城市街道内污染物扩散的数值模拟

1、第40卷 第9期2007年9月天 津 大 学 学 报 Journal of Tianjin University V ol.40 No.9 Sep. 2007收稿日期:2006-06-13;修回日期:2007-05-24.基金项目:教育部留学归国人员科研启动基金资助.作者简介:尤学一(1964 ,男,教授.城市街道内污染物扩散的数值模拟尤学一,李 莉,刘 伟(天津大学环境科学与工程学院,天津 300072摘 要:随着我国城市汽车保有量的迅速攀升,城市中心区的空气质量与生态环境急剧恶化. 利用CFD 数值模拟研究街道峡谷污染物的扩散问题,对比分析了开放街道峡谷和城市街道峡谷污染物的扩散问题,证明

2、了计算域和入流边界处湍动能k 和湍动能耗散率取值的重要性.计算结果与经典风洞实验符合很好,证实了相同条件下城市街道峡谷的背风墙和迎风墙上的污染物浓度均大于开放街道峡谷的相应值. 利用3维建筑群计算实例,指出了寻求建筑群优化布局对减小小区污染的重要性.关键词:街道峡谷;污染物扩散;数值模拟;计算域中图分类号:X169 文献标志码:A 文章编号:0493-2137(200709-1077-04Numerical Simulation of Pollutant Dispersion in Urban StreetsYOU Xue -yi,LI Li,LIU Wei(School of Environ

3、mental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, ChinaAbstract :With the rapid increase in private cars in cities, the air quality and ecological cycle are deteriorating fast. The pollutant dispersion in street canyons was simulated by CFD in this paper. The importance to choose s

4、uitable computation domain and inlet k and boundary value was verified by comparing the open country street canyon with the urban roughness street canyon. Numerical results showed good agreement with the benchmark experiment. The results also confirmed the experimental finding that the pollutant con

5、centrations of leeward side and windward side in urban roughness street canyon were higher than those in open country street canyon for the same condition. Taking a group of 3-dimensional buildings as an example, it was pointed out that the optimized position of the group buildings was important to

6、reduce the concentration of pollutant around buildings.Keywords :street canyon ;pollutant dispersion ;numerical simulation ;computation domain随着我国汽车保有量迅速攀升,城市特别是特大城市中心区的空气质量与生态环境急剧恶化,如何减小和控制空气污染物浓度,成为日益紧迫的问题.气象参数、街道和建筑物布局、污染源强等因素控制着大气中污染物的浓度水平,对这些影响因素的优化组合,成为减少城市空气污染的有效手段之一.Tutar 等人1利用CFD 模拟了建筑小区内的风

7、速场,尤学一等2模拟了建筑小区内点源污染扩散.街道峡谷问题作为城市空气质量模拟的典型结构,得到了广泛重视.前人对街道峡谷问题进行了大量的现场实验34和风洞模型实验56研究.Vardoulakis 等人7给出了街道峡谷领域的研究综述. Meroney 等人5的风洞实验将街道峡谷分为开放环境街道峡谷和城市环境街道峡谷.开放环境街道峡谷对应于一大片空地上只存在一条两边存在建筑物的街道峡谷;而城市环境街道峡谷对应于一大片空地上存在多行平行的、两边存在建筑物的街道,其中中间的峡谷为城市环境街道峡谷.他们对这两种街道峡谷内的污染物扩散问题进行了详细研究,其研究成果被广泛应用于模型验证.Chan 等人8利用

8、计算域 1080 天 津 大 学 学 报 第40卷 第9期 图6 建筑群周围无量纲污染物浓度分布Fig. 6 Nondimensional pollutant concentrationaround buildings图6中,浅颜色区域为高污染物浓度区域,深颜色区域为污染物低浓度区域.可以看出,距地面不同高度的水平面内污染物的浓度分布相似,距离地面越远,污染物的浓度越低.产生的原因是由于靠近马路的建筑物前方的旋涡将马路上的污染物卷起,使得这些建筑物前存在高浓度污染区,其作用类似于抬高了污染线源的高度.从图中还可以看出,几乎所有的建筑物墙面都处在高污染物浓度范围内.采用图5中的建筑物布局对于减少

9、空气污染十分不利,因此,寻求优化建筑物布局对于控制小区污染是十分重要的.4 结 语分析了开放街道峡谷和城市街道峡谷的污染物扩散问题,选取合理的计算域、入流边界k 和取值,计算结果与Meroney 实验结果符合很好,证实了本文提出的街道峡谷的计算域建立方法、入流边界k 和取值是合理的.在相同条件下,城市街道峡谷的背风墙和迎风墙上的污染物浓度均大于开放街道峡谷.利用3维建筑小区计算实例,说明了寻求优化的建筑物布局对于控制小区污染十分重要.参考文献:1 Tutar M, Oguz G. Computational modeling of wind flowaround a group of buil

10、dings J . Int J Comput FluidDynamics , 2004, 18(8:651-670.2 尤学一, 李 莉. 污染源对建筑小区影响的数值模拟J . 环境科学研究, 2006, 19(3:13-17. You Xueyi, Li Li. Simulation of pollutant dispersion of a point source around buildings group J . Environmental Science Research , 2006,19(3:13-17(in Chinese . 3 de Paul F T, Sheih C M.

11、 Measurements of wind velocities in a street canyon J . Atmospheric Environment , 1986, 20(3:455-459. 4 Nriain C M , Fisher B, Martin C J, et al. Flow field and pollution dispersion in a central London street J . Environmental Monitoring and Assessment , 1998, 52(1/2:299-314. 5 Meroney R N, Pavageau

12、 M, Rafailidis S, et al. Study of line source characteristics for 2-D physical modelling of pollutant dispersion in street canyons J . Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics , 1996, 62(1:37-56. 6 Pavageau M, Schatzmann M. Wind tunnel measurements of concentration fluctuations in an

13、urban street canyon J . Atmospheric Environment , 1999, 33(24/25:3961-3971. 7 Vardoulakis S, Fisher Bernard E A, Pericleous K, et al. Modelling air quality in street canyons: A review J . Atmospheric Environment , 2003, 37(2:155-182. 8 Chan T L, Dong G , Leung C W, et al. Validation of a two-dimensi

14、onal pollutant dispersion model in an isolated street canyon J . Atmospheric Environment , 2002, 36(5:861-872. 9 Spadaro J V , Rabl A. Damage costs due to automotive air pollution and the influence of street carbons J . Atmospheric Environment , 2001, 35(28:4763-4775. 10 Gally N, Ritter P, Sepetjan M. Pollution ambiante exteri- eure urbaine J . Pollution Atmos