城市街道峡谷气流和污染物分布的数值模拟蒋德海.docx

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城市街道峡谷气流和污染物分布的数值模拟蒋德海

收稿日期:

2005-07-07

基金项目:

国家自然科学基金重点资助项目（40333027:

城市街道峡谷气流和污染物分布的数值模拟

蒋德海1

蒋维楣1

苗世光

2

1.南京大学大气科学系,江苏南京210093

2.北京市气象局,北京100089

摘要:

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:

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;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;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.

关键词:

FLUENT;街道峡谷;高架桥;大气环境

中图分类号:

X169文献标识码:

A文章编号:

1001-6929（200603-0007-06

TheNumericalSimulationofAirFlowandPollutantDistributioninStreetCanyons

JIANGDe-hai1

JIANGWe-imei1

MIAOSh-iguang

2

1.DepartmentofAtmosphereScience,NanjingUniversity,Nanjing210093,China

2.BeijingMeterologicalBureau,Beijing100089,China

Abstract:

TheairflowandpollutantdistributionintypicalstreetcanyonsweresimulatedbyapplyingFLUENTmodelofCFDsoftware.Themodelestablishedincludesstreetcanyonsconstructedbydifferentshapesofbuildingsandstreetcanyonswithviaducts.Resultsshowthat:

differentshapesofbuildingschangethedistributionofthewindandturbulence,andtherebythepollutantconcentrationdistributioninstreetcanyonsissignificantlyaffected;withthesamegeometricproportion,thegroundconcentrationofpollutantinstreetcanyonsishigherwhenthebuildingshapeismorestreamlining;theinfluenceofviaductsliesontheheightandwidthoftheviaductsrelativeofstreetcanyons;ifviaductishigherandnarrower,thegroundconcentrationofpollutantsislower;thesimulatedresultofFLUENTisreasonable,andtheprospectofapplyingFLUENTtostudyatmosphericenvironmentisverywell.Keywords:

FLUENT;streetcanyon;viaduct;atmosphericenvironment

随着城市化进程的加速和机动车数量的大幅增加,城市街道峡谷里的污染状况也日益引人关注.研究街道峡谷内机动车排放污染物扩散,以及合理规划、设计街道峡谷布局以减轻污染,成为目前研究的一个热点.Hunter等

[1]

与张宁等

[2]

通过数值模拟,

LeeRL[3]

通过风洞实验研究了街道峡谷里典型的3种流动形式:

爬越流,尾流绕流和孤立的粗糙流.AndyTChan等

[4]

应用CFD软件研究了街道峡谷内

可能影响空气质量的街道峡谷几何形状的特征比

值.李鹏飞等[5]

认为,高架桥会加重桥下街道峡谷的污染,但关于高架桥对街道峡谷大气环境影响的研

究还很薄弱,需要大大加强.桑建国等[6]

用k-模

式模拟了街道峡谷内的环流和热力结构.吕萍等[7]

也采用k-模式模拟了街道峡谷几何结构对街道

峡谷内流场和污染物浓度场的影响.李磊等[8]

用FLUENT软件研究了十字路口的大气环境,并论证了FLUENT软件应用于街道峡谷大气环境研究的可

行性.LiuaChun-Ho等[9]

采用大涡模式研究了街道峡谷内不同情况下的空气交换率和污染交换率.但

第19卷第3期

环境科学研究ResearchofEnvironmentalSciences

Vol.19,No.3,2006

简单的理想模型,而实际街道峡谷中两侧建筑物的形状、布局等非常复杂,而且随着城市建设的发展,街道峡谷里出现了高架桥等特殊建筑物,其对街道峡谷内大气环境的影响目前研究得很少.而要进行这些研究,就必须要求采用的方法能够比较容易地构造出几何形状不同的街道峡谷,并对复杂的街道峡谷结构进行合理的网格划分,同时还能够正确反映气流的运动和污染的扩散.而FLUENT软件正好可以比较轻松地完成这些工作,并节约建模的时间和成本.所以笔者应用FLUENT软件,分别研究不同几何形状建筑物构成和含有高架桥的街道峡谷内的气流和污染物分布状况.

1模式介绍

1.1FLUENT软件建模

FLUENT是目前比较流行的计算流体力学软件,被广泛应用于与流体力学相关的航空、水利和工程设计等行业.应用FLUENT软件建模计算,一般可以先用其前处理器Gambit建立各种街道峡谷的模型,并进行合理的网格划分.由于笔者建立的街道峡谷的模型形状比较复杂,所以采用的是非结构化网格划分.然后应用FLUENT软件里对Gambit建立的模型定义边界条件和物理模型,并进行求解.FLUENT软件采用的基本物理方程包括:

动量守恒方程:

（ui+j（uiuj=-pi+ij

j+gi+Fi式中,为空气密度,kgm3

;p为静压,Pa;ui,uj分别

为i,j方向上的速度,ms;ij为应力张量,kg（m2

s2

;gi和Fi分别为i方向上的重力体积力和外部体积力.Fi包含了其他的模型相关源项.对于湍流应力项,FLUENT软件提供了多种闭合方案供选择,包括标准k-,RNGk-,realizablek-,大涡模拟和雷诺应力模型等.为了提高计算精度,并为以后的工作提供更多的分析资料（包括湍流二阶通量,笔者所有算例都采用雷诺应力模型.

质量守恒方程:

+i

（ui=Sm式中,源项Sm可以是任何的自定义源项.

用FLUENT软件计算得到结果后,用Tecplot软件绘图.

1.2FLUENT软件模拟结果的检验

Chang等

[10]

将FLUENT软件的模拟结果和风洞

实验结果进行比较发现,FLUENT软件模拟结果与

风洞实验模拟的街道峡谷内风场和污染物浓度场的观测结果吻合得很好.AndyTChan

[4]

和李磊等

[8]

的

研究也论证了将FLUENT软件应用于研究街道峡谷大气环境的可行性.笔者用FLUENT软件模拟了德

国汉堡大学风洞实验计划CEDVAL[11]

中的一个个例时发现,FLUENT软件模拟结果与风洞观测结果比较一致（见图1.图1中,Uref为来流风速,ms;UW为湍流通量;U和W分别为水平风速和垂直风速,m

s.

注:

实线为模拟值,点线为观测值

图1FLUENT模拟结果与风洞观测结果对比Fig.1Simulatedvaluesvsobservedvalues

2模拟与分析

2.1对不同几何形状的街道峡谷的模拟

形状,笔者设计了3种算例.在每种算例中街道峡谷高（H宽（W比都为1,且H=30m,街道峡谷根据3类.8环境科学研究第19卷

图23种街道峡谷污染物质量浓度、流场和湍能的分布

Fig.2Pollutantmassconcentration,windandturbulenceenergydistributionofthreestreetcanyons

为西风,风速为5ms.地面为交通面源,污染物为CO,源强为05mg（m2s.

由图2可见:

从地面出现的污染物最高质量浓度来看,三角型屋顶的街道峡谷值最高（为50mgm3,方顶型次之（为40mgm3,圆顶型最小（为30mgm3;污染物主要分布在街道峡谷的迎风面墙壁处和地面源附近,背风面的质量浓度比较小,这与前人对街道峡谷大气环境的研究结果[7]一致;从污染物分布的范围（以（CO大于10mgm3的区域为准来看,方顶型屋顶的街道峡谷内污染物分布的范围最大,圆顶型次之,三角型最小.

结合流场图和湍能分布图考虑,认为影响街道峡谷内污染物质量浓度分布的重要因素包括平均风和湍流对污染物的输送及扩散.平均风对污染物的输送是影响街道峡谷里污染物分布的主要因素.街面墙角处往往是风速死角区,由于污染物主要是在地面排放,地面处的风向为迎风面指向背风面,所以3类街道峡谷的污染高值区总是出现在背风面的墙角处.而三角型屋顶街道峡谷墙角的风速低值区范围最大,风速最小,所以其地面（CO最大;圆顶型街道峡谷比较趋向于流线型,便于风吹入街道峡谷内输送污染物,其地面（CO最小.湍流对污染物能高值区分布范围也最广,所以其污染物分布的范围最小.平均风和湍流对污染物的输送和扩散作用效果还与其相对于污染源区的位置有关.虽然三角型屋顶街道峡谷的湍能最大,但湍能的高值区离地面源比较远,所以湍流对污染物的扩散作用不明显.2.2含有高架桥的街道峡谷

为了研究含有高架桥的街道峡谷里的大气环境,设计了如表1所示的8个算例,以研究不同高度或宽度的高架桥、地面源和桥面源分别对街道峡谷污染的贡献,以及不同风速下街道峡谷的大气环境.所有算例中,街道峡谷高宽比都为1,H=30m.

表1对含有高架桥的街道峡谷模拟的算例

Table1Simulatedcasesofstreetcanyonswithviaduct算例

序号

风速

（ms-1

桥高

m

桥宽

m

CO排放量（mgm-2s-1地面源桥面源case12000.50case2215240.50case32152400.5case4215240.50.5case5230240.50.5case6240240.50.5case7215150.50.5case8515240.50.5图3（a~（d分别是case1,case2,case3,case4.1

9

第3期蒋德海等:

城市街道峡谷气流和污染物分布的数值模拟

地面源的污染物排放,其地面（CO最大值相比其他3个算例最低,为45mgm3

（见图3（a;case2为有高架桥,但是不考虑高架桥面源的排放,只考虑地

面源的排放,地面（CO最大值为50mgm3

（见图3（b;case3为有高架桥,但是只考虑高架桥面源的排放,不考虑地面源的排放,高架桥上排放的污染物对地面（CO贡献为2mgm3左右（见图3（c;case4为同时考虑高架桥面源和地面源的污染物排

放,这种情况下地面（CO最高,为70mgm3

（见图3（d.结合其风速和湍能分布分析可知:

存在高架桥的街道峡谷,由于桥下的风速、湍能减小,从而不利于街道峡谷里污染物扩散;高架桥阻挡了地面源排放的污染物向街道峡谷外扩散稀释;高架桥作为一个污染源,其所排放的污染物有可能被局地环流带到地面从而加深地面的污染

.

图3高架桥面源排放对街道峡谷的污染物质量浓度分布的影响

Fig.3Theinfluenceofviaductpollutingsourceonpollutantmassconcentrationdistributionofstreetcanyons

图4（a~（d分别是case4,case5,case6,case7污染物的质量浓度分布,反映了不同高、宽度的高架桥对街道峡谷里大气环境的影响.由图4可见:

当高架桥低于街道峡谷高度并且桥较宽时,地面（CO最大,为75mgm3

随着高架桥高度的增加和桥宽

的减小,地面（CO也随之减小到45mgm3

.其原因是:

a.高架桥与街道峡谷两侧建筑物的高度不同时,街道峡谷内的风速和湍能的大小及分布存在很大的差异,同时高架桥作为一个污染源对桥下污染的贡献也存在很大的差异.当高架桥低于建筑物的高度（case4时,街道峡谷内的风速、湍能都比较小,而且桥面产生的污染物会被局地环流输送到桥下,地面污染物质量浓度最大;当高架桥和建筑物等高时（case5,街道峡谷内的风速、湍能衰减到最小,的污染物被街道峡谷外的风直接输送到下游位置,

不加重街道峡谷内的污染;当高架桥高于建筑物的高度（case6时,高架桥对街道峡谷内风速、湍能的衰减作用,以及对污染物的阻挡作用随着高架桥高度的增加而减弱,同时桥面产生的污染物不加重峡谷内的污染,污染最轻.

b.在相同高度下,高架桥的宽度越小,其对地面污染物的阻挡作用越弱,桥下风速和湍能越大,更利于地面污染物的扩散;同时桥面作为一个污染源的源强也减小了,对地面污染的贡献减小（case7与case4相比.

图5为case4和case8的污染物质量浓度分布,由图5可见:

随着环境风速的增大,街道峡谷内的风速和湍能也增大,污染物的质量浓度减小.但是风速、湍能、污染物的质量浓度分布状况不随来流10环境科学研究第19卷

图4含有不同高架桥时街道峡谷污染物的质量浓度分布

Fig.4Pollutantmassconcentrationdistributionofstreetcanyonswithdifferent

viaducts

图5不同风速下街道峡谷污染物质量浓度分布

Fig.5Pollutantmassconcentrationdistributionofstreetcanyonswithdifferentwindspeed

里风速增加的幅度很小,但是街道峡谷里湍能增加的幅度很大,引起街道峡谷里污染物质量浓度减小的幅度很小,这也论证了平均风对污染物的输送相对于湍流对污染物的扩散作用更为重要.

3结论

a.决定街道峡谷内污染物质量浓度分布的因素包括:

平均风对污染物的输送,湍流的强度和相对源位置分布,其中平均风对污染物的输送占主要地位.因此,几何外形越趋向于流线型的街道峡谷由于风速低值区的范围和强度都比较小,有利于街道峡谷里平均风对污染物的输送,所以污染物质量浓度物质量浓度比不光滑的街道峡谷低40%左右.

b.高架桥对地面污染的作用有:

阻挡地面源排放的污染物向街道峡谷外扩散稀释;减小桥下的风速、湍能,从而不利于污染物扩散;其排放的污染物有可能被局地环流带到地面从而加深地面的污染.但宽度越小,高度越高的高架桥所造成的地面污染越小.

c.从模拟效果来看,FLUENT软件对街道峡谷大气环境的模拟基本合理,由于其易于操作,开发周期短,成本低,可以预见将其用于处理城市大气环境问题会有良好的应用前景.

11

第3期蒋德海等:

城市街道峡谷气流和污染物分布的数值模拟

12环境科学研究ofAppliedMeteorologicalScience,2002,13（z1:

6981.第19卷参考文献:

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