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…     

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.      

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.      

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.      

城市街区大气流动与汽车尾气扩散的三维数值模拟

道路交通已成为现代城市的主要污染源，利用数学模型预测汽车排放污染物对大气环境的影响成为主要手段。针对一个典型城市街区的大气流动和汽车排放物扩散问题进行三维数值模拟分析，揭示了污染物在不同高度建筑物。不同宽度街道和十字道路所组成的街区峡谷内外的大气流动和污染物迁移扩散特征，同时反映了街道走向的影响。研究表明：由于受街道布局和大气边界层的影响，污染物主要集中在街区峡谷内（特别是近地面附近)难以扩散，易造成局部高浓度污染；由于流场的非均匀性和三维特征，污染物浓度呈现非均匀扩散特性。     

壁面加热作用对街道峡谷污染物扩散的影响

采用CFD软件Fluent研究了不同壁面加热条件下街道峡谷内流场及污染物浓度分布情况.结果表明,当街道高宽比(H/W)为1.33时,在低风速(u=1m/s)条件下,当壁面与周围大气无温差时,街道峡谷内存在一个稳定的顺时针大漩涡,污染物在背风侧堆积.当背风面、地面和背风面分别被加热时,峡谷内流场分布与无温差时相似,此时峡谷内的湍流强度增强,导致污染物浓度降低.当迎风面被加热时,峡谷内流场由原来的单漩涡结构变为双漩涡结构,此时街道峡谷下部浓度较高,上部浓度相对较低.当地面和迎风面同时被加热,温差较小(?θ=2℃)时,街道峡谷内流场由单漩涡结构变为双漩涡结构; 温差增大为5℃,峡谷内由双漩涡分裂成了3个漩涡,此时污染物分布与迎风面被加热情况相似.通过实测值和模拟值的比较可知,Fluent软件对街道峡谷大气环境的模拟结果基本合理.     

城市街道峡谷内机动力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，街道峡谷度比接近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符物的高度来明显降低污染浓度，城市建筑规则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。     

环境空气动力学

X1692加201989城市街道峡谷内机动车排放污染物的扩散规律/张化天(中国环科院大气所)…//环境科学研究/中国环科院一2(X犯,15(1)一51一54环图X一6 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。图3参20X1692(X)叩1夕关)都市及广域大…     

城市高架道路对局地大气环境影响的数值模拟研究

根据城市高架和街道的布局与几何特点,设计了多种典型的街道峡谷模型。应用k-ε湍流模型和污染物浓度扩散方程,采用数值模拟技术预测了这些带高架的城市街道峡谷内湍流流场和污染物浓度场。研究表明,高架道路的存在改变了街道峡谷内大气的流动结构和汽车排放污染物的传输扩散特性。高架道路空间位置的布设及高架与街道建筑物间的间隙,对城市街道峡谷的局地大气环境有显著影响。因此,在确定布设高架位置和设计规划街道布局时,应尽量避免引起“盖子效应”而造成严重的地面局地大气污染。     

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.      

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.     

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.     

上游阻挡建筑间距对街谷内空气环境的影响

城市中的大部分街谷都存在上游阻挡建筑.为考察阻挡建筑对街谷内空气环境的影响,通过数值计算方法研究分析了上游阻挡建筑对街谷内空气品质的影响作用,结果表明,在常规建筑间距范围内,街谷湍流强度、平均风速和风速波动范围均随着上游阻挡建筑间距增大而减小,这将导致当上游阻挡建筑与街谷建筑间距从15m增加到60m时,街谷空间污染物平均浓度增大36%,近地空间增大41%.因此,实际设计中街谷上游阻挡建筑与临街建筑间的距离不应过大.     

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.     

基于移动监测的城市街谷交通相关污染物浓度时空变化研究

为更好认识城市街谷内的大气污染特征和提供城市街谷优化设计的实证参考,本文以干旱区绿洲城市乌鲁木齐市北京南路为例,采用移动监测技术,分析了城市街谷大气污染物(CO、PM2.5)的时空分布,并识别其主要影响因素。结果表明:(1)早高峰空气质量优于晚高峰;交叉路口处污染物浓度普遍较低,但苏州路立交桥下污染物浓度较高;(2)两种污染物同源,其浓度与固定站点监测数据高度相关,风向与街谷成锐角时污染物浓度较低,风速较大时污染物浓度较高,污染物浓度与车流量相关程度较低;(3)街谷两侧建筑物高度比在[1.5,2)之间,污染物浓度较低,在[1,1.5)之间,污染物浓度较高;路网密度在[12,14)之间,污染物浓度较低,[12,14)之间的道路密度能够最大程度的降低街谷内污染物浓度。     

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.      

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.