华中科技大学建筑与城市规划学院 杨东帅 陈宏
摘 要：对于城市街道峡谷内污染物扩散研究，应用计算流体力学（CFD）软件FLUENT，采用标准k-ɛ模型对街道峡谷内的气流运动和污染物扩散进行了数值模拟。当来流风速、风向相同时，建筑物对风具有阻挡作用，建筑周围产生的局部湍流对污染物的扩散有控制作用。本文重点对比分析街道峡谷内建筑高低排布及屋顶形式对相邻街谷污染物扩散的影响。计算表明，通过对沿街建筑高低排布和屋顶形式可以改变自然通风，从而改善建筑周围产生湍流和风速较低的地方，有效促进污染物的扩散和降低浓度。模拟结果对于沿街建筑规划排布设计及改善人居环境具有一定参考价值。
关键词：FLUENT；相邻街谷；污染物扩散；建筑形态；数值模拟
基金项目：国家自然科学基金重点项目城市形态与城市微气候耦合机理与控制（51538004）。
0 引言
随着居民拥有机动车数量的增加，尾气污染物的排放量就大，机动车排放的大量有害污染物在街道峡谷内积聚，扩散不出去，严重影响着出行者的健康。人们对于污染物的关注也大多集中在街道峡谷内部，而忽视了与街道峡谷相邻的街区，才是更加直观的人群滞留活动区域。为了更深入地改善人居环境，人们需要对街区内以人行为主的相邻街道峡谷内的污染物扩散规律和浓度分布特征进行深入了解。从沿街建筑形态来研究相邻街道峡谷内部流场及污染物扩散规律，对于切身改善城市居民的生活环境，具有十分重要的意义。
1 数值模拟
1.1 计算区域和边界条件
1.1.1 计算区域
本研究如下外形的城市街道峡谷物理模型（图1所示）内的气流运动和污染物扩散进行了模拟，其中由六栋建筑物组成的五个依次相连且相互平行的街道峡谷。试验中对街道峡谷中考虑了三种建筑排布形式：一种是平齐排布的平顶建筑；另两种分别为南低北高，南高北低排布的平顶建筑。污染源如图1所示，图中均以米（m）为单位。图2是不同顶部建筑物构成的街道峡谷示意图。使用二维计算域与风流量方向假定它垂直于街道峡谷。计算域为1000×1500m，模型边缘距离为入口区域5H，出口区域为10H，上部区域为5H。
图1 城市街道峡谷结构图
1.1.2 边界条件
计算主要围绕图2所示的典型街道结构，计算的边界条件如下：
图 2 典型街道结构图
（1）入口风速取屋顶的来流风速，垂直风速与污染物浓度在进口边界上取为0，在出口边界上采用完全发展出流边界条件；
（2）在自由边界上设定对称边界条件，气流垂直速度分量与其他变量的法向导数为0；
（3）在固体壁面上，气流采用无滑移条件；
（4）街道路面除去人行道均设置为线性污染源[1]。
2 结果及分析
2.1 数值模拟案例设置
本类型研究建立了三组布置方式相同但高度不同的Case，均选取图中红色区域(即中心街谷相邻街道）进行污染物浓度对比。
表1 基本案例设置
图 3 Case对比区域示意图
表2 模型示意图
2.2 数值模拟结果分析
（1）风速风向与CO浓度结果分析——平屋顶
本研究所有Case在1.5m高度的CO浓度标量图如图4所示，各图为上北下南方向放置，初始风向设定为南风，即风从各图中正下方流入。
图4 第1~6组Case的CO浓度扩散水平分布，Z=1.5m
图5 第1~6组Case的CO浓度扩散垂直分布
由以上各图可得出，CO浓度分布与风速风向密切相关，其中相邻街道CO浓度分布Case1的浓度总体最小，Case6的浓度总体最大。相比来说，Case2，Case5浓度分布分别比Case3，Case6的整体浓度小，是因为沿街建筑从低到高变化，后排高的建筑对通风起到一定的阻挡作用，使得中心街谷内部形成较强的顺时针涡流，导致CO污染物堆积在中心街谷下部[2]。Case2，Case5中心街谷的流场改变导致相邻街谷内的流场也相应发生变化，顺时针涡流在相邻街谷中下部位抬升到街谷上方屋顶部位，相邻街谷下部涡流循环较弱，相邻街谷CO污染物有所堆积，但受到污染物扩散的影响较小。与Case2相比，Case5由于坡屋顶的建筑形式，相邻街谷风场爬升明显，污染物向后排街区的扩散趋势加强，因此Case5比Case2污染物浓度要高。反观Case3，Case6由于沿街建筑高度较高，迎风面积大，阻挡了风的流入使得入口风速减小，CO聚集在中心街道峡谷之间，而沿街建筑下风向降低导致迎风面积减小，风从建筑上方流出，在相邻街谷中形成较强的顺时针涡流，使得相邻街谷内的CO扩散随着涡流循环遍布整个相邻街谷，导致相邻街谷的CO浓度偏高。
（2）CO浓度竖向梯度结果分析
表3列出了六组案例的比较区域在各个高度上的CO平均浓度值及整体平均浓度值。
表3 各组Case比较区域的平均浓度值
图6显示了各组Case之间的CO浓度竖向梯度对比。
图6 第一组、第二组、第三组Case的CO浓度竖向梯度
图6比较分析了各组Case比较点CO浓度的竖向梯度变化，可以看出：
（1）各Case的CO浓度趋势一致，即随高度上升浓度逐渐降低。
（2）当高度小于10m时，Case1由于中心街谷的内部流场较强，沿街建筑对于相邻街区的阻挡影响较大，难以扩散到相邻街区，导致CO都聚集在中心街谷内，以致相邻街谷人行高度范围内CO浓度是最小的；Case2，Case5在人行高度范围内的CO浓度分别高于Case1，Case4。Case3，Case6相邻街谷内的CO浓度一直很高，但随着高度上升，浓度逐渐降低。
（3）10m高度以上时，Case1在街谷的中部位置时，污染物的浓度有所上升，比Case2、Case4、Case5浓度都要高。
3 结论
结果显示，改变沿街建筑高度和屋顶形状对于相邻街道峡谷内的流场有显著的影响，污染物扩散会发生变化。因此，建筑物顶部结构和高度是影响相邻街道峡谷内流场及污染物扩散的重要因素[3]。
沿街建筑的高低变化使得相邻街区内部的扩散有所变化，其中上风向至下风向建筑高度升高的空间组合方式，使得相邻街道内CO扩散较快，浓度较低。
沿街建筑的屋顶变化使得相邻街区内部的扩散有所变化，坡屋顶对于街道峡谷的风场有直接的改善作用，对污染物有着明显的加强扩散作用，但是会使得中心街道峡谷的污染物扩散到相邻街谷中，使得相邻街谷会产生污染物的影响，但是浓度是否符合人体标准，还有待探究，在不牺牲中心街谷的前提下坡屋顶是比较有利于污染物扩散的布局形式。
参考文献
[1] 陈宗芳,王亮,傅强.城市街道峡谷不同形状建筑物对污染物扩散影响的数值模拟[J].中国计算力学大会论文.2010(08).
[2] Mohamed F. Yassin. Impact of height and shape of building roof on air quality in urban street canyons. Atmospheric Environment, Volume 45, Issue 29, September 2011, Pages 5220–5229.
[3] 谢晓敏，黄震，王嘉松.建筑物顶部形状对街道峡谷内污染物扩散影响的研究[J]. 空气动力学学报. 2005(03).
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年5月刊总第5期。
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