史學(xué)峰，郭棟鵬，李云鵬，姚仁太

(1.中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006；2.太原科技大學(xué)，太原 030024)

污染物通過建筑物頂部通風(fēng)管或煙囪進(jìn)入大氣環(huán)境中可能會(huì)對(duì)公眾健康造成影響，如核設(shè)施廠房頂部排放的物質(zhì)輻射影響、城市區(qū)域中工業(yè)廠房排放的潛在危害、人們健康物質(zhì)的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)等。影響污染物擴(kuò)散的因素有很多，包括風(fēng)速、建筑物形狀、煙囪高度、煙囪與建筑物之間的關(guān)系和溫度層結(jié)等。其中，穩(wěn)定度會(huì)影響大氣邊界層(ABL)的厚度、結(jié)構(gòu)以及邊界層內(nèi)的速度、溫度和湍流廓線。特別是穩(wěn)定層結(jié)，其會(huì)抑制大氣污染物的擴(kuò)散。建筑物近場(chǎng)污染物的擴(kuò)散包括污染物與流場(chǎng)的相互作用，并且較高濃度的污染物主要分布在建筑物周圍，特別是下風(fēng)向尾流區(qū)范圍內(nèi)[1]。

由于條件限制，大多數(shù)的研究成果主要集中于中性條件下大氣邊界層的模擬技術(shù)[2-5]，而關(guān)于穩(wěn)定層結(jié)流的研究成果并不多見，目前的研究大多數(shù)關(guān)注弱穩(wěn)定條件下的層結(jié)流動(dòng)。Yassin[6]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M了不同溫度層結(jié)條件下對(duì)建筑物周圍擴(kuò)散的影響，但只研究了弱穩(wěn)定條件下建筑物對(duì)周圍流場(chǎng)與污染物擴(kuò)散的影響，而對(duì)強(qiáng)穩(wěn)定邊界層的湍流結(jié)構(gòu)和輸送過程并不清楚。Mavroidis等人[7]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了不同形狀建筑物對(duì)污染物擴(kuò)散的影響，結(jié)果表明：由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中受風(fēng)向脈動(dòng)的影響，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)污染物的水平擴(kuò)散范圍略小于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，而中心軸線濃度略大于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。Ohya等人[8-9]嘗試研究強(qiáng)穩(wěn)定邊界層下流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其對(duì)邊界層的影響，表明穩(wěn)定層結(jié)抑制了湍流的發(fā)展，并且在強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)下，整個(gè)邊界層動(dòng)量和熱通量幾乎為零。

近年來，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)逐漸應(yīng)用于模擬建筑物(群)周圍流動(dòng)特性及大氣污染物的擴(kuò)散規(guī)律[10-12]。Santos[13]與Olvera等人[14]使用CFD研究了不同溫度層結(jié)下單個(gè)建筑物對(duì)污染物擴(kuò)散的影響,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。Sang等人[15]利用CFD研究不同大氣穩(wěn)定度(穩(wěn)定度分別為A、B、C、D、E、F)對(duì)單個(gè)立方建筑屋頂排放污染物近場(chǎng)擴(kuò)散的影響，結(jié)果表明，不穩(wěn)定條件(穩(wěn)定度為A、B、C時(shí))下建筑物后方的空腔區(qū)長(zhǎng)度和寬度均減小，穩(wěn)定條件(穩(wěn)定度E, F) 建筑物后方的空腔區(qū)長(zhǎng)度和寬度均增大，使得污染物羽流側(cè)向擴(kuò)散，穩(wěn)定條件下近地面污染物濃度高于不穩(wěn)定和中性條件下的濃度。Farzad等人[16]采用大渦模擬(LES)方法，以建筑物(長(zhǎng)寬高之比為1∶1∶2)為研究對(duì)象，研究了不同的溫度層結(jié)條件下(穩(wěn)定、中性和不穩(wěn)定)對(duì)氣流和氣體污染物擴(kuò)散過程的影響。Sessa等人[17]自行開發(fā)了一種混合湍流和溫度波動(dòng)產(chǎn)生的方法，并將其嵌入大渦模擬(LES)中研究理查森數(shù)(Rib)小于1的不同層結(jié)條件(例如Rib=0，0.21，0.50，0.70，1.0)對(duì)湍流和擴(kuò)散的影響，研究結(jié)果表明，由于對(duì)湍流的抑制，即使是微弱穩(wěn)定層結(jié)也會(huì)顯著改變污染物擴(kuò)散。在我國(guó)，一些研究人員嘗試應(yīng)用CFD技術(shù)模擬不同溫度層結(jié)下建筑物周圍污染物的擴(kuò)散規(guī)律[18-21]。而對(duì)強(qiáng)穩(wěn)定條件下建筑物周圍污染物的擴(kuò)散規(guī)律研究尚不多見。

由于低湍流度甚至是間歇性的湍流通常發(fā)生在穩(wěn)定的條件下，因?yàn)楦×梢詷O大地抑制剪切產(chǎn)生的湍流, 因此，與對(duì)流邊界層相比，湍流渦的尺寸有限、湍流的間歇性以及在穩(wěn)定邊界層中產(chǎn)生的重力波，使得建立穩(wěn)定邊界層的模型更加復(fù)雜。本文應(yīng)用STAR-CD提供的RNGk-ε湍流模型，對(duì)穩(wěn)定層結(jié)條件下特別是強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)下建筑物的周圍流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證比對(duì)。

1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M

1.1 大氣環(huán)境風(fēng)洞及模型

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)輻射防護(hù)研究院大氣邊界層1號(hào)風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞為直流下吹式。風(fēng)洞洞體全長(zhǎng)36 m，試驗(yàn)段長(zhǎng)17 m，寬1.5 m，高1 m，試驗(yàn)段風(fēng)速范圍為0.2～20.0 m/s。該風(fēng)洞配有溫度層結(jié)模擬系統(tǒng)，可控制風(fēng)洞內(nèi)部氣流溫度變化，形成溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)大氣理查森數(shù)和大氣邊界層的模擬。溫度層結(jié)模擬系統(tǒng)主要由來流溫度控制系統(tǒng)、溫度車和下均溫板三部分組成。來流溫度控制系統(tǒng)溫度控制范圍為4～10 ℃。溫度車可分層調(diào)節(jié)氣流溫度，溫度調(diào)節(jié)范圍為10～85 ℃。

下均溫板可進(jìn)行加熱和冷卻，溫度調(diào)節(jié)范圍是10～90 ℃，用來模擬水陸交界面的流動(dòng)。通過在實(shí)驗(yàn)段入口調(diào)節(jié)尖劈、粗糙元分布和溫度層結(jié)模擬系統(tǒng)模擬中性和非中性大氣邊界層流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中選用模型長(zhǎng)、寬、高(H)均為150 mm的立方體建筑物,見圖1。

圖1 建筑物與測(cè)點(diǎn)的位置關(guān)系圖

1.2 相似準(zhǔn)則

根據(jù)相似理論，兩個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)相似必須滿足一套確定的相似準(zhǔn)則，除要求模型與原型之間實(shí)現(xiàn)幾何相似外，還要求運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似以及邊界條件相似。

表1 不同溫度層結(jié)下主要參數(shù)

1.3 流場(chǎng)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)中，利用熱線風(fēng)速儀X型二維熱絲探頭與一維冷絲探頭進(jìn)行速度、溫度及湍流強(qiáng)度的測(cè)量，采樣頻率1 kHz，采樣時(shí)長(zhǎng)16 s，定量研究溫度層結(jié)對(duì)建筑物近場(chǎng)流動(dòng)的影響。

2 數(shù)值模擬

使用STAR-CD3.26作為計(jì)算平臺(tái)，數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域與風(fēng)洞相同(17 m×1.5 m×1.0 m)，模型高度(H)為150 mm的正立方體，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用六面體網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)約為200萬，區(qū)域內(nèi)最大網(wǎng)格尺寸為20 mm，建筑物周圍網(wǎng)格尺寸為2 mm。計(jì)算時(shí)入口邊界條件風(fēng)廓線、溫度廓線、模型頂部處風(fēng)速均與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相同，同時(shí)為了研究不同溫度層結(jié)對(duì)流場(chǎng)的影響，CFD模擬過程改變了溫度廓線。入口風(fēng)廓線、溫度廓線見圖2。出口邊界條件采用完全發(fā)展的出流邊界條件，地面設(shè)置一定的摩擦速度(u*)與粗糙度(z0)，頂部與兩側(cè)邊界設(shè)為光滑，建筑物邊界采用無滑移壁面。數(shù)值模擬湍流動(dòng)能(k，m2/s2)廓線與湍流耗散(ε,s-1)廓線見公式1、2。不同溫度層結(jié)下主要參數(shù)見表1。采用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked)算法聯(lián)立求解各離散方程。

圖2 不同溫度層結(jié)下風(fēng)廓線與溫度廓線

(1)

(2)

Φm=1+5z/L,z/L≥0

(3)

Φε=1+4z/L,z/L≥0

(4)

其中,Cμ是經(jīng)驗(yàn)常數(shù),0.09;Φm、Φε是以z/L為變量的函數(shù)。

3 結(jié)果分析與比較

主要研究了建筑物尾流區(qū)附近溫度層結(jié)對(duì)流動(dòng)特征的影響，分別在沿建筑物中心線x/H=0.6、1.5、2.5、3.5、5.5、7.5(如圖1)不同位置進(jìn)行流場(chǎng)特征的研究。

3.1 建筑物對(duì)流場(chǎng)的影響

3.1.1縱向平均速度分布u/uH

采用k-ε(RNG)湍流模型計(jì)算建筑物對(duì)其周圍流場(chǎng)的影響，不同Rib下風(fēng)向不同距離處建筑物對(duì)周圍流場(chǎng)影響的縱向上歸一化速度(u/uH)數(shù)值模擬與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較見圖3。

圖3 不同位置處不同Rib歸一化速度(u/uH)隨高度的變化

由圖3可知，Rib= 0.057，當(dāng)z/H>1.5時(shí)，CFD對(duì)歸一化風(fēng)速的模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好吻合；當(dāng)z/H< 1.5范圍內(nèi)，CFD對(duì)歸一化風(fēng)速的模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合一般，尤其是在當(dāng)z/H<1范圍內(nèi)，CFD數(shù)值模擬結(jié)果u/uH為負(fù)值，而風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)u/uH最小值為0.08，造成這一現(xiàn)象的原因是：一方面風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)使用的熱線風(fēng)速儀不能測(cè)量縱向上風(fēng)速的負(fù)值，另一方面，與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，數(shù)值模擬的空腔區(qū)范圍比較大[22]。當(dāng)z/H>1.5時(shí)，不同距離處的歸一化風(fēng)速變化趨于一致，這是由于在此高度范圍內(nèi)受到建筑物影響減弱，歸一化風(fēng)速恢復(fù)來流狀態(tài)導(dǎo)致的。在建筑物回流區(qū)范圍內(nèi)(x/H=0.6)，由于受建筑物機(jī)械擾動(dòng)的影響, 不同Rib對(duì)流場(chǎng)影響不明顯。x/H=1.5處，Rib= 0.82、1.13時(shí)，不同高度處u/uH>0，由于在強(qiáng)穩(wěn)定條件下，氣流運(yùn)動(dòng)主要通過浮力驅(qū)動(dòng)，建筑物下風(fēng)處形成小循環(huán)空腔區(qū)所致。隨著下風(fēng)距離的增大，溫度層結(jié)對(duì)流場(chǎng)的影響逐漸顯現(xiàn)，風(fēng)速逐漸恢復(fù)到來流狀態(tài)，但是Rib<0.52，風(fēng)速恢復(fù)相對(duì)較慢。當(dāng)x/H>1.5時(shí)，u/uH均未出現(xiàn)負(fù)值，這是由于此時(shí)氣流脫離了回流區(qū)，不存在反向流動(dòng)，使得u/uH均為正值。

3.1.2垂向平均速度分布w/uH

不同Rib不同距離處建筑物對(duì)周圍流場(chǎng)影響的垂向上歸一化速度值(w/uH)模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較見圖4。由圖4可知，當(dāng)Rib= 0.057時(shí)，CFD對(duì)垂向上歸一化速度的模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果總體較好吻合，不同位置處整體隨高度的變化趨勢(shì)相似。x/H=0.6處，Rib≤ 0.52時(shí)，近地面(z/H<0.5)范圍內(nèi)，由于建筑物機(jī)械擾動(dòng)的影響，w/uH基本沒有區(qū)別；z/H=1.0處，由于受較強(qiáng)向下氣流的影響w/uH出現(xiàn)了峰值。Rib≥ 0.82時(shí)，z/H>0.75，由于強(qiáng)穩(wěn)定條件下，受較強(qiáng)浮力作用的影響，w/uH均顯著減小，特別是當(dāng)Rib=1.13時(shí)。隨著下風(fēng)距離的增大，溫度層結(jié)對(duì)流場(chǎng)的影響逐漸顯現(xiàn)，Rib≥ 0.82時(shí)w/uH變化較快，主要由于強(qiáng)穩(wěn)定條件下，浮力對(duì)流場(chǎng)的恢復(fù)起主導(dǎo)作用，抑制了氣流垂直運(yùn)動(dòng)[23]。總之，在建筑物尾流區(qū)范圍內(nèi)，溫度層結(jié)對(duì)流場(chǎng)的影響較為顯著。

圖4 不同位置處不同Rib歸一化速度(w/uH)隨高度的變化

3.1.3流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布

不同Rib下建筑物對(duì)其周圍流場(chǎng)影響的垂直數(shù)值模擬結(jié)果見圖5。

由圖5可知，CFD較好地模擬了建筑物附近尾流區(qū)和回流區(qū)的信息及建筑物頂部回流區(qū)位置的變化，隨著Rib增大，頂部回流區(qū)逐漸向建筑物后端邊緣移動(dòng)。建筑物尾流區(qū)長(zhǎng)度在Rib= 0.057 時(shí)達(dá)到最大,由于穩(wěn)定層結(jié)加速了氣流的下降，從而減少空腔區(qū)長(zhǎng)度。當(dāng)Rib> 0.21時(shí)，較強(qiáng)的穩(wěn)定層結(jié)作用極大地抑制了建筑物頂部及其背風(fēng)面氣流的運(yùn)動(dòng)，特別是當(dāng)Rib> 0.33時(shí)，溫度層結(jié)對(duì)流場(chǎng)很明顯。當(dāng)Rib< 0.21時(shí)，機(jī)械湍流對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用，當(dāng)Rib≥ 0.33時(shí)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與層流類似，兩個(gè)機(jī)制之間的過渡發(fā)生在Rib=0.21附近?？傊?，較強(qiáng)環(huán)境湍流傾向于誘導(dǎo)建筑物頂部的再附著，并且減少建筑物背風(fēng)面空腔的大小。Zhang等人[23]分別用數(shù)值模擬與水槽試驗(yàn)進(jìn)行了不同溫度層結(jié)下建筑物對(duì)流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Rib的增大，建筑物背風(fēng)面回流區(qū)的長(zhǎng)度逐漸減小，并且較強(qiáng)的溫度層結(jié)對(duì)湍流動(dòng)能產(chǎn)生抑制作用，從而隨著Rib的增大湍流動(dòng)能逐漸減弱。本文研究結(jié)果與之相同。

圖5 建筑物周圍垂直流場(chǎng)結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果

3.2 湍流結(jié)構(gòu)

不同Rib下建筑物對(duì)歸一化湍流動(dòng)能(k/uH2)影響的垂直剖面數(shù)值模擬結(jié)果見圖6。

由圖6可知，隨著Rib增大k/uH2逐漸減小，由于強(qiáng)溫度層結(jié)抑制尾流區(qū)內(nèi)部湍流的發(fā)展。隨著Rib從0.057增加到0.33，建筑物周圍的k/uH2分布發(fā)生了較大的變化。特別是建筑物后方k/uH2較高的空腔區(qū)域要小得多，建筑物頂部回流區(qū)的k/uH2影響不大。與流場(chǎng)的變化相似，當(dāng)Rib從0.33增加到1.13，k/uH2也發(fā)生了很大的變化，尾流區(qū)內(nèi)k/uH2減小，建筑物頂部的高k/uH2區(qū)域，隨著回流區(qū)的消失而消失，主要原因是強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)增加了浮力驅(qū)動(dòng)，從而抑制了垂直方向湍流結(jié)構(gòu)[23]?？傊?，結(jié)果表明當(dāng)Rib>0.21時(shí)，氣流運(yùn)動(dòng)主要受浮力控制，浮力會(huì)抑制尾流內(nèi)部的湍流。該結(jié)果與zhang等人[23]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

通過對(duì)不同Rib建筑物對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：

(1)除建筑物背后空腔區(qū)外，CFD對(duì)歸一化風(fēng)速的數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好吻合，不一致的原因主要是由于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)使用的熱線風(fēng)速儀不能測(cè)量縱向上風(fēng)速的負(fù)值造成的。

(2)隨著Rib的增大氣流運(yùn)動(dòng)逐漸受浮力驅(qū)動(dòng)，建筑物背風(fēng)面的空腔區(qū)逐漸減小，特別是Rib≥ 0.82時(shí)，浮力對(duì)流場(chǎng)的恢復(fù)起主導(dǎo)作用，抑制了氣流垂直運(yùn)動(dòng)。隨著下風(fēng)距離的增大，溫度層結(jié)對(duì)流場(chǎng)的影響逐漸顯現(xiàn)。

(3)Rib< 0.21時(shí)，機(jī)械湍流對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用，Rib≥ 0.33時(shí)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與層流類似，兩個(gè)機(jī)制之間的過渡發(fā)生在Rib=0.21附近。隨著Rib增大，由于強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)增加浮力驅(qū)動(dòng)，從而抑制了垂直方向湍流結(jié)構(gòu)，因此建筑物頂部的高k/uH2區(qū)域隨著回流區(qū)的消失而消失。

本文通過與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,建立了穩(wěn)定層結(jié)下數(shù)值模擬技術(shù),為進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同溫度層結(jié)(特別是強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié))下核設(shè)施建筑物(群)近場(chǎng)氣載放射性污染物的流動(dòng)與擴(kuò)散奠定了基礎(chǔ)。