（安全技术及工程专业论文）机动车污染物扩散分析与预测.pdf

北京交通大学硕士学位论文 ab s t r a c t i n o r d e r t o h e l p u r b a n p l a n n e r s t o e v a l u a t e t h e i m p a c t o f p o l l u t a n t s o n t h e e n v i r o n m e n t , e x t e n s i v e s t u d i e s o n t h e fl o w a n d p o l l u t i o n d i s p e r s i o n i n u r b a n s t r e e t c a n y o n s h a v e b e c o m e i n c r e a s i n g l y i m p o r t a n t . i n t h i s p a p e r , u t il i z i n g a n a d v a n c e d c f d t e c h n i q u e t o s i m u l a t e t h e fl u i d - fl o w d e v e l o p m e n t a n d p o l l u t a n t d i s p e r s i o n w i t h in s t r e e t c a n y o n , d e v e l o p i n g a n o p e r a t i o n a l a i r p o l lu t i o n s y s t e m c o n s i s t o f w e a t h e r d a t a b a s e a n d a s e r i e s o f a i r p o l l u t io n m o d e l s t o f o r e c a s t a m b i e n t a i r q u a l i t y . t h o u g h t h e c o m p a r i s o n o f s e v e r a l t y p i c a l n u m e r i c a l m o d e l s a n d a n a l y s i s o f t h e f a c t o r s w h i c h e f f e c t e d p o l l u t a n t d i s p e r s i o n i n s t r e e t c a n y o n , a n u m e r ic a l m o d e l b a s e d o n r e y n o l d s -a v e r a g e d n a v i e r - s t o k e s e q u a t i o n s w h i c h c o u p l e d w i t h a s e r i e s o f s t a n d a r d k - s t u r b u l e n c e mo d e l s w a s c h o s e n t o s i mu l a t e t h e fl u i d - fl o w d e v e l o p m e n t a n d p o l l u t a n t d i s p e r s i o n w it h i n s t r e e t c a n y o n u s i n g t h e p h o h n i c s c o d e . a f u l l e v a l u a t i o n o f t h e n u m e r i c a l m o d e l h a s b e e n d o n e u s i n g d a t a f r o m w i n d t u n n e l e x p e r i m e n t s . t h e g o o d a g r e e m e n t b e t w e e n t h e c a l c u l a t e d a n d o b s e r v e d c o n c e n t r a t i o n h a s a p p r o v e d t h e f e a s ib i l i t y o f t h e m o d e l i n t h i s p a p e r , a f o r e c a s t in g s y s t e m o f a ir q u a l i t y w it h v i s u a l u s e r i n t e r f a c e , g r a p h i c a l o u t p u t a n d w i t h t h e f u n c t i o n o f f o r e c a s t i n g p o l l u t i o n c o n c e n t r a t i o n , a n d q u e r y o f m e t e o r o l o g y i s b u i l t . t h e fl o w p a t te r n s a n d t h e p o l l u t i o n d i s p e r s i o n i n t h e s t r e e t c a n y o n s u n d e r d i f f e r e n t b u i l d i n g c o n f i g u r a t i o n s而且，山于机动车尾气排放高度接近人的 呼吸带高度， 因此会对街道行人及两侧建筑物内 居民的 健康造成很大威胁。 分析街道峡谷内汽车排气污染物的扩散规律及影响因素，对街道的合理布 局设计以及控制与改善城市街道峡谷的空气质量具有重要的意义。 北京交通大学硕士学位论文 1 . 2机动车污染物扩散的研究现状 目前，国内外对于城市道路机动车排放污染物扩散的研究主要有两个 方面的内容，即城市尺度的街道交通大气污染物扩散的研究和微尺度的街 道峡谷交通大气污染物扩散的研究。前者是不考虑污染源所在街道的流场， 仅考虑一定的风向、风速及气象条件，把整个道路作为污染源，用于计算 城区开阔地带或城郊公路及高速公路的交通排放物在道路沿线的污染物浓 度分布;后者则是在考虑街道峡谷内的流场、排放源、气象条件以及外界 环境等因素对污染物传输和扩散影响的基础上，计算分析研究市区内己 有 街道峡谷的繁忙交通线路上的交通污染物的浓度分布、扩散以 及消散过程 及影响因素。 为了解决城市大气污染物的扩散问题，目前国内外己经建立了许多不 同类型的城市大气污染物扩散模型，诸如以高斯模式为基本类型的城市高 架点源大气污染物扩散模式、移动线源大气污染物扩散模式、面源简化为 等效点源或线源的大气污染物扩散模式、窄烟云模式以 及多源模式等。 1 . 2 . 1国外机动车污染物扩散研究的现状及发展 ( 1 ) 高斯模式 初期著名的高斯烟流模式主要包括z i n n n e r m a n n 等人提出的h i w a y 模 式4 1 , b e a t o n 等人提出的c a l i n e 模式 5 1 ，以 及以h i w a y模式和c a l i n e 模式为基础发展起来的h i w a y 2 模式6 . 7 1和c a l i n e - 4 模式 8 1 等， 此外还有 最 新 发 展 的g m ( g e n e r a l m o t o r s ) 模 式 9 1 , i s m a p 模 式 t o t , t e x i n - 2 模式 t 和g f l s m模式 1 2 1 等。 这些模式成为二十世纪7 0 年代的主流模式， 近年来 在这些模式的基础上又不断有新的发展。 h i w a y模式是美国e p a于1 9 2 5 年开发出来的第一个公路交通污染物 扩散模式。1 9 8 0 年， r a o 和p e a t e r s o n 等人以g m和纽约试验数据为基础对 h i w a y模式进行了修改，在此基础上开发了 h i w a y - 2模式，主要用于模 拟开阔高速公路下风向的机动车污染物浓度分布。 c a l i n e模式是在二十世纪7 0 年代提出的， 这是一个改进的点源高 斯 北京交通大学硕士学位论文 羽烟模型。用户可以通过一系列表和诺模图来预测道路两旁的 c o浓度。 c a l i n e模式基于高斯扩散方程和使用混合区域的概念来表示车道上的污 染物扩散特征。 w a r d 等人对c a l i n e 模式进行了修改， 在此基础上开发出 c a l i n e - 2 模式 1 3 1 。 由 于此模型忽略了污染物的垂直弥散， 因此预测结果偏 大。b e n s o n将道路处理成为一系列与风向垂直的短的连接线，在此基础上 重新研究了水平和垂直扩散方式的关系，将虚拟点源替换为有限长线源， 开发出c a l i n e - 3 模式1 1 4 1 。该 模型改善了c a l i n e - 2 模式在稳定和平行风 条件下预测结果偏大的缺陷，使预测精度大大提高。此模型经美国环保局 ( e p a ) 认 可， 确定为用于 道路附近惰性污染物浓度的 预测模型。 在开发成功 c a l i n e - 3 模式后，b e n s o n又 进一步修改了c a l i n e - 3 模式，从而开发出 c a l i n e - 4 模式。c a l i n e - 4 模式吸收了c a l i n e - 3 模式的优点，并在此基 础上充分考虑了机动车运动所形成的涡流对污染物扩散的影响。 c a l i n e - 4 模式主要包括交叉路日 机动车排放及扩散模型以及 c o排放子模型等。该 模式可用于道路交叉路口 及停车场等处的机动车排放污染物浓度的预测。 c h o c k 等人则基于g m的试验数据，提出了g m模式。该模式回避了 点源假设，应用无限线源的方法并定义了一个扩散参数， 该参数是风与车 道方位角及与污染源的距离的函数。 ( 2 ) 经验模式 经验模式以 美国j o h n s o n 等人提出的a p r a c - i a ( s r i ) 街道峡谷模式为 代表，它主要是利用经验的扩散法则来预测机动车排放的污染物浓度分布 1 1 a m a l d o n a d o 等人开 发出的半经验模式t r a p s 则是考虑风和扩散的幂指 数规律建立起的 模式【 1 6 ) 。日 本环境厅开发的j e a模式和产业公害防治协会 升发的均匀混合模式等都属于非高斯型模式，也是半经验模式。 j o hn s o n 等人把街道两侧存在高层建筑的道路称为街道峡谷， 以街道峡 谷内的监测数据为基础提出了s r i 模式。该模式的基本原理是把街谷某一 高度内的谷间视为一个箱体，并假设污染物在垂直方向均匀分布，在此基 础上拟和实测数据从而得到预测污染物浓度的经验公式。 “ 垂直方向均匀浓度方程”是日本产业公害防治协会开发出的经验模 式。该模式假设在城区建筑物高度以下的空间，污染物在垂直方向上均匀 北京交通大学硕士学位论s 分布。 臼木环境厅开发出来的j e a模式则是基于r o b e r t s 解和大阪示踪剂试验 数据的半经验模式。该模式可应用于高架道路和道路断面的污染物浓度预 测。 n i c b o l s o n 开发的箱式 扩散 模式 。 ， ， 是作为 峡 谷内 平均上 升的气流的 函 数的形式给出的。箱式扩散模式基于街道峡谷内污染物的质量守恒确定污 染物的浓度。 通过输入风速、风向和污染物的总排放，以预测街道峡谷内 污染物的体积平均浓度。 1 9 8 6 年y a m a r t i n o r j 等人提出了 一个街道峡谷烟羽箱式模型 1 8 ) ， 该 模 式含有箱式模式和高斯模式的特征。烟羽箱式模式考虑了清洁空气的侵入 和夹卷所引起的下风侧浓度不均匀性的问题，同时考虑了沿峡谷向排放速 率的变化情况，并允许交通十字路口的出现。该模式可根据现场监测的数 据，给出城市街道峡谷内气流和湍流场的简单分布，并作为模式的输出. 从试验中获得的s t r e e t 模式， 其主要问题是在接近静风条件时， 所描述 的污染物与风速的关系不准确。另外一个比较综合的模式是c p b m峡谷烟 羽箱式模式， 该模式的预测能力比s t r e e t 模式有较大的 提高， 但是由 于该 模 式在数学公式上过于复杂，难以 看出污染物与气象条件及街道形状之间的 明确关系。而这种关系对于估计最大浓度的法规性模式来说，则显得非常 重要。 由月 一 麦国家环境研究所开发的 o s p m ( o p e r a t i o n a l s t r e e t p o l l u t i o n m o d e ) 模式 19 ,2 0 1 ， 通 过 在北 欧 的 大 量实 测数 据的 验证， 获 得了 比 较理 想 的 结果。目 前国内己有学者通过北京街道污染物浓度的实测数据对o s p m模 式进 行重新开发， 并且 取得了 较 好的 预测结 果 2 1 1 ( 3 ) 数值计算模拟模式 数值模拟模式可处理结构复杂的街道大气扩散。城市机动车排气污染 物的数值模拟模式是从大气湍流流体动力学理论出 发， 给出边界条件及确 定湍流扩散系数 k后用数值的方法求解流体力学控制方程。街道峡谷数值 模拟模式通常采用雷诺时间平均方程和k - 。 方程联立， 构成闭合方程组以 求 解街道峡谷内的流场，再由k理论的湍流扩散方程求解浓度场。 北京交通大学硕士学位论文 日本机械学会在二十世纪7 0 年代初开发出了a p p s 模式以及含有处理 峡谷内污染物浓度分布的a p p s - r d m模式和处理道路交叉点周围浓度分布 的a p p s - l d m模式。 a p p s - r d m模式是计算街道峡谷内气流和浓度的二维 差分模式。在该模式中，风速场从动量守恒方程中除去压力项，置换成涡 度和流函数后进行求解，并以得到的风速分布为基础进行污染物浓度的扩 散计算。a p p s - l d m模式是一个将道路周围处理成三维的模式，该模式将 风速主流方向分量及垂直方向分量作为高度的函数形式给出，并用差分法 进行风速及污染物浓度扩散的计算。 私市和俊于 1 9 8 7年以及森口 佑一于 1 9 8 8 年相继报道的街道峡谷内的 气流和污染物浓度扩散的数值模式，均应用湍流扩散的n a v i e r - s t o k e s 方程 进行流场的求解，并通过求解组分微分方程以求解污染物的扩散问题。森 口佑一利用所提出的数值模式不仅实际计算了城市街道内的二维气流流场 和污染物的扩散问题，还计算了城市街道内的三维气流流场和污染物的扩 散问题。所提出的数值模式不仅能计算道路和建筑物周围污染物的浓度分 布，同时也能计算高架道路等在道路上加一个盖时的气流分布和污染物的 扩散问题。在上述这些数值模式中，风速场多是以 解析解的形式给出， 然 后通过求解组分微分方程以给出污染物的浓度，很少应用数值解的方法求 解风速场。 1 9 9 6 年， j e a n 建立了 一个新的数值模式2 2 1 ，并应用这个模式在接近无 限长的街道峡谷的情况下，研究了街道内及屋顶上大气层界面的污染物迁 移以及垂直方向上的污染物交换问题。j e a n利用该数值模式在研究街道儿 何形状及高宽比对污染物扩散的影响时，不仅考虑了建筑物对屋顶上面表 层气流的影响，而且也考虑了街道内重复循环气流的结构。初步的研究表 明，街道表面的不均匀加热对气流的传输以及污染物的扩散具有较大的影 响。在该数值模式中，作者采用了 有限容积法对控制方程进行求解计算。 s in i 在1 9 9 6 年建立的二维数值模型中采用了标准k - e 湍流模型来模拟 孤立街道峡谷中的污染物浓度分布及其扩散问题，并讨论了街道峡谷特征 比例以及小尺度流体中墙面受热效应对于污染物浓度及其扩散的影响， 但 是缺乏实验数据确认这些计算结果。 me r o n e y 在1 9 9 7 年采用r n g k - s 湍流模型计算了 二维以 及三维街道峡 北京交通大学硕士学位论文 谷内的污染物浓度分布及其扩散问题， 但缺乏对不同的街道尺寸以及周围 环境参数影响的讨论。 h a s s a n和c r o w t h e r 在 1 9 9 8 年采用p h o e n i c s 软件计算了 街道峡谷中不 同高宽比以及不同风速条件下街道内部的二维污染物的浓度场和速度场， 并通过实地测量数据以及前人工作得到的结论验证了计算数据的准确性， 但在街道峡谷内 污染物浓度场方面的计算数据及分析比 较有限2 3 1 c h a b n l 在1 9 9 8 年用大涡 模拟方法计算了 街道峡谷内的污染物分布， 但 仅仅 做了 数 值 模 拟， 完 全 没 有实 验 数据 予以 确 认 2 4 1 b a ik和 k in i 在 1 9 9 9年利用数值模拟的方法研究了不同街道高宽比、 风速以及污染源位置条件下街道内的流场分布以及污染物的浓度场分布， 但也 缺乏与实 验数据的比 较 2 s 随后， b a i k 在2 0 0 0 年通过水槽实验模拟了不同 街道尺寸条件下的街道 流场特性12 6 1 。 水槽试验结果虽然具有其它试验没有的直观效果， 但是要进 行定量化的分析，目 前尚显不足，并且在实验中没有进行浓度场的研究。 1 . 2 . 2国内机动车污染物扩散研究的现状 目前，国内在城一市 道路机动车尾气扩散规律以及基本模式的研究方面 基本上是继承了国外的研究成果。 高洪昌等人对城市道路污染物的浓度分布特征进行了观测，分析了 街 道峡谷地面污染物的扩散过程及其与街道建筑物的结构、风向以及排放强 度等因素之间的关系，探讨了中性边界层风洞模拟微尺度湍流扩散过程的 相似准则与相似参数，应用湍流流体力学理论推导了城市街道汽车排放微 尺度揣流扩散模型2 7 ,2 8 ,2 9 7 北京市环境保护研究所等利用高斯模式研究了 城市道路尾气污染物的 扩散规律3 a 1 北京工业大学和中山大学利用了箱式模式对城市道路尾气污染物的扩 散规律进行了 研究 3 1气 此外，东南大学应用1 1 纲分析方法，建立了计算城市道路尾气污染物 浓度的箱式 模式的 普遍式， 并 通过风洞 试 验确定了 普遍式中的 修正 参数3 2 1 北京交通大学硕士学位论文 1 . 2 . 3国内外机动车污染物扩散研究现状的总结 目前，高斯型模式儿乎全部是以高速公路为研究刘象，主要适用于建 筑物少和建筑物低矮条件下的机动车污染物的扩散分析，而不适用于道路 两侧存在高层建筑物时污染物的扩散分析。 通过风洞试验和实际测量得到的经验模式则可以通过引入初始扩散参 数的方法解决机动车引起的热湍流和机械湍流问题。 但是采用经验模式时， 初始扩散系数一般需要根据风洞试验和示踪剂试验的结果进行确定，其物 理意义难以精确描述;而且除了系统误差等因素外，监测数据的不稳定也 是造成模型误差的主要原因。实地测量在实施上受到许多条件的限制，物 理风洞试验需要确定边界条件，并且需要满足一定的测量条件。虽然经验 模式具有输入简单及计算快的 特点，但目 前的经验模式通常不考虑污染源 所在的流场，仅考虑在一定的风速、风向及气象条件下，整个道路作为污 染源对邻近地区的影响。对于在街道两边都有高大建筑物的条件下，并且 需要考虑街道内的空气流动对污染物扩散的影响，以及需要考虑排放源、 气象条件和环境因素等对污染物扩散的影响时，目前还没有可以广泛应用 的经验模型。 数值模拟模式要求对研究街区的地形进行比较详尽的描述，而且计算 过程也比 较复杂。但随着计算机技术和计算技术的迅速发展，计算流体动 力学( c f d ) 己 从最初的 简单应用发展到 今天 可以 大量地应用于解决复杂的 实际工程问题。由于采用数值模拟方法可以以较低的成本进行机动车污染 物扩散的全面而系统地分析，从而己成为理解和掌握机动车排放物对环境 影响研究的一个有力的工具。 1 . 3本课题的研究意义及主要工作 纵观国内外目 前在城市机动车污染物扩散研究领域的发展情况可知， 刘 一 城市街道机动车污染物扩散的研究主要集中在两个方面，即城市尺度的 街道交通大气污染物扩散的研究和微尺度条件下的街道峡谷交通大气污染 物扩散的研究。 北京交通人学硕士学位论文 因此， 本论文尝试采用目 前在国内 外流行的c f d技术开展机动车排放 污染物在市区街道峡谷内的传输及扩散规律的研究，分析预测在复杂街道 结构条件下机动车排放污染物的扩散规律。并初步建立了城市街道尺度空 气质量预测系统。本论文的研究成果可以为城市街道的合理布局、城市街 道峡谷内机动车排放污染物控制的研究，以及为大气环境评价、规划与决 策提供科学依据。 木文开展的研究工作主要包括: l国内外城市机动车污染物扩散研究现状的分析及城市街道机动车排放 污染物相关资料的收集。 z 根据城市街道峡谷中的大气运动规律， 建立了用于城市街道峡谷内 机动 车排放污染物扩散计算分析的数学模型;通过将模型的计算结果与已 有的典型算例及风洞实验结果进行比较，基本验证了模型计算的正确 性。 3利用 k - 。两方程模型计算了城市街道峡谷内的流场及机动车排放污染 物的浓度场分布，比较分析了不同风速、不同源强以及由于日照因素 导致的建筑物表面温度不均等因素对机动车排放污染物扩散的影响。 4计 算分析了城市街道中多个建筑物之间的相对位置对街道中机动车排 放污染物浓度分布的影响特性。本文主要分析了建筑物之间的距离、 高度以及排列等对建筑物附 近污染物分布的影响。 5 初步建立了城市街道尺度空气质量预测系统。 北京交通大学硕士研究生学位论文 第二章 机动车污染物扩散影晌因素及街道峡谷内污染物扩 散模型分析 本章摘要:本章主要分析了城市街道峡谷内机动车污染物扩散的影响因素以及几种典 型的湍流数值模拟方法的特点， 确定了城市街道峡谷内污染物扩散分析的湍 流数值模拟方法， 为本文开展的城市街道峡谷机动车污染物扩散规律的 研究 奠定了理论基础。 2 . 1街道机动车污染物扩散影晌因素分析 机动车排放污染物排放到大气中后，在大气中的传输扩散主要受到气象 和环境两个方面因素的影响。一个地区的大气污染程度取决于该地区排放污 染物的源参数、气象条件和近地面层下垫面的状况。源参数包括污染源排放 污染物的数量、组成、排放方式、排放源的几何形状、密集程度、相对位置 以及源高等。气象条件和下垫面状况决定了大气对污染物的稀释扩散速率和 迁移转化途径。下垫面的粗糙程度及其构成直接影响着该地区的扩散条件， 因此在源参数一定的情况下，气象条件和下垫面情况是影响机动车排放污染 物扩散的重要参数。 2 . 1 . 1城市街道机动车污染源因案 汽车在道路上行驶排放废气从而形成一个流动的污染源，污染源的强度 主要由总的车流量和车辆的排污因子所决定。由于车辆的排放高度一般比较 固定，因此可以将机动车污染源处理为贴地线源。 排放源强可由下式确定: 叉 ( p , “ e , ) 城 bi 1 义 3 6 0 0 x1 0 0 0 ( 2 - 1 ) 式 中 ，研 ,k - i 条 道 路 机 动 车k 种 污 染 物 的 排 放 源 强 ( m g / m -s ) ;几一 第i 条 街 道， 第1 种车 型的 小时 车 流 量 ( v e h / h ) ;凡一 第i 种 车 型， 第k 种污 染 物的 排 北京交通大学硕士研究生学位论文 放因子( m g / m -v e h ) ;双一第i 条道路的宽度。 在机动车道路排放空气污染的研究中，普遍采用的是在测功机上模拟机 动车道路行驶工况( 加速、 减速、 匀速、怠 速等) ，以 此测量单车的 排放因 子， 然后用实验测得的单车污染物排放因子计算城市机动车车流( 线源) 污染物的 排放量。但是在采用实验室测功机对我国正在使用的汽车单车排放因子的测 试过程中发现，我国各种汽车的污染物排放因子的离散性很大。因此，用少 数汽车单车污染物排放因子计算行驶在城市街道中机动车污染物的排放量会 带来明显的误差。 二十世纪8 0 年代以来， 西方国家广泛采用一种方法来确定真实行驶状态 下的机动车整体污染物排放水平，即在营运的交通隧道内通过监测过往隧道 机动车排入隧道内的污染物浓度的分布和隧道风速等环境因素，再通过大气 扩散方程导出车流平均单车的排放因子。 通过邓顺熙等在西安城市交通隧道内的流场、过往隧道的机动车数量和 隧道内机动车排放污染物浓度的同步测量，得出我国城市街道机车车流的单 车排放因子3 4 1 . c o : 3 3 .2 7 9 土1 2 . 1 5 8 m g / ( m - v e h ) h c : 3 . 5 7 7 士1 . 1 8 1 6 m g / ( m - v e h ) ; n o x : 4 . 6 0 5 士1 . 9 8 1 m g / ( m - v e h ) ; 通过上述公式即可对我国城市街道机车车流的单车排放因子进行估算。 表 1 给出了我国机动车单车排放因子与国外单车排放因子的对比。通过 表 1 可以 看出，与发达国家相比，我国机动车排放污染物水平明显偏高，其 中c o 、h c和n o x的排放因子分别是发达国家二十世纪9 0 年代排放水平 的7 - 8 倍、8 - 1 0 倍和3 - 4 倍。 表 1国内外机动车污染物排放因子对比 测试年代表车型 单兰卜 污染物排放因子 cohcnox 温哥华 1 9 9 5 轻型车 4 . 8 4 士0 . 8 80 . 3 9 -1 0 . 7 70 . 8 7 士 0 . 2 6 混合交通型车 4 . 7 9 3 11 . 6 6 90 . 3 5 5 士 0 . 1 2 91 . 6 6 3 -1 0 . 7 8 8 瑞士 1 9 9 3混合交通型车3 . 9 4 9 0 . 4 2 81 . 1 0 0 西安 1 9 9 6混合交通型车3 3 . 2 7 9 -11 2 . 1 5 8 3 . 5 7 7 士1 . 1 8 1 6 4 . 6 0 5 士1 . 9 8 1 北京交通大学硕士研究生学位论文 2 . 1 . 2风速及风向 对城市街道污染物扩散及分布的影响 风速不仅对污染物起输送和扩散的作用，而且对大气湍流度及大气稳定 度也 有一定的 影响。 d e p a u l 和s h e i h 于1 9 8 5 年 在芝加哥市区的 一 个街道峡谷 中进行了一次示踪实验。结果表明，当环境风速在2 - 5 m之间并与道路正交 时，街道峡谷中只有一个涡流存在;当风速降低到小于1 . 5 - 2 . 0 m / s 时，峡谷 中的涡流就似乎消失了。y a m a t i n o 和g o t z 于1 9 8 6 年发现，任何垂直与街道 峡谷的气流都会在街道峡谷中产生涡流，并且涡流横向速度与建筑物顶面横 向速度成正比。 由于大气污染物一般是向下风向扩散的，因此盛行风向决定了大气污染 物的影响区域，研究表明高值污染物浓度通常出现在污染源的下风向。 在目 前己发表的论文中，在对风向进行分析时，多数只是计算风向与街 道垂直以及风速与街道平行两种情况。风向与街道成一定夹角时，由于这时 风向对污染物扩散分布的影响比较复杂，难以从理论上求得精确简便的计算 公式。关于风向的处理，目 前对 一于街道中的线源多采用如下的处理方法:从 点源的高斯模型出发， 在某些特殊风向 下( 与道路平行及垂直) ， 积分求出 解 析解，其他风向时则采用两者的组合进行计算。美国环保局提出了一种简单 的加权计算公式: c 0 5 = q,ft s in (p + c y f c o s ( 2 - 2 ) 但是，上述简单的处理方法与实际情况有较大的出入，在实际应用中有 很大的局限性，难以达到理想的分析结果。 前苏联学者的研究结果表明，在城市覆盖层内，街道风速的大小受到盛 行风的风速以 及风向与街道夹角大小的影响。 当风向与街道走向 基本平行时， 若风速较小( 1 - 2 m / s ) ， 街道风速为开阔地参考点 ( 气象站) 的3 55 5 %; 若风速 增大到2 - 3 m / s 或4 - 5 m / s 时，则街道风速为参考点风速的5 57 0 % 或7 08 0 %， 而当风向与街道成4 5 度角时， 街道风速分别为参考点的3 54 5 % 或4 5 - 6 0 %。风向与街道垂直时，其风速比平行于街道的风速减少 3 0 - 7 0 %. _ _ _ _ _ _ _ t 享 交 通 大 学 硕 士 研 究 生 学 位 论 文 z . 1 ， 3大气稳定度 大气稳定度表示空气在铅直方向上的稳定程度，它是影响空气污染物扩 散的热力因素，是综合反映大气对污染物扩散及稀释能力的重要指标。当大 气稳定度不稳定时， 空气容易发生垂直运动， 从而有利于大气污染物的扩散; 而逆温层的存在将阻碍大气的垂直运动，对大气污染物的扩散不利，特别是 对低矮污染源的影响更大。 大气湍流分为热力湍流和机械湍流两种， 其中热力湍流主要与温度层的 结构有关， 而机械湍流的能量主要来源于风速随高度的增加。在同一地点， 机械湍流总是随风速的增大而增强。 2 . 1 . 4街道周围建筑物对污染物的扩散及分布的影晌 机动车在行驶过程中排出的 污染物随着车辆行驶而向 道路两侧扩散。车 辆本身的状况决定了污染物排放浓度的大小，而道路条件却是决定污染物扩 散快慢的一个关键性的外部因素。 已有的研究表明，城市街道好像河道一样，没有大风时，气流与街道走 向一致， 汽车尾气污染物沿着流向向 下风向输送; 当街道上的风速大于i m/s 时，由于街道两侧建筑物的影响，街道内的气流会出现原生涡，因此街道的 几何形状，包括街道两侧的建筑物高度、街道的高宽比、建筑物不规则排列 时建筑物间的开口以 及街道附 近的隧道出口等， 都会对城市街道内机动车排 放污染物的 扩散及浓度分布带来很大的影响。 2 . 1 . 5温度对污染物的扩散及分布的影晌 一天中的温度变化对于城市街道中机动车排放污染物的扩散及分布也具 有一定的影响。街道峡谷内的日 照使一侧的建筑物升温，引起局部气流不均 匀的温升，从而直接影响到街道内污染物的扩散及分布的变化。 n a k a m u r a 和 t k e 对街道中的风与温度的分布进行了详细的测量。 测量 结果表明，由于受日 照所造成的不均匀加热的作用，在一天中的不同时段， 峡谷内气流的稳定程度和污染物扩散能力有明显的差异。在日照非常强烈的 条件下，峡谷中的污染物浓度有一定程度的降低。这表明日照对于街区内的 污染物扩散确实有一定的影响，但在目前的许多计算模式中，尚未将温度的 北京交通大学硕士研究生学位论文 因素考虑进去。 2 . 1 . 6大气湍流扩散对污染物的扩散及分布的影晌 大气中几乎处处存在着各种不同尺度的湍流运动。在大气边界层内，气 流直接受到下垫面的强烈影响，湍流运动尤为剧烈。在大气中，湍流输送速 率比分子输送速率大几个数量级。当污染物从排放源进入大气时，就会在流 场中形成不均匀的污染物分布。由 于湍流的扩散影响，使污染物从高浓度区 向 低浓度区输送，污染物被逐渐分散和稀释。 2 . 1 . 7小 结 图2 - 1中给出了城市街道峡谷内 机动车排放污染物扩散的影响因素及扩 散模型的相互关系。 从图2 - 1中可以看出，在城市街道峡谷内，机动车排放污染物的扩散主 要受到机动车排放污染物的源强、气象条件、地形条件以及日照等多种因素 的影响。本论文的研究工作将建立能够较全面地反映复杂下垫面及位温等影 响的综合风场模型，并在风场的基础上祸合描述机动车排气污染物扩散的浓 度模型，定量地计算分析城市街道峡谷内 机动车排气污染物的扩散规律。 除了机动车排放污染物的源强、 气象条件、 地形条件以及日照等因素外， 城市街道峡谷中机动车污染物的扩散还受到机动车行驶所引起的大气机械混 合作用、机动车排热所引起的大气热湍流及伴随着的浮力效应、机动车排气 污染物的二次污染物产生即光化学反应、以 及由于降水等因素造成的湿沉积 等因素的影响。由于在目 前条件下定量地描述这些影响还十分困难，因此在 本文的计算分析中暂不考虑上述这些因素对机动车污染物扩散的影响。 北京交通大学硕士研究生学位论文 峡谷顶层水平风速峡谷内湍流流场模拟 峡谷地形尺寸 峡谷内浓度场模拟 机动车数量表面热敏湍流模拟 峡谷内热辐射因素模拟 附加影响参数: 行驶车流， 气象条件， 地理条件 。 本文 模型 十宇路口数值分析 机动车排放因子 机动车类型 行驶速度 背景浓度 峡谷内接受装置 机动车行驶引起的初始扩散 图2 - 1街道内污染物扩散影响因素及模型 2 . 2街道峡谷内机动车污染物扩散模型分析 街道内机动车污染物扩散模式是一种用以处理机动车污染物在街道峡谷 内 输送和扩散问题的数学和物理模型。本节主要分析城市街道峡谷内机动车 污染物湍流扩散的基本特征、污染物扩散数值模拟的基本步骤以及三种污染 物扩散数值模拟方法的应用条件等。根据分析，对本文计算分析所采用的数 学物理模型进行选择。 北京交通大学硕士研究生学位论文 2 . 2 . 1街道峡谷内湍流运动的基本特征 街道峡谷内湍流产生的原因主要有两个。一是机械扰动，例如风吹过街 道时，由于地表边界的粗糙以及建筑物的阻挡扰动而形成的湍流流动;另一 种是温度、浓度以及质量等流体物理量在输运过程中产生的湍流流动。 粘性流动中存在着两种完全不同的流动形态:层流和湍流。这两种流动 具有不同的本质和表现，而且在各种边界条件下其流速分布、切应力大小及 分布、能量损失以及扩散性质等均不相同。 在理想层流中，流体质点沿其轨迹分明地向前运动，其轨迹是一些平滑 的随时间变化较慢的曲线。湍流中流体质点的轨迹则杂乱无章，互相交错， 而且迅速地变化，形成的祸体在做顺流向运动的同时还做横向、垂向和局部 逆向运动。整个湍流形成一个从大尺度涡体直到最小一级涡体同时并存而又 相互叠加的涡体运动。 总的来说，在街道峡谷内，湍流的基本特征主要有以下几个方面: 不卿世: 湍流是由大小不等的涡体所组成的，其速度场和压力场都是随机的，而 且这种随机性同时是相对于时间和空间而言的。 撇派 渗 热 由于湍流中涡体的相互混杂，流体内部的动量、热量和质量等物理量的 传递速率会显著增加。 醋量藉赓: 无粘性的理想气体是不可能形成湍流的。在粘性气流中，湍流大涡体在 混杂运动的过程中，一方面传递能量，另一方面不断地分解成较小涡体，而 较小涡体再分解成更小的涡体，从而湍流流动能量主要通过小涡体的运动而 耗散掉;如果不连续供给湍流能量，则湍流将迅速衰减。 2 . 2 . 2污染物扩散数值模拟的基本假设及步骤 在街道污染物扩散的研究中，常先假定流体中含有的物质即扩散物质的 存在不影响流体质点的运动特性，即不影响流场的运动及分布，具体地说是 流体的速度和扩散速度无关。这种扩散物质可以作为一种标志物质或称为示 踪剂而存在。这就要求扩散物质的尺寸及质量很小，完全悬浮在流体中，同 1 5 北京交通大学硕士研究生学位论文 时假定在整个运动过程中， 流体质点带有的扩散物质在数量上是保持不变的， 流体质点与质点间不发生扩散物质的转移，扩散物质的扩散完全是由带有扩 散物质的流体之间发生的渗混产生的结果。 扩散过程一般有两类，即分子扩散和湍流扩散。在城市街道中，污染物 的湍流扩散强度一般要比分子扩散强度高几个数量级。因此，在城市大气污 染物扩散的数值模拟过程中，必须首先解决湍流问题。 在模拟计算分析城市街道峡谷内机动车污染物的扩散问题时，需要解决 两个方面的问题，首先是流场的求解，包括湍流的求解;然后再根据求解得 到的流场结果求解污染物扩散方程，最后得到污染物的扩散分布。这其中最 重要的工作是街道峡谷内的速度场和湍流的数值模拟。 2 . 2 . 3街道峡谷内的湍流数值模拟方法分析 ( 1 ) 用于街道峡谷湍流数值模拟的 方法 由于当前计算机硬件条件的限 制，要在复杂的边界条件下直接模拟街道 峡谷内的湍流问题还有较大的困难。目前用于街道峡谷湍流数值模拟的方法 大致分为以下三类; 直接模拟:直接模拟方法采用非定常的n - s方程对街道峡谷内的湍流进 行直接计算。 计算时， 时间和空间步长需要取得很小。 由于目 前计算机的 运行速度和内存的限制，因此只能进行简单街道峡谷内流场的计算。 大涡模拟: 按照湍流理论， 湍流的脉动与混合主要由 大尺度涡造成的， 小 尺度涡主要是耗散能量， 并且几乎是各向同性的。 因此， 可以采用非定常 的 n - s方程直接模拟街道峡谷内的大涡，而街道内的小涡则可用近似的 模型来考虑。 雷诺时均法:雷诺时均法将非定常的 n - s方程进行时间平均，但是方程 中引入了脉动量的乘积项，而且不可能依靠进一步的时均处理来封闭方 程，因此通常是建立湍流模型来计算脉动相关项。 目 前， 在进行城市街道污染物扩散分析时， 湍流模型中应用最多的是雷诺 时均法。 实践证明雷诺时均法在城市街道峡谷污染物扩散的分析中是最现 实和最经济的。 北京交通大学硕十研究生学位论文 ( 2 ) 湍流粘性系数的 确定 在雷诺时均法中，湍流粘性系数方程把湍流切应力项表示成为湍流粘性 系数的函数，整个计算的关键在于确定湍流粘性系数。目前确定湍流粘性系 数的模型主要有以下几种:零方程模型、单方程模型和双方程模型。 事方表 汹 赴 斟 零方程模型又称代数方程模型，主要应用简单的代数关系把湍流粘性系 数与 湍流 脉 动 项联 系 起来:即 p , = p l m ca u l c- y 这 类湍 流模 型简 单 直观， 求 解粘性系数不需要其他的微分方程。 但是混合理论长度在物理上隐含着缺陷: 首先， 在8u/?y=0时，# ， 二 。 ， 这在理论上和实际 上都不可能 成立: 其次， 对 于回 流 及 漩流等 复 杂 流 动， 特别 是 有 大分 离 流 动， 很少 能 给出 混 合 长 度h , 的变化规律:另外，这种模型也没有考虑组成湍流流动的一些特征量的对流 和扩散作用， 因此在边界层流动和平直管道及没有大分离的流动中应用较多， 但在街道峡谷污染物扩散的分析中应用较少。 ， 毕方表汹匙斟 单方程模型通过建立一个微分方程来计算湍流脉动动能，把湍流粘性系 数与湍流脉动动能及脉动特征尺度联系起来，建立一个湍流动能方程 p ， 一 c 、 砂11 2 1 来 封闭 湍 流 运 动 方 程 组 该 模 型 考 虑了 湍 流 的 对 流 和 扩 散 ， 从 而克服了零方程模型的缺陷，但该模型中存在着确定混合长度的困难，而且 没有经过广泛的应用验证， 因此在街道峡谷污染物扩散的分析已经很少应用。 顾h 爵戮 双方程模型应用两个微分方程来描述湍流流动特性，通过求解微分方程 来计算湍流粘性系数。这类模型以k - 。模型在街道峡谷污染物扩散的分析中 应用最为广泛。 k - 。 模型由于其微分方程形式与n - s方程相同，因而可以和 n - s 方程进行祸合求解。 根据以上分析，本文决定采用两方程模型来模拟城市街道峡谷内机动车 排放污染物的扩散过程，计算街道内的流场及污染物浓度场的分布。 2 . 2 . 4湍流的统计平均方法 在街道峡谷污染物扩散的分析中，由于街道内湍流的不规则性，首先要 北京交通大学硕士研究生学位论文 用统计平均的方法来处理湍流运动。1 8 8 6 年雷诺建议， 揣流的物理量可用平 均值和脉动值的和来表示，将湍流场看成平均运动和脉动运动的叠加。在此 假设条件下，湍流的速度和压强可以表示为: u , +u , p+p ( 2 - 3 ) 式中， u , ( i = 1 ,2 ,3 ) 为 湍 流 在 空间x , y , : 三 个 方向 上的 速度; p 为 湍 流的 压 强。 统计平均方法有多种，目 前湍流研究中常用的有三种，即空间平均法、 系统平均法和时间平均法。 ( 1 )空间平均法: 空间点( x 0 , y o , z o ) 的 流速体积平均值可以 表示为: 朴( x , y , z ,t ) d v ( 2 - 4 ) il一v - 、卫声 子 了.、 一u 式中， v 为 所 取空间 的 体 积， 其中 包 含点 ( x o , y o , z o ) 且应 足 够 大，以 致 无 论? 选取的再大也不会影响平均值。只要取值范围足够大，则空间平均值与取值 范围大小及其位置无关。一般空间平均法只适用于均匀流场，对于街道峡谷 内的污染物扩散的分析则不适用。 ( 2 ) 系统平均法 对于某一特定湍流流动，在实验室中完成大量相同的流动，在某一相应 点处，在同一时刻测出每一流动规定物理量的数值，将所有数值进行算术平 均，流速的统计平均值可以表示为: u ( x , y , z , t ) =u k ( x , y , z , t )( 2 - 5 ) 艺户 1一n 式中，。 、 为第k 个试 验的 流速值; n为重复实 验的 个数， n必须足够大。 系 统平均法对流动本身不要求符合某些特殊的条件，但事实上，在街道峡谷内 的污染物扩散的分析中很难实现。 ( 3 ) 时间平均法( 时均法) 在时间平均法中，流速的时均值可以表示为: “ 一 会 叮 + ud tf +, ( 2 - 6 ) 北京交通大学硕士研究生学位论文 式中 ，r 。 为 初 始时间， r 、 为 所 取时 间 段。r , 所 取的 时间 间隔 应足 够大，以 致 选取的再大也不会影响时均值。也就是说，要有足够长的时间段才能够使时 均值成为一个稳定的数值。因此，对于不恒定流动，其流速不只是因为湍流 的随机性质而时有变化，且因流动本身也在变化，这时时均法就不再适用。 在湍流运动中，流动的恒定是指其在时均意义上是恒定的，根据以上定 义有: ( 2 - 7 ) 根据本文具体的研究内容和时均法的特点，本文决定采用时均法对街道 峡谷内湍流的各种物理量进行时间平均。 2 . 2 . 5 n a v i