華鳳皎， 亢燕銘， 鐘 珂

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

建筑體型廓線對(duì)建筑物表面粒子沉積特性的影響

華鳳皎， 亢燕銘， 鐘 珂

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

選取典型建筑體型，利用計(jì)算流體力學(xué)方法研究了建筑體型對(duì)氣溶膠粒子在建筑表面沉積速度和沉積通量的影響．結(jié)果表明：迎風(fēng)面寬度是影響氣溶膠粒子在建筑表面沉積速度和沉積通量的重要因素，且迎風(fēng)面和背風(fēng)面對(duì)其的影響規(guī)律不同；建筑表面上氣溶膠粒子的沉積通量隨著其粒徑的變化而變化，且不同建筑表面最小沉積通量對(duì)應(yīng)的粒徑不同．

建筑體型； 建筑外表面；慣性沉積； 沉積速度； 沉積通量； 氣溶膠粒子

目前，城市大氣霾污染已成為我國(guó)重要的環(huán)境問(wèn)題．工業(yè)過(guò)程、機(jī)動(dòng)車尾氣以及其他人類活動(dòng)產(chǎn)生的氣溶膠粒子，不僅對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅，也將對(duì)建筑物、構(gòu)筑物以及其他各種市政設(shè)施產(chǎn)生嚴(yán)重污染腐蝕和損害，如建筑表面的粒子沉積會(huì)影響其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能及美觀要求．近幾年，隨著霾天氣在我國(guó)大范圍地區(qū)的頻繁出現(xiàn)，這種氣溶膠污染效應(yīng)也變得越發(fā)嚴(yán)重．即使大氣中有害氣溶膠已被有效清除，沉積在建筑物表面的粒子仍然會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地影響建筑物附近的空氣質(zhì)量．為了減少氣溶膠粒子造成的危害，須對(duì)這些粒子沉積特征有清楚的認(rèn)識(shí)．此外，古建筑的保護(hù)也需要了解和預(yù)測(cè)建筑各表面的粒子沉積情況，通過(guò)對(duì)建筑物墻體進(jìn)行及時(shí)清洗，減弱氣溶膠對(duì)文物和古跡的腐蝕．

粒子在固體表面的沉積特性研究報(bào)道較多.如文獻(xiàn)[1]給出了封閉空間內(nèi)均勻湍流粒子沉積的解析解．文獻(xiàn)[2]對(duì)粒子的沉積速度進(jìn)行了參數(shù)化分析，給出了計(jì)算粒子干沉積速度的簡(jiǎn)化公式．文獻(xiàn)[3]采用多層箱體模型模擬了包含多種地表形態(tài)的大尺度區(qū)域粒子的沉積通量，但并沒(méi)有求解區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)情況．文獻(xiàn)[4]采用離散軌跡模型研究了不同通風(fēng)房間內(nèi)粒子的質(zhì)量濃度分布和沉積特性．文獻(xiàn)[5]研究了城市環(huán)境下墊面、建筑物墻體和屋頂?shù)臍馊苣z粒子沉積速度，指出僅用一個(gè)或幾個(gè)物理量來(lái)表示城市氣溶膠粒子沉積速度的方法過(guò)于簡(jiǎn)化了對(duì)問(wèn)題的分析．

上述文獻(xiàn)側(cè)重于研究粒子沉積速度與氣流分布的關(guān)系以及室內(nèi)粒子的沉積，均沒(méi)有考慮建筑體型對(duì)室外粒子在墻面沉積的影響．通常情況下，粒子的沉積效應(yīng)主要受擴(kuò)散和慣性的共同作用[6]．由于不同建筑物體型對(duì)氣流的阻擋效應(yīng)和其周圍流場(chǎng)特征不同，導(dǎo)致了粒子在不同體型建筑周圍隨氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)行為的差異．

為考察不同的建筑體型廓線下粒子在建筑物表面的沉積特征，本文將針對(duì)城市中常見(jiàn)的點(diǎn)式建筑和條形建筑體型，采用計(jì)算流體力學(xué)方法構(gòu)建粒子沉積模型，分析建筑體型對(duì)其圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面上的粒子沉積特性的影響．

1 數(shù)值計(jì)算模型和方法

1．1 數(shù)值計(jì)算模型

表1給出了典型建筑體型的特征參數(shù)，其中，建筑體型尺寸長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為W，高度為H．計(jì)算區(qū)域的大小對(duì)于計(jì)算量和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)造成影響，當(dāng)計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度和高度不小于建筑物高度的5～6倍時(shí)，可消除邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響[7-8]．因此，本研究中計(jì)算區(qū)域高度取為6H，入口距建筑物迎風(fēng)面的距離為5H，出口距建筑物背風(fēng)面距離為10H．本文建筑體型case 2 L的計(jì)算區(qū)域如圖1所示．

表1 建筑體型尺寸

圖1 模型計(jì)算域及網(wǎng)格示意圖Fig．1 Schematic diagram of the computational domain and enlarged mesh

采用Gambit軟件對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并對(duì)建筑外表面附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密處理，而其他區(qū)域則采用正常尺寸網(wǎng)格來(lái)優(yōu)化整體網(wǎng)格數(shù)量并節(jié)約數(shù)值計(jì)算成本．模擬計(jì)算前，進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，即增加網(wǎng)格數(shù)，直至網(wǎng)格數(shù)的增加對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響為止[9]．經(jīng)檢驗(yàn)，最終網(wǎng)格數(shù)量為163～291萬(wàn)．

1．2 計(jì)算方法和邊界條件的設(shè)定

湍流流場(chǎng)可以采用不同的湍流模型進(jìn)行模擬，為節(jié)約計(jì)算成本并獲得簡(jiǎn)潔合理的數(shù)值結(jié)果，根據(jù)文獻(xiàn)[10-13]可知，標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型能很好地模擬本文條件下的湍流流場(chǎng)，其中壁面湍流特征用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)描述，采用有限容積法離散控制方程，并對(duì)動(dòng)量、湍流動(dòng)能κ、能量耗散率ε的輸運(yùn)方程采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行差分，以提高計(jì)算精度．

污染物輸送質(zhì)量濃度變化的對(duì)流擴(kuò)散方程為

(1)

式中：Ci為污染物質(zhì)量濃度；K為粒子擴(kuò)散系數(shù)；Si為污染源項(xiàng)；uj為j方向的速度分量；xj為笛卡爾坐標(biāo)分量．

計(jì)算域的進(jìn)口邊界條件設(shè)為速度入口，風(fēng)速大小采用速度廓線形式．風(fēng)速的垂直特性與地形及地面粗糙度有關(guān)，速度廓線可由指數(shù)律分布[14-16]表示，如式(2)所示．

(2)

式中：z為任一高度， m；zs為參考高度， m；u(zs)為zs處的參考風(fēng)速， m/s， 考慮到城市區(qū)域的穩(wěn)定氣象條件，本文取20 m高度處的風(fēng)速為2 m/s；α為地面粗糙系數(shù)(風(fēng)剖面冪指數(shù))，本文α取0．25[17-18]．速度廓線采用C++語(yǔ)言用戶編程并與Fluent程序提供的UDF(user-defined functions)對(duì)接．

計(jì)算區(qū)域出口處可視為充分發(fā)展的湍流，采用出流邊界條件(outflow)，即該流出區(qū)域的質(zhì)量流率和流入?yún)^(qū)域的質(zhì)量流率相等．建筑表面及地面采用無(wú)滑移條件，其余各面則采用滑移速度邊界．

假設(shè)城市背景氣流中粒子質(zhì)量濃度均勻，因此，設(shè)每種粒徑粒子在計(jì)算域進(jìn)口處空氣中的質(zhì)量濃度為10 μg/m3．城市大氣中，氣溶膠粒子的粒徑范圍很廣，生物有害性粒子尺寸(空氣動(dòng)力學(xué)直徑)通常在1～10 μm范圍，其中2 μm左右及以下的粒子占絕大多數(shù)[3]，粒子密度約為1 300 kg/m3[19]．故本文選取粒子密度取ρp= 1 500 kg/m3，對(duì)粒徑dp=0．5， 1．0， 1．5， 2．5， 3．5， 5．0， 7．0和10．0 μm分別進(jìn)行計(jì)算和分析．

1．3 粒子輸運(yùn)理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法

粒子在空氣中的輸運(yùn)模擬采用歐拉法，選用混合模型求解第二相粒子的動(dòng)量和體積分?jǐn)?shù)．大氣環(huán)境中粒子可視為稀薄相，只考慮流場(chǎng)對(duì)顆粒物的單向耦合作用．壁面處的粒子沉積通量J可用式(3)計(jì)算．

(3)

式中：CVOF-dA為靠近壁面控制體中粒子相體積分?jǐn)?shù)；vd-dA為某一點(diǎn)粒子的沉積速度； dA為控制體壁面的面積；Awall為建筑物表面面積．

建筑物不同外表面上的粒子沉積速度vd為垂直面上的沉積速度vdv

(4)

朝上的水平面沉積速度vdu

(5)

式中：vs為粒子的終端沉降速度， m/s；u*為摩擦速度， m/s； 參量I的具體表達(dá)式見(jiàn)文獻(xiàn)[20]；u*為通過(guò)流體的湍流動(dòng)能k， m2/s，由式(6)計(jì)算得到．

(6)

1．4 數(shù)值模型的合理性驗(yàn)證

為了保證數(shù)值模擬方法分析建筑流場(chǎng)分布特征的可靠性，需要對(duì)所采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證．本文利用漢堡大學(xué)氣象研究所提供的BLASIUS風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)[21]對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證．模擬參數(shù)與試驗(yàn)保持一致，模型采用邊長(zhǎng)為125 mm的立方體，入口風(fēng)速采用速度廓線，參考高度500 mm處的參考風(fēng)速為6 m/s，風(fēng)速廓線指數(shù)為0．22．采用文獻(xiàn)[22]的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證濃度場(chǎng)，具體如下：風(fēng)洞中的模型尺寸為60 mm×60 mm，其長(zhǎng)度與風(fēng)洞長(zhǎng)度相等，充分發(fā)展區(qū)的風(fēng)速廓線指數(shù)為0．20，參考高度650 mm處的參考風(fēng)速為3 m/s．污染物質(zhì)量濃度采用無(wú)因次濃度C*來(lái)表示，如式(7)所示．

(7)

式中：Ci為i點(diǎn)處的污染物質(zhì)量濃度， kg/m3；q0為污染物散發(fā)強(qiáng)度， kg/s；Ls為污染源長(zhǎng)度，取0．9 m．

建筑迎風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，其中u(z)為沿?zé)o量綱高度Z(Z=z/H)方向的氣流速度分量．由圖2(a)可以看出，本文模擬結(jié)果在建筑物高度范圍內(nèi)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合得比較好．圖2(b)給出的污染物質(zhì)量濃度分布驗(yàn)證說(shuō)明，迎風(fēng)區(qū)質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值符合得較好，背風(fēng)區(qū)幾乎完全吻合．因此，本文采用的數(shù)值模型可以很好地預(yù)測(cè)城市中單體建筑物附近的氣流流動(dòng)狀況和粒子質(zhì)量濃度分布情況．

(a) 氣流速度

(b) 質(zhì)量濃度

2 模擬結(jié)果與分析

2．1 建筑體型對(duì)建筑附近氣流速度的影響

對(duì)表1給出的各建筑體型逐一進(jìn)行了模擬．在case 1L和case 3L兩種典型情況下，在z=5 m高度處建筑周圍的氣流流線分布如圖3所示．

圖3 典型建筑z=5 m平面上的氣流流線分布Fig．3 Streamline distributions on typical planes of the buildings at z=5 m

由圖3可以看出，由于建筑物對(duì)來(lái)流的阻擋，導(dǎo)致在建筑側(cè)面及背風(fēng)面區(qū)域均會(huì)形成渦流．由于case 3L的迎風(fēng)面寬度較大，其背風(fēng)面形成的回漩渦流區(qū)域也明顯大于case 1L． case 3L側(cè)面近壁區(qū)完全處于渦流狀態(tài)，而case 1L側(cè)面較長(zhǎng)，渦流主要分布在擾流區(qū)前端．二次流的分布不同可能會(huì)導(dǎo)致粒子沉積到建筑物表面的概率不同，從而造成建筑表面粒子沉積通量的差異．圖3還表明，不同體型的建筑物附近的氣流流動(dòng)速度不同，可能會(huì)導(dǎo)致建筑物不同表面的粒子沉積速度有所不同．

為定量分析建筑各表面附近氣流速度的差異，圖4給出了距離建筑物背風(fēng)面、迎風(fēng)面和側(cè)面0．25 m處投影平面的垂直中心線上氣流速度沿?zé)o量綱高度Z的變化情況．

(a) 迎風(fēng)面

(b) 背風(fēng)面

(c) 側(cè)面

由圖4(a)可見(jiàn)，在迎風(fēng)面附近，高度相同、體型不同的建筑物附近氣流速度變化曲線相似，僅在Z<0．3的近地區(qū)域略有不同．高度不同的建筑物附近氣流速度變化趨勢(shì)也基本一致，這表明建筑體型和高度對(duì)迎風(fēng)面中心附近氣流速度的影響很?。畯膱D4(b)和4(c)中可看出，建筑物背風(fēng)面和側(cè)面的氣流速度受建筑體型和迎風(fēng)面寬度影響很大．不同體型的建筑物背風(fēng)面在Z<0．3的近地區(qū)域氣流速度基本相等，上部流速隨著迎風(fēng)面寬度增大而增大，且建筑物越高，規(guī)律越明顯．另外，較高建筑的背風(fēng)區(qū)氣流速度也高于相同平面結(jié)構(gòu)的較低建筑．

由圖4(c)還可以看到，在case 2L/case 2H和case 3L/case 3H兩種情況下，建筑側(cè)面近地區(qū)域的氣流速度很接近，且遠(yuǎn)大于case 1L/case 1H的氣流速度．這是因?yàn)榍罢呓ㄖ?cè)面尺寸較小，建筑側(cè)面完全位于渦流區(qū)內(nèi)，流速受渦流影響而明顯增大，而后者側(cè)面部分的前端區(qū)域位于渦流區(qū)內(nèi)，而所考察的速度樣本點(diǎn)位置已在渦流區(qū)外，故氣流速度較小．這一差別將會(huì)對(duì)粒子在建筑物表面的沉積特性產(chǎn)生影響．

2．2 建筑各表面上的粒子沉積通量

由數(shù)值模擬結(jié)果和式(3)沉積通量的計(jì)算可以得到表1中6種情形的迎風(fēng)面、側(cè)面、背風(fēng)面和屋頂上粒子沉積通量J與粒徑dp的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示．

由圖5(a)可知，不論建筑高低，均表現(xiàn)為迎風(fēng)面越寬，迎風(fēng)面上的沉積通量越小，此外，粒子粒徑越小，沉積通量受建筑體型影響越小.這是因?yàn)樾×Ｗ拥某练e主要受擴(kuò)散機(jī)理控制，而大粒子的沉積主要受慣性力控制．由于建筑體型是通過(guò)影響周圍流場(chǎng)來(lái)影響粒子沉積效果的，因此只能影響到受慣性力控制的大粒子的沉積效果．

(a) 迎風(fēng)面和側(cè)面

(b) 背風(fēng)面

(c) 屋頂

(d) 建筑物總表面

另外，比較不同建筑體型中迎風(fēng)面最小沉積通量對(duì)應(yīng)的粒子直徑可以看到，除了迎風(fēng)面面積較小的case 1H迎風(fēng)面上的最小沉積通量對(duì)應(yīng)粒徑為2．5 μm外，其他體型建筑對(duì)應(yīng)粒徑均為3．5 μm．這是因?yàn)閏ase 1H對(duì)氣流的阻擋作用小，迎風(fēng)面附近氣流平均速度大于其他建筑體型的情況，粒子受到的慣性作用大，故導(dǎo)致最小沉積通量對(duì)應(yīng)的粒徑小于其他建筑體型．由圖5(a)還可以看到，雖然側(cè)面粒子沉積通量略小于迎風(fēng)面，但沉積通量隨粒徑的變化曲線與迎風(fēng)面非常相似，最小沉積通量對(duì)應(yīng)的粒徑也是3．5 μm．

由圖5(b)可見(jiàn)，背風(fēng)面上沉積通量隨粒徑的變化規(guī)律為，迎風(fēng)面越寬，背風(fēng)面粒子沉積通量越大．此外，對(duì)比圖5(a)和5(b)還可以看到，背風(fēng)面上的沉積通量明顯小于迎風(fēng)面，同時(shí)最小沉積通量對(duì)應(yīng)粒徑較大，約為5．0～7．0 μm．這是因?yàn)楸筹L(fēng)面附近氣流速度遠(yuǎn)低于迎風(fēng)面，故粒子在這里受到的慣性力較小，于是最小沉積通量對(duì)應(yīng)的dp必然增大．由圖5(c)可看出，在重力沉降的作用下，屋頂上的沉積通量隨著粒徑的增加單調(diào)上升．由于屋頂表面附近的局地風(fēng)速受建筑體型的影響較小，故不同建筑體型的沉積通量差別很?。蓤D5(d)可知，由于屋頂水平面上的沉積通量遠(yuǎn)大于其他垂直表面的沉積通量，建筑物表面總的沉積通量主要取決于屋頂上的沉積通量，因此，其與屋頂上呈現(xiàn)出相同的沉積規(guī)律．

2．3 建筑體型對(duì)沉積速度的影響

根據(jù)氣溶膠動(dòng)力學(xué)原理[23-24]，粒子的沉積速度與建筑物附近氣流速度密切相關(guān)．為了對(duì)建筑物表面沉積情況進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，在距離建筑物表面0．25 m的投影平面上均勻取點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)間距1 m，取值點(diǎn)總數(shù)為442～2 502，提取這些取樣點(diǎn)處的數(shù)值結(jié)果來(lái)討論氣溶膠粒子在外墻面的沉積規(guī)律． 根據(jù)流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果和式(4)和(5)，在不同建筑體型下，dp=0．5和10．0 μm的粒子在建筑迎風(fēng)面、背風(fēng)面、側(cè)面和屋頂上的沉積速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示．

(a) 迎風(fēng)面

(b) 背風(fēng)面

(c) 側(cè)面

(d) 屋頂

由圖6(a)可見(jiàn)，在兩種建筑高度下，均表現(xiàn)為迎風(fēng)面越窄，粒子沉積速度越大的特征．由圖6(b)可知，背風(fēng)面與迎風(fēng)面表現(xiàn)出的規(guī)律則恰好相反．這一規(guī)律在高建筑(即H=40 m)上表現(xiàn)得更為明顯．這可能是由于迎風(fēng)面尺度越大，背風(fēng)區(qū)的湍動(dòng)能亦越大，故式(6)中的摩擦速度將增加，從而使得沉積速度增大．

圖6(c)中表明，粒子在建筑側(cè)面上沉積速度與迎風(fēng)面沉積速度在量級(jí)上相當(dāng)，但與建筑體型和迎風(fēng)面寬度的關(guān)系并沒(méi)有非常明確的相關(guān)性．這很可能是因?yàn)?，不同體型的側(cè)面寬度不同，而建筑側(cè)面空氣流動(dòng)情況受到迎風(fēng)面和側(cè)面尺寸的共同影響．由圖6(d)可見(jiàn)，dp=10．0 μm的粒子在屋頂上的水平沉積速度明顯高于dp=0．5 μm粒子的沉積速度.這是因?yàn)榇罅Ｗ舆€會(huì)受到重力沉積的作用，從而強(qiáng)化了大粒子的沉積．此外，屋頂上的沉積速度與建筑體型和迎風(fēng)面寬度的相關(guān)性與背風(fēng)面相同，即沉積速度隨著迎風(fēng)面寬度的增大而增大．綜合以上分析，可以認(rèn)為迎風(fēng)面寬度W與沉積速度vdv存在明確的相關(guān)性．

為評(píng)價(jià)建筑物迎風(fēng)面寬度W對(duì)粒子沉積效果的影響，現(xiàn)以迎風(fēng)面寬度最小的case 1L和case 1H為基準(zhǔn)，定義其他建筑模型表面不同dp粒子的沉積速度和沉積通量變化率η，如式(8)所示．

(8)

式中：Y代表沉積速度vdv或沉積通量J；x=2， 3，分別為表1所示的case 2和case 3類型的建筑；i=L， H，分別表示低建筑和高建筑．

根據(jù)以上定義，圖7給出了不同建筑體型迎風(fēng)面上的粒子沉積通量變化率η與其粒徑的關(guān)系．

圖7 不同建筑迎風(fēng)面上不同粒子沉積通量 變化率隨其粒徑的變化Fig．7 Changed ratios of deposition flux with dpon windward of different buildings

由圖7可以看到，建筑迎風(fēng)面寬度的增大將使得所有粒徑的粒子在迎風(fēng)面的沉積通量均產(chǎn)生不同程度的減小，這與上述迎風(fēng)面寬度對(duì)粒子沉積速度的影響的結(jié)論相吻合．由圖7還可以看到，迎風(fēng)面寬度對(duì)粒子沉積通量的影響程度隨著粒徑和建筑高度的增大而增加．

為了比較建筑體型對(duì)粒子沉積速度和沉積通量的影響程度，圖8分別給出了dp=0．5和10．0 μm的粒子在建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面上沉積速度與沉積通量變化率η．

(a) 迎風(fēng)面

(b) 背風(fēng)面

由圖8(a)可以看到，迎風(fēng)面上的粒子沉積速度與沉積通量的變化率η的變化規(guī)律保持一致，隨著迎風(fēng)面寬度和建筑高度的增加，迎風(fēng)面上的粒子沉積速度和沉積通量都減小，且粒徑越大越明顯．由圖8(b)可以看到：對(duì)于較高的建筑，迎風(fēng)面寬度較大的體型使得背風(fēng)面上大粒子和小粒子沉積速度和沉積通量都增大，但沉積通量的增大幅度明顯低于沉積速度；對(duì)于較低建筑，背風(fēng)面沉積速度隨著迎風(fēng)面寬度增大而增加，但沉積通量卻出現(xiàn)了減小現(xiàn)象．這是因?yàn)槌练e通量由沉積速度和粒子質(zhì)量濃度共同決定，沉積通量沒(méi)有完全隨著沉積速度的增大而增加，這可能是建筑表面粒子質(zhì)量濃度隨迎風(fēng)面寬度變化的規(guī)律與沉積速度不一致造成的．為此，圖9給出了不同建筑體型下建筑中心剖面上dp=0．5 μm粒子的質(zhì)量濃度分布．

圖9 不同建筑體型中心剖面上的粒子質(zhì)量濃度分布Fig．9 Particle concentration distributions on centre section of different buildings

由圖9可以看到，由于沉積效應(yīng)對(duì)粒子的清除作用，隨著迎風(fēng)面寬度的增大，背風(fēng)面附近的粒子質(zhì)量濃度下降，因此，使得粒子沉積通量隨迎風(fēng)面寬度增加的幅度減小(對(duì)于較高建筑)．盡管隨著建筑迎風(fēng)面寬度增加，粒子沉積速度增大，但當(dāng)沉積速度的增大量不足以抵消粒子質(zhì)量濃度的減小量時(shí)，沉積通量隨迎風(fēng)面寬度增大的變化趨勢(shì)就不再與沉積速度相同．

3 結(jié) 語(yǔ)

建筑物表面的粒子沉積不僅嚴(yán)重影響建筑外觀，而且在雨雪沖刷和太陽(yáng)輻射的共同作用下，還會(huì)因外墻材料的腐蝕而改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工特性和室內(nèi)熱環(huán)境．由于建筑物的體型對(duì)其周圍流場(chǎng)有重要的畸變作用，進(jìn)而影響到隨背景空氣輸送的大氣氣溶膠在建筑物表面上的沉積特性，但相關(guān)的研究還很缺乏．因此，本文應(yīng)用粒子沉積模型和計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)幾種典型體型廓線的建筑表面上粒子沉積特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析，討論了不同表面上發(fā)生粒子沉積的特征．主要結(jié)論如下：

(1) 由于不同體型建筑對(duì)來(lái)流的阻擋作用不同，形成了不同的流場(chǎng)特征．本文模擬結(jié)果表明，建筑迎風(fēng)面尺寸對(duì)流場(chǎng)的影響作用大于建筑高度的影響效果．因此，建筑高度增大雖然增大了迎風(fēng)面面積，但對(duì)粒子沉積速度的影響沒(méi)有迎風(fēng)面寬度變化的作用明顯．

(2) 隨著建筑物迎風(fēng)面寬度的增大，建筑迎風(fēng)面上粒子沉積速度將會(huì)下降，但在背風(fēng)面上的沉積速度則會(huì)升高．建筑物迎風(fēng)面上的粒子沉積通量隨迎風(fēng)面寬度的變化規(guī)律與沉積速度一致，但對(duì)于背風(fēng)面，由于墻面附近粒子質(zhì)量濃度受迎風(fēng)面寬度的影響趨勢(shì)與沉積速度不同，沉積通量與沉積速度變化規(guī)律不完全一致．

(3) 由于不同建筑表面附近氣流慣性作用不同，故不同表面上最小沉積通量對(duì)應(yīng)的粒徑也不同．由于背風(fēng)面處在建筑尾流區(qū)，氣流平均速度低，故粒子的慣性和湍流擴(kuò)散效應(yīng)均較弱，因此，背風(fēng)面最小沉積通量對(duì)應(yīng)的粒徑將大于迎風(fēng)面和側(cè)面．

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(責(zé)任編輯：劉園園)

Effects of Building Configuration on the Particle Deposition Features on Building Surfaces

HUAFengjiao，KANGYanming，ZHONGKe

(School of Environmental Science and Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China)

The influences of building configuration on the deposition velocity and deposition flux of aerosol particles on the building surface were investigated by using computational fluid dynamics for typical building configurations． The numerical results show that the width of windward side of a building is a key factor to influence deposition velocity and deposition flux． Deposition velocities and deposition fluxes of aerosol particles are different on windward and leeward sides of the building． Deposition fluxes of aerosol particles on the building surfaces vary with particle diameters． Particle diameters corresponding to minimum deposition flux are also different for different building surfaces．

building configuration； building surface； inertia deposition； deposition velocity； deposition flux; aerosol particles

1671-0444(2017)01-0115-08

2016-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40975093)；上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)資助項(xiàng)目(14ZZ073)

華鳳皎(1989—)，女，山東煙臺(tái)人，博士研究生，研究方向?yàn)槌鞘写髿猸h(huán)境與室內(nèi)空氣品質(zhì). E-mail: 2111173@mail.dhu.edu.cn 鐘 珂(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail:zhongkeyx@dhu.edu.cn

X 513； P 426．6

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