基于CFD 的不同穩(wěn)定度下污染物擴散研究回顧

何宗武 王漢青

1 南華大學(xué)土木工程學(xué)院

2 建筑環(huán)境氣載污染物治理與放射性防護國家地方聯(lián)合工程研究中心

3 中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院

目前，研究污染物擴散的方法主要有現(xiàn)場實驗，物理（風(fēng)洞和水洞）實驗，（半）經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃陀嬎懔黧w動力學(xué)（CFD）[1]。隨著計算機技術(shù)和計算能力的快速發(fā)展，越來越多的學(xué)者利用CFD 方法對污染物擴散開展了研究。大氣穩(wěn)定度作為影響污染物擴散的典型氣象參數(shù)，為保證研究的準確性，必須對其進行研究。本文綜述了以往學(xué)者基于CFD 方法在不同大氣穩(wěn)定度下污染物擴散方面所做的研究，并討論了這些研究存在的不足，為今后對真實大氣環(huán)境中的污染物擴散研究提供一定的指導(dǎo)。

1 不同穩(wěn)定度下污染物擴散的基本理論

1.1 大氣穩(wěn)定度的概念及判定

傳統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定度常用于氣象學(xué)中，表示氣塊受任意方向擾動后，返回或遠離原平衡位置的趨勢和程度。即空氣微團是否保持在原來的位置，是否趨向于發(fā)生對流[2]。然而，靜態(tài)穩(wěn)定度是衡量浮力對流能力的靜態(tài)指標，僅由局部的垂直溫度分布決定，在大氣邊界層和污染物擴散研究中的應(yīng)用存在局限性[3-4]。為了克服靜態(tài)穩(wěn)定度的不足，大量學(xué)者將動態(tài)穩(wěn)定度的概念應(yīng)用于污染物擴散研究中。動態(tài)穩(wěn)定度主要取決于浮力和風(fēng)，即使空氣處于靜態(tài)穩(wěn)定，同樣可能出現(xiàn)非穩(wěn)定的情況[3-4]。顯然，同時考慮熱力和動力因子的動態(tài)穩(wěn)定度概念更適用于污染物擴散這類動態(tài)過程。許多文獻已經(jīng)對大氣穩(wěn)定度的判定方法進行了介紹[4-6]。中國的大氣污染物排放標準提供了大氣穩(wěn)定度的判定方法[6]。國際原子能署（IAEA）結(jié)合各國的經(jīng)驗，總結(jié)了7 種大氣穩(wěn)定度判定方法[6]。劉強對用于大氣污染物擴散研究中的穩(wěn)定度判定方法進行了概述，幫助研究人員更好的選擇判定方法[7]。另外，大量文獻對比了不同判定方法的差異，研究人員可通過閱讀相關(guān)文獻確定適合的大氣穩(wěn)定度判定方法[8]。要準確判定動態(tài)大氣穩(wěn)定度，需要同時考慮熱力和動力因子的影響。因此，對于不同穩(wěn)定度下污染物擴散的CFD 研究，建議采用理查森數(shù)和莫寧-奧布霍夫長度等熱穩(wěn)定參數(shù)作為大氣穩(wěn)定度的判定依據(jù)。

1.2 不同穩(wěn)定度的煙羽特征

大氣穩(wěn)定度影響煙羽在大氣中的垂直運動，使其在不同大氣穩(wěn)定度下呈現(xiàn)出不同的煙羽特征。在三種典型的穩(wěn)定度條件下煙羽特征呈現(xiàn)波浪型，錐型和扇型，圖1 展示了三種典型大氣穩(wěn)定度下的煙羽特征。不穩(wěn)定條件促進了大氣垂直方向的運動，有利于大氣湍流的產(chǎn)生和發(fā)展，從而導(dǎo)致煙羽的擴散能力增強，呈現(xiàn)出循環(huán)現(xiàn)象。中性條件下湍流不受大氣穩(wěn)定性的促進或抑制，煙羽流在垂直方向具有均勻分布的特點，煙羽形狀類似于圓錐體。在穩(wěn)定條件下大氣在垂直方向的運動被抑制，這種穩(wěn)定度下，煙羽可被輸送到很遠的距離[9]。除了這三種典型的大氣穩(wěn)定度，也可能出現(xiàn)大氣邊界層的上部和下部呈現(xiàn)不同穩(wěn)定度的情況，使煙羽表現(xiàn)出更加復(fù)雜的擴散行為。

圖1 典型大氣穩(wěn)定度下的煙羽特征

1.3 不同擴散尺度的數(shù)值方法

大氣污染物從不同的來源進入大氣，在很大范圍的空間尺度上進行擴散。Blocken[10]等人指出在污染物擴散模擬研究中，空間尺度可以分為全球或大尺度擴散（L＜6500 km）、中尺度擴散（L＜200 km）和微尺度擴散（L＜2 km），并總結(jié)了不同尺度適用的模型。圖2 為不同研究尺度和適用模型的示意圖[10]。對于中尺度和大尺度的模擬研究，由于計算能力、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的限制以及影響因素的不確定性，通?；诜直媛瘦^低的天氣預(yù)報模型和中尺度氣象模型進行。而在微尺度模擬研究中，一般采用具有高分辨率的CFD 方法[11-13]。Leelossy[13]等人指出微尺度的擴散模擬需要求解詳細的流場和濃度場，所以有時微尺度研究所需的計算能力甚至高于中尺度和大尺度研究，這也限制了CFD 適用的空間尺度。幸運的是，隨著計算能力的提升，CFD方法已成功用于更大的空間尺度[14-15]。另外，為了提高微尺度模擬中邊界條件的準確性，部分學(xué)者開展了多尺度的模擬研究，并獲得了更接近真實情況的模擬結(jié)果[16]。

圖2 不同研究尺度和適用模型示意圖

目前，針對不同尺度的污染物擴散，學(xué)者們已經(jīng)提出了相對完善的研究方法。但仍存在一些問題，如：計算能力對模型分辨率的限制、不同尺度之間的耦合、邊界條件的準確性和湍流模型的設(shè)置問題等。

2 不同大氣穩(wěn)定度下污染物的擴散研究

為準確認識污染物的擴散過程，研究人員已經(jīng)利用CFD 技術(shù)進行了大量研究[17-19]，但這些研究很少考慮大氣穩(wěn)定度對污染物擴散影響。事實上，污染物的擴散區(qū)域包括近場和遠場，近場區(qū)域的機械混合降低了穩(wěn)定分層效應(yīng)。為了保證研究結(jié)果的真實性，研究中應(yīng)該考慮大氣穩(wěn)定度的影響[20]。對于遠場以及過渡區(qū)域而言，建筑物對擴散場的影響減小，大氣穩(wěn)定性的影響就變得更加重要[21]。

2.1 污染物在中性穩(wěn)定度下擴散

合理簡化研究對象和條件不但可以有效地降低研究成本，而且能夠直觀的了解主要因素對研究結(jié)果的影響，提高研究的效率。因此，大部分學(xué)者首先進行了污染物在中性條件下擴散的CFD 研究，分別以孤立建筑模型[22]，建筑陣列[23]和街谷模型[24-26]作為研究對象。這類簡化模型保留了真實情況下污染物擴散的主要特征，能夠正確描述污染物擴散的一般規(guī)律。此外，研究人員也對真實模型中的污染物擴散開展了研究。Gousseau 等人[27]利用CFD 研究了中性條件下蒙特利爾市區(qū)某建筑群周圍的污染物擴散，并通過風(fēng)洞實驗驗證了模擬結(jié)果的準確性。董龍翔等人[28]利用FLUENT 分析了中性條件下入流的邊界條件對榆林地區(qū)地面污染源擴散的影響，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場實驗進行對比分析。Lee 等人[29]基于非標準k-ε模型預(yù)測了中性條件下某大樓煙囪排放的污染物擴散情況，并利用示蹤氣體實驗對研究所用的湍流模型進行了驗證。

隨著社會工業(yè)化進程的加快，污染物擴散的CFD研究不再局限于城市區(qū)域，工業(yè)區(qū)域的污染也成為了當(dāng)前研究的重點。秦超等人[30]利用CFD 方法模擬了中性大氣層結(jié)條件下核電廠的煙羽分布，并將CFD 模擬結(jié)果與經(jīng)典理論結(jié)果相對比，驗證了CFD 方法在工業(yè)研究中的有效性。在此基礎(chǔ)上，部分學(xué)者開展了工業(yè)區(qū)域的污染物擴散研究。Toja-Silva 等人[31-32]利用OpenFOAM 研究了慕尼黑城市上空的CO2擴散后，進一步對比分析了通用建筑模型與真實城市的模擬結(jié)果。Wu 等人[33]基于CFD 方法預(yù)測污染物擴散，為工業(yè)廠區(qū)制定應(yīng)急方案提供了一定的指導(dǎo)。這些研究證明了CFD 技術(shù)在大氣污染物擴散研究的可靠性，為CFD 在大氣污染物研究中的應(yīng)用提供了更多的研究思路。

需要注意的是，中性穩(wěn)定度下的研究忽略了溫度的影響，這種簡化可以較好地重現(xiàn)中性穩(wěn)定度下污染物的擴散規(guī)律，幫助人們更好地開展中性穩(wěn)定度下污染物擴散的CFD 研究。在采用位溫作為研究溫度時，溫度層結(jié)與大氣穩(wěn)定度之間存在直接的對應(yīng)關(guān)系。此時，中性條件即為等溫層結(jié)。

2.2 污染物在非中性穩(wěn)定度下擴散

真實的大氣環(huán)境并非只有中性穩(wěn)定度，而是在中性與非中性穩(wěn)定度之間不斷轉(zhuǎn)化，其中，非中性穩(wěn)定度包括了穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩類。穩(wěn)定條件抑制了大氣在垂直方向的運動，從而降低了流動中的湍流擴散，污染物受平流影響可傳播至較遠的區(qū)域。在不穩(wěn)定條件下，由于湍流擴散增強，污染物在近場的影響范圍增大，但長距離傳播能力明顯減弱，以往的研究也說明了這一現(xiàn)象[34-35]。

目前，引起非中性大氣穩(wěn)定度的原因主要分為兩類：①地面和建筑表面熱量（局地?zé)釋咏Y(jié)）；②入口流場的熱分層（總體熱層結(jié)）[36]。局地?zé)釋咏Y(jié)對穩(wěn)定度的影響遠小于總體熱層結(jié)，所以在局地?zé)釋咏Y(jié)研究中，研究人員通常假設(shè)入流邊界條件的溫度恒定。而在進行總體熱層結(jié)研究時，則無需考慮局地?zé)釋咏Y(jié)對穩(wěn)定度的影響。圖3 列舉了局地?zé)釋咏Y(jié)和總體熱層結(jié)的示意圖。

圖3 局地?zé)釋咏Y(jié)和總體熱層結(jié)的示意圖

2.2.1 局地?zé)釋咏Y(jié)對污染物擴散的影響

局地?zé)釋咏Y(jié)對污染物擴散的影響主要集中在模型范圍較小的研究中，重點研究了不同的配置對污染物擴散造成的影響。對街谷模型而言，如果對迎風(fēng)面進行加熱，則迎風(fēng)面附近的墻角處會出現(xiàn)二次再循環(huán)現(xiàn)象，導(dǎo)致污染物被困在地面附近，從而增加污染物濃度[37]。為了進一步明確局地?zé)釋咏Y(jié)對污染物擴散的影響，人們對研究模型的不同配置進行了研究。

Mei 等人[38]和Madalozzo 等人[39]針對多種街道配置與多種壁面加熱配置，研究了不同熱分層對街谷內(nèi)流場和污染物擴散的影響。Tan 等人[40]采用不均勻街道加熱的配置研究了地表溫度日變化對街道峽谷流場和污染物擴散的影響，結(jié)果與均勻街道加熱相比有顯著改善。Boppana 等人[41]和Shen 等人[20]以建筑陣列為研究對象，分析了加熱的地面對流動和污染物擴散的影響。此外，Shen 還指出機械混合降低了穩(wěn)定度對污染物擴散的影響，但仍然能夠觀察到穩(wěn)定條件導(dǎo)致了污染物的混合能力降低。Reiminger 等人[42]利用OpenFOAM 研究了風(fēng)速與大氣穩(wěn)定度共同作用下隔音障的污染物除去率（CRR），發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定條件下的CRR最大。結(jié)果表明對道路而言，穩(wěn)定條件減少了道路上的污染積累。此類熱層結(jié)現(xiàn)象廣泛存在于人們的日常生活中，如：小區(qū)，道路，學(xué)校等。因此，在研究中考慮局地?zé)釋咏Y(jié)，可幫助設(shè)計者進行更好的城市規(guī)劃[43]，減少污染物的危害。

上述研究表明，在局地?zé)釋咏Y(jié)研究中，不同的加熱配置所導(dǎo)致的污染物擴散現(xiàn)象存在明顯差異，在之后的局地?zé)釋咏Y(jié)研究中需要考慮更多的加熱配置，如：建筑側(cè)面加熱，表面熱量隨時間的變化，不同下墊片類型等。

2.2.2 總體熱層結(jié)對污染物擴散的影響

正如Xie[44]所述，在研究入口流場熱層結(jié)對污染物擴散的影響時，局地?zé)岱謱拥挠绊懲ǔ@得不太重要。一般在入流邊界上添加不同的溫度廓線，地面以及建筑表面則一般設(shè)置為絕熱條件?？傮w熱層結(jié)的現(xiàn)有研究中，入流邊界溫度廓線的確定方法主要有三類：①莫寧-奧布霍夫相似理論。②擬合真實的測量數(shù)據(jù)。③恒定的垂直溫度梯度。Guo 等人[45]基于莫寧奧布霍夫相似理論，研究了不同的大氣穩(wěn)定度對單個立方體建筑屋頂污染物擴散的影響。結(jié)果表明，穩(wěn)定條件抑制了氣流的垂直運動，增加了水平傳播，導(dǎo)致接近地表的污染物濃度水平高于不穩(wěn)定和中性條件下的濃度水平。Guo 等人[46]進一步以建筑陣列為研究對象進行研究，并獲得了一致的結(jié)果。圖4 展示了不同穩(wěn)定度下污染物的濃度分布。另外，Xie 等人[44]還基于DAPPLE 項目中擬合的入流溫度廓線，研究了入口流場的熱分層對湍流和污染物擴散的影響。

圖4 不同大氣穩(wěn)定度下污染物的濃度分布（y/H=0）

與中性條件相同，非中性條件下街道和工業(yè)廠區(qū)的污染物擴散同樣受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。Steffens等人[47]和Gong 等人[48]對不同穩(wěn)定度條件下隔音障對污染物擴散的影響，采用CFD 方法模擬了不同來流穩(wěn)定度下隔音障周圍的污染物擴散情況，并進行了實驗驗證。另外，Chang 等人[49]和Guo 等人[50]利用CFD 方法模擬了不同穩(wěn)定度對山丘周圍的流場與污染物擴散的影響。表明了不同大氣穩(wěn)定度下復(fù)雜地形周圍的氣流和污染物擴散的研究是不可或缺的。對于工業(yè)區(qū)域的污染物擴散研究，研究人員多采用恒定的垂直溫度梯度來確定入流的溫度廓線[34，40-44]。Wee 等人[34]和Velamati 等人[51]利用CFD 分別研究了不同大氣溫度梯度對單煙道和多煙囪羽流擴散的影響。Kozic 等人[52]利用FLUENT 模擬了不同大氣穩(wěn)定度條件下Kostolac B 發(fā)電廠的煙囪污染物擴散情況，研究中出現(xiàn)扇形，熏蒸形和環(huán)形三種典型煙羽形狀。最近，Issakhov 等人[53]以火電廠為研究對象，模擬了三種不同的溫度梯度下污染物的擴散。由于穩(wěn)定的大氣穩(wěn)定度在工業(yè)風(fēng)險評估中經(jīng)常產(chǎn)生最大的危險距離，所以對工業(yè)區(qū)域的研究一般更關(guān)注穩(wěn)定條件的大氣邊界層[54]。

綜上所述，不同大氣穩(wěn)定度下污染物擴散的研究已經(jīng)涉及了孤立建筑、街谷模型、建筑陣列、山丘、公路和真實城市模型等眾多模型（如圖5 所示），但還未發(fā)現(xiàn)針對核電廠放射性流出物的相關(guān)研究。另外，同時考慮局部熱層結(jié)和總體熱層結(jié)的污染物擴散研究相對較少，之后可對此展開更深入的研究。

圖5 不同研究模型的示意圖

3 總結(jié)與展望

不同穩(wěn)定度下污染物擴散的CFD 研究主要包括中性和非中性穩(wěn)定度，非中性穩(wěn)定度下的研究又分為局地和總體熱層結(jié)對污染物擴散的影響兩類。目前一般僅針對其中一類影響進行研究，后續(xù)研究中還需要重點關(guān)注兩者對污染物擴散的共同影響。另外，需要注意，CFD 的研究結(jié)果要與可靠的實驗數(shù)據(jù)同時使用，以保證研究結(jié)果的準確性。

目前不同大氣穩(wěn)定度下污染物擴散的CFD 研究中需要關(guān)注的一些問題有：

1）開展不同大氣穩(wěn)定度下污染物擴散的實驗研究，通過現(xiàn)場實驗和物理實驗獲得不同穩(wěn)定度下污染物擴散的真實數(shù)據(jù)，為CFD 研究提供可靠驗證數(shù)據(jù)。

2）完善多尺度污染物擴散研究中存在的不足，包括計算能力與分辨率的限制、多尺度的耦合和微尺度湍流模型的適用性等。

3）研究適用于非中性條件的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如：加熱配置、速度廓線、溫度廓線、施密特數(shù)等，使CFD研究結(jié)果能夠更好的反映真實規(guī)律。

4）以真實模型為研究對象進行相關(guān)研究，對比分析通用模型與真實模型之間的差異，探究更加合理的模型簡化方法。