2018, Vol. 38
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2. 长安大学建筑学院, 西安 710061
2. College of Architecture, Chang'an University, Xi'an 710061
随着中国经济的不断发展和城市化进程的持续向前推进, 城市规模不断增大, 建筑高度、人口密度随之不断提升(王建国, 2009)；私家车保有量的持续上升导致汽车尾气污染物的排放量不断增加(曹国良等, 2011), 交通拥堵现象也日益严重, 部分大城市(如北京、上海等)通过大量建设高架桥以缓解交通压力.与此同时, 不同形态的城市街谷相继涌现, 抑制了来流风对街谷内污染物的清除作用, 风速死角处淤积的高浓度污染物严重威胁着居民日常生活健康(Cooke et al., 2007；胡彬等, 2007).这引起了众多学者的重视, 现有研究表明, 街谷内流场和污染物的扩散受高宽比(赵宝芹等, 2005)、建筑结构形态(谢晓敏等, 2005)、大气温度(Dallman et al., 2014)、城市绿化(Gromke et al., 2015)、来流风场(王乐等, 2012；朱继宏等, 2015)、交通诱导湍流等多重因素的影响, 高架桥的引入进一步增加了街谷内污染物扩散的复杂程度.李鹏飞等(1999)通过现场观测分析了造成城市高架道路下CO浓度差异的原因, 认为高架桥会犹如盖子一样阻碍街道尾气的扩散.王嘉松(2002)模拟确认了高架道路与峡谷等高会形成“盖子效应”.蒋德海等(2006)、张传福等(2012)和李政桐等(2017)进一步模拟发现, 高宽比越大, 高架桥街谷内污染物浓度越高.Kondo等(2009)则在高架道路两侧的建筑物上设置仪器对NOx进行采样, 发现高架桥街谷污染物浓度值均超过背景值.李志远(2016)实测表明, 高架桥街谷污染物分布不符合爬墙效应, 沿高度方向可吸入颗粒物浓度先逐渐减小, 在超过高架路面高度后突增.
必须指出的是, 目前对街道峡谷内污染物分布和扩散特性的研究大都集中在结构简单的单层高架上, 而对于现已建成并且不断发展的含双层乃至多层高架城市街谷(如上海南北高架)鲜有涉猎, 而随着城市化发展的不断加速, 可以预见多层高架定会成为未来大型都市的常态建设, 大量建成的高架桥在街谷中引入更多的汽车通量, 造成尾气排放量增加的同时, 其复杂的结构会抑制街谷中的空气流通和污染物扩散, 对人体健康造成伤害.基于此, 本研究以双层高架桥理想街谷为研究对象, 考虑高架桥的结构、高度和宽度等重要几何参数, 分析双层高架桥对街谷内空气流场和CO浓度场分布规律的影响.
2 计算模型与方法(Calculation model and method) 2.1 计算模型高架桥街谷模型如图 1所示, 两侧建筑物高度为40 m, 建筑物宽度为20 m, 两建筑物之间的街道峡谷宽度为40 m, 构成高宽比1:1的理想街谷.考虑单个车道宽度为3.5 m, 设地面污染源为双向八车道, 每个单向车道宽度D为14 m, 与建筑距离S为3 m, 单向车道之间距离F为6 m；低层高架桥高度为H1, 宽度为G1, 与建筑距离为L1；高层高架桥高度为H2, 宽度为G2, 与建筑距离为L2.表 1中明确显示出各模型物理参数.考虑到CO性质稳定, 选取CO作为尾气的重要指示标准, 假设CO的排放强度Q为0.001 g·s-1·m-1(Chan et al., 1996).环境风速入口为速度入口边界, 来流风自左向右垂直于街道, 出口边界设置为自由出流, 顶部设置为对称边界条件, 地面污染源和高架桥桥面都设为质量入口, 其余面为绝热墙体.
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| 图 1 街谷模型示意图 Fig. 1 Street model schematic |
| 表 1 模型概况 Table 1 General situation of model |
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标准k-ε方程(黄远东等, 2008)在湍流模型中具有计算时间少、准确性好、预测结果好的优点.在街道峡谷内数值计算中, 采用FLUENT-6.3.26为基本程序, 将来流空气按照不可压缩流动处理, 认为流动是稳态绝热的, 控制方程包括质量守恒方程(式(1))、动量守恒方程(式(2))、标准k-ε方程和组分输运方程.采用有限容积法离散控制方程, 控制方程的离散采用二阶迎风格式(Nazridoust et al., 2006), 计算精度为0.00001.
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以Navier-Stokes方程为基础, 采用标准k-ε湍流模型计算流场, 其方程表达式为：
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街道峡谷高架桥模型的机动车污染物扩散控制方程为：
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式中, xi、xj分别为i、j方向上的坐标; ui、uj分别为空气流体时均速度在i、j方向上的分量(i、j=1、2且i、j可以相等；i、j=1表示x方向, i、j=2表示y方向)；ρ为空气的密度, 取值为1295 g·m-3；p为压力(Pa)；δij为克罗内克尔张量; k为湍动能(m2·s-2); ε为湍动耗散率(m2·s-3); ηt=Cμρk2/ε, 为湍流动黏性系数(kg·m-1·s-1)；K为污染物湍流扩散系数.K=d+vc, d和vc分别为污染物的分子扩散系数和污染物的湍流粘性系数, vc=ηt/Sct, 通常Schmidt数取为定值, 即Sct=0.7；Q为污染源CO的排放强度(g·m-1·s-1)；Cμ、Cε1、Cε2为经验常数, Cμ=0.09, Cε1=1.44, Cε2=1.92；σk和σε分别表示湍动能k及耗散率ε对应的普朗特数, σk=1.0, σε=1.3(杨方, 2015).
为方便比较, 对污染物浓度进行无量纲化处理(顾兆林等, 2011), 其计算公式如下：
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(6) |
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, 取值为3 m·s-1.
2.3 模型验证为了对计算模型和计算方法进行可靠性验证, 以Meroney等(1996)的实验数据为基准, 按照本文所采用的离散模式、划分网格方法和控制方程绘制与风洞实验中相对应(60 mm×60 mm)的理想街谷数值模型, 取来流风速1 m·s-1下, 污染物释放量Qe=1.4 h-1、来流空气流量Qa=100 h-1的实验数据, 对无量纲CO浓度进行了对比.图 1反映了背风模拟与背风实测, 以及迎风模拟与迎风实测的无量纲浓度对比情况, C*趋势分布基本吻合, 表明本文所建立的模型及采用的计算方法, 能够很好地分析街谷的大气流场和污染物浓度场.
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| 图 2 数值模型与风洞实验的无量纲浓度对比 Fig. 2 Comparison of the nonsense concentration of numerical model and wind tunnel experiment |
采用实验验证后的计算方法对双层高架桥街谷污染物扩散问题进行了数值模拟.以上述6个模型为例, 在来流风速为3 m·s-1且来流风向垂直于街道走向的条件下, 分别模拟其街谷内部的污染物浓度和涡旋特性的分布规律, 计算结果如图 3和图 4所示, 图中X方向为试验桥梁宽度方向, Y方向为高度.
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| 图 3 不同模型下的流场特性(a.模型1, b.模型2, c.模型3, d.模型4, e.模型5, f.模型6) Fig. 3 Flow field characteristics in different modles |
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| 图 4 不同模型下的污染物分布规律(a.模型1, b.模型2, c.模型3, d.模型4, e.模型5, f.模型6) Fig. 4 The distribution of pollutants in different modles |
图 3a和图 4a显示模型1无高架桥的标准街谷, 其涡旋为一个顺时针大涡旋, 涡旋中心在街谷中心, 污染物在背风面爬墙效应明显.图 3b和图 4b显示模型2单层高架桥的标准街谷, 其涡旋形式基本保持原有形态, 单层高架上方产生绕流, 涡旋中心轻微向右上移, 近地面处污染物分布规律与无高架街谷较为相似, 高架桥上方存在的污染面源导致街谷中部污染物浓度升高.图 3c和图 4c显示模型3双层高架桥的标准街谷, 双层高架桥并没有改变涡旋的主形态, 涡旋中心继续轻微向右上移, 污染物分布规律与单层高架相近似, 双层高架污染面源的存在导致街谷中受污染区域进一步增大.图 3d和图 4d显示模型4双层高架桥的标准街谷, 除右上角的主涡旋外, 街谷内高架桥附近形成4个小涡旋, 高架排放的污染物随涡旋运动在街谷内部扩散, 使街谷内部污染物浓度分布更加均匀.而图 3e和图 4e显示模型5双层高架桥的标准街谷, 其右上角主涡旋与模型4较为近似, 污染物浓度分布规律也较为接近, 但下层高架桥附近的小涡旋只有一个, 污染区域在整个街谷内部占比极大.图 3f和图 4f显示模型6双层高架桥的标准街谷, 当双层高架的上层高架桥桥面与建筑顶部高度持平时, 流场结构与模型3、4、5都大为不同, 出现两个顺时针涡旋和两个逆时针涡旋, 导致污染物浓度分布极为不均匀, 爬墙效应完全被破坏, 污染区域在街谷内部占比较小；上层高架桥上排放的污染物绝大部分被来流风直接带走, 一小部分进入街谷内部；下层高架桥上排放的污染物被上部涡旋带到迎风面, 导致迎风面污染物浓度高于背风面污染物浓度；地面道路受街谷底部两涡旋的影响, 地面中心附近的污染物浓度高于地面道路两侧.
3.2 街谷内无量纲污染物浓度分布规律 3.2.1 近地面1.5 m处行人呼吸高度的无量纲CO浓度分布在近地面1.5 m处行人呼吸高度的无量纲CO浓度分布如图 5a所示, 含高架桥的街谷内CO浓度分布规律大致相似, 其中, 模型1~4中近地面处污染物浓度分布极为重合, 皆为机动车道路上方CO浓度最高, 街谷中心和靠近街谷背风面位置为CO高浓度聚积区, 靠近街谷迎风面位置浓度最低且距离道路越远浓度越低.模型5在街谷内部地面宽度0~20 m处的浓度较低, 在20~40 m处的浓度又与上述街谷相重合；模型6与模型1~5相比近地面的无量纲CO浓度最低, 且越靠近街谷背风面位置CO浓度越低, 由图 3f可知, 这是受街谷左下角的逆时针涡旋影响所致.
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| 图 5 距地面1.5 m(a)、迎风面1.5 m (b)、背风面1.5 m(c)及街谷中心(d)无量纲CO浓度分布 Fig. 5 Concentration distribution of dimensionless pollutants at pedestrian height(a), windward surface (b), leeside surface(c) at near 1.5 m and in the center of the street canyon |
在距迎风面1.5 m处沿地面高度1.5~39.5 m处每间隔1 m取40个点, 得出其无量纲CO浓度分布如图 5b所示.模型1无高架桥街谷CO浓度最低, 且均匀分布, 稳定在15左右；模型2单层高架桥街谷CO浓度为26；模型3的双层高架桥因流场结构与模型2单层高架桥街谷相似, 因而迎风面浓度分布近似重合, 模型3 CO浓度为30, 稍高于单层高架桥街谷的CO；模型4近地面处(1.5~20 m)处浓度最高, 在上层高架桥高度20~25 m处出现明显拐点, CO浓度明显下降, 在25~40 m处与模型3接近重合, 由图 3d可知其拐点的出现主要受右上方涡旋影响, 来流清洁空气将上层高架桥排放的CO带走, 使街谷迎风面上部浓度稀释, 而高架桥下方则因高架桥的阻挡, 导致地面与下层高架排放的污染物在街谷内部循环, CO浓度较高；模型5则是近地面处(1.5~10 m处)CO浓度最高, 在10~15 m低层高架高度出现明显拐点, CO浓度显著下降, 在15~40 m处与模型2、3的浓度分布规律重合, 由图 3e可知其拐点出现的原因与模型4相同, 直接受右上方的涡旋作用影响, 来流清洁空气能够有效带走高架桥排放的CO, 高架桥上部CO浓度显著降低, 因高架桥的遮蔽作用, 使得地面的CO浓度较高.模型6在迎风面处浓度最高, 对照图 3f可知受上层高架桥的影响, 街谷内部涡流将地面和下层高架桥排放的CO带到了迎风面, 受流场结构和涡旋特性的直接影响, 导致其迎风面CO浓度随着高度的升高而升高.
3.2.3 距背风面1.5 m处的无量纲CO浓度分布距背风面1.5 m处沿地面高度1.5~39.5 m处每间隔1 m取40个点, 得到其无量纲CO浓度分布如图 5c所示.模型1~5背风面CO浓度都是随着高度的升高而降低, 其中, 模型1无高架桥街谷的CO浓度自78降至45, 降低幅度最大, 其街谷环流的清洁能力较强；模型2、3的CO浓度分布近乎于完全重合, 表明其流场分布的相似性极高；模型4、5的CO浓度分布近似, 且CO浓度明显大于其它模型, 表明街谷内存在双层高架桥不利于CO的扩散；模型4背风面浓度在距地面高度1.5~20 m处降低速率较快, 在20~40 m处降低速率较慢；模型5的背风面浓度在距地面高度1.5~20 m处降低速率较慢, 在20~40 m处降低速率较快, 与街谷内部涡旋流场分布密切相关；模型6背风面的无量纲CO浓度最低, 其在距地面1.5~20 m高度处浓度升高, 而在距地面20~40 m高度处则逐渐降低, 其拐点出现在20 m处, 即低层高架所在高度, 由图 3f可知, 这是由背风面下部的逆时针涡旋与背风面上部的顺时针涡旋综合作用所致, 从而使该处出现CO浓度的拐点.
3.2.4 街谷中心无量纲CO浓度分布在街谷中心位置沿地面高度1.5~39.5 m处每间隔1 m取40个点, 得到其无量纲CO浓度如图 5d所示.模型1自1.5~10 m的CO浓度降低幅度极大, 在10~30 m处保持稳定, 在30~35 m处略有提升, 在35~40 m处再次降低；模型2、3的CO浓度在1.5~10 m及10~20 m处极为重合, 这是由其街谷底部流场特性的相似性所引起的, 在20~40 m处, 模型2的无量纲CO浓度保持稳定在40左右, 而模型3因其双层高架桥上部排放源的影响, 无量纲CO浓度突增至80, 而后降低至35, 其拐点的位置受高架桥排放源的直接影响；模型4在1.5~10 m处降低幅度相对较低, 其无量纲CO浓度显著大于模型1、2、3, 在低层高架上方10~40 m处持续降低；模型5在1.5~20 m及20~40 m处持续降低, CO浓度分布规律与高架所在位置相符合；模型6在20~30 m处CO浓度降低幅度极大, 表明其污染物扩散和清除效果好.CO浓度分布规律满足自地面至高架下方逐渐降低, 在高架上方瞬时增高, 而从高架上方至街谷上部又再次降低.
3.2.5 街谷内平均无量纲CO浓度对图 5中各模型所取的近地面处、迎风面、背风面和街谷中心位置的无量纲CO浓度共160点进行求和并取平均, 得到图 6中各模型街谷内无量纲CO浓度的平均值.模型1的平均无量纲CO浓度最低, 为46, 表明无高架街谷受CO污染的面积最小；模型2、3平均无量纲CO浓度分别为57.9和60.7, 因其流场特性极为相似, 扩散效果也较为相似；模型4、5平均无量纲CO浓度分别为64.2和63.34, 与无高架桥街谷相比, 模型4街谷内的无量纲CO浓度升高39.5%, 因其上下两层高架桥的遮盖效果和阻挡作用, 使污染物在街谷内产生循环, 不利于污染物的扩散, 应在城市规划中尽量避免；模型6的无量纲CO浓度为50, 与无高架桥街谷相比, 无量纲CO浓度仅升高8.7%, 与模型4中双层高架桥都处于街谷内相比, 无量纲CO浓度降低22.1%.
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| 图 6 街谷内平均无量纲CO浓度 Fig. 6 The average dimensionless concentration of pollutants in the street canyon |
1) 当高架桥位于街谷内部时, 与标准街谷相比, 无论单层高架桥或双层高架桥布局都会对街谷内流场产生绕流阻挡的遮蔽作用, CO分布不符合爬墙效应, 自地面沿高度方向CO浓度逐渐减小, 超过高架桥面后激增.
2) 当双层高架桥都处于街谷内部时, 街谷内涡旋整体结构保持顺时针方向, 在高架桥附近出现小涡旋, 使得CO在街谷内部循环, 引起背风面和街谷内平均无量纲CO浓度的升高.高架桥的“盖子效应”显著, 与无高架桥街谷相比, 无量纲CO浓度升高39.5%.
3) 当双层高架的上层高架与街谷建筑顶部高度持平时, 其内部产生了4个较大涡旋, 流场结构较为理想, 能够显著地提高街谷内CO扩散速率, 与无高架桥街谷相比, 无量纲CO浓度仅升高8.7%, 与双层高架桥都处于街谷内相比, 无量纲CO浓度降低22.1%, 在进行城市多层高架建设前应予以考虑.
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