馬 喆，李志強(qiáng)，張曉旭，周 陽(yáng)

(1.天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 天津300191；2.天津市大氣污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津300191)

0 引 言

在大量的環(huán)境規(guī)劃和環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中發(fā)現(xiàn)，在錯(cuò)綜復(fù)雜的城市、近郊的空間布局中，建筑物的體量越來(lái)越大、高度越來(lái)越高、密度越來(lái)越大，改變了原有大氣污染物高空稀釋擴(kuò)散的空間，對(duì)人體健康產(chǎn)生重大影響。近年來(lái)，大氣污染物在城市內(nèi)的擴(kuò)散問(wèn)題一直是研究熱點(diǎn)[1]。

大氣污染擴(kuò)散模型是研究大氣污染的有力工具，是環(huán)境規(guī)劃及環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作領(lǐng)域中的重要技術(shù)工具，同時(shí)也是環(huán)境科學(xué)長(zhǎng)期關(guān)注和研究的領(lǐng)域。目前大氣污染擴(kuò)散研究采用的擴(kuò)散模式主要為高斯模式。由于該模型適用條件已經(jīng)不滿足當(dāng)前環(huán)保工作的需要，特別是熱電廠采用煙塔合一排放方式的出現(xiàn)，對(duì)常規(guī)應(yīng)用的穩(wěn)態(tài)遠(yuǎn)距離以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)理論的高斯大氣預(yù)測(cè)方法提出了挑戰(zhàn)，引發(fā)了大氣污染物擴(kuò)散預(yù)測(cè)方法的進(jìn)一步探討。

“煙塔合一”技術(shù)是將鍋爐產(chǎn)生的煙氣通過(guò)自然通風(fēng)冷卻塔排放進(jìn)大氣的技術(shù)。其原理是將電站鍋爐產(chǎn)生的煙氣，通過(guò)管道進(jìn)入冷卻塔，在冷卻塔淋水面上方排出，跟隨冷卻塔中的上升氣流進(jìn)入大氣，并利用水蒸氣在外環(huán)境釋放的潛熱進(jìn)行抬升，從而實(shí)現(xiàn)煙氣中污染物擴(kuò)散的工程方式。

許多學(xué)者對(duì)復(fù)雜地形的流場(chǎng)以及污染物擴(kuò)散研究進(jìn)行探索[2-5]。與傳統(tǒng)大氣污染擴(kuò)散模式相比，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamic，CFD)具有計(jì)算分辨率更高，對(duì)流場(chǎng)的模擬更加細(xì)致等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，大氣研究學(xué)者開始嘗試?yán)糜?jì)算流體軟件研究流場(chǎng)和污染物的擴(kuò)散[6-9]。

本研究針對(duì)近年來(lái)環(huán)保領(lǐng)域煙塔合一排放方式特有的排放特征，以熱電廠煙塔合一排放的煙氣對(duì)周邊規(guī)劃建設(shè)的住宅小區(qū)造成的環(huán)境影響為研究對(duì)象，采用數(shù)值風(fēng)洞模型的方法，預(yù)測(cè)濱海新區(qū)某熱電廠工程煙塔合一大氣污染物擴(kuò)散對(duì)周邊環(huán)境敏感目標(biāo)的影響程度，并分析由于小區(qū)內(nèi)部大氣流場(chǎng)分布不均勻而形成的污染分布特征。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

選取天津市濱海新區(qū)某規(guī)劃建設(shè)的保障性住宅項(xiàng)目為研究對(duì)象，該住宅項(xiàng)目選址位于天津?yàn)I海新區(qū)核心區(qū)北塘片區(qū)，住宅小區(qū)占地面積24.7萬(wàn)m2，總建筑面積41.2萬(wàn)m2，該項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)住宅、商業(yè)配套、公建配套，住宅類型包括7層住宅以及18～20層高層住宅。

該住宅區(qū)項(xiàng)目西南側(cè)300,m處為天津市濱海新區(qū)一座熱電廠工程場(chǎng)址。該熱電廠建設(shè)已于2010年6月獲得環(huán)保部批復(fù)，目前工程正在建設(shè)過(guò)程中。熱電廠工程建設(shè)2×300,MW燃煤機(jī)組，采用煙塔合一方式排煙，冷卻塔高度110,m。因此熱電廠排煙冷卻塔邊緣距住宅小區(qū)的住宅樓最近距離為550,m，電廠通過(guò)冷卻塔排放的煙氣可能對(duì)本項(xiàng)目住宅樓造成一定影響。熱電廠煙塔合一排放煙氣的參數(shù)見表1。

1.2 物理模型及計(jì)算方法

本研究以計(jì)算流體力學(xué)、熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建大氣邊界層、建構(gòu)筑物、熱交換、污染物狀態(tài)數(shù)值風(fēng)洞模型。

表1 煙塔合一排放參數(shù)表Tab.1 Emission parameters of smoke tower

數(shù)值風(fēng)洞是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)與數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。前置幾何處理及CFD求解器、CFD數(shù)據(jù)可視化、圖形用戶界面以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)值風(fēng)洞軟件系統(tǒng)的核心技術(shù)。數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)已經(jīng)成為科學(xué)研究和工程實(shí)踐中的一個(gè)不可或缺的工具，采用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)可以在很大程度上避免理論和實(shí)驗(yàn)的困難及缺陷。數(shù)值風(fēng)洞模擬包括數(shù)值計(jì)算方法、計(jì)算網(wǎng)格生成、湍流模型等內(nèi)容。目前，主要的數(shù)值模擬方法可分為：有限差分法、有限元法、有限體積法和渦方法。有限體積法物理意義明確，能夠保證離散方程的守恒特性，同時(shí)繼承了有限差分和有限體積法的優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)值風(fēng)洞的商用軟件中應(yīng)用最為廣泛。網(wǎng)格生成可采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其中的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有構(gòu)造方便、自適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)計(jì)算域局部網(wǎng)格加密有較好的表現(xiàn)。

①連續(xù)性方程

連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的具體表述形式。它是對(duì)流體采用連續(xù)介質(zhì)模型，速度和密度都是空間坐標(biāo)及時(shí)間的連續(xù)、可微函數(shù)。

對(duì)于三維不定常流，用 x、y、z表示空間直角坐標(biāo)，用 u、v、w作為質(zhì)點(diǎn)的速度 U 的分量，ρ是流體的密度，則具體數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

②三維N-S方程

三維 N-S方程實(shí)質(zhì)上是微分形式的動(dòng)量方程，見式(2)至式(4)。對(duì)任一流動(dòng)系統(tǒng)而言均遵循著動(dòng)量定理，即微元系統(tǒng)內(nèi)流體的動(dòng)量隨時(shí)間的變化率等于作用在該微元系統(tǒng)上所有外力之和。該定律實(shí)際上是牛頓第二定律。

式中：fx、fy、fz分別為質(zhì)量力的分量，N/m2；p 為大氣壓力，Pa。

③湍流方程

在實(shí)際工程湍流計(jì)算中 k-ε 二方程模型應(yīng)用最廣，本次研究即以 k-ε 二方程模型為主。k-ε 二方程模型中的k指單位質(zhì)量流量的湍流脈動(dòng)動(dòng)能，ε 指脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率。在引入一些假設(shè)后，由N-S方程推得的 k-ε 方程如下：

式中：k為湍流動(dòng)能；i為自由指標(biāo)；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)；ε為湍流中單位質(zhì)量流體脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率；σk為湍動(dòng)能的湍流普朗特?cái)?shù)，取1.0；C1ε、C2ε、C3ε均為模型常量；Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由于浮力影響而引起的湍流動(dòng)能；YM為在可壓縮湍流中脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散的影響；μt為湍流粘性系數(shù)(流體力學(xué)的公式中一般變量均為無(wú)量綱，下同)。

k-ε 流動(dòng)方程的湍流普朗特?cái)?shù)表示在氣體里動(dòng)量的分子擴(kuò)散系數(shù)與熱量的分子擴(kuò)散系數(shù)的比值。

④熱傳質(zhì)方程

熱傳質(zhì)是由于溫度差所引起的能量傳遞過(guò)程，以及因物質(zhì)組分濃度差異而伴隨發(fā)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象。熱傳質(zhì)是以導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱為傳遞過(guò)程的基本形式及建立經(jīng)典理論框架的基本內(nèi)涵，加上基本形式的耦合及其與各種基本原理和應(yīng)用深層交叉融合衍生的傳遞現(xiàn)象。

能量方程的形式為：

式中：E為單位質(zhì)量流體的存儲(chǔ)能；P為靜壓；T為溫度；hj為組分j所占的比例；uj為速度；(τij)eff為有效的切應(yīng)力張量；uj(τij)eff為耗散功；keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；Jj為組分j的擴(kuò)散流量；Sh為化學(xué)反應(yīng)熱以及其他定義的體積熱源項(xiàng)。該方程右邊前3項(xiàng)分別描述了熱傳導(dǎo)、組分?jǐn)U散和黏性耗散帶來(lái)的能量運(yùn)輸。

1.3 建立數(shù)值風(fēng)洞模型

利用 Fluent前置軟件 Gambit建立三維預(yù)測(cè)模型，劃分網(wǎng)格并設(shè)置基本邊界條件，建立包括住宅小區(qū)樓體和熱電廠排煙冷卻塔在內(nèi)的三維數(shù)值風(fēng)洞模型如圖 1。網(wǎng)格劃分以 5,m 為步長(zhǎng)，總網(wǎng)格數(shù)為3,278,284個(gè)。

圖1 數(shù)值風(fēng)洞模型Fig.1 Numerical wind tunnel model

1.4 計(jì)算方案

數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算方案采用模擬風(fēng)速的方法進(jìn)行，根據(jù)濱海新區(qū)塘沽地面氣象資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，篩選出發(fā)生在夏季夜間2檔構(gòu)成典型下洗并且影響較大的風(fēng)速，即：6.0,m/s、10.0,m/s作為本項(xiàng)目數(shù)值風(fēng)洞預(yù)測(cè)情景，大氣穩(wěn)定度等級(jí)依據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》劃分為D類和E類穩(wěn)定度。

2 結(jié)果與分析

煙塔合一排煙對(duì)環(huán)境的影響產(chǎn)生包括兩個(gè)方面，一個(gè)為近距離煙塔下風(fēng)向煙氣下洗對(duì)地面的影響，另一個(gè)為煙氣擴(kuò)散對(duì)遠(yuǎn)距離的影響。采用數(shù)值風(fēng)洞方法模擬以近距離環(huán)境影響產(chǎn)生的機(jī)理和影響的程度為重點(diǎn)，因此，以對(duì)流場(chǎng)、壓力場(chǎng)、湍流強(qiáng)度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分析為主。

①壓力場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)數(shù)值風(fēng)洞模型模擬計(jì)算環(huán)境壓力場(chǎng)分布結(jié)果如圖2所示。

圖2 壓力場(chǎng)分布結(jié)果(風(fēng)速10,m/s)單位(Pa)Fig.2 Distribution of pressure field(wind velocity：10,m/s)Unit：Pa

冷卻塔迎風(fēng)面呈較明顯正壓分布，冷卻塔兩側(cè)由于上游風(fēng)繞流作用，呈明顯負(fù)壓。冷卻塔下風(fēng)向部分區(qū)域呈較明顯的低壓分布，且低壓分布區(qū)域在冷卻塔邊緣下風(fēng)向60～260,m處與地面相接，冷卻塔排放的煙氣存在從高壓區(qū)域進(jìn)入低壓區(qū)域的可能。

②速度場(chǎng)分析

根據(jù)數(shù)值風(fēng)洞模型模擬冷卻塔周邊及本項(xiàng)目住宅小區(qū)速度場(chǎng)分布結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，模型較好地對(duì)垂向風(fēng)速層結(jié)進(jìn)行模擬，在冷卻塔下風(fēng)向塔口處存在風(fēng)速降低的速度場(chǎng)分布，且住宅小區(qū)內(nèi)風(fēng)速受高層建筑影響，風(fēng)速明顯降低。

圖3 速度場(chǎng)分布結(jié)果(風(fēng)速10,m/s)單位(m/s)Fig.3 Distribution of velocity field(wind velocity：10,m/s)Unit：m/s

③湍流強(qiáng)度場(chǎng)分析

冷卻塔的排放速度比煙囪小許多，在大風(fēng)情況下，在冷卻塔下游會(huì)形成湍流運(yùn)動(dòng)劇烈的區(qū)域，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不利于煙氣抬升的下洗現(xiàn)象，為此，進(jìn)行了大風(fēng)情況下湍流強(qiáng)度預(yù)測(cè)，見圖4。

由預(yù)測(cè)結(jié)果可見，在 10,m/s風(fēng)速情境下冷卻塔下風(fēng)向高空區(qū)域形成穩(wěn)定的湍流運(yùn)動(dòng)劇烈的區(qū)域，該區(qū)域略高于冷卻塔塔高，長(zhǎng)度約為 310,m。該區(qū)域表明在特定氣象條件下存在冷卻塔煙氣下洗的可能，一般作為煙塔合一項(xiàng)目大氣環(huán)境防護(hù)距離確定的重要指標(biāo)。

圖4 湍流強(qiáng)度場(chǎng)分布結(jié)果(風(fēng)速10,m/s)Fig.4 Distribution of turbulence intensity field(wind velocity：10,m/s)

④污染物濃度場(chǎng)分析(見圖5、6)

通過(guò)模擬 6,m/s風(fēng)速和 10,m/s風(fēng)速兩種大風(fēng)情景下，冷卻塔下風(fēng)向污染物濃度分布，可以分析大風(fēng)下洗對(duì)冷卻塔近距離污染物擴(kuò)散的影響。根據(jù)污染物濃度分布結(jié)果選取距離電廠最近的高層住宅樓(1#樓)、小區(qū)側(cè)面中部高層住宅樓(2#樓)以及小區(qū)東北角高層住宅樓(3#樓)作為預(yù)測(cè)對(duì)象。選取污染物中濃度較高的 NO2作為預(yù)測(cè)因子，預(yù)測(cè)結(jié)果如表 2所示。

圖5 NO2濃度場(chǎng)分布圖(風(fēng)速6,m/s)單位：mg/m3Fig.5 Distribution of NO2 concentration field(wind velocity：6,m/s)Unit：mg/m3

圖6 NO2濃度場(chǎng)分布圖(風(fēng)速10,m/s)單位：mg/m3Fig.6 Distribution of NO2 concentration field(wind velocity：10,m/s)Unit：mg/m3

表2 不同風(fēng)速情境下NO2對(duì)敏感建筑的影響Tab.2 Impact of NO2 on pollution-sensitive buildings under different wind velocities

當(dāng)發(fā)生大風(fēng)下洗情景時(shí)，6,m/s風(fēng)速情境中，污染物在各敏感建筑各樓層處最高影響濃度為0.004,337,mg/m3；10,m/s風(fēng)速情境的占標(biāo)率明顯高于6,m/s風(fēng)速情境。最大濃度出現(xiàn)在10,m/s風(fēng)速情景中項(xiàng)目東北側(cè) 3#樓高層處，NO2最大濃度值為0.008,188,mg/m3，占標(biāo)率為 4.09%,。本項(xiàng)目小區(qū)內(nèi)各建筑各樓層污染物的小時(shí)最大濃度均滿足環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB,3095—2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，風(fēng)速越高電廠排煙冷卻塔排放煙氣下洗現(xiàn)象越明顯，排放的污染物對(duì)周邊住宅小區(qū)影響越大。小區(qū)中高層建筑樓層越高受到污染物影響越大，越接近地面受到污染物影響越小。

3 結(jié) 論

①通過(guò)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，模型較好地對(duì)垂向風(fēng)速層結(jié)進(jìn)行模擬，冷卻塔下風(fēng)向塔口處存在風(fēng)速降低的速度場(chǎng)分布，且住宅小區(qū)內(nèi)風(fēng)速受高層建筑影響，風(fēng)速明顯降低。高風(fēng)速情境下冷卻塔下風(fēng)向高空區(qū)域形成穩(wěn)定的湍流運(yùn)動(dòng)劇烈的區(qū)域，該區(qū)域略高于冷卻塔塔高，長(zhǎng)度約為 310,m。該區(qū)域表明在特定氣象條件下存在冷卻塔煙氣下洗的可能，一般作為煙塔合一項(xiàng)目大氣環(huán)境防護(hù)距離確定的重要指標(biāo)。由污染物濃度場(chǎng)模擬結(jié)果可以看出，風(fēng)速越高電廠排煙冷卻塔排放煙氣下洗現(xiàn)象越明顯，排放的污染物對(duì)周邊住宅小區(qū)影響越大。小區(qū)中高層建筑樓層越高受到污染物影響越大，越接近地面受到污染物影響越小。

②研究結(jié)果與應(yīng)用實(shí)踐證明，數(shù)值風(fēng)洞模型的預(yù)測(cè)結(jié)果可以準(zhǔn)確地描述冷卻塔下風(fēng)向流速場(chǎng)分布和污染物濃度分布場(chǎng)情形，并預(yù)測(cè)排煙冷卻塔附近高湍流強(qiáng)度區(qū)域?qū)ξ廴疚飻U(kuò)散影響等關(guān)鍵問(wèn)題，為建立大氣污染預(yù)測(cè)的新模式提供了思路?！?/p>

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