王忠昶，孫劍，陳陽，夏洪春

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622)

機(jī)動車尾氣是城市大氣的主要污染源之一，尾氣的擴(kuò)散嚴(yán)重影響城市居民的身體健康.道路交叉口作為大量機(jī)動車的集聚地，機(jī)動車處于不同信號周期內(nèi)，存在怠速、加速、減速等多種行駛狀態(tài)，將產(chǎn)生大量尾氣[1-2]，而道路交叉口旁的建筑物會對尾氣擴(kuò)散起阻礙作用，在道路交叉口附近產(chǎn)生復(fù)雜的流場，影響廢氣的正常擴(kuò)散.因此研究道路交叉口機(jī)動車尾氣的擴(kuò)散規(guī)律對于城市交通規(guī)劃及環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義[3-4].

近年來，已有眾多學(xué)者對道路交叉口的機(jī)動車污染物擴(kuò)散問題進(jìn)行了研究，研究方法集中于數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)、實(shí)地監(jiān)測[5-7].數(shù)值模擬可在不同控制條件下進(jìn)行多工況的模擬，可實(shí)現(xiàn)全流場數(shù)據(jù)的實(shí)時再現(xiàn)，且成本較低[8].田豐[9]利用Fluent軟件模擬了理想交叉口同周期內(nèi)連續(xù)兩個相位的機(jī)動車尾氣擴(kuò)散規(guī)律.黃遠(yuǎn)東等[10]運(yùn)用CFD軟件數(shù)值模擬了三種風(fēng)向下T型交叉口內(nèi)空氣流場與污染物擴(kuò)散規(guī)律，并與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比.芮麗燕[11]數(shù)值模擬了9種不同形態(tài)的平面交叉口在不同風(fēng)向下的空氣流動場以及污染物擴(kuò)散情況，利用通風(fēng)評價指標(biāo)分析了不同形態(tài)交叉口的通風(fēng)性能.目前的研究多將車流視為恒定位置排放源，而實(shí)際交叉口內(nèi)車流會根據(jù)信號相位的控制而發(fā)生位置的改變，導(dǎo)致空氣對機(jī)動車污染物的擴(kuò)散規(guī)律產(chǎn)生復(fù)雜變化.本文研究的交叉口物理模型采用Yassin實(shí)施的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，運(yùn)用Fluent軟件模擬兩種典型三相位信號配時控制下T型交叉口內(nèi)機(jī)動車的尾氣擴(kuò)散情況，設(shè)定不同高度及垂直平面，對污染物擴(kuò)散趨勢和計(jì)算域流場流線進(jìn)行分析，同時借助Yassin的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果探究城市道路交叉口內(nèi)污染物擴(kuò)散規(guī)律.

1 T型交叉口尾氣擴(kuò)散的數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值計(jì)算模型確立

本文使用ANSYS DesignModeler軟件進(jìn)行物理建模，以Yassin等[12]在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時所使用的典型T型交叉口為背景，建筑物高度為H(20 m)，整體計(jì)算域大小設(shè)置為50H×16H×15H(長×寬×高)，計(jì)算域示意圖見圖1.采用ICEM CFD對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體采用四面體網(wǎng)格劃分，對靠近污染源的建筑物壁面及地面進(jìn)行局部加密，有限元網(wǎng)格剖分見圖2.

圖1 計(jì)算域示意圖

圖2 有限元網(wǎng)格剖分圖

1.2 邊界條件設(shè)定

計(jì)算模型采用組分輸運(yùn)方程，應(yīng)用有限體積法進(jìn)行離散，設(shè)定離散格式為一階迎風(fēng)，采用SIMPLE算法，流場設(shè)為非定常流動，計(jì)算域入口邊界條件設(shè)置為Velocity-inlet，進(jìn)口來流速度設(shè)定為冪指數(shù)型風(fēng)速設(shè)置(式(1))，出口條件為自由出流，按車道位置建立等效線源，設(shè)置為Massflow-inlet，以CO為研究污染物，排放源強(qiáng)度按線源等效公式計(jì)算，地面及建筑物表面設(shè)置為無滑移壁面[13].

(1)

式中：Uy為y方向(垂直方向)處來流風(fēng)速度，m/s；UH為H高度處自由來流風(fēng)速度，取值為2.9 m/s；y為距地面高度，m；H為建筑高度，取值為20 m；α為風(fēng)輪廓指數(shù)，取值為0.25.

1.3 湍流模型選取及有效性驗(yàn)證

使用k-ε湍流模型計(jì)算域內(nèi)風(fēng)流場變化及污染物擴(kuò)散，F(xiàn)luent包含三種形式k-ε湍流模型(Realizable、RNG、Standard).為使模擬效果最佳，分別選取三種模型進(jìn)行模擬，設(shè)立同一垂直線下不同高度的監(jiān)測點(diǎn)，獲取CO體積分?jǐn)?shù)，得出無量綱濃度進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的對比，進(jìn)而選取合適的湍流模型.對比結(jié)果見圖3，從圖中可知，Realizable模型與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好，故使用Realizable模型進(jìn)行模擬.

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的對比

1.4 模擬方案的建立

本文模擬兩種T型交叉口三信號控制周期內(nèi)的污染物擴(kuò)散過程，兩方案皆為兩相位車流通行方式[14](忽略行人過街相位)，其中方案一設(shè)置為單口放行，方案二設(shè)置為對稱放行，相位設(shè)計(jì)示意圖見圖4.假設(shè)模擬方案背景為城市晚高峰時刻，車輛平均密度設(shè)置為0.19 veh/m，通行狀態(tài)車輛時速為30 km/h，排放因子為61.6 g/(km·veh).忽略電動車輛，視非通行狀態(tài)車輛為怠速待行狀態(tài)，其排放因子為647 g/h[15]，通行狀態(tài)時間均設(shè)為60 s.

(a) 相位一(單口放行) (b) 相位二(單口放行) (c) 相位一(對稱放行) (d) 相位二(對稱放行)圖4 各相位示意圖

2 尾氣擴(kuò)散數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

為便于對T型交叉口內(nèi)進(jìn)行空氣流場和機(jī)動車尾氣擴(kuò)散規(guī)律的分析，設(shè)定各街谷名稱及監(jiān)測點(diǎn)，交叉口各區(qū)域名稱及監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖，見圖5.

圖5 交叉口各區(qū)域名稱及監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

2.1 風(fēng)流場流動規(guī)律分析

車輛通行狀態(tài)隨相位的改變會對研究區(qū)域的風(fēng)流場造成擾動，繼而影響機(jī)動車尾氣的正常擴(kuò)散.圖6給出了計(jì)算域內(nèi)不同相位下的流場流線分布圖，可知:

(a) 相位一(單口放行) (b) 相位二(單口放行) (c) 相位一(對稱放行) (d) 相位二(對稱放行)圖6 不同相位流場流線分布圖

(1)在來流風(fēng)和建筑幾何特征條件相同情況下，不同相位的流場變化具有明顯的差異，其中T型交叉口內(nèi)各相位流場差異最為顯著;

(2)相位方案一(單口放行)條件下，相位一時，街谷1和街谷2流場渦旋數(shù)量基本相同.相位二時，街谷1和街谷2流場產(chǎn)生的渦旋方向呈對稱分布，對街谷2的流場擾亂程度較嚴(yán)重;

(3)相位方案二(對稱放行)條件下，相位一時，朝向街谷2方向的直行車道產(chǎn)生的擾動與交叉口外部來流共同流動導(dǎo)致街谷2的流場更加復(fù)雜，渦旋數(shù)量更多，又因在受限空間內(nèi)來流風(fēng)會帶動街內(nèi)污染物形成繞流運(yùn)動.相位二時，交叉口內(nèi)渦流方向更加紊亂，街谷2尾部流線重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，且大部分流線向街谷3方向流動.兩相位對街谷2的流場擾亂程度較輕;

(4)各相位中，街谷3內(nèi)部流線較規(guī)則且不產(chǎn)生渦旋，隨著流動會在交叉口出口處產(chǎn)生較大范圍水平渦旋.

2.2 污染物擴(kuò)散規(guī)律分析

2.2.1 行人呼吸高度截面污染物擴(kuò)散分布

通過獲取污染物在大氣中的相對體積分?jǐn)?shù)(假設(shè)大氣中只含空氣和CO)，可探究汽車尾氣對周圍環(huán)境的影響程度，圖7給出了各方案不同相位交叉口1.5m高度截面的污染物分布圖，由圖7可見：

(1)CO集中分布在建筑物背風(fēng)側(cè)，擴(kuò)散范圍隨車道位置的改變而不同，鄰近建筑物3一側(cè)受車流尾氣影響最為嚴(yán)重;

(2)各相位下在街谷2內(nèi)不同位置都出現(xiàn)污染斷流分布，該處受機(jī)動車尾氣影響較輕.與街谷1、2相比，街谷3空間相對狹小，污染物擴(kuò)散范圍更廣;

(3)1.5 m高度處方案一的污染物濃度整體維持在穩(wěn)定水平，僅在局部路段出現(xiàn)積聚點(diǎn)，對街谷3影響嚴(yán)重，且污染物整體擴(kuò)散范圍較大，有向交叉口外溢的趨勢，方案二在街谷1尾部呈現(xiàn)重污染區(qū).

(a) 相位一(單口放行) (b) 相位二(單口放行) (c) 相位一(對稱放行)

圖8給出了街谷內(nèi)各相位不同監(jiān)測點(diǎn)處的CO相對體積分?jǐn)?shù)，監(jiān)測點(diǎn)①～⑥為行人過街等待區(qū).由圖8可見：

(1)各監(jiān)測點(diǎn)污染物測量濃度大小為監(jiān)測點(diǎn)③>監(jiān)測點(diǎn)①>監(jiān)測點(diǎn)⑤>監(jiān)測點(diǎn)②>監(jiān)測點(diǎn)④>監(jiān)測點(diǎn)⑥.

(2)監(jiān)測點(diǎn)①、③、⑤處有大量污染物積聚，位于此處的行人受尾氣影響較大，街谷3兩側(cè)整體污染物濃度大小與分布跨度明顯低于街谷1、2.

(3)在相位一(單口放行)狀態(tài)下污染物平均濃度較低，說明街谷內(nèi)污染物稀釋狀態(tài)良好.

圖8 各相位不同監(jiān)測點(diǎn)處的CO相對體積分?jǐn)?shù)

2.2.2 各垂直高度水平截面污染物擴(kuò)散分布

為分析污染物擴(kuò)散隨垂直高度的變化，截取3個不同高度水平截面(6.6 m、12.2 m、17.8 m)，以探討其擴(kuò)散規(guī)律隨垂直高度的擴(kuò)散分布變化，見圖9.

(1)各相位污染物擴(kuò)散變化規(guī)律相似；隨高度升高，污染物主要沿交叉口中心向街谷3擴(kuò)散，并且在街谷1與2交界處和街谷3出口處更為密集.

(2)街谷1出口端污染物擴(kuò)散區(qū)域和濃度明顯增大，有繼續(xù)向外圍蔓延趨勢；街谷2內(nèi)污染物逐步消失殆盡.

(3)建筑物3和4周邊區(qū)域所受的污染影響最大，建筑3所受影響區(qū)域集中分布在兩端與建筑中心靠右處，隨高度增加，兩端位置污染物濃度變低，建筑中心處擴(kuò)散范圍略有增加.

(a) 相位一(單口放行)

3 結(jié)論

本文使用Fluent軟件對T型交叉口內(nèi)不同信號控制情況下機(jī)動車尾氣排放過程進(jìn)行了模擬，獲得了不同工況下的流場流線分布與機(jī)動車尾氣擴(kuò)散范圍，得出以下結(jié)論：

(1)不同相位下，交叉口內(nèi)流場變化差異顯著；方案二條件下，交叉口內(nèi)流線運(yùn)動更加復(fù)雜；同時，街谷3內(nèi)部流線較為規(guī)則，流線受相位改變擾動程度較輕.

(2)在同一水平高度下，污染范圍主要分布于交叉口內(nèi)建筑物背風(fēng)側(cè).濃度基本保持在某一穩(wěn)定范圍，僅在車流交織點(diǎn)和機(jī)動車道出現(xiàn)污染物積聚點(diǎn)，建筑物3受車流尾氣影響較為嚴(yán)重.監(jiān)測點(diǎn)①、③、⑤污染物濃度相對較高，該處的行人在過街等待區(qū)等待時受污染影響較大.

(3)隨垂直高度的上升，污染物主要沿街谷3擴(kuò)散，在交叉口中心與街谷3形成兩個重污染區(qū)域.受此影響，建筑物1和3相對位置所受污染危害較大.