街道峡谷内气流运动与污染物扩散研究

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研究旨在揭示机动车排放在城市街道峡谷内的基本扩散过程及其影响因素,以便更加准确地预测机动车排放污染物的危害,给城市设计规划工作者提供有益的参考,在城市布局规划中更多地考虑机动车排放污染物扩散规律,以减小其对人类的危害。研究主要从街道峡谷几何布局、日光照射产生的热效应以及运动车辆产生的机械湍流等影响因素着手,利用计算机模拟技术和现场测试研究了机动车排放物在市区街道峡谷内的传输和扩散规律,得到一下有利的结论: 1.根据参数背风面建筑物高度与街道宽度比率H1/W和背风面建筑物高度与迎风面建筑物高度比率H1/H2判断峡谷中流场结构以及污染物扩散特征,提出将H1/W为横坐标轴H1/H2为纵坐标轴的区域划分为三个不同的区域。区域Ⅰ,峡谷中流场结构为两个方向相同的漩涡,峡谷内背风面的污染物浓度高于迎风面。区域Ⅱ,峡谷内产生一个顺时针方向的主漩涡,同时峡谷与街道的角落处产生一个或两个与主漩涡方向相反的较小弱漩涡,污染物在主漩涡的作用下在背风面产生积累。区域Ⅲ,多漩涡结构,峡谷内为两个或三个漩涡,峡谷内的污染物浓度较高,特别是三个漩涡结构的流场,在峡谷下部人行道水平产生了很强的掩体效应形成污染物的高浓度区。 2.建筑物顶部结构以及周围建筑物的结构是影响街道峡谷中流场及污染物扩散的重要因素之一,选择合理的屋顶形状以及周围建筑物的结构对于街道峡谷内污染物的扩散可以起到促进作用。街道两侧建筑物出现间断缺口利于街道峡谷内的污染物扩散,背风面建筑物不连续出现缺口时街道峡谷内污染物浓度较低,且对两侧街道影响较小;迎风面建筑物不连续而出现缺口时,对相邻街道影响小,但峡谷内污染物浓度相对较高;两侧建筑都出现缺口时街道峡谷内的污染物浓度最低,但对上下游街道影响较大。 3.日光照射建筑物壁面或街道地面时,受热面附近的空气与街道峡谷内空气产生温差,同时峡谷内外也会产生温差。温差在受到日光照射的壁面附近产生很强的浮升力,浮升力产生的空气运动与不考虑热效应时的机械湍流产生的空气运动共同决定峡谷内的流场结构和污染物扩散。高宽比等于1的对称结构街道峡谷,当日光照射到迎风面建筑物时,浮升力产生的空气运动与机械湍流产生的空气运动方向相反,峡谷内形成两个方向相反的漩涡,峡谷内的污染物在迎风面积累;地面受热在风速较小时峡谷下部靠近迎风面处形成一个逆时针漩涡,峡谷的上部和靠近背风面处形成两个未分离的同向顺时针漩涡,迎风面污染物浓度高于背风面;背风面受热产生的上升气流与机械湍流产生的运动方向一致,峡谷内运动增强,污染物浓度降低。对于典型非对称街道峡谷而言,递升型峡谷,日光照射背风面和地面时,浮升力增强了峡谷内原有的单漩涡运动,峡谷内污染物浓度降低;但当迎风面受热时,在迎风面靠近街道的地方会产生一个与主漩涡运动方向相反的较小漩涡,由于这个小漩涡的干扰,峡谷内污染物浓度有所升高。递降型峡谷,日光照射到迎风面和地面时,向上的浮升力增强了峡谷下部逆时针漩涡,峡谷内的污染物扩散得到增强;日光照射到背风面时,峡谷上部的漩涡增大,而下部的漩涡收缩,污染物向迎风面和背风面两侧同时扩散。 4.温差和风速是影响街道峡谷内热效应的重要因素,低的风速和高的温差产生显著热效应。热效应产生的流场变化可以根据参数Gr/Re2来评估,以高宽比等于1的对称结构街道峡谷为例,迎风面受热时,如果参数Gr/Re2>2,峡谷内的流场结构被分裂为两个方向相反的漩涡,污染物在迎风面积累;地面受热时,如果参数Gr/Re2>4,浮升力将峡谷内的空气运动被分裂为多漩涡结构,背风面附近的漩涡与峡谷上部的漩涡耦合为一个未分离的漩涡,污染物同样在迎风面产生积累。 5.汽车在行驶中,气流在车头部位向上部和侧面分流,分流的气流最后汇入尾流,污染物在车辆前方区域产生积累,同时在车辆上部以及侧面漩涡的带动下向车辆上方以及两侧区域扩散。当上层大气具有一定风速,风速较大时,峡谷中的气流运动及污染物扩散主要受屋顶风在峡谷内形成的漩涡的影响,在主漩涡的作用下污染物向背风面扩散,但峡谷下部气流和污染物扩散受到运动车辆的影响;随着风速减小,车辆运动的街道峡谷内气流运影响越加明显。街道内各点的气流运动都随车辆的接近、经过和远离呈周期性变化,周期长短与车流密度成反比;车流密度增大会使车辆运动产生的机械湍流对于街道峡谷下部空间气流运动影响越大,对应污染物扩散运动越强。 6.通过实地测量发现,峡谷内CO污染物浓度受风速、风向、车流量影响。街道两侧人行道呼吸带高度CO污染物浓度都与车流量呈显著的相关性;静风时峡谷内CO浓度明显升高,而且街道两侧CO污染物浓度大小几乎没有差别;风向垂直于街道时,背风面CO污染物浓度大概是迎风面的2~3倍。街道峡谷内的污染物无论是在迎风面还是在背风面,都存在不同程度的垂直浓度梯度,但迎风面的垂直浓度梯度相对较小。实地测量结果与计算模拟结果趋势相同,进一步验证了本文的数值模拟研究结果。
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