李嘉齊 明廷臻 吳永佳 文遠(yuǎn)高

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 430070)

0 引言

隨著城市的發(fā)展，城市中心交通用地越發(fā)緊張,伴隨而來的城市立體交通系統(tǒng)的建設(shè)越發(fā)受到重視。城市隧道以其造價(jià)相對(duì)低廉、可有效降低噪音污染、緩解地面擁堵以及可集中排放處理隧道內(nèi)污染物等優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)今城市立體交通系統(tǒng)不可或缺的組成部分。

如今許多城市隧道采取上方開口方式，以緩解污染問題，并且開口貫通處常處于城市中心區(qū)域。因此對(duì)于城市隧道，不僅需考慮其隧道內(nèi)部污染，而且更需關(guān)注開口貫通處對(duì)其上方城市環(huán)境的污染影響。

目前針對(duì)城市中心區(qū)環(huán)境污染傳播的研究，多集中于建筑體屋頂幾何形狀[1-2]、污染組成[3]、建筑體高度[4-5]、環(huán)境風(fēng)速[6]、隧道內(nèi)部[7]等單一方面，而對(duì)具有復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)的城市環(huán)境的相關(guān)研究尚處于起步階段。為此本文針對(duì)武漢市中心區(qū)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一個(gè)三維立體城市環(huán)境模型。運(yùn)用CFD軟件，探究了該系統(tǒng)流場(chǎng)及污染物的傳播規(guī)律，以期提升城市環(huán)境質(zhì)量。

1 物理數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

本研究以武漢市二環(huán)某S形地下隧道開口貫通處上方建筑環(huán)境為研究對(duì)象，參照各實(shí)際工程設(shè)計(jì)尺寸，采用ICEM軟件建立了全尺寸三維幾何模型，如圖1所示。

圖1 物理模型

上方丁字形機(jī)動(dòng)車道寬度為15 m，上方建筑環(huán)境主要分布于南開口貫通處上方西南(SW)、西北(NW)、東南(SE)3個(gè)區(qū)域，并將建筑體進(jìn)行相應(yīng)命名，如圖2所示。其中SW4建筑體高度為10 m，其余建筑體高度均為20 m。圖2同時(shí)指出研究中的目標(biāo)線L1與L2，分別距SW1—SW4建筑體東、西側(cè)2 m，距地面高度2 m。

圖2 地面上方建筑環(huán)境

下方S形隧道全長(zhǎng)1 270 m，包括150 m開口貫通段和1 120 m暗埋段。從隧道北進(jìn)口進(jìn)入后依次為暗埋段(300 m)、北開口貫通段(100 m)、暗埋段(625 m)、南開口貫通段(50 m)、暗埋段(195 m)組成。其中開口貫通段頂部與地面等高。下方S形隧道內(nèi)凈空尺寸9.65 m×6.0 m。同時(shí)，下方S形隧道內(nèi)部還采用射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行輔助通風(fēng)設(shè)計(jì)，射流風(fēng)機(jī)流量11 m3/s。射流風(fēng)機(jī)分7組布置，每組2臺(tái)，總共14臺(tái)，風(fēng)機(jī)懸掛于隧道頂部。

1.2 數(shù)學(xué)模型

為模擬污染物傳播規(guī)律，依據(jù)實(shí)際的流體流動(dòng)特性作如下假定：①流體為不可壓縮流體；②計(jì)算域中空氣其物性不發(fā)生改變；③計(jì)算域中流體流動(dòng)為湍流且充分發(fā)展。

相應(yīng)滿足條件的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程如下：

(1)

(2)

(3)

本研究選用RNGk-ε模型求解[8]，湍動(dòng)能方程k以及湍流耗散率方程ε分別表示為：

(4)

(5)

式中，Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能；αk、αε為與湍動(dòng)能k及湍流耗散率ε相對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)有關(guān)常量，取值如下：αk=1.0，αε=1.3；C1ε、C2ε為湍流常數(shù)，取值如下：C1ε=1.42，C2ε=1.68；μeff為有效運(yùn)動(dòng)粘度。

本文數(shù)值計(jì)算在通用CFD商用軟件Ansys Fluent中進(jìn)行，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法，壓力插值采用Standard算法，梯度插值運(yùn)用格林-高斯節(jié)點(diǎn)方式。

1.3 邊界條件

計(jì)算區(qū)域邊界根據(jù)模擬案例不同分為以下幾種情況：

當(dāng)環(huán)境風(fēng)為正東風(fēng)時(shí)，邊界條件設(shè)定地面上方矩形計(jì)算域：東側(cè)豎直平面為速度入口；北、南側(cè)豎直平面以及頂面為對(duì)稱面；西側(cè)豎直平面為壓力出口，壓力值設(shè)置為表壓0 Pa。當(dāng)環(huán)境風(fēng)為正北風(fēng)時(shí)，同理進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，不再贅述。

當(dāng)環(huán)境風(fēng)北偏東30°、45°、60°這3種斜風(fēng)情況下，地面上方矩形計(jì)算域：北、東側(cè)豎直平面為速度入口并根據(jù)具體案例設(shè)定環(huán)境風(fēng)與速度入口面的角度；南、西側(cè)豎直平面為壓力出口；頂面為對(duì)稱面。其余邊界條件設(shè)定與正東風(fēng)時(shí)對(duì)應(yīng)相同。

上述各計(jì)算案例中下方隧道北端進(jìn)口為速度入口，南端出口為壓力出口，壓力值設(shè)置為表壓0 Pa，隧道內(nèi)部射流風(fēng)機(jī)設(shè)定為fan邊界條件，風(fēng)量為11 m3/s。模型中上方建筑體及隧道固體壁面均為無滑移壁面。

整體模型中污染源分別設(shè)定在上方丁字形機(jī)動(dòng)車道以及下方S形隧道機(jī)動(dòng)車道上。選用CO作為本研究污染物標(biāo)記物，并且釋放源設(shè)置為體污染源，其強(qiáng)度設(shè)定為4×10-6kg/(m3·s)[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

本研究模型整體計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。為保證計(jì)算準(zhǔn)確性及計(jì)算精度，對(duì)模型網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行了驗(yàn)證。模型共分析了網(wǎng)格數(shù)量分別為9 542 903、11 410 349、13 564 752的3組網(wǎng)格系統(tǒng)。模擬結(jié)果表明上述3組網(wǎng)格系統(tǒng)中，同截面上其平均風(fēng)速相差不超過3.5%，因此認(rèn)為模型網(wǎng)格可以保證獨(dú)立性以及網(wǎng)格質(zhì)量。為節(jié)約計(jì)算資源及成本，本研究選定網(wǎng)格數(shù)為11 410 349的網(wǎng)格系統(tǒng)作為分析依據(jù)。

2.2 整體計(jì)算域流場(chǎng)及污染物分布特性

本節(jié)主要研究整體計(jì)算域流場(chǎng)以及污染物的傳播規(guī)律。在恒定環(huán)境風(fēng)速(下文簡(jiǎn)稱ACW)2 m/s且北偏東(下文簡(jiǎn)稱NbE)45°情況下，針對(duì)地上建筑環(huán)境、下方S型隧道、開口貫通處等區(qū)域流場(chǎng)及污染物分布規(guī)律進(jìn)行分析。圖3為上述情況下整體計(jì)算域流線圖，由圖3可知開口貫通處對(duì)整體計(jì)算域流場(chǎng)影響顯著。

圖3 計(jì)算域流線圖

2.2.1 地面上方建筑環(huán)境

為了分析地面上方建筑環(huán)境受到的污染影響，提取上方計(jì)算域2 m高度處CO濃度分布圖，如圖4所示。由圖4可知，南開口貫通處將使下方S形隧道中大量污染物分流至上方建筑環(huán)境，且開口貫通處中心污染濃度較丁字形機(jī)動(dòng)車道中心污染濃度更高，約為2倍。并由圖4可知在NbE=45°情況下，南開口貫通處分流出的污染在上方流場(chǎng)耦合作用下主要對(duì)西南區(qū)建筑群產(chǎn)生較大影響。而上方丁字形機(jī)動(dòng)車道其排放污染主要影響區(qū)域?yàn)槲鞅眳^(qū)C形建筑體。結(jié)合圖3流線圖可知西北區(qū)C形建筑體受影響區(qū)域主要為西南部。

圖4 地面上方建筑環(huán)境CO分布場(chǎng)

2.2.2 隧道與建筑環(huán)境貫通處

由上文可知開口貫通處對(duì)上下計(jì)算域流場(chǎng)及污染物傳播規(guī)律具有重要影響，尤其是位于眾建筑環(huán)境中心的南開口貫通處。為更深刻分析其對(duì)上下計(jì)算域流場(chǎng)影響，提取南開口貫通處斷面流線圖，如圖5所示。

圖5 南開口貫通處斷面流線圖

由圖5可知，S形隧道中部分流場(chǎng)將在南開口貫通處分流至地上建筑環(huán)境，且下方隧道流場(chǎng)分流至地面上方后，因受上方原先環(huán)境流場(chǎng)影響將向西南區(qū)建筑群擴(kuò)散，而該流場(chǎng)在西南區(qū)建筑群東側(cè)將受到阻礙，并在近地面處會(huì)形成旋渦，這一規(guī)律與MING T等[10]的相應(yīng)結(jié)論相印證。

2.2.3 下方S形隧道內(nèi)部

為分析下方S形隧道內(nèi)部環(huán)境及其安全影響，提取下方S形隧道斷面速度云圖以及下方S形隧道斷面CO濃度分布圖，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知，在北開口段污染程度受分流影響發(fā)生明顯下降，且污染濃度在后續(xù)一定時(shí)間內(nèi)保持較低水平。同時(shí)可知隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)對(duì)S形隧道流場(chǎng)影響顯著,其射流影響段明確，并且S形隧道內(nèi)污染將在南開口處北部達(dá)到峰值，隨后經(jīng)南開口段后污染濃度降低至先前最高處的40%。由此可看出開口貫通處的設(shè)計(jì)對(duì)提升下方S形隧道內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量及安全具有一定作用。

圖6 下方S形隧道速度分布圖

圖7 下方S形隧道CO分布場(chǎng)

2.3 風(fēng)向?qū)α鲌?chǎng)及污染物分布的影響

針對(duì)風(fēng)向本節(jié)主要考慮正北風(fēng)、NbE=30°、NbE=45°、NbE=60°、正東風(fēng)上述5種情況。案例采用恒定環(huán)境風(fēng)速ACW=2 m/s，針對(duì)建筑環(huán)境、開口貫通處等區(qū)域進(jìn)行分析。因環(huán)境風(fēng)向的改變將對(duì)模型各區(qū)域流場(chǎng)造成改變及影響，進(jìn)而該區(qū)域污染分布也將受到影響[11]，因此探究風(fēng)向的變化對(duì)研究污染物傳播規(guī)律具有重要意義。

提取上述各風(fēng)向時(shí)上方計(jì)算域2 m高度處CO濃度分布圖，如圖8所示。案例依次(a)為正北風(fēng)、(b)為NbE=30°、(c)為NbE=60°、(d)為正東風(fēng)情況，并結(jié)合上文中圖4(NbE=45°情況)進(jìn)行分析可知：在正北風(fēng)情況下開口處上方中心濃度較丁字形機(jī)動(dòng)車道中心濃度更高，但開口處分流污染僅對(duì)西南區(qū)建筑東側(cè)有較小程度影響；而此時(shí)丁字形機(jī)動(dòng)車道的污染對(duì)西南區(qū)建筑群及西北區(qū)C形建筑產(chǎn)生主要影響。

(a)正北風(fēng)

隨著北偏東風(fēng)向角度的增大，建筑環(huán)境受污染影響區(qū)域及程度各不相同。首先當(dāng)NbE=30°時(shí)，南開口處分流污染將對(duì)西南區(qū)SW4建筑體周圍產(chǎn)生明顯影響；當(dāng)NbE增至45°時(shí)，擴(kuò)大至SW3、SW4為重點(diǎn)受影響建筑體；隨NbE增至60°時(shí)，分流污染影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，且進(jìn)一步向北移動(dòng)，主要覆蓋SW2、SW3、SW4幾棟建筑體。并且隨NbE角度由30°增至60°過程中，丁字形機(jī)動(dòng)車道污染對(duì)西南區(qū)建筑群及西北區(qū)C形建筑的影響范圍亦有一定程度增加。

在NbE=60°時(shí)污染物傳播規(guī)律還有一明顯特性，此時(shí)開口處分流出的污染對(duì)西南區(qū)建筑群的滲透性更強(qiáng)，尤其SW2、SW32棟建筑體西側(cè)受影響最為明顯。因此對(duì)污染的滲透影響也應(yīng)有所關(guān)注及重視。

正東風(fēng)情況時(shí)，開口處分流出的污染對(duì)西南區(qū)建筑群影響程度較NbE=60°時(shí)有所緩解，主要為SW1、SW22棟建筑體受污染影響，且此時(shí)丁字形機(jī)動(dòng)車道污染影響也明顯減弱，唯獨(dú)其北段污染會(huì)對(duì)西北區(qū)C形建筑有一定影響。

為更進(jìn)一步探究建筑環(huán)境受污染的滲透影響程度，通過數(shù)據(jù)整理得出西南區(qū)建筑群西側(cè)L2線各風(fēng)向案例下平均CO濃度，如圖9所示。由圖9可知，污染滲透程度將在NbE=60°時(shí)達(dá)最大值，約為最低值NbE=30°時(shí)的3.5倍。綜上可知，在NbE=60°時(shí)西南區(qū)建筑環(huán)境將受到最大程度的滲透以及污染影響。

圖9 各風(fēng)向情況下L2線CO平均濃度

2.4 風(fēng)速對(duì)流場(chǎng)及污染物分布的影響

除了上文對(duì)風(fēng)向分析之外，風(fēng)速同樣是影響環(huán)境流場(chǎng)及污染傳播規(guī)律的重要因素之一[12]。

本節(jié)主要針對(duì)ACW=1 m/s、ACW=1.5 m/s、ACW=2 m/s、ACW=2.5 m/s、ACW=3 m/s上述5種情況進(jìn)行研究。通過上文研究結(jié)論可知：NbE=60°時(shí)西南區(qū)建筑環(huán)境受污染影響范圍及程度最大。因此本節(jié)選取NbE=60°情況進(jìn)行分析。

通過數(shù)據(jù)整理得L1線各風(fēng)速情況下CO濃度變化曲線以及速度分布曲線，如圖10、圖11所示。通過圖10可知：隨著環(huán)境風(fēng)速增加，各處污染程度均呈下降趨勢(shì)，并可發(fā)現(xiàn)風(fēng)速由ACW=1 m/s增至ACW=1.5 m/s乃至ACW=2 m/s時(shí)候降幅最為明顯；但當(dāng)風(fēng)速增至ACW=2.5 m/s及ACW=3 m/s時(shí)，污染濃度降幅有所減小，且L1線南半段較北半段其污染受風(fēng)速影響的敏感性更高，這主要是由于南半段建筑布局湍流強(qiáng)度較高所致。

圖10 各風(fēng)速情況下L1線上CO分布

通過圖11可知，速度分布曲線在L1線北半段呈現(xiàn)3處凹口，分別對(duì)應(yīng)為SW1、SW2、SW3、SW4幾棟建筑體間的間隔。因流場(chǎng)在上述幾處間隔通道產(chǎn)生分流效應(yīng)，致使北半段平均風(fēng)速及整體湍流強(qiáng)度降低，最終北半段污染受風(fēng)速影響敏感性相對(duì)較弱。

圖11 各風(fēng)速情況下L1線上速度分布

2.5 研究展望

本文主要研究了該城市中心區(qū)立體環(huán)境的污染傳播規(guī)律，以期為城市規(guī)劃和空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)及污染控制手段等方面提供參考。

值得指出，除上述研究點(diǎn)外，例如建筑環(huán)境中各位置受太陽(yáng)輻射導(dǎo)致局部受熱不均勻[13-14]也將對(duì)空氣流場(chǎng)及污染傳播規(guī)律產(chǎn)生影響，另外建筑環(huán)境中的植被綠化帶[15]對(duì)污染傳播規(guī)律的影響同樣值得探索。對(duì)于上述各項(xiàng)影響因素將會(huì)在后續(xù)工作中予以考慮。

3 結(jié)論

(1)本文研究的立體城市環(huán)境中，開口貫通處對(duì)整體環(huán)境的流場(chǎng)及污染傳播規(guī)律影響顯著。開口處使下方S形隧道產(chǎn)生分流效應(yīng)，其對(duì)提升下方S形隧道內(nèi)環(huán)境質(zhì)量及安全系數(shù)具有一定作用。尤其經(jīng)南開口處后污染濃度約為先前濃度最高處的40%，但開口貫通處上方的建筑環(huán)境則因此污染明顯加重，甚至部分建筑環(huán)境受到開口分流污染與上方丁字型機(jī)動(dòng)車道污染的耦合影響，本文中西南區(qū)建筑環(huán)境受影響較為嚴(yán)重。為此可考慮于開口處周圍增設(shè)隔離墻及增加植被綠化帶等措施以控制污染影響，同時(shí)對(duì)于污染下風(fēng)向首排建筑體應(yīng)保證其建筑高度以減少污染物翻越對(duì)下游街區(qū)產(chǎn)生的影響。

(2)本文研究的建筑環(huán)境中，受污染影響的區(qū)域及程度與風(fēng)向的改變具有明顯相關(guān)性。NbE=60°時(shí)西南區(qū)建筑環(huán)境將受到最大程度的滲透及污染影響，此時(shí)滲透影響程度約為最低值NbE=30°時(shí)的3.5倍。由此可通過控制污染下風(fēng)向首排建筑體的建筑組合以及建筑連續(xù)性長(zhǎng)度等方法予以優(yōu)化。

(3)隨著風(fēng)速增加，建筑環(huán)境整體污染呈下降趨勢(shì)。風(fēng)速由ACW=1 m/s增至ACW=1.5 m/s乃至ACW=2 m/s時(shí)污染降幅最為明顯；但當(dāng)風(fēng)速增至ACW=2.5 m/s及以上時(shí)，污染降幅有所減小，且西南區(qū)建筑群南半段較北半段受風(fēng)速影響的敏感性更高。因此對(duì)于污染濃度較高及污染堆積的建筑環(huán)境區(qū)域，可考慮增設(shè)通風(fēng)廊道及優(yōu)化建筑間距。