馬 喆，李志強，張曉旭，周 陽

(1.天津市環(huán)境保護科學研究院 天津300191；2.天津市大氣污染防治重點實驗室 天津300191)

0 引 言

在大量的環(huán)境規(guī)劃和環(huán)境影響評價工作中發(fā)現(xiàn)，在錯綜復雜的城市、近郊的空間布局中，建筑物的體量越來越大、高度越來越高、密度越來越大，改變了原有大氣污染物高空稀釋擴散的空間，對人體健康產(chǎn)生重大影響。近年來，大氣污染物在城市內的擴散問題一直是研究熱點[1]。

大氣污染擴散模型是研究大氣污染的有力工具，是環(huán)境規(guī)劃及環(huán)境影響評價工作領域中的重要技術工具，同時也是環(huán)境科學長期關注和研究的領域。目前大氣污染擴散研究采用的擴散模式主要為高斯模式。由于該模型適用條件已經(jīng)不滿足當前環(huán)保工作的需要，特別是熱電廠采用煙塔合一排放方式的出現(xiàn)，對常規(guī)應用的穩(wěn)態(tài)遠距離以統(tǒng)計學為基礎理論的高斯大氣預測方法提出了挑戰(zhàn)，引發(fā)了大氣污染物擴散預測方法的進一步探討。

“煙塔合一”技術是將鍋爐產(chǎn)生的煙氣通過自然通風冷卻塔排放進大氣的技術。其原理是將電站鍋爐產(chǎn)生的煙氣，通過管道進入冷卻塔，在冷卻塔淋水面上方排出，跟隨冷卻塔中的上升氣流進入大氣，并利用水蒸氣在外環(huán)境釋放的潛熱進行抬升，從而實現(xiàn)煙氣中污染物擴散的工程方式。

許多學者對復雜地形的流場以及污染物擴散研究進行探索[2-5]。與傳統(tǒng)大氣污染擴散模式相比，計算流體動力學(computational fluid dynamic，CFD)具有計算分辨率更高，對流場的模擬更加細致等優(yōu)勢。近年來，大氣研究學者開始嘗試利用計算流體軟件研究流場和污染物的擴散[6-9]。

本研究針對近年來環(huán)保領域煙塔合一排放方式特有的排放特征，以熱電廠煙塔合一排放的煙氣對周邊規(guī)劃建設的住宅小區(qū)造成的環(huán)境影響為研究對象，采用數(shù)值風洞模型的方法，預測濱海新區(qū)某熱電廠工程煙塔合一大氣污染物擴散對周邊環(huán)境敏感目標的影響程度，并分析由于小區(qū)內部大氣流場分布不均勻而形成的污染分布特征。

1 材料與方法

1.1 研究對象

選取天津市濱海新區(qū)某規(guī)劃建設的保障性住宅項目為研究對象，該住宅項目選址位于天津濱海新區(qū)核心區(qū)北塘片區(qū)，住宅小區(qū)占地面積24.7萬m2，總建筑面積41.2萬m2，該項目規(guī)劃建設住宅、商業(yè)配套、公建配套，住宅類型包括7層住宅以及18～20層高層住宅。

該住宅區(qū)項目西南側300,m處為天津市濱海新區(qū)一座熱電廠工程場址。該熱電廠建設已于2010年6月獲得環(huán)保部批復，目前工程正在建設過程中。熱電廠工程建設2×300,MW燃煤機組，采用煙塔合一方式排煙，冷卻塔高度110,m。因此熱電廠排煙冷卻塔邊緣距住宅小區(qū)的住宅樓最近距離為550,m，電廠通過冷卻塔排放的煙氣可能對本項目住宅樓造成一定影響。熱電廠煙塔合一排放煙氣的參數(shù)見表1。

1.2 物理模型及計算方法

本研究以計算流體力學、熱力學理論為基礎，構建大氣邊界層、建構筑物、熱交換、污染物狀態(tài)數(shù)值風洞模型。

表1 煙塔合一排放參數(shù)表Tab.1 Emission parameters of smoke tower

數(shù)值風洞是計算流體動力學技術與數(shù)據(jù)可視化技術、網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術相結合的產(chǎn)物。前置幾何處理及CFD求解器、CFD數(shù)據(jù)可視化、圖形用戶界面以及相關的網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)庫是數(shù)值風洞軟件系統(tǒng)的核心技術。數(shù)值風洞技術已經(jīng)成為科學研究和工程實踐中的一個不可或缺的工具，采用數(shù)值風洞技術可以在很大程度上避免理論和實驗的困難及缺陷。數(shù)值風洞模擬包括數(shù)值計算方法、計算網(wǎng)格生成、湍流模型等內容。目前，主要的數(shù)值模擬方法可分為：有限差分法、有限元法、有限體積法和渦方法。有限體積法物理意義明確，能夠保證離散方程的守恒特性，同時繼承了有限差分和有限體積法的優(yōu)點，在數(shù)值風洞的商用軟件中應用最為廣泛。網(wǎng)格生成可采用結構網(wǎng)格和非結構網(wǎng)格，其中的非結構網(wǎng)格具有構造方便、自適應能力強等特點，對計算域局部網(wǎng)格加密有較好的表現(xiàn)。

①連續(xù)性方程

連續(xù)性方程是質量守恒定律在流體力學中的具體表述形式。它是對流體采用連續(xù)介質模型，速度和密度都是空間坐標及時間的連續(xù)、可微函數(shù)。

對于三維不定常流，用 x、y、z表示空間直角坐標，用 u、v、w作為質點的速度 U 的分量，ρ是流體的密度，則具體數(shù)學表達式如下：

②三維N-S方程

三維 N-S方程實質上是微分形式的動量方程，見式(2)至式(4)。對任一流動系統(tǒng)而言均遵循著動量定理，即微元系統(tǒng)內流體的動量隨時間的變化率等于作用在該微元系統(tǒng)上所有外力之和。該定律實際上是牛頓第二定律。

式中：fx、fy、fz分別為質量力的分量，N/m2；p 為大氣壓力，Pa。

③湍流方程

在實際工程湍流計算中 k-ε 二方程模型應用最廣，本次研究即以 k-ε 二方程模型為主。k-ε 二方程模型中的k指單位質量流量的湍流脈動動能，ε 指脈動動能的耗散率。在引入一些假設后，由N-S方程推得的 k-ε 方程如下：

式中：k為湍流動能；i為自由指標；μ為動力粘性系數(shù)；ε為湍流中單位質量流體脈動動能的耗散率；σk為湍動能的湍流普朗特數(shù)，取1.0；C1ε、C2ε、C3ε均為模型常量；Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能；Gb為由于浮力影響而引起的湍流動能；YM為在可壓縮湍流中脈動膨脹對總耗散的影響；μt為湍流粘性系數(shù)(流體力學的公式中一般變量均為無量綱，下同)。

k-ε 流動方程的湍流普朗特數(shù)表示在氣體里動量的分子擴散系數(shù)與熱量的分子擴散系數(shù)的比值。

④熱傳質方程

熱傳質是由于溫度差所引起的能量傳遞過程，以及因物質組分濃度差異而伴隨發(fā)生的物質遷移現(xiàn)象。熱傳質是以導熱、對流傳熱和輻射傳熱為傳遞過程的基本形式及建立經(jīng)典理論框架的基本內涵，加上基本形式的耦合及其與各種基本原理和應用深層交叉融合衍生的傳遞現(xiàn)象。

能量方程的形式為：

式中：E為單位質量流體的存儲能；P為靜壓；T為溫度；hj為組分j所占的比例；uj為速度；(τij)eff為有效的切應力張量；uj(τij)eff為耗散功；keff為有效熱傳導系數(shù)；Jj為組分j的擴散流量；Sh為化學反應熱以及其他定義的體積熱源項。該方程右邊前3項分別描述了熱傳導、組分擴散和黏性耗散帶來的能量運輸。

1.3 建立數(shù)值風洞模型

利用 Fluent前置軟件 Gambit建立三維預測模型，劃分網(wǎng)格并設置基本邊界條件，建立包括住宅小區(qū)樓體和熱電廠排煙冷卻塔在內的三維數(shù)值風洞模型如圖 1。網(wǎng)格劃分以 5,m 為步長，總網(wǎng)格數(shù)為3,278,284個。

圖1 數(shù)值風洞模型Fig.1 Numerical wind tunnel model

1.4 計算方案

數(shù)值風洞計算方案采用模擬風速的方法進行，根據(jù)濱海新區(qū)塘沽地面氣象資料統(tǒng)計結果，篩選出發(fā)生在夏季夜間2檔構成典型下洗并且影響較大的風速，即：6.0,m/s、10.0,m/s作為本項目數(shù)值風洞預測情景，大氣穩(wěn)定度等級依據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》劃分為D類和E類穩(wěn)定度。

2 結果與分析

煙塔合一排煙對環(huán)境的影響產(chǎn)生包括兩個方面，一個為近距離煙塔下風向煙氣下洗對地面的影響，另一個為煙氣擴散對遠距離的影響。采用數(shù)值風洞方法模擬以近距離環(huán)境影響產(chǎn)生的機理和影響的程度為重點，因此，以對流場、壓力場、湍流強度場和濃度場分析為主。

①壓力場預測結果

根據(jù)數(shù)值風洞模型模擬計算環(huán)境壓力場分布結果如圖2所示。

圖2 壓力場分布結果(風速10,m/s)單位(Pa)Fig.2 Distribution of pressure field(wind velocity：10,m/s)Unit：Pa

冷卻塔迎風面呈較明顯正壓分布，冷卻塔兩側由于上游風繞流作用，呈明顯負壓。冷卻塔下風向部分區(qū)域呈較明顯的低壓分布，且低壓分布區(qū)域在冷卻塔邊緣下風向60～260,m處與地面相接，冷卻塔排放的煙氣存在從高壓區(qū)域進入低壓區(qū)域的可能。

②速度場分析

根據(jù)數(shù)值風洞模型模擬冷卻塔周邊及本項目住宅小區(qū)速度場分布結果如圖3所示。

通過模擬預測結果顯示，模型較好地對垂向風速層結進行模擬，在冷卻塔下風向塔口處存在風速降低的速度場分布，且住宅小區(qū)內風速受高層建筑影響，風速明顯降低。

圖3 速度場分布結果(風速10,m/s)單位(m/s)Fig.3 Distribution of velocity field(wind velocity：10,m/s)Unit：m/s

③湍流強度場分析

冷卻塔的排放速度比煙囪小許多，在大風情況下，在冷卻塔下游會形成湍流運動劇烈的區(qū)域，有時會產(chǎn)生不利于煙氣抬升的下洗現(xiàn)象，為此，進行了大風情況下湍流強度預測，見圖4。

由預測結果可見，在 10,m/s風速情境下冷卻塔下風向高空區(qū)域形成穩(wěn)定的湍流運動劇烈的區(qū)域，該區(qū)域略高于冷卻塔塔高，長度約為 310,m。該區(qū)域表明在特定氣象條件下存在冷卻塔煙氣下洗的可能，一般作為煙塔合一項目大氣環(huán)境防護距離確定的重要指標。

圖4 湍流強度場分布結果(風速10,m/s)Fig.4 Distribution of turbulence intensity field(wind velocity：10,m/s)

④污染物濃度場分析(見圖5、6)

通過模擬 6,m/s風速和 10,m/s風速兩種大風情景下，冷卻塔下風向污染物濃度分布，可以分析大風下洗對冷卻塔近距離污染物擴散的影響。根據(jù)污染物濃度分布結果選取距離電廠最近的高層住宅樓(1#樓)、小區(qū)側面中部高層住宅樓(2#樓)以及小區(qū)東北角高層住宅樓(3#樓)作為預測對象。選取污染物中濃度較高的 NO2作為預測因子，預測結果如表 2所示。

圖5 NO2濃度場分布圖(風速6,m/s)單位：mg/m3Fig.5 Distribution of NO2 concentration field(wind velocity：6,m/s)Unit：mg/m3

圖6 NO2濃度場分布圖(風速10,m/s)單位：mg/m3Fig.6 Distribution of NO2 concentration field(wind velocity：10,m/s)Unit：mg/m3

表2 不同風速情境下NO2對敏感建筑的影響Tab.2 Impact of NO2 on pollution-sensitive buildings under different wind velocities

當發(fā)生大風下洗情景時，6,m/s風速情境中，污染物在各敏感建筑各樓層處最高影響濃度為0.004,337,mg/m3；10,m/s風速情境的占標率明顯高于6,m/s風速情境。最大濃度出現(xiàn)在10,m/s風速情景中項目東北側 3#樓高層處，NO2最大濃度值為0.008,188,mg/m3，占標率為 4.09%,。本項目小區(qū)內各建筑各樓層污染物的小時最大濃度均滿足環(huán)境空氣質量標準(GB,3095—2012)二級標準要求，風速越高電廠排煙冷卻塔排放煙氣下洗現(xiàn)象越明顯，排放的污染物對周邊住宅小區(qū)影響越大。小區(qū)中高層建筑樓層越高受到污染物影響越大，越接近地面受到污染物影響越小。

3 結 論

①通過模擬預測結果顯示，模型較好地對垂向風速層結進行模擬，冷卻塔下風向塔口處存在風速降低的速度場分布，且住宅小區(qū)內風速受高層建筑影響，風速明顯降低。高風速情境下冷卻塔下風向高空區(qū)域形成穩(wěn)定的湍流運動劇烈的區(qū)域，該區(qū)域略高于冷卻塔塔高，長度約為 310,m。該區(qū)域表明在特定氣象條件下存在冷卻塔煙氣下洗的可能，一般作為煙塔合一項目大氣環(huán)境防護距離確定的重要指標。由污染物濃度場模擬結果可以看出，風速越高電廠排煙冷卻塔排放煙氣下洗現(xiàn)象越明顯，排放的污染物對周邊住宅小區(qū)影響越大。小區(qū)中高層建筑樓層越高受到污染物影響越大，越接近地面受到污染物影響越小。

②研究結果與應用實踐證明，數(shù)值風洞模型的預測結果可以準確地描述冷卻塔下風向流速場分布和污染物濃度分布場情形，并預測排煙冷卻塔附近高湍流強度區(qū)域對污染物擴散影響等關鍵問題，為建立大氣污染預測的新模式提供了思路?！?/p>

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