◎ 任蘇琪 羅楊 崔鵬義 上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院

1.引言

城市環(huán)境中的街道峽谷是指道路與道路兩側(cè)建筑所形成的連續(xù)或稍有間隔的狹長(zhǎng)區(qū)域，按照峽谷兩側(cè)建筑的對(duì)稱性，可以分為對(duì)稱街道峽谷和不對(duì)稱街道峽谷。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展使研究街道峽谷內(nèi)氣流流動(dòng)與交通污染物擴(kuò)散問題不再單獨(dú)依賴現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等傳統(tǒng)方法，進(jìn)而提供了新的研究手段，很大程度地減少了人力物力。目前有關(guān)街道峽谷的數(shù)值模擬研究多集中在對(duì)稱街道峽谷幾何形狀對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)地影響，關(guān)于街道峽谷對(duì)稱性對(duì)于街谷內(nèi)流場(chǎng)影響的研究很多，但針對(duì)不同類型的對(duì)稱街谷以及不對(duì)稱街谷的流場(chǎng)以及濃度場(chǎng)等研究還有很大的空間。

為了進(jìn)一步分析在垂直風(fēng)向下，本文主要對(duì)比了幾種不對(duì)稱街道峽谷內(nèi)流動(dòng)和污染物擴(kuò)散的影響，采用了孤立峽谷二維縮尺模型對(duì)交通氣體污染物分布進(jìn)行了分析。基于雷諾平均納維斯托克斯方程以及標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型湍流模型和惰性氣體污染物輸運(yùn)方程，模擬了不同類型的不對(duì)稱街道峽谷內(nèi)部的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)，然后與風(fēng)洞測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)而探究街道峽谷對(duì)稱性對(duì)內(nèi)部流動(dòng)特性和污染物擴(kuò)散規(guī)律的影響，為城市環(huán)境中城市規(guī)劃和道路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.方法

2.1 數(shù)值模型設(shè)置

為了探究不對(duì)稱街道峽谷內(nèi)氣流流場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)隨著建筑高度的增加的變化規(guī)律，本文設(shè)置了四種不對(duì)稱型街谷布局。此外，本文采用了建筑高度H與街道寬度W均為12cm的對(duì)稱性街道峽谷模型作為參考工況。

為了保證來流風(fēng)可以充分發(fā)展，本文設(shè)置計(jì)算域整體尺寸為27H×8H，入口邊界處設(shè)置為速度入口條件，出口邊界采用自由出流條件，上邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界條件，建筑壁面和地面采用壁面無滑移、濃度無滲透邊界條件。

2.2 模型驗(yàn)證

本文采用德國(guó)卡爾斯魯厄環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證，這里的模型比例尺在實(shí)驗(yàn)設(shè)置中為1:500。來流風(fēng)垂直于街道軸線，兩個(gè)平行的建筑(邊為0.12 m，長(zhǎng)為1.2 m)安裝在隧道地板上。在距離上游建筑0.035 m處沿峽谷地面設(shè)置線源，空氣和示蹤氣體六氟化硫的混合物從源頭連續(xù)釋放，以模擬汽車尾氣排放。街道峽谷設(shè)計(jì)以及計(jì)算域均與參考工況相同。通過街道峽谷內(nèi)兩側(cè)壁面上污染物數(shù)值模擬結(jié)果和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果比較驗(yàn)證，得出Sct=0.4時(shí)105萬的中等網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較好的一致性。

3.結(jié)果與討論

3.1 升階式街道峽谷內(nèi)部流場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)分布

圖1(a)顯示了當(dāng)HA/HB=3/4時(shí)不對(duì)稱街谷內(nèi)流場(chǎng)云圖和濃度場(chǎng)示意圖，街谷內(nèi)順時(shí)針單渦在上游建筑屋頂水平向右變形，街谷下方氣流流速減弱的區(qū)域增大，導(dǎo)致順時(shí)針渦漩作用下背風(fēng)側(cè)附近形成高污染區(qū)域。不對(duì)稱的建筑高度改變了建筑上方平滑流動(dòng)的大氣氣流，不利于污染物在下游建筑高度水平逸出。當(dāng)HA/HB=1/2時(shí)，如圖1(b)所示，渦心上升至上游建筑高度水平，導(dǎo)致背風(fēng)側(cè)高濃度區(qū)域繼續(xù)變大。由此可見，在升階式街道峽谷中，隨著下游建筑高度的增加，背風(fēng)側(cè)高濃度污染區(qū)域變大。

圖1 升階式街谷內(nèi)流場(chǎng)及無量綱濃度分布

圖2 降階式街谷內(nèi)流場(chǎng)及無量綱濃度分布

3.2 降階式街道峽谷內(nèi)部流場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)分布

圖2 顯示了兩種降階式不對(duì)稱街谷內(nèi)流場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)示意圖，如圖2(a)所示，在HA/HB=4/3的降階式街道峽谷內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)變形的順時(shí)針渦漩，渦漩上方延伸到下游建筑屋頂，渦心移動(dòng)到高度為H的街道中心處。此時(shí)峽谷內(nèi)污染物高濃度區(qū)域增大，且集中在背風(fēng)側(cè)附近.當(dāng)上游建筑高度增加，HA/HB=2時(shí)，峽谷內(nèi)產(chǎn)生了兩個(gè)方向相反變形的渦漩，峽谷內(nèi)渦漩流速較小，頂部渦漩嚴(yán)重變形向下游建筑傾斜，并覆蓋了整個(gè)下游建筑屋頂，渦心移動(dòng)到下游建筑后側(cè)，且在屋頂右側(cè)產(chǎn)生了很小的逆時(shí)針渦漩，在兩個(gè)渦的作用下，污染物高污染濃度區(qū)域主要集中在迎風(fēng)側(cè)附近（如圖2(b)）。由此可見，降階式街谷設(shè)計(jì)也不利于污染物的擴(kuò)散，隨著上游建筑高度的增加，高污染濃度區(qū)從背風(fēng)側(cè)逐漸向迎風(fēng)側(cè)移動(dòng)。

4.結(jié)論

通過CFD數(shù)值模擬方法探究對(duì)稱街道峽谷和不對(duì)稱街道峽谷內(nèi)氣流流場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)隨著建筑高度的增加的變化規(guī)律，得出了以下結(jié)論：

（1）在升階式街道峽谷中，污染物仍集中在背風(fēng)側(cè)，隨著下游建筑的增高，渦漩向右開始變形，渦心逐漸上移，背風(fēng)側(cè)高濃度污染區(qū)域逐漸變大。

（2）在降階式街道峽谷內(nèi)，隨著上游建筑的增高，渦的數(shù)量和大小發(fā)生變化。峽谷內(nèi)對(duì)流作用逐漸減弱，導(dǎo)致高污染濃度區(qū)從背風(fēng)側(cè)逐漸向迎風(fēng)側(cè)移動(dòng)，背風(fēng)側(cè)不同水平的污染物濃度逐漸減小，迎風(fēng)側(cè)濃度逐漸增加。當(dāng)HA/HB=2時(shí)下游建筑屋頂產(chǎn)生了閉合的逆時(shí)針渦漩，街谷內(nèi)污染物嚴(yán)重聚集，不利于污染物的擴(kuò)散。

（3）對(duì)于街道峽谷整體污染水平而言，不對(duì)稱街谷設(shè)計(jì)并不利于污染物擴(kuò)散，但對(duì)于背風(fēng)側(cè)行人以及居民而言，隨著單側(cè)建筑的增高，降階式街谷設(shè)計(jì)減少了背風(fēng)側(cè)污染水平，有利于居民健康生活以及出行。而升階式街谷并沒有顯著降低迎風(fēng)側(cè)污染水平。