周華元,亢燕銘,楊 方,劉改玲,鐘 珂

城市街谷與上游阻擋建筑最不利間距的研究

周華元,亢燕銘,楊 方,劉改玲,鐘 珂*

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

采用數(shù)值模擬的方法,研究了街谷內(nèi)上風(fēng)建筑與上游阻擋建筑的間距(),即上游建筑間距,對(duì)街谷內(nèi)空氣流動(dòng)特性和氣態(tài)污染物分布規(guī)律的影響.模擬結(jié)果表明,街谷內(nèi)迎風(fēng)區(qū)的氣流速度基本不隨的變化而變化,而背風(fēng)區(qū)和中心區(qū)的氣流速度隨著的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),并在= 90m時(shí),氣流速度達(dá)到最小值.相應(yīng)地,在= 90m時(shí)街谷內(nèi)污染物濃度最高,表明存在最不利值,在城市規(guī)劃中應(yīng)盡可能避免該間距.當(dāng)大于90m時(shí),越大,污染物濃度越低,而小于90m時(shí),越小,污染物濃度也越低,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)約用地和減小交通污染的目的.

街道峽谷；上游阻擋建筑；交通污染物；間距；數(shù)值模擬

隨著我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量的不斷提高,機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)城市居民健康的威脅日益增大.特別是近年霾污染治理過(guò)程中,交通污染被列為主要原因之一[1].為便于交通污染物快速擴(kuò)散,在我國(guó)近年的城市規(guī)劃中,盡可能在建筑物之間設(shè)置公共綠地,增大部分街道峽谷(以下簡(jiǎn)稱“街谷”)兩側(cè)相鄰建筑的間距,給居民提供更好的空氣品質(zhì).考慮到城市區(qū)域土地緊張的現(xiàn)狀,這種措施不僅實(shí)施難度大,而且也沒(méi)有數(shù)據(jù)結(jié)果證明其有效性.

關(guān)于街谷微環(huán)境,在過(guò)去的三十余年里,已經(jīng)開展了大量的研究工作.大致可以分為兩類.一類主要關(guān)注傳統(tǒng)街谷內(nèi)部氣流細(xì)節(jié)特征和污染物濃度分布的研究[2-9],如Hunter等[2]分析了街谷尺寸對(duì)街谷中渦流形態(tài)的影響.董龍翔等[3]對(duì)地面點(diǎn)源釋放的污染物在城市中的擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并通過(guò)敏感性數(shù)值試驗(yàn)定量分析了邊界入口風(fēng)速和風(fēng)向擾動(dòng)對(duì)城市內(nèi)流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的影響.另一類則針對(duì)街谷約束物,如高架道路、綠化帶和樹冠等對(duì)街谷內(nèi)流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的影響進(jìn)行分析[10-16],如Zhang等[10]討論了高架橋下深街谷內(nèi)流場(chǎng)和污染物分布的特征,Ng等[11]采用數(shù)值模擬的方法研究了不同高寬比下植被對(duì)孤立深街谷內(nèi)空氣質(zhì)量的影響.

然而,現(xiàn)有大部分工作的研究均針對(duì)孤立街谷展開.實(shí)際上,在城市中街谷不是孤立存在的,建筑之間公共綠地的尺寸和上游阻擋建筑的存在顯然會(huì)對(duì)下游街谷內(nèi)的流場(chǎng)產(chǎn)生影響.對(duì)此,有人對(duì)上游阻擋建筑對(duì)街谷來(lái)流的阻擋作用進(jìn)行了研究[17-19].如朱強(qiáng)等[17]研究了不同上游阻擋建筑布局下,行列式和錯(cuò)列式街谷內(nèi)氣流速度和污染物濃度場(chǎng)特征.結(jié)果表明,在行列式街谷中,若不考慮上游阻擋建筑的存在,將會(huì)過(guò)高估計(jì)街谷內(nèi)污染程度.因此,上游阻擋建筑對(duì)街谷來(lái)流的阻擋作用不能被忽視.并且可以推測(cè),上游阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑的間距(),也會(huì)對(duì)街谷內(nèi)的污染物分布產(chǎn)生一定的影響.為更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)街谷內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量并為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考依據(jù),本文將對(duì)此展開研究,以分析可能存在的的最不利取值.

本文擬采用計(jì)算流體力學(xué)的方法,根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)研究[20-23]及其實(shí)測(cè)結(jié)果選擇合適的湍流模型,運(yùn)用驗(yàn)證后的數(shù)值計(jì)算方法,以上游阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑的間距為變量,研究其對(duì)街谷內(nèi)部流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的影響.

1 計(jì)算模型與方法

1.1 模型建立與計(jì)算方法

街谷兩側(cè)都會(huì)有相鄰建筑,其中下游相鄰建筑對(duì)街谷內(nèi)的氣流形態(tài)的影響可以忽略不計(jì),故本文僅研究上游相鄰建筑(以下簡(jiǎn)稱“上風(fēng)建筑”)對(duì)來(lái)流的阻擋作用及其對(duì)街谷內(nèi)部氣流和污染物擴(kuò)散特征的影響.

圖1是本文建立的街谷模型示意.為保證結(jié)果的普適性,本文以規(guī)則的多層建筑物為研究對(duì)象,通過(guò)CFD數(shù)值模擬,對(duì)街谷兩側(cè)的建筑物高度均為20m的情況進(jìn)行分析.設(shè)臨街建筑和上游阻擋建筑的幾何參數(shù)均為長(zhǎng)60m (),寬15m (),高20m (),街谷同側(cè)相鄰建筑的間距為10m (),街寬為30m (),上游建筑間距為.臨街建筑沿街谷長(zhǎng)軸方向周期性排列.為了更廣泛地分析上游阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑的間距對(duì)街谷內(nèi)空氣環(huán)境的影響,本文中在15~200m范圍內(nèi),按一定規(guī)律取10個(gè)值,用以分析對(duì)交通污染物分布規(guī)律的影響.

圖1 街谷模型示意

使用Gambit 2.4.6軟件建立模型和劃分網(wǎng)格,使用Fluent 6.3.26軟件對(duì)計(jì)算域內(nèi)流場(chǎng)(包括風(fēng)速與湍流強(qiáng)度)和污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬.為盡量減小因求解域有限產(chǎn)生的端部效應(yīng),上游阻擋建筑與計(jì)算域上游邊界相距5,街谷下風(fēng)建筑與計(jì)算域下游出口相距15,建筑頂端與計(jì)算域上方自由面相距4[24].

已有研究[25]表明,街谷中進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn)-模型適合作為湍流模型,并采用有限容積法離散控制方程[26-27],采用二階迎風(fēng)差分格式控制方程離散[28],污染物的擴(kuò)散方程采用QUICK格式.離散化計(jì)算域后總網(wǎng)格數(shù)約有3.3′106個(gè).有關(guān)流動(dòng)與污染物輸送的控制方程,其網(wǎng)格穩(wěn)定性、可靠性分析與描述方法以及其他參數(shù)選取的細(xì)節(jié)參見文獻(xiàn)[29].

風(fēng)向?qū)止葍?nèi)的流場(chǎng)影響很大,進(jìn)而影響街谷內(nèi)污染物的擴(kuò)散.當(dāng)風(fēng)向與街谷軸線垂直時(shí),最不利于交通污染物的擴(kuò)散[30].因此,本文僅考慮來(lái)流風(fēng)向與街谷軸線垂直的情況.此時(shí),街谷內(nèi)流場(chǎng)分布呈周期性變化規(guī)律,可采用鏡像法在街谷兩側(cè)設(shè)置對(duì)稱面(Symmetry),簡(jiǎn)化計(jì)算,只需計(jì)算圖1(街谷模型)中灰色區(qū)域.

計(jì)算域的其他邊界條件設(shè)置如下:計(jì)算域內(nèi)的建筑表面及街谷地面設(shè)為無(wú)滑移條件,而求解域的頂面設(shè)為滑移條件[28].因計(jì)算域出口的空氣流態(tài)可視為充分發(fā)展湍流,故出口邊界條件可設(shè)為自由出流(Outflow).入口邊界條件設(shè)置為速度入口(Velocity Inlet),并采用用戶定義函數(shù)(UDF)設(shè)置自定義速度廓線.自定義速度廓線設(shè)置如下.

大氣中風(fēng)的湍流特性及風(fēng)速的垂直分布與地形、地面的粗糙度密切相關(guān)[18].因此,本文采用冪指數(shù)的風(fēng)速廓線[31-32]

式中:為任意高度,m;z為該高度下的速度平均值,m/s;為地面粗糙度指數(shù),本文取= 0.28;為參考標(biāo)準(zhǔn)高度,m;V為高度處所測(cè)的參考標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速,m/s,定義建筑物高度20m為參考標(biāo)準(zhǔn)高度,則高度=20m處的屋頂風(fēng)速為參考標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速V.為模擬近地面處不利的大氣擴(kuò)散條件下街谷空間中交通污染物分布情況,設(shè)置屋頂風(fēng)速為V=2.0m/s,易估得求解域的Reynolds數(shù)的量級(jí)為105.

街谷空間內(nèi)的污染源可視為連續(xù)發(fā)散的線源[33],污染物均勻分布在一個(gè)寬10m、高0.5m,長(zhǎng)度與求解域相同的區(qū)域內(nèi),并位于街谷街道正中.污染物氣體設(shè)為機(jī)動(dòng)車的尾氣主要成分CO.為更直觀明了地進(jìn)行分析比較,定義無(wú)量綱濃度C表征交通污染物濃度:

式中:C為點(diǎn)處的污染物濃度,kg/m3;0為污染物發(fā)散強(qiáng)度,kg/s.

1.2 數(shù)值計(jì)算方法的合理性驗(yàn)證

數(shù)值計(jì)算之前,首先需要對(duì)模型和計(jì)算方法進(jìn)行合理性驗(yàn)證.

1.2.1 流場(chǎng)的驗(yàn)證 在已發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,與本文特征最接近的是Li等[20]的水槽實(shí)驗(yàn), 因此本文利用該水槽實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證.

圖2給出了街谷兩側(cè)建筑1/2高度處(/= 0.5)水平方向和垂直方向的無(wú)量綱速度分量沿街道寬度方向的變化曲線.另外,圖中還給出了Liu等的LES模型[21]和Li等的標(biāo)準(zhǔn)-模型[22]的模擬結(jié)果.

(a) 水平速度分量

(b) 垂直速度分量

圖2 流場(chǎng)模擬值與實(shí)測(cè)值的比較

Fig.2 Comparisons of simulated velocities with test data in street canyon

由圖2可以看出,本文與另外兩篇文獻(xiàn)的模擬結(jié)果都與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好,其中均采用標(biāo)準(zhǔn)-模型的本文和文獻(xiàn)[22]的計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)測(cè)結(jié)果,表明本文選擇的湍流模型適當(dāng),采用的數(shù)值計(jì)算方法可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)街谷內(nèi)流場(chǎng).

1.2.2 濃度場(chǎng)的驗(yàn)證 除流場(chǎng)的驗(yàn)證外,本文的數(shù)值模型還需要對(duì)街谷內(nèi)的污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證.本文采用Meroney等[23]的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和校驗(yàn),分別驗(yàn)證了入口風(fēng)速為ref= 3m/s和ref= 5m/s的情況,結(jié)果如圖3所示.

(a) Vref = 3m/s (b) Vref = 5m/s

圖3 濃度場(chǎng)模擬值與實(shí)測(cè)值的比較

Fig.3 Comparisons of simulated concentration with test data in street canyon

圖3的結(jié)果表明,盡管實(shí)測(cè)值與模擬值之間存在一些差異,但兩者的變化規(guī)律基本相同,大部分模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好.

從上述驗(yàn)證的過(guò)程來(lái)看,本文選擇的數(shù)值模型和數(shù)值計(jì)算方法能較好地預(yù)測(cè)街谷內(nèi)的流場(chǎng)和速度場(chǎng).

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 上游建筑間距D對(duì)街谷內(nèi)氣流特征的影響

圖4(a)和(b)分別給出AA’橫剖面(圖1)上街谷內(nèi)氣流速度矢量圖和湍流強(qiáng)度分布云圖.從圖4(a)中的流場(chǎng)可以看出,街谷上風(fēng)建筑的迎風(fēng)側(cè)在無(wú)上游阻擋建筑時(shí),街谷上風(fēng)建筑附近的氣流由地面吹向屋頂;而在有上游阻擋建筑情況下風(fēng)向相反.由于此風(fēng)向的不同,導(dǎo)致街谷內(nèi)部形成的渦流形態(tài)和風(fēng)速有一些差別.前者在街谷內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)較小的渦,靠近上風(fēng)建筑和下風(fēng)建筑處的風(fēng)速較大;而后者產(chǎn)生了一個(gè)較大的渦.不僅如此,在不同的下,街谷內(nèi)渦的位置和大小也有一定區(qū)別,這些區(qū)別會(huì)對(duì)交通污染物的擴(kuò)散有一定的影響.從圖4(b)可以看出,雖然在無(wú)上游阻擋建筑時(shí),上風(fēng)建筑的迎風(fēng)側(cè)上端湍流強(qiáng)度最大;在有上游阻擋建筑時(shí),該處湍流強(qiáng)度有所減小,但是街谷內(nèi)較低位置的湍流強(qiáng)度卻基本無(wú)變化.

(a) 氣流速度

(b) 湍流強(qiáng)度

圖4 街谷橫剖面AA’ (= 15m)上的流場(chǎng)

Fig.4 Flow fields on plane AA’ (= 15m) in street canyons

為更加具體地比較對(duì)街谷空間空氣流動(dòng)狀態(tài)的影響,圖5給出中心區(qū)3個(gè)典型位置處(圖1)氣流速度沿高度方向分布的情況.

由圖5(a)可以看到,在6m高度以下,= 200m時(shí)街谷內(nèi)氣流速度較其他間距小,= 75m時(shí)街谷內(nèi)氣流速度最大.而在6m高度以上,= 200m時(shí)街谷內(nèi)氣流速度反而最大,因此對(duì)街谷內(nèi)的流場(chǎng)有一定影響.由圖5(b)可以看到,對(duì)位置2的影響作用較小,不同的對(duì)應(yīng)的氣流速度在各高度處基本相同.

圖5 街谷中典型位置處氣流速度沿高度方向分布曲線

另一方面,有上游阻擋建筑時(shí),3個(gè)考察點(diǎn)的速度分布的最小值都出現(xiàn)在街谷內(nèi)部,最小值出現(xiàn)的高度因考察點(diǎn)位置不同而不同,并受到的影響.無(wú)上游阻擋建筑時(shí),速度最小值出現(xiàn)位置高度受考察點(diǎn)位置影響非常大.

湍流強(qiáng)度也是影響流場(chǎng)的主要因素之一,圖6給出了中心區(qū)3個(gè)典型位置處(圖1)湍流強(qiáng)度沿高度方向分布的情況.

從圖6可以看到,無(wú)上游阻擋建筑下3個(gè)考察點(diǎn)的湍流強(qiáng)度均比有上游阻擋建筑下的湍流強(qiáng)度小.有上游阻擋建筑的情況下,各個(gè)位置處湍流強(qiáng)度的規(guī)律基本相似,且都在近地面處增加的幅度較其他高度處大.雖然湍流強(qiáng)度在數(shù)值上稍有不同,但變化規(guī)律不隨的變化而變化,因此下文將主要分析街谷內(nèi)風(fēng)速隨的變化規(guī)律.

為了統(tǒng)計(jì)分析上游阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑的間距對(duì)街谷內(nèi)氣流和濃度分布的影響,本文在街谷空間內(nèi)均勻設(shè)點(diǎn).相鄰取值點(diǎn)間距為1m,最邊緣處的點(diǎn)距建筑壁面或地面0.5m,取值區(qū)域的劃分見圖7中灰色的區(qū)域.

圖6 街谷中典型位置處湍流強(qiáng)度沿高度方向分布曲線

圖7 街谷內(nèi)平面區(qū)域劃分

根據(jù)CFD模擬結(jié)果,得到每個(gè)取值點(diǎn)的信息,圖8給出3個(gè)區(qū)域內(nèi)氣流速度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

圖8 街谷內(nèi)氣流速度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖8(a)和(b)表明,在街谷的背風(fēng)區(qū)和中心區(qū),氣流速度受到的影響較大,且都在= 90m時(shí)氣流速度達(dá)到最小值.而在迎風(fēng)區(qū)(圖8(c))中,氣流速度受到的影響較小,不同的下氣流速度基本沒(méi)有變化,但氣流速度在60~135m范圍內(nèi)也存在最小值.

比較圖8的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,無(wú)論為何值時(shí),有上游阻擋建筑的街谷內(nèi)氣流速度都比無(wú)上游阻擋建筑的街谷內(nèi)氣流速度要小,這將導(dǎo)致污染物擴(kuò)散不暢,影響街谷內(nèi)的空氣品質(zhì).

為明確對(duì)街谷內(nèi)氣流速度的改變作用,定義街谷內(nèi)氣流速度的下降率為:

式中:為空間高度下的氣流速度下降率;為空間高度下的平均風(fēng)速;0i為無(wú)上游阻擋建筑情況下的平均風(fēng)速.

圖9給出了相對(duì)于無(wú)上游阻擋建筑時(shí),在不同下街谷內(nèi)氣流速度的下降率.可以看出,上游阻擋建筑的存在會(huì)使街谷內(nèi)的風(fēng)速下降30%~50%,且在75m時(shí)下降率達(dá)到最大值.相比于中心區(qū)和迎風(fēng)區(qū),背風(fēng)區(qū)風(fēng)速下降率高出5%~10%左右.

圖9 不同D時(shí)街谷內(nèi)氣流速度下降率

上游阻擋建筑對(duì)街谷內(nèi)氣流速度的影響將會(huì)影響到街谷內(nèi)機(jī)動(dòng)車污染源的擴(kuò)散特征.以下將對(duì)街谷內(nèi)污染物濃度分布進(jìn)行分析.

2.2 上游建筑間距D對(duì)污染物濃度分布的影響

圖10給出了AA’橫剖面(圖1)的街谷污染物分布和流線.

從圖10(a)可以看出,無(wú)上游阻擋建筑時(shí),污染物在渦流的作用下主要堆積在街谷背風(fēng)區(qū)建筑附近和中心區(qū)近地面.當(dāng)45m(圖10(b))時(shí),污染物向街谷中心區(qū)的渦流中心聚集.而當(dāng)增大到200m (圖10(c))時(shí),污染物又向街谷背風(fēng)區(qū)的地面以及街谷空間聚集.

圖10 街谷橫剖面AA’(x = 15m)上的濃度場(chǎng)

造成以上區(qū)別的原因是不同的對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)不同.當(dāng)上游阻擋建筑距離街谷較遠(yuǎn)(如圖10(c))時(shí),上游阻擋建筑對(duì)來(lái)流的阻擋作用接近于無(wú)上游阻擋建筑的情況,因此濃度場(chǎng)又近似于無(wú)上游阻擋建筑的情況,向街谷背風(fēng)區(qū)的地面聚集.

根據(jù)圖7中劃分的三個(gè)區(qū)域,從數(shù)值模擬結(jié)果中提取相應(yīng)區(qū)域的污染物無(wú)量綱濃度,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示.

圖11 街谷內(nèi)污染物無(wú)量綱濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)比圖11可以看出,背風(fēng)區(qū)污染物濃度最高,迎風(fēng)區(qū)污染物濃度最低.這是由于街谷中形成了順時(shí)針渦流,迎風(fēng)區(qū)得到的是新鮮空氣,因此污染物濃度最小;而背風(fēng)區(qū)得到的是受污染空氣,因此污染物濃度最大.

另外,在背風(fēng)區(qū)(如圖11(a))中,雖然不同下風(fēng)速變化較大,但由于處在污染源下游,直接受到污染物的擴(kuò)散影響,污染物濃度在各下基本一致,不受大小的影響.而在迎風(fēng)區(qū)(如圖11(c))中,雖然風(fēng)速在各下基本一致(圖8(c)),但由于受到中心區(qū)回流的影響,中心區(qū)風(fēng)速在= 90m處存在風(fēng)速最小值,因此污染物濃度在= 90m處存在一個(gè)最大值.

為估算其他上游阻擋建筑與街谷上風(fēng)建筑的間距下交通污染物的濃度,采用Origin程序擬合3個(gè)區(qū)域內(nèi)污染物濃度的平均值,擬合采用三次多項(xiàng)式:

根據(jù)誤差最小原則,得到擬合結(jié)果,如圖12所示.

由圖12可以看出,在中心區(qū)和迎風(fēng)區(qū)內(nèi),交通污染物濃度均在90m左右達(dá)到最大值,而背風(fēng)區(qū)濃度在各下濃度基本不變.

3個(gè)區(qū)域的擬合函數(shù)分別為:

背風(fēng)區(qū):

中心區(qū):