中圖分類號(hào)：X169文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

當(dāng)前社會(huì)正面臨著城市化進(jìn)程加速、城市人口快速增長(zhǎng)以及城市環(huán)境問(wèn)題日益突出的局面。城市環(huán)境問(wèn)題中，有害氣體的泄漏是一個(gè)重要方面，它對(duì)人類健康、環(huán)境質(zhì)量等產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。城市中的大氣污染物主要來(lái)源于交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)和能源消耗等方面，這些污染物不僅會(huì)直接影響城市空氣質(zhì)量，還會(huì)對(duì)人類健康產(chǎn)生負(fù)面影響。影響污染物擴(kuò)散的因素有很多，例如風(fēng)速、建筑物外形、溫度層結(jié)等，而溫度層結(jié)是影響大氣邊界層結(jié)構(gòu)、風(fēng)速、溫度及湍流廓線的主要因素之一。

對(duì)溫度層結(jié)的研究在大氣科學(xué)中具有重要意義。目前中性條件下的大氣邊界層模擬研究成果居多[1-5]，對(duì)于穩(wěn)定層結(jié)的研究也是弱穩(wěn)定條件下大氣邊界層的研究占多數(shù)，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，對(duì)強(qiáng)穩(wěn)定條件下大氣邊界層內(nèi)流場(chǎng)和湍流結(jié)構(gòu)的研究并不多見(jiàn)。Olvera等[應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）研究建筑物在中性及穩(wěn)定層結(jié)下對(duì)污染物擴(kuò)散的影響，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，CFD能夠很好地模擬建筑物周圍污染物的擴(kuò)散。Yassin[]通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了弱穩(wěn)定層結(jié)下建筑物對(duì)周圍流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的影響，但對(duì)于強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)下建筑物對(duì)擴(kuò)散的影響并沒(méi)有涉及。Ohya等人[8-9]研究穩(wěn)定層結(jié)下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其對(duì)大氣邊界層的影響，研究表明穩(wěn)定層結(jié)對(duì)湍流的發(fā)展具有抑制作用，使得整個(gè)邊界層的動(dòng)量和熱通量約等于零；強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)下，低湍流強(qiáng)度和間歇性湍流起主導(dǎo)作用，剪切力造成的湍流受到顯著抑制，同時(shí)渦旋尺寸有所縮??；此外，還會(huì)在邊界層內(nèi)出現(xiàn)重力波等現(xiàn)象，這進(jìn)一步增加了穩(wěn)定層結(jié)的研究難度和復(fù)雜性。Nakamura和Oke^[10] 測(cè)量了不穩(wěn)定條件下街谷的溫度分布，發(fā)現(xiàn)在接近地面時(shí)溫度較高，并隨著高度的增加而降低。Rotach[1]分析了街谷內(nèi)的湍流變化，發(fā)現(xiàn)在中性條件下，湍流的垂直分量隨高度增加而減小，在不穩(wěn)定條件下，垂直分量隨高度的增加而增加。MAHuixin等人[2]分別使用穩(wěn)態(tài)雷諾平均納維-斯托克斯（SRANS）模擬和大渦模擬（LES）研究了孤立建筑物周圍的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)，考慮了污染物與周圍環(huán)境空氣的密度差產(chǎn)生的浮力，研究發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定層結(jié)使污染源上方的濃度波動(dòng)增大，穩(wěn)定層結(jié)對(duì)污染物擴(kuò)散有抑制作用。Uehara等人[13]使用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了總體理查森數(shù)（ Ri_b ，大氣湍流穩(wěn)定性的判據(jù)）從-0.21到0.79不同溫度層結(jié)條件下規(guī)則立方體建筑物群對(duì)污染物擴(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定層結(jié)下街谷內(nèi)湍流動(dòng)能要低于不穩(wěn)定層結(jié)。由于浮力的作用，使得向下流入街谷的氣流減弱，當(dāng) Ri_b 的閾值超過(guò)0.4到0.8時(shí)，街谷風(fēng)速降低到O左右。Bazdidi-Tehrani等人[14]利用LES研究了不同溫度層結(jié)（穩(wěn)定、中性和不穩(wěn)定） 1：1：2 （長(zhǎng)：寬：高）高層建筑物周圍空氣流動(dòng)和污染物擴(kuò)散過(guò)程的影響。Jeong等人[15］使用CFD研究了不同大氣穩(wěn)定條件下單個(gè)立方體建筑物對(duì)近場(chǎng)污染物擴(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)定條件下，建筑物后部的污染物羽流橫向擴(kuò)散，且由于浮力效應(yīng)，污染物沿垂直方向的擴(kuò)散受到抑制，從而導(dǎo)致近地面污染物濃度高于不穩(wěn)定和中性條件下的污染物濃度。

國(guó)內(nèi)已有多位研究人員對(duì)中性層結(jié)下建筑物群周圍的流場(chǎng)及其污染物擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究[16-18]，郭棟鵬等人[19-20]分別研究了不同溫度層結(jié)下孤立建筑物以及建筑群對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，在穩(wěn)定條件下，建筑物尾流區(qū)域的速度和湍流動(dòng)能下降，穩(wěn)定層結(jié)下大氣中湍流動(dòng)能的略微下降與溫度梯度的改變有關(guān)。建筑物對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響主要集中于水平方向，而在垂直方向的影響相對(duì)較小。史學(xué)峰等人[21]模擬了在不同 Ri_b 數(shù)下，孤立建筑物對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)和污染物擴(kuò)散的影響并將模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，研究發(fā)現(xiàn)隨著 Ri_b 數(shù)的增加，建筑物前方靜駐點(diǎn)上移，垂直方向上的污染物分布范圍減小，濃度的最大值逐漸增大。本文使用 k-ε （湍流動(dòng)能 k 和湍流動(dòng)能耗散率 ε ）高雷諾數(shù)湍流模型，主要研究不同 Ri_b 對(duì)1：1：2 （長(zhǎng)：寬：高）高層建筑物周圍流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的影響。

1 數(shù)值模擬

本研究使用CD-adapco公司開發(fā)的計(jì)算流體力學(xué)商業(yè)軟件STAR-CD作為計(jì)算平臺(tái)，采用雷諾平均納維－斯托克斯方程（RANS，ReynoldsAveragedNavier-Stokes）模擬大氣流動(dòng)和污染物擴(kuò)散。由于空氣的流速相對(duì)較低，因此可以將其視為不可壓縮流體。對(duì)于不可壓縮流體，其連續(xù)性、動(dòng)量、能量和物質(zhì)濃度的守恒方程如下：

式中， 為速度矢量； ρ 為密度， kg/m³ ： p 為壓強(qiáng)，Pa;τ 為粘性應(yīng)力張量， Pa ; c_p 為恒壓比熱， J 1 （kg?K） ； k_T 為有效導(dǎo)熱系數(shù)； y_m 為質(zhì)量分?jǐn)?shù)； D_m 為物質(zhì)組分 ?_m 的有效擴(kuò)散系數(shù)； n 為物質(zhì)組分的個(gè)數(shù)； T 為溫度，K； S_B，S_r 和 S_?m 為廣義源項(xiàng)

計(jì)算平臺(tái)基于莫寧-奧布霍夫（MoninObukhov）相似理論來(lái)模擬溫度層結(jié)，CFD模擬入口風(fēng)速、溫度定義如下：

式中， u 為速度， m/s ; u^* 為摩擦速度， m/s z 為高度， m;z₀ 為地面粗糙度， m （204號(hào) ，z₀=0.001m;H 為參考高度， m;θ 為位溫， K;L 為 Monin-Obukhov 長(zhǎng)度; q⁰ 為近地面層的位溫， K;θ^* 為溫度尺度，K;絕熱直減率 為馮卡門常數(shù)， κ= 0.4;Q^h 為地面感熱通量， W/m² ρ 是密度， kg/m³ ;C_p 為定壓比熱， J/?（kg?K） ； 分別為穩(wěn)定度修正函數(shù)，中性條件下， 的值為0。

在穩(wěn)定條件下 ?_m 和 ?_h 的值由下列公式定義：

雷諾數(shù) （Re） 的計(jì)算列于公式（12）：

式中， u_H 為參考高度 H 處的平均流動(dòng)速度， m/s ; v

為運(yùn)動(dòng)學(xué)粘滯系數(shù)。

湍流動(dòng)能 （k，m²/s²） 和湍流耗散 （ε，m²/s³） 曲線的計(jì)算見(jiàn)公式（13）和（14）：

式中， C_μ 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)， C_μ=0.09 。

使用 k-ε 高雷諾數(shù)湍流模型求解穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，采用 SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked）算法同時(shí)求解離散方程[2]。采用二階迎風(fēng)差分格式（QUICK）求解，計(jì)算過(guò)程中所有變量的殘差小于 10^-4 時(shí)結(jié)果收斂。

2 模擬設(shè)置

計(jì)算域設(shè)置為 18H×10H×10H （長(zhǎng) × 寬 × 高），其中 H 為參考高度，并采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。圖1為數(shù)值模擬的幾何表示和網(wǎng)格劃分。數(shù)值模擬邊界條件遵循日本建筑學(xué)會(huì)（AIJ）指南（2008）[23]設(shè)定，人口邊界條件與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)使用完全一致的風(fēng)速廓線和溫度廓線，不同溫度層結(jié)通過(guò)調(diào)整溫度梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)。出口邊界為完全發(fā)展的出口，所有流體均通過(guò)此邊界流出。計(jì)算域兩側(cè)壁面設(shè)置對(duì)稱壁面條件。頂部邊界設(shè)置為光滑的壁面。地面邊界定義為無(wú)滑移壁面條件。入口邊界條件風(fēng)速隨高度變化符合指數(shù)規(guī)律。入口風(fēng)廓線和溫度廓線如圖2所示，由圖可以看出CFDRi_b=0.08 時(shí)的風(fēng)廊線和溫度廓線與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)基本保持一致，以確保模擬的準(zhǔn)確性，并在此基礎(chǔ)上對(duì)不同 Ri_b 的溫度廓線進(jìn)行設(shè)定。

本文在 穩(wěn)定層結(jié)下對(duì)建筑物背風(fēng)側(cè) 0.25H 處進(jìn)行了三種網(wǎng)格獨(dú)立性分析，其中粗網(wǎng)格數(shù)目約為32萬(wàn)，建筑物表面網(wǎng)格尺寸為0.016m ;默認(rèn)網(wǎng)格總數(shù)約為700萬(wàn)，建筑物表面的網(wǎng)格大小設(shè)定為 0.004m ；細(xì)網(wǎng)格總數(shù)約為1200萬(wàn)，建筑物表面網(wǎng)格尺寸為 0.002m 。不同高度的歸一化縱向風(fēng)速 （u/u_H） 如圖3（a）所示。由圖3（a）可知，默認(rèn)網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格對(duì)速度廓線的模擬結(jié)果基本一致，粗網(wǎng)格在 z/H=1.0 附近差別明顯?？紤]到計(jì)算時(shí)間和計(jì)算成本的問(wèn)題，本文選用默認(rèn)網(wǎng)格進(jìn)行模擬。

平衡大氣邊界層是CFD模擬過(guò)程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，為了檢驗(yàn)邊界層的保持性，本文進(jìn)行了空洞實(shí)驗(yàn)，空洞實(shí)驗(yàn)是專門研究流場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一種方法，空洞計(jì)算域與本文數(shù)值模擬的計(jì)算域相同，研究過(guò)程中計(jì)算域內(nèi)部沒(méi)有建筑物，入口廓線與本文相同，且采用默認(rèn)網(wǎng)格并提取計(jì)算域（計(jì)算域長(zhǎng)度為 L_d ）內(nèi) y=0，x=1/3L_d、x=1/ 2 L 、x =" 2 / 3 L" d 處的縱向風(fēng)速 u/u_H ，如圖3（b）所示。由圖3（b）可知，在空洞計(jì)算域內(nèi)，不同位置處的風(fēng)速廓線與入流廓線相比差別較小，由此證明CFD能較好的模擬大氣邊界層

3 模型有效性分析

本研究使用AIJ的開放性數(shù)據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模型有效性分析。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)建筑物的寬度 為 0.08m ，長(zhǎng)度 （D） 為 0.08m ，高度 （H） 為 。人流風(fēng)廓線指數(shù)約為0.27，建筑物高度處的雷諾數(shù) （Re） 約為15000。點(diǎn)狀污染源在距建筑物背風(fēng)側(cè) 0.25H 的地面上，污染源的直徑為 0.031 25H ，示蹤氣體是C₂H₄ ，排放量為 q=9.17×10^-6m³/s. 。表1具體給出了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和CFD的主要參數(shù)。

示蹤氣體的擴(kuò)散采用被動(dòng)擴(kuò)散法，采用歸一化濃度 進(jìn)行比較分析，其中 ∣c∣ 為氣體濃度， 為釋放的示蹤氣體的濃度， c_gas= 5.0×10⁴ppm，q 為源強(qiáng)

圖4、圖5為 Ri_b=0.08 時(shí)風(fēng)向中心軸線上 x/ H=0.125，0.25，0.375 處歸一化速度 u/u_H 和歸一化污染物濃度 K 的CFD和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)比較結(jié)果。由圖可知，不同位置處數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，局部略有差異。主要原因一方面是由于CFD不能準(zhǔn)確估算建筑物背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生的剪切力對(duì)回流區(qū)的影響，另一方面由于CFD不能準(zhǔn)確模擬各項(xiàng)異性湍流應(yīng)力、估算回流區(qū)湍流剪應(yīng)力，低估了建筑物背風(fēng)面區(qū)域的濃度[24]，從而不能較好估算建筑物背風(fēng)側(cè)的高濃度梯度[25] 。

4結(jié)果分析與比較

本文以高層建筑物（ W：D：H=1：1：2） 為研究對(duì)象，研究不同 Ri_b（Ri_bgt;0） 對(duì)建筑物周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和污染物擴(kuò)散的影響。釋放點(diǎn)位于建筑物背風(fēng)側(cè)。分別在 x/H=0.125，0.5，1.0，1.5 處研究歸一化縱向速度和歸一化濃度分布，對(duì)垂直剖面（ ）和水平剖面（ z/H=0. 025 ）的流場(chǎng)、濃度場(chǎng)以及垂直剖面（ 湍流動(dòng)能進(jìn)行分析。

4.1 速度場(chǎng)及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

4. 1. 1 縱向平均速度分布

不同 Ri_b 下建筑物背風(fēng)側(cè)不同位置處的歸一化縱向速度（ ）的CFD數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。由圖可知，在建筑物回流區(qū)范圍內(nèi)（ x/Hlt; 1.0）， z/Hlt;0.4，Ri_b?0.5 時(shí)，氣流運(yùn)動(dòng)受建筑物擾動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械湍流影響，流場(chǎng)變化不明顯；當(dāng) Ri_b ?0.75 時(shí)，強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)作用開始顯現(xiàn)， u/u_H 的值逐漸增大。 x/H=1.5 處， Ri_b?0.75 時(shí)，強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)產(chǎn)生的浮力作用抑制了氣流的垂向運(yùn)動(dòng)，使建筑物下風(fēng)近地面處形成二次回流區(qū)，

4.1. 2 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布

圖7為不同 Ri_b 下建筑物周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的垂直剖面（ ），圖8為不同 Ri_b 下建筑物周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的水平剖面（ z/H=0. 025 ）。由圖7、圖8可知，當(dāng) Ri_b=0.08 時(shí)，建筑物前方靜駐點(diǎn)高度約為 0.6H ，建筑物背風(fēng)側(cè)的尾流再附著長(zhǎng)度為1.4H ，建筑物后方回流區(qū)內(nèi)形成漩渦，并且在建筑物背風(fēng)側(cè)下方還生成小的空腔區(qū)，水平方向上流場(chǎng)受建筑物擾動(dòng)影響的范圍約為 1.6H 。 Ri_b=0.2 時(shí)，建筑物前方靜駐點(diǎn)位置上移，高度約為 0.8H 建筑物背風(fēng)側(cè)尾流區(qū)長(zhǎng)度增加至 1.7H ，水平方向上流場(chǎng)受建筑物擾動(dòng)影響的范圍增加至 1.8H 。 時(shí)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律與 0.08～0.2 時(shí)相反，背風(fēng)側(cè)尾流區(qū)長(zhǎng)度從 1.6H 減小至 1.4H ，這是由于強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)抑制了氣流的運(yùn)動(dòng)，使得強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與層流類似，而弱穩(wěn)定層結(jié)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與湍流相似，兩個(gè)機(jī)制之間的過(guò)渡發(fā)生在 附近，建筑物周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有明顯變化，建筑物前方靜駐點(diǎn)的位置繼續(xù)上移，建筑物頂部回流區(qū)逐漸后移，建筑物背風(fēng)側(cè)尾流再附著長(zhǎng)度開始縮短，背風(fēng)側(cè)漩渦逐漸向建筑物上方移動(dòng)，建筑物背風(fēng)側(cè)下方的空腔區(qū)也逐漸上移，水平方向上的影響范圍開始減小。特別是 Ri_b=1.5 時(shí)，靜駐點(diǎn)高度約為 0.9H ，附著長(zhǎng)度降低至 0.5H ，背風(fēng)側(cè)的漩渦高度達(dá)到最高，但建筑物背風(fēng)側(cè)下方的空腔區(qū)位置降低，同時(shí)水平方向上的影響范圍降低至 1.4H 。結(jié)果表明，弱穩(wěn)定層結(jié)和強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)之間存在臨界理查森數(shù) （Ri_c） ，本文的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)臨界 Ri_c 處于0.2附近。這與Ohya[26]實(shí)驗(yàn)采用的臨界 Ri_c=0.25 較為接近。

綜上所述，當(dāng) Ri_blt;0.5 時(shí)，建筑物前方靜駐點(diǎn)上移，建筑物背風(fēng)側(cè)尾流區(qū)再附著長(zhǎng)度和水平方向受擾動(dòng)的范圍呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，當(dāng) 時(shí)，建筑物頂部回流區(qū)后移，建筑物背風(fēng)側(cè)尾流再附著長(zhǎng)度和水平方向受擾動(dòng)的范圍呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，背風(fēng)側(cè)回流區(qū)內(nèi)的漩渦位置逐漸升高。CFD可以較好地模擬出建筑物迎風(fēng)側(cè)靜駐點(diǎn)、頂部和背風(fēng)側(cè)回流區(qū)位置的變化，及背風(fēng)側(cè)近尾流區(qū)與回流區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)。

總之，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。GUO等人[20應(yīng)用CFD方法研究了不同溫度層結(jié)下建筑物對(duì)流場(chǎng)與污染物擴(kuò)散的影響，ZHANG等人[27]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，均發(fā)現(xiàn)強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)抑制湍流動(dòng)能的發(fā)展， Ri_b 越大，湍流動(dòng)能越弱，建筑物背風(fēng)面回流區(qū)的長(zhǎng)度也越小。本文結(jié)果表明，隨著 Ri_b 的增加，建筑物背風(fēng)側(cè)回流區(qū)的長(zhǎng)度先增大后減小。

4.2 湍流動(dòng)能

不同 Ri_b 下建筑物對(duì)歸一化湍流動(dòng)能（TKE/u_H² ）影響的垂直剖面的CFD模擬結(jié)果如圖9所示。由圖可知，建筑物周圍高 TKE/u_H² 區(qū)域主要分布于建筑物迎風(fēng)角。當(dāng) 時(shí)，建筑物周圍 TKE/u_H² 分布發(fā)生顯著變化，特別是建筑物后方空腔區(qū)域 TKE/u_H² 顯著減小。當(dāng) Ri_b 從0.5增加到1.5，強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)產(chǎn)生的浮力起主導(dǎo)作用，抑制了垂直方向的湍流運(yùn)動(dòng)，使建筑物背風(fēng)側(cè)尾流區(qū)內(nèi) TKE/u_H² 減小，建筑物迎風(fēng)角以及背風(fēng)側(cè)回流區(qū)內(nèi)高 TKE/u_H² 區(qū)域隨著 Ri_b 的增加逐漸消失。

4.3 濃度場(chǎng)

圖10顯示了不同 Ri_b 值下，沿中心軸線在不同位置歸一化濃度 K 的垂直分布。由圖可知，在z/Hlt;0.8，x/H=0.125 位置處，當(dāng) 時(shí)由于受較強(qiáng)機(jī)械湍流的影響，地面濃度的最大值基本相同，煙羽中心最大濃度值的高度也基本相同； Ri_b=0.5 時(shí)溫度層結(jié)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響開始顯現(xiàn)，地面濃度值開始減小； Ri_b=0.75～1.0 時(shí)地面濃度值進(jìn)一步減小，但煙羽中心最大濃度值的高度上升；當(dāng) Ri_b=1.5 時(shí)煙羽中心濃度升高。在 z/Hlt;0.8，x/H=0.5～1.5 時(shí)，此時(shí)氣流逐漸脫離建筑物的影響恢復(fù)至來(lái)流狀態(tài)，當(dāng) Ri_b= 0.08～0.5 時(shí)，地面濃度增大， Ri_b=0.75～1.5 時(shí)，地面濃度減小。 z/Hgt;0.8 時(shí)，隨著 Ri_b 的增加，不同下風(fēng)向距離處煙羽的高度都逐漸降低。

綜上分析，隨著 Ri_b 的增大，煙羽垂直分布范圍減小，煙羽中心最大濃度值的高度逐漸上升，并且地面濃度先增大后減小。這是因?yàn)榇髿馓幱趶?qiáng)穩(wěn)定層結(jié)時(shí)抑制了垂直方向的運(yùn)動(dòng)，在建筑物尾流區(qū)范圍內(nèi)，熱穩(wěn)定性的影響增加了強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)下污染物濃度。

不同 Ri_b 下風(fēng)向軸線污染物擴(kuò)散的垂直剖面（ y/H=0 ）、水平剖面（ z/H=0.025 ）數(shù)值模擬結(jié)果分別如圖11、圖12所示。由圖11、圖12可知，當(dāng)Ri_b 從0.08增大到0.2時(shí)，建筑物周圍的濃度變化差異不大。當(dāng) Ri_b 從0.5增加到1.5時(shí)，由于流場(chǎng)發(fā)生顯著變化，湍流受到了很大的抑制，所以污染物擴(kuò)散也發(fā)生了較大的變化。較強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)抑制了污染物擴(kuò)散，降低了煙羽散布范圍，污染物滯留在建筑物背風(fēng)側(cè)。在水平方向上，煙羽寬度隨著 Ri_b 增大而減小，高濃度區(qū)域逐漸向背風(fēng)側(cè)靠攏。尤其當(dāng) Ri_b=1.5 時(shí)，層結(jié)越穩(wěn)定，湍流明顯減小，建筑物頂部和迎風(fēng)側(cè)回流區(qū)消失，從而使垂直和側(cè)向擴(kuò)散急劇減小，污染物在地面上的濃度增加，受流場(chǎng)影響污染物附著在建筑物背風(fēng)側(cè)壁面上。

由圖11可知，水平方向上（ z/H=0.025 ），隨著 Ri_b 從0.08增加到0.75，風(fēng)向軸線（ x 方向）地面高濃度范圍逐漸減小，而在垂直于風(fēng)向軸線（ y 方向）逐漸增大。比較特別的是 Ri_b=1.5 ，地面高濃度范圍大于 Ri_b=0.75 ，高濃度區(qū)主要集中在建筑物背風(fēng)面附近，主要因?yàn)樵趶?qiáng)穩(wěn)定層結(jié)下，建筑物背風(fēng)側(cè)下方生成了一個(gè)較小的回流空腔區(qū)，污染物被吸附在建筑物背風(fēng)側(cè)附近，使得建筑物近地面濃度增大。

由圖12可知，垂直剖面上 （y= 0） ，隨著 Ri_b 的增大，排放源附近的最大濃度范圍逐漸從排放源上風(fēng)向移動(dòng)到下風(fēng)向，煙羽中心軸線逐漸降低，煙羽高度逐漸向地面傾斜，這是由于強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)作用使建筑物背風(fēng)側(cè)下方形成了回流空腔區(qū)，污染物沒(méi)有向上風(fēng)向擴(kuò)散。

綜上所述，當(dāng) 時(shí)，建筑物周邊的氣流受到風(fēng)切力的強(qiáng)烈作用，從而產(chǎn)生了以機(jī)械湍流為主導(dǎo)的渦流，使得污染物發(fā)生橫向擴(kuò)散。當(dāng) Ri_b?0.75 時(shí)，由溫度產(chǎn)生的熱力湍流起主導(dǎo)作用，在穩(wěn)定層結(jié)下熱力湍流抑制了機(jī)械湍流的發(fā)展，使得靠近壁面的污染物向背風(fēng)側(cè)靠攏，附著在建筑物背風(fēng)側(cè)墻壁上，并且受浮力作用的影響，建筑物下風(fēng)向的污染物高濃度區(qū)主要集中在z/H=0.6 高度附近。

5 結(jié)論

本文針對(duì)高層建筑 （1：1：2） ，釋放源位于建筑物背風(fēng)側(cè)，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和CFD模擬，研究了不同 Ri_b 下建筑物對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和污染物擴(kuò)散的影響。結(jié)果表明：

（1）CFD模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體上基本一致，由于CFD不能準(zhǔn)確估算建筑物背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生的剪切力對(duì)回流區(qū)的影響，因此建筑物背風(fēng)側(cè)回流區(qū)范圍內(nèi)的數(shù)值模擬結(jié)果和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)略有差異。

（2）當(dāng) Ri_bgt;0.2 時(shí)，穩(wěn)定層結(jié)產(chǎn)生的浮力作用抑制了建筑物周圍氣流的運(yùn)動(dòng)，溫度層結(jié)對(duì)流場(chǎng)影響很明顯。隨著 Ri_b 的增大，迎風(fēng)側(cè)靜駐點(diǎn)及背風(fēng)側(cè)回流區(qū)內(nèi)漩渦的位置逐漸向建筑物上方移動(dòng)，建筑物背風(fēng)側(cè)回流區(qū)長(zhǎng)度先增大后減小，水平方向受建筑物擾動(dòng)的影響范圍先增大后減小。

（3）建筑物周圍的高 TKE/u_H² 區(qū)域主要分布于建筑物頂部和下風(fēng)向回流區(qū)域。隨著 Ri_b 的增加，浮力效應(yīng)增強(qiáng)，垂直方向上湍流結(jié)構(gòu)受到抑制，建筑物頂部和迎風(fēng)角的高 TKE/u_H² 區(qū)域逐漸消失，尾流區(qū)內(nèi) TKE/u_H² 逐漸減小。

（4）隨著 Ri_b 的增大，地面污染物濃度先增大后減小，煙羽高度逐漸減小，煙羽中心濃度最大值的高度上升。當(dāng) 時(shí)，建筑物周邊的氣流受到風(fēng)切力的強(qiáng)烈作用，從而產(chǎn)生了以機(jī)械湍流為主導(dǎo)的渦流，使得污染物發(fā)生橫向擴(kuò)散。當(dāng) Ri_b?0.75 時(shí)，穩(wěn)定層結(jié)抑制了機(jī)械湍流的發(fā)展，使得靠近壁面的污染物向背風(fēng)側(cè)靠攏，附著在建筑物背風(fēng)側(cè)墻壁上，并且受浮力作用的影響，建 筑物下風(fēng)向的污染物高濃度區(qū)主要集中在 z/H=0.6高度附近。

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Abstract：The influence of stable stratification with different Richardson numbers （ Ri_b ） on the flow structure and pollutant dispersion around a 1：1：2 （length ∵ width ∵ height） high-rise building using the k -epsilon high Reynolds number turbulence model was simulated. The results show that the temperature stratification significantly affects the flow structure around the building. As Ri_b increases， the leeward stagnation point gradually moves towards the top of the building，the recirculation region on the top of the building shifts backward，and the length of the recirculation region onthe windward side of the building first increases and then decreases. The vortex position gradually moves above the building. The high TKE/u_H² region around the building is mainly distributed on the top of the building and in the downwind recirculation region.As Ri_b （204 increases， the TKE/u_H² decreases in the top and wake regions of the building. With increasing Ri_b ，the groundlevel pollutant concentration first increases and then decreases，the height of the downwind plume gradually decreases，and the maximum concentration in the plume rises.

Key words ： numerical simulation ; stable stratification ; high-rise building; dispersion