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动态风场下振幅变化对街谷内空气环境的影响*东华大学环境科学与工程学院 郭蒙蒙*周华元 钟 珂 亢燕铭 摘 要 采用数值模拟的方法，研究了动态风场下振幅变化对街谷内流场和污染物浓度场分布的影响。模拟结果表明，在动态风场下，街谷内速度变化具有一定的时间延迟性，速度峰值出现时刻不随振幅而改变，仅与位置有关。随着振幅的增加，有利于背风区和中心区污染物的扩散，不利于迎风区污染物的扩散，整体有利于街谷内污染物清除。关键词 街道峡谷；动态风场；振幅；流场；污染物扩散 Impacts of Amplitude Change on the Air Environment in the Street Canyons Under Dynamic Wind Field Guo Mengmeng,Zhou Huayuan,Zhong Ke and Kang Yanming Abstract The impacts of amplitude variation on the distribution of flow field and pollutant concentration field within the street valley under dynamic wind field is investigated by numerical simulation.The simulation results show that under the dynamic wind field,the velocity variation within the street canyon has a certain time delay,and the peak velocity appearance moment does not change with the amplitude,but is only position dependent.With the increase of amplitude,it is favorable to the diffusion of pollutants in the leeward and central areas,unfavorable to the diffusion of pollutants in the windward area,and overall favorable to the removal of pollutants in the street canyon.Keywords Street canyon;Dynamic wind field;amplitude;Flow field;Pollutant diffusion 0 引言 随着电子产业的发展，洁净厂房对室内空气质量要求也更加严格。为控制洁净厂房室内洁净度，空调系统在引入新风时，需要对室外空气进行净化处理。由于新风来源为街谷空气，而大量汽车尾气排放的颗粒物在两侧建筑形成的街谷内不能有效扩散，形成不同程度的污染物堆积，所以街谷内污染物的分布特征会影响洁净厂房对新风的净化处理方式以及净化程度。目前，已有研究基本都是针对稳态风场进行的，而实际中风速是不断变化的。研究表明，街谷内空气环境品质与风速也有关1。所以，为合理配置新风净化设备，在保证达到新风净化标准的前提下又能减小通风过程中的阻力，我们需要对动态风场下街谷内交通污染物的扩散进行研究，进而对新风净化提供基本的数据支持。1 计算模型与方法 1.1 物理模型与计算方法 大多数街道两侧的建筑物都为错列布置，故本文针对图 1 所示的错列式建筑平面布局对街道内气流，交通污染物扩散和浓度分布特征进行模拟研究。为在计算结果真实可靠的前提下减少计算量，选取虚线框内区域作为数值模拟计算域。单栋建筑尺寸为（L W H）为60 m 15 m 20 m。为减少或避免产生端部效应，计算域入口边界距离上游建筑物8 H，计算域出口边界距离下游建筑物15 H，计算域高6 H。图 1 街谷建筑布局 设置入口为 Velocity-inlet，出口为 Outflow，地面和墙壁设置为无滑移边界条件，计算域顶面设置为滑移边界条件，侧面设置为对称面。根据已有研究，选取幂指数风速廓线2-3：00ZVZVZ （1）式中：z 为任意高度，m；Vz 为任意高度处的平均风*国家自然科学基金项目（42075179）*郭蒙蒙，女，1997 年 11 月生，硕士研究生 钟珂（通信作者）201620 上海市松江区人民北路 2999 号东华大学 E-mail: 收稿日期：2022-12-13 2023 年 9 月 洁净与空调技术CC&AC 第 3 期 速，m/s；为地面粗糙度指数，=0.28；V0 为标准参考高度处参考风速，m/s；Z0 为标准参考高度，m。其中 V0=3 m/s，Z0=20 m。气象观测资料表明，自然风的速度具有规律性的时变特征4。为此，研究将自然风简化为周期变化的正弦动态风场，正弦风表示为：0sinVAt（）+V （2）式中：V 为来流风速，m/s；A 为振幅，m/s；t 为时间，s；由周期决定，本研究中周期 T=60s=2/；为初始时间，=0s。上述速度廓线和动态风场均通过编写用户自定义函数（UDF）输入。数值模拟将在来流时均风速为 3 m/s 的基础上，分别对振幅 A=1 m/s、1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s 时的街谷内流场和污染气体分布特征进行模拟研究，并与来流风速稳定不变的情况对比分析，探究动态风场波动幅度对污染气体扩散过程的影响。街谷内污染物主要来源为汽车排放的尾气，以CO代替模拟污染物的扩散，汽车尾气排放高度为h=0.5 m，设置污染源尺寸（l w h）为 35 m 10 m 0.5 m，污染源强度0=0.02 kg/s。为了便于比较，将污染物浓度进行无量纲化得到无量纲浓度 C*：*00tiCLHVCq （3）0vqqlw h （4）式中：Cti是 t 时刻 i 点的污染物浓度，kg/m；0为污染源强度，kg/s。1.2 计算模型的合理性验证 在以往的研究中，Li 等5和 Liu 等6分别通过水槽模型实验和大涡模拟的方法对街谷内流场进行研究，Meroney 等7对污染物浓度场进行研究。为此，本文将使用数值模拟的方法复现其实验结果，并与实测数据比较，以验证本文所采用的数值计算方法的准确性。0.00.20.40.60.81.0-0.10-0.050.000.050.10ux/Vrefx/W 本文模拟 水槽实验 LES模拟（a）水平速度分量 0.00.20.40.60.81.0-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.3ux/Vrefx/W 本文模拟 水槽实验 LES模拟（b）垂直速度分量 模拟值0204060801000.00.20.40.60.81.0z/HC*模拟值背风面迎风面 测量值 测量值（c）污染物浓度模拟结果 图 2 风速和浓度模拟值与实测值比较 如图 2（a）和图 2（b）分别对 x 和 y 方向的速度分量与实验数据进行对比，发现本文数值模拟结果与实验数据和大涡模拟的速度分布规律吻合度较高；同时与 Meroney 等7的污染物浓度数据结果进行对比，如图 2（c），发现浓度变化规律趋于一致。以上验证结果可证明，本文选取的模拟计算模型能够很好地模拟街谷内速度和污染物浓度的分布与变化情况。2 结果与分析 2.1 动态风场对街谷内流场分布的影响 针对错列式建筑街谷中心剖面，图 3 分别给出了稳态风场和动态风场不同时刻的速度流线图。可以看到，在稳态风场下，街谷内涡流中心处于街谷中心，涡流与建筑物高度基本持平（见图 3a）。但来流风速动态变化时，在来流风速由增大，减小再变大的过程中，街谷内气流流线逐渐从下凹状态（见图 3b）不断膨胀出街谷（见图 3c），随后又被压缩进入街谷（见图 3d），涡流中心也逐渐由街谷底部上升到中间再到顶部最终落回街谷底部。(a)稳态 (b)t=15 s.6.洁净与空调技术CC&AC 第 3 期 (c)t=30 s (d)t=60 s 图 3 街谷中心面流场分布随时间变化图 由图 3 还可以看到，街谷内不同区域速度差别很大，为此，针对不同来流风速振幅的工况，对图 4所示的背风区、中心区和迎风区，在 20 m 高度范围内，等间距（1 m）取点获取风速值，并进行统计分析，得到街谷内各区域流场统计结果，见图 5。图 4 错列式街谷内区域划分 由图 5a 可以看到，背风区整体风速呈现先增大后减小的变化过程；随着振幅的增加，背风区整体速度增加并且变化幅度不断增大。由图 5b 可以看到，中心区整体风速相较于背风区变化幅度不大，随着振幅的增加，来流风速振幅对中心区风速的影响效果同背风区一致。由图 5c 可以看到，由于迎风区附近下游建筑物的阻挡作用，导致迎风区整体风速小于背风区和中心区。当振幅不大时，整体风速变化波动不大。A=1 m/s A=1.5 m/s A=2 m/s A=2.5 m/s510152025303540455055600246810t(s)V(m/s)25%75%5%95%中位线 均值（a）背风区 V(m/s)A=1 m/s A=1.5 m/s A=2 m/s A=2.5 m/s510152025303540455055600246810t(s)25%75%5%95%中位线 均值（b）中心区 t(s)A=1 m/s A=1.5 m/s A=2 m/s A=2.5 m/s510152025303540455055600246810V(m/s)25%75%5%95%中位线 均值（c）迎风区 图 5 不同区域速度随时间变化统计图 由图 5 可以看到，随着背景风速的变化，背风区、中心区和迎风区各区域均有速度峰值出现，且速度峰值出现时刻不随振幅而改变，仅与所在位置有关，各区速度峰值出现时刻由早到晚依次为：迎风区、中心区和背风区。2.2 动态风场及其振幅变化对街谷内污染物浓度分布的影响 图 6 为街谷中心面污染物无量纲浓度分布图。可以看到，在来流风速稳定不变时（见图 6a），污染物集中在街谷底部的背风区和中心区，迎风区几乎没有污染物。但是，来流风速变化时，虽然街谷底部污染物浓度也最高，但是街谷内污染物浓度总体上远小于来流速度稳定的情况。在一个速度变化周期内，污染物随着流场变化从迎风区和中心区底部（见图 6b）被带到背风区底部并随着涡流膨胀向上扩散被带出街谷（见图 6c），最后随着涡流的回落，被带出的污染物减少，街谷底部污染物又重新聚积（见图 6d）。(a)稳态 (b)t=15 s (c)t=30 s (d)t=60 s 图 6 街谷中心面无量纲浓度场随时间变化分布图 图 6 表明，动态风时街谷内的污染气体浓度明显低于稳态风的情况，为此，定义动态风时街谷内污染物浓度相对于稳态风情况的下降率为：第 3 期 洁净与空调技术CC&AC .7.*0*0100%tictiCCC (5)式中分别为稳态和动态风场下，t 时刻街谷内人体呼吸面高度以下空间的污染物平均无量纲浓度。图 7 为不同振幅下街谷内的随时间变化规律。可以看到，所有振幅时，动态风场相对于稳态风场的街谷污染物浓度平均下降率均随着时间变化，并在 t=30 s 时接近一致。由图 7 还可以看到，污染物浓度下降率均在80%以上，并且振幅越大时，越大，即污染物去除效果随着来流风速振幅的增加而提高。01020304050606065707580859095100ct(%)t(s)振幅A(m/s)：1 1.5 2 2.5 图 7 污染物浓度下降率随时间变化规律 图 8 为街谷内不同区域的污染物浓度下降率随振幅变化统计图。可以看到，背风区和中心区的污染物浓度下降率为正，但迎风区为负，这表明来流风速变化对背风区和中心区的污染物扩散和清除有改善效果，但却增加了迎风区的污染物浓度。这是因为中心区污染物被吹到了迎风区。11.522.5200019001800170016000100ct(%)A(m/s)背风区 中心区 迎风区 图 8 不同区域污染物浓度下降率随振幅变化规律 图 8 还可以看到，随着振幅的增加，背风区和中心区的不断增大，最大可达 95%，表明振幅越大越有利于背风区和中心区污染物的扩散；而迎风区始终为负值，并且在振幅为 2 m/s 时绝对值达到最大，高达 1950%，这是因为稳态风场时，迎风区浓度非常低（见图 5a），导致该区域浓度稍有增加，其变化率就非常大。来流风速变化时，背风区和中心区的浓度仅为来流风速稳定时的 1/201/3，但迎风区浓度却为来流风速稳定时的 16.519.5 倍。由于实际情况中来流风速是不断变化的，故可以认为，稳态风场的假设会高估街谷平均浓度，以及背风区和中心区的浓度，同时严重低估迎风区浓度。3 结语 为了准确全面地了解街谷内的环境，为洁净厂房新风净化处理提供依据。本文对不同振幅的动态风场下的错列式街谷进行数值模拟，并分析街谷内流场和污染物浓度场的分布和变化情况。主要结论如下：3.1 在动态风场下，街谷内速度变化具有一定的时间延迟性，时间延迟程度由大到小依次为：背风区、中心区和迎风区；同时随着振幅的增大，速度变化更加剧烈。3.2 由于实际风场均为动态变化，所以用稳态风场作为初始条件分析街谷内污染物扩散特征，会高估街谷平均浓度，以及背风区和中心区的浓度，同时低估迎风区浓度。3.3 随着振幅增加，街谷内背风区和中心区污染物浓度逐渐减小，有利于背风区和中心区污染物的扩散。参考文献 1 HUANG Y D,HOU R W,LIU Z Y,et al.Effects of Wind Direction on the Airflow and Pollutant Dispersion inside a Long Street Canyon J.Aerosol Air Qual Res,2019,19(5)2 LEUNG K K,LIU C H,WONG C C C,et al.On the study of 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