宋書銀，黃遠(yuǎn)東，崔鵬義，羅 楊

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

隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程逐漸加快，人口密集的城市地區(qū)的空氣質(zhì)量備受關(guān)注。影響城市地區(qū)空氣質(zhì)量的主要污染源有揚(yáng)塵、機(jī)動(dòng)車尾氣、惡臭和其他有毒有害污染物［1］，其中，某些建筑（如住宅、醫(yī)院等）內(nèi)產(chǎn)生的廢氣污染物，往往會(huì)通過(guò)屋頂煙囪直接排放到大氣環(huán)境中。在不利氣象條件下，煙囪排放污染物可能會(huì)通過(guò)“下洗效應(yīng)”返回到近地面，或者通過(guò)建筑通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入室內(nèi)，從而對(duì)近地面室內(nèi)外空氣質(zhì)量和人體健康造成危害［2–3］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市建筑環(huán)境間流動(dòng)及污染物擴(kuò)散進(jìn)行了較為廣泛的研究，主要采用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)等方法［4–6］。隨著計(jì)算能力的提升以及各種算法的不斷改進(jìn)，數(shù)值模擬方法以其成本低、效率高、直觀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為研究流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)過(guò)程的重要方法之一［7］。研究表明，污染物擴(kuò)散主要受氣象條件（如風(fēng)向、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等）、建筑幾何形狀（高寬比、屋頂結(jié)構(gòu)、架空結(jié)構(gòu)等）、煙囪設(shè)置（尺寸、位置、排放速率）等影響［8–10］。多位學(xué)者研究了孤立建筑物在不同風(fēng)向角下的污染物擴(kuò)散，結(jié)果顯示，方位角等的改變會(huì)顯著影響污染物的濃度分布［11–13］。但是相比于研究孤立建筑物，更具有現(xiàn)實(shí)意義的是研究在城市環(huán)境中相鄰或周圍建筑對(duì)屋頂煙囪排放污染物擴(kuò)散的影響。

本文采用standardk-ε兩方程模型，并結(jié)合三維穩(wěn)態(tài)對(duì)流擴(kuò)散方程，利用商業(yè)軟件FLUENT對(duì)不同風(fēng)向（風(fēng)向角α= 0° ～ 180°）下，下臺(tái)階建筑屋頂煙囪釋放污染物進(jìn)行數(shù)值模擬，研究污染物的擴(kuò)散分布特性，分析建筑周圍流場(chǎng)分布，并著重討論不同建筑壁面尤其是背風(fēng)面上和建筑間街谷內(nèi)行人呼吸高度處的污染物分布情況。

1 研究方法

1.1 物理模型

本文選取的建筑物理模型如圖1 所示。圖中以1∶100 的縮尺建立下臺(tái)階式兩棟建筑模型，并以矮層建筑（記為“A”）的高度作為參考高度H（0.2 m），建筑A 尺寸為2H× 1.5H×H，高層建筑（記為“B”）尺寸為H× 1.5H× 2H；煙囪污染源位于建筑A 屋頂正中央，直徑為0.05H，高度為0.08H。按照來(lái)風(fēng)向與建筑中心軸線的夾角設(shè)定不同的風(fēng)向角α。圖2 中以俯視視角展示了0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°七種風(fēng)向角情況。

圖2 風(fēng)向角α 設(shè)定Fig.2 Setting of wind direction α

1.2 數(shù)值模型

1.2.1 控制方程

本研究涉及的所有工況中都將氣流運(yùn)動(dòng)視為不可壓縮流動(dòng)，且不考慮熱效應(yīng)。氣流運(yùn)動(dòng)的控制方程為連續(xù)性方程和動(dòng)量方程（RANS）。

不可壓縮流動(dòng)的連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

式中：xi、xj為笛卡爾坐標(biāo)；ui、uj為xi、xj方向上的平均速度分量；μ為分子黏度；μt為湍流黏度；ρ為密度；p為壓力；gi為重力加速度的分量。

研究表明，對(duì)于預(yù)測(cè)城市湍流流動(dòng)，standardk-ε模型［14］的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比［15–17］，具有較好的數(shù)值精確度。因此，本文選擇standardk-ε模型，具體方程為k方程

ε方程

式中：k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散率；C1?、C2?和Cμ等 均 采 用FLUENT 軟 件 中 的 默 認(rèn) 參數(shù)，值分別為1.44、1.92 和0.09；αk和α?分別為與k和ε對(duì)應(yīng)的湍流普朗特?cái)?shù)，分別取為1.0、1.3；Gk為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能。

采用Boussinesq 假設(shè)的方法評(píng)估Gk，有

式中，S為平均應(yīng)變率張量的模量。

式中，Sij為應(yīng)變率張量。

對(duì)于煙囪釋放污染物過(guò)程采用三維穩(wěn)態(tài)對(duì)流擴(kuò)散方程［18］，即

式中：Cβ為第β種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為分子擴(kuò)散系數(shù)；vt為湍流渦黏性；Sct為湍流施密特?cái)?shù)，值為0.7；Sp為污染源項(xiàng)。

1.2.2 計(jì)算域

采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件ANSYS FLUENT 14.5 進(jìn)行數(shù)值模擬，并按照前處理—分析—后處理的流程對(duì)所研究問(wèn)題進(jìn)行求解。圖3 以風(fēng)向角α=0°為例，展示了數(shù)值模擬時(shí)的計(jì)算域設(shè)置，其中，x–y–z直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)(x= 0,y=0,z= 0)位于建筑A、B 中心處，計(jì)算域大小的選取原則嚴(yán)格遵循AIJ［19］的指導(dǎo)指南，入口平面在建筑A 迎風(fēng)墻上游6H處，出口平面在建筑B 背風(fēng)墻下游15H處，頂部平面距離建筑B 屋頂6H，側(cè)面平面距離建筑側(cè)壁6H。

圖3 計(jì)算域設(shè)置（以α=0°為例）Fig.3 Setting of computational domain (taking α = 0°for an example)

1.2.3 求解計(jì)算

入口采用速度入口，其風(fēng)速U(z)、湍動(dòng)能k以及湍動(dòng)能耗散率?分別定義為［20］

式中：Uref為選取的參考風(fēng)速，值為3 m·s-1；a為風(fēng)剖指數(shù)，值為0.18；H為0.2 m；I(z)為湍流強(qiáng)度。

出口設(shè)置為流出邊界條件（outflow），側(cè)面以及頂面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件（symmetry），建筑壁面以及地面設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件且近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)（standard wall functions,SWFs）。控制方程采用有限體積法（FVM）離散，壓力與速度采用壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE）進(jìn)行耦合，對(duì)流離散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，各變量相對(duì)殘差小于10-6，并且流場(chǎng)無(wú)變化即視為收斂。

無(wú)量綱濃度K定義為

式中：Cr為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)或平面處污染物摩爾分?jǐn)?shù)，本文選取六氟化硫（SF6）作為污染物；Ce為煙囪排放口處污染物摩爾分?jǐn)?shù)，值為1/7；Q為煙囪出口處污染物排放率，值為7.85 × 10-5m3·s-1。

1.2.4 網(wǎng)格獨(dú)立性分析

數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)既要做到不失精度，又不浪費(fèi)計(jì)算資源，因此選取合適的節(jié)點(diǎn)數(shù)網(wǎng)格非常重要。本文在煙囪釋放污染物工況下α=0 °時(shí)設(shè)計(jì)了3 種不同節(jié)點(diǎn)數(shù)網(wǎng)格，分別為網(wǎng)格1（91 萬(wàn)）、網(wǎng)格2（172 萬(wàn)）和網(wǎng)格3（327 萬(wàn)），且計(jì)算域完全對(duì)稱，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，所以僅劃分了一半的網(wǎng)格。提取街道峽谷中心軸線處無(wú)量綱濃度進(jìn)行對(duì)比分析。網(wǎng)格獨(dú)立性分析如圖4 所示。經(jīng)比較，網(wǎng)格1 和網(wǎng)格2 的無(wú)量綱濃度相差較大，最大差值大于10 %，而網(wǎng)格2 和網(wǎng)格3 的無(wú)量綱濃度相差較小，最大差值小于5%。說(shuō)明在網(wǎng)格2 的基礎(chǔ)上再增加節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果幾乎無(wú)影響，因此本文選取網(wǎng)格2 進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。圖5 為建筑周圍以及煙囪附近網(wǎng)格，其建筑壁面最近一層網(wǎng)格高度為0.025H。

圖4 網(wǎng)格獨(dú)立性分析Fig.4 Grid independence analysis

圖5 網(wǎng)格劃分（172 萬(wàn)）Fig.5 Meshing with 1.72 million grids

2 結(jié)果與分析

2.1 流場(chǎng)以及污染物濃度分布隨風(fēng)向角α 的變化

圖6 為不同風(fēng)向角α下流場(chǎng)分布以及行人呼吸高度處無(wú)量綱速度u/Uref分布，圖7 為不同風(fēng)向角α下煙囪釋放的污染物濃度分布，并且為了便于觀察，將建筑物做半透明處理。經(jīng)對(duì)比分析可知，如圖6（a）所示，當(dāng)α= 0°時(shí)，經(jīng)過(guò)建筑A 屋頂?shù)膩?lái)流，由于受建筑B 的阻擋，大部分氣流流向街道峽谷，并在街道峽谷內(nèi)形成逆時(shí)針旋渦；街道峽谷內(nèi)行人呼吸高度處無(wú)量綱速度為負(fù)值，表明街道峽谷存在旋渦。在這種氣流運(yùn)動(dòng)影響下，如圖7（a）所示，煙囪釋放的污染物大部分跟隨氣流進(jìn)入街道峽谷內(nèi)。此外，由于建筑A 兩側(cè)也存在氣流產(chǎn)生的漩渦，污染物被氣流從街道峽谷內(nèi)帶動(dòng)至建筑A 的兩側(cè)壁面處，而建筑B 四周壁面則被經(jīng)過(guò)煙囪的來(lái)流包裹，污染物也流動(dòng)至建筑B 的四周壁面處。如圖6（b）～（f）所示，在α= 30°、60°、 90°、120° 、150°五種工況下，當(dāng)來(lái)流方向與建筑中心軸線成一定角度后，經(jīng)過(guò)煙囪的大部分氣流未進(jìn)入街道峽谷內(nèi)，因此污染物擴(kuò)散對(duì)街道峽谷內(nèi)行人呼吸高度處平面影響相對(duì)較小。如圖7（e）、（f）所示，當(dāng)α= 120°、150°時(shí)，污染物均未擴(kuò)散至街道峽谷內(nèi)，但由于氣流在建筑背風(fēng)區(qū)后形成旋渦，并且在行人呼吸高度處平面無(wú)量綱速度也均為負(fù)值，說(shuō)明氣流產(chǎn)生了漩渦，且對(duì)污染物擴(kuò)散至背風(fēng)壁面處有一定的影響。如圖7（b）、（c）所示，當(dāng)α= 30°、60°時(shí)，污染物擴(kuò)散至建筑B 的背風(fēng)壁面處；如圖6（d ）～ （f）所示，當(dāng)α=90°、120°和150°時(shí)，經(jīng)過(guò)煙囪的氣流會(huì)在建筑A 背風(fēng)區(qū)形成漩渦。如圖7（d）～（f）所示，污染物會(huì)擴(kuò)散至建筑A 的背風(fēng)面，但對(duì)建筑B 周圍壁面幾乎無(wú)影響；如圖6（g）所示，當(dāng)α=180°時(shí)，兩建筑街道峽谷下方有明顯的逆時(shí)針?shù)鰷u，在其上方則形成了一個(gè)順時(shí)針的漩渦，這與黃曉天等［21］的研究結(jié)果一致，如圖7（g）所示，煙囪釋放的污染物擴(kuò)散至建筑B 背風(fēng)壁面以及建筑之間的街道峽谷內(nèi)。

圖6 不同風(fēng)向角α 下流場(chǎng)分布以及行人呼吸高度處無(wú)量綱速度u/Uref 分布Fig.6 Distribution of flow field and normalized velocity (u/Uref) at the pedestrian breathing height under different α

圖7 不同風(fēng)向角α 下污染物濃度分布Fig.7 Distribution of the pollutants at different α

2.2 煙囪污染物濃度分布特性

圖8 為建筑四周壁面以及行人呼吸高度處平面對(duì)應(yīng)編號(hào)。圖9 為不同風(fēng)向角α下建筑四周壁面以及行人呼吸高度處平面上平均無(wú)量綱濃度表示壁面處污染物的平均摩爾分?jǐn)?shù)］比較。當(dāng)α= 0°時(shí)，壁面A-4 與行人呼吸高度處平面P 上平均無(wú)量綱濃度均處于一個(gè)相對(duì)較高的水平。這是由于氣流直接經(jīng)過(guò)煙囪后，會(huì)攜帶污染物進(jìn)入建筑間的街道峽谷內(nèi)，但壁面B-1 上的平均無(wú)量綱濃度較小。這是因?yàn)樾纬傻哪鏁r(shí)針?shù)鰷u致使污染物大部分聚集至壁面A-4 以及行人呼吸高度處平面P 上。建筑側(cè)壁面也會(huì)受到污染物擴(kuò)散的影響，結(jié)合圖6、圖7 可知，壁面A-3 主要是氣流在建筑A 下游區(qū)域形成回流區(qū)導(dǎo)致的。當(dāng)α= 30°、60°時(shí)，平面P 上基本無(wú)污染物，壁面A-3 上有少許的污染物，且2 種風(fēng)向角下污染物在壁面上的平均無(wú)量綱濃度很接近，當(dāng)α= 30°時(shí)相比于α= 60°時(shí)，煙囪釋放的污染物會(huì)更多地影響壁面B-3 和B-4；當(dāng)α= 90°時(shí)，僅建筑A 的背風(fēng)面A-3 上平均無(wú)量綱濃度較高。這是因?yàn)榻ㄖ﨎 在該風(fēng)向角下基本不受經(jīng)過(guò)建筑A 屋頂煙囪的氣流影響，此時(shí)流動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，氣流在建筑A 背風(fēng)區(qū)形成的漩渦致使污染物少量聚集于壁面A-3 附近。當(dāng)α= 120°、150°時(shí)，煙囪釋放的污染物僅對(duì)建筑A 的背風(fēng)面有影響；當(dāng)α= 180°時(shí)，流動(dòng)結(jié)構(gòu)變得相對(duì)復(fù)雜，建筑四周壁面以及平面P 均有污染物擴(kuò)散分布，且由于氣流在建筑B 背風(fēng)區(qū)產(chǎn)生漩渦，將污染物卷吸至建筑間的街道峽谷內(nèi)，且壁面B-1 的無(wú)量綱污染物相對(duì)較大。隨著風(fēng)向角逐漸變大，建筑A 屋頂中心煙囪釋放的污染物對(duì)壁面A-1 的影響逐漸變大，對(duì)壁面A-3 的影響則是先變大后變小，而只有α= 0°和180°時(shí)污染物才會(huì)擴(kuò)散至壁面A-2 和A-4，尤其是當(dāng)α= 0°時(shí)處于街道峽谷內(nèi)的壁面A-4 上污染物的平均無(wú)量綱濃度最大。建筑B 四周壁面以及平面P 只有當(dāng)α= 0°、180°時(shí)才有污染物到達(dá)；不同的是當(dāng)α= 180°時(shí)建筑B 背風(fēng)面的尾流漩渦將部分污染物卷吸至平面P 處，該平面平均無(wú)量綱濃度比α= 0°時(shí)的減少80%。

圖8 建筑四周壁面以及行人呼吸高度處平面對(duì)應(yīng)編號(hào)Fig.8 Labels of wall planes around the buildings and planes at the pedestrian breathing height

圖9 不同風(fēng)向角α 下建筑四周壁面以及行人呼吸高度處平面上平均無(wú)量綱濃度比較Fig.9 Comparison of average dimensionless concentrations on the surrounding walls and the pedestrian breathing height plane under different wind directions

3 結(jié) 論

本文采用CFD 數(shù)值模擬方法，研究不同風(fēng)向角下兩建筑模型中矮層建筑屋頂煙囪排放污染物的擴(kuò)散分布特性，得到以下結(jié)論：

（1）氣流來(lái)流處是否有建筑對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)影響較大，來(lái)流方向無(wú)建筑時(shí)，僅會(huì)在煙囪所在建筑背風(fēng)面形成旋渦，污染物也只會(huì)擴(kuò)散至建筑物背風(fēng)區(qū)域以及下游區(qū)域；當(dāng)α= 180°時(shí)，來(lái)流處存在建筑且高度相對(duì)較高時(shí)，氣流會(huì)產(chǎn)生回流區(qū)，將污染物帶回街道峽谷區(qū)域。

（2）來(lái)流風(fēng)向角的變化對(duì)煙囪釋放污染物擴(kuò)散影響較大，會(huì)對(duì)建筑不同的壁面產(chǎn)生顯著影響。壁面A-1、A-2、B-1 在α= 180°時(shí)污染物的平均無(wú)量綱濃度達(dá)到最大，壁面A-3 在α= 90°時(shí)污染物平均無(wú)量綱濃度均達(dá)最大，壁面A-4、B-2、B-3、B-4 以及街道峽谷內(nèi)行人呼吸高度處平面P 在α= 0°時(shí)污染物的平均無(wú)量綱濃度最大；壁面A-1 在α= 0° ～ 60°時(shí)基本不受污染物影響，壁面A-2、A-4、B-1、B-2 以及平面P 在α= 30° ～ 150°時(shí)基本不受污染物影響，壁面A-3 在α= 150°時(shí)污染物的平均無(wú)量綱濃度最小，壁面B-3、B-4 在α= 90°、120°、150°時(shí)基本不受污染物影響。