胡明月 劉 璐/華北電力大學(xué)

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霧霾成因及擴(kuò)散中的流體力學(xué)問(wèn)題研究

胡明月 劉 璐/華北電力大學(xué)

【摘 要】近年來(lái)，我國(guó)的霧霾天氣，對(duì)生態(tài)環(huán)境以及人類(lèi)的身體健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害，分析霧霾成因及治理已迫在眉睫。從流體力學(xué)的角度對(duì)霧霾成因及擴(kuò)散作出新的分析，利用fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。大氣邊界層氣象條件、城市建筑布局及建筑墻體蓄熱都對(duì)霧霾形成及擴(kuò)散產(chǎn)生重要影響。

【關(guān)鍵詞】霧霾；逆溫層；城市建筑布局；城市建筑蓄熱

前言

以往對(duì)霧霾形成的研究大多數(shù)是從氣象條件、物理因子、地理?xiàng)l件、人為因素方面進(jìn)行分析。本文主要從逆溫層對(duì)霧霾形成及城市建筑布局和墻體蓄熱對(duì)霧霾擴(kuò)散的影響進(jìn)行分析，并運(yùn)用fluent軟件模擬分析建筑物的存在對(duì)周?chē)L(fēng)場(chǎng)分布的影響。

1.逆溫層對(duì)霧霾形成的影響

一般來(lái)說(shuō)，大氣對(duì)流層內(nèi)溫度隨高度遞減，即底層暖上層冷，有利于地面氣流上升，底層空氣中的污染物可以向上擴(kuò)散。但在某些特殊情況下，高層氣溫反而高于低層氣溫，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為逆溫。

逆溫層的物理特征是下冷上暖、氣體狀態(tài)穩(wěn)定，對(duì)氣體上下對(duì)流有抑制作用，即大氣層低空的空氣垂直運(yùn)動(dòng)受到限制，低空空氣中的氣溶膠難以向高空飄散而被阻滯在低空和近地面，各種氣溶膠污染物逐漸堆積，逆溫厚度越厚，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，造成的污染越嚴(yán)重。特別是進(jìn)入秋季，隨著太陽(yáng)高度角降低，太陽(yáng)輻射減少，大氣環(huán)境更加穩(wěn)定，在夜間更易出現(xiàn)靜穩(wěn)，同時(shí)夜間地面輻射增強(qiáng)，高層冷空氣較弱，溫度較低層空氣高，很容易在地面形成逆溫層，產(chǎn)生霧霾天氣。輻射逆溫層抑制污染空氣縱向?qū)α?，是?dǎo)致陰霾天氣形成的第一動(dòng)力[1]。

2.城市建筑布局對(duì)霧霾擴(kuò)散的影響

2.1單個(gè)建筑物周?chē)牧鲌?chǎng)分布

模擬是在大氣壓101325Pa，溫度為300K的大氣環(huán)境下，風(fēng)以初始速度5m/s正面吹向建筑物的。

分析流場(chǎng)，不難看出建筑物后面往往存在著旋渦區(qū)，容易形成空氣的滯留，如果有污染氣體存在時(shí)，就不容易擴(kuò)散，使空氣質(zhì)量變壞，可以看出建筑物周?chē)娘L(fēng)環(huán)境是影響城市大氣質(zhì)量的重要因素之一。

2.2不同風(fēng)速下多個(gè)建筑周?chē)鲌?chǎng)對(duì)比

在大氣壓101325Pa，溫度為300K的大氣環(huán)境下，風(fēng)分別以初始速度5m/s，10m/s并垂直于邊界和以初始速度5m/s并與邊界成45°角吹向建筑物。

速度分布對(duì)比圖如下：

v=5m/s垂直邊界

v=10m/s垂直邊界

v=5m/s與邊界成45度

壓強(qiáng)分布對(duì)比圖如下：

v=5m/s垂直邊界

v=10m/s垂直邊界

v=5m/s與邊界成45度

當(dāng)入口風(fēng)速較大v=20m/s時(shí)，在建筑物后方擾動(dòng)的范圍比風(fēng)速較小v=10m/s時(shí)擾動(dòng)的范圍更大。當(dāng)風(fēng)向垂直于建筑邊界時(shí)，在建筑的側(cè)風(fēng)面氣流被迫向建筑兩側(cè)分流。風(fēng)向45°時(shí)，最大負(fù)壓出現(xiàn)建筑外立面風(fēng)剝離處。風(fēng)速大時(shí)，污染物影響的范圍較大，但只在局部形成高污染區(qū)；小風(fēng)速時(shí)污染物影響的范圍較小，但是在該影響范圍內(nèi)污染物濃度相對(duì)來(lái)說(shuō)都比較大。

總的來(lái)說(shuō)，建筑物的存在會(huì)影響風(fēng)場(chǎng)的分布，建筑物周?chē)娘L(fēng)環(huán)境又影響城市大氣質(zhì)量。若風(fēng)場(chǎng)上游存在空氣污染物時(shí)，在負(fù)壓區(qū)這些污染物就不容易擴(kuò)散，引起行人不適和近地面環(huán)境的二次污染[3]。

3.城市建筑蓄熱對(duì)霧霾形成的影響

城市與郊區(qū)地表面性質(zhì)不同，熱力性質(zhì)差異較大。城區(qū)反射率小，吸收熱量多，蒸發(fā)耗熱少，熱量傳導(dǎo)較快，而輻射散失熱量較慢。且城市中的建筑大多為石頭和混凝土建成，它的熱傳導(dǎo)率和熱容量都很高，加上建筑物本身對(duì)風(fēng)的阻擋或減弱作用，可使城市年平均氣溫比郊區(qū)可高2攝氏度，甚至更多，在溫度的空間分布上，城市猶如一個(gè)溫暖的島嶼，從而形成城市熱島效應(yīng)。

4.治理霧霾天氣的建議及措施

要治理陰霾天氣，一方面是嚴(yán)格控制PM2.5污染氣體排放，一方面是通過(guò)表面隔熱措施降低各地區(qū)的地面材料蓄熱，以減少PM2.5污染氣體富集。

對(duì)城市來(lái)說(shuō)，選擇蓄熱系數(shù)很小的外墻保溫材料，做好建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計(jì)，將建筑鋼筋混凝土等重質(zhì)建筑材料包藏在比較厚的輕質(zhì)建筑保溫材料里；城市地面則盡可能選用能透水的輕質(zhì)地面磚，并多加強(qiáng)綠化；合理規(guī)劃城市建筑物的布局，負(fù)壓區(qū)不宜建造住宅樓，可用于綠化和其他休閑場(chǎng)所。農(nóng)村則提倡以植物秸稈覆蓋裸露的土地。

5.結(jié)論

逆溫層下冷上暖、氣體狀態(tài)穩(wěn)定，對(duì)氣體上下對(duì)流有抑制作用，是導(dǎo)致陰霾天氣形成的第一動(dòng)力。

建筑物的存在會(huì)影響風(fēng)場(chǎng)的分布，建筑物周?chē)娘L(fēng)環(huán)境又影響城市大氣質(zhì)量。因此合理規(guī)劃城市建筑物的布局也是防治霧霾的一種方法。

哪一地區(qū)的單位面積地面材料蓄熱量越高，越抑制縱向空氣對(duì)流，越容易將太陽(yáng)輻射熱量與空氣污染更多地集聚在大城市及其周邊地區(qū)，該地區(qū)越容易形成大氣逆溫層與城市熱島效應(yīng)，也更容易形成城市陰霾天氣。單位面積地面材料蓄熱量增長(zhǎng)是加重霧霾天氣的第二動(dòng)力。

治理霧霾應(yīng)從兩方面著手：控制PM2.5污染氣體排放和減少PM2.5污染氣體富集。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊雪艷，杜倩，慕秀香.持續(xù)性霾天氣與大氣邊界層氣象條件的關(guān)系分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).2015，43(3): 240-243.

[2] 趙桂香，杜莉，衛(wèi)麗萍，賀耀武，李瑩，朱煜.一次持續(xù)性區(qū)域霧霾天氣的綜合分析[J].干旱區(qū)研究.2011，28(15):871-876.

[3] 張曉偉.住宅小區(qū)污染物擴(kuò)散的數(shù)值模擬及分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué).2007.

[4] 毛恒青，朱蓉.城市的低空氣溫分布特征及其對(duì)大氣污染物擴(kuò)散的影響[J].城市環(huán)境與城市生態(tài).1997，10(2):31-35.

[5]孫媛媛.混凝土建筑結(jié)構(gòu)蓄熱對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響研究[D].大連：大連理工大學(xué).2007.