．此外，對比圖5(a)和5(b)還可以看到，背風面上的沉積通量明顯小于迎風面，同時最小沉積通量對應粒徑較大，約為5．0～7．0 μm．這是因為背風面附近氣流速度遠低于迎風面，故粒子在這里受到的慣性力較小，于是最小沉積通量對應的dp必然增大．由圖5(c)可看出，在重力沉降的作用下，屋頂上的沉積通量隨著粒徑的增加單調(diào)上升．由于屋頂表面附近的局地風速受建筑體型的影響較小，故不同建筑體型的沉積通量差別很?。蓤D5(d)可知，由于屋頂水平面上的沉積通量遠大于其他垂直表面的沉積通量，建筑物表面總的沉積通量主要取決于屋頂上的沉積通量，因此，其與屋頂上呈現(xiàn)出相同的沉積規(guī)律．

2．3 建筑體型對沉積速度的影響

根據(jù)氣溶膠動力學原理[23-24]，粒子的沉積速度與建筑物附近氣流速度密切相關．為了對建筑物表面沉積情況進行總體評價，在距離建筑物表面0．25 m的投影平面上均勻取點，每個點間距1 m，取值點總數(shù)為442～2 502，提取這些取樣點處的數(shù)值結果來討論氣溶膠粒子在外墻面的沉積規(guī)律． 根據(jù)流場的數(shù)值模擬結果和式(4)和(5)，在不同建筑體型下，dp=0．5和10．0 μm的粒子在建筑迎風面、背風面、側面和屋頂上的沉積速度統(tǒng)計結果如圖6所示．

(a) 迎風面

(b) 背風面

(c) 側面

(d) 屋頂

由圖6(a)可見，在兩種建筑高度下，均表現(xiàn)為迎風面越窄，粒子沉積速度越大的特征．由圖6(b)可知，背風面與迎風面表現(xiàn)出的規(guī)律則恰好相反．這一規(guī)律在高建筑(即H=40 m)上表現(xiàn)得更為明顯．這可能是由于迎風面尺度越大，背風區(qū)的湍動能亦越大，故式(6)中的摩擦速度將增加，從而使得沉積速度增大．

圖6(c)中表明，粒子在建筑側面上沉積速度與迎風面沉積速度在量級上相當，但與建筑體型和迎風面寬度的關系并沒有非常明確的相關性．這很可能是因為，不同體型的側面寬度不同，而建筑側面空氣流動情況受到迎風面和側面尺寸的共同影響．由圖6(d)可見，dp=10．0 μm的粒子在屋頂上的水平沉積速度明顯高于dp=0．5 μm粒子的沉積速度.這是因為大粒子還會受到重力沉積的作用，從而強化了大粒子的沉積．此外，屋頂上的沉積速度與建筑體型和迎風面寬度的相關性與背風面相同，即沉積速度隨著迎風面寬度的增大而增大．綜合以上分析，可以認為迎風面寬度W與沉積速度vdv存在明確的相關性．

為評價建筑物迎風面寬度W對粒子沉積效果的影響，現(xiàn)以迎風面寬度最小的case 1L和case 1H為基準，定義其他建筑模型表面不同dp粒子的沉積速度和沉積通量變化率η，如式(8)所示．

(8)

式中：Y代表沉積速度vdv或沉積通量J；x=2， 3，分別為表1所示的case 2和case 3類型的建筑；i=L， H，分別表示低建筑和高建筑．

根據(jù)以上定義，圖7給出了不同建筑體型迎風面上的粒子沉積通量變化率η與其粒徑的關系．

圖7 不同建筑迎風面上不同粒子沉積通量 變化率隨其粒徑的變化Fig．7 Changed ratios of deposition flux with dpon windward of different buildings

由圖7可以看到，建筑迎風面寬度的增大將使得所有粒徑的粒子在迎風面的沉積通量均產(chǎn)生不同程度的減小，這與上述迎風面寬度對粒子沉積速度的影響的結論相吻合．由圖7還可以看到，迎風面寬度對粒子沉積通量的影響程度隨著粒徑和建筑高度的增大而增加．

為了比較建筑體型對粒子沉積速度和沉積通量的影響程度，圖8分別給出了dp=0．5和10．0 μm的粒子在建筑迎風面和背風面上沉積速度與沉積通量變化率η．

(a) 迎風面

(b) 背風面

由圖8(a)可以看到，迎風面上的粒子沉積速度與沉積通量的變化率η的變化規(guī)律保持一致，隨著迎風面寬度和建筑高度的增加，迎風面上的粒子沉積速度和沉積通量都減小，且粒徑越大越明顯．由圖8(b)可以看到：對于較高的建筑，迎風面寬度較大的體型使得背風面上大粒子和小粒子沉積速度和沉積通量都增大，但沉積通量的增大幅度明顯低于沉積速度；對于較低建筑，背風面沉積速度隨著迎風面寬度增大而增加，但沉積通量卻出現(xiàn)了減小現(xiàn)象．這是因為沉積通量由沉積速度和粒子質量濃度共同決定，沉積通量沒有完全隨著沉積速度的增大而增加，這可能是建筑表面粒子質量濃度隨迎風面寬度變化的規(guī)律與沉積速度不一致造成的．為此，圖9給出了不同建筑體型下建筑中心剖面上dp=0．5 μm粒子的質量濃度分布．

圖9 不同建筑體型中心剖面上的粒子質量濃度分布Fig．9 Particle concentration distributions on centre section of different buildings

由圖9可以看到，由于沉積效應對粒子的清除作用，隨著迎風面寬度的增大，背風面附近的粒子質量濃度下降，因此，使得粒子沉積通量隨迎風面寬度增加的幅度減小(對于較高建筑)．盡管隨著建筑迎風面寬度增加，粒子沉積速度增大，但當沉積速度的增大量不足以抵消粒子質量濃度的減小量時，沉積通量隨迎風面寬度增大的變化趨勢就不再與沉積速度相同．

3 結 語

建筑物表面的粒子沉積不僅嚴重影響建筑外觀，而且在雨雪沖刷和太陽輻射的共同作用下，還會因外墻材料的腐蝕而改變圍護結構的熱工特性和室內(nèi)熱環(huán)境．由于建筑物的體型對其周圍流場有重要的畸變作用，進而影響到隨背景空氣輸送的大氣氣溶膠在建筑物表面上的沉積特性，但相關的研究還很缺乏．因此，本文應用粒子沉積模型和計算流體力學方法，對幾種典型體型廓線的建筑表面上粒子沉積特性進行了數(shù)值計算和分析，討論了不同表面上發(fā)生粒子沉積的特征．主要結論如下：

(1) 由于不同體型建筑對來流的阻擋作用不同，形成了不同的流場特征．本文模擬結果表明，建筑迎風面尺寸對流場的影響作用大于建筑高度的影響效果．因此，建筑高度增大雖然增大了迎風面面積，但對粒子沉積速度的影響沒有迎風面寬度變化的作用明顯．

(2) 隨著建筑物迎風面寬度的增大，建筑迎風面上粒子沉積速度將會下降，但在背風面上的沉積速度則會升高．建筑物迎風面上的粒子沉積通量隨迎風面寬度的變化規(guī)律與沉積速度一致，但對于背風面，由于墻面附近粒子質量濃度受迎風面寬度的影響趨勢與沉積速度不同，沉積通量與沉積速度變化規(guī)律不完全一致．

(3) 由于不同建筑表面附近氣流慣性作用不同，故不同表面上最小沉積通量對應的粒徑也不同．由于背風面處在建筑尾流區(qū)，氣流平均速度低，故粒子的慣性和湍流擴散效應均較弱，因此，背風面最小沉積通量對應的粒徑將大于迎風面和側面．

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(責任編輯：劉園園)

Effects of Building Configuration on the Particle Deposition Features on Building Surfaces

HUAFengjiao，KANGYanming，ZHONGKe

(School of Environmental Science and Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China)

The influences of building configuration on the deposition velocity and deposition flux of aerosol particles on the building surface were investigated by using computational fluid dynamics for typical building configurations． The numerical results show that the width of windward side of a building is a key factor to influence deposition velocity and deposition flux． Deposition velocities and deposition fluxes of aerosol particles are different on windward and leeward sides of the building． Deposition fluxes of aerosol particles on the building surfaces vary with particle diameters． Particle diameters corresponding to minimum deposition flux are also different for different building surfaces．

building configuration； building surface； inertia deposition； deposition velocity； deposition flux; aerosol particles

1671-0444(2017)01-0115-08

2016-03-23

國家自然科學基金資助項目(40975093)；上海市教委科研創(chuàng)新重點資助項目(14ZZ073)

華鳳皎(1989—)，女，山東煙臺人，博士研究生，研究方向為城市大氣環(huán)境與室內(nèi)空氣品質. E-mail: 2111173@mail.dhu.edu.cn 鐘 珂(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail:zhongkeyx@dhu.edu.cn

X 513； P 426．6

A