（工程热物理专业论文）基于多孔介质方法的城市街区汽车污染物对流扩散数值模拟研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 近年来，我国城市机动车的保有量每年都有较明显的上升，在给我国经济带来繁荣 发展的同时，也对城市的大气环境产生了严重的污染，调查显示，汽车排放的污染物已 经成为部分大城市空气污染的主要来源。城市交通道路与之分隔而成的两侧连续的高大 建筑群会形成街道峡谷，由于高大建筑群的遮挡，街道峡谷内就会形成相对独立于整个 城市大气边界层的微气候，会有着不同于整个大气层的传输扩散。因此对城市街区峡谷 内污染物的对流扩散研究显得尤为迫切。 针对本文的研究对象为城市街区峡谷，详细介绍了街区峡谷的特征，包括几何特 征、流场特征和污染物的对流扩散特征，并系统的分析了污染物对流扩散的基本理论， 对街区峡谷内污染物对流扩散的模式进行了介绍。由于城市内机动车污染物在街道内的 对流扩散过程是一个很复杂的过程，受影响的因素很多，主要包括：气象因素、当地的 地理因素和污染源的强度等。 本文采用数值模拟和现场实验观测相结合的方法，在进行数值模拟计算时，根据街 区峡谷的道路和建筑物的分布情况，建立适当尺寸的物理模型，由于城市街道两侧的建 筑物和绿化植物较多，计算的工作量大，本文将对道路两侧的建筑群和绿化带进行参数 化，将建筑群和绿化带处理成具有动量汇的多孔介质，并在此基础上利用g 锄b i t 软件进 行网格划分，结合城市内大气边界层的风速对数轮廓线，定义合适的初始条件和边界条 件，并给出能够满足收敛要求的迭代系数，通过f l u e n t 软件的反复迭代计算得到城市街 区峡谷内污染物对流扩散的流场和浓度的分布规律。 从数值模拟得到的污染物流场和浓度场的分布规律可以看出：当风向相同时，风 速越大污染物对流扩散越强烈；当风速相同时，o 度来风污染物影响范围较小，但不 利于污染物的局部扩散，容易在下风向积聚，造成局部污染严重；倾斜来风时，污染物 局部扩散明显加强，但对周围的影响范围明显扩大，这时不易造成局部浓度超标。 为了验证本文数值模拟结果的正确性，本文选择了在相同的街道上进行现场试验观 测，通过在街道迎风面和背风面上各设立不同高度的四个观测点进行观测，在五个观测 日内对各个观测点上的c o 浓度进行测量，得到c o 浓度的变化规律，并将现场试验测得 的数据与数值计算的结果进行对比，发现两者结果基本一致，这就证明了本文建立的数 学模型和进行的数值计算的正确性。 本文的研究内容可为城市街道规划建设、建筑高度和密度控制、机动车尾气的排放 山东建筑大学硕士学位论文 控制和交通流量控制提供科学依据。 关键词：街区峡谷，汽车污染物，多孔介质，对流扩散，数值模拟 u 山东建筑大学硕士学位论文 n u m e r i c a la n a l y s i so fp o u u t a n td i s p e 璐i o ni ns t 他e tc a n y o nb a s e do n p 0 1 o u sm e d i u mm o d e l 乃l j i n g ( h 、，a ce n g i n e e r i n g ) d i r e ! c t i e d b y w ，觚g y 啪c h e n g ；m a j m a b s t r a c t i i l 僦明ty e a r s ，m en u m b 盯o ft h ev e h i c l e0 f 仕屺b i gc i t i e si nc h i n ai si n c r e 私i n g 诵t l ln l e l l i g i ls p e e d n 晰n g sp m s p e r i 够t ot h cc o 咖o n o n l y ，b u ti ta 1 c 0 砌b u t e sm u c h t 0t h ea i r p o l l u t i o ni ns o m eo f t h eb i gc i t i e s ，a c c o r d i i l gt 0t h cr e s u h so fm 嗽hr c a c h ，v e 帖c l 盯e 】c 岫 i sm em a i l l c co f a i rp o l l u t i o ni i ls 伽b i gc i t i e s 蝴c 硼1 ) 竹nm 潍sn l es 讯蛾锄dt 1 1 e c o n t i i l u o u sb u i i d i n g sa r 0 啪dt t 圮s t r ti nt h ec i 锣，m cc l l a 燃o f t h e 蝴s 虮：c t 啪y o nh 勰 i n n u 舳c c 蚰m cp o l l 砸0 nd i s p 哪汹i n t h cs t r e 就s om ec 时b 奴舾i n 也c 试l c yo f p o l 蛐 i sp a r t i c u l a d y g c n t 托辩a r c h 硼kr e a r c h 喇e c to f t l l i sp a p i c ri ss 骶c tc 雒y o ni nm ec 咄锄娥e s 也ec h a m 砷菌s t i c s o fm cs 慨tc a n y o ni nt h cc 时d “l e d ，i n c l u 缸l g ：g 删c 佗姗s ，n o wf i e l dc h a 船c t 甜s t i c s 锄dc o n v e c d o nd i 伍l s i o nc b 册c t e r i s t i c so ft h ep o l l u 伽鸣锄d 锄a l y s i st h eb 弱i c 也e o 巧o ft l l e s p 聆甜o f p o l l 撇c 伽【v e 撕。乌i n _ 瞅d u st h ec 0 删优t i 傩础l0 f t h ep o l l 撇i nt k 删 c 锄_ ) ，0 n ni sa 唧l i c a t i e d 唧s s f 0 r t h ev e h i c l 缸e x h a u s tt 0d i 哗i l ls 帆蛾c 锄【y m 锄y f a c t 0 倦m a ya 岱娥l i sp r o c e s sg 眦h 鹪t h e u ei n 魄坞咄m 酏m l o g i c a lf l a c t o 璐a n dg 眦蛾 g 的m 酏哆孤l d 帆 t h i ep 乏i p e ru s e d 也：em e t h o d sw m c hc 0 卿i b i n a 虹o no f 也em m 蹴c a l 洲a l i o n 趾dn l e e x p 翻m e n ：t a lo b s e r v a t i o n ，a 印州a l es i z eo ft h ep h y s i c a lm o d eo f t h es 恹斌c 锄y o nw 鹪 b l l i hu pw h i c hw 弱b 嬲e do nt l l ed i s t r i b 血o no ft h er o a d s 觚db u i l d i i l g s b c c a u o ft h eg 陀a t 锄叫to fc a l e u l a ：t i o n 他锄l t e d 丘d mc o i n p l e x 时o fb m l d i n g sb e s i d 懿u r b a nm a d s ，b m l d i n g s a n dr o a d sw 饿p 锄m e t e r 锄d l y 扛e a t e d 勰p 咖惦删d i 吼、) i ，i 也瑚账m n 越c o n n u 】【u 出 e x t 锄dd e s i 印c 0 础廿。璐，a n d 也i sb 舔i s 粥i n gg 锄b i t 小a r e 面dp a n i t i o 玛c 伽曲i n e d 砌c i t ) ，i nn 坞、) l ，i n d 驴e dl o g 删ca t n l o s l ) h e r i cb 0 咖c o n t i 哪l i l l 鹤，d e f i m 圮r i g h t i l l i t i a lc o n d i t i o na n db 叫n d a 巧c o n d i t i o 璐，a n dc 趾m e e tt h er e q u i f e m ：t so f 也ec o n v e 玛e n c e a r ei t e r 蛳v ec 0 e 伍c i e 咄n l i 。o u g l lt h ef l u e n t n 呲确础v ec a l c l l l 如耐c 时b l o c k si 1 1 屺 啪y o np o l l u t 锄t sc c m v 瞅i o ne x l 聊陷i o n s p e e df i e l d s 觚dc o n c e 咖嘣i o nr a t co d n d m l es 曲l l l 撕0 ns h o w ：( 1 ) w h e n 廿l e 、j l ，i n d i sa t 也e 跚n e ，p o l l u 觚d i 谧i o no f 证b 觚m a d sa j o n g 凼e r w 弱饥h 锄e e d 、) i ，i n ln l e 硫淝黜o f t r a 伍ed e n s 啵 ( 2 ) w 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i t h e i g ：h to fe a c h tu p 向u rv i e w sw e r eo b s e e d ，i i lf i v eo b r v 撕o no fa l l 廿l eo h 删i o n p o i n t sw m n t h ec o n c e n t r a t i o no fc om e 舔删锄dg c t l ec 妇i g er i l l eo f 廿l ec o 眦伽删i o n o fc o ，锄df i e l dt e s to fm e 嬲u r e di h t a 锄dt 1 1 en l l m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u b 、7 v e 咒c o m 【p a r e d ， t h er e 弧l t s 如珊dm a t l i sp a p e re s t a b l i s h e dm 觚h c i 】唿t i c a lm o d e l 锄dt h ec o r r c 咖e s so ft l l e n u n l e r i c a lc a l c ui 枷o n 1 kr e s u bo ft h cp r e n tp 叩e rh a v ed e v e l o p c dab 酬 e r 强d e r s i 铷d i f 培0 fm e m o c h a i l i s mf o rt h ec o n v e c t i o n 锄dm s p e r s i o no fv 出c l ep o l l u _ t a i l t s 晰m i nm 趾蛐e tc a i l y 0 璐， w t l i c hi sh e l p f u lf o rt h e 也斌ke l i s s i o nc o n t r o l ，t h ea i rq u a l i 够c o n t r o l 饿舸v o t k 锄dl h 七a n 鼬e tp l 删n g k e yw o r d s ：e tc a l ：l y o n v e i i i d ec 】【】h a l 蛾p o r 0 璐m e d i a c 0 n v e 砸0 nm f 缸i o n n ：n e r i c 出s i m l l l a ：t i o n 山东建筑大学硕士学位论文 第一章绪论 世界各国的城市化进程都在大规模的进行，这就导致了交通工具的大量使用，随之 而来产生的一系列不利影响也显现出来：大量的能源消耗和污染气体的排放，以及严重 的城市噪声污染和空气污染。因此，我们应该高度重视由于城市机动车的大量增加而产 生的各种问题。本文以济南市某街区为例，对汽车尾气的扩散以及气体污染物对周围街 区环境的影响进行研究，为有关部门采取适当的措施提供了科学依据。 1 1 课题的研究背景及意义 从上个世纪8 0 年代开始，随着城市化进程的加快和城市人民生活水平的改善，我国 城市的汽车保有量呈明显的上升趋势，且每年的增长率都高于1 0 。1 9 9 7 年全国机动车 保有量约为1 2 7 万辆，而截至2 0 1 1 年6 月底，全国的机动车总保有量达到了2 1 7 亿辆， 其中1 1 个城市的汽车保有量超过了1 0 0 万辆，而这一数据仍在上升过程中【1 1 。汽车尾气 的排放已然成为空气污染的最主要来源，据统计，大气污染中机动车尾气污染已占百分 之七十，而北京、深圳、上海等一些大城市中，汽车尾气中的一氧化碳和碳氢化合物的 排放量已占城市污染气体排放总量的8 0 左右，可见汽车尾气已经成为大气污染的罪魁 祸首。 汽车数量的增加必然导致城市大气污染负荷的加重，使部分地区的大气质量严重恶 化。汽车尾气中的有害污染物主要是一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、 硫氧化合物和固体颗粒物等。一氧化碳是一种无味无色的有毒气体，当由人体吸入后， 能与人体血液中的血红蛋白结合形成稳定的碳氧血红蛋白。由于一氧化碳与血红蛋白的 亲和力比氧与血红蛋白的亲和力要大2 0 0 3 0 0 倍，同时碳氧血红蛋白的解离速度却比氧 合血红蛋白的解离慢3 6 0 0 倍，因此一氧化碳会与氧争夺血红蛋白并牢固结合，这样就会 致使血红蛋白携氧能力大大降低，造成全身缺氧血症。当人体吸入的一氧化碳达到一定 量时即可因窒息而死亡。碳氢化合物基本上是无味的，且考虑到它在空气中可能存在的 浓度对人体的健康也不会产生明显的影响，但是汽车尾气中的碳氢化合物却含有包括甲 醛、乙醛和丙烯醛等醛类。这些醛类对眼黏膜、喉和支气管有强烈的刺激作用，对血液 有一定的毒害，长期接触会有致癌的危险。汽车尾气中的氮氢化合物主要是一氧化氮， 还含有少量的二氧化氮。一氧化氮是一种无色气体且毒性较小的气体，但高浓度的一氧 化氮会引起神经中枢障碍，会影响人体肺部的功能，而且一氧化氮在紫外线作用下能氧 化成有剧毒的二氧化氮。二氧化氮是一种有特殊的刺激性气味的褐色气体，当吸入肺部 之后与水分结合生成硝酸，严重的更会引起肺气肿。硫氧化物会对人的眼口鼻黏膜产生 山东建筑大学硕士学位论文 强烈的刺激性，而且会对人的肺部产生长期的影响，更重要的是硫化物是造成酸雨的最 主要元凶。固体颗粒物是由于燃油在发动机内燃烧不充分产生的，尾气中的固体颗粒会 危害人体的呼吸系统并长期沉积在肺部，固体颗粒上容易吸附有二氧化硫和有致癌作用 的芳香烃，将会严重危害人体健康。由此可见，汽车尾气中的各种有害物质对人体的健 康会产生严重的影响。 建筑是构成一个城市，并承载着人类生产和生活的主体，交通则是一个城市的脉络， 正是这两者的存在才能够保证城市持续稳定的发展，城市交通道路与之分隔而成的两侧 连续的高大建筑群就形成了城市常见的几何形态一街道峡谷。由于高大建筑群的遮挡， 街道峡谷内就会形成相对独立于整个城市大气边界层的微气候【2 】。在街道峡谷内风速明 显减小，整个区域内的空气交换和内部污染物的对流扩散只能通过屋顶来完成。人类对 于建筑物的容量和出行的需求持续增长，造成了城市内建筑的密度和高度急剧的上涨、 城市交通日益拥堵。 由于汽车尾气排放高度低，和人呼吸带的高度比较接近，高浓度的汽车尾气将直接 危害行人和周围居民健康。因此，对城市街区内空气流动与尾气的扩散迁移规律进行研 究，对于城市街道的科学规划，改善城市空气污染，提高城市居民的生活环境质量有着 十分重要的意义。 1 2 研究历史和现状 自7 0 年代初，国外学者就开始使用不同的方法如现场实验测定、风洞实验、数值模 拟等方法对城市街区峡谷内污染物的对流扩散进行了研究，研究的内容涉及到街道峡谷 内的空气流动和污染物扩散规律等诸多方面。 1 2 1 现场实验测定 现场实验测定是指在连续的时间内，利用测量仪器对街道峡谷内污染物的流场、浓 度和街道周围建筑物自然通风时房间内污染物溶度进行测量，并对测量的结果进行分析 讨论，得出各自的规律。近年来，国外学者对街谷内汽车排放污染物的对流扩散现象的 现场实验测定方面作了进一步的研究，取得了较大的进展。o l cb h a n d 等人【3 】利用单点 观测法研究了城区街谷内某一点的悬浮颗粒物的随时间的分布规律，并用测量得到的数 据对他们所建立的经验模型进行了初步验证，由于该研究只是对单个测试点数据的比较， 因此这一验证具有一定的局限性。为了建立空气质量的评价标准和为城市街道内污染物 扩散提供实验数据，意大利、英国、法国和西班牙四个国家于成立了l l f el 也s o l u t i o n 工作小组( 、7 l 能g 她2 0 0 1 ) 【4 】，该研究小组分别在欧洲的四个城市( r o m e ，p 耐s ，m 枷d 锄d 2 山东建筑大学硕士学位论文 d l j b l 蛐中大范围的城区和郊区内的街道上测定了苯和二氧化氮气体的浓度。在国内也 有很多相似的研究，例如，钟柯【5 l 等人选取上海市某街区，对靠近街道的建筑物内自然 通风房间和远离街道的建筑物自然通风房间的c o 浓度进行现场测量，并将两者的测量结 果进行对比，结果表明，在同时没有室内污染源存在的条件下，两者室内的c o 浓度差别 很大，而室外的污染物浓度差别较小。李春雷【6 】等人在广州市的三栋典型住宅内进行了 室内p m 2 5 颗粒物的浓度及p ：a h s 的现象实验测量，该实验测量表明，室内p m 2 5 颗粒物 和p a h s 主要是来自室外的污染物，这样也就说明室内污染物浓度的大小和室外的污染物 的浓度有着直接的联系。另外实验表明，随着建筑物的高度的增加室内污染物的浓度减 小。 利用现场实验是测定汽车污染物的浓度和流场分布最直接有效的方法，而且得到的 数据可靠性、准确性较高，但由于城市环境监测点的数量、位置及天气变化等限制，使 得实验测定的数据较少。 1 2 2 风洞试验 对于大气现象的研究，现场实验测量具有一定的局限性，这是由于影响因素较多且 有可能同时存在，因此很难确定哪些是主要影响因素，哪些是次要的，并且这些主要影 响因素之间的关系是非线性的，那么这些因素之间的数量关系就很难具体确定。而对于 物理风洞试验来说，要控制这些因素就相对简单许多，物理风洞试验可以根据需要研究 的重点不同，而选择与之相适合的试验条件和边界条件。 风洞试验是利用流体力学中的相似性，在实验室内利用缩小了的物理模型进行观察 测量，得到相关的试验数据。自从1 9 7 0 年在伦敦首次利用风洞实验来预测建筑物周围的 风环境以来，风洞实验己经成为研究建筑风环境不可缺少的工具。l i e 训k cc t 7 】在几种 不同结构的街道模型内进行了风洞实验，具体研究街道内污染物的扩散规律，并且对各 种街道模型的风洞实验结果之间的差别进行了对比研究。结果表明：简化街道模型的风 洞实验结果与真实情况的街道模型的风洞实验结果还是存在一定的区别；k a s 嘶湃e i n 锄dp l a ：t e 【8 j 在德国勋r l s n 心大学水文地理研究院的大气边界层风洞中完成了示踪气体扩 散实验，研究的内容主要是街道的几何结构、建筑物顶部形状、风向等因素对街道内污 染物扩散的影响，研究结果表明城市街道内的污染物流场和浓度场与理想化的孤立街道 ( 两边为平顶建筑物的“乡村街道 ) 内的污染物流场和浓度场是不相同的；2 0 0 0 年， u e h a r a 【9 】等人在日本国家环境研究院用大气扩散风洞实验，研究温度分层对街道峡谷上 方与内部的风场影响，研究结果表明：街道峡谷内产生的涡流在大气稳定状态下会变弱。 3 山东建筑大学硕士学位论文 l 泌缸l * e i i l a n dp l a t e l l o 】的另一项风洞试验研究的是：单双向行驶车辆对街道内流场和 污染物分布扩散的影响，研究结果表明：在风速和风向以及街道结构相同的情况下，双 向车流时街道内的污染物流场和浓度场受到的影响较小，而单向车流对街道内的气流流 场和污染物浓度场的影响较大。g 衙d e s 锄do l i v a r i 【l l l 利用冯卡门研究院的l 2 b 风洞，对 垂直风向条件下的对称和非对称街道内的气流流场和污染物浓度场进行了测量，测量结 果发现街道周围的地理分布对街道内污染物的对流扩散影响很大，街道两边建筑物高度 之比对街道内的污染物扩散也有明显影响，而街道宽度对扩散的影响相对较小。 国内对于风洞实验的起步较晚，始于上世纪9 0 年代中期，先后有清华大学、北京大 学、上海交通大学和上海市环境科学研究院等一些研究机构，参照国外的研究方法，开 始对城市机动车排放因子、城市机动车排放污染物在城市街道内的扩散规律进行了初步 的探索。周洪昌等n 2 1 在1 ：2 5 0 的街道模型的风洞实验中，测量了街道内空气的平均流速、 湍流度等参数，分析了街道峡谷内气体的湍流流动规律，研究了垂直来风时街道峡谷内 污染物流场的主要特征，研究表明：街谷的结构形式对湍流能量密度的分布影响较大。 但是由于风洞试验中物理模型的制作具有费时费力，实验的周期较长的特点，而且 由于模型尺寸的缩小带来的如时间、风速和雷诺数等参数的相似问题无法在风洞实验中 同时满足，由此会引起一定的误差等问题还有待解决。 1 2 3 数值模拟方法 由于现场实验观测和风洞试验模拟的方法存在测得的数据较少且实验费用高昂的缺 点，并且难以对气象条件、地理因素和建筑结构等不同情况下的实际街道峡谷内的污染 物对流扩散做出预测，因此建立各种不同类型的街道峡谷内大气污染物对流扩散已经逐 步发挥重要的作用。 随着计算机技术的快速发展，计算流体力学( c f d ) 已经不只是最初的简单应用，而 是发展到如今能大量地应用于解决复杂的实际工程问题，在航空、航天、动力、能源、 气象、化工、环境等各个领域得到越来越广泛的使用，为实际工程设计提供可靠的依据。 数值模拟是从大气湍流流体动力学理论出发，并建立在n a 、，i 盯s t o k c 方程基础之上，可 以针对不同的研究对象做出不同的简化而得到合适模型的一种研究方法。 国际上对街区峡谷污染物的流场特性和扩散问题的数值模拟大约开始于8 0 代中期， 最初的研究对象多为简单体型的单体建筑周围的气体流场情况。从上世纪9 0 年代以来， 随着科学计算以及空气动力学的发展，数值模拟方法越来越多地应用于城市街区峡谷内 汽车污染物扩散规律的研究。以下是国内外学者利用数值模拟方法对气体污染物的对流 4 山东建筑大学硕士学位论文 扩散的研究。 o l 锄0 t 0e ta i l 【1 3 】建立了一个基于蒙特卡罗法则，描述二维街道内空气质量的模型， 它包括模拟街道内空气的流场和污染物对流扩散的子模型，该模型可以用于模拟垂直风 向情况下，街道内的污染物浓度场。该模型与s t i 也e t s 和m a p s 模型的计算结果 进行了比较，并经过现场实验观测数据的验证，具有一定的准确性。1 9 9 6 年，日本学者 o i ( a m o t 0 【1 4 】将在城市街区峡谷内利用城市空气质量模拟的a q s m 计算模型进行了污染物 扩散情况的模拟，对东京部分典型街道的污染物浓度分布进行了研究，并将计算得到的 数据与气象局的实测数据进行比较，结果发现两者吻合得较好。实验发现这种方法的计 算量小，但只适用于风向与街道走向垂直时的情况。 y o s h 锄dk l l n i m i 对街道峡谷内污染物的扩散情况进行了数值模拟，该计算模型 还同时考虑了光化学反应的影响和机动车诱导湍流的影响。研究结果表明街区内机动车 流量和街区周围的建筑物结构特征对街区内污染物的对流扩散有较大的影响。 c h 觚c t 砒( 2 0 0 2 ) 【1 习建立了一个二维模型模拟孤立的街区内气体流场和污染物的浓 度场，并且与风洞实验数据进行了比较；通过对于不同几何结构的街道使用不同的湍流 模型的数值试验后发现：较宽的街道、建筑物高度较低的结构更有利于街道内汽车污染 物的扩散。 在街道峡谷内部流场特性和污染物扩散问题的数值模拟方面，国内的研究较国外来 说起步晚，但近年来发展也较为迅速，很多学者对城市内汽车污染物的扩散问题做了大 量的研究工作。 在2 0 0 3 年，吴志军等人利用c f d 技术研究了当街道两边建筑物高度相等和不相等 这两种情况时候街道峡谷内部的气体流场特征，研究结果表明：当街道内建筑物高度不 相等时，不管屋项来流风向如何，受到污染物影响较严重的一侧始终是建筑物高度相对 矮的一侧。另外，还将c f d 模拟技术与风洞试验相结合，以上海市金陵东路街道为研究 对象，分析了带人行拱廊的街道内部汽车污染物的对流扩散规律，研究表明：在街道迎 风面处的拱廊里会形成了一个逆时针旋涡，由于人行拱廊的影响，在背风侧人行拱廊的 污染更为严重。 王远成【1 6 】等人利用自主开发的，街谷内汽车污染物的对流扩散模式，对几种城市中 的典型街区峡谷内气体的流场特征和污染物浓度场进行了数值模拟研究。结果表明：当 街区峡谷的宽高比约等于l 时，街道宽度较大和递升型的街区峡谷对于污染物的对流扩 散更为有利。 5 山东建筑大学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容 本文以先进的计算流体动力学方法( c f d ) 作为最佳设计的工具，对城市街区峡谷 两侧的建筑物、道路进行参数化处理，将群体建筑考虑成具有动量汇的多孔介质进行处 理。利用计算机反复模拟计算，并更直观展示模拟结果：济南市某街区汽车尾气对流扩 散的流场和浓度场。本文研究的主要内容包括： 1 由于城市街区道路两侧的建筑物和绿化带较多，计算工作量大，本文考虑利用计 算机模拟作为最佳的计算工具，并且对街区道路两侧的建筑物和绿化带进行参数化处理， 建筑群和绿化带考虑成具有动量汇的多孔介质，并在此基础上对建立的物理模型进行网 格划分，并结合大气边界层的风廓线分布，完成数值模拟计算。 2 建立城市街区汽车污染物对流扩散的数值模拟模型，经过反复的模拟计算，得到 不同风速、不同风向情况下城市街区内的气流流场和污染物浓度的模拟结果。结合计算 得到的污染物对流扩散的速度场和浓度场进行分析。 3 对本文建立的城市街区风环境的模拟，进行现场试验观测验证，进一步完善实验 测定和计算模拟的结果，并将数值计算的结果与现场试验观测得到的结果进行对比，结 果表明：两者之间虽然有一定的误差，但在可以接受的范围之内。 6 山东建筑大学硕士学位论文 第二章街区峡谷的特征及气体污染物的对流扩散 2 1 街区峡谷的特征 所谓的街区峡谷是指街道两侧都有连续的高大建筑物且街道相对狭长。这一概念最 早是首先由n i c h o l n 提出的，但这一概念目前已得到扩展，也适用于更宽阔的道路或 郊区，而街道两侧的高大建筑物不连续或者存在一部分空白和缺口时，也可称为街区峡 谷。 2 1 1 街区峡谷的几何特征 街区峡谷的尺寸一般是用街谷两侧建筑物的高度h 与街谷宽度w 的比值h 脚来描述 的。当h 厢接近于l 时，这类街道峡谷称为理想街谷，也被称为规则街谷；当街谷的h 厂 0 5 时，称为宽街谷；当h w 至2 时，称为深窄型街谷。 对于街谷的长度一般用l 表示，是指街区内两个主要交通路口之间的距离，根据堋 值的大小，街谷又可以分为短街谷( 堋薹3 ) ，中街谷( 5 乏u h 乏3 ) 和长街谷( 堋乏7 ) 。 另外，当街谷两侧的建筑物高度大致相等时称为对称街谷，不相等时称为非对称街谷。 2 1 2 街区峡谷的流场特征 如今，对于常见的城市街区峡谷的流场特征研究的较多，一般可分为三种形式：孤 立粗糙型、尾流干扰性、滑动型【忉。如下表： 表2 1 常见街区结构的流场特征 孤立粗糙型尾流干扰性滑动型 h 脚h ，、v 如3h 脚 o 5h 、v o 7 街谷足够宽且有充 产生条件街区峡谷的高宽比相对缩小街区峡谷足够深 分的流动发展空间。 在背风面产生的漩涡在背风面产生的漩涡不能完 在街谷底部靠近 对迎风面没有明显的 全到达迎风面，对迎风面产生明 特征建筑物的地方会形 影响。显的影响。 成二次漩涡。 流场的结构相对简单流动的分离比较复杂。 2 1 3 街区峡谷的污染物对流扩散特征 街区峡谷通常位于城市的下垫面，由于受建筑物的阻隔，会形成相对独立于整个城 市大气边界的微气候，城市街区峡谷内污染物的扩散及分布在微气候中的影响比在整个 大气层内更明显。对于城市街区峡谷内的汽车污染物扩散主要是依赖于建筑物顶部的气 7 山东建筑大学硕士学位论文 流量与街区内的气流量交换。典型街道峡谷的系统风对峡谷有较弱的空气流通，基本不 影响污染物的迁移。大量实验测量表吲1 8 】：位于街道下风向时汽车尾气的浓度增加，且 污染物浓度会随着道路两侧建筑物的高度的增加而降低。这是因为街道峡谷内污染物积 聚且通过大风漩涡进行水平输送，这就导致了下风向的污染物浓度增加。另外，由于再 循环作用会在街道峡谷的小角落上会产生较为严重的污染。 2 2 污染物的扩散模式 2 2 1 物理模式 基于相似性原理的物理模拟通常包括几何相似、动力相似、大气边界相似等，运用 相似性原理建立的物理模型可以重现实际情况下的街道峡谷条件。一般可以通过风洞和 水箱这两种方法来实现物理模拟；实验表明：风洞更广泛用于污染物扩散的模拟。 对于风洞实验，通常使用三种方法得到试验参数：流体分析，指不同结构下的街区 峡谷内的大气流场特征；扩散轨迹，将街区峡谷内不同位置的污染物的浓度量化；激光 多普勒风速测定仪1 9 1 ，通过对峡谷内数据进行具体的测量，得到详细的气体流场。由于 这种方法能够对微观污染物扩散中的各个现象进行单独研究，所以能够有效地测得街道 峡谷内的实际大气情况。 2 2 2c f d 模式 所谓c f d 模式是指使用计算机对流体流动和热量传输等流体现象进行数值模拟，如 今已经被广泛地应用于工程以及环境领域嗍。c f d 模型不同于其它欧拉模型，c f d 能用 灵巧的细格栅处理复杂的边界条件。此外，这两种模型都能较好地处理湍流，很适合于 微观污染物的扩散研究。 c f d 模式是由大量能够处理流体问题的运算法则组成，通常包括三个主要因素：输 入、求解和输出，其中核心部分是求解，通过求解流体力学中的基本方程组( 动量方程、 能量方程、连续性方程、污染物扩散方程) 并采用适当的湍流闭合方案，从而得到污染 物的浓度场。闭合方法一般有两种：k e 闭合和大涡旋模拟方法【2 1 1 ，通常后者的计算条 件要求较高，故一般只用于研究。 2 2 3 应用模式 应用模式是一种半经验模式，是针对一些特殊结构的街区峡谷问题设计的，如果要 在其他形式的街区峡谷内的扩散问题中使用时，要进行改进。下面介绍几种常用的应用 模式： 8 山东建筑大学硕士学位论文 1 高斯烟羽模式阎 高斯烟羽模式，点源排放污染物浓度流场呈正态分布，污染物的浓度大小与风速成 反比，与污染源成正比。通常在比较简单的烟羽模式中，污染物的物理变化和化学转化 不存在，污染物可以直接到地表和混合层顶并通过大气被反射。在该模式中重要的参数 包括水平扩散系数和垂直扩散系数。经改进的烟羽模式可以应用于工业方面，它可以计 算城市面源浓度和高速公路线源的浓度，但这并不适用于直接计算城市较小尺寸度的扩 散问题，这是由于城市建筑物和其他结构是通过地表粗糙度参数化的。有些高斯烟羽模 式可以运用于街道峡谷扩散问题的研究幽。 2 c a l i n e 4 c a l i n e 4 幽模式是基于高斯扩散方程模拟线源的扩散，它先将道路分割成一系列单 元，再分别对每个单元的污染物浓度进行计算，然后进行累加从而得到某一特定点的污 染物浓度，某一点距污染源的距离是受点距离道路中心线的垂直距离，在这区域内可认 为污染源和湍流一致。c a l i n e 模式能较好的模拟汽车尾气中的污染物在街道上的扩散 情况。目前该模式已广泛使用于高速路上汽车尾气的控制研究，虽然它也适用于街道峡 谷和交叉路口，但是运用的较少。 3 s t r e e t - s r i s 冱e t s 模式是美国斯坦福研究所的j 0 h 璐0 n 【2 5 1 等人在对汽车尾气初始扩散和 引起的湍流进行了简化假设，得到的一种简单的箱式模型。该模式是假设受体点的污染 物浓度由城市的背景浓度和街谷内汽车尾气产生的浓度组成；因此，在计算街道两侧污 染物的浓度时需要考虑的因素包括受体点的高度和距离污染源的宽度。在峡谷的背风面 污染物浓度与受体点和线源间的距离成反比；迎风面的只与受体点与线源的垂直高度有 关。通常在建立s t r e e t 模式时不考虑风向与街道夹角较小或平行时的情况，但是在 实际应用中仍然适用。由于在s t i 迎e s 模式中得到的参数是在规则的街道峡谷中， 因此在实际运用中需要进行修正。 4 c p b m c p b m 模式是利用了传统的高斯烟羽模式与箱模式相结合的办法，给出了峡谷烟羽 箱模式闭。在c p b m 模式中，可将污染物浓度的估算分为两部分：烟羽直接扩散和垂直 再循环，烟雨直接扩散是表示街道峡谷中污染物直接对流扩散的效应，垂直再循环是表 示街道峡谷内由于涡旋中污染物产生的附加效应。在计算街道峡谷截面上的涡旋型流场 采用由h o t c h 虹s s 和h 砌o w 开发的h h 模式，它是基于不可压缩流体和峡谷内没有 9 山东建筑大学硕士学位论文 风速的源和沉降假设设计而成的二维模式，再利用三角函数和对数风廓线公式来进行街 道峡谷内的涡旋形成的流体流场拟合【2 7 】。另外c p b m 模式还同时需要考虑太阳辐射带 来的热力效应和在行驶过程中汽车产生的湍流。c p b m 的模拟能力比s n 也e t 有较大 提高，具有实用价值；但由于这种模式在数学表达上较为复杂性，很难找出污染物的浓 度值与当地的气象条件及街道几何结构之间存在的关系。 5 o s p m 和a e o l i u s o s p m 是h e r t c l 和b 魄k o 谢c z 【2 8 】在c p b m 的基础上发展得到的，a e o l 砌s 【2 9 】利用了 o s p m 的方法和思路。o s p m 和a e o l i u s 为半经验模式，将街道峡谷内的污染物浓度 考虑成由三部分贡献：( a ) 城市街区峡谷内的背景浓度：( b ) 由于街道峡谷内的汽车尾 气直接扩散产生的污染；( c ) 由于峡谷内形成的气流涡旋引起的污染物循环带来的浓度。 在这三部分中，可以利用高斯烟羽模式思路计算直接扩散的浓度，利用区域形状为梯形 的箱式思路来考虑循环浓度。虽然a e o l i u s 与o s p m 采用的是相同的公式，但是由于 采用了不同的参数选择和数据的预处理，所以它们得到的预测值还是有所不同的。其中， o s p m 模式在北欧的某些城市即1 和北京【3 1 1 都已经得到了很好的验证：但是，在具体的使 用中发现：使用该模式如果一些参数的取值不当时，将直接影响模式的适用性。 在街道峡谷中，如果街道与来风的风向不平行时，在该街道峡谷内就会形成相当于 上风向建筑物高度的2 倍的沿风行涡旋，街道峡谷内产生涡旋尺度会随着街谷内的风速 减小而逐步减小【3 2 】。在将街谷内的地表粗糙度、来风风向和污染源高度等作为考虑因素 时，可以用对数关系来表示街内风速与屋顶风速的关系。 在街道峡谷的背风面上，直接扩散的污染物浓度和污染物的循环浓度之和构成了污 染物浓度；在街道峡谷的迎风面上，循环浓度则是构成涡旋区域内的污染物的浓度，直 接扩散则是产生涡旋区域外的污染物浓度。当街道峡谷内的来风风向与街谷夹角较小时， 街道峡谷的背风面主要是受循环区域外的污染源的影响：如果来风风向与街谷平行或者 是风速较小接近予0 时，在街道峡谷的迎风面和背风面两侧的污染物浓度基本相同。 2 3 街区峡谷内污染物对流扩散的影响因素 通常影响城市街区内污染物对流扩散的因素有很多，但对于本文的研究对象是局地 尺度范围内的污染物对流扩散主要考虑的影响因素包括当地气象条件、街区的地理因素 和街区内污染源的强度。对于沉积、湿沉积和化学转化等因素的影响较为复杂且较难确 定，因此在本文计算中加以简化不予考虑。下文将集中对主要影响因素进行简单介绍。 l o 山东建筑大学硕士学位论文 2 3 1 当地气象条件影响 由于机动车产生的污染物是在大气中传输扩散的，因此当地的气象条件对污染物 的对流扩散影响较大，当地面的大气条件处于不易于污染物稀释扩散的气象条件时，机 动车尾气可能造成高浓度的大气污染，反之能迅速的将污染物稀释扩散。影响机动车污 染物扩散的主要气象条件包括：风速、风向、大气温度和大气稳定度等。 风速对空气中的污染物起到稀释作用，当风速越大时，单位时间内进入大气中的未 污染空气就越多，稀释作用越明显，反之，当风速越小，清洁空气进入较慢，稀释作用 也放慢，就容易导致污染气体的堆积。城市街区内的汽车污染物对流扩散的一个重要特 点就是容易受到局地空气气流的影响，空气会在街区峡谷内形成一个或者多个旋涡。虽 然在街区峡谷内形成的旋涡情况较复杂，但这些旋涡存在着一个规律就是风速越大，街 区峡谷内的污染物与上层大气的对流扩散也越明显，从而就降低了街区峡谷内污染物的 浓度。 由于风对于大气中的污染物起到整体输运的作用，因此风向就决定了污染物的移动 方向。由于风向的作用，容易导致污染源下风向地区的浓度比上风向地区的浓度高出很 多。对于局地区域内的街区峡谷，建筑群顶部的风向对整个街区内的大气污染物对流扩 散的作用较明显，不同的顶部风向会导致街道内产生不同的空气流场。 大气温度是影响大气污染物对流扩散的一个重要因素，在大气的对流层中，通常大 气温度是随着高度的增加而降低，但是由于对流下层中的气象条件影响导致高度增加而 大气温度随之升高的现象时有发生，这种现象称作逆温。逆温层的出现就像盖子一样阻 碍着下方污染物向上的对流扩散，这样就会产生较严重的大气污染。大气中的污染物扩 散稀释的动力主要是风和湍流作用，当风速较小或者是无风时，湍流就起到了主要的作 用，它将直接影响着空气中污染物的对流扩散速率。当有逆温存在时，大气层较稳定， 由于大气的温度不同会产生暖的空气在上面，冷的空气在下面，这种分层就阻碍了大气 的上升运动，影响了污染物的输送和扩散。当地面的温度开始升高时，湍流的作用就明 显出现，逆温层开始从底部受到破坏，而上部没有受到影响，这就导致了逆温层内的污 染物向下混合，这样近地面的污染物浓度就逐渐升高。 大气稳定度是指大气在垂直方向上的稳定度，即气块相对于原来的大气层是否稳 定，是否容易产生对流。大气稳定度是描述环境大气层对在其中垂直运动的气块的影响。 大气稳定度对空气的污染程度有重要的影响。当大气不稳定时，湍流和对流发展充分， 此时扩散稀释能力强，一般不易形成大气污染；当湍流和对流发展不充分时，大气中的 山东建筑大学硕士学位论文 污染物不易扩散，这时污染物积聚易形成污染。 2 3 2 街区地理因素的影响 街区地理因素也是影响街区内污染物对流扩散的重要因素。由于本文的研究局限 于街区内部，地理因素的影响主要是街道的几何结构，这包括街区两侧建筑物的密集度、 高度、高度分布均匀度和街道的长宽等。这些几何结构都会对街区内部的大气流场产生 影响，进而影响街区内污染物的对流扩散。 2 3 3 街区内污染源强度的影响 当街区的几何形状及气象条件一定的情况下，此时街道内的流场相同，污染物源 强度的大小就是街区内污染物对流扩散的主要影响因素。随着街区内污染物源强度的减 小，街区内污染物的浓度总体水平基本上成比例地减小。而街区内污染物的最主要来源 就是汽车尾气，因此，要控制城市街区内污染物的浓度，降低交通污染物的排放、减少 机动车数量、提高机动车的排放标准是最主要的策略之一。 2 4 本章小结 针对本文研究