劉宇辰，黃遠(yuǎn)東，張震，孫蓓莉，崔鵬義，羅楊

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

近些年來，國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市化水平大幅度提高，機(jī)動(dòng)車保有量逐年上升。與此同時(shí)也出現(xiàn)了一系列城市大氣污染問題，例如機(jī)動(dòng)車尾氣中含有的CO與NOx會(huì)對(duì)人體健康與大氣環(huán)境等造成不可逆的損害[1]。對(duì)于城市大氣污染問題所進(jìn)行的研究多集中于街道峽谷方面。街道峽谷作為城市結(jié)構(gòu)的基本單元，對(duì)其進(jìn)行研究具有代表性及必要性。相關(guān)研究表明，不合適的植樹方略會(huì)降低街道峽谷內(nèi)部的風(fēng)速，進(jìn)而加劇局部污染物的堆積[2-4]，而綠墻(包含壁面綠化與屋頂綠化)作為一種新興的綠化模式，不僅能夠有效緩解居民對(duì)綠化的需求與城市公共空間緊缺的矛盾，對(duì)城市通風(fēng)的阻礙也較小。Cuce[5]的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)10 cm厚的綠墻能夠降低墻體平均溫度約6℃，而在多云天氣該值則為4℃。Pugh等[6]研究了單一環(huán)境溫度下綠墻對(duì)街道峽谷內(nèi)顆粒物的影響，發(fā)現(xiàn)其對(duì)顆粒物的吸收效果較好。Qin等[7]就不同種植面積的綠墻對(duì)顆粒污染物PM10的吸附效果進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)最大吸附效率能達(dá)到43.8%。以往對(duì)綠墻的研究多集中于其對(duì)熱島效應(yīng)的改善和對(duì)顆粒性污染物的吸附，而其對(duì)氣態(tài)污染物擴(kuò)散的影響，則存在一定空白。

1 CFD方法

CFD方法包括物理模型(包含街道峽谷的幾何模型、壁面綠化以及受熱情況)、數(shù)值模型(各類控制方程以及湍流模型的選擇)以及計(jì)算求解設(shè)置(即為軟件內(nèi)部的求解參數(shù)設(shè)置，包括離散格式，殘差設(shè)置等)。

1.1 物理模型

選取的街道峽谷物理模型(圖1)，目標(biāo)街道峽谷由兩棟連續(xù)建筑物及中央主干道組成。連續(xù)建筑物的尺寸為H×H×10H(H=20 m)，主干道的寬度為H；兩棟孤立建筑的屋頂及內(nèi)側(cè)壁面種植有壁面綠化，厚度為0.01H；近地面被動(dòng)性污染物CO排放源的尺寸為0.02H×0.04H×10H，排放速率為1.3×10-8kg·m-3·s-1[8]，表示極端擁擠的交通情況(約每小時(shí)5 100輛機(jī)動(dòng)車經(jīng)過)。除此之外，研究還考慮太陽輻射引發(fā)的壁面升溫[9]以及綠墻的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)(對(duì)氣流的阻礙效應(yīng))和熱力學(xué)效應(yīng)(蒸騰降溫效應(yīng))[10-11]，壁面升溫的具體參數(shù)設(shè)置以及所有研究案例如表1所示。

表1 研究工況及壁面溫度設(shè)置Table 1 Study cases and setting of wall temperature

計(jì)算域的選取原則嚴(yán)格遵循AIJ的指導(dǎo)指南[12]，確定其尺寸為24H×32H×8H。此外，經(jīng)過網(wǎng)格敏感性分析，確定最終的網(wǎng)格數(shù)為380萬。具體的規(guī)劃如圖2所示，計(jì)算區(qū)域入口面距離迎風(fēng)建筑物的距離為8H，出口面距離背風(fēng)建筑物的距離為21H，兩側(cè)切面距離建筑物側(cè)面為7H,計(jì)算區(qū)域總高度為8H。

1.2 數(shù)值模型

本研究采用經(jīng)驗(yàn)證的Standard k-е湍流模型封閉的RANS方程[13]耦合能量方程來求解穩(wěn)態(tài)非等溫流。另外，對(duì)于綠墻覆蓋的流域，插入能量，速度分量，湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率源項(xiàng)來模擬樹木的蒸騰降溫效應(yīng)以及其對(duì)流場(chǎng)的影響[10]。具體的控制方程詳見參考文獻(xiàn)[11]。

1.3 求解計(jì)算

入口采用速度入口，參考溫度設(shè)為300 K。入口風(fēng)速，湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率如下：

(1)

(2)

(3)

式(1～3)中:Uref表示參考風(fēng)速(4.7m·s-1)，α表示風(fēng)剖指數(shù)(0.187)，u*表示摩擦速度(0.54m·s-1)，Cμ表示模型常數(shù)(0.09)，κ表示馮卡門常數(shù)(0.4)，δ表示邊界層高度(0.96 m)[15-16]。

計(jì)算域的頂部及兩個(gè)側(cè)面均使用對(duì)稱邊界條件(Symmetry)，壁面使用無滑移邊界條件且近壁面區(qū)域使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，出口使用流出邊界條件(Outflow)?？刂品匠滩捎糜邢摅w積法(FVM)離散，壓力與速度采用壓力耦合方程組的半隱式方法(SIMPLE)進(jìn)行耦合，對(duì)流離散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分方案，各變量相對(duì)殘差小于10-6即視為收斂[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 背風(fēng)面受熱下流場(chǎng)及污染物濃度分析

圖3展示了峽谷中心切面處的無量綱風(fēng)速(U/Uref)云圖及流場(chǎng)圖。在背風(fēng)面受熱情況下，峽谷內(nèi)部呈現(xiàn)單個(gè)順時(shí)針主旋渦結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)不會(huì)隨著綠墻LAD的提高而發(fā)生較為明顯的改變,這與Li等和Bright等的研究結(jié)果相似[18-19]。隨著綠墻LAD的升高，其空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)(即對(duì)氣流的阻礙效應(yīng))也隨之增強(qiáng)，這會(huì)削弱沿迎風(fēng)面下洗和沿背風(fēng)面上升的氣流，使得近壁面和地面的低速區(qū)域拓展，峽谷內(nèi)部平均速度降低，與外界的空氣交換效率也隨之降低。在圖3e與圖3f中能夠發(fā)現(xiàn)，隨著峽谷與外界空氣交換效率的下降，街道峽谷底部的污染物濃度也顯著提高?？偠灾?，在背風(fēng)面受熱情況下，綠墻的存在會(huì)略微加劇峽谷內(nèi)部的污染物堆積。

2.2 迎風(fēng)面受熱下流場(chǎng)及污染物濃度分析

迎風(fēng)面受熱會(huì)大幅度改變峽谷內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)：順時(shí)針旋渦被迎風(fēng)面升溫產(chǎn)生的強(qiáng)熱浮力抬升，旋渦中心向上偏移，且峽谷下半部分的氣流向上運(yùn)動(dòng)融入旋渦，形成多旋渦結(jié)構(gòu)，這與胡偉等的研究結(jié)果相似[20]。隨著綠墻LAD的提高，兩側(cè)壁面及屋頂周圍的空氣被降溫并由于密度差原因沉積于峽谷底部，削弱向上運(yùn)動(dòng)的氣流并形成兩個(gè)規(guī)模相當(dāng)?shù)男郎u。

流動(dòng)結(jié)構(gòu)的改變會(huì)引發(fā)污染物分布特征的改變。近地面污染物被峽谷下半部分的氣流輸送至迎風(fēng)側(cè)底部，并沿其向上遞減分布；而峽谷上半部分的順時(shí)針旋渦會(huì)攜帶迎風(fēng)側(cè)附近的污染物向背風(fēng)側(cè)運(yùn)動(dòng)，也沿其向上分布，最終使得近迎風(fēng)側(cè)污染物濃度遠(yuǎn)高于近背風(fēng)側(cè)(圖4)。另外，隨著LAD的上升，峽谷下半部分的高污染物區(qū)域縮減?？梢哉J(rèn)為，在迎風(fēng)面受熱情況下，壁面綠化的蒸騰降溫效應(yīng)能夠很好地抵消壁面熱效應(yīng)帶來的負(fù)面效果。

2.3 地面受熱下流場(chǎng)及污染物濃度分析

地面受熱情況與背風(fēng)面受熱情況均不會(huì)大幅度改變峽谷內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，而與背風(fēng)面受熱不同的是，地面受熱產(chǎn)生的向上熱浮力會(huì)大幅度提高峽谷內(nèi)部的平均風(fēng)速，尤其是近地面的氣流，這極大地提高了峽谷內(nèi)部與外部的空氣交匯(圖5)。與背風(fēng)面受熱條件下的污染物濃度分布相比，地面受熱能夠更好地促進(jìn)污染物的擴(kuò)散。而綠墻的降溫效應(yīng)及空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)會(huì)降低峽谷底部的空氣溫度并削減近地面熱浮力的效果，使得峽谷內(nèi)低速區(qū)域大幅度擴(kuò)展，近地面污染物濃度升高。

2.4 背風(fēng)面與地面復(fù)合受熱下流場(chǎng)及污染物濃度分析

圖6展示了地面與背風(fēng)面受熱情況下，街道峽谷內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及污染物的分布情況。峽谷內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)依然是由單個(gè)順時(shí)針主旋渦主導(dǎo)，與背風(fēng)面受熱和地面受熱情況相似。在這種受熱情況下，近地面污染物被順時(shí)針旋渦輸送至背風(fēng)面附近，沿其向上遞減分布。而隨著綠墻LAD的增加，其蒸騰降溫效應(yīng)產(chǎn)生的冷空氣使得近壁面熱浮升力被削弱，其對(duì)空氣的阻礙效應(yīng)也削弱了峽谷內(nèi)部氣流的速度，使得污染物堆積略微加劇。該種受熱模式能更好地增加峽谷內(nèi)部的平均風(fēng)速，但是對(duì)污染物擴(kuò)散的促進(jìn)作用與地面受熱幾乎相同，相較于背風(fēng)面受熱而言能夠更好地促進(jìn)污染物的擴(kuò)散。

2.5 迎風(fēng)面與地面復(fù)合受熱下流場(chǎng)及污染物濃度分析

圖7則展示了地面與迎風(fēng)面受熱情況下峽谷內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。迎風(fēng)面與地面的強(qiáng)熱浮力使得峽谷內(nèi)部的橫向氣流向峽谷中心匯聚，并從左下角向右上運(yùn)動(dòng)涌出街道峽谷，同時(shí)也將順時(shí)針主旋渦推至下風(fēng)向建筑物屋頂上方，這與Lin等[21]的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。這也導(dǎo)致了大量近地面污染物匯聚于峽谷右下角。隨著LAD上升至1.0，上涌氣流被綠墻產(chǎn)生的冷空氣削弱，順時(shí)針旋渦得以向峽谷中心偏移；而當(dāng)LAD=2.0時(shí)，產(chǎn)生的大量冷空氣極大地削弱壁面產(chǎn)生的熱浮升力，流動(dòng)結(jié)構(gòu)再次轉(zhuǎn)化為單個(gè)主旋渦，峽谷內(nèi)部的污染物分布回歸于沿背風(fēng)面向上遞減的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論與展望

本研究采用數(shù)值模擬的手段研究了綠墻(包含壁面綠化及屋頂綠化)對(duì)街道峽谷內(nèi)部通風(fēng)及污染物擴(kuò)散的影響，得出以下結(jié)論。

(1)在背風(fēng)面受熱、地面受熱和迎風(fēng)面與地面復(fù)合受熱時(shí)，峽谷內(nèi)部均由單個(gè)順時(shí)針主旋渦占據(jù)，且污染物濃度沿背風(fēng)面向上遞減。綠墻由于其蒸騰降溫效應(yīng)及對(duì)湍流的阻礙效應(yīng)，會(huì)降低峽谷內(nèi)部的平均風(fēng)速，減弱與外部的空氣交換，從而加劇污染物在街道峽谷底部的堆積。另外，相較于背風(fēng)面受熱，地面受熱和復(fù)合受熱能夠更好地促進(jìn)近地面污染物的擴(kuò)散。

(2)在迎風(fēng)面受熱時(shí)，峽谷內(nèi)部流動(dòng)情況發(fā)生大幅度改變，順時(shí)針主旋渦被向上抬升，出現(xiàn)了多旋渦結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)會(huì)削弱峽谷，尤其是峽谷底部區(qū)域與外部的空氣交換，使得峽谷內(nèi)部平均污染物濃度升高。綠墻的蒸騰降溫效應(yīng)能夠較好地抵消迎風(fēng)面受熱對(duì)峽谷通風(fēng)負(fù)面效果，略微降低峽谷底部污染物的堆積。

(3)在迎風(fēng)面與地面復(fù)合受熱時(shí)，峽谷內(nèi)部的橫向氣流聚集于峽谷中心并向上運(yùn)動(dòng)，使得污染物大量堆積于峽谷中心部分，而隨著綠墻LAD的上升，壁面熱效應(yīng)被綠墻的蒸騰降溫效應(yīng)削弱，峽谷內(nèi)部回歸單旋渦結(jié)構(gòu)。

綠墻這種新興的植物類型，在未來有較好的發(fā)展前景。本研究?jī)H考慮了日間單一天氣條件變量。在以后的研究中，不僅需要考慮更為復(fù)雜的氣象條件，還需要深化研究綠墻的空氣動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)機(jī)理，考慮更為復(fù)雜的大氣污染情況。