戰(zhàn)乃巖 呂 廣 高 政 張 帥 李 進(jìn) 金陶勝

(1.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2.吉林省建苑設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，吉林 長(zhǎng)春130011；3.南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院城市交通排放研究中心，天津 300350)

隨著我國(guó)城市交通保有量不斷上升，污染物排放日益嚴(yán)重。同時(shí)，隨著建筑群密度劇增，道路兩側(cè)建筑物與街道形成眾多“街道峽谷”[1]，勢(shì)必影響交通污染物的擴(kuò)散，嚴(yán)重影響過(guò)往行人的健康。來(lái)流風(fēng)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響不容忽視，不同城市主導(dǎo)風(fēng)向差異很大，若能有效利用主導(dǎo)風(fēng)向，勢(shì)必能有效控制街區(qū)污染物的危害程度。

針對(duì)城市街谷交通尾氣污染物擴(kuò)散問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)等手段已做了一些研究。徐偉嘉等[2]研究了街道峽谷內(nèi)有兩車道時(shí)的流場(chǎng)與污染物濃度場(chǎng)，結(jié)果表明：不同車道位置對(duì)街谷底部污染物擴(kuò)散有較大影響；在道路兩側(cè)設(shè)置綠化帶使車道置于街道峽谷中央，可有效改善空氣品質(zhì)。李志遠(yuǎn)等[3]測(cè)量了高架下街谷內(nèi)可吸入顆粒物擴(kuò)散的狀況，結(jié)果表明，街谷內(nèi)沿高度方向可吸入顆粒物濃度先逐漸減小，超過(guò)高架路面高度后突增。劉慧等[4]采用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)某城區(qū)典型路段的流場(chǎng)和污染物濃度分布展開(kāi)研究，結(jié)果表明：模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)在采樣點(diǎn)處污染物濃度的相對(duì)誤差較小，變化趨勢(shì)近似相同；豎直高度越高氣流速度增大趨勢(shì)越明顯，受其影響污染物濃度下降的趨勢(shì)越明顯。WANIA等[5]研究了綠化帶對(duì)街道峽谷內(nèi)顆粒物擴(kuò)散的影響，研究發(fā)現(xiàn)，綠化帶的存在影響到街道峽谷內(nèi)顆粒物的擴(kuò)散趨勢(shì)，當(dāng)有綠化帶時(shí)顆粒物不易擴(kuò)散稀釋。XIE等[6]現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了街道峽谷交通污染物的空間分布，研究表明，機(jī)動(dòng)車排放污染物濃度與交通量變化、風(fēng)向和風(fēng)速等具有一定的相關(guān)性。

綜上，大多數(shù)研究多是針對(duì)較規(guī)則建筑布局下的街道峽谷，忽略了城市道路和建筑的復(fù)雜性對(duì)道路環(huán)境的影響，且主導(dǎo)風(fēng)向?qū)ξ廴疚飻U(kuò)散影響問(wèn)題分析不詳細(xì)。因此，本研究以城市道路某段典型的街道峽谷為研究對(duì)象，采用ICEM CFD數(shù)值模擬技術(shù)，分析不同風(fēng)向?qū)Σ灰?guī)則建筑群街區(qū)污染物擴(kuò)散影響，為街區(qū)污染物的有效控制提供一定的理論依據(jù)。

1 物理和數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

街區(qū)物理模型如圖1所示，街道峽谷區(qū)域尺寸為860.0 m×480.0 m，X軸正向?yàn)楸毕?，Y軸正向?yàn)槲飨?。街區(qū)包括4條街道(A、B、C、D)，其中東西方向的街道B為主干道，路寬45.0 m，其余3條為支路，路寬40.0 m，街道形成一個(gè)“十”字路口和兩個(gè)方向相反的“T”型路口。將街谷內(nèi)交通污染源看作連續(xù)發(fā)散的線污染源，位于街谷正中間，其寬度×高度為20.0 m×0.5 m。為保證來(lái)流充分發(fā)展，避免計(jì)算域過(guò)小引起端部效應(yīng)，造成計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差，計(jì)算域設(shè)置X、Y、Z軸向距離為2 780.0 m×2 260.0 m×600.0 m的空間，符合CFD軟件應(yīng)用要求[7]。

選擇ICEM CFD對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分難以實(shí)現(xiàn)，因此采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)長(zhǎng)方體模型進(jìn)行劃分。這種網(wǎng)格的適應(yīng)性較好，更易于計(jì)算域劃分和網(wǎng)格加密。為提高核心研究區(qū)域的計(jì)算精度，對(duì)建筑群表面和街道等位置進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，不存在負(fù)體積出現(xiàn)，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求，證明網(wǎng)格不存在畸變的問(wèn)題，網(wǎng)格質(zhì)量良好，對(duì)后續(xù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果影響很小，不會(huì)產(chǎn)生數(shù)值計(jì)算結(jié)果突變的問(wèn)題。網(wǎng)格總數(shù)為9 900 000，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為1 600 000個(gè)。

圖1 物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

利用ICEM CFD數(shù)值模擬進(jìn)行污染物擴(kuò)散研究，涉及的物理模型包括Navier-Stokes方程、連續(xù)性方程、E-ε方程及污染物擴(kuò)散模型。Navier-Stokes方程考慮了地球偏轉(zhuǎn)力、浮力的影響，采用三維非靜力不可壓縮流體模式求解風(fēng)場(chǎng)。而污染物擴(kuò)散涉及流體流動(dòng)，需應(yīng)用連續(xù)性方程[8-9]。氣流在墻體表面出現(xiàn)氣流速度剪切時(shí)會(huì)產(chǎn)生湍流，湍流動(dòng)能及其耗散率被用來(lái)計(jì)算大氣湍流的變化率[10-11]。污染物擴(kuò)散方程基于顆粒物和氣體在大氣中和表面上的動(dòng)力學(xué)經(jīng)典原理[12-13]。

1.3 邊界條件

計(jì)算域內(nèi)流體為空氣和污染氣體CO，兩者均為非定常流體，因此將計(jì)算域入口條件設(shè)置為速度入口，使用FLUENT自帶的用戶自定義函數(shù)(UDF)設(shè)定速度輪廓線，入口氣流速度采用指數(shù)型速度邊界條件(見(jiàn)式(1))[14]。出口邊界遠(yuǎn)離街區(qū)，故將邊界條件設(shè)為自由出流。計(jì)算域地面及建筑物壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件。兩側(cè)邊界和上邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界，即沒(méi)有對(duì)流通量和擴(kuò)散通量。CO是城市街區(qū)中重要的標(biāo)識(shí)性污染物，其主要來(lái)源是城市交通工具的排放，在一般的近地環(huán)境中，CO相對(duì)穩(wěn)定并不易與其他氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故選擇CO作為汽車尾氣排放物[15]，將CO散發(fā)源條件設(shè)置為恒定發(fā)散，排放源強(qiáng)度為0.000 014 kg/(m3·s)。

Uz=U10(z/10)μ

(1)

式中：Uz為距離地面z高度處的氣流速度，m/s；U10為距離地面10.0 m高處的氣流速度，m/s，取2.0 m/s；z為Z軸方向距離(即距離地面高度)，m；μ為地面粗糙系數(shù)，取0.3。

2 結(jié)果與討論

不同來(lái)流風(fēng)向會(huì)在街谷建筑群周圍產(chǎn)生不同的氣流場(chǎng)，進(jìn)而影響到污染物的擴(kuò)散，因此對(duì)比分析兩種盛行風(fēng)向(西北風(fēng)、北風(fēng))的氣流速度分布和污染物擴(kuò)散規(guī)律。

2.1 典型測(cè)試高度選擇

為獲取更清晰、有效的模擬效果，以北風(fēng)為例，考察不同高度處污染物摩爾濃度和氣流速度分布，結(jié)果見(jiàn)圖2。在北風(fēng)下，隨高度升高，污染物濃度逐漸降低，氣流速度持續(xù)上升，兩者呈現(xiàn)反相關(guān)。距地10.0 m以下為污染物高濃度聚集區(qū)域，1.6～20.0 m內(nèi)污染物濃度變化梯度較大，20.0 m以上污染物濃度變化較小，最后趨于零。高度小于40.0 m的居住建筑和公共建筑占總建筑數(shù)量的50%以上，30.0 m高度處的污染物對(duì)街谷污染物分布很重要[16]。因此，重點(diǎn)對(duì)典型高度，即1.6 m(人體呼吸面)、10.0 m(中低層)、20.0 m(多層)、30.0 m(小高層)進(jìn)行分析。

圖2 不同高度處污染物摩爾濃度和氣流速度分布

2.2 1.6 m高度處氣流速度和污染物濃度分布

如圖3所示，來(lái)流風(fēng)向改變時(shí)，街谷內(nèi)污染物濃度分布變化較大。在西北風(fēng)下，每條街谷內(nèi)污染物基本保持連續(xù)線狀分布。與北風(fēng)工況相比，污染物在主干道B居中的位置大量聚集，并在臨近街谷中央偏西處形成帶狀濃度極大值區(qū)域。在支路A、C、D中，部分線狀污染物在街谷入口附近出現(xiàn)斷裂，且在街谷中分布不均勻，其中支路C下游區(qū)域污染物不斷聚集，此處不僅匯集了上游的污染物，還聚集了部分主干道西側(cè)的污染物。同時(shí)，部分污染物向建筑群中擴(kuò)散，危及建筑群內(nèi)居民的健康。與北風(fēng)工況相比，圖4(a)中西北風(fēng)時(shí)氣流受建筑阻擋，在街谷中發(fā)生多次繞流，氣流沿X軸45°方向進(jìn)入街谷，在支路中的氣流繞流作用和北風(fēng)工況相比差異極大，街谷越長(zhǎng)，氣流在街谷中受建筑阻擋發(fā)生的繞流次數(shù)越多，進(jìn)而影響街谷內(nèi)污染物的擴(kuò)散；主干道中氣流的繞流作用減弱。街谷內(nèi)的平均氣流速度比北風(fēng)工況小很多且較穩(wěn)定，均不超過(guò)4.0 m/s，尤其在支路中A、C、D中極其明顯，未在街谷中形成類似于圖4(b)中的“狹管效應(yīng)”，僅在主干道入口和出口處形成大片氣流速度極大值區(qū)域。

圖3 兩種風(fēng)向距地1.6 m處污染物摩爾濃度分布

圖4 兩種風(fēng)向距地1.6 m處氣流速度流線

圖5 兩種風(fēng)向下距地10.0 m處污染物摩爾濃度分布

2.3 10.0 m高度處氣流速度和污染物濃度分布

由圖5可見(jiàn)，與北風(fēng)工況相比，西北風(fēng)時(shí)街谷內(nèi)污染物濃度分布變化較大，每條街谷內(nèi)污染物基本保持線狀和部分團(tuán)狀分布，受來(lái)流風(fēng)的影響污染物整體向東側(cè)和南側(cè)擴(kuò)散，且污染物也在主干道B居中的位置大量聚集，并在臨近街谷中央偏西處受交匯氣流的影響形成大片帶狀高濃度區(qū)域；在主干道B居中的兩側(cè)，污染物主要聚集在街谷背風(fēng)面一側(cè)。由圖6可見(jiàn)，與北風(fēng)工況相比，西北風(fēng)向時(shí)支路中形成數(shù)片靜風(fēng)區(qū)，且氣流速度遠(yuǎn)小于主干道B。遠(yuǎn)離建筑群東南向形成大面積低氣流速度靜風(fēng)區(qū)，而在北風(fēng)時(shí)，在遠(yuǎn)離建筑群南向形成更大面積的靜風(fēng)區(qū)。該高度處氣流流線部分與1.6 m高度處相似，街谷中氣流受建筑物的阻擋發(fā)生繞流作用極其明顯，北或西北側(cè)流入的氣流很大程度上影響到下游側(cè)流場(chǎng)的分布。

2.4 20.0 m高度處氣流速度和污染物濃度分布

由圖7可見(jiàn)，在20.0 m高度處矩形框位置不存在建筑，上游開(kāi)敞空間增大，在此處西北風(fēng)向氣流的灌入使街谷中的氣流發(fā)生了根本變化，導(dǎo)致街谷內(nèi)污染物擴(kuò)散趨勢(shì)也發(fā)生了很大變化。此時(shí)，矩形框西側(cè)的主干道內(nèi)已無(wú)污染物，矩形框南側(cè)街道受兩側(cè)氣流的擠壓，在此處聚集了大量污染物，而在矩形框東側(cè)的主干道則分裂成多個(gè)團(tuán)狀分布的污染物；支路僅在支路C、D處聚集了部分多塊斷裂團(tuán)狀污染物?？傊?，東側(cè)建筑群處污染物濃度遠(yuǎn)大于西側(cè)。在北風(fēng)氣流的作用下，污染物在矩形框東南側(cè)街道呈條狀分布，在主干道B及建筑群南側(cè)以團(tuán)狀聚集。由圖8和圖6相比，在該高度處上游氣流的繞流作用減弱，并在矩形框內(nèi)形成氣流速度極大值區(qū)域，而在部分支路形成低氣流速度的靜風(fēng)區(qū)?？傊捎谖鞅憋L(fēng)工況迎風(fēng)面積大于北風(fēng)工況的迎風(fēng)面積，因此氣流的斜向吹入對(duì)此高度處污染物的擴(kuò)散更有利。

圖6 兩種風(fēng)向距地10.0 m處氣流速度流線

圖7 兩種風(fēng)向下距地20.0 m處污染物摩爾濃度分布

圖8 兩種風(fēng)向距地20.0 m處氣流速度流線

2.5 30.0 m高度處氣流速度和污染物濃度分布

由圖9可見(jiàn)，30.0 m高度處建筑群密度降低，矩形框位置不存在建筑，西北風(fēng)向時(shí)街谷西側(cè)基本無(wú)污染物，在主干道中僅在矩形框東側(cè)和居中位置存留部分團(tuán)狀污染物，受風(fēng)向的影響，在支路C、D處受建筑的阻礙作用停留一些污染物，并逐漸向下游擴(kuò)散。北風(fēng)向時(shí)，團(tuán)狀污染物主要分布于主干道B中，較少污染物位于建筑群南側(cè)，繼續(xù)向下游擴(kuò)散。由圖10和圖6、圖8相比，30.0 m高度處西北風(fēng)向的氣流繞流作用減弱。西北側(cè)矩形框處流入的氣流將整個(gè)街谷分隔成兩段，從矩形框流入的大部分氣流向南側(cè)和東側(cè)擴(kuò)散，而在西側(cè)流入街谷的氣流受矩形框處流入氣流的阻擋順著來(lái)流方向擴(kuò)散出建筑群外，同時(shí)也在建筑群外的東南側(cè)形成大部分靜風(fēng)區(qū)。由于建筑群對(duì)北風(fēng)向的氣流速度造成的衰減，靜風(fēng)區(qū)在建筑群南側(cè)形成?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)控制建筑的連續(xù)界面誘導(dǎo)街谷中的氣流橫向繞流，或在臨街上游設(shè)置合適的開(kāi)敞空間，以增加來(lái)流通風(fēng)廊道，可有效改善街谷中污染物的擴(kuò)散。

文獻(xiàn)[17]給出了城市街道峽谷中人員停留區(qū)內(nèi)污染物停留時(shí)間(τ，s)的計(jì)算公式(見(jiàn)式(2))，對(duì)分析街道峽谷中污染物擴(kuò)散有重要價(jià)值。其模型以三維城市典型街道峽谷建筑群為對(duì)象，與本研究的模型相似，因此同樣采用式(2)計(jì)算不同風(fēng)向下街道人員停留區(qū)內(nèi)污染物停留時(shí)間，結(jié)果如表1所示。兩種風(fēng)向下每條街道人員停留區(qū)內(nèi)污染物停留時(shí)間排序規(guī)律相同，都滿足街道C>街道A>街道B>街道D的規(guī)律；不同風(fēng)向下每條街道人員停留區(qū)內(nèi)污染物停留時(shí)間不同，說(shuō)明風(fēng)向?qū)γ織l街道內(nèi)污染物的影響存在差異，每段街谷內(nèi)的污染物擴(kuò)散分布不是孤立系統(tǒng)，而是相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體，具體路段污染物的分布受臨街和上下游建筑密度等多重因素的影響，單一因素的改變會(huì)對(duì)臨近等多處位置造成影響。

圖9 兩種風(fēng)向下距地30.0 m處污染物摩爾濃度分布

圖10 兩種風(fēng)向距地30.0 m處氣流速度流線

(2)

式中：C為人員停留區(qū)污染物平均質(zhì)量濃度，kg/m3；W為街道寬度，m；L為街道長(zhǎng)度，m；h為人員停留區(qū)高度，m，取1.6 m；q為單位時(shí)間內(nèi)污染物排放強(qiáng)度，kg/s。

表1 不同風(fēng)向下街道人員停留區(qū)內(nèi)污染物停留時(shí)間

3 結(jié) 論

(1)北風(fēng)時(shí)，距地10.0 m以下范圍是污染物高濃度聚集區(qū)。與北風(fēng)工況相比，西北風(fēng)時(shí)街谷內(nèi)污染物濃度分布變化較大，沿高度截面上升依次呈連續(xù)線狀→線狀和部分團(tuán)狀→斷裂團(tuán)狀。

(2)隨著建筑高度的增加，主干道中的氣流繞流作用減弱。通過(guò)控制建筑的連續(xù)界面誘導(dǎo)街谷中的氣流橫向繞流，或在臨街上游設(shè)置合適的開(kāi)敞空間，以增加來(lái)流通風(fēng)廊道，可有效改善街谷中污染物的擴(kuò)散。

(3)兩種風(fēng)向下每條街道人員停留區(qū)內(nèi)污染物停留時(shí)間排序規(guī)律相同；不同風(fēng)向下每條街道人員停留區(qū)內(nèi)污染物停留時(shí)間不同，說(shuō)明風(fēng)向?qū)γ織l街道內(nèi)污染物的影響存在差異，每段街谷內(nèi)的污染物擴(kuò)散分布不是孤立系統(tǒng)，而是相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體。