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...     

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。     

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。     

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。     

城市建筑布局对街区交通污染物扩散特征的影响

该文采用CFD数值模拟技术对3种典型城市布局下街谷风环境与污染物扩散特性进行研究。结果表明,在3种城市建筑布局中,对称式布局中流经建筑群周围的气流比较均匀,交错式布局中气流受建筑阻碍作用明显,在街谷内绕流现象显著;街谷对应的背风建筑长度沿y轴方向大于迎风建筑时,建筑两侧气流反向向外流动,增加污染物向外扩散的通道;在街谷一气流速度大小满足布局Ⅰ布局Ⅱ布局Ⅲ趋势,而街谷二满足布局Ⅱ布局Ⅲ布局Ⅰ趋势,街谷一污染物浓度大小满足布局Ⅲ布局Ⅰ布局Ⅱ趋势,而街谷二满足布局Ⅱ布局Ⅲ布局Ⅰ趋势;街谷内污染物浓度分布受气流速度和涡流结构双重因素的影响,每种布局下街谷二污染物平均浓度均大于街谷一,同一布局下不同街谷内污染物浓度存在差异。因此,合理规划城市建筑布局是有效缓解交通污染的有效途径。     

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.     

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.      

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.     

隔声屏障对街道峡谷污染物扩散的影响

对带有隔声屏障的街道峡谷内流场和污染物浓度场进行了数值模拟,探讨了风速、隔声屏障高度及与建筑物间的距离对流场及污染物扩散的影响。模拟结果显示:街谷内由1个稳定的主涡及街角两侧隔声屏障所在区域的3个附属涡组成。隔声屏障改变了街谷底部的流型,提高了街谷内的x、y方向速度峰值,但在隔声屏障附近区域x方向速度场明显减弱,这也是污染物聚集原因之一。与无隔声屏障相比,隔声屏障的存在物理性阻隔了污染物扩散路径,提高了街道峡谷内污染物浓度峰值,其中行人高度处背风面污染物浓度升高27.51%~28.72%,迎风面污染物浓度升高11.64%~19.99%。街谷内污染物浓度的分布和峰值由风场、隔声屏障高度及与建筑物之间的距离共同决定。     

建筑间距对大气流动及输移特性影响的模拟研究

采用修正的k-ε湍流模型对不同建筑间距情况下的大气流场、污染物浓度场进行模拟研究。模拟研究结果表明,气流遇到建筑物发生绕流,风速为3m/s的气流在建筑物附近的最大抬升速度达到1.98m/s,气流绕过建筑物后湍动能增强,建筑物后污染物的扩散区域变大;建筑物的布局对气流流动和污染物浓度分布有着很大影响,在不同建筑间距情况下,建筑物尾流区的流场形态有着明显的不同,尾流区内污染物的分布也存在差别。研究结果对认识多个建筑物附近的气流和污染物分布有重要意义。     

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.     

街道峡谷型交叉口内气态污染物扩散的数值模拟

对大气边界层内大气湍流和建筑物对道路交叉口处机动车排放气态污染物扩散的影响进行了研究.在计算区域内建立了三维街道峡谷型道路交叉口及其内部机动车排放的模型,并在中性层结条件下,采用CFD(Computational Fluid Dynamics)稳态κ-ε湍流模型和被动标量的输运方程模拟了模型内外的流场和CO浓度场.结果表明:① 在相同高度条件下,交叉口处与处于下风向的街区内CO浓度明显高于其他街区;②风向对污染物的输运起决定性作用,在不同高度平面内CO浓度最大值均出现在平行风向的街区内;③外部大气湍流的驱动使得垂直风向的街区内产生强烈涡旋,涡旋的输运作用导致相同高度下上风向CO浓度较高;④交叉口处气流的掺混导致气流速度降低,使得平行风向的街区内CO可以向两侧垂直风向的街区内扩散,起到了稀释交叉口处地面附近CO浓度的作用.模拟结果与风洞实验结果符合较好,验证了方法的可靠性.      

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.      

Traffic source emission and street level air pollution in urban areas of Guangzhou,South China (P.R.C.)

Street level air pollution due to traffic emission is a cause of concern in Guangzhou City. During the winter and summer of 1988, the traffic-related air pollutant concentrations, wind field, traffic volume and vehicle speed were measured extensively in three types of street canyons in Guangzhou City. Various types of motor vehicle emission in idle condition were measured and the composite emission factors of vehicles were derived. The variation of traffic volume and vehicle speed in 223 mainstreets were also investigated. The annual air pollutant concentration levels of traffic source emission were calculated. Using CO as a traffic emission tracer for air pollution on the street, the contributions of traffic emission to street level air pollution were determined by the receptor method. Ground level air pollution in Guangzhou has changed from coal combustion emission type into traffic source emission type. The average contributions of traffic source emission to the concentration of CO and NO_x on the street in 1988 are about 87% and 67%. The most significant pollutant of ambient air quality that traffic source emission influences in NO_x.     

机动车尾流区CO2扩散特征的数值分析

为了研究车辆运动过程中尾流区排放污染物的扩散情况,通过CFD软件FLUENT 6.1.22TM中湍流模型和组分输运方程对单辆货车尾流区内的气流速度、湍流动能和排气管排放的CO2浓度的分布进行了模拟.通过模拟结果与风洞实验的数据对比验证了模拟结果的适用性.分析了车速,排气管出口温度和湍流动能对货车尾流区内CO2扩散过程的影响,结果表明,由于出口直径和流速相对较小,排气管射流对尾流区流场的影响不明显;在排气管出口处CO2的浓度梯度最大,且随着与车尾距离的增加浓度迅速减小;尾流区内CO2在x、y、z3个方向上的浓度变化速度均随车速的增加而增加;且在尾流区内相同位置处.车速越大CO2浓度越低;排气管出口与外部环境温差对污染物扩散的影响仅局限于距离车尾0.75倍车长范围内;湍流动能最大值出现在尾流区内,有利于CO2的稀释和扩散.     

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.      

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.