城市建筑群環(huán)境有毒有害氣體擴散數(shù)值模擬

鄭茂輝，金 敏，許建明

（1.同濟大學(xué) 上海防災(zāi)救災(zāi)研究所，上海 200092；2.上海市氣象局，上海 200135）

城市建筑群環(huán)境中有毒有害氣體的擴散受到道路、建筑物布局和局地氣象條件等多種因素的影響，擴散機理十分復(fù)雜［1］.研究街區(qū)尺度有毒有害氣體擴散的規(guī)律和特性，可對擴散過程及后果進行科學(xué)有效的模擬，能在事故預(yù)防和應(yīng)急決策方面發(fā)揮積極而必要的作用，是當(dāng)前城市微氣象環(huán)境和公共安全領(lǐng)域的研究熱點之一［2］.

國內(nèi)外針對意外泄漏擴散開展了大量的試驗［3-4］和理論模型［5-7］研究.不過，早期研究主要面向平坦或孤立障礙物地形，難以反映街區(qū)非均勻下墊面對流動和擴散過程的影響.近些年，出于生化防恐、城市環(huán)境安全等需要，歐美一些發(fā)達國家的主要城市相繼開展了若干現(xiàn)場試驗［8-10］.與此同時，由于基于計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的擴散模型能夠詳細(xì)描述復(fù)雜地形條件下的流場結(jié)構(gòu)、湍流細(xì)節(jié)及其對濃度的影響，得到越來越多的研 究 和 關(guān) 注［11-15］.Pullen等［12］采 用FAST3DCT和高斯煙羽模型對華盛頓和芝加哥局部區(qū)域的污染物擴散進行模擬和分析；Moussafir等［13］對意大利Bologna市中心500×500m2范圍進行了模擬，并對建筑物背風(fēng)面的氣體濃度進行了評估；Xie等［14］對倫敦市區(qū)示蹤氣體試驗進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明近源濃度分布與周圍建筑物幾何分布密切相關(guān)，而遠源濃度分布所受影響相對較小.國內(nèi)針對復(fù)雜城市環(huán)境下的擴散過程研究起步較晚.劉國梁等［15］通過風(fēng)洞試驗研究討論了幾種障礙物條件對重氣擴散的影響；席學(xué)軍等［16］基于大渦模擬方法研究城市街道中的毒氣擴散過程；尤學(xué)一等［17］模擬了開放街道峽谷和城市街道峽谷污染物的擴散問題，證實了相同條件下后者背風(fēng)墻和迎風(fēng)墻上的污染物濃度均大于前者的相應(yīng)值；此外，文獻［2，18］分析街區(qū)尺度CFD模擬中復(fù)雜下墊面建模和空間集成分析所面臨的不足，探討了耦合地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）和 CFD的街區(qū)擴散模型及其關(guān)鍵技術(shù).

本文擬應(yīng)用基于CFD原理的擴散模型和計算方法，以街區(qū)建筑群中點源連續(xù)泄漏為例，模擬研究有毒有害氣體在建筑物周圍的擴散過程及特性，著重分析下墊面建筑物擾動和來流風(fēng)速對濃度時空分布的影響，從而為事故后果評價和應(yīng)急決策提供理論依據(jù).

1 控制方程與數(shù)值方法

有毒有害氣體泄漏以后形成的氣云運動規(guī)律滿足三維不可壓縮Navier-Stokes方程組.不考慮溫度對流場的影響以及組分輸運過程中的化學(xué)反應(yīng)，本文求解如下連續(xù)方程、動量方程和濃度擴散方程：

式中：ui（i＝1，2，3）為xi方向上的速度分量，ρ為流體密度，p是靜壓，μt為渦黏性系數(shù)，C為有毒有害氣體濃度，S為污染物源項，Dt為湍流擴散系數(shù).

RNGk—ε模型用修正的黏度項體現(xiàn)小尺度的影響，對近壁面濃度的預(yù)測要好于標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型［19］.本文采用RNGk—ε模型閉合方程組，模型常數(shù)Cμ，σk，σε，C1，C2分別取值為 0.845，0.7179，0.7179，1.42和1.68.應(yīng)用有限體積法（FVM）對上述控制方程在整個計算區(qū)域進行離散，其中對流項離散采用二階迎風(fēng)格式，擴散項采用二階中心差分，時間采用一階隱式離散格式，速度壓力耦合采用SIMPLE算法.大氣入口水平風(fēng)速采用冪指數(shù)率計算：Uz＝Ur（z／hr）α，其中，α為風(fēng)廓線冪指數(shù)，z為距地面的高度，Ur為參考高度hr上的平均風(fēng)速；在出口邊界上，各變量的水平方向梯度為零；地面及建筑物壁面采用無滑移邊界條件，其附近的切向速度、k和ε采用壁面函數(shù)計算；頂部和兩個側(cè)面設(shè)定為對稱邊界.

2 計算與分析

2.1 算例驗證

為檢驗方法的正確性，對文獻［20］中一個障礙物繞流的重氣擴散試驗場景（編號：029128）進行模擬計算，并與試驗結(jié)果進行對比.該試驗在德國漢堡大學(xué)氣象學(xué)院的大氣邊界層風(fēng)洞中進行，風(fēng)洞試驗段長4000mm、寬1500mm、高1000mm.圖1給出污染源S（0，0，0）和障礙物幾何分布，示蹤氣體為六氟化硫（SF6），源強Q ＝0.1743g·s-1.邊界層厚度400mm，冪指數(shù)α＝0.26，特征長度Lr＝7.18mm，特征速度Ur＝0.54m·s-1.障礙物長、寬、高均為H ＝11Lr，障礙物間距B ＝21Lr，在源點下風(fēng)向部署熱膜傳感探頭檢測示蹤氣體的體積分?jǐn)?shù).圖2給出下風(fēng)向 P1（153，0，0），P2（230，0，0），P3（536，0，0）三個測點的5s平均體積分?jǐn)?shù)（%）實測值和模擬值的對照.模擬結(jié)果總體上稍高于實測值，但兩者趨勢一致，在遠離污染源處吻合較好.這表明通過設(shè)定合理邊界和計算參數(shù)，本文的計算模型和數(shù)值方法是可靠的，能夠適應(yīng)復(fù)雜障礙物地形的模擬.

圖1 風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ虵ig.1 Schematic map of the wind tunnel model

2.2 真實街區(qū)模擬

圖2 數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗測點平均體積分?jǐn)?shù)比較Fig.2 Comparison of mean volume fraction on corresponding measurement points between numerical simulation and wind tunnel experiment

在模型驗證基礎(chǔ)上，以文獻［9］中英國倫敦Marylebone大道的周邊街區(qū)為例，模擬真實建筑群環(huán)境中短歷時點源的大氣擴散.圖3給出研究區(qū)域主要街道和建筑物幾何分布、高程等基本信息，區(qū)內(nèi)建筑物平均高度22m.假定污染源（S）位于街區(qū)內(nèi)部，距地面2m，泄漏氣體為硫化氫（H2S），源強0.2 k g·s-1，泄漏持續(xù)900s；擴散期間來流風(fēng)向與Marylebone大道成45°夾角，為西南風(fēng)，風(fēng)廓線冪指數(shù)α＝0.26.為分析建筑物和環(huán)境風(fēng)速對擴散過程的影響，設(shè)定1.5m·s-1，3.0m·s-1兩種來流風(fēng)速（Ur）進行分組模擬，并在下風(fēng)向選定P1～P5五個測點，其中P4位于建筑物頂部，高15m，其余測點均位于近地面街道之中，高1.5m.

圖3 街區(qū)建筑物布局及泄漏源、測點位置（單位：m）Fig.3 Building arrangement and the configuration of source，measurement points in the investigated urban streets（unit：m）

計算域沿流向長1200m（x）、寬800m（y）、高200m（z），采用四面體網(wǎng)格進行空間離散，網(wǎng)格單元總數(shù)約2.2×106個.其中，在污染源和建筑物附近的一定區(qū)域內(nèi)，泄漏氣體各個參數(shù)的梯度變化較大，采用局部加密網(wǎng)格進行處理.兩組模擬計算時間分別為1600s和1260s，時間步長均為0.1s.濃度數(shù)值計算涵蓋連續(xù)泄漏期間的擴散和泄漏停止后彌散氣體的吹散過程.

2.3 結(jié)果與討論

出于安全考慮，在泄漏事故模擬中最關(guān)心的是近地面有毒有害氣體的濃度場變化.圖4給出兩組模擬中地面1.5m高度處三個不同時刻（180s，900 s，1020s）的質(zhì)量濃度分布圖.其中，硫化氫質(zhì)量濃度大于760mg·m-3時可很快造成急性中毒或致人死亡，為極度危險區(qū)域；質(zhì)量濃度介于300～760 mg·m-3為高度危險區(qū)域；質(zhì)量濃度介于10～300 mg·m-3為中度危險區(qū)域.

對照圖4結(jié)果，直觀可見建筑物和來流風(fēng)速對擴散過程的影響.硫化氫氣體泄漏后由于負(fù)向浮力的作用在近地面形成低平的重氣云團，受建筑物所限，沿街廊向下風(fēng)向蔓延擴散.t＝180s，在1.5 m·s-1風(fēng)速下氣云分布范圍較小，主要限于下風(fēng)向少數(shù)建筑物周圍，污染源附近交叉路口處質(zhì)量濃度高達1000mg·m-3以上（見圖4a）.3.0m·s-1風(fēng)速下水平輸運明顯加速，在風(fēng)向成45°夾角的街谷中氣云擴散速度最快，向開闊的Marylebone大道蔓延（見圖4b）.t＝900s，泄漏停止，此時前者氣云前端已抵達模擬區(qū)域邊緣，下風(fēng)向兩個近源街段基本為高度危險區(qū)（見圖4c）；后者因氣云濃度稀釋較快，前端低質(zhì)量濃度區(qū)（10～30mg·m-3）較1.5m·s-1風(fēng)速下要小，另外由于湍動擾動程度加大，近源高質(zhì)量濃度區(qū)的范圍也明顯萎縮（見圖4d）.至t＝1020 s，由圖4e，f可知，氣云因被動擴散質(zhì)量濃度迅速下降，并整體往下風(fēng)向遷移；污染源附近街巷中原高質(zhì)量濃度區(qū)已經(jīng)消退（質(zhì)量濃度＜10mg·m-3），且隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，消退速度明顯加快.

表1 測點源距關(guān)系與最大計算質(zhì)量濃度Tab.1 The positions of sampling points relative to contaminant source and the maximum concentrations

圖5是兩組模擬中下風(fēng)向五個監(jiān)測點的質(zhì)量濃度變化曲線圖.分析表明，不同風(fēng)速條件下對應(yīng)點的質(zhì)量濃度變化趨勢基本一致，較大的環(huán)境風(fēng)速有利于氣體的稀釋擴散.當(dāng)Ur＝3.0m·s-1時，各點質(zhì)量濃度在泄漏停止350s后趨于零，而Ur＝1.5 m·s-1時該被動擴散階段持續(xù)約650s.其次，各監(jiān)測點的質(zhì)量濃度變化與其同污染源的位置關(guān)系、風(fēng)向偏離程度等有著密切聯(lián)系.表1給出各點到污染源的直線距離（R1）、沿路折線距離（R2），點-源連線同主風(fēng)向的夾角（θ），以及最大計算質(zhì)量濃度.P1，P2由于偏離主風(fēng)向，在整個模擬期間質(zhì)量濃度基本上小于7mg·m-3；而P5到污染源的距離與P1相近，但計算質(zhì)量濃度為P1的7～10倍.建筑物背風(fēng)面P3的峰值質(zhì)量濃度明顯高于建筑物頂部的鄰近監(jiān)測點P4；不過，在擴散初期由于氣云遇建筑物阻礙后爬升，出現(xiàn)后者質(zhì)量濃度高于前者的短暫過程.此外，在泄漏停止后建筑物周圍氣體質(zhì)量濃度因被動擴散而迅速下降.其中，測點P4因建筑物頂部風(fēng)速較大下降最快，而街谷內(nèi)各近地面測點質(zhì)量濃度稀釋較慢，尤其是離污染源較遠的測點P5，其質(zhì)量濃度下降明顯滯緩.基于以上初步討論分析，在發(fā)生意外泄漏事故時，應(yīng)第一時間組織人群向泄漏源的上風(fēng)向或兩個側(cè)翼快速疏散，直至安全地帶，并盡快控制泄漏源；對于來不及疏散的住戶，應(yīng)緊閉門窗做好防護，盡可能向樓層高處轉(zhuǎn)移；此外，建筑物密集區(qū)間濃度稀釋相對滯緩，可能成為威脅人群健康的“死角”.

3 結(jié)論

（1）經(jīng)算例驗證，計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)吻合良好，表明給定合適的計算參數(shù)，本文數(shù)值模型和方法能夠有效模擬復(fù)雜障礙物條件下有毒有害氣體的擴散過程.

（2）擴散過程受街區(qū)道路、建筑物布局以及風(fēng)速條件影響顯著，氣云受建筑物阻礙向下風(fēng)向街谷中蔓延擴散，近地面濃度同該處源距、所在方位和高度等關(guān)系密切，較大的環(huán)境風(fēng)速有利于濃度的稀釋擴散.

（3）后續(xù)研究將重點分析事故場景下周邊人群的暴露水平，為城市地區(qū)突發(fā)泄漏事故風(fēng)險分析和人員緊急疏散提供相關(guān)理論依據(jù).

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