竇鴻文 ,明廷臻 *,許 杰 ,李政桐 ,蔡存金 ,方煒杰 (.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢430070；.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

研究表明,機(jī)動(dòng)車尾氣排放物不僅增強(qiáng)了全球的溫室效應(yīng)[1],而且污染城市環(huán)境[2],成為城市空氣質(zhì)量惡化的主要原因之一[3-4].為此,越來越多的研究者針對(duì)不同環(huán)境條件下,各種不同結(jié)構(gòu)的城市街谷中污染物的傳播規(guī)律開展了理論和實(shí)驗(yàn)研究[5].研究表明上游建筑的存在改變了街谷內(nèi)二次流,減小了街谷內(nèi)污染物濃度[6];街谷不對(duì)稱性越大,尾流區(qū)濃度越高[7].對(duì)街谷形態(tài)分析表明街谷高寬比,屋頂幾何結(jié)構(gòu),環(huán)境風(fēng)(以下簡(jiǎn)稱 ACW)的改變均會(huì)對(duì)街谷內(nèi)污染物分布的產(chǎn)生影響[8].此外,對(duì)該類問題的研究發(fā)現(xiàn)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性[9-10].

然而目前針對(duì)污染物的研究多集中于結(jié)構(gòu)相對(duì)單一的模型[11-13],而對(duì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的立體交通中污染物傳播特性研究尚屬起步階段.污染物在該種立體交通中的傳播機(jī)制與結(jié)構(gòu)單一的街谷[14]、孤立建筑[15]、隧道[16-17]等處有很大的不同[18],為此本文構(gòu)建了一種上部含有交通轉(zhuǎn)盤及直線型機(jī)動(dòng)車道,下部含有敞開式直線型機(jī)動(dòng)車道及封閉式隧道的立體交通模型,探究機(jī)動(dòng)車尾氣污染物在該種交通系統(tǒng)中的傳播機(jī)制.

1 物理數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

圖1 模型實(shí)際位置及物理模型Fig.1 Actual position of the model and physical model

以武漢市二環(huán)線馬房山通道為研究對(duì)象,參照實(shí)際工程設(shè)計(jì)尺寸,利用Gambit軟件建立全尺寸的幾何模型(圖1).模型計(jì)算域僅選取自然通風(fēng)的雙洞雙向市政隧道、交通轉(zhuǎn)盤、交通輔道、敞開式地下通道、下沉式公交站、高架橋等區(qū)域,臨街建筑物未考慮在內(nèi).轉(zhuǎn)盤內(nèi)圓半徑為40m,外圓半徑為 45m;交通輔道寬度為 6m;單向市政隧道寬度為 13m,高度為 5m;模型計(jì)算域還包括隧道向南,北出口方向分別延伸140m和 80m.市政隧道南側(cè)開口處有兩個(gè)公交站,地上轉(zhuǎn)盤內(nèi)圓區(qū)為居民和行人活動(dòng)的廣場(chǎng).

圖1(b)、1(c)給出了本文所研究的目標(biāo)位置,包括圖1(b)中轉(zhuǎn)盤廣場(chǎng)活動(dòng)區(qū)P1平面,該平面在模型上部距地面1.5m高處.市政雙向雙洞隧道中心線X1、X2,貫穿整個(gè)隧道.還包括圖1(c)中P2、P3平面,該平面位于 X=120m 處.圖 1(b)中 Y1、Y2這兩條線分別位于 P2、P3平面上的東西兩側(cè)高架橋處,從地面開始,上至高架橋底部.

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用RNG k-ε模型對(duì)計(jì)算域進(jìn)行求解[19],并根據(jù)模型流動(dòng)特性做如下假設(shè)：1)計(jì)算域內(nèi)空氣物性不發(fā)生改變;2)流體為不可壓縮流體;3)計(jì)算域內(nèi)流動(dòng)為湍流并充分發(fā)展.

滿足條件的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程如下：

式中：ui是平均流動(dòng)速度;是脈動(dòng)速度,ρ是流體密度;μ為運(yùn)動(dòng)粘度;為平均雷諾應(yīng)力,可表示為：

RNGk-ε模型中,湍動(dòng)能方程 k,湍流耗散率方程 ε為：

式中：Gk為由平均速度梯度所產(chǎn)生的湍動(dòng)能;μeff為有效運(yùn)動(dòng)粘度,μeff=μ+μt; Cμ、C1ε、C2ε為湍流常數(shù),取值如下：Cμ=0.0845, C1ε=1.42, C2ε=1.68. ακ,αε分別為與湍動(dòng)能κ和耗散率 ε相對(duì)應(yīng) Prabdtl數(shù)有關(guān)的常量,其中 ακ=1.0, αε=1.3.污染物擴(kuò)散的組分輸運(yùn)方程為：

式中：CS為組分S的體積濃度;DS為組分S的擴(kuò)散系數(shù);SS為系統(tǒng)內(nèi)部單位時(shí)間單位體積內(nèi)組分 S的產(chǎn)生量.

1.3 邊界條件

以環(huán)境風(fēng)為北風(fēng)時(shí)為例,邊界條件設(shè)定如下：模型中固體壁面均為無滑移壁面;計(jì)算域最北側(cè)平面為速度入口,由于交通體系的高度較小為 7m,認(rèn)定該高度范圍內(nèi)環(huán)境風(fēng)速恒定不發(fā)生改變,而交通體系以上計(jì)算域?qū)w系內(nèi)的流動(dòng)影響較小,為此設(shè)定進(jìn)口風(fēng)速為恒定風(fēng)速;計(jì)算域最東側(cè)平面、最西側(cè)平面、頂面為對(duì)稱面;計(jì)算域最南側(cè)平面為壓力出口,壓力值設(shè)定為表壓0Pa.

當(dāng)環(huán)境風(fēng)為西風(fēng)時(shí),邊界條件設(shè)定與此對(duì)應(yīng)相同,這里不再贅述.

1.4 計(jì)算模型

對(duì)模型采用方程(1)～(7)進(jìn)行離散,計(jì)算殘差設(shè)定最大值＜10-5,采用單精度壓力耦合半隱式算法求解.連續(xù)性方程、N-S方程、RNG k-ε方程的離散等采用一階迎風(fēng)差分格式,過程中監(jiān)控計(jì)算域內(nèi)某一面上的平均速度,確保計(jì)算結(jié)果的可靠性.

1.5 污染源

模型中污染源設(shè)定在機(jī)動(dòng)車道上,機(jī)動(dòng)車排放物作為模型的污染源,模型中設(shè)置為體積源,并用CO作為污染物標(biāo)記物.交通堵塞情況下,污染物傳播最終到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),強(qiáng)度可設(shè)定為4×10-6kg/(m3·s)[20].

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分.考慮到隧道、敞開式地下通道及公交站區(qū)域湍流度較高,這3處網(wǎng)格全部被加密為0.5m×0.5m,以此 3個(gè)區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)格中心區(qū)向模型計(jì)算域四周及上部等比加疏,控制漸進(jìn)比不大于 1.1.為了測(cè)試模型網(wǎng)格的無關(guān)性,實(shí)際計(jì)算過程共進(jìn)行了兩組網(wǎng)格劃分,數(shù)量分別為 7861356和9645721.模擬結(jié)果表明這兩組網(wǎng)格系統(tǒng)中,某截面上平均風(fēng)速相差不超過 3%,據(jù)此認(rèn)為模型網(wǎng)格具備獨(dú)立性.為節(jié)約計(jì)算成本,本文選定網(wǎng)格數(shù)量為 7861356的模型作為分析依據(jù).

2.2 風(fēng)向?qū)α鲃?dòng)及污染物分布的影響

本節(jié)主要討論環(huán)境風(fēng)向分別為北風(fēng)和西風(fēng)時(shí),在恒定的環(huán)境風(fēng)速(以下簡(jiǎn)稱 ACW)ACW=2m/s下,對(duì)公交站及轉(zhuǎn)盤廣場(chǎng)流場(chǎng)和污染物分布的影響.由于環(huán)境風(fēng)向的改變會(huì)對(duì)模型中不同位置處的流場(chǎng)造成影響,進(jìn)一步會(huì)影響到該處污染物的分布,為此需探究風(fēng)向變化的影響.

圖2 公交站處流線Fig.2 Streamlines at the bus stop area環(huán)境風(fēng)速ACW=2.0m/s

2.2.1 公交站 由圖2可知,進(jìn)入該區(qū)域的氣流主要分為2部分：一部分直接來自于北側(cè)的隧道,另外一部分來自于流經(jīng)模型上部地面向下偏轉(zhuǎn)的氣流.偏轉(zhuǎn)的氣流在下沉式公交站周壁的背風(fēng)側(cè)形成漩渦.西風(fēng)時(shí)氣流在進(jìn)入敞開式公交站區(qū)域時(shí)也有部分向下偏轉(zhuǎn),并在背風(fēng)側(cè)形成漩渦,此后氣流進(jìn)一步向下游運(yùn)動(dòng),進(jìn)入東側(cè)的公交站區(qū)域、西隧道及南側(cè)的敞開式地下通道.而東隧道內(nèi)有氣流從南側(cè)開口流出,進(jìn)入東側(cè)公交站區(qū)域.環(huán)境風(fēng)向的改變直接改變了該區(qū)域內(nèi)氣流流向的變化,從而污染物也隨氣流進(jìn)入或流出該區(qū)域.

由圖3可發(fā)現(xiàn),無論在何種風(fēng)向下,公交站處的風(fēng)速受周圍幾何特征的影響都是很低的,相對(duì)而言西風(fēng)時(shí) P3平面上的平均風(fēng)速較高,但僅為北風(fēng)時(shí)的1.1倍.北風(fēng)時(shí)由于模型在X方向上左右對(duì)稱的特點(diǎn),該處的風(fēng)場(chǎng)圖也是對(duì)稱的,可以預(yù)測(cè)北風(fēng)時(shí)污染物分布場(chǎng)圖也有類似對(duì)稱分布的特點(diǎn).

圖3 公交站處速度云圖Fig.3 Velocity contour at the bus stop area環(huán)境風(fēng)速ACW=2.0m/s

由圖 4可發(fā)現(xiàn),北風(fēng)時(shí)污染物的空間分布特性呈現(xiàn)出對(duì)稱的特點(diǎn),與上述預(yù)測(cè)相一致.數(shù)值結(jié)果表明,北風(fēng)時(shí)P3平面上CO平均濃度為西風(fēng)時(shí)的 3.5倍.這一現(xiàn)象的原因一方面是北風(fēng)時(shí)隧道內(nèi)污染物被輸運(yùn)到該區(qū)域,同時(shí)也與上文所述北風(fēng)時(shí)通風(fēng)情況相對(duì)較差有關(guān).另一方面,西風(fēng)時(shí)該區(qū)域上游沒有污染源,來流風(fēng)為新鮮空氣可以更有效地稀釋污染物.由圖 1(b)可知 Y1、Y2這兩條線位于P3平面,對(duì)比兩幅圖可以發(fā)現(xiàn),在Y1線附近北風(fēng)時(shí)濃度明顯高于西風(fēng),而在 Y2線附近西風(fēng)時(shí)濃度卻高于北風(fēng).這主要是由于西風(fēng)時(shí)Y1處,上游來流的新鮮空氣沖淡了該處的污染物,而 Y2處于下游,來流風(fēng)到達(dá)該處時(shí)已經(jīng)受到了污染,使得該處的污染加劇,而在北風(fēng)時(shí) Y1處濃度值介于這兩者之間.

圖4 公交站處CO分布場(chǎng)Fig.4 CO distribution at the bus stop area環(huán)境風(fēng)速ACW=2.0m/s

2.2.2 轉(zhuǎn)盤廣場(chǎng)活動(dòng)區(qū) 由圖5可知,無論在何種風(fēng)向下,濃度場(chǎng)在相應(yīng)的風(fēng)向上對(duì)稱分布.北風(fēng)時(shí)P1平面上污染物濃度相對(duì)于西風(fēng)時(shí)較高,主要是由于北風(fēng)時(shí)除轉(zhuǎn)盤本身污染源外,P1平面上游方向還存在污染源,污染物隨氣流被輸運(yùn)到該區(qū)域;而西風(fēng)時(shí)除轉(zhuǎn)盤本身的污染源外,在上游方向不存在其他污染源,來流風(fēng)為新鮮的空氣可以有效稀釋此處的污染物.數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明北風(fēng)時(shí)P1平面上污染物平均水平約為西風(fēng)時(shí)的5倍.可見在來流風(fēng)方向上,上游污染物的遷移對(duì)下游的污染相當(dāng)嚴(yán)重.

2.3 風(fēng)速對(duì)流動(dòng)及污染物分布的影響

考慮到模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,計(jì)算域內(nèi)流場(chǎng)和污染物的分布除受風(fēng)向的影響外,風(fēng)速的改變也會(huì)對(duì)計(jì)算域內(nèi)漩渦的形成、影響范圍、污染物的堆積與消散等產(chǎn)生影響.

2.3.1 公交站處 由圖6看出,首先無論風(fēng)速怎樣變化均會(huì)在貼近背風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)的壁面附近形成一大一小2個(gè)漩渦.環(huán)境風(fēng)速的大小,對(duì)于旋渦中心位置有顯著影響,風(fēng)速越大,漩渦中心越靠近背風(fēng)側(cè),這一規(guī)律與 Ming等[21]的計(jì)算結(jié)果相一致.實(shí)際上該處結(jié)構(gòu)類似于 AR=0.08的街谷,但旋渦尺度特別是大漩渦尺度遠(yuǎn)小于 Kastner-Klein等[8]的結(jié)果,這主要是由于高架路的存在影響了漩渦的發(fā)展.此外,部分貼近西高架底部的氣流會(huì)從東高架上部流出.可知,受上游高架的影響,流經(jīng)下游高架下部的風(fēng)量會(huì)減少.

由圖7可見,Y1線上風(fēng)速由下至上呈弓形變化,且環(huán)境風(fēng)速越大,弓形變化幅度越大.這種變化主要由于Y1線上下端分別受高架橋底面及地面的影響,在這兩個(gè)表面上的速度為 0,在這種上下流動(dòng)均受阻礙的影響下,速度必然在中間某處達(dá)到最大值.模擬結(jié)果表明,無論在何種環(huán)境風(fēng)速下,Y1線上風(fēng)速在Z=4.5m附近達(dá)到最大值.而在Y2線上也有類似的特征,但弓形變化不如Y1線上那么規(guī)則.這主要是由于西風(fēng)時(shí),下游的流動(dòng)受到了上游高架橋的影響,其最大風(fēng)速值在 Z=5m處達(dá)到最大值,且比Y1線上平均增大2.3～8.4%.

圖7 西風(fēng)時(shí)Y1、Y2線上Y方向速度分布Fig.7 Y-velocity distribution at Y1 and Y2 lines in west ACW

圖8 中,由于Y1線上來流風(fēng)是新鮮空氣,因此污染物水平除ACW=0.5m/s外,其余風(fēng)速條件下近乎為 0,可見良好的通風(fēng)條件對(duì)于污染物的稀釋擴(kuò)散是十分有利的;同時(shí),污染物變化曲線與圖7(a)風(fēng)速變化呈反相關(guān)關(guān)系.在Y2線上也可發(fā)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)速越大,污染物濃度越低,在環(huán)境風(fēng)由0.5m/s增加至3.5m/s時(shí),Y2線上平均水平減小了95.21%.此外,下游高架下部濃度除受上游污染源影響外,還與如前所述該處通風(fēng)量的減少有關(guān).對(duì)比圖 8(a) 和 8(b)可知下游公交站的污染物濃度比上游高出 3個(gè)量級(jí),說明西風(fēng)時(shí)由于高架橋的存在,污染物向上層空間傳播的量是很少的,2個(gè)公交站之間路面上的污染物大量傳播到下游公交站.

圖8 西風(fēng)時(shí)Y1、Y2線上CO分布Fig.8 CO distribution at Y1 and Y2 lines in west ACW

2.3.2 市政隧道 環(huán)境風(fēng)為西風(fēng)時(shí),由圖9可知,這 2個(gè)隧道內(nèi)的風(fēng)速大致呈現(xiàn)隨環(huán)境風(fēng)速的增大而增大,且在臨近隧道兩側(cè)開口區(qū)速度均有顯著的變化,這種變化在環(huán)境風(fēng)速越大時(shí)越明顯.由于臨近隧道開口區(qū)流場(chǎng)的分布受外界影響很大,環(huán)境風(fēng)速越大開口區(qū)速度分布的不均勻性也越大,表現(xiàn)為開口區(qū)的變化特點(diǎn).對(duì)比圖 9(a)和 9(b)可知,同樣的環(huán)境風(fēng)速下西隧道內(nèi)速度相對(duì)較大,數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明X1線上速度平均值為X2線上的1.65～4.41倍.基于此也可以預(yù)測(cè)西隧道內(nèi)污染物水平相對(duì)較小.

圖 9(a)可知,西隧道內(nèi)風(fēng)速是負(fù)值,表明隧道內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)方向由南向北,臨近隧道南側(cè)開口局部區(qū)域有速度正值的出現(xiàn)也主要受開口區(qū)復(fù)雜流場(chǎng)的影響.而圖 9(b)則表現(xiàn)出隧道內(nèi)空氣流向因外界環(huán)境的變化而發(fā)生改變的現(xiàn)象,即在ACW=0.5,3.5m/s時(shí),東隧道內(nèi)空氣整體表現(xiàn)出由南向北運(yùn)動(dòng),其余兩種環(huán)境風(fēng)速下由北向南運(yùn)動(dòng).究其原因主要是與隧道南北兩側(cè)相連接區(qū)域的幾何特性不同,致使在垂直于隧道方向的環(huán)境風(fēng)向下當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí),引起了下游隧道內(nèi)流場(chǎng)分布發(fā)生了巨大的變化.在臨近隧道開口區(qū)流場(chǎng)的分布是極為復(fù)雜的,關(guān)于自然通風(fēng)隧道開口區(qū)流場(chǎng)的變化特點(diǎn)及對(duì)隧道內(nèi)空氣流動(dòng)的影響,我們將在下一步進(jìn)行重點(diǎn)研究.

圖9 西風(fēng)時(shí)X1、X2線上速度分布Fig.9 Velocity distribution on X1 and X2 lines in west ACW

圖10 中西隧道內(nèi)污染物水平相對(duì)較低,這一點(diǎn)與上述分析西隧道內(nèi)風(fēng)速較大的特點(diǎn)相對(duì)應(yīng).污染物濃度的變化及其形成原因大致經(jīng)歷這樣一個(gè)過程：外界風(fēng)進(jìn)入隧道稀釋隧道污染物的同時(shí),自身的污染物濃度也越來越高,這樣就表現(xiàn)為污染物濃度沿隧道內(nèi)氣流方向越來越高,并在下游某處聚集達(dá)到頂峰,緊接著再往下游運(yùn)動(dòng)又受隧道開口區(qū)氣流的影響,風(fēng)速增大污染物濃度降低.結(jié)合圖9可知,隧道內(nèi)風(fēng)速越小,污染物濃度也就越大,污染物的堆積現(xiàn)象也就越明顯;而隧道內(nèi)風(fēng)速越大,污染物濃度的峰值位置越靠近下游開口.由于在ACW=0.5,3.5m/s時(shí)東隧道內(nèi)氣流是由南向北的,因此污染物濃度會(huì)在隧道北半段達(dá)到峰值;而在ACW=1.5,2.5m/s時(shí)與此相反.

圖10 西風(fēng)時(shí)X1、X2線上CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.10 Mass fraction of CO on X1 and X2 lines in west ACW

2.4 展望

值得指出,本文僅分析了交通堵塞時(shí)環(huán)境風(fēng)的變化對(duì)該種立體交通體系中流場(chǎng)及污染物分布的影響.然而在交通順暢時(shí),車輛的快速行進(jìn)引起周圍空氣運(yùn)動(dòng)的作用是不能忽略的[22].而且周圍建筑及植物綠化帶對(duì)污染物的擴(kuò)散傳播也值得探索[23].此外,因太陽輻射而引起的受熱局部不均勻?qū)Y(jié)果的影響也很大.對(duì)于這些因素的影響將會(huì)作為以后工作中予以考慮.

3 結(jié)論

3.1 當(dāng)環(huán)境風(fēng)垂直于車流方向流過復(fù)雜立體交通體系時(shí),上、下游高架橋和下沉式公交站的特殊空間結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)中的空氣流動(dòng)和污染物傳播特性造成顯著影響,公交站之間路面上的污染物很難迅速向上層空間稀釋傳播,下游公交站的污染水平比上游公交站高出三個(gè)量級(jí).

3.2 轉(zhuǎn)盤廣場(chǎng)處,污染物濃度受風(fēng)向的影響較大,北風(fēng)時(shí)該處平均濃度是西風(fēng)時(shí)的5倍.

3.3 當(dāng)環(huán)境風(fēng)向垂直于隧道方向時(shí),由于隧道開口兩側(cè)連接區(qū)域幾何特征的不同,環(huán)境風(fēng)速的變化引起了隧道內(nèi)空氣流動(dòng)方向的改變,同時(shí)污染物沿空氣流通方向堆積,但在開口處卻迅速降低.

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