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城市街道峡谷内的气流运动与汽车排气污染扩散研究 摘要 本文目的是通过数值计算的方法揭示街道峡谷内部流场与浓度场 的特性以及街道峡谷形状结构对其的影响，了解影响机动车污染物传 输扩散的主要因素。以及分析特殊街道结构下机动车污染物传输扩散 的规律 文中系统地分析了城市机动车排气污染物扩散的基本理论，介绍 了影响城市机动车排气污染物传输扩散的主要因素。并对街道峡谷机 动车排气污染扩散的物理过程进行了分析，建立了数值模拟计算的数 学模型。 本文采用p h o e n i c s 软件进行数值模拟计算。通过p h o e n i c sv r 界 面建立符合流场条件的模型，再定义合适的边界条件及初始条件，并 给出能满足迭代收敛要求的迭代系数，通过p h o e n i c s 软件的计算， 得出流场的速度分布及我们关心的污染物浓度分布。 为了更好地模拟城市街道峡谷的风生湍流流场，在模拟计算街道 峡谷之前，采用几种湍流模型，如k 一，r n g k 一，c h e n k i m k 一5 ， l v e l 模型分别模拟了一后台阶流的流场，并与实验结果进行了对 比，表明c h e n k i m 女一s 湍流模型与实验结果吻合更好，能较好地揭 示湍流流动特性和流动分离特征，因而较其他湍流模型优越。从而为 城市街道峡谷的模拟计算，提供了较为可靠的数学模型。 进一步利用p i v 技术进行了风洞试验，对典型街道峡谷内部流场 数值模拟结果进行了试验验证。模拟计算结果与风洞试验结果有较好 的一致性，验证了数值模拟计算的合理性。 在前述的基础上，模拟计算了街道峡谷的流场与浓度场。分析了 街道内部的流场与浓度场的特性。揭示了街道峡谷形状结构对其内部 流场及污染物浓度分布的影响规律并分析了一些特殊街道结构( 带人 行走廊的与高架道路) 的内部流场与浓度场分布。 本文研究结果可为城市机动车排放控制、城市街道规划建设、交 通流量控制及城市大气污染监测、评价及防治提供科学依据。 关键字：机动车排气污染，街道峡谷，传输扩散，湍流模型，风洞试 验，p l y as t u d yo fa i rf l o wa n dv e h i c l ee x h a u s t s d i s p e r s l o ni nu r b a ns t r e e tc a n y o n a b s t r a c t i no r d e rt op r e d i c tt h ev e h i c l e si m p a c to na i rq u a l i t yi nu r b a l lc i t y , a n i n v e s t i g a t i o nw a s c a r r i e do u tt oe v a l u a t ef l u i df l o wa n d p o l l u t a n td i s p e r s i o n i ns t r e e tc a n y o n i nt h i sp a l ：) e r , b a s i ct h e o r ya n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f v e h i c l e se m i s s i o n t r a n s p o r t a t i o n a n d d i s p e r s i o n i s p r e s e n t e d a n dm a i n i n f l u e n c ef a c t o r sa r ea l s od i s c u s s e d t h ep h o e n i c ss o f t w a r ei su s e dt om a k en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n f i r s t t h eu n r e a lm o d e lw a sm a d e b y t h ev ri n t e r f a c eo f p h o e n 【c s a n dm e n t h ei n i t i a lc o n d i t i o na n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o no f t h ef l o wa r e aw a sd e f i n e d a t i e rg i v i n gt h er e l a x a t i o nf a c t o r sf i t t i n gt h ec o n v e r g e n c e r e q u e s t ，t h e p h o 勘姐c sc o d ew a su s e dt ow o r ko u tt h ed i s t r i b u t i o no ft h ev e l o c i t yf i e l d a n dt h ec o n c e n t r a t i o nf i e l dw h i c hw ec o n c e r n i no r d e rt ow e l ls i m u l a t et h ef l u i df l o wi nu r b a ns t r e e tc a n y o n s ，t h i s p a d e ri sa l s od e v o t e d t oc o m p a r et h ec a l c u l a t e dr e s u l t so fs o m et u r b u l e n c e m o d e l ss u c ha st h ek s ，r 0 町g i 一占，c h e n k i m k s ，l 、，】巴lm o d e l sw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sb ys i m u l a t i n gab a c k f a c i n gs t e pf l o w a n da c o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tt h ec h e n - k i mk 一占t u r b u l e n c em o d e lc a r lp r e d i c t t h eu r b a ns t r e e tc a n y o nf l o wb e t t e r t h e nac a l c u l a t i o nw a sc a r r i e do u tt o s i m u l a t et h ef l o wo fu r b a ns t r e e tc a n y o nw i mt h ek 一5a n dc h e n k i mk 一 t u r b u l e n c em o d e l s t h i sp a d e r p r o v i d e sa c r e d i b l em o d e lf o rt h es i m u l a t i o n o f t h ef l u i df l o wi nu r b a ns t r e e tc a n y o n s ag o o da g r e e m e n tw a so b t a i n e d a l s o t ov a l i d a t et h er e s u l to f t h en u m e r i cc a l c u l a t i o n ，aw i n dt u n n e i e x p e r i m e n tw a sd o n eb yp i vt e c h n i q u e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec o m p a r e d w i t 1t h ec o r r e s p o n d i n gr e s u l to f t h en u m e r i cc a l c u l a t i o n t h e nt h ef l u i df l o wa n dt h ep o l l u t a n td i s p e r s i o ni nt y p i c a lu r b a ns t r e e t c a n y o n s i n c l u d i n gs o m es t r e e t sw i t hf i a n ka n ds t r e e t sc o n s t r u c t e dw i m v i a d u c tw e r es i m u l a t e d a t i e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt 1 1 er e s u l t s t h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e n t h ec o n f i g u r a t i o no ft h es t r e e tc a n y o na n dt h e d i s t r i b u t i o no f t h ec o n c e n t r a t i o nw e r e p r e s e n t e d t h er e s u l t so f t h ep a p e rh a sd e v e l o p e dab e t t e ru n d e r s t a n d i n go f m e c h a n i s mf o rt r a n s p o r ta n dd i s p e r s i o no fv e h i c l ep o l l u t a n t sw i t l l i nt h e s t r e e tc a n y o n w h i c hi sh e l p f u lf o rc o n t r o le m i s s i o n a n dt r a f h cn e t w o r k p l a n n i n ga n dc i t ys t r e e tp l a n n i n g k e y w o r d s ：v e h i c l ee x h a u s t p o l l u t i o n ，s t r e e tc a n y o n ，t r a n s p o r t a t i o na n d d i s p e r s i o n ，t u r b u l e n c em o d e l ，w i n d r u n n e le x p e r i m e n t ，p i v 上海交通大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 城市大气污染状况 环境恶化已成为全人类最担忧的问题，环境问题已为越来越多的国家重视。 第二次世界大战以后，全世界范围的科学技术革命迅速发展，资本主义发达国家 进入了经济发展的“黄金时期”。这一切促使西方国家把发展经济、发展生产力 建立在大量消耗自然资源的基础上，自然资源长期处于被极度开采的状态。随着 人口的剧增，需求的增加，更进一步加剧了对自然资源的消耗。同时，一些工业 发达的城市和工矿企业排出大量的废气、废渣和废水，从而使能源紧张，生态破 坏，自然灾害频繁发生，环境污染日趋严重。这不仅动摇了有关国家发展经济的 自然物质基础，制约了经济发展，而且使人类与自然，生态与经济出现了紧张局 面。 城市是人类社会经济和文化发展的产物，世界各国国际大都市发展的历程， 都表现为物流、能流和人流的集中和分散过程，实际是经济与资源和环境的协调 发展过程，可以说现代化城市的标志之一就是交通高度发达。以美国、日本、欧 洲为代表的发达国家，由于能源结构的变化，煤烟型污染己基本得到控制；另一 方面，随着交通运输的发展，特别是在大中城市，由于机动车保有量的迅速增 加，机动车排污已成为城市大气污染的主要来源。这段时间历史上曾有过美国洛 杉矶的光化学烟雾事件，日本东京的硫酸烟雾和光化学烟雾混合污染事件。这两 个大城市最终是以分散人口和交通，控制污染工业的发展来改善环境。在经济高 速发展的今天，城市作为贸易、金融、交通、信息的中心，使世界经济系统逐步 演变为城市系统。以高经济速度和高人口密度为特征的城市，是今天环境问题的 焦点，解决城市环境问题是世界各国面临的长期任务。 我国近二十年来，经济高速发展，但自然资源的消耗量和污染物的排放量也 大幅度上升，使我国的生态环境面临十分严重的挑战，严重的环境污染事件亦有 发生，引起人们的忧虑和不安。为此，我国政府已把保护和改善环境作为一项基 本国策，以保持国家的经济建设和环境建设持续协调的发展，避免许多西万国家 在建设进程中曾走过的一些先污染后治理的弯路。我国城市环境主要面临的问题 有以下几个方面：( 1 ) 城市人口膨胀、环境基础设施滞后；( 2 ) 城市建设缺乏生态 上海交通大学硕士论文 观点、环境先天不足；( 3 ) 工业污染比较严重；( 4 ) 气候恶化。由于我国的城市建 设度奉行”变消费城市为生产城市”的政策，所以几乎没有纯消费城市，大都有 自己的工业或加工业。而在工业发展中，生产工艺比较落后，资源和能源消耗 大，能源结构的不合理等原因也致使工业造成的污染严重。 1 1 2 上海市机动车排气污染状况 大气污染已是一个被世界所关注的严重问题，在我国，随着城市建设的迅速 发展，汽车排气所造成的污染已成为大气污染的主要污染源之一。上海作为我国 最大的经济中一t l , 城市，其日益严峻的交通问题和不断增加的机动车加重了城市的 大气环境污染负荷，使局部地区的大气环境质量严重恶化。城市汽车排气污染成 为影响城市发展和人民生命健康的一个大问题。 由于我国汽车工业起步较晚，车型较旧，汽车制造工业落后，燃料中的含铅 量限制了排气后处理催化装置的应用，许多车辆的排放水平较国外同类汽车高出 许多。大量国产汽车，为发达国家受控制汽车排放量的1 5 2 0 倍左右，加之我国 的汽车保养维修和日常检修系统又极不完善，大量车况恶劣的车辆所排放的污染 物可能还要高出数倍甚至数十倍。此外，历史的原因所造成各种车辆混合行驶， 街道面积相对城市总面积又十分小，街道上车辆密度大，还造成了车辆行驶速度 低，堵车现象十分严重，市中心区车辆平均时速仅十几公里，车辆经常处于怠 速、低速运转状态，c o 和h c 的排放更高，随着汽车保有量的增加，汽车尾气排 放的污染物数量也随之增加。 九十年代是上海市机动车拥有量发展的快速增长时期，与l o 年前相比，1 9 9 6 年全市的燃油机动车已达1 1 6 万辆，为1 9 8 6 年的5 5 倍。1 9 9 0 1 9 9 6 年期间的全 市机动车拥有量年平均增长率约为2 2 。1 9 9 7 年，更进一步上升到1 3 4 5 万辆。随 着经济的发展，这种上升趋势可望持续。机动车拥有量与城市经济发展呈明显的正 相关性【1 1 0 1 9 9 0 年1 9 9 6 年期间，上海市机动车每年排放的c o 由7 3 0 万吨增加到3 8 万 吨；m h c 排放量由3 7 0 万吨上升到1 0 万吨；而n o x 排放量增加更快，由1 7 3 万吨增加到8 1 5 万吨。上海城区1 9 9 6 年由固定源排出的c o 、m h c ( 非甲烷烃) 和 n o ，仅仅3 2 、0 1 8 和3 8 6 万吨。近年来，随着有污染的企业大量的往郊外搬 迁，汽车排气污染在大气污染中所占的比例将越来越大。城市空间的狭小及道路 数量不足，使得汽车排放的废气不易扩散，因此污染的区域性很强。由于机动车 尾气排放高度接近人的呼吸带高度f 2 ”，其排气对近地面大气环境造成的污染浓度 比实际分担率及污染负荷分担率要高。可以预见，机动车排气造成大气污染浓度 上海交通大学硕士论文 将随机动车数量的增长明显升高，地面流动污染源将成为上海市中心城区大气污 染的最主要因素，机动车排污的大幅度增加亦将使得上海市中心城区的大气环境 质量面临严峻的挑战。 1 2 城市机动车排气污染扩散研究现状 污染物从排放源出来之后，根据排放源特征，污染过程及背景浓度等特点， 可以把大气污染分成不同的尺度：全球尺度，城市尺度和局部尺度【1 0 】或划分为大 尺度、中尺度和小尺度。按照污染物的排放方式，可以将污染源分为点源，线源 和面源。污染物的排放方式不同，进入大气的初始状态不同，用以计算它对大气 环境影响的模型不同。街道上行驶的每一辆汽车排污可认为是移动的点污染源， 许多汽车在空间上的连续线形分布可认为形成线污染源。 计算街道污染扩散，有两种方法：其一是不考虑污染源所在街道的流场，仅考虑 在一定风速、风向及气象条件下，整个道路作为污染源对临近地区的影响，这是 城市尺度的街道交通污染扩散研究，可用于计算城区开阔地带或城郊公路及高速 公路的交通排污在道路沿线的浓度分布；其二是在街道两旁都有高大建筑物的情 况下，考虑街道内的空气流动对传输和扩散的影响，考虑排放源、气象条件和环 境因素等的影响，形成的一种小尺度污染扩散过程，称为街道峡谷污染扩散，主 要用于计算市区内已形成街道峡谷的繁忙交通线路的街道内部及街道上空的交通 污染物的浓度分布、扩散过程及其消散过程。随着城市的发展，由于城市机动车 污染的日益突出，相应的有关研究也逐渐增多，从7 0 年代开始国外就有对城市机 动车污染问题的探索，并取得了很多成果，也积累了不少的经验。国内从8 0 年代 后期，随着城市机动车保有量的急剧增加，市区交通污染问题引起人们的重视，北 京、上海、广州等大城市已对交通污染状况专门立项研究。 1 2 1 城市尺度的街道交通污染扩散研究 为了解决城市大气污染物扩散问题，目前己建立了许多不同类型城市的大气 扩散模式。诸如以高斯模式为基本类型的城市高架点源大气扩散模式、移动线源 大气扩散模式、面源简化为等效点源或线源的大气扩散模式箱模式、窄烟云模式 以及多源模式等。 国际上，街道车辆大气污染的线源扩散模式研究始于7 0 年代初期。在7 0 年 代到8 0 年代中期，街道车辆造成的大气污染受到人们的普遍重视，在这期间，为 了评价车辆排放污染物对大气的污染，人们先后建立了不同的扩散模式，出现了 c a l d e r 模式【”i ，g m 模式2 l ，h i g h w a y 模式【”1 ，c a li n e 一2 模式【”等，我国8 0 年代 刚接触国外的研究模式，主要以介绍国外模式为主【l5 “”，随着我国公路交通污染 问题的日益突出，有了建立新模式的尝试。陈长虹等【l 给出了一个适用于风向与 上海交通大学硕士论文 公路成任意夹角的有限长线源的扩散模式，并将该模式与c a l i n e 一2 模式与风洞实 验结果进行了比较，随后陈长虹口等又以浦东新区道路为例引入了适用范围更广 的带状线源概念。 1 2 2 街道峡谷污染扩散研究 针对城市街道的污染物扩散问题，国外从6 0 年代开始有人研究街道峡谷内大 气流场及其近空的污染状况，先后建立了一些模型来模拟计算街道峡谷内流场的 分布及污染物的浓度分布。城市街道峡谷污染模式着重反映街道峡谷内部的传 输、扩散及消散的运动规律。这类微小尺度的近场污染问题通常不考虑光化学反 应，假定各种污染物的扩散运动遵守相同的物理规律。对街道峡谷污染扩散这种 小尺度扩散问题而言，环境因素，尤其是地理条件有更大影响。街道两旁的高层 建筑，影响了街道峡谷内的流场，街道两侧的建筑物密集程度、高度及高度分布 均匀度、街道的长宽度等尺寸与污染物的传输和扩散所处的大气流场有很大关 系，因而影响了街道上污染物浓度分布。目前主要有三种方法用于研究城市街道 峡谷的污染传输与扩散，即实地测量法，物理风洞实验和数值模拟法。 随着计算机技术和计算技术的迅速发展，计算流体力学( c f d ) 已从最初的简单 应用发展到今天大量的应用于解决复杂的实际工程问题，并有许多的成功范例。 计算流体力学在环境学科中较早应用于全球尺度的大气污染研究，如地球的大气 污染和生态环境等口l ，2 “。计算流体力学应用于城市等中小尺度是在近十年，并受 到人们的广泛关注。国内部分的数值模拟项目获得了国家自然科学基金和部门资 金的资助：刘树华等口4 1 用二维大气边界层模式研究了平坦，均匀戈壁下垫面对流 大气的位温及其时间变化的垂直结构，拓瑞芳等口5 1 进行了三维平流扩散方程模式 的模拟，这些项目均表明数值模拟在环境学科中发挥着越来越重要的作用。王珏 【2 6 用基于梯度理论的扩散方程对上海市汽车排放物在市区的浓度分布进行了模 拟。另外，m a t s u m o t o t 2 7 1 用数值方法模拟了公路隧道内的空气质量。在我国关于 数值模拟方法在大气扩散中的应用已有多种专著和译著，其中桑建国等【2 8 1 对差分 法在大气污染物输送扩散过程计算中的应用进行了系统的介绍，并对各种不同的 差分格式在不同的大气模型中的运用做了阐述。 对街道峡谷内部流场特性和污染物扩散问题的数值模拟开始于9 0 年代。流体 力学中描述流体运动的核心是n a v i e r s t o k e s 方程，各种数值模拟都是建立在该 方程基础之上的，可以针对不同的研究对象做不同的简化得到各自适用的模型。 在街道峡谷扩散模型中，流体均被视为不可压缩的。 h i t o s h ic 2 9 i 用浓度扩散方程计算了当地街道峡谷离地面2 0 0 m 空间的污染物浓度 分布，计算所需的其它参数如速度分布均由实验获得。j o h n s o n c 3 、h u n t e r c ”】、 上海交通大学硕士论文 s h u z o ( ”1 研究了街道峡谷内的流场运动，他们的研究验证了一些风洞试验得出的结 果，包括当街道顶部风向垂直于峡谷轴线时形成的漩涡流动。l e e 和p a r ke ”1 为了 评价不同街顶峡谷的外形及不同流动条件对污染物扩散的影响，提出了一种非定 常的二维流动模型。这些作者的研究均表明当街道的高宽比大于2 4 ：l 时，街道内 部会形成两个高低位置不同的旋涡。在街道内部污染物浓度分布方面，m o f i g u c l i 和u e h a r a ( ”1 分别用有限差分法模拟了在不同的街道结构下汽车废气排放物的浓度 分布，结果与风洞实验吻合的较好。有限差分法是流体力学方程组离散方法中出 现最早的离散方法，它直接对微分形式的方程组进行离散求解，由于直接用差分 代替微分，需要采用等距网格，故要求区域规则，对于不规则的物理区域，则需 要利用坐标变换转换到规则的计算区域中求解，差分法最大的优点是容易采用高 阶格式。j e a n ( ”1 在模拟无限长的非对称街道峡谷污染物浓度分布时，不仅研究了 峡谷内部的流场特性，而且采用k s 两方程模型，计算时考虑了能量方程，详细 地分析了街道污染物的热力学特性，他的研究表明街道峡谷内部的温度分布对污 染物的输运和扩散有着较大的影响，街道表面热源的不同会使街道内部流场结构 从单一的旋涡向多个旋涡转变，他还给出了污染物浓度分布与街道峡谷结构之间 的关系，该作者采用的是有限体积法，该方法在每个小的计算单元中对积分形式 的方程进行离散求解，利用散度定理将散度的体积分转变为面积分来计算，其优 点是方程的守恒性自动得到满足，并且可以在任意形状的网格下实施，但相对来 讲，在采用同阶精度的算法格式时，在计算效率及程序的简洁性方面不如差分 法。 流体力学发展至今，已有多种商用软件问世，较流行是英国c h a m 公司的 p h o e n i c s ，美国航空航天局主持开发的c f x 和在城市大气污染扩散研究中运用较 多的美国f l u e n t 公司的f l u e n t 等，其中p h o e n i c s 的核心算法是由s p a l d i n g 提 出的半隐式差分格式，该格式在国内应用较广【5 3 6 , ”1 。l e e ”1 用该格式模拟了云层 扩散的动力学特性，h a s s a n ( ”1 采用p h o e n i c s 软件包计算了在街道峡谷两旁建筑物 等高情况下，不同高宽比时街道内部的二维浓度场和速度场，该计算采用k 一占模 型，并作了适当简化，没有考虑能量方程，作者将计算结果与实测结果作了比 较，表明该方法是行之有效的，作者在文中提到没有足够的数据提供给该模型作 进一步检验，特别是对其中的浓度场。 对流场的求解按其物理思想可分为e u l e r 法和l a g r a n g e 法及两者相结合的 方法【4 “，e u l e r 法以场的观点看待流体，计算固定空间位置上的物理量。它能够 处理大畸变的流动，但计算时会带来伪扩散误差。上述文献作者均是采用的 e u l e f 法。l a g r a n g e 法以质点的观点看待气相流场，对每一流体微团进行 上海交通大学硕士论文 l a g r a n g e 跟踪求解其运动情况也就得出整个流场图景，此方法的优点是物理概念 直观，能反应出流动的内部细节，并能在计算中保持多种物质之间清晰的界面。 s c h o r l i n ge 4 ”采用l a g r a n g e 法分析了街道车辆排放污染物扩散过程，并指出大气 湍流模型是影响最终结果的主要因素，g u i d o t 4 2 1 在风场己知的前提下，结合 t h o m a s l 4 ”给出的湍流模型用l a g r a n g e 法分析了街道车辆排放中的c o 扩散过程， 并与c a l i h e 一3 1 4 4 】线源模式进行了比较，表明该方法是值得推广的。 日本学者o k a m o t o f ”1 将用于城市空气质量模拟的a o s me 4 6 1 模型用于街道峡谷的 污染物扩散的模拟，该模型有两部分组成：风场模型和扩散模型，该扩散模型是 建立在蒙特卡洛( 、l o n t ec a r l o ) 法基础上，首先根据街道顶部风速用风场模型得 出峡谷内部的流场分布，然后评估污染物微团的扩散运动情况，作者用该模型计 算了东京部分典型街道形状的污染物浓度分布，并与气象局的实测数据进行了比 较，两者吻合的很好，该方法计算量小，但遗憾的是只能应用于街道顶部风向与 街道垂直的情况。 数值模拟自然离不开计算网格，计算网格也有结构化和非结构化网格之 分。结构化网格是指各网格点依其序号存在着空间位置对应关系，因此，节点序 号也是其在计算空间的逻辑坐标。结构化网格的正交性是指各族网格线之间两两 垂直，这种网格的划分比较困难，对物理区域的形状要求也最高，故应用受限制 较大。由于受到空间位置之间相关性的约束，结构化网格的形状也必须规整，一 般为四边形( 或六面体) 。有限差分法及一些有限体积法采用这类网格。 p h o e n i c s 为防止流场的伪扩散采用的是交错的结构化网格。 关于流场中的湍流扩散项的计算r o d ic 4 7 】有详细的介绍。一种常用的方法是 利用梯度输送理论的假定，把湍流通量用平均量的梯度表示出来，这样求湍流通 量的问题就转化为求湍流扩散系数的问题。在空间垂直方向上的扩散系数有定 常、随高度线形递减、指数形式、局地扩散系数f 4 ”、b u s i n g e r 4 9 1 廓线形式和风速 变形场决定的扩散形式【5 0 1 等。d r a x l e r ”1 根据常规观测来决定垂直扩散系数。 l o u i s l ”】提供了一种有温度和风速梯度直接计算扩散系数的方法。水平扩散系数的 可以取为常数，或根据f i c k 扩散理论求取。实际运用较多的是k 一占模式，该模 式是方程的数目增加了两个，增加了计算量。y e u n g t ”1 对有障碍物的二维湍流流动 有较详细的介绍。 汽车排放污染物作为污染源源项，需要进行确定。为了确定源项，掌握各种 车种的交通量、行驶速度、车龄分布和不同车种在不同行驶速度下的排放因子是 必要的，常用的是排放因子( 单一车辆行驶单位距离所平均排出污染物的量) 乘 以单位时间内在公路某一地点所通过的车辆数，排放因子需要从相关部门获得。 上海交通大学硕士论文 文献 6 4 - 6 6 】是给出了一些确定排放因子的方法。a n i l 王【5 4 坝4 试了英国n o t t i n g h a m 的 街道车辆排放物。上海汽车研究所为获得上海市市区道路上行驶所排放的废气的 数据，将实车采集的上海市区道路工况在模拟道路上进行实车实验，利用转鼓及 汽车排气采集和分析系统获得不同类型车辆的排污率，根据这个排污率、有关道 路的车流量、车辆类型组成决定要计算区域的污染源强度。 对街道内部污染物的浓度场和速度场分布可以通过实地测量的方法获得，但 实施上受到许多条件的限制。许多城市环境监测点在数量和方位上往往偏少。实 测数据应该是确凿无疑的，它可为各种扩散模型提供验证。实测数据可以拟合成 各种大气污染预报模型。j o h n s o n i ”1 从实测数据中得出的街道峡谷内部污染物浓度 分布与街道两旁建筑物高度的关系为其他扩散模型的建立提供了很好的参考。 d e p a u l 口q 的测量结果表明在建筑物街道高宽比w h 为1 5 的情况下，当风速大于 2 m s 时街道内部会形成一个稳定的漩涡；k e r m e d y e 5 7 1 的测量表明街道内部的污染 物浓度随w ，h 的增大而升高，在固定的w m 下，污染物浓度在垂直方向上呈指 数下降；测量方法更详细的研究有n a k a m u r a ，y a m a r t i n 0 0 8 1 在实际城市街道内部 的风特性测量。这些研究都显示了在街道峡谷内会形成一个漩涡。 物理风洞模型研究比前者较容易得出，也容易控制，关键在于能否在风洞 中复现大气边界层的动力学和热力学重要特征，风洞模拟实验必须满足一组相似 准则，否则不充分的边界条件和不完全准确的比例换算会导入误差。w e d d i n g 5 ” 的风洞实验表明在相同的建筑物街道高宽比下污染物扩散率取决于街道内部的流 通量大小而不是内部的湍流强度；h o y d y s h 及d a b b e r d t t 6 0 1 在大气边界层风洞中测 试了非对称街道峡谷内部流场的动力学特性及污染物的扩散特性，发现污染物的 浓度分布取决于街道峡谷的对称性和街区的高宽比，在垂直方向上按指数律递 减，在背风侧高于迎风侧。周洪昌等【6 1 1 在1 ：2 5 0 的风洞模型上，使用热线测量系 统测量街道峡谷的平均流速，湍流度等参数，分析了街道峡谷内的湍流流动状 态，探讨了屋顶来流风在街道峡谷内产生复杂流场的主要特征，研究表明，街道 峡谷的结构形式对湍流能量密度的分布影响较大。b u i l t j e s t 蜘的风洞试验主要针对 典型的一些街道峡谷结构，从得到的速度场分布拟合出了一些经验公式，为其他 更为复杂的扩散模型提供参考。道路覆盖物如候车亭和高架桥等设施在许多城市 是普遍的，而候车亭是人流密度较大的场所，w a l t e r i 6 3 l 针对这一情况，模拟了一 个类似候车亭的结构并在美国的e s s c o 大气边界层风洞中进行了实验，利用高斯 线源扩散模式和美国f l u e n t 公司开发的软件f l u e n t 进行了计算，得出了类似候车 亭等街道覆盖物对街道峡谷污染物扩散的影响，最后给出了一些建设性意见。 1 3 本文主要工作内容 上海交通大学硕士论文 汽车排放污染过程与废气在城市大气中扩散过程有很大关系。在市郊，由于地 域开阔，气流流畅，汽车排放扩散能力较强，不易形成大气污染。而在市区，道 路两侧高楼耸立，绵延几公里形成街道峡谷，街道峡谷内气流状态复杂，污染物 扩散能力低。汽车排放物滞留期加长，造成局部区间浓度升高，形成大气污染。 直接危害道路两侧的行人及居民。基于这一点，城市街道污染模式应着重反映街 道峡谷内部的扩散运动规律。 上述街道峡谷的数值模拟一般采用的都是k s 湍流模型。对于街道结构对于污 染扩散的影响也少见详细的分析。 本课题的目的是利用计算机模拟技术和物理风洞试验来研究机动车排放物 在市区街道内的传输和扩散及其浓度分布以及各种街道结构对机动车排放物传输 扩散的影响。给环保、城建及机动车生产厂家提供有价值的参考依据。本篇论文 所做的工作主要包括： 1 ) 收集有关城市机动车排放污染的资料及数据； 2 ) 采用p h o e n i c s 软件建立模拟流场，定义边界条件及符合收敛要求的迭 代参数，对流动进行数值模拟。 3 ) 采用不同的湍流模型模拟了经典后台阶流实验，比较与分析了各种湍流模 型的模拟结果。 4 ) 利用p i v 技术成功地进行了风洞试验，对模拟计算的各种典型结果( 一般街 道，带人行走廊的街道，高架道路) 的合理性进行了验证 5 ) 首次利用c h e n - k i mk s 湍流模型模拟计算了街道峡谷机动车排气污染扩 散的流场与浓度场，并比较分析了不同高宽比以及不等高的街道峡谷。 6 ) 首次对带拱廊与高架桥这两种典型街道结构进行了浓度场的模拟计算，并 对其进行了分析。 上海交通大学硕士论文 、第二章城市街道峡谷机动车排放污染扩散分析 2 1 影响街道大气污染扩散的因素分析 影响城市大气污染物扩散传输的因素很多，而对于街道污染这种局地尺度 范围的污染，其主要考虑因素是风向、有效源高、风速、湍流扩散系数。而干 沉积( 由风速、地表粗糙度等决定) 、湿沉积( 由降水持续时间和强度决定) 、 化学转换( 由太阳辐射、温度和湿度决定) 等因素的影响过于复杂，在模拟计 算中可以忽略。其中在城市街道峡谷中，由于我们研究的是机动车的排气污染， 有效源高是基本确定的，不需要特别加以考虑；扩散主要与大气稳定度有关， 因此考虑风向、风速、湍流( 包括湍流扩散系数) 、逆温层底、混合层等的影响。 由于街道峡谷内流场变化的复杂性，导致了其浓度场数值模拟计算的困难很大， 因此，在这里将其它影响因素加以简化，只考虑主要影响因素的作用。 2 1 1 污染源强度 机动车在道路上行驶，排放废气形成污染源，源强由道路上总车流量和车 辆的排污率来决定。考虑上海市的实际，将针对下列几种不同车型：轿车、载 重车、轻型车、大型公交车、摩托车和助动车。 为获得市区道路上行驶所排放的废气的数据，可将实车采集的市区道路工 况在模拟道路上进行实车实验，利用转鼓及汽车排气采集和分析系统获得不同 类型车辆的排污率，根据这个排污率、有关道路的车流量、车辆类型组成决定 要计算区域的污染源强度。 2 1 2 风对街道峡谷大气污染扩散的影响 风有风向和风速两个要素。风对大气中污染物起到的第一个作用是整体输 送作用，所以风向决定了污染物的迁移方向，使得污染源的下风向地区的污染 比上风向地区高。风的第二个作用是对污染物的冲淡稀释作用。风速愈大，单 位时间内混入烟气中的清洁空气愈多，稀释愈快。反之，风速愈小，稀释愈慢。 2 1 3 湍流扩散系数对街道峡谷大气污染扩散的影响 湍流扩散系数反映的是大气稳定度对污染传输与扩散的影响。实际上，逆 温层底高度、混合层高度、风速、湍流扩散系数的变化都是大气稳定度的一种 反映。污染物的输送过程包括质量输送、动量输送和热量输送。因此，大气湍 流引起的强烈的交换和混合，必然大大加快污染物的扩散速率，湍流扩散率比 分子扩散速率要快1 0 t 1 0 6 倍。故湍流愈强，污染物的稀释扩散速率就愈快，大 气污染物浓度就不会形成堆积。所以说，湍流是决定污染物在大气中扩散稀释 的重要因子。 上海交通大学硕士论文 2 1 4 地理条件对街道峡谷大气污染扩散的影响 影响大气污染物扩散的重要因素是地理条件。在城市街道峡谷的污染扩散 中，因为研究范围限于街道内部，地理条件的影响主要是街道的几何形状，包 括街道两侧的建筑物密集程度、高度及高度分布均匀度、街道的长宽度等尺寸， 这些都会对街道内部大气的流动状况产生影响，进而对街道内部机动车的排气 污染的传输与扩散产生影响，在街道内部污染物扩散的研究中必须加以考虑的 重要影响因素。 2 2 街道峡谷机动车排放污染物扩散的物理过程分析 在城市街道上，行驶的机动车排气管排出的物质中包括：燃料燃烧后的生 成物( c o 。、h 2 0 、n ：) ，不完全燃烧生成物c o ，未燃烧的燃料，燃烧反应的分解 生成物( h c 和碳烟微粒等) ，燃料添加剂的燃烧生成物( 铅化合物微粒) ，燃烧 中杂质的燃烧生成物( s o ，等) 以及高温燃烧时空气成分化学变化后的生成物n 0 ， 等。除了排气尾管以外，曲轴箱、化油器和燃油箱也是汽车的排放源，它们主 要是排出未燃烃。在以上排出的各种物质中，除c o ，与h ，o 等气体被认为是无害 气体以外，其余的c o 、h c 、n o 。以及少量的s o ：微粒等都是排气中的有害成分。 对于一辆末加控制的汽车来说，除了h c 排放中有2 0 到2 5 来自曲轴箱窜气，2 0 来自化油器与燃油箱的蒸发外，其余5 5 的h c 排放和全部c 0 、n o 。、s o 。微粒等 有害成分都是由排气尾管排出的。 产生的污染物质大体上可以分为两种：即固体或液体的浮游粒子和气体污 染物质。在大气污染物中，排放量大，长期留在大气中，并对人类和动植物产 生危害的主要污染物是：颗粒状物质或粉尘、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、 碳氢化合物等。大气中的各种污染物质在空气或太阳光能的作用下，产生光化 学反应，又进一步产生其他种类的二次污染物质。 汽车排放污染模式必须反映排放的污染物在大气中的全部物理及化学变化 规律。但是，由于汽车排放污染物进入大气之后，首先危害的是道路两旁的行人及 居民，特别是国内居民出行时间集中，人、机混合交通，受害者直接长时间暴露于 高浓度的汽车排放有害气体中，人受的危害更加严重。基于这一点，污染模式 应重点反映城市街道内部的扩散运动规律，建立相应的污染源扩散模式。这类 微小尺度的近场污染问题可以不考虑光化学反应，即各种污染物的扩散运动遵 守相同的物理规律。 上海交通大学硕士论文 风 阳光辐射 = = = 今 逆温层 盘7 弋3 建筑物 髻。蛳叫蝴j 哨破形l】 图2 - 1街道峡谷机动车尾气扩散过程 f i g u r e2 - it h ep r o c e s so f v e h i c l ee x h a u s td i s p e r s i o ni ns t r e e tc a n y o n 图2 - 2 街道峡谷微r 度扩散模型 f i g u r e2 - 2t h em i c r o s c a l ep o l l u t a n td i s p e r s i o nm o d e li nas t r e e tc a n y o n 在这里，主要考虑尾气中的c o 、n o x 、h c 在气象条件下在街道内部及上空 的传输和扩散。城市中大气污染物的浓度场与污染源的分布、污染源的排放强 度、城市下垫面的粗糙程度，以及气象条件等多种因素有关。由于多数污染源 的排放强度和气象条件是随着时间而变化的，因而城市大气污染物的浓度场具 有明显的日变化或年变化的特点。 排入城市空间大气污染物的混合、扩散和输送不仅受到城市周围产生的中尺 度和整个大气圈出现的大尺度环流所控制，而且，还受到产生下垫面粗糙度及城 市“热岛”效应等环境因素所形成的小尺度和微尺度环流的影响。 街道峡谷内部的扩散运动是分析城市机动车排放污染规律的基础。图2 一l 、 2 2 表明了城市汽车排放污染物扩散的基本过程及微尺度扩散模型的有关参 量。其中，屋顶来风在街道峡谷内部及其近空的流场发生变化，产生绕流、下 上海交通大学硕士论文 洗及渠道效应等现象，形成旋涡形气流。汽车排放物在这种特殊结构的流场中 发生随平均气流的输送、湍流扩散及对流扩散，在峡谷内部产生不同的污染浓 度。 在上图2 一l 中，行驶的汽车排出的污染物组成污染源s 污染物在三维空 间内扩散，扩散过程受到风的强烈影响，垂直方向上在h 高度内湍流混合，h 为 我们在z 方向上的研究高度。源强5 由道路上总车流量和车辆的排污率来决定。 车流量越大，源强越大：车辆排污率越大，源强也越大。确切地说，每小时通 过道路任一截面处的车流量为该道路车流率肌源强s 与车流率和排污率p 成正比。污染物在空间的扩散方式主要是风和湍流扩散。风是使污染扩散的最 主要的方式。风速越大，污染物扩散得越快。湍流扩散包括水平方向上的湍 流扩散和垂直方向上的扩散。水平方向上的湍流扩散比起风的传输作用要小， 但静风时，湍流扩散起主要作用。在垂直方向上，湍流扩散起主要作用，混合 物在混合层内( 或逆温层下) 进行强烈湍流混合。 地理条件对污染物扩散的影响主要是街道的几何形状。如图2 2 所示，街道 两侧的建筑物因为影响了街道内的流场，因而影响道路上污染物的扩散。 2 3 街道峡谷机动车排气污染扩散的数学模型 研究污染物在大气中的传输过程有两种基本方法：梯度输送理论和统计理 论。 统计理论的研究方法是追踪个别空气微团的运动因而属于拉格朗日方法。 梯度传输理论的研究是欧拉方法，它讨论在空间固定点上由于大气湍流运动而 引起的质量( 污染物浓度) 通量。根据梯度传输理论，湍流的通量正比于该固 定点上的浓度梯度，其比例系数称为湍流扩散系数，用符号表示，因而梯度 输送理论又被称为理论。应用彤理论使平均浓度的连续方程得到闭合，从而 得到了污染物浓度的对流扩散方程。空气污染物输送问题的数值模拟大部分是 围绕平流扩散方程的求解而展开的。 从梯度理论出发，采用扩散方程来计算街道内部污染物的浓度分布，必须 知道街道内部的流场分布，目前普遍采用的方法是根据街道顶部的风速及道路 无滑移条件用不同的插值方法得出街道内部的速度分布，但不论线形、指数或 其他形式的插值都只适合于街道内部流场较清晰的情况，如层流流动，对于流 场结构较复杂的流动，这种插值都是不够准确的。通过各种实验数据拟合得到 的速度分布曲线的不足之处是具有很大的局限性。所以，为获得街道内部污染 物的浓度分布必须把动量方程考虑进去。 本文主要是围绕二维的街道峡谷，采用n a v i e r s t o k e s 方程来进行的数值模 拟计算。计算中不考虑温度对流场的影响，不考虑流体( 即空气) 的浮力，而 且因为流场速度数量级不大，故又可假设流体为不可压流体；由于污染物( 机 上海交通大学硕士论文 动车排放的尾气) 和环境介质( 大气) 都为气体，并且能实现均匀混合，凼此 这里还假