賀廣興 ,王 潤 ,曾國梁

(1.湖南人文科技學院 能源與機電工程學院,湖南 婁底 417700;(2.中南大學 環(huán)境學院,湖南 長沙 410083)

隨著我國城市的發(fā)展,城市內(nèi)部的空氣污染變得越來越嚴重。城市交通廢氣的排放對人體健康造成諸多負面影響,尤其在街道兩邊聳立的高樓形成的街道峽谷中,污染物更加難以擴散。風洞實驗和CFD 模擬是研究街道峽谷污染物擴散的兩種主要手段[1-5]。

大氣狀況和城市的整體布局是影響城市通風及污染物擴散的宏觀要素。而對于城市內(nèi)部的街道峽谷而言,街道長徑比例[6]、風速及風向[7]、溫差浮力[8]、峽谷結(jié)構(gòu)[9]、屋頂結(jié)構(gòu)[10]、建筑高度變化[11]、街道內(nèi)部植被[12]、高架橋[13]、廣告牌[14]等是影響峽谷內(nèi)部空氣流場和污染物擴散的主要因素。

現(xiàn)有文獻資料中,還沒有查閱到擋板的設(shè)置對街道峽谷內(nèi)部污染物擴散的影響,因此筆者首次研究不同位置的設(shè)置擋板對街道峽谷內(nèi)部氣流組織及污染物擴散的影響程度。

1 模型建立

1.1 控制方程

本研究采用現(xiàn)有資料中普遍采用的標準k-ε模型[7],控制方程如下:

式中:ui——流體速度在i方向上的分量;uj——流體速度在j方向上的分量;xi、xj分別為i、j方向上的坐標;ρ——流體密度;p——流體壓強;gi——重力加速度;v——流體運動粘性系數(shù);μ——流體動力粘度;μt——流體湍流黏性系數(shù);k——湍動能;ε——湍動耗散率;t——時間;Gk——湍動能產(chǎn)生源項;Di組分分子擴散率;Ci氣體組分濃度;Sct——湍流施密特數(shù);σk、σε——湍流Prandtl 常數(shù);Cε1、Cε2——模型常數(shù);δij——Kronecker 符號。

1.2 計算區(qū)域、網(wǎng)格劃分及邊界條件

1.2.1 模型計算區(qū)域

圖1(a)、圖1(b)分別表示參考模型(不設(shè)置擋板)和對照模型(設(shè)置擋板)的計算區(qū)域示意圖,內(nèi)部空氣視為不可壓縮氣體,由于太陽輻射引起的浮力影響不予考慮。街道峽谷模型的街道寬度(B)和建筑高度(H)分別設(shè)為為0.06 m;寬為0.01 m 和高為 0.001 2 m 的線污染源布置在街道中心位置。CO 和空氣的排放濃度分別設(shè)置為Qco=1×10-7m3/s、Qair=3×10-5m3/s。0.001 m 寬和0.01 m 高的擋板分別設(shè)置在離屋頂不同距離的位置,如圖1(b)所示,ΔL分別設(shè)置為0.005 m、0.007 5 m、0.01 m、0.012 5 m、0.015 m、0.02 m、0.03 m,分別定義為case2、case3、case4、case5、case6、case7、case8。

圖1 模型計算區(qū)域及網(wǎng)格化

1.2.2 網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分如下:擋板邊界統(tǒng)一劃分為0.001 m;氣流區(qū)域下部邊界劃分邊界層,第一層邊界為0.000 5 m,擴展比例為1.15,邊界層網(wǎng)格為10 層;街道峽谷內(nèi)部網(wǎng)格統(tǒng)一劃分0.001 m。無擋板和有擋板情況下,整個計算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)分別為31 680 和316 70。

1.2.3 邊界條件

參考其他學者的相關(guān)研究文獻[15],此次模擬的入口邊界條件如下:

式中:Z——距離地面高度;u(z)、k(z)、ε(z)——分別為在Z高度位置的水平風速,湍動能和耗散系數(shù);zref——整個計算區(qū)域高度;uref——參考風速;u*(0.325 m/s)為摩擦速度;K(=0.4)為馮.卡門常數(shù);Cμ=0.09;出口邊界條件設(shè)置為0 壓力梯度;上邊界為對稱邊界條件,其他邊界為無滑移邊界。

2 模型驗證

CFD 模擬結(jié)果的可靠性利用Meroney 的風洞實驗進行驗證[16]。在此風洞實驗中,街道峽谷模型中的建筑高度和街道寬度分別為0.06 m;0.01 m 寬和0.001 2 m 高的發(fā)射污染物(乙烷)和空氣混合氣體的線源布置在街道中心位置,風向垂直于街道,氣體污染物濃度測量點布置在街道旁建筑的兩側(cè)及屋頂,模型示意圖如圖2 所示:

圖2 風洞實驗模型

風速入口邊界條件參照原實驗,計算式如下:

式中:d0=2 mm;u(z)——z高度處的風速;u(δ)——高度0.5 m 處的平均風速;(δ=0.5 m);指數(shù)α=0.28。

污染物濃度歸一化處理[26]:

式中:C——乙烷體積濃度;Uref——參考風速,m/s;H——建筑高度,m;L——線源長度,m;Qe——污染物散發(fā)源強,m3/s。

模擬結(jié)果和實驗結(jié)果對比結(jié)果如圖3 所示,可以看出整體吻合情況良好,迎風面的吻合程度很好,實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)基本重疊。背風面趨勢吻合程度較好,中間有一個模擬數(shù)據(jù)高于實驗數(shù)據(jù),下部一個模擬數(shù)據(jù)略低于實驗數(shù)據(jù)。

圖3 模擬值與實驗測量值對比

3 結(jié)果及討論

3.1 峽谷內(nèi)部流場分布

圖4 展示了擋板放在不同位置街道峽谷內(nèi)部流場的變化情況。圖4(a)為沒有擋板的情況,由于風速切應力的影響在峽谷內(nèi)部形成了一個主要的、大的順時針渦旋,空氣在峽谷內(nèi)部流動,此種情況不利于污染物的擴散;整個峽谷內(nèi)部的速度處于低速狀態(tài);圖4(b)為擋板放置在離風速來流方向的屋頂0.005 m 處時街道峽谷內(nèi)部的風速流場。由于擋板的影響,峽谷內(nèi)部的空氣流場發(fā)生了很大的變化,內(nèi)部形成主要的逆時針渦旋,渦旋外部空氣從左邊入口進入,在右側(cè)區(qū)域離開了峽谷,較高的風速出現(xiàn)在入口處?？芍?此種流場較圖4(a)的流場而言,有利于無污染的擴散,峽谷內(nèi)部污染物可隨流場擴散到峽谷外部,有利于降低內(nèi)部污染物濃度。圖4(c)為擋板放置在離風速來流方向的屋頂0.075 m 處時街道峽谷內(nèi)部的風速流場。由圖可知,風速較大區(qū)域出現(xiàn)在入口處,由上述分析可知,此種情況比較有利于污染物的擴散。圖4(d)為擋板放置在離風速來流方向的屋頂0.075 m 處時街道峽谷內(nèi)部的風速流場?？梢钥闯?峽谷內(nèi)部流場和風速分布發(fā)生了較大的變化,在峽谷底部形成了一個順時針渦旋。峽谷上部空氣從入口進入,然后從右側(cè)離開了峽谷,較大風速帶出現(xiàn)在峽谷上部分區(qū)域。分析可知,由于下部形成了渦旋,污染物在峽谷的底部區(qū)域不易擴散,而上部分由于空氣離開了峽谷,有利于污染物的擴散。圖4(e)～圖4(h)分別為擋板處于0.012 5 m、0.015 m、0.02 m、0.03 m 位置時街道峽谷內(nèi)部的風速流場。由圖可知,后面幾種情況下峽谷內(nèi)部的流場分布與圖4(d)流場基本類似,區(qū)別在于隨著擋板放置位置距離的增大,峽谷下部分渦旋所占的區(qū)域面積越大,渦旋所在區(qū)域不利于污染物的擴散。

圖4 街道峽谷內(nèi)部流場及速度分布

3.2 峽谷內(nèi)部無因此CO 濃度分布

不同擋板設(shè)置條件下街道峽谷內(nèi)部無因次化CO 濃度分布情況如圖5 所示。由圖5 可知,在無擋板下,峽谷內(nèi)部CO 集中在峽谷的左邊,右邊的濃度相對比較低。此種現(xiàn)象是峽谷內(nèi)部的主要順時針渦旋,導致污染物隨空氣流在峽谷右側(cè)聚集。圖5(b)為擋板設(shè)置在離屋頂0.005 m 處,此種條件下,CO 主要集中在峽谷右側(cè)區(qū)域,這是擋板的存在,峽谷內(nèi)部形成逆時針渦旋,導致污染物隨空氣流向峽谷右側(cè)聚集,但是渦旋外部氣流在右側(cè)流出了峽谷,因此可以帶走部分CO,所以此條件下整體濃度相比圖5(a)有所下降。圖5(c)擋板設(shè)置在0.007 5 m 處,由圖可知,此種情況峽谷內(nèi)部CO 由于逆時針的氣流作用在峽谷右側(cè)聚集,但是整體濃度又有了進一步的降低。圖5(d)為擋板設(shè)置在0.01 m 處,高CO 濃度發(fā)生在峽谷的下部,峽谷上部分CO 濃度較低。這是下部分形成了渦旋,導致污染物難以擴散出峽谷,氣流穿過了上部分峽谷,造成上部分CO 隨氣流被帶離了峽谷。圖5(e)～ 圖5(h)分別為擋板設(shè)置在0.012 5 m、0.015 m、0.02 m、0.03 m 位置,無因次CO 濃度整體分布情況與圖5(d)類似,峽谷下部分濃度高,上部分較低,隨著擋板設(shè)置的距離增大,峽谷下部分高濃度區(qū)域所占面積越來越大,這是擋板設(shè)置距離的增大,造成峽谷下部分的主渦旋增大,從而導致高污染物濃度區(qū)域面積增大。

圖5 無因次CO 濃度分布

3.3 峽谷內(nèi)部平均無因次CO 濃度

擋板布置在不同位置時街道峽谷內(nèi)部CO 的平均無因次濃度分布如圖6 所示。由圖6 可知,整體分布呈現(xiàn)V 形,在無擋板時,平均無因次CO濃度為31.49,隨著擋板的設(shè)置,濃度下降顯著。擋板位置在0.005 m 處時,平均無因次CO 濃度為21.38,較開始下降了32.1%;擋板位置在0.075 m處時,平均無因次CO 濃度為16.41,較開始下降了47.9%;后面隨著擋板距離的增加,平均無因次CO 濃度反而上升。由此可知,擋板處于0.007 5 m處對峽谷內(nèi)部的污染物擴散最為有利。

圖6 街道峽谷內(nèi)部平均無因次CO 濃度值

4 結(jié)論

通過模擬不同擋板設(shè)置對街道峽谷內(nèi)部流場及污染物濃度擴散的影響分析,可得出以下結(jié)論:

(1)擋板的設(shè)置對街道峽谷內(nèi)部流場影響顯著。當設(shè)置距離逐漸增大時,峽谷內(nèi)部的流場變化由單個主渦旋,逐漸演變流場呈現(xiàn)為上下分層現(xiàn)象。下部分形成一個主要的渦旋,峽谷上部分氣流穿過了峽谷。

(2)擋板對街道峽谷內(nèi)部污染物影響明顯。設(shè)置距離偏小時,污染物由向背風側(cè)逐漸在迎風側(cè)聚集,導致迎風側(cè)濃度升高;隨著設(shè)置距離的增大,污染物濃度分布也出現(xiàn)上下分層現(xiàn)象,下部分渦旋導致濃度高,上部分由于氣流的稀釋作用,濃度降低。

(3)峽谷內(nèi)部污染物的平均濃度與擋板的設(shè)置距離相關(guān),合理的設(shè)置位置可以顯著降低街道峽谷內(nèi)部污染物濃度。