王占宇，都雪靜，陳 琳，李金鵬，郭歡歡

（1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040;2.國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽(yáng)），湖北襄陽(yáng) 441004）

公路路面熱輻射對(duì)汽車排放NOx擴(kuò)散特性的影響

王占宇1，都雪靜1，陳 琳2，李金鵬1，郭歡歡1

（1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040;2.國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽(yáng)），湖北襄陽(yáng) 441004）

針對(duì)公路瀝青路面熱輻射，建立了三維大氣流動(dòng)及機(jī)動(dòng)車排放物擴(kuò)散的CFD仿真模型，進(jìn)行了非定常三維湍流流動(dòng)模擬;結(jié)合氣象因素及單車排放NOx擴(kuò)散濃度的實(shí)地測(cè)試，研究了路面熱輻射對(duì)機(jī)動(dòng)車排放物擴(kuò)散的影響。結(jié)果表明:路表加熱作用所產(chǎn)生的熱力環(huán)流使得污染物能夠被有效地輸送和擴(kuò)散至上空，從而使得近地面的污染物濃度下降;隨地表溫度增高，輸送效應(yīng)增強(qiáng);在尾氣排放方向處于距排氣口10 m遠(yuǎn)處，人的呼吸帶高度處NOx濃度仍然較高;NOx擴(kuò)散濃度的模擬值與實(shí)測(cè)值具有較好的符合，驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性。

環(huán)境工程;尾氣擴(kuò)散;路面熱輻射;數(shù)值模擬

0 引言

公路運(yùn)營(yíng)期產(chǎn)生的污染主要來(lái)自汽車尾氣，公路建設(shè)的快速發(fā)展及汽車保有量的增加，使機(jī)動(dòng)車排放對(duì)公路沿線環(huán)境的污染日益嚴(yán)重。機(jī)動(dòng)車排放污染物的傳輸和擴(kuò)散受機(jī)動(dòng)車排放源、氣象因素、地形條件等諸多因素的影響。國(guó)內(nèi)外在機(jī)動(dòng)車排放污染物的擴(kuò)散規(guī)律方面的研究，主要集中在城市街道擴(kuò)散規(guī)律［1-3］及公路擴(kuò)散的模型［4-5］。謝曉敏，等［6］對(duì)日光照射街道峽谷地面時(shí)峽谷內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)和機(jī)動(dòng)車排放污染物擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究;楊文娟，等［7］分析了路面溫度對(duì)城市熱島的影響;張新，等［8］分析了瀝青路面對(duì)城市大氣受熱的影響。公路路面完全處于自然環(huán)境的影響中，經(jīng)受著持續(xù)變化的天氣影響，如太陽(yáng)輻射、天空輻射及外界氣溫等，從而產(chǎn)生較高的路面溫度。地面附近的空氣受路面的加熱，對(duì)空氣流場(chǎng)及汽車排放物的擴(kuò)散產(chǎn)生重要影響。筆者針對(duì)瀝青路面不同地面溫度，考慮機(jī)動(dòng)車排放因子，建立CFD仿真模型，對(duì)受公路路面加熱條件下的汽車尾氣擴(kuò)散進(jìn)行三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬，并比較模擬結(jié)果與實(shí)地采樣分析數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)探討公路路面熱輻射對(duì)空氣流場(chǎng)和汽車尾氣污染物遷移擴(kuò)散特征的影響。

1 數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算域在x，y，z軸方向上長(zhǎng)度為30 m×20 m ×5 m，排氣管直徑為0.06 m，中心距地面0.3 m，排氣方向沿x軸。入口風(fēng)速u采用實(shí)際測(cè)得的來(lái)流風(fēng)速，u的值按式（1）定義:

式中:u為污染源排放高度H（m）時(shí)的預(yù)測(cè)風(fēng)速，m/s;u0為高度H0（m）時(shí)的實(shí)測(cè)風(fēng)速，m/s，文中以2 m高度的實(shí)測(cè)風(fēng)速值定義;m為風(fēng)速高度指數(shù)，取0.15。

數(shù)值計(jì)算中采用udf函數(shù)自定義入口風(fēng)速隨高度的變化。由于模擬環(huán)境的實(shí)際風(fēng)速較低，可以把空氣視為不可壓流體，計(jì)算域頂部和兩個(gè)側(cè)面為自由流動(dòng)，出流采用充分發(fā)展邊界條件;其余采用無(wú)滑移固壁邊界條件。湍流模型采用兩方程k-ε模型，污染物濃度采用大氣對(duì)流擴(kuò)散方程［9］。在日光照射下，由于路面與上空的空氣存在溫差，使空氣的密度不均勻，在重力作用下產(chǎn)生浮升力使空氣發(fā)生流動(dòng)，動(dòng)量方程則需要考慮浮升力。由于空氣的溫差小于30℃，在流體自然對(duì)流及傳熱計(jì)算中使用Boussinesq假設(shè)［10］，在控制方程中，除浮升力項(xiàng)中的密度隨溫度線性變化外，其他各項(xiàng)中的密度及其他的物性都近似地按常物性處理。應(yīng)用Fluent軟件實(shí)現(xiàn)非定常三維流動(dòng)模擬。

2 樣品采集與分析

2.1 氣象條件測(cè)定

試驗(yàn)地點(diǎn)選取瀝青路面，周圍無(wú)高建筑物及其他污染物排放源，以1.6 L排量的某轎車為穩(wěn)定的排放源。在測(cè)試汽車排放物的同時(shí)測(cè)試氣象條件，采用PC-3型便攜式自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)。路表溫度采用美國(guó)Raytek Raynger ST Pro紅外測(cè)溫儀測(cè)定，輸出波長(zhǎng)630～670 nm。測(cè)試時(shí)間為2011年6月，天氣晴朗，風(fēng)速較小，測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 氣象因素及路面溫度測(cè)試結(jié)果Table 1 Test datasheet on meteorological observation and highway pavement temperature

2.2 氣樣采集與分析

在選定的測(cè)試區(qū)域內(nèi)，以汽車排放物NOx為監(jiān)測(cè)對(duì)象，進(jìn)行氣體污染物的監(jiān)測(cè)及相關(guān)條件的測(cè)試。轎車排氣管距地面高度為0.3 m，測(cè)試區(qū)域附近無(wú)其他NOx排放源。各測(cè)試點(diǎn)采用便攜式2020型空氣采樣器采集氣樣，采集位置如圖1。

圖1 氣樣采集位置分布（單位:m）Fig.1 Positional distribution of contaminative gas sample collection

對(duì)離地面 0.3，0.9，1.5 m 各高度進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)，在同一高度上的長(zhǎng)寬為10 m ×5 m的矩形各點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分析方法按照GB/T 15436—1995《環(huán)境空氣氮氧化物的測(cè)定Saltzman法》，用TU-1901型雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行吸收液吸光度值的測(cè)試，完成NOx濃度的分析。用PC-3型便攜式自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象條件。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定怠速工況，轉(zhuǎn)速為750 r/min;排氣尾流排放速度由實(shí)際測(cè)得，為5.8 m/s;排氣管出口處尾氣溫度為36.5℃，出口處NOx體積濃度為1 300 × 10-6。圖 2為風(fēng)速 0.2 m/s，環(huán)境溫度25.2℃，瀝青路面溫度31.2℃條件下NOx體積濃度計(jì)算結(jié)果。

圖2 NOx體積濃度分布Fig.2 Distribution of NOxvolume concentration

由圖2可以看出，在大氣風(fēng)速及地面加熱等外界因素作用下，汽車排放NOx在大氣中迅速擴(kuò)散，隨著距排氣管距離增加濃度逐漸降低;在高度方向上，污染物濃度隨高度增加則呈現(xiàn)出先增高后逐漸降低的趨勢(shì)，其原因在于排氣管距地面有一定高度所致。

由于排氣管排放口位置處于近地面，致使近地面處NOx濃度較高;隨距排氣口距離增加，在大氣風(fēng)、湍流混合、環(huán)境溫度、地面熱輻射造成的溫度梯度及物質(zhì)輸運(yùn)等因素的共同作用下，氣體向上空擴(kuò)散，濃度值迅速降低;在處于距排氣口10 m遠(yuǎn)處，人的呼吸帶高度處NOx濃度仍然較高。

選取大氣風(fēng)速均為0.2 m/s的1，4，7組，距地面分別為0.3，0.9，1.5 m 各監(jiān)測(cè)點(diǎn) NOx的體積濃度模擬值與實(shí)測(cè)值（將實(shí)測(cè)的質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換為體積濃度）列于表2中。

圖3為bb'、ee'鉛垂線上各高度NOx在不同地面溫度條件下的模擬濃度對(duì)比。圖4為bb'、ee'鉛垂線NOx濃度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比。ee'鉛垂線為幾何模型中對(duì)稱面上距離排氣口10.5 m處的鉛垂線。

圖3 bb'和ee'鉛垂線不同路面溫度時(shí)NOx模擬濃度對(duì)比Fig.3 Comparison of NOxconcentration with CFD on the plumb line bb'＆ee'of different asphalt pavement temperature

圖4 bb'和ee'鉛垂線NOx濃度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.4 Comparison of NOxconcentration with CFD and observations on the plumb line bb'＆ee'

由圖3可以看出，在排氣管軸心所在鉛垂面NOx濃度較高，在相同大氣風(fēng)速條件下，bb'鉛垂線上NOx濃度在同一高度上隨地面溫度的增加呈現(xiàn)較高值。表明地面熱輻射對(duì)近地層空氣流動(dòng)產(chǎn)生一定影響，從而對(duì)汽車排放物的擴(kuò)散遷移產(chǎn)生影響，也是瀝青公路路面產(chǎn)生鏡面效應(yīng)的重要因素。由圖4可以看出，NOx濃度模擬值與實(shí)測(cè)值相比，最大誤差為9.89%，驗(yàn)證了建立的CFD仿真模型的可靠性，產(chǎn)生誤差的主要原因是測(cè)試采用小時(shí)平均濃度，在1 h內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向存在瞬時(shí)變化，仿真時(shí)雖考慮風(fēng)速風(fēng)向的變化，但在邊界條件輸入時(shí)仍存在一定的偏差。

4 結(jié)語(yǔ)

為了研究公路瀝青路面熱輻射對(duì)機(jī)動(dòng)車排放物擴(kuò)散的影響，建立了三維大氣流動(dòng)及機(jī)動(dòng)車排放物擴(kuò)散的CFD仿真模型，以實(shí)地測(cè)試的氣象因素及地面溫度為邊界條件，模擬了實(shí)際大氣條件下污染物NOx的傳輸擴(kuò)散過(guò)程。對(duì)單車排放的NOx擴(kuò)散濃度進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量，數(shù)值模擬結(jié)果與之比較，最大誤差為9.89%，驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性;在尾氣排放方向處于距排氣口10 m遠(yuǎn)處，人的呼吸帶高度處NOx濃度仍然具有較高值。瀝青路面熱輻射所產(chǎn)生的熱力環(huán)流，使機(jī)動(dòng)車排氣污染物能夠被有效地向上空輸送和擴(kuò)散，從而使得近地面的污染物濃度下降，這是公路產(chǎn)生鏡面效應(yīng)的重要因素，也是產(chǎn)生局地?zé)釐u現(xiàn)象的原因所在。

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Influence of Highway Pavement Thermal Radiation on Diffusion Characteristics of Automobile Emission NOx

Wang Zhanyu1，Du Xuejing1，Chen Lin2，Li Jinpeng1，Guo Huanhuan1
（1.School of Traffic，Northeast Forestry University，Harbin 150040，Heilongjiang，China;
2.Xiangyang National Automobile Quality Supervision Test Center，Xiangyang 441004，Hubei，China）

In order to study the diffusion characteristics of automotive emission NOxunder the condition of highway pavement thermal radiation，the CFD simulation models of automobile emission NOxdispersion in real atmospheric environment were built.The numerical simulation of three-dimensional unsteady turbulent flow was achieved，combining with the test of meteorological parameters and measured concentration of single vehicle;the diffusion characteristics of NOxwere obtained.The results show that with the increase of pavement temperature，transportation effect on automobile emission is enhanced.At 10m vertical distance to the exhaust port along the direction of the automobile exhaust，at the height of Person’respiratory level，the NOxconcentration still has a higher value.The numerical results are compared with the measured concentration and a good agreement is achieved，as well as the reliability of the CFD model is validated.

environmental engineering;pollutant diffusion;highway pavement thermal radiation;numerical simulation

U461

A

1674-0696（2013）02-0234-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.14

2012-09-16;

2013-01-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51108068）;黑龍江省教育廳科技項(xiàng)目（11553025）;中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（DL12CB03）

王占宇（1975—），男，吉林集安人，副教授，工學(xué)博士，主要從事交通環(huán)境方面的研究。E-mail:zywang77@yahoo.com.cn。

都雪靜（1975—），女，吉林通化人，副教授，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事交通環(huán)境與安全技術(shù)方面的研究。E-mail:duxuejing@yahoo.com.cn。