劉建峰 王寶慶 牛宏宏 劉博薇 任自會 陳榮會 王澤北

(南開大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300071)

計算流體力學模擬街道峽谷特征和風向?qū)氼w粒物污染擴散的影響*

劉建峰 王寶慶#牛宏宏 劉博薇 任自會 陳榮會 王澤北

(南開大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300071)

街道峽谷結構和風向會對街道峽谷內(nèi)的污染物濃度和擴散特征帶來一定影響。利用計算流體力學(CFD)軟件，針對街道峽谷高寬比、建筑物間隔(建筑物間空隙與街道總長度的比值)和風向?qū)值缻{谷內(nèi)細顆粒物擴散的影響進行數(shù)值模擬。模擬結果表明，建筑物間隔為20%，風向為北風，風速為3m/s，街道峽谷高寬比分別為1∶2、1∶1和2∶1時，街道中心線距地面1.5m高度細顆粒物最大質(zhì)量濃度分別位于-19.3、-88.0、-19.3m(以與街道中心點的距離計，正值表示在街道中心點以東，負值表示在街道中心點以西，下同)位置，為37.5、46.4、28.4μg/m3。街道峽谷高寬比為1∶1，風向為北風，風速為3m/s，建筑物間隔分別為0、20%和40%時，街道中心線距地面1.5m高度的細顆粒物最大質(zhì)量濃度分別位于148.0、-92.3、-186.7m位置，為88.1、31.6、33.7μg/m3。街道峽谷高寬比為1∶1，建筑物間隔為20%，風速為3m/s，且分別處于西風、北風和西南風時，街道中心線距地面1.5m高度的細顆粒物最大質(zhì)量濃度分別位于165.3、58.0、1.5m位置，為10.6、11.2、16.0μg/m3?？梢?，CFD模擬近地面污染物擴散時應考慮街道峽谷結構和風向的影響。

街道峽谷 細顆粒物擴散 計算流體力學 結構

最近幾年，許多流行病學的研究顯示，道路污染能對人群健康產(chǎn)生不利影響，可能引起呼吸系統(tǒng)疾病、心血管病、出生缺陷、癌癥和死亡[1]。隨著機動車數(shù)量的迅猛增加，空氣污染問題在中心城區(qū)尤為嚴峻。街道兩側高樓聳立，與狹長的街道形成“街道峽谷”建筑結構。街道峽谷的特點不利于峽谷內(nèi)的污染物擴散稀釋，從而導致局部區(qū)域污染加重[2-3]。街道峽谷兩旁的建筑結構決定著峽谷內(nèi)風場的流動類型，車輛排放的污染物濃度在一定時間內(nèi)得以聚集，可能導致峽谷內(nèi)的空氣質(zhì)量惡化[4-5]。為了解街道峽谷內(nèi)的空氣流場和污染物擴散模式，一般采用計算機模擬[6-7]、風洞試驗[8-9]或現(xiàn)場測量[10-12]進行研究。

OKAMOTO等[13]發(fā)展了2D數(shù)值模型AQSM用以研究街道峽谷污染分布，該模型包含兩個模塊，一個是風場模塊，另一個是擴散模塊。ADDISON等[14]提出了預測街道峽谷內(nèi)污染物空間分布的理論依據(jù)。XIA等[15]利用2D風場模型和拉格朗日模型，研究建筑物結構和流場對污染物擴散的影響。國內(nèi)研究者利用計算流體力學(CFD)軟件對街道峽谷污染物擴散進行了相關研究[16-23]，針對的污染物主要是CO、NOx、PM10和碳氫化合物(HC)。但是關于街道峽谷內(nèi)細顆粒物污染的研究不多，污染擴散規(guī)律還需要進一步探究。

由于計算機性能的提高和CFD軟件的開發(fā)，對街道峽谷復雜結構內(nèi)流場和污染物擴散的模擬越來越精確[24]。如果初始條件和邊界條件已知，對任何結構、不同環(huán)境條件下的街道峽谷，CFD軟件均可進行模擬。而現(xiàn)場測量只能測得現(xiàn)場條件下的速度場和污染物濃度場；風洞試驗雖可對不同結構下的峽谷速度場和污染物濃度場進行模擬測量，但需要花費大量費用。

本研究采用CFD軟件，對不同街道結構和風向條件下的街道峽谷內(nèi)的細顆粒物擴散進行模擬，并著重關注呼吸高度(1.5 m)處的細顆粒物濃度，為城市規(guī)劃、交通規(guī)劃及房屋設計提供借鑒。

1 研究對象

選取天津市南京路比較典型的路段——衛(wèi)津路至萬全道為研究對象。南京路位于天津市市區(qū)的中心位置，具有較大的車流量和較為嚴重的交通擁堵現(xiàn)象，由于兩側建筑物高大、人口密度相對集中，因此具有典型的城市街道峽谷特征。南京路是雙向9車道城市主干道，街道總寬約50 m，其中機動車車道寬度約為28 m，兩側非機動車道和人行道總寬均為11 m，路段長度約為425 m，兩側建筑物平均高度約為70 m。

2 CFD模擬

2.1 模擬方程

流體流動受守恒定律支配，主要包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。湍流模型是CFD的主要組成部分之一，主要包括以下幾種模型：單方程模型、標準k—ε模型、重整群(RNG)k—ε模型、可實現(xiàn)性k—ε模型、標準k—ω模型、壓力修正k—ω模型、雷諾應力(RSM)模型、大渦模擬(LES)模型等。

黃遠東等[25]采用CFD軟件Fluent中7種不同的湍流模型對城市街道峽谷內(nèi)的氣流運動和污染物擴散進行了數(shù)值模擬，將模擬結果與風洞試驗數(shù)據(jù)進行對比分析表明：標準k—ε模型的總體預測效果最好；RNGk—ε模型、可實現(xiàn)性k—ε模型以及RSM模型的預測效果次之；而標準k—ω模型和單方程模型的預測效果較差。謝海英等[26]通過數(shù)值模擬和風洞試驗，得出了相似的結論。

在街道峽谷問題的研究中，由于建筑物近壁區(qū)內(nèi)雷諾數(shù)較低，湍流應力小，導致湍流不能充分發(fā)展，需要引入壁面函數(shù)進行近壁面流動修正。方平治等[27]通過同濟大學TJ-2風洞模擬研究得出，標準壁面函數(shù)適用于粗糙度較小的風場模擬，修正的壁面函數(shù)適用于粗糙度較大的風場模擬。

Fluent除了可以求解流體(連續(xù)相)流動問題之外，還可以求解存在顆粒、液滴、氣泡等離散相的多相流問題。求解多相流問題一般有兩種方法，分別為多相流模型和離散相(DPM)模型。顆粒運動在Fluent中可通過DPM模型計算[28-29]。

本研究利用CFD軟件Fluent 14.0進行街道峽谷內(nèi)污染物擴散的三維湍流數(shù)值模擬，模型的建立和網(wǎng)格劃分是利用Fluent的前處理軟件ICEM CFD完成。對街道峽谷模擬的湍流模型選擇標準k—ε模型，并采用標準壁面函數(shù)法消除近壁面流動的影響。在DPM模型應用中采用氣固耦合的方式進行求解，在進行流場運算的同時進行顆粒相的運算。

2.2 計算區(qū)域的選擇和幾何模型的建立

如圖1所示，計算區(qū)域安全距離選擇入口邊界至街道峽谷5H處，兩側至街道峽谷均為5H，街道峽谷至出口邊界為10H，總高度為8H。

以實際街道衛(wèi)星圖為原型，將街道峽谷進行適當簡化并建立幾何模型。幾何建模結果如圖2所示。

由于本研究的區(qū)域模型較不規(guī)則，因此選用非結構化網(wǎng)格進行模型的網(wǎng)格劃分。為減少計算量并且不影響計算精度，將入口及街道峽谷處進行了一定的加密處理，在近地面處采用棱柱網(wǎng)格。最終的網(wǎng)格劃分結果為：網(wǎng)格單元總數(shù)約為370萬個，節(jié)點數(shù)約為71萬個，最小網(wǎng)格尺寸約為1 m。經(jīng)Fluent網(wǎng)格檢驗，無負體積出現(xiàn)，表明該網(wǎng)格可以進行數(shù)值計算。

注：H為街道峽谷高度，m。圖1 街道峽谷模擬計算區(qū)域Fig.1 Computational area of street canyon

注：x為街道中心線上距街道中心點的的距離，m，中心點西側為負，東側為正。

圖2街道峽谷的幾何模型
Fig.2 Geometric model of street canyon

2.3 邊界條件和源強的確定

入口邊界條件：速度入口平均風速遵循指數(shù)律分布，如式(1)所示。

Ui=U0(Zi/Z0)α

(1)

式中：Ui和U0分別為高度Zi和Z0(10 m)處對應的平均風速，m/s；α為大氣穩(wěn)定度參數(shù)。根據(jù)天津市平均風速，U0取3.0 m/s，α取0.22。

出口邊界條件：設置為充分發(fā)展流動。下邊界為無滑移固體壁面，兩側邊界和上邊界為對稱邊界。建筑物壁面為無滑移固體壁面。

劉川等[30]對深圳市機動車細顆粒物排放因子進行了測試研究，利用線性回歸，計算得出重型車、輕型車的細顆粒物綜合排放因子分別為160.8、15.7 mg/(km·輛)。天津市和平區(qū)南京路研究路段高峰期間車流量為3 600輛/h，輕型車與重型車數(shù)量比約為11∶1，計算得出細顆粒物源強為1.18×10-5kg/s。

2.4 區(qū)域風向分布

由于全年風向未全面獲取，分別繪制2015年8月和2016年1月的風玫瑰圖代表夏季和冬季的風向分布，如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可以看出，天津市在夏季和冬季的主導風向不同，但北風和西南風是主導風向。因此，在討論風向?qū)值缻{谷細顆粒物擴散的影響時，模擬了北風和西南風。

圖3 天津市2015年8月的風玫瑰圖Fig.3 Tianjin’s wind rose in August 2015

圖4 天津市2016年1月的風玫瑰圖Fig.4 Tianjin’s wind rose in January 2016

3 分析與討論

3.1 研究區(qū)域背景值

選擇2015年10月和11月空氣中細顆粒物濃度較低的兩天，在街道峽谷內(nèi)無機動車通過的情況下利用光學顆粒物粒徑譜儀(OPS)進行研究區(qū)域背景值測量，測量結果如表1所示。由表1可以看出，距地面不同高度處，街道峽谷中心線的細顆粒物背景值隨高度的增加而降低。

表1 不同高度處街道峽谷中心線的細顆粒物背景值

3.2 街道峽谷高寬比(H/W)的影響

在風向為北風，風速3 m/s，建筑間隔(建筑物間空隙與街道總長度的比值)為20%的條件下，設置3種不同的街道峽谷H/W(1∶2、1∶1、2∶1)，依次對應寬峽谷、理想峽谷和深窄型峽谷。模擬時街道寬度不變，調(diào)整建筑物高度。

街道峽谷H/W分別為1∶2、1∶1、2∶1時，0.2、1.0、1.5 m高度處街道中心線細顆粒物濃度的模擬結果見圖5，最大濃度及位置見表2。

由表2可以得出，不同H/W都呈現(xiàn)出距地面越近，細顆粒物最大濃度越高的特征。在街道峽谷H/W為1∶2時，不同高度處街道中心線細顆粒物的最大濃度出現(xiàn)在x=-19.3 m位置；其中，距地面1.5 m高度處，細顆粒物最大質(zhì)量濃度為37.5 μg/m3。而街道峽谷H/W分別為1∶1、2∶1時，距地面1.5 m高度處，街道中心線細顆粒物最大質(zhì)量濃度均分別出現(xiàn)在x=-88.0、-19.3 m位置，分別為46.4、28.4 μg/m3。

圖5 街道峽谷H/W=1∶2、1∶1、2∶1時，不同高度處街道中心線的細顆粒物質(zhì)量濃度Fig.5 Fine particulate matters concentration of street central line for H/W of 1∶2,1∶1 and 2∶1 at different heights above ground

參數(shù)H/W=1∶20.2m高度1.0m高度1.5m高度H/W=1∶10.2m高度1.0m高度1.5m高度H/W=2∶10.2m高度1.0m高度1.5m高度x/m-19.3-19.3-19.3-88.0-92.3-88.0-19.3-19.3-19.3細顆粒物最大質(zhì)量濃度/(μg·m-3)78.352.937.584.361.446.446.034.828.4

街道峽谷H/W通過影響建筑物頂部繞流和建筑物間隙流，從而影響細顆粒物擴散。在街道峽谷H/W=1∶2的條件下，由于街道峽谷建筑物相對較低，建筑物頂部繞流較強，建筑物間隙流較弱，街道峽谷內(nèi)部近地面處渦流明顯且分布均勻；在街道峽谷H/W=1∶1的條件下，建筑物間隙流增強，進入街道峽谷的氣流量相應較大，建筑物背風面產(chǎn)生的回流較少，穿過街道峽谷另一側建筑間隙的氣流增多；在街道峽谷H/W=2∶1的條件下，建筑物間隙流進一步加強，建筑物頂部繞流相對減弱，街道峽谷內(nèi)流場分割成低速和高速相間的流場形式，流場分布比較復雜?？梢姡S著街道峽谷H/W的增大，建筑物間隙流增大，建筑物頂部繞流減小，近地面處細顆粒物濃度大體減小。

3.3 建筑物間隔的影響

在風向為北風、風速為3 m/s、街道峽谷H/W=1∶1的條件下，建筑物間隔(建筑物間空隙與街道總長度的比值)分別為0、20%、40%時，0.2、1.0、1.5 m高度街道峽谷中心線細顆粒物分布見圖6，最大濃度及位置見表3。

由表3可以看出，在不同建筑物間隔下都呈現(xiàn)出距地面越近，細顆粒物最大濃度越高的特征。在建筑物間隔為0時，不同高度處街道中心線細顆粒物的最大濃度集中在x≈150 m位置；其中，距地面1.5 m高度處，細顆粒物最大質(zhì)量濃度出現(xiàn)在x=148.0 m位置，為88.1 μg/m3。而建筑物間隔為20%和40%時，距地面1.5 m高度處，街道中心線細顆粒物的最大質(zhì)量濃度分別出現(xiàn)在x=-92.3、-186.7 m位置，為31.6、33.7 μg/m3。

圖6 建筑物間隔為0、20%、40%時，不同高度處街道峽谷中心線的細顆粒物質(zhì)量濃度Fig.6 Fine particulate matters concentration of street central line for architecture gap of 0,20%,40% at different heights above ground

參數(shù)建筑物間隔00.2m高度1.0m高度1.5m高度建筑物間隔20%0.2m高度1.0m高度1.5m高度建筑物間隔40%0.2m高度1.0m高度1.5m高度x/m148.0152.0148.0-92.3-92.3-92.3-186.7-186.7-186.7細顆粒物最大質(zhì)量濃度/(μg·m-3)173.0114.088.135.933.331.671.149.433.7

圖7 風向為西風、北風和西南風時，不同高度處街道峽谷中心線的細顆粒物質(zhì)量濃度Fig.7 Fine particulate matters concentration of street central line for wind direction of west, north and southwest at different heights above ground

當建筑物間隔為0時，近地面氣流從街道峽谷兩側產(chǎn)生繞流，分別產(chǎn)生一個順時針旋渦和一個逆時針旋渦，且兩個旋渦的回旋氣流通過另一側建筑物間隔進入街道峽谷。街道峽谷進氣氣流主要是兩側回旋氣流，其由建筑物間隔進入，穿過街道并沿著建筑物背風面產(chǎn)生“爬墻效應”，最終向街道峽谷兩端運動匯入繞流氣流?？傮w而言，街道峽谷內(nèi)部流場相對穩(wěn)定，渦流較少，紊流程度低，不利于污染物的擴散。街道峽谷內(nèi)部細顆粒物主要在建筑物迎風面區(qū)域聚集，且細顆粒物分布連續(xù)，污染濃度比較均勻。當建筑物間隔為20%時，近地面氣流同樣從街道峽谷兩側繞流并產(chǎn)生回流，與建筑物間隔為0的情況相比，街道峽谷建筑物間隙流氣流量增大，氣流交換率增大。同時，在來流氣流與反向的回旋氣流相互作用下，產(chǎn)生一定數(shù)量的渦流，街道峽谷內(nèi)部紊流程度增加，對流擴散作用相對增強。細顆粒物濃度分布不連續(xù)且不均勻，相比建筑物間隔為0的情況，細顆粒物濃度明顯減小。當建筑物間隔為40%時，街道峽谷流場與建筑物間隔為20%時差異明顯。隨著建筑物間隔的進一步加大，建筑物間隙流的氣流量進一步增大，由于氣流直接穿過街道并流出街道峽谷，使街道峽谷兩側的回流旋渦受到破壞，街道峽谷內(nèi)部渦流較少，在街道峽谷外側建筑物背風面形成渦流。街道峽谷內(nèi)部氣流場及細顆粒物分布被間隙氣流切割而呈現(xiàn)分段特征，即間隙處風速大，細顆粒物濃度低，無間隙處風速小，對流擴散作用較小，細顆粒物聚集產(chǎn)生相對嚴重的局部污染。

總體而言，隨著建筑物間隔的增加，街道峽谷內(nèi)外氣流的交換率增加，街道峽谷內(nèi)部的對流擴散作用增強，街道峽谷中心線的細顆粒物基本呈現(xiàn)降低趨勢，但是由于間隙流的作用，相比于建筑物間隔為20%時，建筑物間隔為40%時的街道峽谷中心線的細顆粒物濃度在局部位置有所增加。

3.4 風向的影響

在風速為3 m/s，街道峽谷H/W=1∶1，建筑物間隔為20%的條件下，設置不同風向(包括西風、北風和西南風)，距地面高度0.2、1.0、1.5 m處街道峽谷中心線細顆粒物分布見圖7，最大濃度及位置見表4。

表4 風向為西風、北風和西南風時，不同高度處街道峽谷中心線的細顆粒物最大濃度及位置

由表4可以得出，在不同風向下都呈現(xiàn)出距地面越近，細顆粒物濃度越高的特征。風向為西風時，不同高度處街道中心線細顆粒物的最大濃度集中在x≈160 m位置；其中，距地面1.5 m高度處，細顆粒物最大質(zhì)量濃度出現(xiàn)在x=165.3 m位置，為10.6 μg/m3。風向為北風和西南風時，距地面1.5 m高度處，街道中心線細顆粒物的最大質(zhì)量濃度分別出現(xiàn)在x=58.0、1.5 m位置，為11.2、16.0 μg/m3。

在不同風向下，街道峽谷由于其自身的結構特點，均會產(chǎn)生不同程度的“街道峽谷效應”，即氣流通過建筑物間隔和街道峽谷時，出現(xiàn)風速增大(增大到約6 m/s左右)、風向改變的普遍特征。風向不同，街道峽谷內(nèi)的氣流運動規(guī)律不同：風向為西風時，街道峽谷內(nèi)部流場相對穩(wěn)定；風向為西南風時，街道峽谷流場呈現(xiàn)出明顯的分段特征；風向為北風時，渦流、紊流現(xiàn)象較為明顯，街道峽谷內(nèi)湍流程度較大。因此，街道峽谷內(nèi)細顆粒物呈現(xiàn)不同的空間分布特征，在水平方向上細顆粒物主要隨運動氣流遷移并累積。風向為西風時，街道峽谷內(nèi)擴散作用強，細顆粒物濃度低；風向為北風時，渦流中心區(qū)域污染物容易積聚，局部污染在建筑物背風面較為嚴重。在垂直方向上，隨著水平高度的升高，細顆粒物濃度逐漸降低，相比西風，風向為北風時街道峽谷內(nèi)風速小、細顆粒物水平遷移慢，垂直方向擴散速度相對較慢。因此，風向為西風或者風向與街道峽谷軸向夾角較小時更有利于街道峽谷內(nèi)細顆粒物的稀釋擴散。

4 結 論

(1) 隨著街道峽谷H/W的增大，建筑物間隙流增強，建筑物頂部繞流相對減弱。建筑物間隔為20%，風向為北風，風速為3 m/s，街道峽谷H/W分別為1∶2、1∶1和2∶1時，1.5 m高度處，街道中心線細顆粒物最大質(zhì)量濃度分別位于x=-19.3、-88.0、-19.3 m位置，為37.5、46.4、28.4 μg/m3。

(2) 隨著建筑物間隔的增加，街道峽谷內(nèi)外氣流的交換率增加，街道峽谷內(nèi)部的對流擴散作用增強。街道峽谷H/W為1∶1，風向為北風，風速為3 m/s，建筑物間隔分別為0、20%和40%時，街道中心線距地面1.5 m高度的細顆粒物最大質(zhì)量濃度分別位于x=148.0、-92.3、-186.7 m位置，為88.1、31.6、33.7 μg/m3。

(3) 風向為西風時，街道峽谷內(nèi)的擴散作用強，細顆粒物濃度最低。街道峽谷H/W為1∶1，建筑物間隔為20%，風速為3 m/s，且分別處于西風、北風和西南風時，街道中心線距地面1.5 m高度的細顆粒物最大質(zhì)量濃度分別位于x=165.3、58.0、1.5 m位置，為10.6、11.2、16.0 μg/m3。

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ACFDsimulationoftheeffectofstreetcanyonconfigurationsandwinddircetiononfineparticulatemattersdispersion

LIUJianfeng,WANGBaoqing,NIUHonghong,LIUBowei,RENZihui,CHENRonghui,WANGZebei.

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,NankaiUniversity,Tianjin300071)

The configurations of a real street canyon and wind directioon were considered to study their influence on the dispersion of fine particulate matters. The ratio of architecture height to street width (H/W) of street canyon,the gaps between buildings (ratio of the gap between buildings to the total length of the street) and wind dircetion were discussed. Computational fluid dynamics (CFD) software was used to simulate the detailed flow,turbulence characteristics and fine particulate matters dispersion distribution in street canyon. The results indicated the maximum fine particulate matters dispersion concentration of street central line were 37.5,46.4 and 28.4 μg/m3for the site of street central line of -19.3,-88.0 and -19.3 m (at the distance from the center of the street,the positive value indicated east of the street center,while the negative value indicated west of the street center,and the same below),respectively when the gap between buildings was 20%,wind direction was north,wind speed was 3 m/s andH/Wwas 1∶2,1∶1 and 2∶1 at 1.5 m above ground. The maximum fine particulate matters dispersion concentration of street central line were 88.1,31.6 and 33.7 μg/m3for the site of street central line of 148.0, -92.3 and -186.7 m,respectively whenH/Wwas 1∶1,wind direction was north,wind speed was 3 m/s and the gaps between buildings were 0,20%,40% at 1.5 m above ground. The maximum fine particulate matters dispersion concentration of street central line were 10.6,11.2 and 16.0 μg/m3for the site of street central line of 165.3,58.0,1.5 m respectively,whenH/Wwas 1∶1,the gap between buildings was 20%,wind speed was 3 m/s and wind directions were west,north and southwest at 1.5 m above ground. These results suggested that street canyon configuration and wind direction should be taken into account in modeling fine particulate matters dispersion.

street canyon； fine particulate matters dispersion； CFD； configuration

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.005

2016-02-18)

劉建峰，女，1991年生，碩士研究生，主要從事空氣環(huán)境污染模擬。#

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*國家留學基金委員會訪問學者基金資助項目(No.201406205010)；環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(No.201009032)；國家重大科學儀器專項(No.2011YQ060111)。