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不同湍流机制对街谷污染物的耦合作用机理

方炜杰  
【摘要】:建筑外环境空气污染是严重威胁人类生存健康的大问题。然而,由于大气流动与建筑物之间的复杂相互作用,使得交通污染物的扩散机理一直是一个较为困难的科研主题。城市交通污染物的扩散主要受湍流的影响。湍流引起的涡流是造成质量、能量、动量交换的关键因素。而湍流的产生主要有环境风、太阳辐射产生的热浮力以及车辆移动引起的机械湍流。目前研究主要集中于环境风及太阳辐射产生的热浮力的影响,而对车辆移动产生的机械湍流的影响分析较少,对三者耦合影响的研究目前还处于空白。论文以典型的城市理想街谷为研究对象,利用计算流体动力学(CFD)动态网格更新技术首先对车辆移动产生的机械湍流特性进行了数值分析;然后建立环境风、太阳辐射、车流诱导的多因素耦合作用下,城市街谷环境内流体流动、传热以及污染物传播的耦合数学模型,计算城市街谷环境中的流场和污染物浓度场分布;最后建立了三种不同的机动车模型,对车型及风向对车辆移动产生的湍动能(TKE)特性进行了分析。主要结果如下:车辆移动时,湍动能主要分布在车辆后方,车身周围湍动能的大小远远超过车辆静止时的情况;行驶速度对湍动能有显著影响,当行驶速度为15m/s时,其尾部附近的湍动能约为10m/s时的1.8倍,是5m/s时的6.3倍;与车辆静止情况(V=0 m/s)相比,车辆移动引起的湍流在呼吸高度处将CO浓度降低约4%。在弱风环境下,背风侧加热,地面加热对污染物的扩散都是有利的。地面加热对污染物的扩散作用大于背风侧加热。而迎风侧加热却使得污染物的浓度升高。车辆的运动使得污染物的平均浓度降低了约4%;在中等风速及高风速作用下,迎风面加热这一不利影响的作用减小。车辆移动对污染物的作用也变得不再显著。通过对小轿车、SUV、卡车的分析,发现车辆外形对湍动能的产生有着重要影响。卡车引起的湍动能最大,小汽车由于外形更加趋于流线形,行驶过程中产生的湍动能最小。当风向与车行驶方向一致时(0°风向),车尾流区产生的湍动能最小;当风向与车辆行驶方向相反时(180°风向),车尾流区产生的湍动能最大,而且湍动能分布范围最长。90°风向下湍动能大小介于0°和180°之间。


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