黃遠(yuǎn)東，王可心，劉宇辰，崔鵬義，羅 楊

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

街道峽谷是一種類似自然峽谷的城市結(jié)構(gòu)，由兩側(cè)連續(xù)建筑物以及中央的區(qū)域構(gòu)成[1]。較低的天空視野系數(shù)，使得日間太陽(yáng)輻射存儲(chǔ)于兩側(cè)建筑壁面之中，加劇了熱島效應(yīng)和光化學(xué)反應(yīng)；半封閉的街谷結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低機(jī)動(dòng)車尾氣污染物擴(kuò)散效率，嚴(yán)重威脅臨街居民和行人的身體健康[2-3]。

壁面綠化是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型立體綠化模式，研究表明其可以有效改善城市微氣候環(huán)境。在不同天氣下，Cuce[4]對(duì)配置綠化的壁面和無(wú)綠化壁面進(jìn)行了溫度實(shí)測(cè)，結(jié)果表明：在晴天時(shí)，壁面綠化能夠使墻體的平均溫度降低約6.1 K；多云天氣時(shí)，則能夠使墻體的平均溫度降低約4.0 K。Schettini 等[5]進(jìn)行的場(chǎng)地實(shí)測(cè)也得到了類似結(jié)果：在日間溫度最高的時(shí)刻，壁面綠化能夠降低壁面的表溫約3.0～4.5 K。Basher 等[6]選用長(zhǎng)壽命且能夠承受更多太陽(yáng)輻射的翼豆植物作為壁面綠化的主體，發(fā)現(xiàn)其能夠降低壁面平均溫度約2.4 K，且壁面最大下降溫度約6.4 K。Jayasooriya等[7]進(jìn)行的城市尺度環(huán)境影響研究表明，雖然壁面綠化對(duì)顆粒和氣態(tài)污染物的去除能力不如傳統(tǒng)樹木，但其較小的占地面積和潛在的凈化能力使其應(yīng)用前景廣闊。Ysebaert 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，壁面綠化對(duì)顆粒污染物的截留效果取決于顆粒物在街谷內(nèi)的停留時(shí)間；在繁忙的主干道上，每平方米葉面積的壁面綠化能夠截留約1010～1011個(gè)顆粒，可以有效降低街谷內(nèi)的顆粒污染物濃度。Viecco 等[9]使用ENVI-met 模型就壁面綠化對(duì)PM2.5的去除效果進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)最大去除率可以達(dá)到7.5%，其主要受綠化覆蓋率、污染源位置和建筑物高度等影響。

綜上所述，有關(guān)研究主要聚焦在壁面綠化對(duì)街谷內(nèi)顆粒污染物濾除和熱島效應(yīng)的緩解，并且側(cè)重于寬高比為1 的標(biāo)準(zhǔn)街谷，以及單獨(dú)考慮壁面綠化或太陽(yáng)輻射熱效應(yīng)對(duì)峽谷內(nèi)流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的影響。近年來(lái)，大氣光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的O3污染日漸嚴(yán)峻，但有關(guān)街谷內(nèi)綠化對(duì)反應(yīng)性NOx-O3動(dòng)力學(xué)特性影響的研究卻沒(méi)有引起足夠重視。鑒于此，本文利用經(jīng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的三維CFD 模型，探究壁面綠化與熱效應(yīng)的耦合作用對(duì)淺型街道峽谷內(nèi)污染物擴(kuò)散與NOx-O3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響。該研究可為城市規(guī)劃和壁面綠化種植提供指導(dǎo)，以緩解城市熱島效應(yīng)，改善局部空氣質(zhì)量。

1 研究方法

1.1 物理模型

如圖1 所示，研究采用三維全尺度街道峽谷。峽谷的高寬比AR和長(zhǎng)高比分別為0.5 和20.0，亦稱為淺型長(zhǎng)街道峽谷。圖1(a)和圖1(b)展示了街道峽谷的幾何模型：每個(gè)建筑物的長(zhǎng)、寬、高分別為10H（H=20 m），1.0H和0.5H，兩棟建筑物的間距（即峽谷寬度W）為1.0H。圖1(b)還給出了街道峽谷內(nèi)部壁面綠化和近地面污染源的具體布置情況：壁面綠化被種植在上風(fēng)向建筑物的背風(fēng)壁與下風(fēng)向建筑物的迎風(fēng)壁上，厚度為0.01H（20 cm）。對(duì)于壁面綠化覆蓋的流場(chǎng)區(qū)域，考慮其空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)（對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)的阻礙效應(yīng)）和熱力學(xué)效應(yīng)（包含綠化的蒸騰降溫效應(yīng)以及對(duì)太陽(yáng)輻射的遮蔽而帶來(lái)的溫度下降），研究中考慮4 種典型的壁面綠化的葉面積密度LAD=0.5，1.0，1.5，2.0；地面機(jī)動(dòng)車尾氣污染源位于峽谷中央，其尺寸為0.6H×0.02H×10H，考慮嚴(yán)峻交通污染情況，污染源均勻釋放CO，NO 以及NO2的速率分別為7.37×10-7，5.98×10-8，9.17×10-9kg/（m3·s）[10]。

圖1 具有壁面綠化的街道峽谷模型Fig.1 Model of the street canyon with green walls

在研究中，使用設(shè)置壁面溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)夏季不同時(shí)刻太陽(yáng)輻射所導(dǎo)致的壁面升溫[11-13]，包括背風(fēng)面受熱、迎風(fēng)面受熱、地面受熱和全壁面受熱（也稱夜間墻體保溫或放熱）。需要指出的是環(huán)境溫度設(shè)為300 K。本文研究的工況共計(jì)21 個(gè)：1 個(gè)既無(wú)壁面受熱又無(wú)壁面綠化的空白對(duì)照工況、4 個(gè)僅有壁面受熱而無(wú)壁面綠化的工況，以及16 個(gè)既有壁面受熱又有壁面綠化的工況（計(jì)及4 種壁面綠化的葉面積密度和4 種不同壁面受熱模式）。研究工況的壁面受熱溫度設(shè)置如表1 所示[14]。

表1 研究工況的壁面溫度設(shè)置Tab.1 Wall temperature setting for the studied cases

此外，研究還考慮了NOx-O3光化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)性污染物的光化學(xué)過(guò)程。具體的化學(xué)方程式為[15]

式中：hv為光照強(qiáng)度；M為第3 種分子。

式中：[O3]為O3的濃度；[O3]b為O3的背景濃度。

1.2 數(shù)值模型

1.2.1 控制方程

街道峽谷內(nèi)的湍流、熱傳遞以及污染物的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行求解，控制方程為[16]

式中：xi和xj為笛卡爾坐標(biāo)；ui和uj分別為xi和xj方向上的空氣時(shí)均速度分量；ρ為空氣密度；p為空氣壓強(qiáng)；μ為分子黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)；gi為重力加速度分量；T為溫度；Pr為分子普朗特?cái)?shù)，Pr=0.85；σt為湍流普朗特?cái)?shù)；ST為溫度源項(xiàng)。

此外，在動(dòng)量方程求解時(shí)，采用Boussinesq 假定[17]來(lái)近似處理由溫度變化引起的峽谷內(nèi)空氣浮升力項(xiàng)。

各污染物的組分輸運(yùn)方程為[10]

式中：[X]代表物質(zhì)X 的濃度；Dm為污染物的分子擴(kuò)散系數(shù)；Dt為湍流擴(kuò)散系數(shù)；SX代表物質(zhì)X 的源項(xiàng)；為NO2的光解速率；k1，k2分別為式（2）和式（3）所代表的反應(yīng)速率，其與溫度和污染物濃度呈正相關(guān)[15]。

壁面綠化覆蓋區(qū)域?qū)е驴刂品匠淘黾拥脑错?xiàng)分別為[18]

式中：SE，，Sk，Sε分別為能量源項(xiàng)、動(dòng)量源項(xiàng)、湍流能k的源項(xiàng)和湍動(dòng)能耗散率 ε的源項(xiàng)。Pc為單位LAD植被的體積冷卻功率；模型常數(shù){Cd，βp，βd，Cε4，Cε5}={0.2,1.0,5.1,0.9,0.9}[19]。

1.2.2 邊界條件

入口邊界條件采用速度入口（velocity-inlet），風(fēng)速U(z)、湍動(dòng)能k(z)和湍動(dòng)能耗散率 ε(z)的定義為[19]

式中：Uref表示高度為Href處的參考風(fēng)速，Uref=3.0 m/s，此處Href=10 m，為建筑物高度；α為風(fēng)剖指數(shù)，反映較密集建筑群的城市郊區(qū)狀況[13]，α=0.187；u*為摩擦速度，u*=0.54 m/s；Cμ為模型常數(shù)，Cμ=0.09；κ 為馮卡門常數(shù)，κ=0.4；δ為邊界層高度，δ=960 m。此外，入口處還包含體積分?jǐn)?shù)為2×10-8的O3與體積分?jǐn)?shù)為0.21 的O2。

出口邊界選擇自由出流邊界條件；側(cè)面和頂部邊界選擇對(duì)稱邊界條件；壁面選擇無(wú)滑移壁面邊界條件。

1.2.3 求解設(shè)置

控制方程采用有限體積法（FVM）進(jìn)行離散；對(duì)流離散項(xiàng)選用二階迎風(fēng)差分格式；數(shù)值算法選用壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE）。求解過(guò)程中，當(dāng)各變量的相對(duì)計(jì)算殘差均降至10-6以下時(shí)即視為收斂。

街道峽谷中尾氣污染物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)需要合適的氣象條件，為了盡可能地接近現(xiàn)實(shí)情況，將數(shù)值模擬分為3 步進(jìn)行[10]：

第1 步保持關(guān)閉污染源與體積反應(yīng)模塊，先進(jìn)行計(jì)算，得到穩(wěn)定流場(chǎng)。此時(shí)，計(jì)算域中充滿體積分?jǐn)?shù)為2×10-8的O3與體積分?jǐn)?shù)為0.21 的O2。

第2 步在第1 步的計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，開啟污染源，不開啟體積反應(yīng)模塊。通過(guò)此步驟能夠得到無(wú)光化學(xué)反應(yīng)條件下穩(wěn)定的污染物分布，為計(jì)算后續(xù)的光化學(xué)反應(yīng)提供初始條件。

第3 步保持污染源開啟，并開啟體積反應(yīng)。最終得到化學(xué)平衡時(shí)各污染物的分布情況。

1.3 模型驗(yàn)證

采用德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)CFD 模型進(jìn)行驗(yàn)證和完善，最終確定使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行后續(xù)的工況計(jì)算。具體的驗(yàn)證細(xì)節(jié)參見文獻(xiàn)[20]。

2 結(jié)果與討論

2.1 街谷內(nèi)流場(chǎng)變化分析

圖2 為4 種壁面受熱和2 種壁面綠化（LAD分別為1.0 和2.0）配置下街道峽谷豎直中心面上的無(wú)量綱速度云圖及流線分布。作為空白對(duì)照，圖2也給出既無(wú)壁面受熱又無(wú)壁面綠化下的街道峽谷豎直中心面處的相關(guān)流場(chǎng)信息。

在既無(wú)壁面綠化又無(wú)壁面受熱條件下，從圖2(a)可以看出：在峽谷豎直中心面的背風(fēng)側(cè)處形成一股（單束）上升氣流，該上升氣流流出峽谷與峽谷頂部自由來(lái)流匯合；另一股氣流則于峽谷迎風(fēng)面附近形成一個(gè)順時(shí)針旋渦。

無(wú)論有無(wú)壁面綠化，背風(fēng)面受熱所產(chǎn)生的熱浮力會(huì)驅(qū)散背風(fēng)側(cè)的單束向上運(yùn)動(dòng)的氣流，從而在峽谷垂直中心面上形成一個(gè)順時(shí)針大旋渦(圖2(b)、圖2(c)和圖2(d))，該大旋渦的外沿氣流從背風(fēng)側(cè)流出峽谷而與峽谷上部自由來(lái)流匯集。在背風(fēng)面受熱時(shí)，隨著壁面綠化的LAD的增加，峽谷背風(fēng)面底部的低速區(qū)域增大，而當(dāng)LAD增加至2.0時(shí)，背風(fēng)墻底部的低速區(qū)域演化成一個(gè)風(fēng)速極低的逆時(shí)針小角渦。

圖2 街道峽谷豎直中心面上的無(wú)量綱速度云圖及流線Fig.2 Contours of dimensionless velocity and streamlines at the vertical center plane of the street canyon

相比無(wú)壁面綠化及無(wú)壁面受熱工況（圖2(a)），在無(wú)壁面綠化條件下，迎風(fēng)面受熱會(huì)極大削弱迎風(fēng)側(cè)的順時(shí)針旋渦，從而間接增強(qiáng)背風(fēng)側(cè)的單束向上氣流：迎風(fēng)面受熱產(chǎn)生的熱浮力方向與旋渦氣流在近迎風(fēng)面的流動(dòng)方向相反，故會(huì)極大削弱順時(shí)針旋渦尺度，并于迎風(fēng)面附近形成一塊低速區(qū)域（圖2(e)）。當(dāng)有壁面綠化的峽谷迎風(fēng)面受熱時(shí)，隨著壁面綠化的LAD的增大，其蒸騰降溫效應(yīng)隨之增強(qiáng)，迎風(fēng)面受熱對(duì)流場(chǎng)的影響減小，故迎風(fēng)側(cè)順時(shí)針旋渦尺度得以恢復(fù)增大(圖2(e)、圖2(f)和圖2(g))。

相比無(wú)壁面綠化及無(wú)壁面受熱工況（圖2(a)），地面受熱也能驅(qū)散背風(fēng)側(cè)的單束上升氣流，使得順時(shí)針旋渦進(jìn)一步得以發(fā)展(圖2(h)，2(i)和2(j))。很明顯，在地面受熱條件下，壁面綠化有助于順時(shí)針旋渦的形成(比較圖2(b)與2(c)及2(d))。同時(shí)得益于更大的受熱面積，地面受熱有助于增加峽谷內(nèi)部的平均氣流速度，增強(qiáng)峽谷通風(fēng)。

全壁面受熱則是受熱面積最大的受熱模式，在該種情況下，三壁面均產(chǎn)生強(qiáng)烈的向上熱浮升力，使得峽谷通道內(nèi)的橫向氣流均向中心面處匯集，并向上運(yùn)動(dòng)流出峽谷（圖2(k)）。當(dāng)具有壁面綠化的全壁面受熱時(shí)，隨著壁面綠化的LAD上升至1.0，壁面受熱產(chǎn)生的熱浮升力也被削弱，迎風(fēng)面附近的順時(shí)針旋渦也初現(xiàn)雛形（圖2(l)），而隨著LAD進(jìn)一步增加至2.0 時(shí)，該旋渦尺度略微增大（圖2(m)）。

2.2 街谷內(nèi)溫度變化分析

圖3 為不同工況條件下街道峽谷豎直中心面處的溫度分布。圖4 為不同工況條件下街道峽谷內(nèi)部平均溫度。如圖3（a）所示，在無(wú)壁面綠化條件下，背風(fēng)面受熱使得背風(fēng)面附加空氣溫度升高至302 K，且其周圍有較為明顯的高溫區(qū)域，而順時(shí)針主旋渦則能夠攜帶壁面周圍的熱量于峽谷中循環(huán)，提高峽谷內(nèi)部的平均溫度。從圖4 可知，在無(wú)壁面綠化條件下，背風(fēng)面受熱能夠提升峽谷內(nèi)部平均溫度約0.35 K（相對(duì)于空白對(duì)照工況）。圖3（b）顯示壁面綠化的蒸騰降溫效應(yīng)能夠有效降低兩側(cè)壁面周圍的溫度，由于密度差異原因，被降溫的空氣于近壁面處向下沉積，聚集在街道峽谷底部并得以停留，故可以在峽谷左右下角發(fā)現(xiàn)較為明顯的低溫區(qū)域。進(jìn)一步，從圖4 可知，在LAD=2.0 的情況下，壁面綠化能夠降低峽谷內(nèi)部平均溫度約0.38 K（相對(duì)于無(wú)綠化的背風(fēng)面受熱）。

圖3 街道峽谷豎直中心面處的溫度分布Fig.3 Distribution of temperature at vertical center plane of street canyon

圖4 街道峽谷內(nèi)部平均溫度Fig.4 Averaged temperature within the street canyon

如圖3（c）所示，在無(wú)壁面綠化條件下，迎風(fēng)面受熱使其周圍仍然存在較為明顯的高溫區(qū)域，順時(shí)針小旋渦的運(yùn)動(dòng)致使大量熱量在此處循環(huán)，難以擴(kuò)散出峽谷。迎風(fēng)面受熱能夠提高街道峽谷內(nèi)部的平均溫度約0.60 K（相對(duì)于空白對(duì)照工況）。圖3（d）顯示壁面綠化能夠有效降低兩側(cè)壁面周圍的溫度。從圖4 可知，迎風(fēng)面受熱時(shí)，壁面綠化能夠降低峽谷內(nèi)部平均溫度約0.40 K（相對(duì)于無(wú)綠化的迎風(fēng)面受熱）。

如圖3（e）所示，在無(wú)壁面綠化條件下，地面受熱使街道峽谷內(nèi)部的有效受熱面積更大，相較于前兩種受熱方式，峽谷內(nèi)部平均溫度有明顯升高，約0.90 K（相對(duì)于空白對(duì)照工況）。在該系列工況中，氣流會(huì)攜帶近地面的熱空氣向背風(fēng)面運(yùn)動(dòng)，隨后再沿入口氣流方向偏轉(zhuǎn)并流出峽谷。這個(gè)過(guò)程使得大量熱量被運(yùn)輸至峽谷左下角及近背風(fēng)面處，使得該區(qū)域溫度遠(yuǎn)高于迎風(fēng)面周圍區(qū)域，且最高溫度達(dá)到了約305 K。從圖4 可知，在該種受熱情況下，壁面綠化對(duì)街道峽谷內(nèi)部熱環(huán)境改善的能力十分有限，僅降低內(nèi)部平均溫度約0.32 K（相對(duì)于無(wú)綠化的地面受熱），這在4 種受熱模式中為最低值（圖3（f））。

如圖3（g）所示，在全壁面受熱情況下，峽谷內(nèi)部溫度進(jìn)一步升高，高溫區(qū)由三處壁面向峽谷內(nèi)部擴(kuò)散，也大幅度提高了峽谷上空的溫度。由于峽谷內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)的氣流依然向背風(fēng)面偏轉(zhuǎn)，故溫度最高的區(qū)域仍然是峽谷的左下角部分。從圖4可知，無(wú)壁面綠化的全壁面受熱時(shí)峽谷內(nèi)部平均溫度提升也最大，約為1.43 K（相對(duì)于空白對(duì)照工況）；如圖3（h）顯示，有綠化的全壁面受熱時(shí)，峽谷內(nèi)溫度分布與無(wú)綠化條件的全壁面受熱情況下的峽谷內(nèi)溫度分布式樣相似，但從圖4 可知，壁面綠化的存在則能夠均勻地降低峽谷內(nèi)部的溫度約0.39 K（相對(duì)于無(wú)綠化的全壁面受熱）。

2.3 街谷內(nèi)CO 擴(kuò)散與NOx-O3 反應(yīng)情況分析

本研究涉及3 種類型的污染物，分別為CO，NO 和NO2。此處以CO 為例（不涉及反應(yīng)），圖5所示為各種工況下街道峽谷豎直中心面的CO 體積分?jǐn)?shù)分布。在既無(wú)壁面綠化又無(wú)壁面受熱條件下（空白對(duì)照工況），峽谷內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)由單束氣流及順時(shí)針旋渦共同主導(dǎo)，在兩束氣流交匯的區(qū)域污染物大量堆積，并朝背風(fēng)面方向向上逐漸遞減，使得峽谷背風(fēng)面區(qū)域的污染物濃度遠(yuǎn)高于迎風(fēng)面區(qū)域的污染物濃度（如圖5(a)所示）。

背風(fēng)面受熱會(huì)增強(qiáng)順時(shí)針旋渦，并增強(qiáng)上升氣流速度，使得峽谷內(nèi)部流動(dòng)由順時(shí)針單旋渦結(jié)構(gòu)主導(dǎo)。近地面污染源釋放的CO 隨順時(shí)針旋渦在峽谷中運(yùn)動(dòng)，沿背風(fēng)面向上遞減分布，且背風(fēng)面附近的污染物濃度遠(yuǎn)高于迎風(fēng)面附近（如圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)所示）。隨著LAD的增加，迎風(fēng)面附近的污染物濃度明顯降低，大量污染物被輸送至峽谷的背風(fēng)面附近；在LAD=2.0 的工況中，在旋渦氣流的控制下，在背風(fēng)側(cè)角渦處形成一塊較小的高污染區(qū)域。

在迎風(fēng)面受熱情況下，近地面污染物CO 受單束氣流影響，濃度沿水平方向遞減分布，且污染物大多聚集于峽谷中段區(qū)域（如圖5(e)，5(f)和5(g)所示）；而迎風(fēng)側(cè)小旋渦則能夠?qū)⒂L(fēng)面附近污染物向背風(fēng)面方向輸送，使得迎風(fēng)面附近污染物濃度偏低，導(dǎo)致污染物分布在水平方向發(fā)生略微偏移。在該種情況下，由于大量污染物仍集中于街道峽谷中心，故行人呼吸面上平均污染物CO 濃度也略微提高。隨著LAD的上升，迎風(fēng)側(cè)小型旋渦規(guī)模逐漸增大，逐漸恢復(fù)對(duì)峽谷內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的控制。

地面受熱情況下峽谷內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)與背風(fēng)面受熱極為類似，故地面受熱情況下峽谷內(nèi)部污染物的分布規(guī)律（如圖5(h)，5(i)和5(j)所示）也與背風(fēng)面受熱情況下峽谷內(nèi)部污染物的分布極為相似。

圖5 街道峽谷豎直中心面處CO 體積分?jǐn)?shù)分布Fig.5 Distributions of CO volume fraction at vertical center plane of street canyon

如圖5(k)，5(l)和5(m)所示，在全壁面受熱情況下，兩部分氣流聚集于峽谷中心并向上涌出，橫向氣流攜帶了大量污染物向峽谷中心運(yùn)動(dòng)，使得中心面上的污染物濃度極高。大量污染物積聚于峽谷的背風(fēng)側(cè)，并向上遞減。隨著LAD的上升，壁面綠化的蒸騰降溫效應(yīng)使得峽谷內(nèi)部氣流得以穩(wěn)定，重新回歸單旋渦結(jié)構(gòu)，污染物的分布也轉(zhuǎn)化為沿背風(fēng)面向上遞減分布的結(jié)構(gòu)（如圖5(m)所示）。

需要指出的是，未涉及反應(yīng)時(shí)，NO 和NO2的分布特征與CO 基本相同，且濃度比為10∶1。此處僅列舉在既無(wú)壁面綠化又無(wú)壁面受熱條件下NO 與NO2前后體積分?jǐn)?shù)對(duì)比與全部工況下的臭氧消耗率。圖6 為反應(yīng)前后NO 和NO2體積分?jǐn)?shù)變化（無(wú)壁面受熱及無(wú)綠化條件下）。由圖6 可知，環(huán)境中反應(yīng)后NO 體積分?jǐn)?shù)略微降低而NO2體積分?jǐn)?shù)升高，伴隨環(huán)境中背景臭氧的消耗，說(shuō)明反應(yīng)式（3）在街道峽谷中占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖6 反應(yīng)前后NO 和NO2 體積分?jǐn)?shù)變化（無(wú)壁面受熱及無(wú)綠化）Fig.6 Changes of volume fraction of NO and NO2 before and after reactions

背風(fēng)面受熱改變了峽谷內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而使得污染物大部分集中在背風(fēng)面附近，且沿其向上遞減分布，也呈現(xiàn)出類似的趨勢(shì)：高區(qū)域均集中于峽谷背風(fēng)面附近，并朝向峽谷外部依次遞減（如圖7(b)，7(c)和7(d)所示）。隨著LAD的增加，近迎風(fēng)面污染物濃度降低而近背風(fēng)面則升高,=60%的等值線從迎風(fēng)面附近收縮至峽谷中心處。進(jìn)一步分析表2，發(fā)現(xiàn)LAD=2.0 的壁面綠化使得峽谷內(nèi)部平均下降了約5.02%（相對(duì)于無(wú)壁面綠化的背風(fēng)面受熱工況），這歸因于其蒸騰降溫效應(yīng)極大地削弱了兩側(cè)壁面附近的化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度。在這種情況下，較低的背景臭氧濃度成為了達(dá)到化學(xué)平衡的限制因素。

如圖7(e)，7(f)和7(g)所示，迎風(fēng)面受熱條件下，高區(qū)域均集中于峽谷底部中段，即污染源所在位置，并向上遞減，峽谷內(nèi)部的幾乎均大于70%。隨著LAD增加至2.0,=70%的區(qū)域也從迎風(fēng)面底部收縮至峽谷中段區(qū)域，峽谷內(nèi)部平均也下降至69.19%，較無(wú)綠化工況下降了3.63%，如表2 所示。

如圖7(h)，7(i)和7(j)所示，在地面受熱條件下，分布規(guī)律幾乎與背風(fēng)面受熱情形相同。從表2 可知，地面受熱情況下，LAD=2.0 的壁面綠化工況相較于無(wú)綠化的受熱工況，峽谷內(nèi)部平均下降約3.59%。

如圖7(k)，7(l)和7(m)所示，全壁面受熱能夠大幅度提高峽谷內(nèi)部的平均溫度，故峽谷內(nèi)部平均也普遍較高，均大于70%。在無(wú)綠化的條件下，橫向氣流使得大量污染物聚集于峽谷左半部分區(qū)域，使得該處有一塊較大的高區(qū)域。隨著LAD的增加，峽谷內(nèi)部的污染物濃度也轉(zhuǎn)變?yōu)檠乇筹L(fēng)面向上遞減分布，此時(shí)，分布特點(diǎn)也與背風(fēng)面受熱和地面受熱工況相似，但是，由于峽谷內(nèi)部溫度普遍較高，峽谷內(nèi)部平均也高于上述兩類工況。

圖7 街道峽谷豎直中心面處分布Fig.7 Distributions of at vertical center plane of the street canyon

進(jìn)一步，表2 表明，在每一種壁面受熱模式下，峽谷內(nèi)部平均隨LAD的增大而降低。

表2 街道峽谷內(nèi)部平均Tab.2 Average within street canyon

表2 街道峽谷內(nèi)部平均Tab.2 Average within street canyon

綜上所述，在AR=0.5 的淺型街道峽谷中，壁面綠化的蒸發(fā)降溫效應(yīng)可以有效降低峽谷內(nèi)部的溫度，并緩解峽谷內(nèi)光化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度。

3 結(jié)論

建立了耦合壁面綠化及熱效應(yīng)的淺型街道峽谷(AR=0.5)內(nèi)污染物擴(kuò)散與轉(zhuǎn)化的CFD 模型，并利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)選用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型及相關(guān)模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。采用CFD 模型對(duì)壁面綠化及熱效應(yīng)影響下的淺型街道峽谷內(nèi)流場(chǎng)、污染物擴(kuò)散及NOx-O3光化學(xué)轉(zhuǎn)化開展模擬研究。研究中考慮4 種壁面綠化的葉面積密度（LAD=0.5，1.0，1.5，2.0）以及4 種壁面加熱模式（背風(fēng)面加熱、迎風(fēng)面加熱、地面加熱和全壁面加熱）。得到如下主要結(jié)論：

a.在既無(wú)壁面綠化又無(wú)壁面加熱條件下，峽谷垂直中心面上的流動(dòng)由橫向氣流和順時(shí)針旋渦共同主導(dǎo)。在無(wú)壁面綠化時(shí)，迎風(fēng)面受熱會(huì)削弱順時(shí)針旋渦的尺度，從而使得橫向氣流占據(jù)主導(dǎo)地位；背風(fēng)面受熱和地面受熱會(huì)強(qiáng)化順時(shí)針旋渦；而全壁面受熱則會(huì)使旋渦結(jié)構(gòu)消散。

b.每種壁面受熱模式下，壁面綠化對(duì)峽谷內(nèi)部流場(chǎng)的影響隨LAD的增大而加?。ㄌ貏e對(duì)于迎風(fēng)面受熱和全壁面受熱工況尤為如此）。

c.壁面受熱導(dǎo)致峽谷內(nèi)的平均溫度升高程度為：全壁面受熱最高，其次為地面受熱、迎風(fēng)面受熱和背風(fēng)面受熱。相較于既無(wú)壁面綠化又無(wú)壁面加熱工況，根據(jù)不同的壁面受熱模式，無(wú)壁面綠化的壁面加熱可使峽谷內(nèi)平均氣溫升高0.35～1.43 K；壁面綠化能夠有效改善峽谷內(nèi)的熱環(huán)境，根據(jù)不同的壁面受熱模式，LAD=2.0 的壁面綠化可使峽谷內(nèi)的平均氣溫降低0.38～0.48 K。

d.壁面受熱會(huì)影響污染物的擴(kuò)散，尤其是迎風(fēng)面受熱會(huì)促使大量污染物聚集在峽谷底部中心位置附近。