城市街谷內(nèi)空氣流動與污染物擴(kuò)散規(guī)律探討
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：鄭曉蒙
城市街谷內(nèi)空氣流動與污染物擴(kuò)散的研究對城市空氣污染防治、減少居民在高污染環(huán)境下的暴露等都有著重要的意義，因此受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。Zhang等分析在中國城市化進(jìn)程中通過城市規(guī)劃改善城市空氣質(zhì)量，而城市街谷內(nèi)污染物的分布與擴(kuò)散就是問題關(guān)注的重點(diǎn)。
現(xiàn)場觀測、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬是研究城市街谷內(nèi)空氣流動和污染物擴(kuò)散規(guī)律常用的3種方法。當(dāng)背景風(fēng)場的來流方向與街谷走向的夾角接近900時，街谷內(nèi)流場受街谷形狀因子（建筑物高度與街谷寬度的比值）的影響顯著，當(dāng)形狀因子較大時，街谷內(nèi)出現(xiàn)孤立的漩渦流場，稱為掠流情形。此時街谷內(nèi)污染物隨漩渦流場在街谷內(nèi)循環(huán)，向街谷外部擴(kuò)散的效率很低，因此掠流情形被學(xué)者們重點(diǎn)研究。除形狀因子外，背景來流方向，建筑布局與結(jié)構(gòu)，灌木綠化，行駛車輛等也是影響街谷內(nèi)污染物擴(kuò)散的重要因素。
街谷內(nèi)的行駛車輛不僅是街谷內(nèi)污染物的主要制造者，還是影響街谷內(nèi)空氣流動的主要因素，尤其在街谷的底部。Qin等在現(xiàn)場觀測中發(fā)現(xiàn)，車輛誘導(dǎo)的空氣流動能影響街谷底部高達(dá)12 m的范圍。Ahmad等風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)街谷頂部風(fēng)速較小時，行駛的車輛能明顯減小街谷內(nèi)污染物濃度。KastnerKlein等應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ絎inOSPM模擬街谷內(nèi)污染物分布時，發(fā)現(xiàn)在微風(fēng)條件下模擬結(jié)果很差，并認(rèn)為這與沒有考慮行駛車輛誘導(dǎo)的湍流有關(guān)。因此，
Solazzo等在WinOSPM中引入車輛誘導(dǎo)湍流參數(shù)化模式，模擬結(jié)果有很大改進(jìn)。Solazzo等還發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與車輛誘導(dǎo)湍流的參數(shù)化形式有非常敏感的相關(guān)性�？紤]到真實(shí)環(huán)境下交通狀況的復(fù)雜性，包括單雙向車流、多車道、車速等，對車輛誘導(dǎo)湍流的參數(shù)化是一項(xiàng)困難的工作。目前常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ街袑π旭傑囕v誘導(dǎo)流動與湍流的參數(shù)化模式通�；趥�別現(xiàn)場觀測或數(shù)值模擬的結(jié)果，推廣性較差，需要根據(jù)行駛車輛誘導(dǎo)流動和湍流的機(jī)理，提出基于物理過程分析的數(shù)值模式，以適應(yīng)真實(shí)情況下多變的車流情景。因此，對真實(shí)街谷內(nèi)行駛車輛誘導(dǎo)流動的瞬時過程研究成為一個重要問題。
對真實(shí)街谷內(nèi)行駛車輛誘導(dǎo)流動的瞬時過程研究需要跟蹤街谷內(nèi)每一個行駛車輛。Hu等c24傭動網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)對行駛車輛瞬時移動過程的模擬，并分析了車輛周圍壓力的變化，但是計(jì)算量較大。張?jiān)苽サ然诶窭嗜辗椒ㄌ岢鲆环N模擬行駛車輛誘導(dǎo)流動的方法，并分析了真實(shí)街谷內(nèi)行駛車輛對平均流場和湍流的影響。本文將在此拉格朗日模型的基礎(chǔ)上，利
用大渦模擬方法模擬真實(shí)街谷內(nèi)連續(xù)行駛的車流誘導(dǎo)瞬時流場，并對行駛車輛誘導(dǎo)流動的機(jī)理進(jìn)行探討。
1數(shù)值方法與模型
1.1 行駛車輛誘導(dǎo)空氣流動的拉格朗日模型
作者課題組在前期的工作中提出一種基于拉格朗日方法模擬街谷內(nèi)行駛車輛的數(shù)值模型。該數(shù)值模型將每一輛行駛車輛看作一個運(yùn)動顆粒，根據(jù)氣固兩相流理論，當(dāng)顆粒的速度不同于流體速度時，顆粒與流體之間將產(chǎn)生相互作用力。速度高的一方將受到速度低的一方的阻力；而速度低的一方將受到速度高的一方的曳力。曳力與阻力為相互作用力，大小相同，
而方向相反。在通常的氣固兩相流中，流體的速度一般大于顆粒速度，即顆粒受到流體的曳力，而流體受到顆粒的阻力。對于街谷內(nèi)的行駛車輛（顆粒相）和大氣運(yùn)動來說，車輛行駛速度速度在絕大多數(shù)情況下大于街谷內(nèi)氣流風(fēng)速。如果將行駛車輛看作固體顆粒相，此時流體相（空氣）為低速方，即流體相受到車輛（顆粒）的曳力作用。
如圖1所示，在數(shù)值模擬中的任意時間步行駛車輛所經(jīng)過的網(wǎng)格內(nèi)，空氣受到的曳力可表示為：
式(1)中：CD為曳力系數(shù)；FD，i為空氣在i方向受到的曳力；A為當(dāng)前網(wǎng)格內(nèi)車輛在垂直i方向上的最大橫截面積；Vh，i為車輛行駛速度在i方向上的分量：ui為i方向上的風(fēng)速。
將式(1)代人動量控制方程的源項(xiàng)內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)對行駛車輛對街谷內(nèi)空氣流動影響的模擬。其中，曳力系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定，取0.33：
上述方法能夠詳細(xì)描述每個車輛在任意時刻的位置和影響范圍。對每個網(wǎng)格而言，其受車輛的影響在時間上是不連續(xù)的；對每個車輛而言，其影響范圍在空間上也是不連續(xù)的。所以該方法能夠描述行駛車輛對街谷內(nèi)瞬時流場的影響。
1.2計(jì)算條件設(shè)置
本文在理想的均勻街谷(AR=I)內(nèi)引入上文所述行駛車輛誘導(dǎo)空氣流動的拉格朗日模型，運(yùn)用大渦模擬方法，模擬城市街谷內(nèi)行駛車輛誘導(dǎo)流動的瞬時流場。本文以西安市常見的雙向4車道街谷情形為例，模擬不同來流風(fēng)速和不同車輛行駛速度下城市街谷內(nèi)空氣流動的時流場。4車道對稱集中分布在街谷中心區(qū)域，車輛模型的長、寬、高的比為4:2.5:2。車輛寬度(Wv)與街谷寬度(W)的比值為1:15。計(jì)算區(qū)域高為3倍建筑高度(H)，展向長度為2倍建筑物高度。
數(shù)值模擬中，假設(shè)車輛等間距地駛?cè)胗?jì)算區(qū)域，并且在4車道上平均分布。在假定總車流量的情況下(1 800 veh/h)，車輛駛?cè)胗?jì)算區(qū)域后在任意時刻的位置可由車輛平均行駛速度確定，從而實(shí)現(xiàn)對任意車輛位置的跟蹤。模擬中，車輛行駛速度分別取9 km/h和36 km/h。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，前者對應(yīng)街谷內(nèi)交通擁擠時車輛的行駛速度，而后者對應(yīng)街谷內(nèi)交通暢通時車輛的行駛速度。在西安市，大多數(shù)市內(nèi)道路限速60 km/h，因此36 km/h分別對應(yīng)街谷內(nèi)車輛處于中速行駛狀態(tài)。
計(jì)算區(qū)域頂部的參考風(fēng)速Uref的值分別取3m/s和10 m/s，表征低來流風(fēng)速和高來流風(fēng)速的情形，所對應(yīng)的雷諾數(shù)(Re=U f-H/v)分別為1.08xl05和3.6xl06。來流的方向與街谷走向垂直，模擬街谷內(nèi)宏觀流場處于掠流的情形。街谷內(nèi)部計(jì)算區(qū)域的離散采用均分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸AxxAyx Az為0.033 3Hx0.033 3Hx0.066 7H。計(jì)算時間步長為0.03 s。邊界條件及控制方程求解可參考文獻(xiàn)，不再贅述。
算例編號及參數(shù)設(shè)置如表1所示，其中算例NVS表示沒有車輛行駛的情形，而算例VS1~VS4為有車輛行駛的情形。
2行駛車輛誘導(dǎo)街谷內(nèi)瞬時流場分析與討論
本文所用方法的合理性和模擬結(jié)果的精確度已經(jīng)在文獻(xiàn)得到驗(yàn)證。下面將重點(diǎn)分析車輛誘導(dǎo)街谷內(nèi)空氣流動的瞬時流場。
2.1街谷橫截面上瞬時流場分析
當(dāng)來流與街谷走向接近垂直時，街谷內(nèi)流場處于掠流情形，流場特征分析通常取在垂直于街谷走向的任一橫截面上。在街谷內(nèi)沒有行駛車輛時，街谷內(nèi)空氣流動呈現(xiàn)出環(huán)流漩渦，如圖2所示。該環(huán)流漩渦是由街谷頂部的強(qiáng)剪切引起，與文獻(xiàn)研究結(jié)果一致。背景來流在迎風(fēng)壁面的上部存在上下分離，在迎風(fēng)壁面附近形成較強(qiáng)的下沖氣流，從而驅(qū)動街谷內(nèi)的空氣環(huán)流漩渦。因此，通常街谷內(nèi)上部的水平氣流速度大于街谷內(nèi)下部的水平氣流速度；迎風(fēng)面的垂直氣流速度大于背風(fēng)面的垂直氣流速度。
圖3所示為t=30 min時刻當(dāng)街谷內(nèi)有行駛車輛情況下街谷橫截面上的瞬時流場分布。與無行駛車輛的街谷內(nèi)流場相比，有行駛車輛的街谷內(nèi)流場的瞬時速度分布發(fā)生明顯變化，通常瞬時風(fēng)速在街谷底部高于街谷上部、背風(fēng)面高于迎風(fēng)面。
街谷頂部的強(qiáng)剪切引起的街谷內(nèi)環(huán)流漩渦強(qiáng)度遠(yuǎn)小于背景來流風(fēng)速，如圖2所示。本文算例的參數(shù)設(shè)置中車輛行駛速度與背景來流風(fēng)速相當(dāng)，如表l所示。因此，當(dāng)街谷內(nèi)有行駛車輛時，行駛車輛的曳力成為街谷內(nèi)空氣流動的主要動力源，街谷內(nèi)典型空氣環(huán)流漩渦的強(qiáng)度相對較弱，而行駛車輛曳力引起的局部空氣流動強(qiáng)度相對較強(qiáng)。行駛車輛的曳力在街谷底部引起的具有較強(qiáng)速度的局部空氣流動，擾亂了街谷內(nèi)典型的環(huán)流風(fēng)場（如圖2所示）。同時，行駛車輛曳力引起的具有較強(qiáng)速度的局部氣團(tuán)受街谷內(nèi)典型空氣環(huán)流漩渦的影響向背風(fēng)面移動，導(dǎo)致街谷內(nèi)底部和背風(fēng)面附近瞬時風(fēng)速比街谷內(nèi)其它位置高。
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在街谷的底部靠近背風(fēng)面的區(qū)域有許多局部的氣流小漩渦，稱為子渦，這些子渦強(qiáng)度比街谷內(nèi)總體空氣環(huán)流強(qiáng)度高，且位置變動范圍大，因此，可以判定這些渦并非由街谷內(nèi)典型空氣環(huán)流漩渦驅(qū)動的拐角區(qū)域二次漩渦，而是行駛車輛誘發(fā)的局部子渦。
本文在算例設(shè)置時假設(shè)車輛保持一定間距勻速行駛，因此行駛車輛能夠誘導(dǎo)穩(wěn)定的局部子渦。無論是圖3所示同一時刻不同算例的模擬結(jié)果，還是如圖4所示同一算例（算例VS2）不同時刻的模擬結(jié)果，都清晰顯示了局部子渦的存在。
2.2街谷底部瞬時流場分析
在不考慮行駛車輛影響的理想街谷內(nèi)，空氣流動由背景來流驅(qū)動的環(huán)流漩渦控制，風(fēng)場強(qiáng)度較弱，如圖2所示。在街谷底部，瞬時流場較弱，但是方向由迎風(fēng)面流向背風(fēng)面，流場較穩(wěn)定，如圖5(a)所示。
行駛車輛將顯著改變街谷底部的風(fēng)場，如圖5(b)所示，其中，黑色的方框指示當(dāng)前時刻街谷內(nèi)行駛車輛的位置，而此時左側(cè)第二車道上的車輛已經(jīng)駛出計(jì)算區(qū)域。在靠近迎風(fēng)面的2個車道（圖5中右側(cè)的2個車道）區(qū)域，行駛車輛曳力引起顯著的沿y正方向的水平氣流，氣流的速度遠(yuǎn)高于街谷內(nèi)主環(huán)流漩渦在街谷底部的強(qiáng)度。而在靠近背風(fēng)面的2個車道（圖5中左側(cè)的2個車道）區(qū)域，行駛車輛曳力引起沿y負(fù)方向的水平氣流。相比而言，右側(cè)2車道行駛車輛引起水平氣流強(qiáng)度更大，影響區(qū)域更連續(xù)。原因在于，廳駛車輛曳力引起的具有較強(qiáng)速度的局部氣團(tuán)受街谷內(nèi)典型空氣環(huán)流漩渦的影響向背風(fēng)面移動，因此左側(cè)2車道行駛車輛曳力引起的水平氣流受右側(cè)車輛的影響而失去連續(xù)性。與沒有行駛車輛的情形相比，在車道兩側(cè)的區(qū)域，氣流速度和方向也都發(fā)生了變化，強(qiáng)度有所增強(qiáng)的同時，氣流方向發(fā)生偏斜，氣流沿街谷的流動增強(qiáng)，如圖5(b)。值得強(qiáng)調(diào)的是，街谷底部的水平氣流的變化具有顯著的方向性二而在街谷橫截面上，氣流的變化以局部子渦的形式存在，因此具有顯著的區(qū)域分布特征和各向同性特征。
2.3行駛車輛誘導(dǎo)湍流機(jī)理及參數(shù)化探討
行駛車輛影響下街谷內(nèi)流場的顯著特點(diǎn)是局部子渦的存在：行駛車輛誘發(fā)的局部子渦很可能是在相反方向行駛的車輛在交錯時產(chǎn)生的。另外，從這些子渦的尺度有，較小的子渦跟車輛的尺寸相當(dāng)，因此，車輛尾部繞體氣流形成的脫離渦也可能是這些子渦產(chǎn)生的原因。行駛車輛引起的子渦本身攜帶較高的動能，是不穩(wěn)定漩渦。受街谷內(nèi)環(huán)流流場的影響，子渦在街谷內(nèi)底部靠近背風(fēng)面的區(qū)域不停地移動，同時不斷將其自身的能量傳遞給周圍氣流。因此，街谷內(nèi)子渦結(jié)構(gòu)實(shí)際上可以看作是行駛車輛對周圍大氣產(chǎn)生的曳力向外傳輸?shù)囊环N方式。由于子渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生于行車道位置，并主要活動在街谷底部靠近背風(fēng)面的區(qū)域，導(dǎo)致街谷內(nèi)風(fēng)速脈動量的變化在街谷內(nèi)的底部高于上部、背風(fēng)面高于迎風(fēng)面。已有研究表明，行駛車輛對街谷內(nèi)空氣湍流的影響主要集中在街谷底部和靠近背風(fēng)面一側(cè)。行駛車輛誘導(dǎo)子渦向周邊大氣傳遞能量的理論可以解釋上述結(jié)論。
通過子渦傳遞出來的能量并不會對街谷內(nèi)的平均流場產(chǎn)生顯著影響，而主要體現(xiàn)在脈動量的變化上。由此可見，行駛車輛曳力對周圍大氣的影響是通過車身周圍形成的子渦向外傳輸能量的觀點(diǎn)，不但能解釋街谷內(nèi)車輛誘導(dǎo)湍流的分布規(guī)律，還能很好地解釋脈動量與平均流速變化大小的原因。
機(jī)動車誘導(dǎo)湍流是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ絽?shù)化過程中需要考慮的一個重要因素。已有的參數(shù)化模型大多是根據(jù)車輛引起動量的耗散平衡估算擴(kuò)散系數(shù)的變化。車輛誘導(dǎo)湍流在車輛周圍成高斯擴(kuò)散規(guī)律，未考慮街谷內(nèi)主環(huán)流漩渦的影響，因此難以反映車輛誘導(dǎo)湍流在背風(fēng)面和迎風(fēng)面的差異。由于車輛誘導(dǎo)的局部流場以子渦的形式存在，其影響在街谷橫截面上具有各向同性特征，對湍流的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果已經(jīng)證實(shí)這一觀點(diǎn)。部分已有的參數(shù)化模式假設(shè)了街谷橫截面上湍流擴(kuò)散系數(shù)在2個方向上相等。但是，現(xiàn)有參數(shù)化模式對行駛車輛引起的沿街谷方向的宏觀流動的描寫都嚴(yán)重不足。總體而言，行駛車輛對街谷內(nèi)空氣流動及湍流的影響是一個相對復(fù)雜的過程，用簡單的參數(shù)方法很難實(shí)現(xiàn)對這種復(fù)雜過程的準(zhǔn)確描述。在今后參數(shù)化模式的發(fā)展中應(yīng)該重點(diǎn)考慮如何反映車輛誘導(dǎo)湍流的空間分布特征以及在街谷橫截面上的各向同性特性。
3結(jié)論
本文基于大渦模擬的湍流模型，用拉格朗日方法跟蹤城市街谷內(nèi)的行駛車輛，用大渦模擬方法模擬行駛車輛影響下城市街谷內(nèi)流場的動態(tài)變化過程。研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)行駛的車流能夠在其車道上靠近地面的空間引起與車輛行駛方向相同的相對的穩(wěn)定風(fēng)場。對橫截面上流場的演化過程分析顯示局部子渦的存在。局部子渦形成在行駛車輛車身周圍，攜帶車輛引起空氣擾動的能量。在局部子渦脫離車身后，其攜帶的能力傳遞給周邊空氣。由于局部子渦攜帶的能力沒有方向性，卻改變的瞬時風(fēng)場的局部強(qiáng)度，因此其影響街谷主要體現(xiàn)在湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)，而對平均流場的影響相對較弱。局部子渦傳遞能量的觀點(diǎn)可以解釋觀測實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的行駛車輛主要影響街谷內(nèi)湍流強(qiáng)度的結(jié)果。局部子渦極有可能是車輛誘導(dǎo)街谷內(nèi)空氣流動的湍流的機(jī)理。
研究發(fā)現(xiàn)街谷內(nèi)行駛車流對風(fēng)場影響的復(fù)雜特性，以至于簡單的參數(shù)化模型很難模擬不同情形下的流場特征。建議參數(shù)化模式的發(fā)展中應(yīng)該重點(diǎn)考慮如何反映車輛誘導(dǎo)湍流的空間分布特征以及在街谷橫截面上的各向同性特點(diǎn)。
4摘要：
機(jī)動車尾氣是城市大氣污染物主要來源之一，其排放集中在城市街谷內(nèi)靠近地面的空問，行駛車輛誘導(dǎo)的空氣流動及湍流是影響街谷內(nèi)空氣流動與污染物擴(kuò)散的重要因素。該文基于大渦模擬的湍流模型，用拉格朗日方法跟蹤城市街谷內(nèi)的行駛車輛，模擬行駛車輛影響下城市街谷內(nèi)流場的演化過程，分析街谷內(nèi)瞬時流場變化及行駛車輛誘導(dǎo)空氣流動及湍流的產(chǎn)生機(jī)理：模擬結(jié)果表明：連續(xù)的行駛車流能夠在其車道上方靠近地面的空間引起與車輛行駛方向相同的相對穩(wěn)定的風(fēng)場；街谷橫截面上的瞬時流場中存在局部子渦，局部子渦形成在行駛車輛車身周圍，攜帶車輛引起空氣擾動的能量，并將其攜帶的能量傳遞給周邊空氣。行駛車輛以局部子渦的形式向周邊空氣傳遞的能力主要影響街谷內(nèi)的空氣湍流，也是行駛車輛影響街谷內(nèi)空氣湍流的主要方式．因此參數(shù)化模式的發(fā)展中應(yīng)該重點(diǎn)考慮反映車輛誘導(dǎo)湍流的空間分布特征。
