任蘇琪， 黃遠(yuǎn)東， 崔鵬義

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車(chē)保有量不斷增加，機(jī)動(dòng)車(chē)排放的尾氣污染物已成為城市大氣污染的重要來(lái)源，也是各種呼吸系統(tǒng)疾病頻發(fā)的重要原因[1]。因此，了解城市環(huán)境中尤其是街道峽谷內(nèi)的氣流流動(dòng)結(jié)構(gòu)及交通污染物的對(duì)流擴(kuò)散規(guī)律十分必要。街谷兩側(cè)建筑類(lèi)型、街谷形態(tài)、氣象條件等因素對(duì)街谷內(nèi)的氣流流動(dòng)及污染擴(kuò)散有不同的影響[2-4]。例如，街谷的幾何形狀（街谷高寬比H/W[5-7]、長(zhǎng)高比L/H[8]等）和亞熱帶地區(qū)較常見(jiàn)的建筑架空結(jié)構(gòu)是影響街道峽谷內(nèi)氣流流動(dòng)特性和污染物擴(kuò)散規(guī)律的重要因素。

架空建筑由于其良好的通風(fēng)防潮功能，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。在有關(guān)架空建筑的研究中，Tse等[9]研究了一系列不同架空結(jié)構(gòu)對(duì)行人區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)架空結(jié)構(gòu)可以顯著改變建筑周?chē)唢L(fēng)速和低風(fēng)速區(qū)域的面積和大小。水滔滔等[10]利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了廣東某地底層架空住宅區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)行人高度處風(fēng)環(huán)境和住宅建筑側(cè)面風(fēng)壓的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，住宅區(qū)底層架空顯著降低了行人高度處風(fēng)速和住宅二層高度處風(fēng)壓。Du等[11]利用CFD（computational fluid dynamics）方法對(duì)孤立架空建筑周?chē)L(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，并與無(wú)架空建筑周?chē)L(fēng)環(huán)境的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)架空結(jié)構(gòu)可以有效提高行人高度處風(fēng)舒適度。Du等[12]研究了4種不同的架空建筑結(jié)構(gòu)在3種風(fēng)向條件下，對(duì)行人高度處風(fēng)舒適度的影響，發(fā)現(xiàn)在斜風(fēng)向條件下的風(fēng)舒適度更佳。目前，大多數(shù)有關(guān)建筑架空結(jié)構(gòu)的研究只考慮了架空結(jié)構(gòu)對(duì)街谷內(nèi)的風(fēng)環(huán)境及人體舒適性的影響[13-14]，而對(duì)街谷內(nèi)有效通風(fēng)性能與污染擴(kuò)散影響的綜合研究較少。

本文基于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中存在的架空結(jié)構(gòu)，利用經(jīng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的CFD數(shù)值模型，研究不同街谷高寬比及不同底層架空結(jié)構(gòu)對(duì)街谷內(nèi)氣流流動(dòng)和污染物擴(kuò)散的影響，研究結(jié)果可為城市規(guī)劃、道路交通流調(diào)控，以及城市污染控制提供參考。

1 研究方法

1.1 物理模型

采用1∶150的模型尺寸，建立了由4種不同的街谷高寬比（H/W= 1，4/3，5/3和2）及3種不同的架空建筑結(jié)構(gòu)（上游、下游及兩側(cè)建筑架空）組合的16種工況，如表1所示。圖1（a）為參考工況，建筑尺寸大小為H×H，建筑高度H= 12 cm（實(shí)際尺寸為18 m），街谷寬度W=H，2條污染源邊長(zhǎng)均為0.03H，分別位于距離迎風(fēng)面0.42H和0.58H處，以恒定的速度釋放SF6（六氟化硫）來(lái)模擬道路上機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放，SF6作為示蹤氣體，具有背景濃度低、無(wú)污染、易檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。參照?qǐng)D1（a）所示的街谷設(shè)置，建立上游、下游和兩側(cè)建筑架空的街谷模型，圖1（b）為上游建筑架空街谷示意圖。

圖1 二維街谷模型Fig. 1 Two-dimensional street canyon model

表1 物理模型設(shè)置Tab.1 Physical model setting

本研究中，來(lái)流風(fēng)垂直于街道峽谷中心軸線，風(fēng)速設(shè)為7.0 m/s，對(duì)于每種街谷工況，參考雷諾數(shù)Re的計(jì)算公式為

式中：Uref為參考高度0.48 m處風(fēng)速，Uref= 7 m/s；ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，ν = 1.50×10-5m2/s。

計(jì)算得出Re= 5.6×104，確保了街谷內(nèi)的氣流流動(dòng)與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)[15]。

1.2 數(shù)值模型

1.2.1 控制方程

RANS（Reynolds Averaged Navier Stokes）模型是計(jì)算街谷內(nèi)流場(chǎng)最常用的模型，在RANS模型中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型可以很好地再現(xiàn)完全湍流的一般結(jié)構(gòu)，因此，本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)湍流的二維流動(dòng)進(jìn)行求解。控制方程：

式中：xi，xj為笛卡爾坐標(biāo)；ui，uj為流體在i和j方向上的時(shí)均速度；ρ為空氣密度；p為空氣壓強(qiáng)；gi為i方向的重力；k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；νt為湍流黏性系數(shù)；為雷諾應(yīng)力；標(biāo)準(zhǔn)湍流模型中的常數(shù)

污染物對(duì)流擴(kuò)散方程：

式中：Cα為污染物 α的濃度；Dα,m為污染物 α在混合物中的分子擴(kuò)散系數(shù)；Sα,p為污染物 α的源項(xiàng)；Sct為湍流施密特?cái)?shù)，取值范圍為0.2～1.3[16]，本文對(duì)Sct最優(yōu)取值進(jìn)行驗(yàn)證，得出Sct= 0.4。

1.2.2 計(jì)算域、邊界條件與計(jì)算方法

圖2為參考工況計(jì)算域示意圖，本文參照文獻(xiàn)[17]，計(jì)算域的長(zhǎng)寬尺寸設(shè)為27H× 8H，入口邊界距離上游建筑迎風(fēng)面8H，采用速度入口條件（velocity inlet），對(duì)水平風(fēng)速、湍動(dòng)能及耗散率進(jìn)行設(shè)置。出口邊界與下游建筑背風(fēng)面距離為16H，采用自由出流條件（outflow）。上邊界距離建筑頂部7H，采用對(duì)稱(chēng)邊界條件（symmetry），建筑物壁面以及地面均設(shè)置為壁面無(wú)滑移、濃度無(wú)滲透的壁面邊界條件（wall）。

圖2 計(jì)算域示意圖Fig.2 Computational domain

采用ANSYS Fluent 14.5軟件進(jìn)行計(jì)算求解，其中，描述流動(dòng)與污染物擴(kuò)散的控制方程采用有限體積法（FVM）離散，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，對(duì)流擴(kuò)散方程采用三階QUICK格式[17]。各個(gè)變量的相對(duì)殘差設(shè)置為10-6。

1.3 模型驗(yàn)證與網(wǎng)格獨(dú)立性分析

1.3.1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)概況

采用德國(guó)Karlsruhe大學(xué)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[18]對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證工況如圖3所示，與參考工況的街谷布局一致，但在街道內(nèi)只設(shè)置1條線源，距離街谷背風(fēng)面0.42H。無(wú)量綱濃度K定義為

圖3 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)二維街谷模型Fig. 3 Two-dimensional street canyon model of wind-tunnel experiment

式中：C為污染物的體積分?jǐn)?shù)；L為線源長(zhǎng)度，L=1.42 m；Qe為SF6釋放源強(qiáng)。

入口處的水平風(fēng)速、湍動(dòng)能及耗散率公式為

式中：u為高度為z處的風(fēng)速；zref為參考高度，zref=0.48 m；z為離地高度；d0為位移高度，d0= 0.002 m；u*為摩擦速度，u*= 0.385 m/s；κ為卡門(mén)常數(shù)，κ=0.4；Cu為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Cu= 0.09。

1.3.2 網(wǎng)格敏感性與模型參數(shù)驗(yàn)證

驗(yàn)證工況計(jì)算區(qū)域與參考工況一致，線源處采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格精度從0.2 mm逐漸增加到1 mm。內(nèi)區(qū)（圖2（b））采用1 mm的四邊形網(wǎng)格，街谷外部采用增長(zhǎng)率為1.01的四邊形網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約為105萬(wàn)。圖4（a）為不同網(wǎng)格精度的街谷背風(fēng)面和迎風(fēng)面無(wú)量綱濃度的計(jì)算值與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比圖，結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)為105萬(wàn)時(shí)模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)吻合較好。圖4（b）為不同Sct數(shù)的街谷背風(fēng)面和迎風(fēng)面無(wú)量綱濃度的計(jì)算值與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的對(duì)比圖，可以看出，Sct= 0.4時(shí)數(shù)值模擬與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 4 Comparison of numerical simulation results and wind tunnel experiment data

2 結(jié)果與討論

2.1 不同架空結(jié)構(gòu)街谷內(nèi)流場(chǎng)變化與分析

如圖（5）所示，在標(biāo)準(zhǔn)街谷內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)中心略高于街谷中心的順時(shí)針渦，渦心附近氣流流速較小，靠近建筑迎風(fēng)面和地面的氣流流速較大。隨著H/W的增加，渦心上移，主渦變大，街谷底部氣流流速明顯減弱（圖5（a），6（a），7（a），8（a）），當(dāng)H/W=2時(shí)，上游建筑屋頂產(chǎn)生明顯的順時(shí)針渦（圖8（a））。當(dāng)上游建筑架空時(shí)，強(qiáng)氣流穿過(guò)上游建筑架空通道向下游建筑移動(dòng)，并沿著街谷迎風(fēng)面向上爬升，導(dǎo)致流場(chǎng)反向（圖5（b），6（b），7（b），8（b））。街谷內(nèi)原有單順時(shí)針渦被破壞，背風(fēng)面產(chǎn)生了2個(gè)反向渦，同時(shí)在街道迎風(fēng)角形成很小的順時(shí)針渦。隨著H/W的增加，底部以及迎風(fēng)面氣流流速明顯增強(qiáng)，當(dāng)H/W=2時(shí)，背風(fēng)面只有一個(gè)大的逆時(shí)針渦，兩側(cè)建筑屋頂均產(chǎn)生明顯的順時(shí)針渦，屋頂水平對(duì)流作用減弱（圖8（b））。當(dāng)下游建筑底層架空時(shí)（圖5（c），6（c），7（c），8（c）），街谷內(nèi)流場(chǎng)分布沒(méi)有發(fā)生變化，氣流通過(guò)下游建筑架空通道進(jìn)入街谷，背風(fēng)面氣流流速增強(qiáng)，街谷內(nèi)氣流被切割成迎風(fēng)面規(guī)則的順時(shí)針渦和背風(fēng)角較小的反向渦。隨著H/W的增加，架空通道的氣流增強(qiáng)，街谷內(nèi)迎風(fēng)面的順時(shí)針渦增大、增強(qiáng)，左上側(cè)逆時(shí)針渦減小，最終消失。圖5（d）為兩側(cè)建筑均架空時(shí)街谷內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，大部分氣流直接穿過(guò)架空通道流出街谷，街谷內(nèi)形成2個(gè)方向相反的渦，氣流流速較低。隨著H/W的增加，如圖5（d），6（d），7（d），8（d）所示，街谷下部逆時(shí)針主渦逐漸增強(qiáng)、增大，而上方順時(shí)針渦逐漸減小、變?nèi)?，?dāng)H/W=2時(shí)，街谷上方的渦消失，迎風(fēng)面氣流在屋頂水平的流動(dòng)方向發(fā)生明顯變化，覆蓋了街谷上方，導(dǎo)致街谷屋頂水平對(duì)流作用減弱（圖8（d））。以上分析可知，氣流隨架空通道進(jìn)入街谷，對(duì)街谷內(nèi)的流場(chǎng)產(chǎn)生影響，均從不同程度上增強(qiáng)了街谷內(nèi)的平均通風(fēng)能力，且隨著H/W的增加，對(duì)街谷內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響增大。

圖5 H/W = 1時(shí)不同底層架空結(jié)構(gòu)的街谷流場(chǎng)Fig.5 Flow fields inside street canyons with void decks when H/W = 1

圖6 H/W = 4/3時(shí)不同底層架空結(jié)構(gòu)的街谷流場(chǎng)Fig.6 Flow fields inside street canyons with void decks when H/W = 4/3

圖7 H/W = 5/3時(shí)不同底層架空結(jié)構(gòu)的街谷流場(chǎng)Fig.7 Flow fields inside street canyons with void decks when H/W = 5/3

2.2 不同架空結(jié)構(gòu)街谷內(nèi)污染物濃度分布特點(diǎn)及分析

在街道峽谷中，交通污染物的對(duì)流擴(kuò)散及分布主要受街谷內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響。在無(wú)架空街谷內(nèi)，污染物在順時(shí)針渦作用下聚集在背風(fēng)面，又沿背風(fēng)面向上爬升，部分污染物隨峽谷頂部水平氣流排出街谷，因此，背風(fēng)面污染物濃度明顯高于迎風(fēng)面（圖9（a），10（a），11（a），12（a））。隨著H/W的增加，街谷底部對(duì)流作用明顯減弱，導(dǎo)致污染物在背風(fēng)面近地面積累，當(dāng)H/W=2時(shí)，整個(gè)街谷底部通風(fēng)能力最弱，污染物積累嚴(yán)重，空氣質(zhì)量最差（圖12（a））。當(dāng)上游建筑架空時(shí)，街谷內(nèi)流場(chǎng)反向?qū)е挛廴疚镫S氣流移至迎風(fēng)面，并沿迎風(fēng)面向上逸出街谷，迎風(fēng)面附近污染較嚴(yán)重，如圖9（b），10（b），11（b），12（b）所示。由于架空通道致使峽谷內(nèi)的氣流流速（通風(fēng)能力）隨著H/W的增加而逐漸增大，因此，更多污染物沿迎風(fēng)面隨氣流排出街谷，街谷內(nèi)污染程度明顯改善。當(dāng)下游建筑架空時(shí)，街谷內(nèi)污染物分布特點(diǎn)與無(wú)架空街谷相似（圖9（c），10（c），11（c），12（c）），但由于架空通道增強(qiáng)了背風(fēng)面氣流，因此，更多污染物隨氣流沿背風(fēng)面排出街谷，致使背風(fēng)面污染程度降低。相較于標(biāo)準(zhǔn)街谷，下游建筑架空結(jié)構(gòu)對(duì)迎風(fēng)面空氣質(zhì)量改善程度隨著H/W的增加逐漸增強(qiáng)。兩側(cè)建筑架空的街谷內(nèi)的污染物可以直接隨著架空通道的強(qiáng)氣流逸出街谷（圖9（d），10（d），11（d），12（d）），該架空結(jié)構(gòu)的有效通風(fēng)能力最強(qiáng)。隨著H/W的增加，架空街谷上部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)雖然顯著改變，但底部有效的強(qiáng)氣流結(jié)構(gòu)基本不變，污染物可隨氣流及時(shí)排出街谷，不會(huì)對(duì)街谷上部造成影響，因此，兩側(cè)建筑底部架空結(jié)構(gòu)最有利改善街谷空氣質(zhì)量。

圖9 H/W = 1下不同底層架空結(jié)構(gòu)的街谷內(nèi)無(wú)量綱濃度分布Fig.9 Dimensionless concentration distributions inside street canyons with void decks when H/W = 1

圖12 H/W = 2時(shí)不同底層架空結(jié)構(gòu)的街谷內(nèi)無(wú)量綱濃度分布Fig.12 Dimensionless concentration distributions inside street canyons with void decks when H/W = 2

2.3 街谷內(nèi)平均污染水平評(píng)價(jià)分析

圖13（a）對(duì)比了所有工況街谷內(nèi)的平均污染物濃度，結(jié)果顯示，隨著H/W的增加，街谷內(nèi)平均污染物濃度逐漸增大。架空結(jié)構(gòu)可降低街谷內(nèi)平均污染物濃度。與無(wú)架空街谷相比，架空結(jié)構(gòu)顯著改善了街谷內(nèi)的空氣質(zhì)量。兩側(cè)建筑架空結(jié)構(gòu)比單側(cè)建筑架空更有利于街谷內(nèi)污染擴(kuò)散，兩側(cè)建筑架空街谷內(nèi)的污染物濃度降低91%～98%，而上游建筑架空街谷內(nèi)的污染物濃度可降低71%～90%。下游建筑架空結(jié)構(gòu)對(duì)街谷內(nèi)污染物的擴(kuò)散作用隨著H/W的增加逐漸增強(qiáng)，當(dāng)H/W= 2時(shí)，街谷內(nèi)平均污染物濃度可降低69%。

圖10 H/W = 4/3時(shí)不同底層架空結(jié)構(gòu)的街谷內(nèi)無(wú)量綱濃度分布Fig.10 Dimensionless concentration distributions inside street canyons with void decks when H/W = 4/3

圖11 H/W = 5/3時(shí)不同底層架空結(jié)構(gòu)的街谷內(nèi)無(wú)量綱濃度分布Fig.11 Dimensionless concentration distributions inside street canyons with void decks when H/W = 5/3

圖13（b）和13（c）為所有工況背風(fēng)面和迎風(fēng)面行人高度處污染物平均濃度柱狀圖。從圖13（b）可以看出，對(duì)于無(wú)架空街谷，背風(fēng)面污染物濃度隨著H/W的增加而不斷增大，當(dāng)H/W= 2時(shí)，街谷內(nèi)背風(fēng)面行人高度處污染物平均濃度為H/W= 1時(shí)的135%。由于上游建筑架空結(jié)構(gòu)和兩側(cè)建筑架空結(jié)構(gòu)改變了街谷內(nèi)的流場(chǎng)方向，背風(fēng)面行人高度處污染物平均濃度為0。隨著H/W的增加，下游建筑架空對(duì)街谷背風(fēng)面行人高度處污染物濃度影響并不顯著。

圖13 研究工況街谷內(nèi)不同位置的平均污染物濃度Fig.13 Mean concentrations at different locations for all studied cases

由圖13（c）可知，在H/W= 2的無(wú)架空街谷中，污染物聚集在街谷下方不易擴(kuò)散，導(dǎo)致迎風(fēng)面行人高度處平均濃度顯著增加。與標(biāo)準(zhǔn)街谷相比，上游建筑架空結(jié)構(gòu)導(dǎo)致污染物聚集在迎風(fēng)面，但是，隨著H/W的增加，迎風(fēng)面行人高度處污染物平均濃度逐漸減小。下游建筑架空有利于迎風(fēng)面行人高度處污染物的擴(kuò)散，街谷內(nèi)迎風(fēng)面行人高度處的污染物平均濃度降低了85%～99%。兩側(cè)建筑架空結(jié)構(gòu)對(duì)迎風(fēng)面行人高度處污染物濃度的影響隨H/W的增加變化不大。由此可見(jiàn)，從行人健康角度出發(fā)，建筑高度增加（H/W增大）不利于行人高度處污染物的擴(kuò)散，但是，架空結(jié)構(gòu)可以明顯改善行人高度處的空氣質(zhì)量，其中，上游建筑架空和兩側(cè)建筑架空最有利于靠近背風(fēng)面人行道污染物的對(duì)流擴(kuò)散，下游建筑架空最有利于靠近迎風(fēng)面人行道污染物的擴(kuò)散。

3 結(jié)論

通過(guò)經(jīng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的CFD數(shù)值模型，研究了4種高寬比條件下不同架空結(jié)構(gòu)對(duì)街谷內(nèi)流場(chǎng)和污染物分布的影響，可以得出以下結(jié)論：

a. 架空結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了街道峽谷內(nèi)的平均通風(fēng)能力，且隨著H/W的增加，對(duì)街谷內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響逐漸增大。當(dāng)H/W＜ 2時(shí)，架空建筑街谷內(nèi)的主渦逐漸變大，渦心上移，上方渦變小。當(dāng)H/W=2時(shí)，架空建筑街谷內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)與污染物擴(kuò)散發(fā)生顯著變化，街谷內(nèi)僅有一個(gè)渦，屋頂上方對(duì)流作用減弱。

b. 不同建筑架空結(jié)構(gòu)對(duì)街谷兩側(cè)污染物分布的影響不同。兩側(cè)建筑架空和上游建筑架空顯著降低了背風(fēng)面污染物的濃度，背風(fēng)面的污染物平均濃度為0。下游建筑架空結(jié)構(gòu)有利于迎風(fēng)面污染物的擴(kuò)散。

c. 與無(wú)架空街谷相比，架空結(jié)構(gòu)顯著改善了街谷內(nèi)的空氣質(zhì)量。兩側(cè)建筑架空結(jié)構(gòu)比單側(cè)建筑架空更有利于街谷內(nèi)污染擴(kuò)散，兩側(cè)建筑架空街谷內(nèi)的污染物濃度降低了91%～98%。而在單側(cè)建筑架空街谷內(nèi)，上游建筑架空街谷內(nèi)的污染物濃度可降低71%～90%。下游建筑架空結(jié)構(gòu)對(duì)街谷內(nèi)污染物的擴(kuò)散作用隨著H/W的增加逐漸增強(qiáng)，當(dāng)H/W= 2時(shí)，街谷內(nèi)平均污染物濃度可降低69%。