不同来流风向下Y型城市道路交叉口污染物扩散规律的研究
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摘 要
城市道路交叉口是城市交通的关键组成部分，城市道路交叉口的车流量大、
密度集中，各种机动车辆的运动也很复杂，造成机动车尾气排放率增大。同时，
城市交叉口周围的高层建筑阻碍了污染物在大气中的扩散，而大量行人聚集在交
叉口停车线前，长时间暴露于污染物中，严重影响了身体健康，因此深入研究交
叉口处的污染物对流扩散规律具有重要的现实意义。机动车尾气在城市道路交叉
口的扩散情况主要由周围的流场所决定，而该流场受到来流风向的影响极大。国
内外对于城市交叉口处的污染物对流扩散规律的关注越来越多，但是主要考虑的
都是不同街道布局和形态对污染物扩散的影响，还没有广泛应用 CFD 方法对来流
风向的变换进行研究。本文采用 CFD 数值模拟的方法，研究不同来流风向条件下
Y型城市道路交叉口内的空气通量、气流运动、旋涡结构特征和污染物扩散分布
的情况，分析不同来流风向对交叉口内气流运动和污染物扩散的影响。同时针对
四种不同布局的城市道路交叉口处的污染物对流扩散进行了风洞实验，对数值模
拟的结果进行了验证分析。
采用三维不可压缩流动的时均化 N-S 方程、标准 k-ε湍流模型和污染物对流扩
散方程，建立起 Y型城市道路交叉口内气流运动和污染物扩散的三维数值仿真模
型。在 ANSYS FLUENT 14.5 平台上对所建立的模型进行数值求解。
本文通过对八种不同来流风向下的 Y型交叉口内气流运动与污染物扩散进行
了三维数值模拟。结果表明交叉口内气流运动、旋涡结构、空气交换量和污染物
分布与自由来流风向密切相关：
(1) 交叉口中心垂直方向的空气交换程度与来流风向有直接关系。在 0°到135°
和-0°（即 180°）到-135°两个风向区域内，来流风向与截面 S4 的空气通量分别成
抛物线形式。而 0°和180°时空气通量的绝对值最小，此工况下污染物最不易于扩
散。来流风向绝对值相等时，其各个截面上的通量大小基本相等。不同工况下该
街道内相同位置处的空气通量减少和增加的幅度差不多，即图形大致关于θ的某
个值对称。
(2) 随着来流风向的变换，各街道内的气流流场均变化很大。与来流风向不平
行的街道入口往往更容易形成漩涡，同时由于漩涡的影响，入口处迎风面的流场
强度往往大于背风面。而与来流风向平行的街道出口处更容易形成双漩涡。交叉
口内流场密集风速很大，而在建筑物的后侧，流场强度往往很小。
(3) 不同来流风向会影响 Y型城市道路交叉口的污染物扩散，近地面的污染物
扩散在 θ=0°的工况中，污染物浓度很高，污染物没有扩散到街道外。在θ=90°的
工况中，来流风向与污染源平行，污染物扩散能力最强，浓度最低。且街道一和
街道三内的污染普遍比街道二严重。
(4) 不同街道的同一样本点在不同来流风向下的无量纲浓度随高度变化曲线
各不相同，但是总体趋势通常都是随着垂直高度的增加逐渐降低。但是由于街道
二内污染不严重，因此街道二的两个样本点在工况 2、5、6、7、8的无量纲浓度
值始终接近于零，几乎不随高度发生改变。
本次风洞实验使用线源污染物发放装置，集成一套污染物瞬态浓度场激光片
光监测系统。做好实验前期工作后，对 Y型交叉口内的污染物扩散分布进行风洞
实验研究，得到相应工况的污染物分布图。通过对交叉口内污染物分布的数值模
拟结果和风洞实验结果进行对比分析，得出数值模拟结果与风洞实验结果定性一
致。同时证明了采用标准 k-ε湍流模型模拟交叉口内气流运动和污染物扩散的可靠
性。
本研究的成果对于城市道路交叉口建筑布局、交叉口道路设置、城市交通规
划以及环境监测中科学合理布设测试点位置具有指导意义。
关键词：不同来流风向 Y型交叉口 风洞实验 数值模拟
ABSTRACT
The urban street intersection is the key component of the urban traffic. Large urban
intersection traffic, concentration, all complicated kinds of motor vehicle movement
cause motor vehicle exhaust emissions increased. At the same time, the high-rise
buildings around the urban intersection hinder the diffusion of pollutants in the
atmosphere, and gathered a large number of pedestrians in the intersection exposure to
pollutants for a long time, seriously affected their health, thus further study of
intersection convection diffusion of pollutants has important practical significance.
Motor vehicle exhaust diffusion of the main streets in the city intersection is determined
by the flow around, and the flow field is affected by the wind flow. More and more
attention has been drawn at home and abroad of pollutants convection diffusion
regularity of urban intersection, but the main consideration is the influence of different
street layout and form of pollutant diffusion. The method of CFD to change wind flow
has not been widely used. This article adopts the method of CFD numerical simulation,
studying the Y type under the conditions of different wind flow inside the urban
intersection to analyze the influence of different wind flow to air flow movement and
pollutant diffusion.
Using the three dimensional incompressible flow homogenization navier-stokes
equation, the standard k - epsilon turbulence model and the pollutants convection
diffusion equation, build Y type air flow movement and three-dimensional numerical
simulation of contaminant distribution in the model.In ANSYS FLUENT 14.5 platform
to conducted the established numerical model.
This paper includes eight different directions of airflow in the intersection. The
results show that airflow in intersection movement, vortex structures, air exchange
capacity and pollutant distribution is closely related to the direction of the wind:
(1) Air exchange in vertical direction is directly related to wind direction. In 0° to
135° and -0° (180°)to 135° two wind area, wind flow and section S4 air flux is into a
parabola form. When the direction are 0° and 180°, the absolute value of the air flux is
minimum, the pollutants under which condition is not easy to spread. When the absolute
value of wind flow is equal, the flux on each cross section is basic equal. Under
different working conditions of the streets in the same location , if their air flux decrease
and increase ,the graphic is roughly symmetrical about a value of X.
(2) As the wind flow to transform, the air flow field were changed a lot.And wind
flow to the unparallel street entrance is often easier to form vortex, at the same time
because of the influence of vortex at the entrance, the windward surface flow field
intensity is often greater than the leeward side. And parallel to the wind flow the street
is more likely to form double vortex at the exit. The wind speed in the intersection is
large, and at the back of the building, the flow field is often very small.
(3) Different wind flow affect Y-type urban street intersection pollutant diffusion.
When θ = 0°, high concentrations of contaminants pollutant can not spread to the
outside of the streets. When θ = 90°, because wind flow is parallel to the pollution
source, pollutant diffusion is most powerful. Street 1 and street 3 is common more
polluted than street 2.
(4) The same sample points of the different streets in different dimensionless
concentration with height curve of wind flow are not identical, but the overall trend is
usually reduced gradually with the increase of vertical height.But because of pollution
in the street not serious, so the street 2 of three sample points in the condition of 2, 5, 6,
7, 8, the nondimensional density is always close to zero, almost not changed with
height.
A line source distribution attached to the large environmental wind tunnel were
designed, and a light-monitoring system in the transient laser sheet for pollutant
concentration was formed. On this basis, the Y-type intersection distribution of pollutant
diffusion in the wind tunnel experiments, the distribution of pollutants at corresponding
operation. Based on the distribution of pollutants in the intersection of the results of
numerical simulation and wind tunnel experimental results, this paper compares and
analyzes the results of numerical simulation and wind tunnel experimental results
qualitatively. At the same time proved that the standard k - epsilon turbulent air flow
movement to simulate intersection is reliable.
This research results show that it has guiding significance for urban road traffic
planning, urban road intersection layout and the environmental monitoring in the
scientific and rational arrangement of the test point position.
Key Word: different wind direction, y-type intersection, CFD, wind
tunnel experiment
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ......................................................... 1
1.1 研究背景 ....................................................... 1
1.1.1 空气污染现状 ............................................... 1
1.1.2 城市道路交叉口污染现状 ..................................... 4
1.1.3 污染物扩散的影响因素 ....................................... 4
1.2 交叉口气流运动与污染物扩散研究方法 ............................. 6
1.3 论文的目的、意义及主要内容 ................................... 9
1.4 研究创新点 .................................................. 10
第二章 Y 型城市道路交叉口内气流运动与污染扩散的数值仿真模型构建 ..... 11
2.1 城市道路交叉口简介 ............................................ 11
2.2 CFD 模型 ...................................................... 12
2.2.1 气流运动控制方程 .......................................... 13
2.2.2 污染物对流扩散方程 ........................................ 18
2.2.3 网格技术 .................................................. 19
2.2.4 数值算法 .................................................. 21
2.3 本章小结 ...................................................... 21
第三章 不同来流风向下的 Y型交叉口处的气流运动及污染物扩散的数值模拟 22
3.1 Y 型交叉口的物理模型 .......................................... 22
3.2 数学模型 ...................................................... 23
3.2.1 控制方程 .................................................. 23
3.2.2 网格划分 .................................................. 25
3.2.3 边界条件 .................................................. 26
3.2.4 数值计算 .................................................. 28
3.3 空气通量及交叉口流场分析 ...................................... 29
3.3.1 交叉口垂直通量分析 ........................................ 30
3.3.2 三个街道各截面空气通量分析 ................................ 31
3.3.3 交叉口处流场分析 .......................................... 34
3.4 污染物扩散分析 ............................................... 40
3.4.1 近地面污染物浓度分析 ..................................... 40
3.4.2 无量纲浓度 K的分析 ....................................... 45
3.5 本章小结 ...................................................... 50
第四章 Y 型城市道路交叉口内污染物对流扩散的风洞实验 ................. 52
4.1 风洞简介 ...................................................... 52
4.2 上海理工大学环境风洞概况 ...................................... 53
4.3 Y 型城市道路交叉口风洞实验 .................................... 57
4.3.1 实验目的及意义 ............................................ 57
4.3.2 实验仪器、设备和实验模型 .................................. 57
4.3.3 测量方法 .................................................. 60
4.3.4 实验步骤 .................................................. 61
4.3.5 实验结果 .................................................. 62
4.4 本章小结 ...................................................... 64
第五章 数值模拟与风洞实验对比分析 .................................. 65
5.1 Y 型交叉口内污染分布数值模拟与风洞实验对比 .................... 65
5.2 本章小结 ...................................................... 67
第六章 结论与展望 .................................................. 68
6.1 结论 .......................................................... 68
6.2 展望 .......................................................... 69
附 录 .............................................................. 70
参考文献 ........................................................... 72
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 82
致 谢 .............................................................. 83
第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 研究背景
大气环境质量状况和人们的日常生活以及身心健康密不可分，当大气环境受
到污染，人们就可能出现各种不适症状，尤其是心肺患者会症状加剧。近几年来，
全国发生的大规模的雾霾天气成为了公众的焦点关注，这也已经成为了当前最热
的环境问题之一。经济的迅猛增长，使得我国工业化、城镇化快速发展，但同时
机动车持有量和能源消耗的大幅度增长[1]，也使得大气环境的负担更加沉重，城市
空气污染问题日益突出[2]。环境大气质量特别是城市环境大气质量受到了严重的污
染，这不仅对社会经济的可持续发展造成了严峻的考验，还成为威胁人民身心健
康的巨大挑战[3]。因此，深入探讨研究城市大气气流运动和大气污染物的扩散规律，
促进自然与经济的和谐进步，具有极其重要的指导和现实意义。
1.1.1 空气污染现状
(1) 我国城市空气污染情况
2013 年年初到 2014 年年底，在我国的中东部地区出现了反复的雾霾天气，这
种现象给城市交通运输、社会工业生产以及人民群众的健康带来了严重的影响。
尤其是在珠三角、长三角和京津冀地区，雾霾天气出现的频率更高，影响更为严
重[4]。造成雾霾天气的原因有很多，主要原因有：持续强化的煤碳能源结构，急速
增长的城市机动车持有量，大幅度增长的工业污染物排放，星罗棋布的施工现场，
相对薄弱的污染排放监控力度，主要空气污染物排放的总量远远超出了自然环境
的环境容量等[5,6]。从我国环境监测总站公布的数据可以看出，2013 年，全国 70
个城市的平均达标天数为 54.8%，其中严重污染比例为 2.8%[3]；其中京津冀地区的
空气污染最为严重，京津冀地区 13 个城市平均达标天数为 31.0%，其中严重污染
比例为 26.2%[7]。监测数据同时显示，2013 年，我国平均雾霾天气日为 20 天，比
往年同期多出 8天，尤其是上海、北京、广州、天津等大中型城市，曾连续多天
出现雾霾日[8]。
重庆是全国大气污染的重灾城市之一，大气污染问题已经严重影响了重庆的
经济发展和该市居民的身体健康。不少大气污染控制工程专家和学者针对重庆的
空气质量及污染的展开了相关的研究。例如刘等[9]对2002－2007 年六年间的重庆
市环境空气质量资料做了相关数据统计，对重庆的环境污染现状进行分析，并研
究了重庆市区空气质量特点和对空气污染造成影响的条件。
在过去的二三十年里，空气污染的类型也已经悄然发生了变化。伴随着我国
城镇化、工业化的迅猛发展，大气中的主要污染源已经由扬尘、工业、燃煤转变
上海理工大学硕士学位论文
2
为燃煤 、机动车、工业 、扬尘等。城市已经进入了新型的复合型大气污染阶段，
雾霾、沙尘暴等污染问题日益严峻。在主要的空气污染物中，传统的污染问题，
如总悬浮颗粒物（TSP）、二氧化硫（SO2）、以及可吸入颗粒物（PM10）等仍未曾
解决，氮氧化物（NOx）、细颗粒物（PM2.5）、氨氮（NH3）及挥发性有机物质（VOCs）
等排放量又出现了明显的上升趋势。城市空气污染的范围也不断扩大，由煤烟型
污染转变为如今的烟煤型污染、光化学污染、酸雨、灰霾/细粒子、以及有毒有害
物质污染[10]。同时，可吸入颗粒物（PM10）已经成为影响城市空气质量的首要污
染物[11]。我国的城市空气污染正处于从煤烟型向机动车尾气型污染过渡的阶段，
呈现出机动车尾气型和煤烟型污染共存的复合型污染[12]。这种复合型污染的特征
是多尺度相关联、多种污染物并存、多个过程产生耦合、多污染源相互叠加、多
种介质彼此影响。区域性的光化学烟雾、空气雾霾以及酸沉降已经成为空气污染
的新形式。
2014 年1月，中国国家环境保护部发布了《2013 年中国机动车污染防治年报》，
年报指出，2013 年我国的机动车持有量为 2.2 亿辆，机动车尾气排放是造成光化
学烟雾和灰霾的重要原因，汽车尾气已经是我国空气质量变差的不可忽视的原因
之一[13~15]。造成这种污染的主要原因是由于机动车燃烧不完全[16]。因为燃烧不彻
底产生的废气主要成分是 CO、HC、NOx、CO2、各种微粒等[17]。有资料显示，每
消耗 1公升汽油可以排放 2 7 kg CO2。碳氢化合物里含有可以刺激人眼的醛类和可
以强烈致癌的物质，恰恰是污染最为严重的排放物质[18]。同时，因为大多数机动
车往往行驶在人口密集的区域，这一现象导致机动车尾气排放直接威胁人民群众
的身体健康。据估算，在未来的 3～5年间，我国新增机动车数量将在 1亿辆以上，
新增机动车车用汽/柴油将消耗 1亿～1.5 亿吨[14]，这将给我国大气环境带来前所未
有的巨大压力[19]。年报中还指出，从不同车型来看，CO 的排放量中，汽车为 2865
万吨，百分比为 82.5%；摩托车为 590 万吨，百分比为 17.0%；低速汽车为 16 万
吨，百分比为 0.5%； HC 的排放量中，汽车为 345 万吨，百分比为 78.7%[20]；低
速汽车为 17.6 万吨，百分比为 4.1%；摩托车为 75.4 万吨，百分比为 17.2%；NOx
排放量中，汽车为 582.9 万吨，百分比为 91.1%；低速汽车为 46.6 万吨，百分比为
7.3%；摩托车为 10.5 万吨，百分比为 1.6%；PM 排放量中，汽车为 59.2 万吨，百
分比为 95.2%[21]；低速汽车为 3.0 万吨，百分比为 4.8%。由上面的数据可以看出，
汽车排放的 PM 值和 NOx 量都已经超出机动车总排放量的 90%，同时，HC 排放
量和 CO 排放量都超出机动车排放总量的 70%[21, 22]。因此，污染物总量的最主要
贡献者是汽车[23]。影响机动车污染物排放的因素主要有：1) 技术类影响因素，此
类因素可以直接决定机动车污染物的排放等级,技术类影响因素主要包括发动机技
第一章 绪论
3
术、尾气排放技术、发动机排量等；2) 使用类影响因素，如行驶累计里程、机动
车维护状况等[24]。3) 行驶状态类影响因素，如机动车启动方式、油品质量、实际
负载、环境温度、行驶模式等等[25]。与工业污染物常常排放到高层大气不太一样，
汽车尾气往往排放到近地面的大气中，而机动车尾气的排放范围正处于人体的呼
吸带高度，因此机动车尾气对人体健康有着更加直接和深重的危害[26]。机动车尾
气不但会对人的呼吸系统造成危害，增加人体呼吸困难和气管炎的发病率，还会
引起人群肺功能降低，同时机动车尾气中携带的细颗粒物等还会导致人体神经系
统、心血管系统、生殖功能和免疫系统产生一定的损害[27, 28]。根据美国南加州大
学的研究发现，家庭住宅离道路交叉口近的学生，肺活量往往要比家庭住宅离道
路交叉口远的学生低 3％。国内刘美娟教授的研究也指出，儿童如果沿街居住会导
致其哮喘的发生率增高，研究还指出儿童其他呼吸道疾病的发生率伴随住宅与交
叉口距离的接近呈上升趋势。
目前，我国有关汽车尾气排放标准的政策法规已初见雏形，逐渐完善[29]。然
而整体而言，在法律法规的落实过程中汽车尾气排放的监管与控制仍处在较低的
水平阶段。因为在实施过程中存在一些难以抗拒的因素，或实施起来过于繁琐困
难，例如：《大气污染防治法》中规定机动车尾气排放污染的抽查点布置在机动车
停靠的地方，但对于道路中央行驶中的机动车却难以进行动态监控；又如《道路
交通安全法》没有明确提出机动车尾气排放污染的惩治，有关交管部门对于尾气
超标的机动车不能扣留其行驶证、驾驶证或超标车辆，造成尾气超标排放的机动
车辆的车主逃脱交管部门的惩罚，可以忽视尾气超标车辆的修理，大大削弱了有
关机动车抽检部门的执法力度[30]。
(2) 全球范围的空气污染
韩国首尔、大邱、釜山三大城市在 2009—2014 年间，NO2浓度显著上升，可
吸入颗粒物浓度比发达国家高 2～4 倍，CO2的排放比例由 2007 年的 84.4%一路
飙升到如今的 89.5%。根据 IEA2011 年度报告显示，韩国的 CO2排放量位居世界
第九位，并且由于韩国国内经济迅速增长，同时能源产业结构多元化发展，导致
CO2排放量仍持续增加[31]。
在欧洲的发达国家，NOX和SO2的排放往往与发电厂化石燃料的使用密切相
关。资料显示，1970 年以来美国机动车总里程数增长幅度超过 150%，值得庆幸的
是机动车尾气中的 NOX和SO2含量并没有明显提升，这要归功于美国更严格的机
动车引擎和燃料标准。但情况并非都是如此，世界上绝大多数发展中国家，由于
经济发展的需要，机动车、发电厂和工厂数量日益增加，但是这些国家并没有研
发更加清洁的技术或者制定更加严格的标准[14]。自 1990 年以来，发展中国家的大
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作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：87 页
大小：5.54MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
