華中科技大學建筑與城市規劃學院 楊東帥 陳宏
摘 要:對于城市街道峽谷內污染物擴散研究,應用計算流體力學(CFD)軟件FLUENT,采用標準k-?模型對街道峽谷內的氣流運動和污染物擴散進行了數值模擬。當來流風速、風向相同時,建筑物對風具有阻擋作用,建筑周圍產生的局部湍流對污染物的擴散有控制作用。本文重點對比分析街道峽谷內建筑高低排布及屋頂形式對相鄰街谷污染物擴散的影響。計算表明,通過對沿街建筑高低排布和屋頂形式可以改變自然通風,從而改善建筑周圍產生湍流和風速較低的地方,有效促進污染物的擴散和降低濃度。模擬結果對于沿街建筑規劃排布設計及改善人居環境具有一定參考價值。
關鍵詞:FLUENT;相鄰街谷;污染物擴散;建筑形態;數值模擬
基金項目:國家自然科學基金重點項目城市形態與城市微氣候耦合機理與控制(51538004)。
0 引言
隨著居民擁有機動車數量的增加,尾氣污染物的排放量就大,機動車排放的大量有害污染物在街道峽谷內積聚,擴散不出去,嚴重影響著出行者的健康。人們對于污染物的關注也大多集中在街道峽谷內部,而忽視了與街道峽谷相鄰的街區,才是更加直觀的人群滯留活動區域。為了更深入地改善人居環境,人們需要對街區內以人行為主的相鄰街道峽谷內的污染物擴散規律和濃度分布特征進行深入了解。從沿街建筑形態來研究相鄰街道峽谷內部流場及污染物擴散規律,對于切身改善城市居民的生活環境,具有十分重要的意義。
1 數值模擬
1.1 計算區域和邊界條件
1.1.1 計算區域
本研究如下外形的城市街道峽谷物理模型(圖1所示)內的氣流運動和污染物擴散進行了模擬,其中由六棟建筑物組成的五個依次相連且相互平行的街道峽谷。試驗中對街道峽谷中考慮了三種建筑排布形式:一種是平齊排布的平頂建筑;另兩種分別為南低北高,南高北低排布的平頂建筑。污染源如圖1所示,圖中均以米(m)為單位。圖2是不同頂部建筑物構成的街道峽谷示意圖。使用二維計算域與風流量方向假定它垂直于街道峽谷。計算域為1000×1500m,模型邊緣距離為入口區域5H,出口區域為10H,上部區域為5H。
圖1 城市街道峽谷結構圖
1.1.2 邊界條件
計算主要圍繞圖2所示的典型街道結構,計算的邊界條件如下:
圖 2 典型街道結構圖
(1)入口風速取屋頂的來流風速,垂直風速與污染物濃度在進口邊界上取為0,在出口邊界上采用完全發展出流邊界條件;
(2)在自由邊界上設定對稱邊界條件,氣流垂直速度分量與其他變量的法向導數為0;
(3)在固體壁面上,氣流采用無滑移條件;
(4)街道路面除去人行道均設置為線性污染源[1]。
2 結果及分析
2.1 數值模擬案例設置
本類型研究建立了三組布置方式相同但高度不同的Case,均選取圖中紅色區域(即中心街谷相鄰街道)進行污染物濃度對比。
表1 基本案例設置
圖 3 Case對比區域示意圖
表2 模型示意圖
2.2 數值模擬結果分析
(1)風速風向與CO濃度結果分析——平屋頂
本研究所有Case在1.5m高度的CO濃度標量圖如圖4所示,各圖為上北下南方向放置,初始風向設定為南風,即風從各圖中正下方流入。
圖4 第1~6組Case的CO濃度擴散水平分布,Z=1.5m
圖5 第1~6組Case的CO濃度擴散垂直分布
由以上各圖可得出,CO濃度分布與風速風向密切相關,其中相鄰街道CO濃度分布Case1的濃度總體最小,Case6的濃度總體最大。相比來說,Case2,Case5濃度分布分別比Case3,Case6的整體濃度小,是因為沿街建筑從低到高變化,后排高的建筑對通風起到一定的阻擋作用,使得中心街谷內部形成較強的順時針渦流,導致CO污染物堆積在中心街谷下部[2]。Case2,Case5中心街谷的流場改變導致相鄰街谷內的流場也相應發生變化,順時針渦流在相鄰街谷中下部位抬升到街谷上方屋頂部位,相鄰街谷下部渦流循環較弱,相鄰街谷CO污染物有所堆積,但受到污染物擴散的影響較小。與Case2相比,Case5由于坡屋頂的建筑形式,相鄰街谷風場爬升明顯,污染物向后排街區的擴散趨勢加強,因此Case5比Case2污染物濃度要高。反觀Case3,Case6由于沿街建筑高度較高,迎風面積大,阻擋了風的流入使得入口風速減小,CO聚集在中心街道峽谷之間,而沿街建筑下風向降低導致迎風面積減小,風從建筑上方流出,在相鄰街谷中形成較強的順時針渦流,使得相鄰街谷內的CO擴散隨著渦流循環遍布整個相鄰街谷,導致相鄰街谷的CO濃度偏高。
(2)CO濃度豎向梯度結果分析
表3列出了六組案例的比較區域在各個高度上的CO平均濃度值及整體平均濃度值。
表3 各組Case比較區域的平均濃度值
圖6顯示了各組Case之間的CO濃度豎向梯度對比。
圖6 第一組、第二組、第三組Case的CO濃度豎向梯度
圖6比較分析了各組Case比較點CO濃度的豎向梯度變化,可以看出:
(1)各Case的CO濃度趨勢一致,即隨高度上升濃度逐漸降低。
(2)當高度小于10m時,Case1由于中心街谷的內部流場較強,沿街建筑對于相鄰街區的阻擋影響較大,難以擴散到相鄰街區,導致CO都聚集在中心街谷內,以致相鄰街谷人行高度范圍內CO濃度是最小的;Case2,Case5在人行高度范圍內的CO濃度分別高于Case1,Case4。Case3,Case6相鄰街谷內的CO濃度一直很高,但隨著高度上升,濃度逐漸降低。
(3)10m高度以上時,Case1在街谷的中部位置時,污染物的濃度有所上升,比Case2、Case4、Case5濃度都要高。
3 結論
結果顯示,改變沿街建筑高度和屋頂形狀對于相鄰街道峽谷內的流場有顯著的影響,污染物擴散會發生變化。因此,建筑物頂部結構和高度是影響相鄰街道峽谷內流場及污染物擴散的重要因素[3]。
沿街建筑的高低變化使得相鄰街區內部的擴散有所變化,其中上風向至下風向建筑高度升高的空間組合方式,使得相鄰街道內CO擴散較快,濃度較低。
沿街建筑的屋頂變化使得相鄰街區內部的擴散有所變化,坡屋頂對于街道峽谷的風場有直接的改善作用,對污染物有著明顯的加強擴散作用,但是會使得中心街道峽谷的污染物擴散到相鄰街谷中,使得相鄰街谷會產生污染物的影響,但是濃度是否符合人體標準,還有待探究,在不犧牲中心街谷的前提下坡屋頂是比較有利于污染物擴散的布局形式。
參考文獻
[1] 陳宗芳,王亮,傅強.城市街道峽谷不同形狀建筑物對污染物擴散影響的數值模擬[J].中國計算力學大會論文.2010(08).
[2] Mohamed F. Yassin. Impact of height and shape of building roof on air quality in urban street canyons. Atmospheric Environment, Volume 45, Issue 29, September 2011, Pages 5220–5229.
[3] 謝曉敏,黃震,王嘉松.建筑物頂部形狀對街道峽谷內污染物擴散影響的研究[J]. 空氣動力學學報. 2005(03).
備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2017年5月刊總第5期。
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