蘇昌榕,明廷臻,吳永佳,石天豪,何芳艷

T型街谷交叉路口機(jī)動(dòng)車誘導(dǎo)下污染物傳播規(guī)律

蘇昌榕,明廷臻*,吳永佳,石天豪,何芳艷

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430070)

為了探究車輛轉(zhuǎn)彎行駛對(duì)于T型街谷交叉路口處空氣流動(dòng)以及污染物擴(kuò)散的影響,本文建立了該系統(tǒng)中車輛移動(dòng)下空氣流動(dòng)與污染物傳播耦合數(shù)學(xué)模型,采用計(jì)算流體力學(xué)方法,揭示T型街谷交叉路口處車輛誘導(dǎo)下的機(jī)械湍流特性,并且基于場(chǎng)協(xié)同理論量化了車速對(duì)污染物擴(kuò)散的影響.結(jié)果表明,在不同速度的轉(zhuǎn)彎過程中,轉(zhuǎn)彎速度增加使得車輛誘導(dǎo)的湍動(dòng)能也隨之增加.車速為9m/s時(shí)車輛中軸線湍動(dòng)能最大值是車速為3m/s時(shí)的5倍.但是完成轉(zhuǎn)彎行駛瞬時(shí)車輛尾部湍動(dòng)能的影響長度不變(約為4m).車速由3m/s增加至9m/s時(shí),場(chǎng)協(xié)同數(shù)增加了66%,行人區(qū)內(nèi)污染物平均濃度降低了43%.車輛轉(zhuǎn)彎行駛速度增加,改變了T型街谷交叉路口處流場(chǎng)結(jié)構(gòu),速度場(chǎng)與污染物濃度場(chǎng)之間的協(xié)同作用增強(qiáng),提高了行人區(qū)內(nèi)污染物對(duì)流擴(kuò)散效果,使得污染物濃度降低.

T型街谷交叉路口；車輛轉(zhuǎn)彎；數(shù)值模擬；污染物；場(chǎng)協(xié)同理論

街谷交叉路口是連接相鄰城市街谷的樞紐,也是城市交通的組成部分.在高峰期,受車流量、人群密集以及交通燈通行限制等因素影響,街谷交叉路口容易發(fā)生堵塞,車輛排放出的尾氣不易擴(kuò)散造成街谷微環(huán)境空氣質(zhì)量降低.因此,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)街谷交叉口展開了大量研究.

城市街谷內(nèi)的空氣流動(dòng)和污染物的傳播規(guī)律受多種因素共同影響,包括氣象條件[1]、建筑幾何結(jié)構(gòu)[2-4]、車輛類型[5]、車流量[6]、污染源類型[7]、孤立的高污染源[8]等.建筑頂部環(huán)境風(fēng)對(duì)于城市街谷交叉路口空氣流動(dòng)和污染物稀釋影響主要體現(xiàn)在風(fēng)速和風(fēng)向兩個(gè)方面.風(fēng)向微小的變化也會(huì)使得街谷交叉路口處污染物分布產(chǎn)生明顯差異[9].不同風(fēng)向會(huì)改變街谷內(nèi)氣流方向及通量,從而改變了T型街谷交叉路口處空氣流動(dòng)及污染物擴(kuò)散[10].并且,街谷匯入交叉路口的氣流會(huì)增加空氣流動(dòng)的復(fù)雜性和湍流強(qiáng)度,使得街谷交叉路口處存在大量旋渦,從而影響污染物的擴(kuò)散[11].街谷交叉路口處空氣流動(dòng)也受周邊建筑結(jié)構(gòu)影響,建筑偏移量導(dǎo)致污染物傳播特性發(fā)生變化[12].街谷交叉路口的類型對(duì)于空氣流動(dòng)特性以及污染物傳播規(guī)律起著決定性的作用[13].十字路口處建筑屋頂高度變化對(duì)于街谷內(nèi)交通污染物擴(kuò)散途徑起著重要作用[14].環(huán)行路口處高度密車流量顯著影響二氧化碳濃度,機(jī)動(dòng)車駐留時(shí)間越長,二氧化碳濃度越高[15].機(jī)動(dòng)車減速、加速、怠速以及轉(zhuǎn)彎行駛過程,也是導(dǎo)致街谷交叉路口處污染物濃度分布不均勻的原因之一[16].車輛移動(dòng)不僅加強(qiáng)微觀和宏觀兩個(gè)尺度上污染物的混合作用,并且移動(dòng)過程中對(duì)空氣的拖曳作用,還有利于強(qiáng)化車輛行駛方向上的空氣對(duì)流[17].

現(xiàn)有對(duì)街谷交叉路口的研究中,通常考慮將車輛排放的尾氣視為恒定的體污染源,而忽略了車輛移動(dòng)誘導(dǎo)的湍流對(duì)于污染物擴(kuò)散的影響.如果在模擬中不考慮車輛行駛過程產(chǎn)生的機(jī)械湍流對(duì)于街谷交叉路口處污染物擴(kuò)散的影響,會(huì)使近地面區(qū)域計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差.以往的研究主要考慮機(jī)動(dòng)車直線行駛,而機(jī)動(dòng)車轉(zhuǎn)彎行駛對(duì)于污染物傳播規(guī)律及其機(jī)理的研究尚缺乏相關(guān)報(bào)道.并且,國內(nèi)外對(duì)于T型街谷交叉路口處污染物傳播規(guī)律的研究不足.

基于此,本文以T型街道交叉路口內(nèi)的單車為研究對(duì)象,模擬機(jī)動(dòng)車在街谷交叉路口處以不同車速轉(zhuǎn)彎行駛,分析轉(zhuǎn)彎行駛過程中車輛周圍湍動(dòng)能(TKE)和污染物分布以及車速對(duì)于街谷內(nèi)交叉路口處污染物擴(kuò)散的影響,以期為街谷內(nèi)T型街谷交叉路口處規(guī)劃布局和空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)提供參考.

1 物理數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

為分析單一車輛在街谷交叉路口轉(zhuǎn)彎行駛過程中產(chǎn)生的湍動(dòng)能及污染物分布特性,本文建立了一個(gè)高寬比為1的三維街谷交叉路口模型.街谷交叉路口主路長度為50m,輔路長度為50m,街道寬度為10m,建筑高度為10m,左側(cè)速度入口邊界距離上風(fēng)建筑10m,計(jì)算域頂部離地面20m[18].

本文假定車輛位于街道正中央,以特定的速度行駛.同時(shí),為了簡化分析避免其他因素的影響,將車輛轉(zhuǎn)彎過程視為勻速運(yùn)動(dòng),在每輛車的尾部對(duì)稱地布置兩根排氣管,不考慮車輛釋放的尾氣濃度隨車速的變化.由于車輪對(duì)于流場(chǎng)的影響較小,本文忽略車輪的影響,車輛主體距地面高度為0.4m.

街谷交叉路口往往容易形成污染物聚集,對(duì)路上通行和等紅綠燈的行人呼吸以及身體健康產(chǎn)生影響.因此,本文將交叉路口處高度在2m以內(nèi),行人的主要呼吸區(qū)域及活動(dòng)區(qū)域定義為行人區(qū)[19],研究車輛移動(dòng)對(duì)行人區(qū)內(nèi)污染物擴(kuò)散的影響.表1給出了本文所研究的目標(biāo)位置直線(L1～L8)的具體坐標(biāo).

表1 目標(biāo)曲線坐標(biāo)

1.2 數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:

式中: ν為湍流黏性系數(shù);=0.5(/)(G/ν);C、C、C、、η為湍流常數(shù),分別為0.09, 1.42, 1.92, 0.0012, 4.38;σ,σ分別為與湍動(dòng)能和耗散率相對(duì)應(yīng)Prandlt數(shù)相關(guān)的常數(shù),分別取1.0, 1.3.

污染物相關(guān)的組分輸運(yùn)方程為:

式中:C、D分別為組分C體積濃度與擴(kuò)散系數(shù).

1.3 邊界條件

計(jì)算域的入口采用梯度風(fēng)速度入口,來流風(fēng)與街谷交叉路口垂直;計(jì)算域上表面及側(cè)面設(shè)為對(duì)稱邊界條件;計(jì)算域的出口設(shè)置為自由出流邊界條件;建筑表面及車輛采用無滑移墻邊界.

計(jì)算域入口來流風(fēng)速、湍動(dòng)能以及湍流耗散率的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示:

式中:ref為參考高度ref上的風(fēng)速,ref= 10m;為距離地面的高度,m;U=0.54m/s代表摩擦速度;為馮卡門常數(shù);C=0.99代表經(jīng)驗(yàn)常數(shù).

1.4 網(wǎng)格劃分

非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成速度快可以更好適應(yīng)運(yùn)動(dòng)邊界的變化而導(dǎo)致網(wǎng)格隨時(shí)間的變化,因此在車輛移動(dòng)的區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格.結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有網(wǎng)格質(zhì)量高并且求解的結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)[21],因此在計(jì)算域的其他部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格.計(jì)算域網(wǎng)格及車輛截面處的網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2 計(jì)算域及車輛截面處網(wǎng)格

1.5 污染源

城市道路中車輛釋放的尾氣主要有CO、NO等,CO在機(jī)動(dòng)車尾氣中占比較大且不易與空氣中其他成分反應(yīng),在街谷污染物擴(kuò)散的研究中常被作為示蹤氣體[22].因此,本文將車輛釋放的尾氣污染物CO作為污染物標(biāo)記物研究車輛在街谷交叉路口轉(zhuǎn)彎過程中的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散特性.車輛排氣管的CO濃度設(shè)為10-5[23],污染物排放速度為5.5m/s,污染物排放溫度設(shè)置為350K[24].

1.6 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

動(dòng)網(wǎng)格模型可以用來模擬流場(chǎng)形狀由于邊界運(yùn)動(dòng)而隨時(shí)間改變的問題.邊界的運(yùn)動(dòng)形式可以是預(yù)先定義的運(yùn)動(dòng),即可以在計(jì)算前指定其速度或角速度.本文通過指定用戶自定義函數(shù)(UDF)定義車輛在T型街谷交叉路口處轉(zhuǎn)彎行駛的運(yùn)動(dòng)路線.

1.7 場(chǎng)協(xié)同理論

街谷交叉路口處污染物的擴(kuò)散實(shí)質(zhì)是環(huán)境風(fēng)作用下的對(duì)流傳質(zhì)過程.Han[25]將對(duì)流傳質(zhì)過程的場(chǎng)協(xié)同理論應(yīng)用到街谷內(nèi)污染物擴(kuò)散中.本文基于場(chǎng)協(xié)同理論探討不同車速對(duì)于街谷交叉路口處行人區(qū)內(nèi)污染物對(duì)流擴(kuò)散的影響.

2 模型驗(yàn)證

驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性最有效的方法就是將數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)或者已經(jīng)驗(yàn)證的CFD模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.

為了評(píng)估CFD模型計(jì)算車輛移動(dòng)誘導(dǎo)湍流作用下的流場(chǎng)準(zhǔn)確性,本文選用Kastner-Klein[27]等人的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn).其使用激光多普勒測(cè)速儀和熱線風(fēng)速儀測(cè)量5個(gè)給定截面的平均速度分量和湍流數(shù)據(jù).用安裝在傳送帶上的矩形板模擬城市街道上的車輛行駛.本文前期研究[24]建立了與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相同的數(shù)值模型,模擬車速為5m/s、環(huán)境風(fēng)速為7m/s、車距為0.2m工況,模擬結(jié)果如圖3(a)所示.為了驗(yàn)證CFD模型用于尾氣射流模擬的可靠性,本文前期研究與Ning等[23]的汽車尾氣測(cè)量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比.實(shí)驗(yàn)選擇氣象條件較為穩(wěn)定的傍晚并測(cè)量了多種尾氣污染物.測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,汽車尾氣管直徑為0.03m,尾氣管離地面高度為0.3m,排氣速度為4.8m/s,排氣管出口的尾氣溫度為380K.再選擇與測(cè)量實(shí)驗(yàn)相同的工況進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果如圖3(b)所示.

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CFD模擬結(jié)果相對(duì)比可見,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合較好,說明數(shù)學(xué)模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)車輛移動(dòng)誘導(dǎo)湍流下的流場(chǎng)以及車輛移動(dòng)過程中尾氣的射流運(yùn)動(dòng).

為確保模擬計(jì)算的精度,需要對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證.本文選擇了3種不同的網(wǎng)格數(shù)1677035、2121000和2655999,使用同一計(jì)算機(jī)在相同工況下進(jìn)行計(jì)算.三種計(jì)算網(wǎng)格下目標(biāo)位置上(=0.5m,10m￡￡25m,=1.5m)的湍動(dòng)能和CO濃度如圖4所示.由圖中可見,湍動(dòng)能和CO濃度的最大誤差均小于15%.網(wǎng)格數(shù)2121000和2655999的計(jì)算結(jié)果基本吻合.進(jìn)一步增加網(wǎng)格數(shù)量不會(huì)引起湍動(dòng)能和CO濃度明顯變化,計(jì)算結(jié)果具有網(wǎng)格無關(guān)性,因此,后續(xù)計(jì)算采用2121000的網(wǎng)格系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算.

3 結(jié)果與分析

街谷中,影響機(jī)動(dòng)車尾氣污染物擴(kuò)散的湍流主要有如下3個(gè)機(jī)制:(1)風(fēng)誘導(dǎo)的湍流(WIT);(2) 熱效應(yīng)產(chǎn)生的湍流(TIT);(3) 車輛移動(dòng)誘導(dǎo)的湍流(VIT).本節(jié)主要研究車輛在轉(zhuǎn)彎行駛過程中的湍動(dòng)能差異以及街谷交叉路口處CO分布.當(dāng)環(huán)境風(fēng)速太大時(shí),WIT的加強(qiáng)會(huì)削弱VIT對(duì)流場(chǎng)的影響,不利于結(jié)果分析.由圖5可見,環(huán)境風(fēng)速在1m/s時(shí)對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣管高度(z=0.44m)流場(chǎng)的影響與環(huán)境風(fēng)速為2m/s相當(dāng),說明街谷交叉路口底部湍動(dòng)能受環(huán)境風(fēng)影響變化較小.當(dāng)環(huán)境風(fēng)速度為3m/s時(shí),街谷交叉路口底部風(fēng)壓誘導(dǎo)的湍動(dòng)能顯著增強(qiáng),約為環(huán)境風(fēng)速度為1m/s時(shí)的2倍.本節(jié)在研究車輛轉(zhuǎn)彎過程中的湍流特性時(shí),選擇參考風(fēng)速為2m/s主要考慮兩點(diǎn):(1)這是當(dāng)?shù)乇容^常見的環(huán)境風(fēng)速;(2)在弱風(fēng)環(huán)境中,可觀察和分析到機(jī)動(dòng)車轉(zhuǎn)彎移動(dòng)所造成的湍動(dòng)能和污染物傳播規(guī)律.

圖5 不同風(fēng)速下近地面區(qū)域TKE分布

3.1 車輛運(yùn)動(dòng)過程特性及污染物擴(kuò)散規(guī)律

如圖6(a)所示為機(jī)動(dòng)車在轉(zhuǎn)彎過程中的湍動(dòng)能分布云圖.車輛靜止時(shí)(=0s),風(fēng)誘導(dǎo)的湍動(dòng)能使得車輛尾部的湍動(dòng)能略微大于車輛前方的湍動(dòng)能.當(dāng)車輛在轉(zhuǎn)彎行駛過程中(0s<￡4s),車輛左側(cè)的湍動(dòng)能基本不變,而車輛右側(cè)的湍動(dòng)能大于迎風(fēng)側(cè)的湍動(dòng)能,并且隨著時(shí)間的增加湍動(dòng)能逐漸增加,最大的湍動(dòng)能位于車輛正前方.車輛在轉(zhuǎn)彎行駛過程中,空氣發(fā)生繞流,空氣流動(dòng)速度和流動(dòng)方向急劇變化加強(qiáng)了車輛背風(fēng)側(cè)的局部湍流,使得車輛背風(fēng)側(cè)的湍動(dòng)能大于車輛迎風(fēng)側(cè)的湍動(dòng)能.同時(shí),車輛轉(zhuǎn)彎行駛過程中增加了街谷交叉路口周圍的空氣擾動(dòng).=4s時(shí)刻,街谷交叉路口底部(=0.44m平面)湍動(dòng)能是車輛靜止時(shí)(=0s)的1.9倍.

圖6(b)為車輛在街谷交叉路口轉(zhuǎn)彎過程中CO隨時(shí)間的變化云圖.在車輛靜止時(shí)(=0s),受街谷底部環(huán)境風(fēng)影響,車輛在怠速時(shí)排出的尾氣被吹至背風(fēng)側(cè)建筑,在y軸方向約為3m,尾氣射流距離相對(duì)較短.在車輛轉(zhuǎn)彎過程中(0s

圖6 轉(zhuǎn)彎過程車輛尾氣管高度(Z=0.44m)湍動(dòng)能和污染物分布(V=3m/s)

3.2 不同車速對(duì)于車輛誘導(dǎo)湍動(dòng)能的影響

選取10.8km/h(3m/s)、18km/h(5m/s)、25.2km/h (7m/s)、32.4km/h(9m/s)4種不同車速分析車輛轉(zhuǎn)彎車速對(duì)于街谷交叉路口底部流場(chǎng)湍流特性的影響.如圖7所示,隨著車速的增加,車輛周圍的湍動(dòng)能也隨之增加,并且車輛周圍最大的湍動(dòng)能位于車輛正前方.湍動(dòng)能在車輛尾部的影響距離大約為4m.但是,車輛行駛速度的增加只改變了車輛周圍的湍動(dòng)能大小,并不改變車輛尾部的湍動(dòng)能影響距離.根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)相對(duì)原理,車輛行駛時(shí)對(duì)周圍空氣流動(dòng)的影響,等同于空氣以相同速度、相反方向流向靜止的車輛.車輛與周圍空氣相對(duì)速度的增加使得湍流強(qiáng)度隨之增強(qiáng).但是,轉(zhuǎn)彎過程中車輛移動(dòng)的距離保持恒定,因此車輛誘導(dǎo)的湍動(dòng)能對(duì)于車輛尾部流場(chǎng)的影響距離基本不變.

圖7 不同車速下車輛中軸線(Y=20m)湍動(dòng)能分布

為了更加全面分析車輛轉(zhuǎn)彎移動(dòng)誘導(dǎo)的湍動(dòng)能影響范圍,選取表1所示的8個(gè)不同位置處湍動(dòng)能的變化曲線進(jìn)行分析.

由圖8(b)可以看出,車輛誘導(dǎo)的機(jī)械湍流(VIT)在街谷交叉路口處方向上影響范圍有限.當(dāng)0m<<6m時(shí),車輛移動(dòng)的速度并不改變湍動(dòng)能的大小,此范圍內(nèi)湍流主要是由于環(huán)境風(fēng)誘導(dǎo)形成(WIT).車輛移動(dòng)速度對(duì)建筑背風(fēng)側(cè)(=0.5m)人體呼吸高度處(=1.5m)湍動(dòng)能的影響可以忽略不計(jì),如圖8(a)所示.當(dāng)6m<<10m時(shí),隨著車輛移動(dòng)速度的增加,車輛誘導(dǎo)的湍動(dòng)能也隨之增加,車輛移動(dòng)增強(qiáng)了道路上空氣的擾動(dòng)作用,車輛移動(dòng)速度越大,空氣受到的擾動(dòng)作用也越強(qiáng).該范圍內(nèi)流場(chǎng)受環(huán)境風(fēng)誘導(dǎo)的湍流(WIT)與車輛移動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械湍流(VIT)共同作用. VIT在行人區(qū)內(nèi)L2線上的影響范圍約為4m.

車輛完成轉(zhuǎn)彎行駛瞬時(shí),行人區(qū)內(nèi)L3、L4線上湍動(dòng)能的變化如圖所示.從圖8(c)中可以看出, L3線上湍動(dòng)能不隨車輛移動(dòng)速度的變化而變化,說明車輛轉(zhuǎn)彎行駛對(duì)L3線上湍動(dòng)能的影響很小.L3線上湍動(dòng)能主要受WIT的影響.同時(shí),從L4線上湍動(dòng)能的變化(圖8(d))可以看出,車輛在街谷交叉路口處轉(zhuǎn)彎時(shí),交叉路口L4線上湍動(dòng)能在15m<<19m范圍內(nèi)先增加后減小,并且隨著車速的增加而增加,=17m處湍動(dòng)能達(dá)到最大值.因此該范圍內(nèi),湍動(dòng)能是WIT與VIT耦合作用的結(jié)果,與上文L2線相似.而當(dāng)>19m時(shí),L4線上湍動(dòng)能大小幾乎不變.此范圍內(nèi)湍動(dòng)能主要受WIT的影響.這也說明車輛移動(dòng)對(duì)街谷交叉路口處空氣的擾動(dòng)影響范圍有限.VIT在行人區(qū)內(nèi)L4線上的影響范圍約為4m.

為探討車輛轉(zhuǎn)彎對(duì)行駛道路上流場(chǎng)的影響,選取車輛完成轉(zhuǎn)彎行駛瞬時(shí),主路上L5線和輔路上L6線的湍動(dòng)能變化曲線.從圖8(e)中可以看出,L5線上湍動(dòng)能先增加后減小,道路中部湍動(dòng)能達(dá)到最大值.車輛移動(dòng)速度增加使得道路中部湍動(dòng)能也隨之增加.但是,車輛移動(dòng)的速度并不改變道路兩側(cè)建筑(x=0m,x=10m)的湍動(dòng)能大小, VIT在L5線上的影響范圍約為5m.從圖8(f)中可以看出,當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎行駛進(jìn)入輔路時(shí),湍動(dòng)能先增加后減小,在y=21m處湍動(dòng)能達(dá)到最大值,隨車速的增加而增大.而位于道路兩側(cè)建筑(y=15m,y=25m)的湍動(dòng)能基本不變.VIT在L6線上的影響范圍大約為5m.L5線上2m￡x￡7m和L6線上17m￡y￡22m范圍內(nèi),湍動(dòng)能大小受WIT和VIT共同制約.

圖8 不同車速L7～L8線上湍動(dòng)能分布

圖8(g)、圖8(h)分別是車輛完成轉(zhuǎn)彎移動(dòng),L7和L8線上湍動(dòng)能沿高度變化曲線.隨著高度的增加,L7、L8線上湍動(dòng)能先增加后減小,湍動(dòng)能的最大值位于=2m.并且,在0m<<4m范圍內(nèi),受VIT和WIT共同影響,目標(biāo)位置湍動(dòng)能隨著車輛移動(dòng)速度的增加而增加.因此,車輛移動(dòng)不僅加強(qiáng)了街谷交叉路口處水平方向上空氣擾動(dòng),并且對(duì)垂直方向上的空氣也產(chǎn)生了擾動(dòng)作用.這個(gè)擾動(dòng)作用在目標(biāo)位置L7、L8線上的影響范圍約為4m.而當(dāng)>4m時(shí),目標(biāo)位置流場(chǎng)受WIT主導(dǎo),湍動(dòng)能基本不變.

3.3 交叉路口污染物擴(kuò)散的場(chǎng)協(xié)同分析

圖9 場(chǎng)協(xié)同數(shù)和行人區(qū)內(nèi)CO平均濃度

這說明在街谷交叉路口處車速增加,增強(qiáng)了速度場(chǎng)與濃度場(chǎng)之間的協(xié)同作用,有利于街谷交叉路口處行人區(qū)內(nèi)污染物的稀釋.車速為5m/s時(shí)對(duì)流傳質(zhì)場(chǎng)協(xié)同數(shù)相比于車速為3m/s時(shí)增加了46%,而車速為7m/s時(shí)相比于車速為5m/s時(shí)以及車速為9m/s相比于車速為7m/s時(shí)對(duì)流傳質(zhì)場(chǎng)協(xié)同數(shù)均增加約5%.車輛在低速行駛時(shí),車速的增加更有利于增強(qiáng)街谷交叉路口處污染物對(duì)流擴(kuò)散過程.

圖10表明車速增加使得行人區(qū)內(nèi)平均湍動(dòng)能增加.車速增加使得流場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,行人區(qū)內(nèi)平均湍動(dòng)能增加,湍流增強(qiáng)了速度場(chǎng)與濃度場(chǎng)之間協(xié)同作用,因此行人區(qū)內(nèi)污染物可以更好地被稀釋.街谷交叉路口處機(jī)動(dòng)車行駛速度不僅決定了其誘導(dǎo)湍動(dòng)能大小,而且也改變了近地面速度場(chǎng)的分布,從而影響了速度場(chǎng)與污染物濃度場(chǎng)之間的協(xié)同作用.

圖10 不同車速下行人區(qū)平均湍動(dòng)能

應(yīng)用場(chǎng)協(xié)同理論進(jìn)一步說明了機(jī)動(dòng)車在街谷交叉路口處轉(zhuǎn)彎時(shí),不同行駛速度對(duì)于速度場(chǎng)與污染物濃度場(chǎng)之間的協(xié)同作用影響,車速越大協(xié)同作用越強(qiáng),行人區(qū)內(nèi)污染物濃度越低,有利于減小行人機(jī)動(dòng)車尾氣污染物暴露程度.

3 展望

本文利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬車輛轉(zhuǎn)彎行駛對(duì)于T型街谷交叉路口處流場(chǎng)和污染物分布的影響.然而,車輛在行駛過程中速度以及尾氣濃度并非恒定.城市熱島環(huán)流影響城市大氣環(huán)境熱量交換以及污染物擴(kuò)散[28].城市水體可以儲(chǔ)存、釋放熱量影響街谷內(nèi)空氣溫度[29].構(gòu)建車輛移動(dòng)速度與尾氣濃度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,更加真實(shí)模擬車輛移動(dòng)對(duì)于街谷交叉路口處流場(chǎng)和污染物分布的影響.基于FFD方法結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)解決數(shù)值模擬過程中計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間消耗提升模擬整體速率[30].這些問題我們將會(huì)在未來工作作進(jìn)一步探討.

4 結(jié)論

4.1 車輛在街谷交叉路口轉(zhuǎn)彎行駛過程中,車輛背風(fēng)側(cè)湍流強(qiáng)度增加,使得背風(fēng)側(cè)湍動(dòng)能大于車輛迎風(fēng)側(cè)湍動(dòng)能.車輛移動(dòng)增強(qiáng)了行駛路線上空氣擾動(dòng),使得街谷交叉路口底部湍動(dòng)能增加,尾氣污染物分布也更加均勻.

4.2 車速為9m/s時(shí)車輛中軸線湍動(dòng)能最大值是車速為3m/s時(shí)的5倍左右.隨著車輛移動(dòng)速度增加,車輛誘導(dǎo)的湍動(dòng)能也隨之增加,而車輛尾部湍動(dòng)能的影響距離基本不變.不同車速下,車輛轉(zhuǎn)彎行駛誘導(dǎo)的湍動(dòng)能在L3線和L4線上的影響距離約為4m, L5線和L6線上的影響距離大約為5m, L7線和L8線上沿高度方向的影響距離約為4m.

4.3 車輛轉(zhuǎn)彎速度由3m/s增加至9m/s時(shí),場(chǎng)協(xié)同數(shù)增加了66%,行人區(qū)內(nèi)污染物平均濃度降低了43%.車速增加使得流場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,速度場(chǎng)與污染物濃度場(chǎng)之間的協(xié)同作用增強(qiáng),減小了行人機(jī)動(dòng)車尾氣污染物暴露程度.

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Numerical simulation of pollutant dispersion induced by vehicle moving in a T-shaped intersection.

SU Chang-rong, MING Ting-zhen*, WU Yong-jia, SHI Tian-hao, HE Fang-yan

(School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)., 2022,42(4)：1534～1544

In order to explore the influence of the moving vehicle on the air flow and pollutant dispersion at the T-shaped street intersection, a mathematical model coupling the fluid and pollutant concentration fields with the moving vehicle is established. The characteristics of the traffic-induced turbulence and pollutant diffusion in the T-shaped street intersection are revealed using the method of computational fluid dynamics. Based on filed synergy theory, the impact of the vehicle moving speed on pollutant dispersion is quantitatively evaluated. The results show that the turbulent kinetic energy induced by the moving vehicle increases with the increase of the vehicle speed. When the vehicle speed is 9m/s, the maximum turbulent kinetic energy on the central axis of the vehicle is 5times higher than that when the vehicle speed is 3m/s. However, the affected region of the turbulent kinetic energy in the rear of the vehicle is about 4m for all the cases.When the vehicle speed increases from 3m/s to 9m/s, the field synergy increases by 66%, and the average concentration of pollutants in the pedestrian area decreases by 43% With the increase of vehicle moving speed, the flow field at T-shaped street intersection is changed, and the synergistic effect between the velocity field and the pollutant concentration field is enhanced, which in turn reduces the pollutant concentration by improving the convective mass transfer effect in the pedestrian region.

T-shaped intersection；vehicle turning；numerical simulation；pollutant dispersion；field synergy theory

X511

A

1000-6923(2022)04-1534-11

蘇昌榕(1996-),男,福建三明人,武漢理工大學(xué)碩士研究生,主要從事建筑外環(huán)境污染物傳播機(jī)理研究.發(fā)表論文1篇.

2021-09-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51778511)

*責(zé)任作者, 教授, tzming@whut.edu.cn