曾志昊，賀廣興

（湖南人文科技學(xué)院，能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417700）

0 引言

隨著我國(guó)城市的發(fā)展，城市建筑日益增多，城市道路與兩側(cè)的建筑形成了不同高寬比（建筑高度/道路寬度）的街道峽谷，峽谷內(nèi)部的空氣流場(chǎng)及汽車排放的尾氣的分布情況受到眾多研究者的關(guān)注。一直以來(lái)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算模擬成為研究街道峽谷內(nèi)部空氣流場(chǎng)的主要手段[1-2]。

眾多研究中，對(duì)峽谷內(nèi)部流場(chǎng)影響因素的研究集中在街道高寬比[3]、風(fēng)速[4]、建筑布置及結(jié)構(gòu)[5]、屋頂形狀[6]、人行道上植被[7]、高架橋[8-10]等因素。

現(xiàn)有文獻(xiàn)資料中有少數(shù)研究峽谷壁面受熱對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的影響[11-12]，但是大多集中在某一因素，沒(méi)有對(duì)不同因素的綜合影響程度進(jìn)行深入研究。針對(duì)此種情況，本文擬從峽谷的高寬比、來(lái)流風(fēng)速和不同受熱墻面三個(gè)方面綜合分析其對(duì)峽谷內(nèi)部空氣流場(chǎng)的影響。

1 模型建立

1.1 計(jì)算區(qū)域、網(wǎng)格劃分及邊界條件

1.1.1 模型計(jì)算區(qū)域

研究采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[13]，采用Non-Equilibrium Wall Functions近壁面邊界條件。

為了使得結(jié)果具有更好的對(duì)比性，計(jì)算模型與驗(yàn)證模型采用相似的物理模型（圖1和圖3），區(qū)別在于模型的物理尺寸。入口邊界高度為H，入口長(zhǎng)度為a，街道峽谷寬為b，高度為c，街道峽谷的高寬比R=c/b，依次取具有代表性的R=1、2、3作為研究對(duì)象，具體尺寸如表1所示。為了流體在達(dá)到峽谷前充分發(fā)展，入口邊界高度H＞5b，入口長(zhǎng)度a＞10b。當(dāng)模型寬度遠(yuǎn)大于峽谷尺寸時(shí)，中間流場(chǎng)受寬度方向上邊界的流動(dòng)影響很小，為節(jié)省計(jì)算資源，采用二維模擬。通過(guò)計(jì)算，當(dāng)風(fēng)速為0.03 m/s、0.3 m/s、3 m/s，流場(chǎng)Re都大于11000[10]，滿足Re獨(dú)立性。

圖1 物理模型

表1 各模型尺寸

由于一天內(nèi)不同時(shí)刻受到太陽(yáng)輻射角度影響，當(dāng)太陽(yáng)成角度入射時(shí)（圖2），接受輻射的面溫度會(huì)比其他面溫度高，因此造成不同面的溫度差異。根據(jù)文獻(xiàn)資料[14]，模擬溫差為20℃，模擬環(huán)境溫度取300 K。

圖2 太陽(yáng)不同角度輻射

1.1.2 邊界條件

風(fēng)速入口邊界條件為指數(shù)函數(shù)[15]：

式中：z—距離地面高度；u(z)—在z高度位置的水平風(fēng)速；zref—整個(gè)計(jì)算區(qū)域高度；uref—參考風(fēng)速。出口邊界條件設(shè)置為0壓力梯度，上邊界為對(duì)稱邊界條件，其他邊界為無(wú)滑移邊界。

2 模型驗(yàn)證

CFD模擬結(jié)果的可靠性利用Allegrini的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[12]。街道峽谷模型中的建筑高度和街道寬度分別為0.2 m，入口高度為0.855 m，入口長(zhǎng)度為7.4 m，實(shí)驗(yàn)槽寬度為1.8 m。由于寬度遠(yuǎn)大于峽谷寬度，可以簡(jiǎn)化為二維模型。模型示意圖及網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 模型示意及網(wǎng)格劃分圖

由圖4可知，垂直（y）方向風(fēng)速和湍動(dòng)能的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合理想，其中風(fēng)速的吻合度更高，湍動(dòng)能的吻合有一定偏差，模擬湍動(dòng)能比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)稍小，在兩端點(diǎn)處偏大，整體模擬結(jié)果可行度在可接受范圍內(nèi)，結(jié)果證明了模擬結(jié)果可靠。

圖4 測(cè)量線上模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)果及討論

3.1 R=1時(shí)，不同風(fēng)速條件下街道峽谷內(nèi)部流場(chǎng)分布

3.1.1ν=0.03 m/s

由圖5可知，在街道峽谷沒(méi)有受熱面時(shí)，由于流體的剪力作用在峽谷內(nèi)部形成一個(gè)順時(shí)針?shù)鰷u，峽谷內(nèi)部的流速較低；背風(fēng)面受熱時(shí)，在浮力作用下，內(nèi)部流速變大，漩渦中心和底部?jī)蓚€(gè)角位置流速偏?。坏撞渴軣釙r(shí)，峽谷內(nèi)部整體速度變大，這是因?yàn)榈撞繜峥諝庠诟×ψ饔孟掠猩细≮厔?shì)，峽谷內(nèi)部空氣密度變小，在相同的風(fēng)力作用下，更有利于流體的流動(dòng)，從而對(duì)峽谷內(nèi)部流動(dòng)起到促進(jìn)作用；迎風(fēng)面受熱下，峽谷內(nèi)部流場(chǎng)發(fā)生了很大變化，背風(fēng)面的速度較低，但迎風(fēng)面的浮力克服了流體剪切力，導(dǎo)致空氣從迎風(fēng)面向上流動(dòng)，流出峽谷。

圖5 峽谷內(nèi)部流場(chǎng)分布

3.1.2ν=0.3 m/s

由圖6可知，當(dāng)來(lái)流風(fēng)速為0.3 m/s時(shí)，無(wú)受熱面時(shí)，峽谷內(nèi)部形成一個(gè)主要的順時(shí)針?shù)鰷u；當(dāng)背風(fēng)面受熱時(shí)，由于空氣浮力的促進(jìn)作用，峽谷內(nèi)部的空氣流速變大，中心和底部?jī)蓚€(gè)角位置風(fēng)速依舊較低；底部受熱，內(nèi)部流場(chǎng)較背風(fēng)面受熱變化不大，此情況與風(fēng)速為0.03 m/s時(shí)區(qū)別較大，這是由于當(dāng)來(lái)流風(fēng)速增大時(shí)，空氣浮力相對(duì)作用變小導(dǎo)致。當(dāng)迎風(fēng)面受熱時(shí)，峽谷內(nèi)部流場(chǎng)發(fā)生了顯著變化，形成了兩個(gè)漩渦，迎風(fēng)面處形成了逆時(shí)針?shù)鰷u，背風(fēng)面上部區(qū)域形成順時(shí)針?shù)鰷u。此種情況可解釋為在此風(fēng)速條件下，迎風(fēng)面的浮力克服了向下的流體慣性力，但是還不足以對(duì)背風(fēng)面的流體形成影響，因此在背風(fēng)面處形成了順時(shí)針?shù)鰷u。

圖6 峽谷內(nèi)部流場(chǎng)分布

3.1.3ν=3 m/s

由圖7可知，來(lái)流風(fēng)速達(dá)到3 m/s時(shí)，峽谷內(nèi)部出現(xiàn)了相似流場(chǎng)，在高風(fēng)速條件下，流體的慣性力遠(yuǎn)大于由溫差引起的浮力，導(dǎo)致邊界溫差浮力對(duì)流場(chǎng)的影響可以忽略不計(jì)。

圖7 峽谷內(nèi)部流場(chǎng)分布

3.2 R=2時(shí)，不同風(fēng)速條件下街道峽谷內(nèi)部流場(chǎng)分布

3.2.1ν=0.03 m/s

由圖8可知，在沒(méi)有受熱面條件下，峽谷上部區(qū)域形成一個(gè)順時(shí)針?shù)鰷u，下部區(qū)域在流體剪切力作用下形成一個(gè)逆時(shí)針?shù)鰷u。當(dāng)背風(fēng)面受熱時(shí)，峽谷內(nèi)部空氣流速整體增加，下部區(qū)域的逆時(shí)針?shù)鰷u消失，這是由于背風(fēng)面附近的空氣熱浮力作用下，加速了空氣向上流動(dòng)的慣性力。當(dāng)?shù)撞渴軣釙r(shí)，內(nèi)部流場(chǎng)出現(xiàn)了左右分邊的情況，迎風(fēng)面邊出現(xiàn)了一個(gè)順時(shí)針?shù)鰷u，背風(fēng)面底部出現(xiàn)一個(gè)逆時(shí)針?shù)鰷u，此種情況可能是由于流場(chǎng)受底部熱空氣上浮的影響。迎風(fēng)面受熱時(shí)，出現(xiàn)與R=1類似流場(chǎng)，原理同3.1.1節(jié)所述。

圖8 峽谷內(nèi)部流場(chǎng)分布

圖9 峽谷內(nèi)部流場(chǎng)分布

3.2.2ν=0.3 m/s

由圖5可知，當(dāng)風(fēng)速為0.3 m/s時(shí)，無(wú)受熱面、背風(fēng)面受熱和底部受熱三種情況峽谷內(nèi)部的流場(chǎng)類似，內(nèi)部風(fēng)速在無(wú)受熱面條件下最低，背風(fēng)面受熱峽谷上部區(qū)域出現(xiàn)較大面積的風(fēng)速提升，此情況主要受由于背風(fēng)面附件空氣浮力影響，底部受熱時(shí)，峽谷內(nèi)部風(fēng)速較無(wú)受熱時(shí)有一定增大。迎風(fēng)面受熱時(shí)，由于浮力克服了空氣的慣性力，造成了出現(xiàn)逆時(shí)針?shù)鰷u，且漩渦外部空氣流出了峽谷。

3.2.3ν=3 m/s

由圖10可知，來(lái)流風(fēng)速達(dá)到3 m/s時(shí)，峽谷內(nèi)部流場(chǎng)在有無(wú)受熱面都比較相似，如前3.1.3所述，在高風(fēng)速下，由于流體慣性力遠(yuǎn)大于熱浮力，受熱面附件浮力對(duì)流場(chǎng)影響可以忽略不計(jì)。

圖10 峽谷內(nèi)部流場(chǎng)分布

3.3 R=3時(shí)，不同風(fēng)速條件下街道峽谷內(nèi)部流場(chǎng)分布

3.3.1ν=0.03 m/s

由圖11可知，在沒(méi)有受熱面條件下，街道峽谷內(nèi)部流場(chǎng)與R=2類似，上部區(qū)域形成一個(gè)順時(shí)針?shù)鰷u，下部區(qū)域在流體剪切力作用下形成一個(gè)逆時(shí)針?shù)鰷u，不同的是下部漩渦所占空間增大。當(dāng)背風(fēng)面受熱時(shí)，下部區(qū)域的逆時(shí)針?shù)鰷u消失，峽谷內(nèi)部形成一個(gè)大的順時(shí)針?shù)鰷u，原理同3.2.1，背風(fēng)面附近的空氣熱浮力作用下，加速了空氣向上流動(dòng)的速度。當(dāng)?shù)撞渴軣釙r(shí)，內(nèi)部流場(chǎng)出現(xiàn)了峽谷內(nèi)部?jī)蛇叧霈F(xiàn)漩渦，迎風(fēng)面邊出現(xiàn)了一個(gè)順時(shí)針?shù)鰷u，背風(fēng)面底部出現(xiàn)一個(gè)逆時(shí)針?shù)鰷u，此種情況是由于在風(fēng)速較小的時(shí)候，浮力大于慣性力，流體慣性力不足以抵消熱浮力作用，造成在背風(fēng)面下部形成一個(gè)次要的逆時(shí)針?shù)鰷u。迎風(fēng)面受熱時(shí)，在熱浮力作用下，峽谷內(nèi)部空氣流出峽谷。

圖11 峽谷內(nèi)部流場(chǎng)分布

3.3.2ν=0.3 m/s

由圖12可知，在沒(méi)有受熱面條件下，上部區(qū)域形成一個(gè)順時(shí)針?shù)鰷u，下部區(qū)域在流體剪切力作用下形成一個(gè)逆時(shí)針?shù)鰷u，與ν=0.03 m/s不同的是上部漩渦所占空間增大，下部漩渦變小，這主要是由來(lái)流風(fēng)速增大造成。當(dāng)背風(fēng)面受熱時(shí)，下部區(qū)域的逆時(shí)針?shù)鰷u消失，峽谷內(nèi)部形成一個(gè)大的順時(shí)針?shù)鰷u，背風(fēng)面附近的空氣熱浮力作用下，加速了空氣向上流動(dòng)的速度。底部受熱時(shí)，內(nèi)部流場(chǎng)依然出現(xiàn)兩個(gè)漩渦，與ν=0.03 m/s相比較，迎風(fēng)側(cè)順時(shí)針?shù)鰷u所占空間增大，背風(fēng)面底部逆時(shí)針?shù)鰷u變小，此種情況是由于在風(fēng)速增大時(shí)，熱浮力小于流體慣性力造成。迎風(fēng)面受熱時(shí)，峽谷內(nèi)部出現(xiàn)上部在流體剪切力作用下形成順時(shí)針?shù)鰷u，隨著深度的增加，熱浮力作用逐漸顯現(xiàn)，在峽谷底部形成逆時(shí)針?shù)鰷u。由此可見(jiàn)，隨著墻體高度的增加，由溫差引起的熱浮力也增大。

圖12 峽谷內(nèi)部流場(chǎng)分布

3.3.3ν=3 m/s

由圖13可知，來(lái)流風(fēng)速達(dá)到3 m/s時(shí)，峽谷內(nèi)部流場(chǎng)在有無(wú)受熱面都比較相似，如前3.1.3所述，在高風(fēng)速下，由于流體慣性力遠(yuǎn)大于熱浮力，受熱面附件浮力對(duì)流場(chǎng)影響可以忽略不計(jì)。

圖13 峽谷內(nèi)部流場(chǎng)分布

4 結(jié)論

（1）街道峽谷內(nèi)部流場(chǎng)受其高寬比、來(lái)流風(fēng)速、受熱墻面的影響顯著；

（2）峽谷高寬比越大，來(lái)流風(fēng)速越小，內(nèi)部流場(chǎng)越復(fù)雜，反之亦然；

（3）背風(fēng)面墻體受熱時(shí)可增強(qiáng)峽谷內(nèi)部對(duì)流強(qiáng)度；底部受熱使得內(nèi)部流場(chǎng)變得復(fù)雜，且增強(qiáng)了局部的對(duì)流強(qiáng)度；

（4）迎風(fēng)面墻體受熱時(shí)，當(dāng)來(lái)流風(fēng)速低時(shí)，可以提高峽谷內(nèi)部空氣的置換效果；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)一定閾值時(shí)，受熱墻面對(duì)流場(chǎng)影響不顯著；

（5）峽谷兩側(cè)墻體越高，由溫差引起的熱浮力對(duì)流場(chǎng)的影響越大。