不同形式的高架橋?qū)值缻{谷氣流和污染物分布的數(shù)值分析

朱楚雄,梁志勇

(東華大學(xué) 理學(xué)院,上海 201600)

改革開放以來,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與城市化進(jìn)程的加速,城市的空氣污染問題越來越嚴(yán)重,尤其是城市街道峽谷里的污染狀況也日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn).街道峽谷(street canyon)的概念首先由Nicholson[1]于1975年提出,指的是兩旁都有連續(xù),高大建筑物的相對狹長的街道空間.簡單的街道峽谷可以由圖1所表示,B表示街道的寬度,H表示建筑物的高度,W表示建筑物的寬度.由于峽谷的特定結(jié)構(gòu),城市街道中心峽谷區(qū)域容易產(chǎn)生獨(dú)立的穩(wěn)定的氣流循環(huán),從而導(dǎo)致峽谷中氣流流動不通順和污染氣體不容易被稀釋.

圖1 街道峽谷示意圖Fig.1 Schematic diagram of a street canyon

有關(guān)街道峽谷內(nèi)氣流運(yùn)動和污染物擴(kuò)散的數(shù)值研究的國內(nèi)外報(bào)道已相當(dāng)?shù)呢S富.Venegas L.E和Mazzeo N.A等[2]2000年在阿根廷首都布宜諾斯艾利斯的某條深街道峽谷測量了CO的濃度.Uehara等[3]2000年在日本國家環(huán)境研究院用大氣擴(kuò)散風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了溫度分層對峽谷的上方與內(nèi)部風(fēng)場的影響,研究結(jié)果表明峽谷內(nèi)渦流在大氣穩(wěn)定狀態(tài)下變?nèi)?Nelson Y.O.Tong和Dennis Y.C[4]通過計(jì)算流體軟件CFD數(shù)值模擬了城市街道峽谷內(nèi)污染物擴(kuò)散,特別是NO、NO2、O3的情形.隨著汽車數(shù)量在城市中不斷增多,為了緩解城市越來越大的交通壓力,在城市建設(shè)中城市高架橋在許多城市競相出現(xiàn)[5].這樣,就使得原來類似于平面的交通轉(zhuǎn)變成了立體的形式,從街道兩旁的建筑物上下分開,提高了城市街道對機(jī)動車的承載力,能緩解城市機(jī)動車的擁堵情況.關(guān)于城市街道峽谷中高架橋的文獻(xiàn)也相當(dāng)豐富,李鵬飛等[6]認(rèn)為,高架橋會加重橋下街道峽谷的空氣污染.蔣海德等[7]用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件中的FLUENT計(jì)算了高架橋?qū)值缻{谷內(nèi)CO含量的影響,研究結(jié)果表明寬度越小、高度越高的高架橋所造成的污染越小.KONDO[8]等研究了城市街道峽谷高架橋內(nèi)NOx的擴(kuò)散規(guī)律,結(jié)果表明,交通產(chǎn)生的湍流對污染物排放的影響比交通產(chǎn)生的流動對污染物排放的影響要大得多.張傳福[9]等利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬,研究了3種H/W(街道建筑物高度/峽谷寬度)下高架橋?qū)值缻{谷內(nèi)顆粒物擴(kuò)散的影響,其結(jié)果表明H/W越大,街道峽谷內(nèi)顆粒物濃度越高,相對于沒有高架橋的街道峽谷,高架橋附近區(qū)域風(fēng)場變化明顯,但對建筑物墻壁、地面及峽谷頂層處影響較小;街道峽谷內(nèi)存在高架橋時(shí),在墻壁較低處顆粒物質(zhì)量濃度增加.

1 物理模型的建立

1.1 計(jì)算域及邊界條件

如圖2為帶高架橋的街道峽谷計(jì)算域的二維示意圖.風(fēng)向?yàn)樽宰笙蛴掖怪庇诮值?在邊界條件處理上,,進(jìn)口邊界為速度入口邊界,出口邊界為壓力出口邊界,上邊界為對稱邊界,建筑物墻壁和街道采用固體壁面邊界條件.

圖2 帶高架橋街道峽谷示意圖Fig.2 Schematic diagram of a street canyon with viaduct

1.2 計(jì)算方法

在該數(shù)值模擬計(jì)算中,將空氣視為不可壓流體,湍流模型采用二維的k-ε兩方程模型,污染物擴(kuò)散采用組分輸運(yùn)方程,流場與污染物濃度場可由下列計(jì)算控制方程來描述:

連續(xù)性方程為

(1)

動量方程為

由于采用的是標(biāo)準(zhǔn)的k-ε兩方程模型,且空氣為不可壓流體,則k-ε方程為[10]:

污染物對外擴(kuò)散的組分輸運(yùn)方程為

(6)

1.3 計(jì)算設(shè)置

該數(shù)值模擬采用有限體積法進(jìn)行離散,離散方法為二階迎風(fēng)差分,壓力與速度耦合采用Simple算法,污染物擴(kuò)散不影響空氣流場的分布并假設(shè)其在街道上均勻分布且不考慮室內(nèi)與室外的空氣交換,采用CO作為污染物.

2 模擬與分析

2.1 FLUENT建模

FLUENT是目前比較流行的計(jì)算流體力學(xué)軟件,被廣泛應(yīng)用于與流體力學(xué)相關(guān)的航空、水利和工程設(shè)計(jì)等行業(yè).FLUENT軟件包括前處理,處理器和后處理三種.應(yīng)用FLUENT軟件建模計(jì)算時(shí),一般可以先用其前處理器Gambit建立各種街道峽谷的模型,并進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分.

2.2 不同高架橋高度的街道峽谷

為了研究含有高架橋的高度對街道峽谷污染的影響,設(shè)計(jì)了如表1所示的6個算例,分析其所產(chǎn)生的影響.為了方便計(jì)算,假設(shè)建筑物的高度H

表1 對含有不同高度高架橋的街道峽谷模擬的算例Table 1 Simulated cases of street canyons with different heights viaducts

與街道峽谷的寬度B的比值為1∶1,且H=40 m.

圖3a～圖3f分別表示算例1～算例6的速度矢量場分布以及污染物濃度分布.由圖3的速度矢量場可知,當(dāng)無高架橋,空氣流過建筑物時(shí),由于迎風(fēng)建筑的阻擋,氣流在街道上部形成一個中心偏向迎風(fēng)面的順時(shí)針大漩渦;當(dāng)有高架橋且高架橋高度比較低時(shí),氣流在高架橋的上方形成一個順時(shí)針的漩渦,而隨著高架橋的高度增加,逐漸在高架橋的上部和下部均形成了順時(shí)針的漩渦,且上部的漩渦逐漸變小,下部的漩渦逐漸變大;當(dāng)高架橋與建筑物的高度相同時(shí),在靠近迎風(fēng)建筑的下方和背風(fēng)建筑的上方均形成順時(shí)針的漩渦;當(dāng)高架橋高于建筑物時(shí),其速度矢量場的情形和無高架橋的情形基本相同.由污染物質(zhì)量濃度場可知,當(dāng)無高架橋時(shí),污染物被氣流場帶到背風(fēng)建筑的上方;當(dāng)有高架橋且高架橋比較低時(shí),污染物聚集在高架橋下部,且隨著高架橋的高度升高其下部的質(zhì)量濃度下降,背風(fēng)建筑物上方的質(zhì)量濃度逐漸升高;當(dāng)高架橋高度與建筑物高度相同時(shí),由于高架橋阻礙了氣流在街道峽谷的流動,故其下方的污染物質(zhì)量濃度最大;當(dāng)高架橋高于建筑物時(shí),其污染物質(zhì)量濃度與無高架橋時(shí)的污染物質(zhì)量濃度相同.

圖3 在不同高度的高架橋面源排放對街道峽谷的污染物質(zhì)量濃度與速度矢量場分布影響Fig.3 The influence of different heights viaducts polluting source on pollutant mass concentration distribution and velocity vector of street canyons(a)—算例1;(b)—算例2;(c)—算例3;(d)—算例4;(e)—算例5;(f)—算例6.

2.3 不同高架橋?qū)挾鹊慕值缻{谷

表2為不同高架橋?qū)挾鹊娜齻€算例,并分析其產(chǎn)生的影響.假設(shè)街道峽谷高寬比H/B為1,且H=40 m,橋高為20 m.

表2 對含有不同寬度高架橋的街道峽谷模擬的算例Table 2 Simulated cases of street canyons with different widths viaducts

圖4a～圖4c分別表示算例7～算例9的速度矢量場分布以及污染物濃度分布.由速度矢量場可以看出在高架橋的上下兩部分分別形成順時(shí)針的漩渦,且隨著高架橋?qū)挾鹊脑黾佣龃?由污染物濃度場可知,由于高架橋?qū)挾鹊脑黾?在高架橋下部形成一個順時(shí)針的大漩渦,導(dǎo)致污染物不能排出街道峽谷,故其在峽谷內(nèi)污染物濃度逐漸增加.

圖4 在不同寬度的高架橋面源排放對街道峽谷的污染物質(zhì)量濃度與速度矢量場分布影響Fig.4 The influence of different widths viaducts polluting source on pollutant mass concentration distribution and velocity vector of street canyons(a)—算例7;(b)—算例8;(c)—算例9.

2.4 高架橋是否有污染源

為了研究高架橋是否有污染源對街道峽谷污染物擴(kuò)散的影響,設(shè)計(jì)如下3個算例(表3).為了方便計(jì)算,假設(shè)建筑物的高度H與街道峽谷的寬度B的比值為1∶1,且H=40 m.

表3 對含有不同污染源高架橋的街道峽谷模擬的算例Table 3 Simulated cases of street canyons with different pollutants viaducts

由圖5a～圖5c表明,當(dāng)污染源為地面源時(shí),高架橋阻礙了其下部的空氣流動,故其下部的污染物質(zhì)量濃度較大,而其上部的污染物質(zhì)量濃度比下部的小很多;當(dāng)污染源為橋面源時(shí),由于其上部和下部均形成一個順時(shí)針漩渦(見算例3(1)),故其上部的流動將污染物傳輸?shù)狡湎路?故高架橋下部也有一定的污染物濃度;當(dāng)污染源為橋面源和地面源時(shí),由于高架橋上下部的順時(shí)針漩渦導(dǎo)致其地面源的污染物向上方擴(kuò)散時(shí)加重橋面源的污染物質(zhì)量濃度,同時(shí)橋面源由于順時(shí)針的氣流擴(kuò)散到地面加重地面源的污染物質(zhì)量濃度.

圖5 在不同高架橋面源排放對街道峽谷的污染物質(zhì)量濃度的影響Fig.5 The influence of different viaducts polluting source on pollutant mass concentration distribution(a)—算例10;(b)—算例11;(c)—算例12.

2.5 不等高的街道峽谷兩旁的建筑物

為了研究建筑物是否等高對街道峽谷污染物擴(kuò)散的影響,設(shè)計(jì)如下3個算例(見表4).

表4 對不等高街道峽谷模擬的算例Table 4 Simulated cases of street canyons with different height of constructions

如圖6速度矢量場所示,當(dāng)背風(fēng)面建筑高于迎風(fēng)面建筑時(shí),其在高架橋上部形成兩個順時(shí)針的漩渦,在高架橋下部形成一個順時(shí)針漩渦,污染物有助于向街道峽谷外擴(kuò)散,當(dāng)背風(fēng)面建筑低于迎風(fēng)面建筑時(shí),其在高架橋上部形成的兩個順時(shí)針的漩渦明顯比背風(fēng)面建筑高于迎風(fēng)面建筑時(shí)要小,且其在高架橋下方的污染物質(zhì)量濃度要大.

圖6 在兩旁不同建筑物高度對街道峽谷的污染物質(zhì)量濃度與速度矢量場分布影響Fig.6 The influence of different height constructions polluting on pollutant mass concentration distribution and velocity vector of street canyons(a)—算例13;(b)—算例14;(c)—算例15.

3 結(jié) 論

高架橋不利于街道峽谷內(nèi)的空氣流動以及污染物排放,其具體作用表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1) 隨著高架橋高度的升高,其內(nèi)部的空氣流動速度減小,不利于污染物的擴(kuò)散;當(dāng)街道峽谷的高度與建筑物高度相同時(shí),其高架橋下方的污染物質(zhì)量濃度最大,而當(dāng)高架橋高于建筑物高度時(shí),對其峽谷內(nèi)的空氣流動和污染物擴(kuò)散的影響基本可以忽略.

(2) 高架橋的寬度有利于保護(hù)其上方的背風(fēng)面建筑物的污染.當(dāng)高架橋的寬度增加時(shí),氣流逐漸在高架橋上部形成順時(shí)針的漩渦,并隨著其寬度的增加而變大,且高架橋上方背風(fēng)面建筑的污染物質(zhì)量濃度逐漸減小.

(3) 當(dāng)?shù)孛嬗形廴驹磿r(shí),其污染物隨氣流的流動擴(kuò)散到背風(fēng)建筑物上部;當(dāng)?shù)孛婧蜆蛎婢形廴驹磿r(shí),污染物質(zhì)量濃度在地面和橋面均增大;而當(dāng)橋面有污染源時(shí),由于橋面上部形成一個順時(shí)針的漩渦,其污染物在這順時(shí)針漩渦內(nèi)擴(kuò)散,而兩旁建筑物上部的污染物質(zhì)量濃度均較小,因此當(dāng)只有橋面污染源時(shí)對街道峽谷兩旁的建筑物污染最小.

(4) 當(dāng)背風(fēng)面建筑高于迎風(fēng)面建筑時(shí),其空氣在其上部形成一對順時(shí)針的漩渦,且其速度比背風(fēng)面建筑低于迎風(fēng)面建筑的漩渦的速度大,故其在高架橋內(nèi)部的污染物質(zhì)量濃度較低,故可以根據(jù)城市每年實(shí)際的風(fēng)向情況設(shè)計(jì)為背風(fēng)面建筑高于迎風(fēng)面建筑的街道峽谷,使其降低污染物的質(zhì)量濃度,有利于城市的環(huán)保.

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