近年来,随着机动车保有量的快速增长,城市机动车尾气污染物排放日益增多[1-2];相较于开放大空间,临街建筑与街道所构成的半封闭峡谷空间使得交通污染物难以扩散,大量堆积于街谷内部,严重影响到街谷内空气品质,对临街建筑内居民的危害尤其严重。
机动车尾气排放是城市街谷内污染物的制造者,围绕街谷内空气流动及污染物分布国内外学者通过风洞实验[3-4]和数值模拟[5-7]做出了大量研究;根据美国国家人类活动模式调查(national human activity pattern survey of USA),成年人平均有87%的时间呆在封闭的建筑物里面[8],通过开窗来实现自然通风是室内空气环境最常见的营造方法,临街建筑室内空气品质与街谷内空气环境有着密切的联系[9-10],因此尾气及周围空气耦合的输运规律是影响街谷及临街建筑污染物时空分布的重要因素。为此KINGHAM et al[11]通过监测英格兰某地区家庭室内外的某些相关污染物(PM10、PM2.5、PAH 等),验证了室内外污染物浓度之间的相关性,尤其燃油车辆排放是污染物的主要来源;RAMPONI et al[12],VAN HOOFF et al[13],谢海英等[14]利用CFD 模拟了单体建筑物自然通风时室内外空气流动和污染物扩散,研究了不同的湍流模型对计算参数的影响,提高了CFD 耦合室内外气流场的准确度,为其它扩散模型的建立提供了较好的方案。朱继宏等[15]利用CFD 和CONTAM 模型相结合的方法,分析了不同建筑布局、不同来流风向下,交通污染物对临街建筑室内环境的影响,表明临街建筑室内CO 浓度逐时变化与室外街道峡谷内车流量变化保持一致;PENG et al[16],FANG et al[17]研究了街道峡谷在不同开窗率(WOP)(0、10%、20%、30%)下的气流结构和污染物分布情况,从流线特性、风速、静压差、单位面积通风率等方面详细分析WOP对通风性能的影响,整体污染物浓度水平随开窗百分比的增大而降低。
上述对街谷及临街建筑污染问题进行的研究涉及建筑布局、风速、风向、开窗率等因素,并且取得了卓有成效的研究结论,但对临街建筑室内污染的研究主要是将窗口设置为水平单向输入的边界,未涉及街谷-开窗建筑耦合作用的室内外交互影响,在现实街道峡谷中,开窗会扰动街谷内的空气流动,同时街谷内尤其是临街建筑近壁区的涡旋又使得窗口输入复杂,而且每一层的窗口附近空气流动形态各异,对室内空气环境的影响不容忽视。因此,本文对三维建筑开窗下的高层深街谷进行街谷-临街建筑整场模拟,克服窗口边界设置的不确定性,采用机动车监测、数值模拟方法,研究建筑开窗对街谷内和室内空气流动和污染物扩散规律的影响。
1 街谷-临街建筑耦合模型与数值计算方法
1.1 物理模型
本研究选取太原市一典型交叉路——桃园北路与府西街交叉口及其附近街谷,对其进行测试及数值模拟。主街道为东西走向的府西街,平行于X 轴方向,双向八车道,机动车路面宽20 m,紧邻建筑各有5 m 宽的人行道和非机动车道,平行于Y 轴方向的桃园北路为南北走向的双向四车道,机动车路面宽10 m,紧邻建筑同样各有5 m 宽的人行道和非机动车道;临街建筑13层,40 m 高。为刻画街谷临街建筑开窗工况下室内污染物扩散规律,本研究将街谷与开窗室内环境整场建模,能够较好地分析开窗位置街谷-室内耦合边界下复杂涡旋设置及逐层各异的难题;街谷计算模型区域长X=500 m,宽Y=160 m,高Z=200 m,具体模型及开窗位置如图1所示。
图1 街谷模型及边界条件示意图
Fig.1 Schematic diagram of street canyon model and boundary conditions
基于来流风速的垂直分布受地面粗糙度和相对高度的影响,编译入口来流风速的UDF 幂指数型速度廓线[18],沿高度Z 方向的速度分布函数为式(1):
式中:U 40 为距离地面40 m 高的来流风速,取太原市冬季平均风速m/s;∂为地面粗糙系数,取0.25[19].z为垂直于地面高度。出口边界远离街区,设置为表压为零的压力出口边界条件;地面、建筑物壁面(除开窗位置)采用无滑移壁面,粗糙度设置为0.5;计算域两侧以及上边界面设置为对称边界条件,即没有对流通量和扩散通量。机动车尾气成分众多,本研究旨在探究其在街谷内的分布规律及临街建筑内的扩散特性,故此选择尾气中化学性质稳定的CO为排放物标识。国内外学者研究发现汽车尾气排放量与车流量、排放因子等有关,得出排放源公式为式(2):
式中:Q 为单位时间内污染物排放源项,kg/(m3·s);E 为CO 排放因子,mg/(m·veh),取33.28[20];D 是街道峡谷长度,m;V 是CO 排放源体积,m3;M为1小时内街道峡谷车流量,veh,本研究监测了冬季工作日府西街和桃园路早8:00-晚20:00的逐时车流量信息,如图2所示,取早高峰8时最大车流量计算得尾气面源强为Q(府西街)=0.000 518 kg/(m3·s),Q(桃园路)=0.000 134 kg/(m3·s).
图2 各时段车流量统计(不含新能源汽车)
Fig.2 Traffic flow statistics for each period(excluding new energy vehicles)
本文采用ANSYS ICEM CFD 软件,用结构化六面体网格对计算区域进行划分,为确保研究区域的准确性,故对临街建筑、街道以及室内房间进行加密处理;对远离建筑处划分较大的网格。同时对计算模型网格划分准备了6套方案,网格数从小到大依次为196 088,2 379 030,3 134 160,3 690 934,4 426 622,5 235 847.以府西街建筑背风面平均CO无量纲浓度作为监测量,当网格数从3 690 934增加到5 235 847时,计算结果仅相差不到0.43%,故确定4 426 622作为有效计算网格数。
1.2 数学模型
数值模拟采用FLUENT 为基本程序进行三维模拟,在数值计算中,街谷内空气流动可认为是稳态绝热的,空气为不可压。控制方程包括连续性方程、动量方程、标准k-ε 方程和污染物扩散方程。采用有限容积法进行离散,离散格式采用二阶迎风,压力与速度耦合采用SIMPLE 算法,压力基隐式求解,收敛误差为10-6.
连续方程:
动量方程:
k-ε 方程:
污染物扩散方程:
式(3)-(7)中:x i 为笛卡尔坐标分量,i 和j 的取值均为1、2、3.U i 和U j 为不同方向时均速度的分量,m/s;u i 和u j 为不同方向脉动速度的分量,m/s;ρ为空气密度,kg/m3;P 为压强,Pa;ν 为运动黏性系数,m2/s;k 为湍动能,m2/s2;ε为湍流耗散率,m2/s3;σk 和σε 分别为湍流动能和湍流耗散率对应的Prandtl数,无量纲,σk=1.0,σε=1.3.雷诺应力项
Cε1 和Cε2 为经验常数,无量纲,Cμ=0.09,Cε1=1.44,Cε2=1.92.K 为污染物湍流扩散系数。K=d+v c,d 和v c 分别为污染物的分子扩散系数和污染物的湍流黏性系数,v c=ηt/Sc t,对于标准的k-ε湍流模型,通常Schmidt数取为定值,即Sc t=0.7;Q 为污染源CO 的排放强度(g·m-1·s-1).为了方便比较,对污染物浓度进行无量纲化处理[8],其计算公式如下:
式中:C*表示无量纲CO 浓度;H 为建筑物高度,m;U 为来流风速取3 m/s.
2 结果和讨论
2.1 街谷内流场特性
街谷内气流结构对污染物的扩散有着重要的影响。基于上述模型,在来流风垂直于府西街,风速为3 m/s条件下,将测试车流量代入计算得尾气面源强,通过数值模拟,获得街谷内的流线分布如图3所示。为比较开窗工况对其影响,在交叉路口东西对称面上选择两个截面,1-1为临府西街开窗建筑研究截面,2-2为未开窗建筑的研究断面。图3(a)显示:未开窗街谷的流场形态主要由一个顺时针大涡旋构成,建筑壁面贴附流动,涡旋中心位于街谷上部,靠近背风面建筑,涡旋强度主要影响至9层;图3(b)显示:在临街建筑开窗街谷内依然呈现一个顺时针大涡,涡旋中心位置无明显变化,但涡旋直径强度影响范围发生了改变,开窗后的涡旋直径更大,强度影响低至7层。
图3 街谷流线图
Fig.3 Street canyon streamline
造成开窗工况下涡旋强度增加的原因主要在于,街谷气流沿临街建筑壁面爬墙贴附流,开窗打破了完整的壁面边界,开窗位置室内外气流进行了质量动量交换,局部贴附效应滞止,强化了局部区域的湍流,与未开窗完全贴附流流场结构出现差异性,这一点在临街建筑近壁附近流场表现得更为明显,如图4所示:开窗的存在使得室内外空气交互作用,在窗口突缩局部区域气流产生了小涡旋,一个个的小涡旋扰动了街谷内的近壁流动,从而加剧了街谷内的大涡旋强度;进一步对比迎风面建筑和背风面建筑的涡旋情况,不难看出:图4(b)和图4(d)所示迎风面建筑近壁面处气流整体贴附于壁面向下,所产生的局部涡旋强度较图4(a)和图4(c)所示的背风面建筑弱,仅在8-11层高度处出现了较为明显的局部涡旋;究其原因在于迎风面相较背风面受来流风作用更强,窗口附近对流作用主导,而在背风建筑壁面处,来流作用有所减弱,开窗周围对流扩散共同作用,更易产生扰流,由于各层的流动差异,窗口周围的入流条件不同,故此形成多个不规则的气流小漩涡。宏观来看,未开窗情况相当于降低了建筑外壁面的摩阻,然而在实际情况下开窗后的质量动量交换致使流动更为复杂,建筑壁面处产生局部涡旋的同时也进一步影响了街谷的主漩涡,导致开窗后街谷涡旋的直径更大影响范围更广。
图4 建筑外壁面局部涡旋
Fig.4 Local vortices on the outer wall of the building
具体的风速大小如图5所示:由于街谷顶部的强剪切力引起的街谷内环流漩涡的强度远小于来流风作用,沿垂直高度方向的速度分布整体较为均匀,街谷底部附近的风速最小。图5(a)显示的未开窗情况,临街建筑逐层风速相对均匀。开窗工况下如图5(b)所示:尽管在街谷内部以大涡漩主导,但窗口附近的风速却出现了波动,迎风面7-10层高度既受来流风作用,又在窗口附近较强涡旋下与室内空气进行对流与扩散,窗口处的风速梯度较为明显,背风面的影响楼层更多,开窗附近的风速规律在后面的污染物浓度分布中有更明显的表达。数值计算结果显示,未开窗街谷截面平均风速为0.736 m/s,临街建筑开窗强化了街谷内的扰动,截面平均风速为0.817 m/s,提高了9.96%;由于平均风速的提高,也加快了街谷内污染物的迁移。
图5 街谷速度分布(y方向)
Fig.5 Street canyon velocity distributions (y direction)
如前所述临街建筑壁面基本呈贴附流,开窗使得局部涡旋产生,加剧了窗口附近的湍流强度,而湍流传输对污染物扩散也起着重要作用,为了获悉开窗周围的微观运动特性,数值计算得街谷内迎风侧与背风侧的湍流强度如图6 所示。迎风面(图6(b))湍流强度基本随垂直高度增加而增大,开窗工况明显高于未开窗工况,5层及以下差异不大,6层以上增加较大,在8、10层尤其明显,主要由于在此位置开窗对于来流风的扰动较强所致,这与图5(b)呈现的局部涡旋也相一致。背风面(图6(a))湍流强度基本随垂直高度增加而减小,开窗工况同样明显高于未开窗工况,尤其在低层,在街谷大涡旋和开窗小涡旋共同作用下,涡旋强度急剧增加,1层和4层分别高于未开窗工况24.3%和24.9%,随着楼层增高,街谷涡旋强度逐渐衰减,从这一点来看,背风侧临街建筑受开窗情况的影响比迎风侧建筑更加明显,低层尤甚。
图6 沿地面高度方向开窗位置处湍流强度
Fig.6 Turbulence intensities at the position of the window opening along the ground height
通过上述流场模拟分析可看出:临街建筑开窗位置、层数均对窗口周围空气流动产生不同影响,若对开窗建筑室内环境进行孤立研究,则窗口即为边界条件,此边界随迎背风、楼层而异,实际涡旋的存在使其并非垂直于窗口界面水平进入,若在数值模拟中以水平入流为窗口的边界条件势必与实际流动结构不符,故此本研究采用街谷-室内整场求解,窗口的内部节点处理保留了实际流场,克服了人为设定边界的失真。开窗尺寸为2 m×1 m×2 m,研究监测点取自室内人员活动1.1 m 高度处,监测点为中心线上沿房间进深方向0.3 m,0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m,4.5 m,4.9 m,共11处。
2.2 室内污染物浓度分布
与街谷内流动沿高度方向变化类似,室内平均风速同样呈现逐层各异的特性,图7为室内人员活动高度1.1 m 平面的室内平均风速,可以看出:背风面建筑内风速大小随楼层数的增加逐渐增加,整体风速范围集中在0.003 m/s～0.011 m/s之间,其中1-3层递增明显,3层以后增幅缓慢;迎风面则呈现非单调变化,风速逐层变化较大,整体风速范围集中在0.001 m/s～0.028 m/s之间,1-2层较高,3-8层均较低,9层达到最高。
图7 室内人员活动面平均风速(y 方向速度)
Fig.7 Average wind speeds of indoor personnel activity surface (speed in y direction)
受街谷湍流结构和室内墙体边界的综合作用,临街开窗建筑即使在室内同一高度室内空气流动沿进深也非均匀。图8为受较大影响的背风侧建筑内各层室内风速分布,可以看出在高楼层和低楼层普遍存在窗口附近风速最大,沿进深至1.5 m 迅速降低,室内中间区域降至窗口风速的50%左右,至进深4.5 m,也就是距离内墙约0.5 m 处受墙壁无滑移作用,风速迅速下降。但在7层,也就是位于建筑(共13层)的中位面层,呈现出与其它楼层截然不同的规律,由于中位面室内外压差最小,故此窗口附近(进深0.5 m)风速最低,随后急剧升高,之后随进深降低至墙面为0.
图8 室内监测点风速
Fig.8 Indoor monitoring point wind speeds
2.3 室内污染物浓度分布
临街建筑室内污染物分布无疑受街谷内污染物对流和扩散的影响,将流场模拟结果代入污染物扩散方程,输出CO 浓度(体积分数)分布如图9所示:整体上街谷内污染物浓度由低到高逐渐降低,背风面污染物浓度明显高于迎风面污染物。街谷尾气污染源受气流漩涡的影响,从街谷底部高浓度区域向背风面建筑扩散,导致背风建筑的1-3层稍低于街道污染源的高浓度区,缘于“爬墙效应”沿背风壁面向上流动并卷吸街谷内空气,污染物逐渐被稀释,随后由街谷顶部溢出到外部。
图9 开窗情况下CO 浓度场分布(2-2截面)
Fig.9 Distribution of CO concentration field with window open (section 2-2)
人员长期停留的室内既受街谷内污染物扩散的影响,同时还受到开窗结构对流动分布的作用,根据式(2)-(6)计算室内平均无量纲浓度C*如图10所示:显而易见,背风面建筑室内浓度远高于迎风面,约为6倍左右;背风面建筑的室内污染物浓度逐层递减,1-4层受街谷底部高浓度的强烈影响,污染物浓度明显高于其他楼层,8层以上变化较为缓慢;虽然街谷内的污染物浓度沿高度逐渐降低,但迎风面建筑室内污染物浓度却并未呈现沿楼层的单调变化规律,浓度从底层逐层减少至8层,随后从8层开始浓度逐渐增大,原因正如前流场及湍流强度所示,在开窗扰动的情况下,窗口附近会出现小的涡旋流和街谷环流漩涡的共同作用,污染物从背风面顶部逐渐向迎风面方向溢出,导致迎风建筑室内污染物浓度在8层以上又开始呈递增的趋势,于是迎风面建筑在靠近中位面层浓度最低。结合上述对街谷内气流结构和室内风速的分析可知,室内污染物浓度变化主要受到扩散作用的影响,由于深街谷室内风速较小,因此对流作用对污染物浓度大小的贡献较小。
图10 逐层室内人员活动平面浓度
Fig.10 Floor-by-floor indoor personnel activity plane concentrations
3 结果和讨论
室内整场模拟摒弃了单方向的输入工况,更为贴近实际地模拟了街道峡谷内的空气流动和污染物分布。由于开窗的存在,增加了建筑壁面摩阻,室内外的质量动量交换使流动更为复杂,近壁面贴附效应滞止,形成多处局部涡旋,强化了街谷环流涡旋,背风面湍流更容易受到影响,其中1-4层位置处湍流强度比未开窗增加达20.6%.
临街建筑开窗强化了街谷内的扰动,由于局部涡旋的影响,窗口附近出现了明显的风速梯度,街谷截面平均风速为0.817 m/s,提高了9.96%;由于平均风速的提高,也加快了街谷内污染物的迁移;室内平均风速逐层不同,迎风侧室内风速变化幅度较背风侧明显较大;室内中间区域风速降至窗口风速的50%;深街谷内来流作用较弱,临街建筑室内平均风速较小,逐层各异。
室内污染物受扩散作用影响显著,背风建筑的室内浓度沿垂直高度方向逐层递减,1-4层受街谷底部高浓度的强烈影响,占到总污染的43.7%,污染物浓度明显高于其它楼层;迎风建筑在第8层上下呈现不同的分布规律,污染物浓度逐层递减至8层到达最小值后开始逐渐增加。背风面建筑室内浓度远高于迎风面,约为6倍左右。因此在车流高峰期,不建议背风建筑1-4层的临街房间进行自然通风。
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