何宗武 王漢青

1 南華大學(xué)土木工程學(xué)院

2 建筑環(huán)境氣載污染物治理與放射性防護(hù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心

3 中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院

目前，研究污染物擴(kuò)散的方法主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，物理（風(fēng)洞和水洞）實(shí)驗(yàn)，（半）經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃陀?jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算能力的快速發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者利用CFD 方法對(duì)污染物擴(kuò)散開(kāi)展了研究。大氣穩(wěn)定度作為影響污染物擴(kuò)散的典型氣象參數(shù)，為保證研究的準(zhǔn)確性，必須對(duì)其進(jìn)行研究。本文綜述了以往學(xué)者基于CFD 方法在不同大氣穩(wěn)定度下污染物擴(kuò)散方面所做的研究，并討論了這些研究存在的不足，為今后對(duì)真實(shí)大氣環(huán)境中的污染物擴(kuò)散研究提供一定的指導(dǎo)。

1 不同穩(wěn)定度下污染物擴(kuò)散的基本理論

1.1 大氣穩(wěn)定度的概念及判定

傳統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定度常用于氣象學(xué)中，表示氣塊受任意方向擾動(dòng)后，返回或遠(yuǎn)離原平衡位置的趨勢(shì)和程度。即空氣微團(tuán)是否保持在原來(lái)的位置，是否趨向于發(fā)生對(duì)流[2]。然而，靜態(tài)穩(wěn)定度是衡量浮力對(duì)流能力的靜態(tài)指標(biāo)，僅由局部的垂直溫度分布決定，在大氣邊界層和污染物擴(kuò)散研究中的應(yīng)用存在局限性[3-4]。為了克服靜態(tài)穩(wěn)定度的不足，大量學(xué)者將動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度的概念應(yīng)用于污染物擴(kuò)散研究中。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度主要取決于浮力和風(fēng)，即使空氣處于靜態(tài)穩(wěn)定，同樣可能出現(xiàn)非穩(wěn)定的情況[3-4]。顯然，同時(shí)考慮熱力和動(dòng)力因子的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度概念更適用于污染物擴(kuò)散這類動(dòng)態(tài)過(guò)程。許多文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)大氣穩(wěn)定度的判定方法進(jìn)行了介紹[4-6]。中國(guó)的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)提供了大氣穩(wěn)定度的判定方法[6]。國(guó)際原子能署（IAEA）結(jié)合各國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了7 種大氣穩(wěn)定度判定方法[6]。劉強(qiáng)對(duì)用于大氣污染物擴(kuò)散研究中的穩(wěn)定度判定方法進(jìn)行了概述，幫助研究人員更好的選擇判定方法[7]。另外，大量文獻(xiàn)對(duì)比了不同判定方法的差異，研究人員可通過(guò)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)確定適合的大氣穩(wěn)定度判定方法[8]。要準(zhǔn)確判定動(dòng)態(tài)大氣穩(wěn)定度，需要同時(shí)考慮熱力和動(dòng)力因子的影響。因此，對(duì)于不同穩(wěn)定度下污染物擴(kuò)散的CFD 研究，建議采用理查森數(shù)和莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度等熱穩(wěn)定參數(shù)作為大氣穩(wěn)定度的判定依據(jù)。

1.2 不同穩(wěn)定度的煙羽特征

大氣穩(wěn)定度影響煙羽在大氣中的垂直運(yùn)動(dòng)，使其在不同大氣穩(wěn)定度下呈現(xiàn)出不同的煙羽特征。在三種典型的穩(wěn)定度條件下煙羽特征呈現(xiàn)波浪型，錐型和扇型，圖1 展示了三種典型大氣穩(wěn)定度下的煙羽特征。不穩(wěn)定條件促進(jìn)了大氣垂直方向的運(yùn)動(dòng)，有利于大氣湍流的產(chǎn)生和發(fā)展，從而導(dǎo)致煙羽的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，呈現(xiàn)出循環(huán)現(xiàn)象。中性條件下湍流不受大氣穩(wěn)定性的促進(jìn)或抑制，煙羽流在垂直方向具有均勻分布的特點(diǎn)，煙羽形狀類似于圓錐體。在穩(wěn)定條件下大氣在垂直方向的運(yùn)動(dòng)被抑制，這種穩(wěn)定度下，煙羽可被輸送到很遠(yuǎn)的距離[9]。除了這三種典型的大氣穩(wěn)定度，也可能出現(xiàn)大氣邊界層的上部和下部呈現(xiàn)不同穩(wěn)定度的情況，使煙羽表現(xiàn)出更加復(fù)雜的擴(kuò)散行為。

圖1 典型大氣穩(wěn)定度下的煙羽特征

1.3 不同擴(kuò)散尺度的數(shù)值方法

大氣污染物從不同的來(lái)源進(jìn)入大氣，在很大范圍的空間尺度上進(jìn)行擴(kuò)散。Blocken[10]等人指出在污染物擴(kuò)散模擬研究中，空間尺度可以分為全球或大尺度擴(kuò)散（L＜6500 km）、中尺度擴(kuò)散（L＜200 km）和微尺度擴(kuò)散（L＜2 km），并總結(jié)了不同尺度適用的模型。圖2 為不同研究尺度和適用模型的示意圖[10]。對(duì)于中尺度和大尺度的模擬研究，由于計(jì)算能力、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的限制以及影響因素的不確定性，通?；诜直媛瘦^低的天氣預(yù)報(bào)模型和中尺度氣象模型進(jìn)行。而在微尺度模擬研究中，一般采用具有高分辨率的CFD 方法[11-13]。Leelossy[13]等人指出微尺度的擴(kuò)散模擬需要求解詳細(xì)的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)，所以有時(shí)微尺度研究所需的計(jì)算能力甚至高于中尺度和大尺度研究，這也限制了CFD 適用的空間尺度。幸運(yùn)的是，隨著計(jì)算能力的提升，CFD方法已成功用于更大的空間尺度[14-15]。另外，為了提高微尺度模擬中邊界條件的準(zhǔn)確性，部分學(xué)者開(kāi)展了多尺度的模擬研究，并獲得了更接近真實(shí)情況的模擬結(jié)果[16]。

圖2 不同研究尺度和適用模型示意圖

目前，針對(duì)不同尺度的污染物擴(kuò)散，學(xué)者們已經(jīng)提出了相對(duì)完善的研究方法。但仍存在一些問(wèn)題，如：計(jì)算能力對(duì)模型分辨率的限制、不同尺度之間的耦合、邊界條件的準(zhǔn)確性和湍流模型的設(shè)置問(wèn)題等。

2 不同大氣穩(wěn)定度下污染物的擴(kuò)散研究

為準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)污染物的擴(kuò)散過(guò)程，研究人員已經(jīng)利用CFD 技術(shù)進(jìn)行了大量研究[17-19]，但這些研究很少考慮大氣穩(wěn)定度對(duì)污染物擴(kuò)散影響。事實(shí)上，污染物的擴(kuò)散區(qū)域包括近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，近場(chǎng)區(qū)域的機(jī)械混合降低了穩(wěn)定分層效應(yīng)。為了保證研究結(jié)果的真實(shí)性，研究中應(yīng)該考慮大氣穩(wěn)定度的影響[20]。對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)以及過(guò)渡區(qū)域而言，建筑物對(duì)擴(kuò)散場(chǎng)的影響減小，大氣穩(wěn)定性的影響就變得更加重要[21]。

2.1 污染物在中性穩(wěn)定度下擴(kuò)散

合理簡(jiǎn)化研究對(duì)象和條件不但可以有效地降低研究成本，而且能夠直觀的了解主要因素對(duì)研究結(jié)果的影響，提高研究的效率。因此，大部分學(xué)者首先進(jìn)行了污染物在中性條件下擴(kuò)散的CFD 研究，分別以孤立建筑模型[22]，建筑陣列[23]和街谷模型[24-26]作為研究對(duì)象。這類簡(jiǎn)化模型保留了真實(shí)情況下污染物擴(kuò)散的主要特征，能夠正確描述污染物擴(kuò)散的一般規(guī)律。此外，研究人員也對(duì)真實(shí)模型中的污染物擴(kuò)散開(kāi)展了研究。Gousseau 等人[27]利用CFD 研究了中性條件下蒙特利爾市區(qū)某建筑群周圍的污染物擴(kuò)散，并通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。董龍翔等人[28]利用FLUENT 分析了中性條件下入流的邊界條件對(duì)榆林地區(qū)地面污染源擴(kuò)散的影響，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。Lee 等人[29]基于非標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型預(yù)測(cè)了中性條件下某大樓煙囪排放的污染物擴(kuò)散情況，并利用示蹤氣體實(shí)驗(yàn)對(duì)研究所用的湍流模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

隨著社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的加快，污染物擴(kuò)散的CFD研究不再局限于城市區(qū)域，工業(yè)區(qū)域的污染也成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)。秦超等人[30]利用CFD 方法模擬了中性大氣層結(jié)條件下核電廠的煙羽分布，并將CFD 模擬結(jié)果與經(jīng)典理論結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證了CFD 方法在工業(yè)研究中的有效性。在此基礎(chǔ)上，部分學(xué)者開(kāi)展了工業(yè)區(qū)域的污染物擴(kuò)散研究。Toja-Silva 等人[31-32]利用OpenFOAM 研究了慕尼黑城市上空的CO2擴(kuò)散后，進(jìn)一步對(duì)比分析了通用建筑模型與真實(shí)城市的模擬結(jié)果。Wu 等人[33]基于CFD 方法預(yù)測(cè)污染物擴(kuò)散，為工業(yè)廠區(qū)制定應(yīng)急方案提供了一定的指導(dǎo)。這些研究證明了CFD 技術(shù)在大氣污染物擴(kuò)散研究的可靠性，為CFD 在大氣污染物研究中的應(yīng)用提供了更多的研究思路。

需要注意的是，中性穩(wěn)定度下的研究忽略了溫度的影響，這種簡(jiǎn)化可以較好地重現(xiàn)中性穩(wěn)定度下污染物的擴(kuò)散規(guī)律，幫助人們更好地開(kāi)展中性穩(wěn)定度下污染物擴(kuò)散的CFD 研究。在采用位溫作為研究溫度時(shí)，溫度層結(jié)與大氣穩(wěn)定度之間存在直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此時(shí)，中性條件即為等溫層結(jié)。

2.2 污染物在非中性穩(wěn)定度下擴(kuò)散

真實(shí)的大氣環(huán)境并非只有中性穩(wěn)定度，而是在中性與非中性穩(wěn)定度之間不斷轉(zhuǎn)化，其中，非中性穩(wěn)定度包括了穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩類。穩(wěn)定條件抑制了大氣在垂直方向的運(yùn)動(dòng)，從而降低了流動(dòng)中的湍流擴(kuò)散，污染物受平流影響可傳播至較遠(yuǎn)的區(qū)域。在不穩(wěn)定條件下，由于湍流擴(kuò)散增強(qiáng)，污染物在近場(chǎng)的影響范圍增大，但長(zhǎng)距離傳播能力明顯減弱，以往的研究也說(shuō)明了這一現(xiàn)象[34-35]。

目前，引起非中性大氣穩(wěn)定度的原因主要分為兩類：①地面和建筑表面熱量（局地?zé)釋咏Y(jié)）；②入口流場(chǎng)的熱分層（總體熱層結(jié)）[36]。局地?zé)釋咏Y(jié)對(duì)穩(wěn)定度的影響遠(yuǎn)小于總體熱層結(jié)，所以在局地?zé)釋咏Y(jié)研究中，研究人員通常假設(shè)入流邊界條件的溫度恒定。而在進(jìn)行總體熱層結(jié)研究時(shí)，則無(wú)需考慮局地?zé)釋咏Y(jié)對(duì)穩(wěn)定度的影響。圖3 列舉了局地?zé)釋咏Y(jié)和總體熱層結(jié)的示意圖。

圖3 局地?zé)釋咏Y(jié)和總體熱層結(jié)的示意圖

2.2.1 局地?zé)釋咏Y(jié)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響

局地?zé)釋咏Y(jié)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響主要集中在模型范圍較小的研究中，重點(diǎn)研究了不同的配置對(duì)污染物擴(kuò)散造成的影響。對(duì)街谷模型而言，如果對(duì)迎風(fēng)面進(jìn)行加熱，則迎風(fēng)面附近的墻角處會(huì)出現(xiàn)二次再循環(huán)現(xiàn)象，導(dǎo)致污染物被困在地面附近，從而增加污染物濃度[37]。為了進(jìn)一步明確局地?zé)釋咏Y(jié)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響，人們對(duì)研究模型的不同配置進(jìn)行了研究。

Mei 等人[38]和Madalozzo 等人[39]針對(duì)多種街道配置與多種壁面加熱配置，研究了不同熱分層對(duì)街谷內(nèi)流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的影響。Tan 等人[40]采用不均勻街道加熱的配置研究了地表溫度日變化對(duì)街道峽谷流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的影響，結(jié)果與均勻街道加熱相比有顯著改善。Boppana 等人[41]和Shen 等人[20]以建筑陣列為研究對(duì)象，分析了加熱的地面對(duì)流動(dòng)和污染物擴(kuò)散的影響。此外，Shen 還指出機(jī)械混合降低了穩(wěn)定度對(duì)污染物擴(kuò)散的影響，但仍然能夠觀察到穩(wěn)定條件導(dǎo)致了污染物的混合能力降低。Reiminger 等人[42]利用OpenFOAM 研究了風(fēng)速與大氣穩(wěn)定度共同作用下隔音障的污染物除去率（CRR），發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定條件下的CRR最大。結(jié)果表明對(duì)道路而言，穩(wěn)定條件減少了道路上的污染積累。此類熱層結(jié)現(xiàn)象廣泛存在于人們的日常生活中，如：小區(qū)，道路，學(xué)校等。因此，在研究中考慮局地?zé)釋咏Y(jié)，可幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)行更好的城市規(guī)劃[43]，減少污染物的危害。

上述研究表明，在局地?zé)釋咏Y(jié)研究中，不同的加熱配置所導(dǎo)致的污染物擴(kuò)散現(xiàn)象存在明顯差異，在之后的局地?zé)釋咏Y(jié)研究中需要考慮更多的加熱配置，如：建筑側(cè)面加熱，表面熱量隨時(shí)間的變化，不同下墊片類型等。

2.2.2 總體熱層結(jié)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響

正如Xie[44]所述，在研究入口流場(chǎng)熱層結(jié)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響時(shí)，局地?zé)岱謱拥挠绊懲ǔ?huì)顯得不太重要。一般在入流邊界上添加不同的溫度廓線，地面以及建筑表面則一般設(shè)置為絕熱條件?？傮w熱層結(jié)的現(xiàn)有研究中，入流邊界溫度廓線的確定方法主要有三類：①莫寧-奧布霍夫相似理論。②擬合真實(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)。③恒定的垂直溫度梯度。Guo 等人[45]基于莫寧奧布霍夫相似理論，研究了不同的大氣穩(wěn)定度對(duì)單個(gè)立方體建筑屋頂污染物擴(kuò)散的影響。結(jié)果表明，穩(wěn)定條件抑制了氣流的垂直運(yùn)動(dòng)，增加了水平傳播，導(dǎo)致接近地表的污染物濃度水平高于不穩(wěn)定和中性條件下的濃度水平。Guo 等人[46]進(jìn)一步以建筑陣列為研究對(duì)象進(jìn)行研究，并獲得了一致的結(jié)果。圖4 展示了不同穩(wěn)定度下污染物的濃度分布。另外，Xie 等人[44]還基于DAPPLE 項(xiàng)目中擬合的入流溫度廓線，研究了入口流場(chǎng)的熱分層對(duì)湍流和污染物擴(kuò)散的影響。

圖4 不同大氣穩(wěn)定度下污染物的濃度分布（y/H=0）

與中性條件相同，非中性條件下街道和工業(yè)廠區(qū)的污染物擴(kuò)散同樣受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。Steffens等人[47]和Gong 等人[48]對(duì)不同穩(wěn)定度條件下隔音障對(duì)污染物擴(kuò)散的影響，采用CFD 方法模擬了不同來(lái)流穩(wěn)定度下隔音障周圍的污染物擴(kuò)散情況，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另外，Chang 等人[49]和Guo 等人[50]利用CFD 方法模擬了不同穩(wěn)定度對(duì)山丘周圍的流場(chǎng)與污染物擴(kuò)散的影響。表明了不同大氣穩(wěn)定度下復(fù)雜地形周圍的氣流和污染物擴(kuò)散的研究是不可或缺的。對(duì)于工業(yè)區(qū)域的污染物擴(kuò)散研究，研究人員多采用恒定的垂直溫度梯度來(lái)確定入流的溫度廓線[34，40-44]。Wee 等人[34]和Velamati 等人[51]利用CFD 分別研究了不同大氣溫度梯度對(duì)單煙道和多煙囪羽流擴(kuò)散的影響。Kozic 等人[52]利用FLUENT 模擬了不同大氣穩(wěn)定度條件下Kostolac B 發(fā)電廠的煙囪污染物擴(kuò)散情況，研究中出現(xiàn)扇形，熏蒸形和環(huán)形三種典型煙羽形狀。最近，Issakhov 等人[53]以火電廠為研究對(duì)象，模擬了三種不同的溫度梯度下污染物的擴(kuò)散。由于穩(wěn)定的大氣穩(wěn)定度在工業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中經(jīng)常產(chǎn)生最大的危險(xiǎn)距離，所以對(duì)工業(yè)區(qū)域的研究一般更關(guān)注穩(wěn)定條件的大氣邊界層[54]。

綜上所述，不同大氣穩(wěn)定度下污染物擴(kuò)散的研究已經(jīng)涉及了孤立建筑、街谷模型、建筑陣列、山丘、公路和真實(shí)城市模型等眾多模型（如圖5 所示），但還未發(fā)現(xiàn)針對(duì)核電廠放射性流出物的相關(guān)研究。另外，同時(shí)考慮局部熱層結(jié)和總體熱層結(jié)的污染物擴(kuò)散研究相對(duì)較少，之后可對(duì)此展開(kāi)更深入的研究。

圖5 不同研究模型的示意圖

3 總結(jié)與展望

不同穩(wěn)定度下污染物擴(kuò)散的CFD 研究主要包括中性和非中性穩(wěn)定度，非中性穩(wěn)定度下的研究又分為局地和總體熱層結(jié)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響兩類。目前一般僅針對(duì)其中一類影響進(jìn)行研究，后續(xù)研究中還需要重點(diǎn)關(guān)注兩者對(duì)污染物擴(kuò)散的共同影響。另外，需要注意，CFD 的研究結(jié)果要與可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)使用，以保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

目前不同大氣穩(wěn)定度下污染物擴(kuò)散的CFD 研究中需要關(guān)注的一些問(wèn)題有：

1）開(kāi)展不同大氣穩(wěn)定度下污染物擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)獲得不同穩(wěn)定度下污染物擴(kuò)散的真實(shí)數(shù)據(jù)，為CFD 研究提供可靠驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

2）完善多尺度污染物擴(kuò)散研究中存在的不足，包括計(jì)算能力與分辨率的限制、多尺度的耦合和微尺度湍流模型的適用性等。

3）研究適用于非中性條件的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如：加熱配置、速度廓線、溫度廓線、施密特?cái)?shù)等，使CFD研究結(jié)果能夠更好的反映真實(shí)規(guī)律。

4）以真實(shí)模型為研究對(duì)象進(jìn)行相關(guān)研究，對(duì)比分析通用模型與真實(shí)模型之間的差異，探究更加合理的模型簡(jiǎn)化方法。