不同建筑物结构下城市街道峡谷内气流运动与污染物扩散的研究

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3.0 侯斌 2025-01-09 5 4 8.15MB 93 页 15积分

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摘要

由两侧都是连续高大建筑物组成的相对狭长街道称为街道峡谷，是城市的基

本组成部分。机动车排放所形成的交通污染已成为国内外大都市中空气污染的最

主要来源。且机动车尾气中存在大量对人体有毒害作用的气体。街道峡谷内污染

物对流扩散已成为当前环境领域的研究热点。而在城市中，大气污染物的扩散主

要受到风、大气湍流、温度层结、大气稳定度以及地面建筑物布局等的影响，因

为风等自然因素是不可控的，因此通过改变建筑物的结构形状及建筑布局来控制

城市交通污染物的对流扩散有着比较实际的意义。本文数值模拟了不同建筑物构

型（考虑了台阶结构、廊道结构以及峡谷的非对称性）下，城市街道峡谷内的气

流运动和污染物扩散。并对几种特定工况的城市街道峡谷及孤立街道峡谷做了风

洞实验，将数值模拟结果与风洞实验结果作对比分析，验证数值模拟的可行性，

并比较分析城市街道峡谷与孤立街道峡谷的风洞实验结果。

基于二维不可压缩流动的 N-S 方程、标准 k-



湍流模型和污染物对流扩散方

程，构建模拟城市街道峡谷内气流运动和污染物扩散的 CFD（计算流体动力学）

模型。采用与德国汉堡大学风洞试验验证过的 CFD 模型，在 FLUENT 平台上，对

48 种不同建筑物结构及布局的城市街道峡谷，模拟计算了来流风速为 5m/s 时峡谷

内的气流运动及污染物扩散，结果表明城市街道峡谷内气流旋涡结构和污染物分

布与建筑物结构密切相关：

台阶形建筑结构对城市街道峡谷内气流运动及污染物扩散影响显著。当背风

建筑物含台阶且台阶总降幅较大时，街谷内旋涡结构会发生改变，旋涡也会一定

程度上发生变形。比如工况二、工况四十一和工况四十六，街谷上部为旋涡中心

偏右的顺时针旋涡，街谷下部产生了一个逆时针旋涡，且上部顺时针旋涡的强度

大于下部逆时针旋涡的强度，在逆时针旋涡的作用下街谷内的污染物朝迎风侧下

部迁移，而工况六、工况十九、工况三十一和工况三十六，街谷内旋涡均发生了

不同程度的变形。当迎风建筑物带台阶且台阶总降幅较大，背风建筑物含台阶或

廊道结构，街谷内迎风面、背风面及近地面污染物浓度值均低于平顶工况，此类

街谷布局形态有利于街谷内污染物扩散。

背风建筑物的廊道结构及廊道高度对街谷内流场影响不大，街谷内均生成一

个大的顺时针旋涡，旋涡中心位于街谷中心附近位置，且当背风建筑物的廊道高

度较高时，廊道内均形成逆时针小旋涡，导致背风建筑物廊道内污染物浓度升高，

但当背风建筑物的廊道高度不高时，廊道内均无明显气流现象。而迎风建筑物的

廊道结构及廊道高度对街谷内流场会产生影响，街谷内旋涡均发生了不同程度的

变形。

根据数值模拟工况的建筑物形状结构尺寸，采用 1:500 的模型比尺和在 5m/s

的来流风速下，通过风洞实验研究了 6种不同建筑物结构下的城市街道峡谷及 6

种孤立街道峡谷内污染物对流扩散。结果表明：城市街道峡谷内主要生成顺时针

旋涡，使得污染物朝背风侧聚集。而孤立街道峡谷内主要生成逆时针旋涡，街谷

内迎风侧污染物浓度高于背风侧。且以上几个城市街谷工况的数值模拟结果与风

洞实验结果吻合的较好，验证了数值模型的可行性。

关键词：建筑物结构城市街道峡谷 CFD 数值模拟风洞实验

ABSTRACT

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 environment research. The dispersion of atmospheric pollutants in urban

environments depends on the turbulent airflow around complex building structures. In

this study, the airflow and pollutant dispersion inside street canyons formed by various

building configurations (the step-like shape, galleries and asymmetrical structures are

considered) were investigated through both numerical simulation and wind-tunnel

experiment.

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

airflow and pollutant dispersion within astreet canyon wasbuilt up, which was based on

the incompressible N-S equations, standard k-



turbulence model and the pollutant

transportation equation. The airflow and pollutant dispersion within 48 kinds of street

canyons were simulated by using the FLUENT code under an inflow velocity of 5m/s.

The simulation results indicate that the airflow vortex structure and pollutant

distribution are highly relatedto the building structures:

The step-shaped structure building is one of the significant factors that effect the

airflow and pollutant dispersion inside street canyons. When lee building with stairs and

stairs total drop is large, the vortex structure change within street canyon, vortices can

also be to some extent distorted. When the windward building with stairs and stairs

always fall in the big, leeward building structure with stairs or corridor, valley in the

windward, leeward side of the street and near-ground concentrations of pollutants are

lower than the flat-top condition, so such street canyons layout conducive to diffusion.

Leeward buildings of corridor structure and the corridor height on street valley has

little effect on the airflow, street valley are generated a big of clockwise vortex, and

vortex center is located in street valley center, and when leeward buildings of corridor

height high, corridor within are formed counterclockwise small vortex, led to leeward

buildings corridor within pollutants concentration increased, but when leeward

buildings of corridor height not high, corridor within are no obviously airflow

phenomenon. Wind corridor structure and the corridors of the building height on flow

field within street canyon will have an impact, vortex takes place within street canyon

with varying degrees of deformation.

Under the inflow velocity of 5m/s, the pollutant dispersion inside 12 kinds of street

canyons (including 6 urban street canyon cases and 6 isolated street canyon cases)

formed by different shapes through wind-tunnel experiment using a model scale of

1:500. The results show that: In the urban environment, a large counter-clockwise

vortex is formed and makes the pollutant move to the leeward side; while passing across

the isolated street, the airflow is separated abruptly, which leads to the formulation of a

large clockwise vortex on the canyon and brushes the pollutants onto the windward side.

By comparing the wind-tunnel experiments with the simulated dates, the calculated

results agree reasonablely well with the tunnel experiment.

Key Word: Building structure, Urban street canyon, CFD,

Wind-tunnel experiment

中文摘要

ABSTRACT

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

1.1 课题研究背景及意义 ............................................. 1

1.2 街道峡谷简介及研究现状 ......................................... 2

1.2.1 街道峡谷简介 ............................................... 2

1.2.2 街道峡谷内污染物扩散的研究方法及研究现状 ................... 3

1.3 课题的提出及意义 ............................................... 6

1.4 课题研究内容及方法步骤 ......................................... 7

1.5 本章小结 ....................................................... 8

第二章城市街道峡谷内污染物扩散的数值模拟理论基础及数值模型建立 .... 10

2.1 计算所采用的城市街道峡谷结构尺寸 .............................. 10

2.2 计算流体动力学理论基础 ........................................ 13

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

2.2.2 污染物对流扩散方程 ........................................ 18

2.2.3 计算域和边界条件 .......................................... 19

2.2.4 网格划分 .................................................. 20

2.2.5 数值算法 .................................................. 21

2.3 本章小结 ...................................................... 21

第三章城市街道峡谷数值模型验证与分析 .............................. 22

3.1 德国汉堡大学风洞实验介绍 ...................................... 22

3.2 模型验证与分析 ................................................ 24

3.3 本章小结 ...................................................... 25

第四章不同建筑物结构下城市街道峡谷内气流运动及污染物扩散的数值模拟分

析 ................................................................. 26

4.1 不同建筑物结构形态下城市街道峡谷内流场数值分析 ................ 26

4.2 不同建筑物结构形态下城市街道峡谷内污染物扩散的数值模拟结果分析 42

4.2.1 城市街道峡谷内迎风面及背风面污染物分析 .................... 43

4.2.2 城市街道峡谷内近地面污染物扩散模拟分析 .................... 48

4.3 本章小结 ...................................................... 55

第五章不同建筑物结构下城市街道峡谷内污染物对流扩散风洞实验 ........ 56

5.1 上海理工大学环境风洞概况 ...................................... 56

5.2 风洞实验设备、实验模型与测量方法 .............................. 59

5.2.1 实验设备 .................................................. 59

5.2.2 实验模型 .................................................. 59

5.2.3 测量方法 .................................................. 63

5.3 风洞实验 ...................................................... 63

5.3.1 实验原理 .................................................. 63

5.3.2 实验步骤 .................................................. 64

5.3.3 实验结果及其分析 .......................................... 65

5.4 本章小结 ...................................................... 78

第六章结论及展望 .................................................. 79

6.1 结论 .......................................................... 79

6.2 展望 .......................................................... 80

参考文献 ........................................................... 81

附录 .............................................................. 86

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

1.1 课题研究背景及意义

城市是人类社会经济、文化发展的产物，人口密度高及机动车保有量大是当

前城市的突出特点。国家最新颁布的《环境空气质量标准》[1](GB3095-2012)，将

二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、颗粒物（粒径

≤10μm 和粒径≤2.5μm）认定为环境空气污染物中的首要污染物。机动车排放所形

成的交通污染已成为国内外大都市中空气污染的最主要来源。且机动车尾气中存

在大量的一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物等[2]对人体有毒害的气体。机动车尾气

中对人体有毒害作用的气体和可吸入颗粒物可对人体呼吸系统、免疫功能等产生

严重的危害 [3]，从而对人类的生命健康安全产生巨大的影响。

由两侧都是连续高大建筑物组成的相对狭长街道称为街道峡谷，是城市的基

本组成部分。车辆在街谷内行驶时，经常有启动、怠速、减速等操作，使得 CO、

CO2、氮氧化物等排放量不断增加。同时，由于城市空间的狭小及道路数量的不足

和交通的拥堵，使得机动车排放的尾气不易扩散，以致在城市街道峡谷中，可观

测到高浓度的污染物[4]。并且机动车尾气排放高度正好接近于人的呼吸带高度，对

街道行人及两侧建筑物内居民的健康造成很大的威胁[5]。

而在城市中交通污染物的扩散主要是受到风、大气湍流、温度层结、大气稳

定度[6]以及地面建筑物布局等的影响，其中城市建筑物结构布局对大气湍流影响过

程起主要作用。污染物在开阔的大气环境中稀释扩散主要受自然气候条件影响。

然而，大都市中建筑物林立，街道空间相对狭小，交通污染物在街道里的扩散还

受制于城市中建筑物的结构布局。建筑物会改变自然来流风的速度及方向，进而

改变街道附近的气流场，从而影响污染物的扩散。例如，当自由来流风流经高大

的建筑物时，在迎风面上会有下沉作用，把污染物带往建筑物的下方，使建筑物

附近地区污染物浓度较大。而当来流风越过建筑物后，又会在背风面下滑并产生

涡流，使得原本在高空的污染物重新回到地面，加重该地区的污染状况。因此，

建筑物布局是影响城市交通污染物扩散的重要因素之一。因为风是人为力量难以

控制的，因此通过改变建筑物的结构形状及建筑布局来控制城市交通污染物的对

流扩散有着比较实际的价值。

城市街道峡谷内环境污染问题已相当严重，所以分析城市街道峡谷内气流场

和污染物的扩散规律，以及近地面附近空气的污染状况是十分必要的，也已成为

如今环境领域研究的一个热点问题[7]。

上海理工大学硕士学位论文

1.2 街道峡谷简介及研究现状

1.2.1 街道峡谷简介

狭义意义上的街道峡谷是指两侧都有连续高大建筑物的相对狭长街道，是典

型的一种建筑物结构布局形态，此概念由 Nicholson[8]最初提出，但现在，这一概

念已得到拓展[9]，广义上来讲，相对狭长的街道两侧的高大建筑物在不连续、存在

一部分空白或缺口时，也可称为街道峡谷。一个典型的街道峡谷剖面图，如下图

1-1 所示。

背

风

面

迎

风

面

风向

街道

迎风建筑物背风建筑物

图1-1 典型街道峡谷剖面示意图

典型的街道峡谷主要由三个部分构成，即迎风建筑物与它的背风面、街道、

背风建筑物及其迎风面。如上图 1-1，其中 H表示建筑物的高度，W代表街道宽

度。街道峡谷的建筑物高度与街道宽的比值即 H/W,简称为街谷高宽比，其能表征

街道峡谷的某种特性。类似的还有街谷长高比等。

依据不同的分类基准可将几何形态各异的街道峡谷划分为不同的类型。其主

要的分类为：

（1）按街谷高宽比，如图 1-2（a）所示，当 H/W1时，我们称之为理想街

道峡谷；当 H/W0.5 时，我们称之为宽街谷；当 H/W2时，为深街谷。

（2）按街谷长高比，如图 1-2（b）所示，L为街谷长度，当 L/H3时，我们

称之为短街谷；当 L/H5时，为中街谷；当 L/H7时，为长街谷。

（3）按对称性，如图 1-2（c）所示，若街道两侧的建筑物高度大致相等则为

对称街道峡谷，否则为非对称街道峡谷[9]。

（4）按建筑物是否孤立分，如图 1-2（d）所示，当街谷上下游无其它建筑物

时，称之为孤立街道峡谷；若街谷的上下游还存在与街道峡谷迎风建筑物和背风

建筑物平行的其它建筑物时，则为非孤立街道峡谷，即城市街道峡谷。

理

想

街

谷

H/W≈1 H/W < 0.5 H/W≈2

宽

街

谷

深

街

谷

图2-2（a）

第一章绪论

（a）

L/H≈3短街谷

L/H≈5中街谷

L/H≈7长街谷

(b)

对

称

街

谷

H1≈H2

图2-2（c）

非

对

称

街

谷

H1H2H2

H1≈H2

(c)

孤立街道峡谷非孤立街道峡谷

图2-2（d）

(d)

图1-2 街道峡谷类型示意图

1.2.2 街道峡谷内污染物扩散的研究方法及研究现状

国内外对街道峡谷内部污染物迁移扩散的分析研究起源于上世纪六十年代。

研究者们陆续建立了一些用来模拟分析街谷内部污染物浓度分布以及流场分布的

模型，并开发出了大量街道峡谷内污染物的迁移扩散模型，这些模型在城市规划、

大气污染防治、交通管理及机动车数量、污染预测与人口控制间的影响中均得到

了简单的应用。目前主要有三种方法应用于研究街道峡谷内部的污染物扩散迁移

规律，即实地测量法、风洞实验法及数值模拟法。

（1）实地测量法

实地测量法即在连续的一个时间段内，对街道峡谷及其两侧建筑物自然通风

房间内大气污染物的浓度进行连续监测，并对测试结果进行研究分析，得出其相

互间的关系规律。而且现场实测的数据可靠性高，但实地测量法在实际实施过程

中往往受到诸多条件的限制，一般城市环境监测在数量上和方位上的布点也是有

限的。但实地测量法作为对其它研究方法的一种验证手段，其仍是非常重要并且

可靠的一种研究方法。

Gerdes[10]分析了当来流风向垂直于街道峡谷时，对称街道峡谷与非对称街道

上海理工大学硕士学位论文

峡谷中流场、浓度场的分布情况，发现街谷上下游建筑物对街道峡谷中的污染物

浓度分布有重要影响，另外，街道峡谷双侧建筑物的高度比值对污染物浓度分布

的影响程度大于街道峡谷宽度的影响。

谢少东[11]等采用自动取样系统对广州市城市街道峡谷内交通污染物进行了三

维空间分布上的监测。结果表明，街谷建筑物屋顶的气流分布决定街谷内交通污

染物在水平方向以及垂直方向上的平均浓度，此外，背风面污染物平均浓度比迎

风面污染物平均浓度高出约一倍多。

Kukkonen[12]等人采用实地测量法对街道峡谷内的污染情况进行监测，在街道

和屋顶高度上每小时对 CO、NOx、NO2和O3的浓度监测一次，后者主要是为了

测量城市近地面处的污染物浓度分布。

叶春等[13]在上海某典型城市街道峡谷内按一定的空间布设监测点，在一定时

段内同时对各监测点进行采样，并分析一氧化碳浓度，同时记录车流量、车辆种

类、气象条件等，分析城市街道峡谷内污染物的浓度分布规律，发现建筑物低的

一侧污染物浓度远高于建筑物高的一侧，街谷两侧的污染物浓度随着建筑物高度

的增加而降低。

Kumar 等[14]对英国剑桥一个街道峡谷内粒径为 5-1000nm 的颗粒物进行测量，

发现粒径大的颗粒物主要集中在近地面及污染源附近。

（2）风洞实验法

风洞实验基于相似性原理采用实验手段模拟街道峡谷内部的流场特性，预测

污染物在街谷内的迁移扩散情况。能否在风洞中复现出大气边界层的热力学与动

力学重要特征是该方法的关键之处。若风洞实验模拟不满足一组相似准则，则会

产生由不充分的边界条件及不完全准确的比例换算而导致的误差。该方法可为其

它复杂的扩散模型提供参考和验证。近年来国内外有学者通过物理风洞实验法研

究了街道峡谷内的气流运动和污染物扩散规律。

Meroney[15]等采用大气边界层风洞试验，分析了城市街道峡谷的几何尺寸、屋

顶形状等对街谷内污染物分布扩散的影响。其利用线源模拟街谷内机动车尾气的

排放，采用抽样的方法测量目标街谷建筑物壁面处的污染物浓度。

Kovar-Panskus[16]等通过风洞实验，研究了太阳辐射热能对峡谷内气流的影响，

发现峡谷迎风侧的受热会影响峡谷底部的小旋涡生成。

Kastner-Klein[17~21]等在 Karlsruhe 大学环境风洞中进行了示踪实验，研究发现

街道峡谷两侧建筑物顶部形状、建筑物尺寸、上游建筑结构、街谷高宽比、峡谷

的对称性及风向等都是重要的影响因素。

1994 年周洪昌[22]等在北京大学的环境风洞（试验段尺寸为 2×3×32m）中研究

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