發布時間：2021-02-26所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：利用數值模擬方法研究了不同的上游阻擋建筑布局下,行列式和錯列式街谷內氣流速度和污染物濃度場特征.結果指出,阻擋建筑的存在改變了街谷內的二次流,從而對流場和濃度場均有明顯影響.在行列式街谷中,無論上游建筑以何種布局存在,都會減小街谷內污染物濃
摘要：利用數值模擬方法研究了不同的上游阻擋建筑布局下,行列式和錯列式街谷內氣流速度和污染物濃度場特征.結果指出,阻擋建筑的存在改變了街谷內的二次流,從而對流場和濃度場均有明顯影響.在行列式街谷中,無論上游建筑以何種布局存在,都會減小街谷內污染物濃度.若不考慮上游建筑的存在,將會過高估計行列式街谷內污染程度;在錯列式街谷中,與街谷建筑并列的上游阻擋建筑會減小街谷內污染物濃度,而與街谷建筑錯列布置的阻擋建筑會增大街谷內污染物濃度;數值模擬結果還表明,街谷內污染物的擴散和清除效果受氣流速度和渦流特性的共同作用.
關鍵詞：上游建筑;行列式街谷;錯列式街谷;平均風速;污染物濃度
隨著建筑密度的增加和道路交通污染狀況的加劇,我國城市大氣環境問題已日益突出.作為建筑群與街道共同構成的城市區域微環境單元,街谷(streetcanyon)內的空氣質量是城市大氣環境的重要組成部分,而影響街谷內氣流和污染物分布的因素除了氣象條件和污染源特性外,建筑布局顯然是重要因素之一[1-6].由于街谷是微環境的基本結構,因此,過去30年來,許多人對街谷空氣微環境的不同特征進行了研究[4-5,7].根據Xie等[8]的數值模擬結果,街谷布局對街谷內風場有直接作用,污染物擴散主要受街谷內渦流結構的影響.Gu等[3]的研究表明,非均勻建筑布局更有利于微環境中的污染物擴散.汪立敏等[9]的結果指出,非孤立型街谷中污染物濃度遠高于孤立街谷中的污染物濃度.趙寶芹等[10]的研究表明,隨著建筑物高度的增加,污染物難以擴散,從而使峽谷近地面處的污染物濃度增大.何澤能等[11]的結果顯示出,前低后高型的峽谷形式對峽谷內部污染物的遷移和擴散更加有效,而Yassin[6]則認為合適的建筑物頂部形狀對街道峽谷內的污染物擴散更為有利.
必須指出,大部分已有研究均未考慮街谷上游的阻擋建筑(以下簡稱“阻擋建筑”)對街谷內部氣流的影響.這些研究將阻擋建筑對近地面風速的影響通過風速廓線函數中的粗糙度參數體現出來,雖然這種設定可以很好體現城市下墊面對氣流的平均影響效果,但卻使阻擋建筑對街谷內部渦流分布的影響因此被忽略.DePaul等[12],Murena等[13]及Ghenu等[14]通過風洞實驗研究指出,障礙物之間或城市冠層下的再循環渦流對近地區域污染物的擴散和清除十分重要.為此,有必要研究和分析上游阻擋建筑對街谷內流場和污染物擴散的影響.
若以街谷形式為準來劃分,則建筑群平面布局可簡單歸為行列式、錯列式及兩者結合的混合模式等[1].本文將針對兩種典型建筑布局下的街谷結構,利用數值流體力學方法,研究存在上游阻擋建筑物時,街谷內部流場和污染物濃度場基本特征,并與忽略阻擋建筑影響的情形做對比和分析,為更加合理地預測街谷內空氣質量提供必要的信息和參考依據.
1計算模型與方法
1.1建筑模型與計算方法
圖1給出了6種建筑布局平面構成的街谷,及隨后分析中涉及到的部分幾何參數(圖中A-A為垂直方向剖面,位于建筑物1/4長度處).其中布局1和布局4是已有研究中常見的孤立街谷形式,即不存在上游阻擋建筑;二者的不同之處是,布局1為行列式街谷,布局4則為錯列式街谷.其余4種布局則分別為布局1和布局4的變化型式,即街谷上游存在阻擋建筑.
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實際中,街谷兩側建筑物高度越大,街谷內氣流形態受兩側建筑的約束和影響亦越強,上游阻擋建筑對街谷流場的干擾和影響越小.因此,為獲得一般性結果,本文以常見的多層建筑為研究對象,通過數值模擬來分析街谷兩側建筑高度相等且為15m的情況.為簡明起見,圖1中,設所有建筑物長均為65m(L),寬15m(B),高15m(H),阻擋建筑與街谷迎風建筑的間距和街寬均為30m(W),街谷同側相鄰建筑間距亦為30m(R),臨街建筑物在沿街谷軸線方向呈周期性排列.
風向對街谷內流場和污染物擴散的影響很大,其中風垂直吹向街谷時,街谷內氣流受兩側建筑物的約束作用最強,也是污染物擴散最不利的情況.因此,本文主要考慮垂直風向的情形.設來流風向垂直于街谷軸線.此時,所形成的街谷流場也呈周期性空間分布.因此,對圖中各布局均采用鏡像法設置對稱面,僅計算街谷涂灰部分的區域.本文重點考察建筑布局對氣流和污染物擴散的作用,故不考慮太陽輻射導致的熱效應可能產生的附加影響.
數值模擬采用FLUENT-6.3.26為基本程序對求解區域內的氣流速度和污染物濃度場進行三維模擬.為盡量消除區域有限導致的端部效應,模擬時做如下處理[15-16],迎風的首排建筑距求解區域上游邊界為12H,末排建筑距區域下游出口17H,建筑頂部距上方自由邊界面5H.由于為三維模擬,為節約計算成本并保證結果的可靠性,根據已有研究的分析[17],湍流模型取標準k−ε模型,有限容積法離散控制方程.為保證計算精度,控制方程的離散用二階迎風格式,污染物擴散方程則用QUICK格式.
數值區域離散后,布局1和4的總網格數約為1.3×106,其余4種布局的網格數約為3.2×106.關于流動和污染物輸送控制方程的描述、網格可靠性與穩定性分析方法及其他數值模擬參數選擇的細節可參閱文獻[18].
模擬時將計算域入口條件設為速度入口(Velocityinlet),通過用戶自定義函數(UDF)描述速度廓線.出口處視為充分發展湍流,故將邊界條件設為自由出流(Outflow),由于模擬的建筑呈對稱分布,故設置對稱邊界條件(Symmetry).對于建筑物壁面和計算域地面,釆用無滑移邊界,而對于計算域的頂面和側面采用滑移邊界條件.
2模擬結果與分析
2.1上游建筑對街谷內典型位置流動和濃度分布的影響
2.1.1行列式街谷數值模擬分別對圖1給出的6種布局進行.為獲得簡單明了的圖像,圖3僅以布局1至3的A-A剖面(y=16.3m)為例,給出了街谷缺口中心處豎向平面內的流動和濃度分布.為考慮污染物對街道中人員的影響,圖4給出了布局1至3在呼吸面高度(z=1.5m)處的流場和濃度分布情況.
自圖3可見,街谷外的上游阻擋建筑對街谷內的氣流和污染物分布影響明顯.當存在阻擋建筑物時,如圖3(b)和(c),街谷內氣流流動與圖3(a)給出的孤立街谷內的情況不同.上游阻擋建筑物的存在將對街谷內的流動產生影響,布局2中,阻擋建筑削弱了街谷上風建筑在屋頂處的分離效應,雖然對谷內氣流的旋轉效應起到了減弱作用,但卻將渦流限制在了街谷內,導致污染物不易自高度方向擴散出街谷;類似地,布局3使污染物在上風建筑背風面進一步聚集.布局2和3均減少了街谷下風建筑尾流區的渦流強度和范圍.結果,圖3(a)所示的孤立街谷中的污染物分布因阻擋建筑的作用而發生改變.同時,如圖3(b)和3(c),在上游阻擋建筑與街谷上風建筑之間會首先出現一個較強的回流渦旋(以下稱“前導渦”).
但布局2和布局3對街谷內流動和污染物分布的影響亦不同.圖4從水平方向氣流和污染物分布情況說明了這些區別.分別對照圖3(a)和3(c)及圖4(a)和4(c),可發現阻擋建筑錯列布置時(即布局3),前導渦出現在阻擋建筑的側墻,街谷上風建筑側墻處也多出一個小的渦旋,其結果是將污染物進一步限制在上風建筑的背風區.布局2則不同,因阻擋建筑與街谷建筑平行布置,街谷內二次流水平位置雖然移向缺口一側,但仍被限制在街谷內,比較圖4(a)和(b)可知,平行布置的阻擋建筑減弱了上風建筑側墻處的流動分離效應,污染物反倒被推向街谷內部.這是導致布局2和3在街谷內污染物濃度分布不同的主要原因.
上述結果說明,上游阻擋建筑對街谷內速度和污染物濃度場的影響不可忽略.圖5給出了布局1至3街谷內典型位置處氣流速度沿高度分布的數值結果.其中“建筑中心”位置和“街谷缺口”以圖4(c)為例,分別用“P1”和“P2”標出.
從圖5的結果可以看到,對于靠近缺口的街谷區域,阻擋建筑的存在增大了近地面處的氣流速度,減小了上空的風速;在街谷建筑中心位置,布局2則與布局1的風速廓線很接近,而布局3明顯減小了街谷建筑中心位置處的氣流速度.
為進一步分析不同布局對污染物擴散的影響,圖6給出了布局1至3街谷不同位置處污染物濃度沿高度方向分布的數值結果.
從圖6中可知,存在阻擋建筑時,街谷建筑中心位置的濃度均大于布局1給出的孤立街谷的情形;但在街谷缺口位置,布局3的濃度低于布局1,而布局2與布局1的濃度接近,在貼近地面位置的濃度較高,并且街谷上部空間布局2濃度較布局1高.這些特點與圖2和3給出的整體圖譜一致.
為考察氣流湍流強度分布對污染物擴散的影響,圖7給出了A-A剖面上的湍流強度分布的比較.可以看到,3種布局下,屋頂高度及以上掠流區域內湍流度分布存在較明顯差異,但街谷內部湍流分布非常相似.
2.1.2錯列式街谷數值結果表明,錯列式與平行式街谷布局內的流動和污染物分布具有不同的特點.圖8給出了上游阻擋建筑排列方式不同時,錯列式街谷(即圖1中布局4至6)中呼吸高度平面的流動和污染物濃度分布圖譜.
從圖8可以看出,雖同為錯列式街谷,但布局4至6中的流動特征有差別.布局4在上風和下風建筑的側墻處各有一個氣流漩渦;布局5中,上風建筑的氣流漩渦中心位置在建筑背風區,下風建筑側面渦旋增強;而布局6中則出現了3個強度不同的局部渦旋.
圖8給出的污染物濃度分布表明,阻擋建筑與街谷上風建筑平行布置時,即圖8(b),上風建筑附近的繞流將污染物向街谷內推移;圖8(c)給出的完全錯列式布局中,下風建筑附近的氣流速度要比布局4和5中的低.于是缺口位置的濃度要比街谷中心位置的低,由于布局6中上風建筑物擋在了街谷缺口的中心,減少了進入街谷的氣流,如圖8(c),故在下風建筑的迎風和上風建筑的背風區都將出現污染物聚集現象.
2.2阻擋建筑對街谷空間風速和濃度影響的統計分析
為得到阻擋建筑對街谷內氣流和濃度分布影響的統計結果,根據數值計算數據,在圖9所示的兩種街谷布局的迎風區、中心區和背風區圍成的高度分別為15m和2m的空間內均勻取值,取值點總數分別為3696點和693點.
2.2.1街谷內整體統計結果分析圖10和圖11分別給出了平行式街谷(布局1至3)和錯列式街谷(布局4至6)下,數值模擬得到的街谷整個高度上不同區域內的氣流速度VZ、湍流強度I和無量綱濃度C*的統計平均結果.
由圖10(a)可以看出,對于行列式街谷,布局1至3均為迎風區氣流平均速度最大,中心區其次,背風區最小.存在并列式阻擋建筑(即布局2)時,增大了背風區和中心區的平均風速,但對迎風區平均風速幾乎無影響;存在錯列式阻擋建筑(即布局3)時,則減小了背風區平均風速,增大了中心區平均風速,迎風區平均風速幾乎不變.圖10(b)是不同區域內湍流強度數值結果的統計平均.可以看到,3種布局下中心區和迎風區的湍流強度均增加約20%,背風區湍流強均增大約10%.圖10(c)是不同區域內污染物濃度的數值結果統計平均.顯見,兩種阻擋建筑布置都減小了街谷內的污染物平均濃度,只是各區域減小程度不同而已.
圖11(a)說明,與行列式街谷一樣,錯列式街谷的3種布局都是在街谷迎風區流速最大,中心區其次,背風區最小.此外,還可以看到,布局5街谷內的氣流速度并沒有因上游多出一個并列的阻擋建筑物而變小,其氣流速度大小與布局4(錯列式孤立街谷)中的幾乎沒有明顯差別.當錯列式街谷上游布置一個錯列的阻擋建筑(即布局6)時,其內部流速將明顯下降.圖11(b)表明,布局4、5、6下中心區和迎風區的湍流強度均增加約25%,背風區湍流強均增大約15%.從圖11(c)來看,與行列式街谷不同,阻擋建筑對錯列式街谷內污染物濃度的整體分布特征影響明顯.阻擋建筑對街谷內各區域污染物分布的影響在布局5中均表現為濃度明顯降低,而在布局6中則為濃度升高.此外,對比圖11和圖10可知,同樣的上游阻擋建筑下,布局4至6在街谷內對應區域的濃度顯著低于布局1至3.
2.2.2街谷內呼吸區域統計結果分析考慮到街谷內2m以下區域為人員活動區,圖12(a)和圖12(b)分別給出了布局1至3和布局4至6時,根據數值模擬得到的街谷2m以下區域內的無量綱濃度統計平均情況.
從圖12來看,人員活動區域內的局部污染物濃度分布與街谷整體平均情況不同.在行列式街谷中,如圖12(a),背風區呼吸高度以下空間的污染物濃度比同一區域整體平均濃度高出35%以上,相應的中心區高出約50%,但迎風區則略有降低;圖12(b)則指出,錯列式街谷中,中心區域呼吸高度以下空間濃度顯著高于整體平均濃度,三種布局下平均高出150%,而其他兩個區域的濃度則基本沒有變化,僅在布局6時,背風區濃度增加約40%.——論文作者：朱強,亢燕銘,楊方,鐘珂
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