劉建峰 王寶慶 牛宏宏 劉博薇 任自會(huì) 陳榮會(huì) 王澤北

(南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071)

計(jì)算流體力學(xué)模擬街道峽谷特征和風(fēng)向?qū)?xì)顆粒物污染擴(kuò)散的影響*

劉建峰 王寶慶#牛宏宏 劉博薇 任自會(huì) 陳榮會(huì) 王澤北

(南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071)

街道峽谷結(jié)構(gòu)和風(fēng)向會(huì)對街道峽谷內(nèi)的污染物濃度和擴(kuò)散特征帶來一定影響。利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件，針對街道峽谷高寬比、建筑物間隔(建筑物間空隙與街道總長度的比值)和風(fēng)向?qū)值缻{谷內(nèi)細(xì)顆粒物擴(kuò)散的影響進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，建筑物間隔為20%，風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，風(fēng)速為3m/s，街道峽谷高寬比分別為1∶2、1∶1和2∶1時(shí)，街道中心線距地面1.5m高度細(xì)顆粒物最大質(zhì)量濃度分別位于-19.3、-88.0、-19.3m(以與街道中心點(diǎn)的距離計(jì)，正值表示在街道中心點(diǎn)以東，負(fù)值表示在街道中心點(diǎn)以西，下同)位置，為37.5、46.4、28.4μg/m3。街道峽谷高寬比為1∶1，風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，風(fēng)速為3m/s，建筑物間隔分別為0、20%和40%時(shí)，街道中心線距地面1.5m高度的細(xì)顆粒物最大質(zhì)量濃度分別位于148.0、-92.3、-186.7m位置，為88.1、31.6、33.7μg/m3。街道峽谷高寬比為1∶1，建筑物間隔為20%，風(fēng)速為3m/s，且分別處于西風(fēng)、北風(fēng)和西南風(fēng)時(shí)，街道中心線距地面1.5m高度的細(xì)顆粒物最大質(zhì)量濃度分別位于165.3、58.0、1.5m位置，為10.6、11.2、16.0μg/m3?？梢?，CFD模擬近地面污染物擴(kuò)散時(shí)應(yīng)考慮街道峽谷結(jié)構(gòu)和風(fēng)向的影響。

街道峽谷 細(xì)顆粒物擴(kuò)散 計(jì)算流體力學(xué) 結(jié)構(gòu)

最近幾年，許多流行病學(xué)的研究顯示，道路污染能對人群健康產(chǎn)生不利影響，可能引起呼吸系統(tǒng)疾病、心血管病、出生缺陷、癌癥和死亡[1]。隨著機(jī)動(dòng)車數(shù)量的迅猛增加，空氣污染問題在中心城區(qū)尤為嚴(yán)峻。街道兩側(cè)高樓聳立，與狹長的街道形成“街道峽谷”建筑結(jié)構(gòu)。街道峽谷的特點(diǎn)不利于峽谷內(nèi)的污染物擴(kuò)散稀釋，從而導(dǎo)致局部區(qū)域污染加重[2-3]。街道峽谷兩旁的建筑結(jié)構(gòu)決定著峽谷內(nèi)風(fēng)場的流動(dòng)類型，車輛排放的污染物濃度在一定時(shí)間內(nèi)得以聚集，可能導(dǎo)致峽谷內(nèi)的空氣質(zhì)量惡化[4-5]。為了解街道峽谷內(nèi)的空氣流場和污染物擴(kuò)散模式，一般采用計(jì)算機(jī)模擬[6-7]、風(fēng)洞試驗(yàn)[8-9]或現(xiàn)場測量[10-12]進(jìn)行研究。

OKAMOTO等[13]發(fā)展了2D數(shù)值模型AQSM用以研究街道峽谷污染分布，該模型包含兩個(gè)模塊，一個(gè)是風(fēng)場模塊，另一個(gè)是擴(kuò)散模塊。ADDISON等[14]提出了預(yù)測街道峽谷內(nèi)污染物空間分布的理論依據(jù)。XIA等[15]利用2D風(fēng)場模型和拉格朗日模型，研究建筑物結(jié)構(gòu)和流場對污染物擴(kuò)散的影響。國內(nèi)研究者利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件對街道峽谷污染物擴(kuò)散進(jìn)行了相關(guān)研究[16-23]，針對的污染物主要是CO、NOx、PM10和碳?xì)浠衔?HC)。但是關(guān)于街道峽谷內(nèi)細(xì)顆粒物污染的研究不多，污染擴(kuò)散規(guī)律還需要進(jìn)一步探究。

由于計(jì)算機(jī)性能的提高和CFD軟件的開發(fā)，對街道峽谷復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)流場和污染物擴(kuò)散的模擬越來越精確[24]。如果初始條件和邊界條件已知，對任何結(jié)構(gòu)、不同環(huán)境條件下的街道峽谷，CFD軟件均可進(jìn)行模擬。而現(xiàn)場測量只能測得現(xiàn)場條件下的速度場和污染物濃度場；風(fēng)洞試驗(yàn)雖可對不同結(jié)構(gòu)下的峽谷速度場和污染物濃度場進(jìn)行模擬測量，但需要花費(fèi)大量費(fèi)用。

本研究采用CFD軟件，對不同街道結(jié)構(gòu)和風(fēng)向條件下的街道峽谷內(nèi)的細(xì)顆粒物擴(kuò)散進(jìn)行模擬，并著重關(guān)注呼吸高度(1.5 m)處的細(xì)顆粒物濃度，為城市規(guī)劃、交通規(guī)劃及房屋設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 研究對象

選取天津市南京路比較典型的路段——衛(wèi)津路至萬全道為研究對象。南京路位于天津市市區(qū)的中心位置，具有較大的車流量和較為嚴(yán)重的交通擁堵現(xiàn)象，由于兩側(cè)建筑物高大、人口密度相對集中，因此具有典型的城市街道峽谷特征。南京路是雙向9車道城市主干道，街道總寬約50 m，其中機(jī)動(dòng)車車道寬度約為28 m，兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車道和人行道總寬均為11 m，路段長度約為425 m，兩側(cè)建筑物平均高度約為70 m。

2 CFD模擬

2.1 模擬方程

流體流動(dòng)受守恒定律支配，主要包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。湍流模型是CFD的主要組成部分之一，主要包括以下幾種模型：單方程模型、標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型、重整群(RNG)k—ε模型、可實(shí)現(xiàn)性k—ε模型、標(biāo)準(zhǔn)k—ω模型、壓力修正k—ω模型、雷諾應(yīng)力(RSM)模型、大渦模擬(LES)模型等。

黃遠(yuǎn)東等[25]采用CFD軟件Fluent中7種不同的湍流模型對城市街道峽谷內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)和污染物擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析表明：標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型的總體預(yù)測效果最好；RNGk—ε模型、可實(shí)現(xiàn)性k—ε模型以及RSM模型的預(yù)測效果次之；而標(biāo)準(zhǔn)k—ω模型和單方程模型的預(yù)測效果較差。謝海英等[26]通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)，得出了相似的結(jié)論。

在街道峽谷問題的研究中，由于建筑物近壁區(qū)內(nèi)雷諾數(shù)較低，湍流應(yīng)力小，導(dǎo)致湍流不能充分發(fā)展，需要引入壁面函數(shù)進(jìn)行近壁面流動(dòng)修正。方平治等[27]通過同濟(jì)大學(xué)TJ-2風(fēng)洞模擬研究得出，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)適用于粗糙度較小的風(fēng)場模擬，修正的壁面函數(shù)適用于粗糙度較大的風(fēng)場模擬。

Fluent除了可以求解流體(連續(xù)相)流動(dòng)問題之外，還可以求解存在顆粒、液滴、氣泡等離散相的多相流問題。求解多相流問題一般有兩種方法，分別為多相流模型和離散相(DPM)模型。顆粒運(yùn)動(dòng)在Fluent中可通過DPM模型計(jì)算[28-29]。

本研究利用CFD軟件Fluent 14.0進(jìn)行街道峽谷內(nèi)污染物擴(kuò)散的三維湍流數(shù)值模擬，模型的建立和網(wǎng)格劃分是利用Fluent的前處理軟件ICEM CFD完成。對街道峽谷模擬的湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法消除近壁面流動(dòng)的影響。在DPM模型應(yīng)用中采用氣固耦合的方式進(jìn)行求解，在進(jìn)行流場運(yùn)算的同時(shí)進(jìn)行顆粒相的運(yùn)算。

2.2 計(jì)算區(qū)域的選擇和幾何模型的建立

如圖1所示，計(jì)算區(qū)域安全距離選擇入口邊界至街道峽谷5H處，兩側(cè)至街道峽谷均為5H，街道峽谷至出口邊界為10H，總高度為8H。

以實(shí)際街道衛(wèi)星圖為原型，將街道峽谷進(jìn)行適當(dāng)簡化并建立幾何模型。幾何建模結(jié)果如圖2所示。

由于本研究的區(qū)域模型較不規(guī)則，因此選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分。為減少計(jì)算量并且不影響計(jì)算精度，將入口及街道峽谷處進(jìn)行了一定的加密處理，在近地面處采用棱柱網(wǎng)格。最終的網(wǎng)格劃分結(jié)果為：網(wǎng)格單元總數(shù)約為370萬個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)約為71萬個(gè)，最小網(wǎng)格尺寸約為1 m。經(jīng)Fluent網(wǎng)格檢驗(yàn)，無負(fù)體積出現(xiàn)，表明該網(wǎng)格可以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

注：H為街道峽谷高度，m。圖1 街道峽谷模擬計(jì)算區(qū)域Fig.1 Computational area of street canyon

注：x為街道中心線上距街道中心點(diǎn)的的距離，m，中心點(diǎn)西側(cè)為負(fù)，東側(cè)為正。

圖2街道峽谷的幾何模型
Fig.2 Geometric model of street canyon

2.3 邊界條件和源強(qiáng)的確定

入口邊界條件：速度入口平均風(fēng)速遵循指數(shù)律分布，如式(1)所示。

Ui=U0(Zi/Z0)α

(1)

式中：Ui和U0分別為高度Zi和Z0(10 m)處對應(yīng)的平均風(fēng)速，m/s；α為大氣穩(wěn)定度參數(shù)。根據(jù)天津市平均風(fēng)速，U0取3.0 m/s，α取0.22。

出口邊界條件：設(shè)置為充分發(fā)展流動(dòng)。下邊界為無滑移固體壁面，兩側(cè)邊界和上邊界為對稱邊界。建筑物壁面為無滑移固體壁面。

劉川等[30]對深圳市機(jī)動(dòng)車細(xì)顆粒物排放因子進(jìn)行了測試研究，利用線性回歸，計(jì)算得出重型車、輕型車的細(xì)顆粒物綜合排放因子分別為160.8、15.7 mg/(km·輛)。天津市和平區(qū)南京路研究路段高峰期間車流量為3 600輛/h，輕型車與重型車數(shù)量比約為11∶1，計(jì)算得出細(xì)顆粒物源強(qiáng)為1.18×10-5kg/s。

2.4 區(qū)域風(fēng)向分布

由于全年風(fēng)向未全面獲取，分別繪制2015年8月和2016年1月的風(fēng)玫瑰圖代表夏季和冬季的風(fēng)向分布，如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可以看出，天津市在夏季和冬季的主導(dǎo)風(fēng)向不同，但北風(fēng)和西南風(fēng)是主導(dǎo)風(fēng)向。因此，在討論風(fēng)向?qū)值缻{谷細(xì)顆粒物擴(kuò)散的影響時(shí)，模擬了北風(fēng)和西南風(fēng)。

圖3 天津市2015年8月的風(fēng)玫瑰圖Fig.3 Tianjin’s wind rose in August 2015

圖4 天津市2016年1月的風(fēng)玫瑰圖Fig.4 Tianjin’s wind rose in January 2016

3 分析與討論

3.1 研究區(qū)域背景值

選擇2015年10月和11月空氣中細(xì)顆粒物濃度較低的兩天，在街道峽谷內(nèi)無機(jī)動(dòng)車通過的情況下利用光學(xué)顆粒物粒徑譜儀(OPS)進(jìn)行研究區(qū)域背景值測量，測量結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，距地面不同高度處，街道峽谷中心線的細(xì)顆粒物背景值隨高度的增加而降低。

表1 不同高度處街道峽谷中心線的細(xì)顆粒物背景值

3.2 街道峽谷高寬比(H/W)的影響

在風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，風(fēng)速3 m/s，建筑間隔(建筑物間空隙與街道總長度的比值)為20%的條件下，設(shè)置3種不同的街道峽谷H/W(1∶2、1∶1、2∶1)，依次對應(yīng)寬峽谷、理想峽谷和深窄型峽谷。模擬時(shí)街道寬度不變，調(diào)整建筑物高度。

街道峽谷H/W分別為1∶2、1∶1、2∶1時(shí)，0.2、1.0、1.5 m高度處街道中心線細(xì)顆粒物濃度的模擬結(jié)果見圖5，最大濃度及位置見表2。

由表2可以得出，不同H/W都呈現(xiàn)出距地面越近，細(xì)顆粒物最大濃度越高的特征。在街道峽谷H/W為1∶2時(shí)，不同高度處街道中心線細(xì)顆粒物的最大濃度出現(xiàn)在x=-19.3 m位置；其中，距地面1.5 m高度處，細(xì)顆粒物最大質(zhì)量濃度為37.5 μg/m3。而街道峽谷H/W分別為1∶1、2∶1時(shí)，距地面1.5 m高度處，街道中心線細(xì)顆粒物最大質(zhì)量濃度均分別出現(xiàn)在x=-88.0、-19.3 m位置，分別為46.4、28.4 μg/m3。

圖5 街道峽谷H/W=1∶2、1∶1、2∶1時(shí)，不同高度處街道中心線的細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度Fig.5 Fine particulate matters concentration of street central line for H/W of 1∶2,1∶1 and 2∶1 at different heights above ground

參數(shù)H/W=1∶20.2m高度1.0m高度1.5m高度H/W=1∶10.2m高度1.0m高度1.5m高度H/W=2∶10.2m高度1.0m高度1.5m高度x/m-19.3-19.3-19.3-88.0-92.3-88.0-19.3-19.3-19.3細(xì)顆粒物最大質(zhì)量濃度/(μg·m-3)78.352.937.584.361.446.446.034.828.4

街道峽谷H/W通過影響建筑物頂部繞流和建筑物間隙流，從而影響細(xì)顆粒物擴(kuò)散。在街道峽谷H/W=1∶2的條件下，由于街道峽谷建筑物相對較低，建筑物頂部繞流較強(qiáng)，建筑物間隙流較弱，街道峽谷內(nèi)部近地面處渦流明顯且分布均勻；在街道峽谷H/W=1∶1的條件下，建筑物間隙流增強(qiáng)，進(jìn)入街道峽谷的氣流量相應(yīng)較大，建筑物背風(fēng)面產(chǎn)生的回流較少，穿過街道峽谷另一側(cè)建筑間隙的氣流增多；在街道峽谷H/W=2∶1的條件下，建筑物間隙流進(jìn)一步加強(qiáng)，建筑物頂部繞流相對減弱，街道峽谷內(nèi)流場分割成低速和高速相間的流場形式，流場分布比較復(fù)雜。可見，隨著街道峽谷H/W的增大，建筑物間隙流增大，建筑物頂部繞流減小，近地面處細(xì)顆粒物濃度大體減小。

3.3 建筑物間隔的影響

在風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)、風(fēng)速為3 m/s、街道峽谷H/W=1∶1的條件下，建筑物間隔(建筑物間空隙與街道總長度的比值)分別為0、20%、40%時(shí)，0.2、1.0、1.5 m高度街道峽谷中心線細(xì)顆粒物分布見圖6，最大濃度及位置見表3。

由表3可以看出，在不同建筑物間隔下都呈現(xiàn)出距地面越近，細(xì)顆粒物最大濃度越高的特征。在建筑物間隔為0時(shí)，不同高度處街道中心線細(xì)顆粒物的最大濃度集中在x≈150 m位置；其中，距地面1.5 m高度處，細(xì)顆粒物最大質(zhì)量濃度出現(xiàn)在x=148.0 m位置，為88.1 μg/m3。而建筑物間隔為20%和40%時(shí)，距地面1.5 m高度處，街道中心線細(xì)顆粒物的最大質(zhì)量濃度分別出現(xiàn)在x=-92.3、-186.7 m位置，為31.6、33.7 μg/m3。

圖6 建筑物間隔為0、20%、40%時(shí)，不同高度處街道峽谷中心線的細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度Fig.6 Fine particulate matters concentration of street central line for architecture gap of 0,20%,40% at different heights above ground

參數(shù)建筑物間隔00.2m高度1.0m高度1.5m高度建筑物間隔20%0.2m高度1.0m高度1.5m高度建筑物間隔40%0.2m高度1.0m高度1.5m高度x/m148.0152.0148.0-92.3-92.3-92.3-186.7-186.7-186.7細(xì)顆粒物最大質(zhì)量濃度/(μg·m-3)173.0114.088.135.933.331.671.149.433.7

圖7 風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)、北風(fēng)和西南風(fēng)時(shí)，不同高度處街道峽谷中心線的細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度Fig.7 Fine particulate matters concentration of street central line for wind direction of west, north and southwest at different heights above ground

當(dāng)建筑物間隔為0時(shí)，近地面氣流從街道峽谷兩側(cè)產(chǎn)生繞流，分別產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針旋渦和一個(gè)逆時(shí)針旋渦，且兩個(gè)旋渦的回旋氣流通過另一側(cè)建筑物間隔進(jìn)入街道峽谷。街道峽谷進(jìn)氣氣流主要是兩側(cè)回旋氣流，其由建筑物間隔進(jìn)入，穿過街道并沿著建筑物背風(fēng)面產(chǎn)生“爬墻效應(yīng)”，最終向街道峽谷兩端運(yùn)動(dòng)匯入繞流氣流?？傮w而言，街道峽谷內(nèi)部流場相對穩(wěn)定，渦流較少，紊流程度低，不利于污染物的擴(kuò)散。街道峽谷內(nèi)部細(xì)顆粒物主要在建筑物迎風(fēng)面區(qū)域聚集，且細(xì)顆粒物分布連續(xù)，污染濃度比較均勻。當(dāng)建筑物間隔為20%時(shí)，近地面氣流同樣從街道峽谷兩側(cè)繞流并產(chǎn)生回流，與建筑物間隔為0的情況相比，街道峽谷建筑物間隙流氣流量增大，氣流交換率增大。同時(shí)，在來流氣流與反向的回旋氣流相互作用下，產(chǎn)生一定數(shù)量的渦流，街道峽谷內(nèi)部紊流程度增加，對流擴(kuò)散作用相對增強(qiáng)。細(xì)顆粒物濃度分布不連續(xù)且不均勻，相比建筑物間隔為0的情況，細(xì)顆粒物濃度明顯減小。當(dāng)建筑物間隔為40%時(shí)，街道峽谷流場與建筑物間隔為20%時(shí)差異明顯。隨著建筑物間隔的進(jìn)一步加大，建筑物間隙流的氣流量進(jìn)一步增大，由于氣流直接穿過街道并流出街道峽谷，使街道峽谷兩側(cè)的回流旋渦受到破壞，街道峽谷內(nèi)部渦流較少，在街道峽谷外側(cè)建筑物背風(fēng)面形成渦流。街道峽谷內(nèi)部氣流場及細(xì)顆粒物分布被間隙氣流切割而呈現(xiàn)分段特征，即間隙處風(fēng)速大，細(xì)顆粒物濃度低，無間隙處風(fēng)速小，對流擴(kuò)散作用較小，細(xì)顆粒物聚集產(chǎn)生相對嚴(yán)重的局部污染。

總體而言，隨著建筑物間隔的增加，街道峽谷內(nèi)外氣流的交換率增加，街道峽谷內(nèi)部的對流擴(kuò)散作用增強(qiáng)，街道峽谷中心線的細(xì)顆粒物基本呈現(xiàn)降低趨勢，但是由于間隙流的作用，相比于建筑物間隔為20%時(shí)，建筑物間隔為40%時(shí)的街道峽谷中心線的細(xì)顆粒物濃度在局部位置有所增加。

3.4 風(fēng)向的影響

在風(fēng)速為3 m/s，街道峽谷H/W=1∶1，建筑物間隔為20%的條件下，設(shè)置不同風(fēng)向(包括西風(fēng)、北風(fēng)和西南風(fēng))，距地面高度0.2、1.0、1.5 m處街道峽谷中心線細(xì)顆粒物分布見圖7，最大濃度及位置見表4。

表4 風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)、北風(fēng)和西南風(fēng)時(shí)，不同高度處街道峽谷中心線的細(xì)顆粒物最大濃度及位置

由表4可以得出，在不同風(fēng)向下都呈現(xiàn)出距地面越近，細(xì)顆粒物濃度越高的特征。風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)時(shí)，不同高度處街道中心線細(xì)顆粒物的最大濃度集中在x≈160 m位置；其中，距地面1.5 m高度處，細(xì)顆粒物最大質(zhì)量濃度出現(xiàn)在x=165.3 m位置，為10.6 μg/m3。風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)和西南風(fēng)時(shí)，距地面1.5 m高度處，街道中心線細(xì)顆粒物的最大質(zhì)量濃度分別出現(xiàn)在x=58.0、1.5 m位置，為11.2、16.0 μg/m3。

在不同風(fēng)向下，街道峽谷由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，均會(huì)產(chǎn)生不同程度的“街道峽谷效應(yīng)”，即氣流通過建筑物間隔和街道峽谷時(shí)，出現(xiàn)風(fēng)速增大(增大到約6 m/s左右)、風(fēng)向改變的普遍特征。風(fēng)向不同，街道峽谷內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同：風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)時(shí)，街道峽谷內(nèi)部流場相對穩(wěn)定；風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)時(shí)，街道峽谷流場呈現(xiàn)出明顯的分段特征；風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)時(shí)，渦流、紊流現(xiàn)象較為明顯，街道峽谷內(nèi)湍流程度較大。因此，街道峽谷內(nèi)細(xì)顆粒物呈現(xiàn)不同的空間分布特征，在水平方向上細(xì)顆粒物主要隨運(yùn)動(dòng)氣流遷移并累積。風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)時(shí)，街道峽谷內(nèi)擴(kuò)散作用強(qiáng)，細(xì)顆粒物濃度低；風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)時(shí)，渦流中心區(qū)域污染物容易積聚，局部污染在建筑物背風(fēng)面較為嚴(yán)重。在垂直方向上，隨著水平高度的升高，細(xì)顆粒物濃度逐漸降低，相比西風(fēng)，風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)時(shí)街道峽谷內(nèi)風(fēng)速小、細(xì)顆粒物水平遷移慢，垂直方向擴(kuò)散速度相對較慢。因此，風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)或者風(fēng)向與街道峽谷軸向夾角較小時(shí)更有利于街道峽谷內(nèi)細(xì)顆粒物的稀釋擴(kuò)散。

4 結(jié) 論

(1) 隨著街道峽谷H/W的增大，建筑物間隙流增強(qiáng)，建筑物頂部繞流相對減弱。建筑物間隔為20%，風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，風(fēng)速為3 m/s，街道峽谷H/W分別為1∶2、1∶1和2∶1時(shí)，1.5 m高度處，街道中心線細(xì)顆粒物最大質(zhì)量濃度分別位于x=-19.3、-88.0、-19.3 m位置，為37.5、46.4、28.4 μg/m3。

(2) 隨著建筑物間隔的增加，街道峽谷內(nèi)外氣流的交換率增加，街道峽谷內(nèi)部的對流擴(kuò)散作用增強(qiáng)。街道峽谷H/W為1∶1，風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，風(fēng)速為3 m/s，建筑物間隔分別為0、20%和40%時(shí)，街道中心線距地面1.5 m高度的細(xì)顆粒物最大質(zhì)量濃度分別位于x=148.0、-92.3、-186.7 m位置，為88.1、31.6、33.7 μg/m3。

(3) 風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)時(shí)，街道峽谷內(nèi)的擴(kuò)散作用強(qiáng)，細(xì)顆粒物濃度最低。街道峽谷H/W為1∶1，建筑物間隔為20%，風(fēng)速為3 m/s，且分別處于西風(fēng)、北風(fēng)和西南風(fēng)時(shí)，街道中心線距地面1.5 m高度的細(xì)顆粒物最大質(zhì)量濃度分別位于x=165.3、58.0、1.5 m位置，為10.6、11.2、16.0 μg/m3。

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ACFDsimulationoftheeffectofstreetcanyonconfigurationsandwinddircetiononfineparticulatemattersdispersion

LIUJianfeng,WANGBaoqing,NIUHonghong,LIUBowei,RENZihui,CHENRonghui,WANGZebei.

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,NankaiUniversity,Tianjin300071)

The configurations of a real street canyon and wind directioon were considered to study their influence on the dispersion of fine particulate matters. The ratio of architecture height to street width (H/W) of street canyon,the gaps between buildings (ratio of the gap between buildings to the total length of the street) and wind dircetion were discussed. Computational fluid dynamics (CFD) software was used to simulate the detailed flow,turbulence characteristics and fine particulate matters dispersion distribution in street canyon. The results indicated the maximum fine particulate matters dispersion concentration of street central line were 37.5,46.4 and 28.4 μg/m3for the site of street central line of -19.3,-88.0 and -19.3 m (at the distance from the center of the street,the positive value indicated east of the street center,while the negative value indicated west of the street center,and the same below),respectively when the gap between buildings was 20%,wind direction was north,wind speed was 3 m/s andH/Wwas 1∶2,1∶1 and 2∶1 at 1.5 m above ground. The maximum fine particulate matters dispersion concentration of street central line were 88.1,31.6 and 33.7 μg/m3for the site of street central line of 148.0, -92.3 and -186.7 m,respectively whenH/Wwas 1∶1,wind direction was north,wind speed was 3 m/s and the gaps between buildings were 0,20%,40% at 1.5 m above ground. The maximum fine particulate matters dispersion concentration of street central line were 10.6,11.2 and 16.0 μg/m3for the site of street central line of 165.3,58.0,1.5 m respectively,whenH/Wwas 1∶1,the gap between buildings was 20%,wind speed was 3 m/s and wind directions were west,north and southwest at 1.5 m above ground. These results suggested that street canyon configuration and wind direction should be taken into account in modeling fine particulate matters dispersion.

street canyon； fine particulate matters dispersion； CFD； configuration

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.005

2016-02-18)

劉建峰，女，1991年生，碩士研究生，主要從事空氣環(huán)境污染模擬。#

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*國家留學(xué)基金委員會(huì)訪問學(xué)者基金資助項(xiàng)目(No.201406205010)；環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(No.201009032)；國家重大科學(xué)儀器專項(xiàng)(No.2011YQ060111)。