高層建筑污染物室外擴(kuò)散的CFD 模擬研究

肖小野 李瑞彬 高乃平

1 同濟(jì)大學(xué)基建處

2 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

0 引言

本文通過對某生科大樓的樓頂污染物排放在上海典型氣象條件（夏季東南風(fēng)和冬季西北風(fēng)）下的擴(kuò)散過程進(jìn)行CFD 模擬，通過對生科大樓及周邊環(huán)境的模型建立、計(jì)算域的合理選取、邊界條件的合理設(shè)定，分析生科大樓周圍的污染物擴(kuò)散與排放源濃度、建筑方案、周邊環(huán)境的關(guān)系，為相似建筑物的規(guī)劃布局與設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考，為動(dòng)物房的建設(shè)選址與運(yùn)行維護(hù)提供污染物排放控制方面的理論依據(jù)。

1 工程概況

上海市某生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合樓，塔樓高度100 m，模式動(dòng)物中心設(shè)在在地下三層。因場地周邊建筑物密集，且南側(cè)有居民住宅，模式動(dòng)物中心的污染物排放對周邊環(huán)境影響是否可接受，成為項(xiàng)目立項(xiàng)的關(guān)鍵問題。項(xiàng)目區(qū)位及效果圖如圖1 所示。

圖1 項(xiàng)目區(qū)位及效果圖

2 模型及計(jì)算工況

2.1 CFD 模擬計(jì)算域的選取

不同于室內(nèi)環(huán)境的模擬，建筑室外空間是一個(gè)無限大的大氣空間，除了地面是真實(shí)的物理邊界，其余不存在真實(shí)的物理邊界來圍合形成一個(gè)閉合的流域，因此需要人為地建立一個(gè)虛擬的閉合空間作為流體的計(jì)算區(qū)域。由于氣流通過建筑在計(jì)算域內(nèi)流動(dòng)時(shí)，建筑所在的區(qū)域過流斷面面積減小，若計(jì)算域過小，氣流通過建筑主體區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的加速效果?？上攵?jì)算域取得越大，計(jì)算越符合真實(shí)情況，但過大的計(jì)算域會(huì)造成不必要的計(jì)算量，浪費(fèi)計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間。

基于敏感性測試，各類導(dǎo)則中定義計(jì)算域大小的方式有以下三種：1）該處建筑或城市區(qū)域到各計(jì)算域邊界的最小距離（表1）。2）給出允許的最大阻塞比。3）同時(shí)給出計(jì)算域邊界距離和阻塞比兩項(xiàng)要求，取其中尺寸較大的一種方案。阻塞比是從風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中發(fā)展出來的概念，是指建筑在橫截面上的投影面積與整個(gè)計(jì)算域的過流橫截面面積之比。各類導(dǎo)則中對阻塞比的最大值要求均在3～5%之間，AIJ 和COST 導(dǎo)則對阻塞比的要求均是小于3%，Liu[1]也指出對于計(jì)算域的高度，阻塞率應(yīng)低于3%，四個(gè)水平方向上的邊界層應(yīng)至少保持5 勻的距離，以便在尾流區(qū)域后方建立真實(shí)的流動(dòng)。

表1 AIJ[2]與COST[3-4]中計(jì)算域邊界到建筑邊界的距離要求

Meroney[5]實(shí)驗(yàn)中的開放街道峽谷計(jì)算域如圖2所示，研究發(fā)現(xiàn)街道峽谷前面的距離A 的選取對街道峽谷內(nèi)污染物濃度分布影響較大，為保證來流的充分發(fā)展，其值不能太小。當(dāng)距離A ≥3 勻、B≥3 勻和C≥8 勻時(shí)，計(jì)算域的選取為不影響街道峽谷內(nèi)污染物濃度的分布。對于城市街道峽谷，將計(jì)算域簡化為如圖3所示。

圖2 開放街道峽谷計(jì)算域

圖3 城市開放街道峽谷計(jì)算域

陳亞洲[6]通過對東風(fēng)、東南風(fēng)和東北風(fēng)3 種風(fēng)向下南京某小區(qū)內(nèi)的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，并對小區(qū)的風(fēng)環(huán)境品質(zhì)進(jìn)行了評估，其計(jì)算區(qū)域的下游區(qū)取小區(qū)寬度的4 倍，高度取最高建筑的3 倍，采用速度進(jìn)口，給定邊界層規(guī)律的梯度風(fēng)，計(jì)算域的兩個(gè)側(cè)面和頂面采用對稱邊界條件，將地面和建筑物設(shè)置為固體壁面邊界，并使用無滑移邊界條件，出口為壓力出口，設(shè)置為環(huán)境壓力。

上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DB31/T922-2015《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)程》[7]中指出，風(fēng)環(huán)境和自然通風(fēng)模擬的計(jì)算域應(yīng)參照模擬對象的特征尺寸確定（如圖4 所示），應(yīng)保證計(jì)算域的獨(dú)立性，以不影響模擬對象的計(jì)算結(jié)果為基本原則。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，計(jì)算域水平方向的長和寬應(yīng)在模擬對象各方向延伸4 勻～6 勻，垂直方向高度應(yīng)在3 勻～6 勻，其中，特征尺寸為計(jì)算域最高建筑的高度勻。

圖4 建模域與計(jì)算域的確定原則示意圖

本次模擬依據(jù)上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DB31/T922-2015《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)程》確定建模域與計(jì)算域如圖5 所示，其中垂直方向上高度取4 勻（其中勻?yàn)樘卣鞒叽?，本文取對象建筑群中室外最高建筑高度作為特征尺寸，?00 m）。

圖5 室外污染物擴(kuò)散CFD 模擬計(jì)算域

2.2 三維模型的建立

依據(jù)上面確定的計(jì)算域原則，建立三維模型并進(jìn)行網(wǎng)格處理，如圖6～8 所示。

圖6 三維模型圖

圖7 計(jì)算域面網(wǎng)格

圖8 生科大樓與污染物排放源處網(wǎng)格

三維模型網(wǎng)格數(shù)為2837 萬。上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DB31/T922-2015《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：距離地面1.5 m 高度內(nèi)縱向網(wǎng)格不應(yīng)小于3 格。在本模擬中，0～3 m 有10 層網(wǎng)格，網(wǎng)格間距為0.3 m。

2.3 邊界條件的設(shè)置

2.3.1 入口邊界條件設(shè)置

室外風(fēng)、熱環(huán)境模擬的基礎(chǔ)邊界條件為室外風(fēng)速、風(fēng)向和室外溫度，需要根據(jù)項(xiàng)目目的地的實(shí)測值以及模擬目的確定基礎(chǔ)邊界條件，室外風(fēng)環(huán)境基礎(chǔ)邊界條件如表2 所示。

表2 室外風(fēng)環(huán)境基礎(chǔ)邊界條件

高度方向上風(fēng)速按照“指數(shù)定律”設(shè)定具有梯度特征的風(fēng)速邊界條件，如式（1）所示。

式中：V-高度為Z 處的風(fēng)速，m/s；V0-基準(zhǔn)高度Z0處的風(fēng)速，m/s，上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DB31/T 922-2015《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)程》中取10 m 處的風(fēng)速；a-底面粗糙度指數(shù)。

地面粗糙度指數(shù)按照如下方式進(jìn)行確定：上海內(nèi)環(huán)線以內(nèi)：0.30；上海外環(huán)線和內(nèi)環(huán)線之間：0.22；上海外環(huán)線以外：0.15；外環(huán)線以外的例外情況：郊區(qū)、郊縣的城鎮(zhèn)中心，且目標(biāo)建筑（群）周邊500 m 范圍內(nèi)綠地或農(nóng)田面積占比≤50%：0.22。

本文模擬的生科大樓位于上海市內(nèi)環(huán)線以內(nèi)，因此CFD 模擬計(jì)算時(shí)，地面粗糙指數(shù)取0.30。風(fēng)廓線如圖9 所示。

圖9 風(fēng)廓線

2.3.2 污染物排放源處邊界條件設(shè)置

室外風(fēng)、熱環(huán)境模擬的基礎(chǔ)邊界條件為室外風(fēng)速、風(fēng)向和室外溫度，需要根據(jù)項(xiàng)目目的地的實(shí)測值以及模擬目的確定基礎(chǔ)邊界條件，高度方向上風(fēng)速按照“指數(shù)定律”設(shè)定具有梯度特征的風(fēng)速邊界條件。污染物種類設(shè)置為氨氣（NH3），污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為2×10-6（即2.545 mg/m3）。污染物豎直向上散發(fā)，邊界條件設(shè)置為速度入口（Velocity-inlet），風(fēng)速根據(jù)設(shè)計(jì)工況設(shè)置為1.433 m/s。

計(jì)算域內(nèi)的建筑物邊界條件設(shè)置為Wall，計(jì)算域的側(cè)面以及頂部設(shè)置為Symmetry 邊界條件。夏季和冬季模擬工況除了入口邊界風(fēng)向不同外，其余設(shè)置均相同。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 污染物散發(fā)源處流線圖

由夏季污染物散發(fā)源處流線圖（如圖10 所示）可以看出，在建筑背風(fēng)側(cè)形成了較大的回流區(qū)，氣流會(huì)自上而下運(yùn)動(dòng)。由于存在回流區(qū)，會(huì)使得樓頂排放的污染物被帶到下部區(qū)域。同時(shí)，在室外風(fēng)的作用下，污染物隨氣流運(yùn)動(dòng)到下游區(qū)域，使得下游區(qū)域污染物濃度較高。冬季西北風(fēng)向的下游區(qū)域建筑較多，在該區(qū)域建筑群內(nèi)存在渦流，可能會(huì)導(dǎo)致污染物在建筑單體之間聚集（如圖11 所示）。

圖10 污染物散發(fā)源處流線圖(夏季)

圖11 污染物散發(fā)源處流線圖(冬季)

ASHRAE Handbook 中指出，當(dāng)來流風(fēng)吹至建筑迎風(fēng)面時(shí)會(huì)分成三個(gè)區(qū)域[8]，如圖12 所示。一是在建筑高度1/2 至2/3 的地方形成一個(gè)滯止區(qū)，此區(qū)域內(nèi)氣流方向與建筑立面垂直。二是滯止區(qū)以上自下而上的氣流。三是滯止區(qū)以下自上而下的氣流，且在建筑底部會(huì)形成渦流。在建筑的背風(fēng)側(cè)，會(huì)形成一個(gè)較大的回流區(qū)，氣流會(huì)自上而下運(yùn)動(dòng)。

圖12 方形鈍體周圍的氣流組織[8]

3.2 不同維度污染物濃度模擬結(jié)果

3.2.1 Z=1.5 m 截面處污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

由于在建筑的背風(fēng)側(cè)存在較大的回流區(qū)，會(huì)使得氣流自上而下運(yùn)動(dòng)，樓頂排放的污染物會(huì)被帶到建筑下部區(qū)域，并隨室外風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)到下游區(qū)域（如圖13中的黃色圓圈所示），使得下游區(qū)域污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。Z=1.5 m 截面屬于室外人員活動(dòng)的高度，該截面上污染物最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8×10-10，污染物在隨氣流運(yùn)動(dòng)過程中被稀釋了約2500 倍。

圖13 Z=1.5 m 截面污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化云圖

3.2.2 X=800 m 截面處污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的云圖(夏季工況)

X=800 m 截面位于某高校校區(qū)內(nèi)，截面上污染物最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8×10-10，污染物在隨氣流運(yùn)動(dòng)過程中被稀釋了約2500 倍（圖14）。

圖14 X=800 m 截面污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化云圖

3.2.3 X=1200 m 截面處污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的云圖(冬季工況)

X=1200 m 截面位于生科樓附近居民區(qū)內(nèi)，該截面上的污染物最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7×10-10，污染物在隨氣流運(yùn)動(dòng)過程中被稀釋了約2850 倍（圖15）。

圖15 X=1200 m 截面處污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化云圖

4 討論

上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DB311025-2016《惡臭（異味）污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對惡臭（異味）特征污染物排放限值（如表3 所示）與周界監(jiān)控點(diǎn)惡臭（異味）特征污染物濃度限值（如表4 所示）進(jìn)行了規(guī)定。

表3 惡臭(異味)特征污染物排放限值[9]

表4 周界監(jiān)控點(diǎn)惡臭(異味)特征污染物濃度限值[9]

模擬結(jié)果顯示，在建筑的背風(fēng)側(cè)存在較大的回流，污染物從排放源排出后會(huì)被氣流帶到建筑背風(fēng)側(cè)的下部區(qū)域，并隨氣流運(yùn)動(dòng)到來流風(fēng)的下游區(qū)域，污染物到達(dá)下游區(qū)域后最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有8×10-10（即1.02×10-3mg/m3），被稀釋了約2500 倍。

當(dāng)污染物以最高排放濃度30 mg/m3排放時(shí)，到達(dá)下游居住區(qū)的污染物濃度可以被稀釋到0.012 mg/m3，而人對氨氣的嗅覺閾值為0.5～1 mg/m3。因此，上海典型風(fēng)向（夏季東南風(fēng)和冬季西北風(fēng)）下游區(qū)域居住區(qū)內(nèi)的居民聞不到臭味。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目通過CFD 模擬方法對該大樓污染物室外擴(kuò)散過程進(jìn)行了研究，得到以下主要結(jié)論：室外污染擴(kuò)散過程模擬結(jié)果顯示，當(dāng)動(dòng)物房以最高允許排放濃度排放污染物時(shí)，污染物到達(dá)居住區(qū)的濃度被稀釋到0.012 mg/m3，而對應(yīng)人對氨氣的嗅覺閾值為0.5～1 mg/m3。因此，本項(xiàng)目中上海典型風(fēng)向（夏季東南風(fēng)/冬季西北風(fēng)）下游區(qū)域居住區(qū)內(nèi)的居民聞不到臭味。

通過對污染物室外擴(kuò)散的CFD 模擬，大樓建設(shè)方可對動(dòng)物房的規(guī)劃決策有更明確的方向，對將來交付使用后的社會(huì)效益及環(huán)境效益有積極作用。