上游建筑对街道峡谷内流场和污染物分布特征的影响

利用数值模拟方法研究了不同的上游阻挡建筑布局下,行列式和错列式街谷内气流速度和污染物浓度场特征.结果指出,阻挡建筑的存在改变了街谷内的二次流,从而对流场和浓度场均有明显影响.在行列式街谷中,无论上游建筑以何种布局存在,都会减小街谷内污染物浓度.若不考虑上游建筑的存在,将会过高估计行列式街谷内污染程度;在错列式街谷中,与街谷建筑并列的上游阻挡建筑会减小街谷内污染物浓度,而与街谷建筑错列布置的阻挡建筑会增大街谷内污染物浓度;数值模拟结果还表明,街谷内污染物的扩散和清除效果受气流速度和涡流特性的共同作用.     

城市街谷与上游阻挡建筑最不利间距的研究

采用数值模拟的方法,研究了街谷内上风建筑与上游阻挡建筑的间距（D）,即上游建筑间距,对街谷内空气流动特性和气态污染物分布规律的影响.模拟结果表明,街谷内迎风区的气流速度基本不随D的变化而变化,而背风区和中心区的气流速度随着D的增加呈现先减小后增大的趋势,并在D=90m时,气流速度达到最小值.相应地,在D=90m时街谷内污染物浓度最高,表明D存在最不利值,在城市规划中应尽可能避免该间距.当D大于90m时,D越大,污染物浓度越低,而D小于90m时,D越小,污染物浓度也越低,可以同时实现节约用地和减小交通污染的目的.     

城市街谷的空气流动与污染物扩散研究-物理模型的发展及数学模拟

本文对关于街谷内空气流动及污染物扩散的研究进行评述.通过街谷物理模型及边界条件的分析.揭示影响街谷内空气流动与污染物扩散的物理因素.为进一步的数值预报模式的研究和数值模拟精度的提高提供思路.本文发现街谷几何结构和变化的背景风速、风向是影响街谷内空气流动与污染物扩散的主要因素.而街谷内大气稳定度和行驶车辆诱导湍流能很大程...     

关于机动车几何嵌入对城市街谷影响的研究

文章基于机动车几何体嵌入建立了城市街谷内空气流动和污染物分布模型,应用FLUENT 6.3进行了数值模拟,将尾气排放模化为速度输入边界条件,探究了不同来流风速下,街谷内流场和污染物分布。结果表明:机动车空间几何模型的构建更为细致地模拟了街谷近地层的空气流动及污染物分布。由于车辆模型的嵌入,街谷近地面污染物浓度不再呈现单调一致的变化规律;当来流风速为0.3 m/s时,在横向车辆之间局部子涡的影响下,污染物浓度呈增大-减小-增大的趋势;当来流风速增至1 m/s时,近地层污染物浓度先增大后减小,道路中部污染物浓度达到最大;随着来流风速的进一步增大,即3 m/s和5 m/s工况下,街谷内的风场环境由来流风占主导,污染物浓度自迎风面至背风面呈宏观上增大,在背风面有小幅衰减,污染物浓度最大值出现在背风侧机动车道。研究可为预测城市街谷近地层内污染物分布提供依据。     

南北向街谷内热不稳定流场日变化规律的模拟研究

城市街谷内热不稳定流动是促进污染物扩散的重要影响因素之一.本文基于街谷内热平衡分析,结合大涡模拟方法,研究了一个南北走向的城市街谷内温度、风场的日变化特征,并分析了壁面对流换热及长波辐射对街谷内环境的影响.结果显示:壁面对流换热是影响街谷内温度、风场的主要因素,而长波辐射的影响非常小,长波辐射引起街谷内空气温度升高不足对流换热影响的10％,而其对平均风速和脉动量的影响更是在2％和1％以内;街谷内空气温度从早上开始逐渐增加,到15:00的时候达到最大,可达311 K(38℃);上午时段,迎风面壁面热浮力减弱街谷内风速,街谷底部和迎风墙侧的脉动量根均方值较大,而下午时段街谷顶部的脉动量根均方值达到最大.街谷内不同位置和不同时段内,通过建筑材料选择和表面结构设计,适当调控建筑壁面的温度,可以促进街谷内温度分布和空气流通改善.     

街道峡谷对称性对污染物扩散的影响

采用数值模拟的方法,研究了行列式和错列式街谷两侧建筑物的对称性对街谷内和下游建筑尾流区污染物浓度的影响,并引入3个用于评价室内空气环境的指标来描述街谷中人员区域内的空气质量.结果表明,平均残留时间(ART)和有效通风率(PFR)可用于评价不对称街谷内的空气质量.街谷的不对称性对街谷内部和下游建筑尾流区污染物浓度分布均有明显影响.下游建筑越低,则尾流区的浓度越高.行列式和错列式街谷中人员活动空间的无量纲平均浓度分别在建筑高度比例为7/3和7/2时最大.为在城市规划中尽可能避免出现最不利比例的街谷,根据平均残留时间和有效通风率等指标,给出了上下游建筑高度比与最不利街谷改善率的关系.     

垂直风向下双层高架桥理想街谷内空气环境的数值研究

城市街道中复杂的高架桥结构会影响街谷内污染物的扩散.本文利用CFD软件FLUENT,采用标准k-ε方程和组分输运方程,对含双层高架桥的理想街谷内空气流场和CO浓度场进行了数值模拟.结果表明,高架桥破坏了理想街谷内CO浓度分布的爬墙效应,自地面沿高度方向CO浓度逐渐减小,超过每层高架桥面后激增,而后再次降低.双层高架桥改变了污染面源位置和街谷内流场分布.当双层高架桥都处于街谷内部时,来流风垂直于街谷方向自左向右吹送,街谷内涡旋整体结构保持顺时针方向,高架桥附近出现小涡旋,使得CO在街谷内部循环,引起背风面和街谷内CO平均浓度的升高,高架桥的"盖子效应"显著,与无高架桥街谷相比,CO平均浓度升高39.5%.当双层高架的上层高架与街谷建筑顶部持平,下层高架桥位于街谷中部时,街谷内部产生4个较大涡旋,能够显著地提高街谷内地面和背风面CO扩散速率,高架桥的"盖子效应"被破坏;与无高架桥街谷相比,CO平均浓度仅升高8.7%,与双层高架桥都处于街谷内相比,CO平均浓度降低22.1%,为城市多层高架桥建设提供了参考依据.     

深街道峡谷内高架桥对污染物传播特性影响的模拟研究

城市化进程导致在城市中出现通风条件较差的深街谷,建设于深街谷内的高架桥会加重周边街谷内空气污染.用计算流体力学模拟方法（CFD）探索在不同环境风速下的深街谷中,高架桥的高度和宽度对街谷内气流组织与污染物扩散的影响.结果表明:高架宽度小于0.8倍街谷宽度时的高架桥不会抑制桥下空间的流动;桥宽增加会改变桥下空间的涡旋结构和涡旋方向,近地面流动方向由之前的从右至左流动变为从左至右流动,因而桥下空间污染分布也发生明显改变;高架桥宽度的增加导致两侧低层住户受到较大影响,对背风面住户的影响更为明显;但高架宽度为0.5倍街谷宽度的高架桥能对迎风面中层住户造成影响;增加高架桥的高度,其下方污染物浓度增加;当高架桥位于街谷冠层时,下部空间的污染物浓度急剧增加;冠层处及涡旋交界面高架桥对两侧住户产生较大影响,而其他高度高架桥对两侧住户影响不大;随着环境风速的增加,高架桥对近地面源污染物扩散的阻碍作用逐渐减弱.研究显示,深街谷中增加高架桥的宽度、高度都会导致街谷内空气质量的恶化,而高架桥会阻碍因环境风速增加对街谷内空气质量的改善.      

动态风场及交通流量下街道峡谷内污染物扩散模拟

根据现场实测数据,应用标准k-ε模型研究了动态风场及交通流量下三维街道峡谷内的污染物扩散规律,数值模拟利用CFD软件FLUENT,其中动态风场和车流量变化信息通过用户自定义编程实现.结果发现,动态风场下空气在街道内部不断经历膨胀和压缩的过程,街道峡谷内部流场形态时刻都在变化;当风速由大变小时,空气膨胀出街谷,流型呈近似椭圆形分布;当风速由小变大时,空气压缩在街谷内部,流型呈近似圆形分布.风速的不断变化引起街谷内、外大气的压缩和膨胀过程,这种过程能够改善街谷内污染物的扩散情况.背风面行人高度处,动态来流下的平均污染物浓度要比定常来流下低17.7%;迎风面行人高度处,动态来流下的平均污染物浓度要比定常来流下低27.1%.动态环境下污染物浓度的分布和峰值由风场和车流量变化共同决定.     

行驶车辆诱导城市街谷内流场的大涡模拟

机动车尾气是城市大气污染物主要来源之一,其排放集中在城市街谷内靠近地面的空间,行驶车辆诱导的空气流动及湍流是影响街谷内空气流动与污染物扩散的重要因素。该文基于大涡模拟的湍流模型,用拉格朗日方法跟踪城市街谷内的行驶车辆,模拟行驶车辆影响下城市街谷内流场的演化过程,分析街谷内瞬时流场变化及行驶车辆诱导空气流动及湍流的产生机理。模拟结果表明:连续的行驶车流能够在其车道上方靠近地面的空间引起与车辆行驶方向相同的相对稳定的风场;街谷横截面上的瞬时流场中存在局部子涡,局部子涡形成在行驶车辆车身周围,携带车辆引起空气扰动的能量,并将其携带的能量传递给周边空气。行驶车辆以局部子涡的形式向周边空气传递的能力主要影响街谷内的空气湍流,也是行驶车辆影响街谷内空气湍流的主要方式。因此参数化模式的发展中应该重点考虑反映车辆诱导湍流的空间分布特征。     

汞蒸气在参差建筑街区中沉积过程模拟

利用计算流体动力学方法,分别选用参差比为0.0, 0.2, 0.4, 0.6和0.8等5种建筑模型,探讨了在水平自然风条件下重密度污染源(汞)在不同参差比建筑物间的沉积过程,以及街区内行人层汞浓度与建筑参差比之间的关系.模拟结果发现,城市街区建筑物高低错落分布的布局会促进高空汞污染源在行人层的聚集,使得街区行人层汞浓度明显增大;并且随着街区建筑物参差比的增大,最高汞浓度值所在的街道有序地靠近来流上游,而较高建筑物背风面街道行人层汞质量流量明显高于较矮建筑物背风面街道行人层汞质量流量.     

Study on the wind field and pollutant dispersion in street canyons using a stable numerical method

A stable finite element method for the time dependent Navier-Stokes equations was used for studying the wind flow and pollutant dispersion within street canyons. A three-step fractional method was used to solve the velocity field and the pressure field separately from the governing equations. The Streamline Upwind Petrov-Galerkin(SUPG) method was used to get stable numerical results. Numerical oscillation was minimized and satisfactory results can be obtained for flows at high Reynolds numbers. Simulating the flow over a square cylinder within a wide range of Reynolds numbers validates the wind field model. The Strouhal numbers obtained from the numerical simulation had a good agreement with those obtained from experiment. The wind field model developed in the present study is applied to simulate more complex flow phenomena in street canyons with two different building configurations. The results indicated that the flow at rooftop of buildings might not be assumed parallel to the ground as some numerical modelers did. A counter-clockwise rotating vortex may be found in street canyons with an inflow from the left to right. In addition, increasing building height can increase velocity fluctuations in the street canyon under certain circumstances, which facilitate pollutant dispersion. At high Reynolds numbers, the flow regimes in street canyons do not change with inflow velocity.     

非孤立街道峡谷大气流动及污染物扩散特征

实际城市街道皆为非孤立街道,采用数值模拟方法研究了等高与不等高非孤立街道峡谷的大气流动及汽车排放污染物扩散特征.通过与已有的风洞实验结果对比,发现二者较吻合,并且目标街道峡谷上下游建筑物的存在对目标峡谷内部的流场和浓度场有很大的影响.与孤立街道峡谷相比,非孤立街道峡谷中污染物的浓度要远高于孤立街道峡谷中污染物的浓度,而且随着上下游建筑物的增加,使到达目标街道峡谷的风速相对减弱,污染物在峡谷中难以扩散,造成了峡谷内部污染物浓度会随着峡谷数的增加而增大.并且发现不等高峡谷建筑物高度存在一个临界点.      

街道峡谷对近地层风场影响的观测和模拟分析

城市街道峡谷结构对近地面边界层的风场环流等气象要素具有重要影响,可导致城市局地空气污染分布发生变化.随着城市化发展及城市空气质量变化,街道峡谷的城市空气污染影响日益突出,分析街道峡谷内部风场成为认识和治理我国城市空气污染的一条重要途径.鉴于目前我国鲜有城市街道尺度大气边界层精细气象观测研究,本文分析了美国俄克拉荷马大学的街道峡谷精细气象观测数据及其FLUENT模拟.结果表明:街道峡谷内风场结构变化依赖大气背景风向,当背景风向平行于街道峡谷走向时,街谷两岸风速几乎没有差异,而在背景风向垂直于街道峡谷走向时,由于高空风进入街谷形成的涡旋气流对街道峡谷风场有补充作用,峡谷两侧中层高度风场差异变大,风速差值大约为0.5 m·s~(-1),且街道峡谷两岸风速差异得到了FLUENT模式的验证,但模式对迎风岸的风速模拟存在高估,模拟的中层高度处两岸风速差值为1.6 m·s~(-1).观测资料分析揭示大气边界层稳定度条件对街道峡谷内风场分布也有很大影响,中性稳定条件下街道峡谷两岸近地层风速差异最大,输送进入峡谷空间的风速增量比原峡谷内风速大约高1倍,其它稳定度条件下街谷两岸风速差异被削弱.     

Effects of building aspect ratio, diurnal heating scenario, and wind speed on reactive pollutant dispersion in urban street canyons

A photochemistry coupled computational fluid dynamics (CFD) based numerical model has been developed to model the reactive pollutant dispersion within urban street canyons, particularly integrating the interrelationship among diurnal heating scenario (solar radiation affections in nighttime, daytime, and sun-rise/set), wind speed, building aspect ratio (building-height-to-street-width), and dispersion of reactive gases, specifically nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO₂) and ozone (O₃) such that a higher standard of air quality in metropolitan cities can be achieved. Validation has been done with both experimental and numerical results on flow and temperature fields in a street canyon with bottom heating, which justifies the accuracy of the current model. The model was applied to idealized street canyons of different aspect ratios from 0.5 to 8 with two different ambient wind speeds under different diurnal heating scenarios to estimate the influences of different aforementioned parameters on the chemical evolution of NO, NO₂ and O₃. Detailed analyses of vertical profiles of pollutant concentrations showed that different diurnal heating scenarios could substantially affect the reactive gases exchange between the street canyon and air aloft, followed by respective dispersion and reaction. Higher building aspect ratio and stronger ambient wind speed were revealed to be, in general, responsible for enhanced entrainment of O₃ concentrations into the street canyons along windward walls under all diurnal heating scenarios. Comparatively, particular attention can be paid on the windward wall heating and nighttime uniform surface heating scenarios.     

不同气温层结条件下地面加热对街谷扩散能力的影响

利用CFD数值模拟方法研究了气温层结与地面加热作用对街谷环流和污染物扩散的影响.针对高宽比为0.5和1.0的两种街谷,总共进行了18组敏感性数值试验,结果表明相对于气温层结,地表加热是决定街谷附近污染物扩散能力的更为重要的因素,地表加热作用可显著提高街谷的扩散能力.在地表存在加热的情况下,流场结构、空气交换系数、湍流强度总体上均朝着有利于清除街谷内污染物的方向发展,即使是在稳定层结下,地表加热作用所产生的热力环流也会使得污染物能够被有效地输送和扩散到街谷之外,从而使得近地面的污染物浓度下降.