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机动车尾气在街谷中分布规律及其对建筑环境的影响

柳靖  
【摘要】:随着汽车保有量的增加,在世界范围内,交通污染物排放引起的空气质量恶化已经成为困扰当今城市的主要环境问题。机动车尾气的大量散发必然对街道周边建筑室内环境产生影响。因此,有必要对交通污染物的分布规律及其向室内环境的传递过程进行深入探讨。 本文以街道峡谷这一典型城市微尺度环境作为研究对象,围绕街道峡谷环境内交通污染物的扩散、分布规律及其对建筑环境影响这一主线,开展了如下工作。 本文首先利用风洞实验结果,通过二维街道峡谷内污染物扩散和三维建筑绕流两个算例,讨论了标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型和RSM模型四种常用RANS湍流模型在本文问题中的适用性。通过比较,认为RNG k-ε模型最为适于本文研究的问题。 采用CFD模拟方法,本文对空气动力因素和热力因素对街道峡谷内气流结构及交通污染物分布特征的影响进行了讨论。 对街道峡谷几何结构、来流风向等空气动力因素的研究表明,如下几种街道峡谷布局有利于减少交通污染物在街谷人员停留区域内的驻留时间:(1)街谷高宽比小于1.6;(2)街谷长宽比小于3;(3)峡谷周边建筑呈下降型排布(即在气流运动方向上,建筑高度逐渐降低)。同时,研究结果显示,在城市规划中应避免街道峡谷轴线与当地主导风向垂直。而街谷周边建筑采风口位置的选取主要受街谷长宽比的影响。当街谷长宽比大于5时,临街建筑将风口设置在背街侧可最大限度减小交通污染物对室内环境的影响;当街谷长宽比小于5时,街道周边建筑则应将采风口设置在建筑屋顶处。 在研究热力因素对街谷内气流运动及污染物浓度分布影响时,由于直接采用CFD模型进行风、温耦合计算,所需计算量过大,因此本文首先建立了一个计算量较小的街道峡谷热环境预测模型来预先获得街谷壁面温度。然后将其作为边界条件代入CFD模型,通过CFD模型计算街谷内温度、风速、污染物浓度的空间分布。通过这种方法可以在CFD模型计算中将街谷壁面温度与街谷内空气温度和气流运动解耦,从而极大地减小了计算量。 本文以热平衡原理及大气边界层理论为基础,建立了街道峡谷热环境预测模型。该模型综合考虑了对流换热、建筑对太阳辐射的遮挡、建筑表面与路面间的辐射与反射和人为散热对当地热环境的影响。在处理对流换热因素时,与现有同类模型相比,本文模型采用三维模型而不是目前常用的一维模型计算街谷壁面处风速,从而提高了对流换热过程的计算精度。同时,模型中给出了街道峡谷内部与顶部大气边界层间传热阻力的计算公式,并通过经典的大气边界层动力学模型,实现了不同大气稳定度下街道峡谷与大气近地层间的热量交换模拟。 通过哈尔滨市某街道峡谷的实地测量,对模型预测结果进行了验证。与实测结果的对比表明,本文模型可以较好的预测街道峡谷壁面温度,从而为热浮力作用下街谷风环境及污染物扩散模拟打下了基础。由于本文模型较CFD模型在运算所需时间上具有明显的优势,因此也可以用于城市热环境的长期动态分析。 通过上述模型与CFD模型的联合计算,本文讨论了街道峡谷顶部风速为2m/s和1m/s两种情况下,夏季典型日内热浮力作用对街道峡谷内气流运动及污染物分布特征的影响。计算结果显示,当街道峡谷顶部风速较小时,热浮力作用对街道峡谷换气率、街谷内气流结构及交通污染物分布均有显著影响。研究结果同时显示,目前多数数值模拟及风洞实验研究中仅考虑某一单独壁面(如路面或迎风面)受热的简化处理方法不能真实反映实际街谷内热浮力作用对气流运动及污染物分布的影响。 最后,为了研究室外交通污染物对临街建筑室内环境的影响,本文提出了以街道峡谷热环境预测模型、室外CFD模型、室内多区网络模型为基础的模拟方法。与文献中现有研究方法相比,该方法补充考虑了自然对流引起的热浮力作用、建筑表面压力和污染物浓度空间分布、热压作用引起的室内外气体交换等因素,较好地解决了室内外空气品质同步模拟问题。应用该方法,本文讨论了非孤立等高街谷中在不同街道峡谷高宽比、环境风速、风向情况下室外污染物向室内扩散的规律。


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