街道峡谷地面源污染物扩散规律的风洞试验研究

在风洞中１／２５０街道峡谷模型的底板内释放示踪气体，通过对浓度分布特征的观测，分析了街道峡谷 面湖泊污染物的扩散过程及其与街道建筑物结构，风向及排放源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，为建立街道峡谷地面源污染物扩散模型提供了物理基础。     

屋顶形状对街道峡谷内污染物扩散的影响

采用Spalart-Allmaras湍流模型,通过求解二维连续性方程,Navier-Stokes方程及污染物输运方程,模拟了具有不同屋顶形状的街道峡谷的流场及交通污染物浓度场.计算结果与风洞试验结果总体趋势一致.由于屋顶形状的不同,峡谷内的流场会形成顺时针或逆时针方向的旋涡,从而影响建筑物迎风面与背风面污染物浓度分布.在各种屋顶形状的街道峡谷中,壁面污染物浓度的相对大小与其附近的速度分布有直接关系.通过对街道峡谷建筑屋顶高度处垂直方向污染物通量的计算和比较,说明了不同屋顶形状的街道峡谷平均流扩散和湍流扩散的强弱,污染物湍流扩散通量值有可能为正或为负;同时,峡谷内剩余污染物浓度的大小表明了屋顶形状对污染物扩散出街道峡谷难易的影响.      

城市街道峡谷气流和污染物分布的数值模拟

应用计算流体力学(CFD)软件中的FLUENT软件模拟了典型城市街道峡谷中的气流和污染物分布状况.建立的模型包括不同形状的建筑物所构成的街道峡谷和存在高架桥的街道峡谷.研究结果表明:①不同形状的建筑物改变了街道峡谷内的风和湍流分布,从而对街道峡谷内污染物的分布产生很大的影响,在几何比例相同的街道峡谷里,建筑物外形越趋向于流线型,街道峡谷里污染物的地面浓度越小;②高架桥对街道峡谷内污染物浓度的影响取决于高架桥相对于街道峡谷的高度和宽度,高度越高、宽度越窄的高架桥其地面污染物的浓度越低;③ FLUENT软件对街道峡谷大气环境的模拟结果基本合理,可用于研究城市大气环境问题.      

道路绿化带对街道峡谷内污染物扩散的影响研究

研究了道路绿化带对街道峡谷内流场与机动车尾气扩散的影响特征.假设绿化带树冠为均匀多孔介质,采用压力损失系数表征树冠对空气流动的阻碍作用,建立可用于数值模拟的绿化带多孔介质物理模型.采用稳态k-ε湍流模型结合组分输运方程模拟道路中央有绿化带街道峡谷内的尾气扩散过程,模拟结果与风洞试验数据对比吻合较好.分析发现,有绿化带街道峡谷内存在一个围绕树冠的顺时针旋涡,旋涡中心略偏向右上方,背风面污染物浓度显著增大,较无绿化带的污染物平均浓度增长46.0%.进一步模拟了不同绿化带树冠高度情况下街道峡谷内流场与浓度场,发现随着树冠位置的上升,峡谷内流场旋涡中心逐步上移且偏向迎风建筑物,峡谷内整体气流速度下降,污染物浓度逐步升高,树冠底部高度为8 m时其污染物浓度可达4 m时的2倍多;尤其是当树冠顶部超过屋顶高度时,峡谷内污染物总体浓度增长迅速.     

双车道街道峡谷内污染物扩散的模拟

采用二维低Re数κ-ε模型和被动标量的湍流扩散方程,对双车道街道峡谷内的流场和气态污染物浓度场进行了研究.并应用风洞实验数据对模拟进行了验证,分析流场和浓度场的模拟结果表明,3种不同排放情况下,流场分布相同,且相同高度下,上风向污染物浓度均高于下风污染物浓度.由于流场导致浓度梯度分布的差异,相对于上风向车道情况,下风向车道上排放的污染物更易于向街道峡谷外扩散.     

日光照射对街道峡谷污染物扩散影响的研究

为了分析日光照射对城市街道峡谷机动车污染物扩散的影响．对街道峡谷日光照射的物理模型进行了简化．采用数值模拟技术对日光照射下的城市街道峡谷内气体流动和机动车污染物扩散规律进行了研究。结果表明．在一定条件下。日光照射是研究城市街道峡谷内污染物扩散必须考虑的因素。在污染物扩散受日光照射影响较大的街道峡谷内部．当街道地面或迎风面受日光照射时．街道峡谷内部将出现2个方向相反的漩涡，并导致迎风面建筑物一侧的污染物浓度升高．这与不计日光照射的特征有显著的不同。     

街道峡谷内不同车道污染物扩散的数值模拟

为掌握不同位置车道污染物的扩散规律,提出降低街道峡谷内居民与行人交通源暴露水平的可能途径,采用二维k-ε两方程模型和组分输运方程对典型结构双车道街谷内的流场与不同车道污染物的扩散进行模拟,模拟结果与风洞试验结果相符合. 研究发现:迎风车道的污染物更易于向街道峡谷外部扩散;不同位置车道的污染物均在背风侧堆积,可使两侧人行道暴露水平相差5倍. 街道峡谷底部污染物分布对车道位置较敏感,车道位置向街道峡谷中部靠拢,将使得背风建筑物底部及人行道的污染物浓度明显降低;迎风侧污染物浓度对车道位置不敏感,但当车道位置处于迎风侧次级旋涡内时,将导致迎风建筑物底部及人行道的污染物浓度近乎成倍增长. 将车道位于街道峡谷中部,优先采用道路两侧绿化,是增加行人舒适度和减少行人交通源暴露水平,并改善大楼低层住宅及底部出入口、临街商铺等人群活动区空气质量的可行途径之一.      

环境科学基础理论 环境空气动力学

X169200700743城市街道峡谷气流和污染物分布的数值模拟/蒋德海(南京大学大气科学系)…∥环境科学研究/中国环科院.-2006,19(3).-7~12环图X-6应用计算流体力学(CFD)软件中的FLUENT软件模拟了典型城市街道峡谷中的气流和污染物分布状况.建立的模型包括不同形状的建筑物所构成的街道峡谷和存在高架桥的街道峡谷.研究结果表明:①不同形状的建筑物改变了街道峡谷内的风和湍流分布,从而对街道峡谷内污染物的分布产生很大的影响,在几何比例相同的街道峡谷里,建筑物外形越趋向于流线型,街道峡谷里污染物的地面浓度越小;②高架桥对街道峡谷内污…     

城市街道峡谷内机动车排放污染物的扩散规律

街道峡谷中机动车排放污染物的扩散取决于屋顶风向和风速,并受街道峡谷宽高比、峡谷两侧街区建筑物高度的对称性和高度分布及街区形状等因素的影响.街道峡谷宽高比接近1时,递升型峡谷以及宽阔街道有利于污染物的扩散;可以通过改变街道线源附近街区内建筑物的高度来明显降低污染物浓度.城市建筑规划中若科学考虑上述影响可以减少街道峡谷内污染物的积聚.      

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.      

高架桥对街道峡谷内大气颗粒物输运的影响

随着我国城市汽车保有量的迅速攀升,城市中心区域的空气质量与生态环境急剧恶化.利用计算流体力学(CFD)数值模拟,研究了3种H/W(街道建筑物高度/峡谷宽度)下高架桥对街道峡谷内颗粒物扩散的影响.建立了街道峡谷内机动车尾气中颗粒物扩散模型,并给出了边界条件.采用标准k-ε模型与离散相模型对街道峡谷内部气流运动、颗粒物扩散及浓度分布进行了模拟计算,并计算了高架桥对风场及颗粒物扩散的影响.结果表明:H/W越大,街道峡谷内颗粒物浓度越高,同时颗粒物平均滞留时间越长.相对于没有高架桥的街道峡谷,高架桥附近区域风场变化明显,但对建筑物墙壁、地面及峡谷顶层处影响较小.街道峡谷内存在高架桥时,在墙壁较低处颗粒物浓度增加.      

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.     

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.      

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.     

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.     

Dispersion of vehicular emission in street canyons,Guangzhou City,South China (P.R.C.)

The concentrationof vehicular pollutants, wind, turbulence and traffic volume were measured in three different typical street canyons in Guangzhou City. Air dispersion in different types of urban canyons was compared. The configuration of a street is an important factor that influences air dispersion. In low wind conditions, it is rare that a stable vortex is formed in a canyon with irregular configuration. The movement of vehicles may dominate the flow near the surface of the narrow street canyon when tee wind at roof-level is weak. Simple operational models have been proposed. They performed well in predicting the air pollution due to vehicular emission in different street canyons in Guangzhou City.     

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.