城市街道峡谷内气流运动和颗粒物对流扩散特征的研究

3.0 牛悦 2025-01-09 5 4 7.42MB 94 页 15积分

侵权投诉

摘要

随着经济迅速发展，机动车数量的急剧增多，机动车尾气对城市大气环境的

污染已经直接影响人们的生产生活。机动车排放污染物在街道周围的扩散主要由

街道两侧建筑物周围的流场所控制，而流场主要受街道布局的影响。一种典型的

街道布局形式是街道峡谷，街道峡谷内机动车尾气对机动车驾驶员、乘客、行人

以及道路两侧居民的身体健康带来直接危害。由于机动车尾气排放已成为大都市

中空气污染最主要的来源，且机动车拥有量仍持续增长，使得街道峡谷内污染物

对流扩散已成为当前环境工程领域的研究热点。对于街道峡谷内污染物扩散研究，

可采用现场实测、风洞实验和计算流体力学(CFD)数值模拟来开展。随着科学计

算、计算机技术以及空气动力学的发展，CFD 已被愈来愈多的学者用于模拟街道

峡谷内的气流运动和污染物扩散。本文采用数值模拟和风洞实验相结合的方法，

探究了不同建筑布局和结构、不同楔形屋顶下街道峡谷内的气流运动和颗粒物扩

散特征。

基于二维不可压缩流动的 N-S 方程，标准



k

湍流模型和颗粒物扩散运动方

程，构建了模拟街道峡谷内气流运动和颗粒物扩散运动的 CFD 模型，在 FLUENT

平台上，首先数值模拟不同粒径颗粒在理想孤立街谷内的扩散和沉积情况，然后

选取 1µm 粒径的颗粒进行不同建筑结构的孤立街道峡谷内气流运动与颗粒物扩

散研究，接着计算了不同建筑布局下的城市街谷内气流运动和颗粒物扩散情况，

计算得到的气流速度场与颗粒物扩散分布图案表明街谷内气流旋涡结构和颗粒物

分布与颗粒粒径和不同建筑布局和结构密切相关：（1）对不同粒径下颗粒物在街

道峡谷内的扩散情况进行计算模拟，迎风面和背风面颗粒沉积率在 0.01-1µm 粒径

范围内不随颗粒粒径的变化而变化；（2）峡谷内的细颗粒物扩散受控于峡谷内的

气流运动结构，由于气流的顺时针运动使得颗粒物主要富集在街道路面和迎风建

筑物背风侧，背风面颗粒物浓度明显高于迎风面颗粒物浓度；（3）上游建筑物的

宽度改变了来流的气流结构和强度，从而影响了颗粒物的扩散分布和沉积效果，

当上游建筑宽度小于临界宽度（W=2H）时，背风面颗粒物浓度随着上游建筑宽

度的增加而增加，而背风侧屋顶的颗粒物浓度则减少；（4）当上游建筑宽度大于

临界宽度时，背风侧屋顶颗粒物浓度可以小到忽略不计，而且背风侧颗粒物浓度

也几乎不受上游建筑宽度增加的影响；（5）当在街谷上游布置建筑物时，自由来

流附着背风侧建筑屋顶，使得上游建筑屋顶的颗粒物浓度很小，可以忽略。

采用建立的 CFD 模型，同样模拟了不同楔形屋顶的城市街道峡谷内气流运动

和颗粒物扩散，模拟结果表明城市街道峡谷内气流旋涡结果和颗粒物分布与楔形

屋顶密切相关：(1) 在背风建筑物屋顶形状为楔形情况下，迎风建筑物屋顶的上

游拐点位置高度是确定街道峡谷内气流旋涡形状以及颗粒物扩散分布的一个关键

性因素；(2) 峡谷内的颗粒物扩散受控于峡谷内的气流运动，由于不同的楔形屋

顶形成不同的气流旋涡结构，导致峡谷内的颗粒物扩散特征随楔形屋顶结构的变

化而变化；(3) 宽高比是影响街道峡谷内流场和颗粒物扩散的一个重要因素，楔

形屋顶结构的变化相应带来峡谷宽高比的变化；

自行设计制作了线源污染物发放系统，并集成了一套污染物浓度场激光片光

测量系统。在此基础上，选取具有代表性的不同建筑布局和结构下街道峡谷的数

值模拟工况开展风洞实验，得到了每种实验工况下的峡谷内颗粒物污染物分布图。

对比分析颗粒物分布的数值模拟结果和风洞实验得到的颗粒物分布图案，表明数

值模拟结果与风洞实验结果定性一致。

本研究成果可以为环境监测中科学合理布置监测点位置、预测街道峡谷内的

空气质量、优化城市道路建筑布局设计以及构建基于环境容量和交通容量双约束

下的交通配流模型系统提供一定的理论和技术支持。

关键词：街道峡谷不同结构不同布局楔形屋顶风洞实验数值模

拟

ABSTRACT

With the rapid development of economy and vehicle population, vehicle exhaust

pollution becomes a serious problem to urban environment. The dispersion of motor

vehicle emission in street environments depends on the airflow around the buildings on

both sides of the streets, while the airflow is mainly affected by the street configuration.

A typical configuration is the so-called street canyon, within street canyons, the

pollutants emitted from motor vehicles have a direct impact on the health of the drivers,

passengers, pedestrians, and residents nearby. Since traffic is accepted to be a major

emission source of air pollutants in urban areas, and further increase of traffic is

expected, investigations of dispersion processes in street canyons have become a focal

point in environmental research. Field measurements, laboratory-scale physical

modeling and computational fluid dynamics(CFD) techniques are common tools

adopted to study the wind flow and pollutant distributions in urban street canyons.

With the ever-increasing power of computer hardwore, numerous sophisticated CFD

models have been developed to study the flow field and pollutant transport in street

canyons. In order to know the effects of upstream building width, upwind building

arrangement and roof shapes on airflow and particles dispersion in a street canyon

better，this study combined numerical simulation with wind-tunnel experiments.

A two-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model for evaluating the

airflow and particles dispersion within a street canyon was built up, which was based

on the incompressible Reynolds Averaged Navier-Stokes equations, standard



k

turbulence model and the particles transportation equation. First, the diffusion and

deposition with different particles diameters within an isolated street canyon were

simulated by using the FLUENT code. Then 1µm particle was selected in the

numerical study of the airflow and particles dispersion under different upstream

building width and upwind building arrangement. The computed air velocity vector

fields and particles concentration contours simulation results indicate that the airflow

vortex structure and particles distribution are highly related to the particle size and

different architectural layout and structure: (1) spherical particles in diameters between

0.01 μm and 10 μm are studied at street level. Capture efficiency varies slightly on the

windward and leeward walls of buildings with different diameters. (2) the diffusion of

fine particles within the canyon controlled by the air flow structure. For the clockwise

vortex the particles mainly concentrated on the leeward and street road, the leeward

particle concentration was significantly higher than the concentration of the windward.

(3) the flow structure and strength are changed by upstream building width. When the

upstream building width is shorter than the critical width(W=2H), increase of the

upstream building width leads to increase of particles concentration on the leeward

wall and to decrease of roof-level concentrations at the upstream building.(4) when the

upstream building width is longer than the critical width, the roof-level concentrations

at the upstream building roof are negligibly small, and the particles concentration on

the leeward wall is almost unaffected by further increasing the upstream building width.

(5) when buildings are placed upwind of the canyon, the flow attaches the upstream

building roof and thus the roof-level concentrations at the upstream building are

negligibly small.

Using established CFD model, kinds of wedge-shaped roof configurations within

urban street canyons are also investigated numerically. The computed air velocity

vector fields and particles concentration contours also indicate that the in-canyon

vortex fields and particles dispersion patterns depend on the wedge-shaped roof

configurations strongly: (1) due to flow separation as synoptic wind passes through the

roof peak, both the heights of upstream and downstream corners of the upwind

building have a significant impact on the in-canyon vertical flow pattern when a

downward wedge-shaped roof is placed on the upwind building of a canyon; (2)

particles dispersion inside an urban street canyon is mostly dominated by the in-canyon

wind flow, and different wedge-shaped roof configurations produce different in-canyon

wind vortex structures, which causes a variety of particles distribution patterns; (3) the

aspect ratio is also an important factor determining the flow field and thus particles

dispersion inside a street canyon.

A line source system attached to the large environmental wind-tunnel was

designed to simulate the emission from motor vehicles，and a system of instantaneous

concentration distribution of pollutant with laser sheet was integrated. On this basis of

that，choose several representative cases to do wind-tunnel experiments. By comparing

the wind-tunnel experiments with the simulated dates, the calculated results agree

reasonablely well with the tunnel experiment.

The result of this study can provide theoretical and technical support to

monitoring point setup in environmental monitoring, air quality forecast inside street

canyons, optimization of urban street configuration and construction of advanced

traffic distribution modeling system based on the double restriction of environmental

and traffic capacity.

Key Word: Street canyon, Upstream building width, Upwind building,

Wedge-shaped roof, Wind-tunnel experiment, Numerical simulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................. 1

1.1 引言 .................................................................................................................... 1

1.2 研究背景 ............................................................................................................ 1

1.3 街道峡谷内污染物扩散的研究方法及现状 .................................................... 4

1.4 论文研究的目的、意义及主要内容 ................................................................ 9

1.5 论文的创新点 .................................................................................................. 10

第二章不同结构街道峡谷内气流运动及颗粒物扩散的数值模拟 ......................... 11

2.1 街道峡谷简介 .................................................................................................... 11

2.2 数学模型 ........................................................................................................... 14

2.2.1 气流运动控制方程 ................................................................................ 14

2.2.2 湍流模型方程 ........................................................................................ 15

2.2.3 颗粒物的扩散运动方程 ........................................................................ 18

2.2.4 计算区域及边界条件 ............................................................................ 22

2.2.5 网格划分 ................................................................................................ 26

2.2.6 数值算法 ................................................................................................ 28

2.3 数值模拟结果及其分析 .................................................................................. 28

2.4 本章小结 .......................................................................................................... 37

第三章不同布局城市街道峡谷内气流运动及颗粒物扩散的数值模拟 .................. 39

3.1 计算所采用的城市街道峡谷结构模型 .......................................................... 39

3.2 数学模型 .......................................................................................................... 40

3.2.1 控制方程与湍流模型 ............................................................................. 40

3.2.2 计算区域及边界条件 ............................................................................ 40

3.2.3 网格划分 ................................................................................................ 40

3.2.4 数值算法 ................................................................................................ 40

3.3 数值模拟结果及其分析 .................................................................................. 41

3.4 本章小结 .......................................................................................................... 44

第四章楔形屋顶城市街道峡谷内气流运动与颗粒物扩散的数值模拟 .................. 45

4.1 模拟楔形城市街道峡谷的结构尺寸 ............................................................... 45

4.2 数学模型 .......................................................................................................... 46

4.2.1 控制方程与湍流模型 ............................................................................. 46

4.2.2 计算区域以及边界条件 ........................................................................ 46

4.2.3 网格划分 ................................................................................................ 47

4.2.4 数值算法 ................................................................................................ 47

4.3 数值模拟结果及其分析 ................................................................................... 47

4.4 本章小结 ........................................................................................................... 53

第五章不同建筑布局和结构下街道峡谷内颗粒物对流扩散的风洞实验 .............. 54

5.1 风洞简介 ........................................................................................................... 54

5.2 上海理工大学环境风洞概况 ........................................................................... 55

5.3 不同建筑物形状结构下城市街道峡谷风洞实验 ........................................... 59

5.3.1 实验目的和意义 .................................................................................... 59

5.3.2 实验设备 ................................................................................................ 59

5.3.3 实验模型 ................................................................................................ 60

5.3.4 测量方法 ................................................................................................ 64

5.3.5 实验原理 ................................................................................................ 65

5.3.6 实验步骤 ................................................................................................ 66

5.3.7 实验结果及其分析 ................................................................................ 66

5.4 本章小结 .......................................................................................................... 68

第六章数值模拟结果与风洞实验结果的定性对比分析 .......................................... 70

6.1 城市峡谷内颗粒物分布数值模拟结果 .......................................................... 70

6.2 城市峡谷内颗粒物分布数值模拟结果与风洞实验结果对比 ...................... 73

6.3 本章小结 .......................................................................................................... 75

第七章结论与展望 ...................................................................................................... 76

7.1 结论 .................................................................................................................. 76

7.2 展望 .................................................................................................................. 77

附录 .............................................................................................................................. 78

参考文献 ........................................................................................................................ 80

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 88

致谢 .............................................................................................................................. 89

第一章绪论

本章主要介绍了课题研究背景，城市大气污染现状以及街道峡谷内污染物扩

散研究的现状，并提出了本论文研究的主要目的、主要内容和创新点。

1.1 引言

人类社会发展到今天，创造了前所未有的文明，但同时又带来了一系列的环

境问题。随着社会生产力的发展，生产方式的演变，工艺技术的提高，人类的环

境问题变得越来越严重，人类和环境之间的矛盾也越来越显著。人口的激增，工

业与经济的发展，使生态破坏与环境污染更为严重和突出。环境问题不仅动摇了

发展经济的自然物质基础，制约了经济发展，而且使人类与自然、生态与经济出

现了紧张局面。

我国改革开放以来三十多年经济高速发展，但自然资源的消耗量以及向环境

排放的污染物含量不断快速上升，生态环境容量的承载力越来越低，环境压力日

趋严重，严重的环境污染事件亦常有发生，引起人们的忧虑和不安。近年来，我

国政府加大环境保护力度，加快建设资源节约型、环境友好型社会，发展绿色经

济、低碳经济，建设生态中国和美丽中国，以实现环境、经济和社会的可持续发

展目标。

1.2 研究背景

城市是人类在改造自然的基础上而创造出来的高度人口化的生存环境，是人

类社会经济和文化发展的产物。空气是人类和生物一刻也不能缺少的物质条件，

对维持生命是非常重要的，清新的空气，则是健康的保障。随着城市化进程的日

趋加快，城市经济飞速发展的同时，交通需求量不断攀升，城市大气环境质量随

之恶化。近年来，随着道路交通运输系统的不断发展及机动车保有量的快速增长，

在发达国家，交通污染物排放已成为城市大气污染的主要来源之一。例如，在美

国1997 年城市大气污染物排放量估算中，交通运输业的大气污染物排放量占城市

总大气污染物排放量的 57.5% [1]。另外，在我国的一些大城市里，大气污染已经

由传统的煤烟污染型转变为汽车尾气污染型，机动车尾气污染问题已经逐渐成为

人们关注的社会热点。例如，在北京、上海、广州等特大城市，汽车排放的 CO、

HC、NOx 等有害物质已成为城市大气污染的主要来源。据统计，在上海，这三

种有害物质已分别占城市大气污染总量的 76%、93%和44%[2]。

根据《2011 年中国环境状况公报》[3]显示：325 个地级及以上城市中，环境

城市街道峡谷内气流运动和颗粒物对流扩散特征的研究

空气质量达标城市比例为 89.0%，超标城市比例为 11.0%。2011 年，地级及以上

城市环境空气中可吸入颗粒物年均浓度达到或优于二级标准的城市占 90.8%，劣

于三级标准的城市占 1.2%。可吸入颗粒物年均浓度值 0.025mg/m3～0.352mg/m3，

主要集中分布在 0.060mg/m3～0.100mg/m3。地级及以上城市环境空气中二氧化硫

年均浓度达到或优于二级标准的城市占 96.0%，无劣于三级标准的城市。二氧化

氮年均浓度均达到二级标准，其中达到一级标准的城市占 84.0%。2011 年，全国

113 个环保重点城市中，环境空气质量达标城市比例为 84.1%。与上年相比，达

标城市比例提高 10.6 个百分点。环保重点城市环境空气中二氧化硫、二氧化氮和

可吸入颗粒物年均浓度分别为 0.041mg/m3、0.035mg/m3和0.085mg/m3。与上年相

比，二氧化硫和可吸入颗粒物年均浓度分别下降 2.4%和3.4%，二氧化氮年均浓

度持平。从下图 1-1 中可以看出，影响城市空气质量的主要污染物仍是颗粒物。

图1-1 全国环保重点城市污染物浓度年际变化

大气颗粒物是指大气中存在的固态或者液态微粒物质的总称。大气颗粒物的

粒径是描述颗粒物许多性质（如体积、质量、沉降速率等）的一个重要参数，但

大气颗粒物的几何形状是很不规则的，通常定义空气动力学直径（Dp）来描述颗

粒物的粒径大小。Dp 定义为与所研究粒子有相同的沉降速度的密度为 1g/cm3的

球形颗粒的直径。大气颗粒物的粒径 Dp 几乎在 0.002-100µm 之间，其中 Dp ≤

10µm 的称为可吸入颗粒物，Dp=2.5~10µm 的称为粗粒子，Dp≤2.5µm 的为细粒

子。2012 年12 月，环境保护部公布《2012 年中国机动车污染防治年报》[4]，年

报显示，我国已连续 3年成为世界机动车产销第一大国，机动车污染已成为我国

空气污染的重要来源，是造成灰霾、光化学烟雾污染的重要原因，机动车污染防

治的紧迫性日益凸显。监测表明，随着机动车保有量的快速增加，我国城市空气

第一章绪论

开始呈现出煤烟和机动车尾气复合污染的特点，直接影响群众健康。2011 年，全

国机动车排放污染物 4607.9 万吨，比 2010 年增加 3.5％，其中氮氧化物(NOx)637.5

万吨，颗粒物(PM)62.1 万吨，碳氢化合物(HC)441.2 万吨，一氧化碳(CO)3467.1

万吨。汽车是污染物排放总量的主要贡献者，其排放的 NOx 和PM 超过 90％，

HC 和CO 超过 70％。

2012 年2月，国务院批准发布新修订的《环境空气质量标准》[5]，对空气中

细颗粒物（PM2.5）治理工作提出更高的要求，机动车污染防治成为关键领域。

国务院目前批复的《重点区域大气污染防治“十二五”规划》[6]，也对加强机动

车污染防治提出了明确要求。各地区和有关部门纷纷制定机动车污染减排工作方

案和配套政策，从新车环境准入、“黄标车”加速淘汰、车用燃料清洁化等方面

采取综合措施，机动车污染防治工作取得了一定的成效。在机动车保有量比 1980

年增加 30 倍的情况下，尾气排放总量仅增加了 14 倍。汽车有害排放物主要有一

氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、微粒、硫化物和铅等。这些污染物由汽车的排

气管、曲轴和燃油系统排出，分别称为排气污染物、曲轴箱污染物和燃油蒸发污

染物，其中绝大部分有害气体是从排气管排出。

由于汽油、柴油燃烧不充分，排气管排放出的尾气中含有大量直径等于或小

于2.5 微米的细微颗粒物（简称 PM2.5），它悬浮于离地面 1到2米高的空气中，

很容易被人体吸入。这些细粒子很容易随着呼吸进入人体肺部，其中有 30％至

50％为元素碳（碳黑）和有机碳，有机碳中大部分为挥发性有机化合物，在紫外

线照射下，产生氧化反应，变成醛、酮类化合物，还会生成过氧乙酰硝酸酯和臭

氧等氧化物。细粒子中含有半挥发性多环芳烃化合物，其中苯并芘等强致癌物质

（特别是肺癌）。此外，尾气中还含有苯、甲苯、二甲苯等，苯是致癌物质，近

年来儿童白血病（血癌）高发，就与此有关。

大气颗粒物由于对光有散射和吸收作用，特别是细颗粒物能造成大气能见度

降低，不仅给交通和城市景观带来不利的影响，甚至可以影响对流层的能量平衡

以及气候变化。颗粒物本身含有各种有毒有害的物质，又是其它污染物的载体，

所以颗粒物对人体的危害是多方面的。欧美国家的流行病学研究表明，医院哮喘

病的发病率和死亡人数都会随大气中的 PM10 浓度的增加而增加。颗粒物具有免

疫毒性，可以引起免疫功能下降，长期暴露在颗粒物污染环境下，幼儿的免疫功

能受到明显的抑制作用。颗粒物粒径的大小决定了其最终进入人体的部位[7]，一

般大于 10µm 的颗粒由于惯性力作用，被鼻和呼吸道黏液排除，粗颗粒通常沉积

在支气管部位，而小于 2.5µm 的细颗粒更容易沉积于细支气管和肺泡，并可能进

入血液循环，导致心肺功能的障碍和疾病。而滞留在细支气管与肺泡的颗粒物，

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