黃遠(yuǎn)東，王可心，劉宇辰，崔鵬義，羅 楊

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093）

街道峽谷是一種類似自然峽谷的城市結(jié)構(gòu)，由兩側(cè)連續(xù)建筑物以及中央的區(qū)域構(gòu)成[1]。較低的天空視野系數(shù)，使得日間太陽輻射存儲(chǔ)于兩側(cè)建筑壁面之中，加劇了熱島效應(yīng)和光化學(xué)反應(yīng)；半封閉的街谷結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低機(jī)動(dòng)車尾氣污染物擴(kuò)散效率，嚴(yán)重威脅臨街居民和行人的身體健康[2-3]。

壁面綠化是近年來發(fā)展起來的一種新型立體綠化模式，研究表明其可以有效改善城市微氣候環(huán)境。在不同天氣下，Cuce[4]對配置綠化的壁面和無綠化壁面進(jìn)行了溫度實(shí)測，結(jié)果表明：在晴天時(shí)，壁面綠化能夠使墻體的平均溫度降低約6.1 K；多云天氣時(shí)，則能夠使墻體的平均溫度降低約4.0 K。Schettini 等[5]進(jìn)行的場地實(shí)測也得到了類似結(jié)果：在日間溫度最高的時(shí)刻，壁面綠化能夠降低壁面的表溫約3.0～4.5 K。Basher 等[6]選用長壽命且能夠承受更多太陽輻射的翼豆植物作為壁面綠化的主體，發(fā)現(xiàn)其能夠降低壁面平均溫度約2.4 K，且壁面最大下降溫度約6.4 K。Jayasooriya等[7]進(jìn)行的城市尺度環(huán)境影響研究表明，雖然壁面綠化對顆粒和氣態(tài)污染物的去除能力不如傳統(tǒng)樹木，但其較小的占地面積和潛在的凈化能力使其應(yīng)用前景廣闊。Ysebaert 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，壁面綠化對顆粒污染物的截留效果取決于顆粒物在街谷內(nèi)的停留時(shí)間；在繁忙的主干道上，每平方米葉面積的壁面綠化能夠截留約1010～1011個(gè)顆粒，可以有效降低街谷內(nèi)的顆粒污染物濃度。Viecco 等[9]使用ENVI-met 模型就壁面綠化對PM2.5的去除效果進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)最大去除率可以達(dá)到7.5%，其主要受綠化覆蓋率、污染源位置和建筑物高度等影響。

綜上所述，有關(guān)研究主要聚焦在壁面綠化對街谷內(nèi)顆粒污染物濾除和熱島效應(yīng)的緩解，并且側(cè)重于寬高比為1 的標(biāo)準(zhǔn)街谷，以及單獨(dú)考慮壁面綠化或太陽輻射熱效應(yīng)對峽谷內(nèi)流場和污染物擴(kuò)散的影響。近年來，大氣光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的O3污染日漸嚴(yán)峻，但有關(guān)街谷內(nèi)綠化對反應(yīng)性NOx-O3動(dòng)力學(xué)特性影響的研究卻沒有引起足夠重視。鑒于此，本文利用經(jīng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的三維CFD 模型，探究壁面綠化與熱效應(yīng)的耦合作用對淺型街道峽谷內(nèi)污染物擴(kuò)散與NOx-O3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響。該研究可為城市規(guī)劃和壁面綠化種植提供指導(dǎo)，以緩解城市熱島效應(yīng)，改善局部空氣質(zhì)量。

1 研究方法

1.1 物理模型

如圖1 所示，研究采用三維全尺度街道峽谷。峽谷的高寬比AR和長高比分別為0.5 和20.0，亦稱為淺型長街道峽谷。圖1(a)和圖1(b)展示了街道峽谷的幾何模型：每個(gè)建筑物的長、寬、高分別為10H（H=20 m），1.0H和0.5H，兩棟建筑物的間距（即峽谷寬度W）為1.0H。圖1(b)還給出了街道峽谷內(nèi)部壁面綠化和近地面污染源的具體布置情況：壁面綠化被種植在上風(fēng)向建筑物的背風(fēng)壁與下風(fēng)向建筑物的迎風(fēng)壁上，厚度為0.01H（20 cm）。對于壁面綠化覆蓋的流場區(qū)域，考慮其空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)（對氣流運(yùn)動(dòng)的阻礙效應(yīng)）和熱力學(xué)效應(yīng)（包含綠化的蒸騰降溫效應(yīng)以及對太陽輻射的遮蔽而帶來的溫度下降），研究中考慮4 種典型的壁面綠化的葉面積密度LAD=0.5，1.0，1.5，2.0；地面機(jī)動(dòng)車尾氣污染源位于峽谷中央，其尺寸為0.6H×0.02H×10H，考慮嚴(yán)峻交通污染情況，污染源均勻釋放CO，NO 以及NO2的速率分別為7.37×10-7，5.98×10-8，9.17×10-9kg/（m3·s）[10]。

圖1 具有壁面綠化的街道峽谷模型Fig.1 Model of the street canyon with green walls

在研究中，使用設(shè)置壁面溫度來實(shí)現(xiàn)夏季不同時(shí)刻太陽輻射所導(dǎo)致的壁面升溫[11-13]，包括背風(fēng)面受熱、迎風(fēng)面受熱、地面受熱和全壁面受熱（也稱夜間墻體保溫或放熱）。需要指出的是環(huán)境溫度設(shè)為300 K。本文研究的工況共計(jì)21 個(gè)：1 個(gè)既無壁面受熱又無壁面綠化的空白對照工況、4 個(gè)僅有壁面受熱而無壁面綠化的工況，以及16 個(gè)既有壁面受熱又有壁面綠化的工況（計(jì)及4 種壁面綠化的葉面積密度和4 種不同壁面受熱模式）。研究工況的壁面受熱溫度設(shè)置如表1 所示[14]。

表1 研究工況的壁面溫度設(shè)置Tab.1 Wall temperature setting for the studied cases

此外，研究還考慮了NOx-O3光化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，用來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)性污染物的光化學(xué)過程。具體的化學(xué)方程式為[15]

式中：hv為光照強(qiáng)度；M為第3 種分子。

式中：[O3]為O3的濃度；[O3]b為O3的背景濃度。

1.2 數(shù)值模型

1.2.1 控制方程

街道峽谷內(nèi)的湍流、熱傳遞以及污染物的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行求解，控制方程為[16]

式中：xi和xj為笛卡爾坐標(biāo)；ui和uj分別為xi和xj方向上的空氣時(shí)均速度分量；ρ為空氣密度；p為空氣壓強(qiáng)；μ為分子黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)；gi為重力加速度分量；T為溫度；Pr為分子普朗特?cái)?shù)，Pr=0.85；σt為湍流普朗特?cái)?shù)；ST為溫度源項(xiàng)。

此外，在動(dòng)量方程求解時(shí)，采用Boussinesq 假定[17]來近似處理由溫度變化引起的峽谷內(nèi)空氣浮升力項(xiàng)。

各污染物的組分輸運(yùn)方程為[10]

式中：[X]代表物質(zhì)X 的濃度；Dm為污染物的分子擴(kuò)散系數(shù)；Dt為湍流擴(kuò)散系數(shù)；SX代表物質(zhì)X 的源項(xiàng)；為NO2的光解速率；k1，k2分別為式（2）和式（3）所代表的反應(yīng)速率，其與溫度和污染物濃度呈正相關(guān)[15]。

壁面綠化覆蓋區(qū)域?qū)е驴刂品匠淘黾拥脑错?xiàng)分別為[18]

式中：SE，，Sk，Sε分別為能量源項(xiàng)、動(dòng)量源項(xiàng)、湍流能k的源項(xiàng)和湍動(dòng)能耗散率 ε的源項(xiàng)。Pc為單位LAD植被的體積冷卻功率；模型常數(shù){Cd，βp，βd，Cε4，Cε5}={0.2,1.0,5.1,0.9,0.9}[19]。

1.2.2 邊界條件

入口邊界條件采用速度入口（velocity-inlet），風(fēng)速U(z)、湍動(dòng)能k(z)和湍動(dòng)能耗散率 ε(z)的定義為[19]

式中：Uref表示高度為Href處的參考風(fēng)速，Uref=3.0 m/s，此處Href=10 m，為建筑物高度；α為風(fēng)剖指數(shù)，反映較密集建筑群的城市郊區(qū)狀況[13]，α=0.187；u*為摩擦速度，u*=0.54 m/s；Cμ為模型常數(shù)，Cμ=0.09；κ 為馮卡門常數(shù)，κ=0.4；δ為邊界層高度，δ=960 m。此外，入口處還包含體積分?jǐn)?shù)為2×10-8的O3與體積分?jǐn)?shù)為0.21 的O2。

出口邊界選擇自由出流邊界條件；側(cè)面和頂部邊界選擇對稱邊界條件；壁面選擇無滑移壁面邊界條件。

1.2.3 求解設(shè)置

控制方程采用有限體積法（FVM）進(jìn)行離散；對流離散項(xiàng)選用二階迎風(fēng)差分格式；數(shù)值算法選用壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE）。求解過程中，當(dāng)各變量的相對計(jì)算殘差均降至10-6以下時(shí)即視為收斂。

街道峽谷中尾氣污染物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)需要合適的氣象條件，為了盡可能地接近現(xiàn)實(shí)情況，將數(shù)值模擬分為3 步進(jìn)行[10]：

第1 步保持關(guān)閉污染源與體積反應(yīng)模塊，先進(jìn)行計(jì)算，得到穩(wěn)定流場。此時(shí)，計(jì)算域中充滿體積分?jǐn)?shù)為2×10-8的O3與體積分?jǐn)?shù)為0.21 的O2。

第2 步在第1 步的計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，開啟污染源，不開啟體積反應(yīng)模塊。通過此步驟能夠得到無光化學(xué)反應(yīng)條件下穩(wěn)定的污染物分布，為計(jì)算后續(xù)的光化學(xué)反應(yīng)提供初始條件。

第3 步保持污染源開啟，并開啟體積反應(yīng)。最終得到化學(xué)平衡時(shí)各污染物的分布情況。

1.3 模型驗(yàn)證

采用德國卡爾斯魯厄大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對CFD 模型進(jìn)行驗(yàn)證和完善，最終確定使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行后續(xù)的工況計(jì)算。具體的驗(yàn)證細(xì)節(jié)參見文獻(xiàn)[20]。

2 結(jié)果與討論

2.1 街谷內(nèi)流場變化分析

圖2 為4 種壁面受熱和2 種壁面綠化（LAD分別為1.0 和2.0）配置下街道峽谷豎直中心面上的無量綱速度云圖及流線分布。作為空白對照，圖2也給出既無壁面受熱又無壁面綠化下的街道峽谷豎直中心面處的相關(guān)流場信息。

在既無壁面綠化又無壁面受熱條件下，從圖2(a)可以看出：在峽谷豎直中心面的背風(fēng)側(cè)處形成一股（單束）上升氣流，該上升氣流流出峽谷與峽谷頂部自由來流匯合；另一股氣流則于峽谷迎風(fēng)面附近形成一個(gè)順時(shí)針旋渦。

無論有無壁面綠化，背風(fēng)面受熱所產(chǎn)生的熱浮力會(huì)驅(qū)散背風(fēng)側(cè)的單束向上運(yùn)動(dòng)的氣流，從而在峽谷垂直中心面上形成一個(gè)順時(shí)針大旋渦(圖2(b)、圖2(c)和圖2(d))，該大旋渦的外沿氣流從背風(fēng)側(cè)流出峽谷而與峽谷上部自由來流匯集。在背風(fēng)面受熱時(shí)，隨著壁面綠化的LAD的增加，峽谷背風(fēng)面底部的低速區(qū)域增大，而當(dāng)LAD增加至2.0時(shí)，背風(fēng)墻底部的低速區(qū)域演化成一個(gè)風(fēng)速極低的逆時(shí)針小角渦。

圖2 街道峽谷豎直中心面上的無量綱速度云圖及流線Fig.2 Contours of dimensionless velocity and streamlines at the vertical center plane of the street canyon

相比無壁面綠化及無壁面受熱工況（圖2(a)），在無壁面綠化條件下，迎風(fēng)面受熱會(huì)極大削弱迎風(fēng)側(cè)的順時(shí)針旋渦，從而間接增強(qiáng)背風(fēng)側(cè)的單束向上氣流：迎風(fēng)面受熱產(chǎn)生的熱浮力方向與旋渦氣流在近迎風(fēng)面的流動(dòng)方向相反，故會(huì)極大削弱順時(shí)針旋渦尺度，并于迎風(fēng)面附近形成一塊低速區(qū)域（圖2(e)）。當(dāng)有壁面綠化的峽谷迎風(fēng)面受熱時(shí)，隨著壁面綠化的LAD的增大，其蒸騰降溫效應(yīng)隨之增強(qiáng)，迎風(fēng)面受熱對流場的影響減小，故迎風(fēng)側(cè)順時(shí)針旋渦尺度得以恢復(fù)增大(圖2(e)、圖2(f)和圖2(g))。

相比無壁面綠化及無壁面受熱工況（圖2(a)），地面受熱也能驅(qū)散背風(fēng)側(cè)的單束上升氣流，使得順時(shí)針旋渦進(jìn)一步得以發(fā)展(圖2(h)，2(i)和2(j))。很明顯，在地面受熱條件下，壁面綠化有助于順時(shí)針旋渦的形成(比較圖2(b)與2(c)及2(d))。同時(shí)得益于更大的受熱面積，地面受熱有助于增加峽谷內(nèi)部的平均氣流速度，增強(qiáng)峽谷通風(fēng)。

全壁面受熱則是受熱面積最大的受熱模式，在該種情況下，三壁面均產(chǎn)生強(qiáng)烈的向上熱浮升力，使得峽谷通道內(nèi)的橫向氣流均向中心面處匯集，并向上運(yùn)動(dòng)流出峽谷（圖2(k)）。當(dāng)具有壁面綠化的全壁面受熱時(shí)，隨著壁面綠化的LAD上升至1.0，壁面受熱產(chǎn)生的熱浮升力也被削弱，迎風(fēng)面附近的順時(shí)針旋渦也初現(xiàn)雛形（圖2(l)），而隨著LAD進(jìn)一步增加至2.0 時(shí)，該旋渦尺度略微增大（圖2(m)）。

2.2 街谷內(nèi)溫度變化分析

圖3 為不同工況條件下街道峽谷豎直中心面處的溫度分布。圖4 為不同工況條件下街道峽谷內(nèi)部平均溫度。如圖3（a）所示，在無壁面綠化條件下，背風(fēng)面受熱使得背風(fēng)面附加空氣溫度升高至302 K，且其周圍有較為明顯的高溫區(qū)域，而順時(shí)針主旋渦則能夠攜帶壁面周圍的熱量于峽谷中循環(huán)，提高峽谷內(nèi)部的平均溫度。從圖4 可知，在無壁面綠化條件下，背風(fēng)面受熱能夠提升峽谷內(nèi)部平均溫度約0.35 K（相對于空白對照工況）。圖3（b）顯示壁面綠化的蒸騰降溫效應(yīng)能夠有效降低兩側(cè)壁面周圍的溫度，由于密度差異原因，被降溫的空氣于近壁面處向下沉積，聚集在街道峽谷底部并得以停留，故可以在峽谷左右下角發(fā)現(xiàn)較為明顯的低溫區(qū)域。進(jìn)一步，從圖4 可知，在LAD=2.0 的情況下，壁面綠化能夠降低峽谷內(nèi)部平均溫度約0.38 K（相對于無綠化的背風(fēng)面受熱）。

圖3 街道峽谷豎直中心面處的溫度分布Fig.3 Distribution of temperature at vertical center plane of street canyon

圖4 街道峽谷內(nèi)部平均溫度Fig.4 Averaged temperature within the street canyon

如圖3（c）所示，在無壁面綠化條件下，迎風(fēng)面受熱使其周圍仍然存在較為明顯的高溫區(qū)域，順時(shí)針小旋渦的運(yùn)動(dòng)致使大量熱量在此處循環(huán)，難以擴(kuò)散出峽谷。迎風(fēng)面受熱能夠提高街道峽谷內(nèi)部的平均溫度約0.60 K（相對于空白對照工況）。圖3（d）顯示壁面綠化能夠有效降低兩側(cè)壁面周圍的溫度。從圖4 可知，迎風(fēng)面受熱時(shí)，壁面綠化能夠降低峽谷內(nèi)部平均溫度約0.40 K（相對于無綠化的迎風(fēng)面受熱）。

如圖3（e）所示，在無壁面綠化條件下，地面受熱使街道峽谷內(nèi)部的有效受熱面積更大，相較于前兩種受熱方式，峽谷內(nèi)部平均溫度有明顯升高，約0.90 K（相對于空白對照工況）。在該系列工況中，氣流會(huì)攜帶近地面的熱空氣向背風(fēng)面運(yùn)動(dòng)，隨后再沿入口氣流方向偏轉(zhuǎn)并流出峽谷。這個(gè)過程使得大量熱量被運(yùn)輸至峽谷左下角及近背風(fēng)面處，使得該區(qū)域溫度遠(yuǎn)高于迎風(fēng)面周圍區(qū)域，且最高溫度達(dá)到了約305 K。從圖4 可知，在該種受熱情況下，壁面綠化對街道峽谷內(nèi)部熱環(huán)境改善的能力十分有限，僅降低內(nèi)部平均溫度約0.32 K（相對于無綠化的地面受熱），這在4 種受熱模式中為最低值（圖3（f））。

如圖3（g）所示，在全壁面受熱情況下，峽谷內(nèi)部溫度進(jìn)一步升高，高溫區(qū)由三處壁面向峽谷內(nèi)部擴(kuò)散，也大幅度提高了峽谷上空的溫度。由于峽谷內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)的氣流依然向背風(fēng)面偏轉(zhuǎn)，故溫度最高的區(qū)域仍然是峽谷的左下角部分。從圖4可知，無壁面綠化的全壁面受熱時(shí)峽谷內(nèi)部平均溫度提升也最大，約為1.43 K（相對于空白對照工況）；如圖3（h）顯示，有綠化的全壁面受熱時(shí)，峽谷內(nèi)溫度分布與無綠化條件的全壁面受熱情況下的峽谷內(nèi)溫度分布式樣相似，但從圖4 可知，壁面綠化的存在則能夠均勻地降低峽谷內(nèi)部的溫度約0.39 K（相對于無綠化的全壁面受熱）。

2.3 街谷內(nèi)CO 擴(kuò)散與NOx-O3 反應(yīng)情況分析

本研究涉及3 種類型的污染物，分別為CO，NO 和NO2。此處以CO 為例（不涉及反應(yīng)），圖5所示為各種工況下街道峽谷豎直中心面的CO 體積分?jǐn)?shù)分布。在既無壁面綠化又無壁面受熱條件下（空白對照工況），峽谷內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)由單束氣流及順時(shí)針旋渦共同主導(dǎo)，在兩束氣流交匯的區(qū)域污染物大量堆積，并朝背風(fēng)面方向向上逐漸遞減，使得峽谷背風(fēng)面區(qū)域的污染物濃度遠(yuǎn)高于迎風(fēng)面區(qū)域的污染物濃度（如圖5(a)所示）。

背風(fēng)面受熱會(huì)增強(qiáng)順時(shí)針旋渦，并增強(qiáng)上升氣流速度，使得峽谷內(nèi)部流動(dòng)由順時(shí)針單旋渦結(jié)構(gòu)主導(dǎo)。近地面污染源釋放的CO 隨順時(shí)針旋渦在峽谷中運(yùn)動(dòng)，沿背風(fēng)面向上遞減分布，且背風(fēng)面附近的污染物濃度遠(yuǎn)高于迎風(fēng)面附近（如圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)所示）。隨著LAD的增加，迎風(fēng)面附近的污染物濃度明顯降低，大量污染物被輸送至峽谷的背風(fēng)面附近；在LAD=2.0 的工況中，在旋渦氣流的控制下，在背風(fēng)側(cè)角渦處形成一塊較小的高污染區(qū)域。

在迎風(fēng)面受熱情況下，近地面污染物CO 受單束氣流影響，濃度沿水平方向遞減分布，且污染物大多聚集于峽谷中段區(qū)域（如圖5(e)，5(f)和5(g)所示）；而迎風(fēng)側(cè)小旋渦則能夠?qū)⒂L(fēng)面附近污染物向背風(fēng)面方向輸送，使得迎風(fēng)面附近污染物濃度偏低，導(dǎo)致污染物分布在水平方向發(fā)生略微偏移。在該種情況下，由于大量污染物仍集中于街道峽谷中心，故行人呼吸面上平均污染物CO 濃度也略微提高。隨著LAD的上升，迎風(fēng)側(cè)小型旋渦規(guī)模逐漸增大，逐漸恢復(fù)對峽谷內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的控制。

地面受熱情況下峽谷內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)與背風(fēng)面受熱極為類似，故地面受熱情況下峽谷內(nèi)部污染物的分布規(guī)律（如圖5(h)，5(i)和5(j)所示）也與背風(fēng)面受熱情況下峽谷內(nèi)部污染物的分布極為相似。

圖5 街道峽谷豎直中心面處CO 體積分?jǐn)?shù)分布Fig.5 Distributions of CO volume fraction at vertical center plane of street canyon

如圖5(k)，5(l)和5(m)所示，在全壁面受熱情況下，兩部分氣流聚集于峽谷中心并向上涌出，橫向氣流攜帶了大量污染物向峽谷中心運(yùn)動(dòng)，使得中心面上的污染物濃度極高。大量污染物積聚于峽谷的背風(fēng)側(cè)，并向上遞減。隨著LAD的上升，壁面綠化的蒸騰降溫效應(yīng)使得峽谷內(nèi)部氣流得以穩(wěn)定，重新回歸單旋渦結(jié)構(gòu)，污染物的分布也轉(zhuǎn)化為沿背風(fēng)面向上遞減分布的結(jié)構(gòu)（如圖5(m)所示）。

需要指出的是，未涉及反應(yīng)時(shí)，NO 和NO2的分布特征與CO 基本相同，且濃度比為10∶1。此處僅列舉在既無壁面綠化又無壁面受熱條件下NO 與NO2前后體積分?jǐn)?shù)對比與全部工況下的臭氧消耗率。圖6 為反應(yīng)前后NO 和NO2體積分?jǐn)?shù)變化（無壁面受熱及無綠化條件下）。由圖6 可知，環(huán)境中反應(yīng)后NO 體積分?jǐn)?shù)略微降低而NO2體積分?jǐn)?shù)升高，伴隨環(huán)境中背景臭氧的消耗，說明反應(yīng)式（3）在街道峽谷中占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖6 反應(yīng)前后NO 和NO2 體積分?jǐn)?shù)變化（無壁面受熱及無綠化）Fig.6 Changes of volume fraction of NO and NO2 before and after reactions

背風(fēng)面受熱改變了峽谷內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而使得污染物大部分集中在背風(fēng)面附近，且沿其向上遞減分布，也呈現(xiàn)出類似的趨勢：高區(qū)域均集中于峽谷背風(fēng)面附近，并朝向峽谷外部依次遞減（如圖7(b)，7(c)和7(d)所示）。隨著LAD的增加，近迎風(fēng)面污染物濃度降低而近背風(fēng)面則升高,=60%的等值線從迎風(fēng)面附近收縮至峽谷中心處。進(jìn)一步分析表2，發(fā)現(xiàn)LAD=2.0 的壁面綠化使得峽谷內(nèi)部平均下降了約5.02%（相對于無壁面綠化的背風(fēng)面受熱工況），這歸因于其蒸騰降溫效應(yīng)極大地削弱了兩側(cè)壁面附近的化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度。在這種情況下，較低的背景臭氧濃度成為了達(dá)到化學(xué)平衡的限制因素。

如圖7(e)，7(f)和7(g)所示，迎風(fēng)面受熱條件下，高區(qū)域均集中于峽谷底部中段，即污染源所在位置，并向上遞減，峽谷內(nèi)部的幾乎均大于70%。隨著LAD增加至2.0,=70%的區(qū)域也從迎風(fēng)面底部收縮至峽谷中段區(qū)域，峽谷內(nèi)部平均也下降至69.19%，較無綠化工況下降了3.63%，如表2 所示。

如圖7(h)，7(i)和7(j)所示，在地面受熱條件下，分布規(guī)律幾乎與背風(fēng)面受熱情形相同。從表2 可知，地面受熱情況下，LAD=2.0 的壁面綠化工況相較于無綠化的受熱工況，峽谷內(nèi)部平均下降約3.59%。

如圖7(k)，7(l)和7(m)所示，全壁面受熱能夠大幅度提高峽谷內(nèi)部的平均溫度，故峽谷內(nèi)部平均也普遍較高，均大于70%。在無綠化的條件下，橫向氣流使得大量污染物聚集于峽谷左半部分區(qū)域，使得該處有一塊較大的高區(qū)域。隨著LAD的增加，峽谷內(nèi)部的污染物濃度也轉(zhuǎn)變?yōu)檠乇筹L(fēng)面向上遞減分布，此時(shí)，分布特點(diǎn)也與背風(fēng)面受熱和地面受熱工況相似，但是，由于峽谷內(nèi)部溫度普遍較高，峽谷內(nèi)部平均也高于上述兩類工況。

圖7 街道峽谷豎直中心面處分布Fig.7 Distributions of at vertical center plane of the street canyon

進(jìn)一步，表2 表明，在每一種壁面受熱模式下，峽谷內(nèi)部平均隨LAD的增大而降低。

表2 街道峽谷內(nèi)部平均Tab.2 Average within street canyon

表2 街道峽谷內(nèi)部平均Tab.2 Average within street canyon

綜上所述，在AR=0.5 的淺型街道峽谷中，壁面綠化的蒸發(fā)降溫效應(yīng)可以有效降低峽谷內(nèi)部的溫度，并緩解峽谷內(nèi)光化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度。

3 結(jié)論

建立了耦合壁面綠化及熱效應(yīng)的淺型街道峽谷(AR=0.5)內(nèi)污染物擴(kuò)散與轉(zhuǎn)化的CFD 模型，并利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對選用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型及相關(guān)模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。采用CFD 模型對壁面綠化及熱效應(yīng)影響下的淺型街道峽谷內(nèi)流場、污染物擴(kuò)散及NOx-O3光化學(xué)轉(zhuǎn)化開展模擬研究。研究中考慮4 種壁面綠化的葉面積密度（LAD=0.5，1.0，1.5，2.0）以及4 種壁面加熱模式（背風(fēng)面加熱、迎風(fēng)面加熱、地面加熱和全壁面加熱）。得到如下主要結(jié)論：

a.在既無壁面綠化又無壁面加熱條件下，峽谷垂直中心面上的流動(dòng)由橫向氣流和順時(shí)針旋渦共同主導(dǎo)。在無壁面綠化時(shí)，迎風(fēng)面受熱會(huì)削弱順時(shí)針旋渦的尺度，從而使得橫向氣流占據(jù)主導(dǎo)地位；背風(fēng)面受熱和地面受熱會(huì)強(qiáng)化順時(shí)針旋渦；而全壁面受熱則會(huì)使旋渦結(jié)構(gòu)消散。

b.每種壁面受熱模式下，壁面綠化對峽谷內(nèi)部流場的影響隨LAD的增大而加?。ㄌ貏e對于迎風(fēng)面受熱和全壁面受熱工況尤為如此）。

c.壁面受熱導(dǎo)致峽谷內(nèi)的平均溫度升高程度為：全壁面受熱最高，其次為地面受熱、迎風(fēng)面受熱和背風(fēng)面受熱。相較于既無壁面綠化又無壁面加熱工況，根據(jù)不同的壁面受熱模式，無壁面綠化的壁面加熱可使峽谷內(nèi)平均氣溫升高0.35～1.43 K；壁面綠化能夠有效改善峽谷內(nèi)的熱環(huán)境，根據(jù)不同的壁面受熱模式，LAD=2.0 的壁面綠化可使峽谷內(nèi)的平均氣溫降低0.38～0.48 K。

d.壁面受熱會(huì)影響污染物的擴(kuò)散，尤其是迎風(fēng)面受熱會(huì)促使大量污染物聚集在峽谷底部中心位置附近。