（環(huán)境工程專業(yè)論文）街谷流場和機(jī)動車co污染在街谷擴(kuò)散數(shù)值模擬.pdf

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁 摘要 近年來我國大城市機(jī)動車保有量以每年高于1 7 的速度增長，給我國經(jīng) 濟(jì)帶來繁榮的同時(shí)，也對城市大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。大量研究表明， 機(jī)動車排氣污染己經(jīng)成為我國一些大城市大氣污染的主要來源，在城市街道 內(nèi)機(jī)動車排放污染直接造成了空氣的惡化。 機(jī)動車排放污染物在街道內(nèi)的擴(kuò)散過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，受很多因素 的影響，主要包括排放源強(qiáng)、氣象因素和地形條件等因素。論文以典型交通 干道為研究對象，分析研究了機(jī)動車排放污染的現(xiàn)狀及特征。重點(diǎn)研究了風(fēng) 向、風(fēng)速因素和街道布局對機(jī)動車排放c o 污染物在街道中擴(kuò)散的影響。 利用數(shù)值模擬方法研究了微尺度街道峽谷范圍內(nèi)街谷幾何結(jié)構(gòu)及街道兩 側(cè)建筑物對街谷內(nèi)流場及機(jī)動車排放污染物擴(kuò)散規(guī)律的影響，采用c f d 軟件 f l u e n t 建立三條街道兩個(gè)十字路口的三維街道模型，模擬了2 種風(fēng)向、2 種風(fēng) 速條件下街區(qū)風(fēng)場和c o 濃度場分布的情況結(jié)果表明，十字路口的建筑物布局 與風(fēng)向、風(fēng)速共同作用，會對街區(qū)的風(fēng)場和c o 濃度場分布產(chǎn)生很大影響，街 谷內(nèi)有強(qiáng)弱不同的反方向渦旋存在，街谷內(nèi)污染物擴(kuò)散水平從強(qiáng)到弱依次為 迎風(fēng)面建筑物強(qiáng)于背風(fēng)面建筑物模擬結(jié)果表明，把c f d 用于街區(qū)大氣環(huán)境問 題研究有著良好前景 關(guān)鍵詞：城市街道峽谷，計(jì)算流體力學(xué)( c f d ) ，數(shù)值模擬，風(fēng)速場，濃度場 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 i 頁 a b s t ra c t t h e s ey e a r st h en u m b e ro ft h ev e h i c l e so ft h eb i gc i t i e si nc h i n ai si n c r e a s i n gw i t ht h e 場g i l 。s p e e do f17 i tb r i n g sp r o s p e r i t ) rt ot h ee c o n o m y , b u ti ta l s oc o n t r i b u t e sm u c ht ot h ea i r p o l l u t i o ni nb i gc i t i e s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f m u c hr e s e a r c h , v e h i c u l a re x h a u s ti st h em a i n s o u r c 宅o ft h ea i rp o l l u t i o ni nb i gc i t i e sa n di td i r e c t l yl e a d st ot h ed e t e r i o r a t i o no fa i rq u a l i t yi n s t r e e t s i t 。sac o m p l i c a t e dp r o c e s sf o rt h ev e h i c u l a re x h a u s tt od i s p e r s ei ns t l 儻tc a n y o n m a n y f a c t o r sm a ya f f e c tt h i sp r o c e s ss u c ha st h es o u r c ei n t e n s i t y , m e t e o r o l o g i c a lf a c t o r sa n ds t r e e t g e o m e t r ya n ds oo n t y p i c a ls t r e e tm o d e li sb u i l ti nt h e s i sa st h eo b j e c t so ft h i ss t u d y t h e nt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fv e h i c l ee m i s s i o na r ce x p l o r e d e m p h a s i si sp u t0 1 1 h o ww i n dv e l o c i t y 、w i n dd i r e c t i o na n ds t r e e tl a y o u ta f f e c tt h ed i s p e r s i o np r o c e s so ft h e v e h i c u l a rc op o l l u t a n t si ns t r e e t s t h ed i f f u s i v ec h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l ee m i s s i o n p o l l u t a n ta n dt h e w i n df i e l d c h a r a c t e r i s t i c si nu r b a ns t r e e tc a n y o n sd e p e n d o ns t r e e tc a n y o nr a t i o no fh e i g h tt ow i d t h ，aa n d t h es y m m e t r yo fb u i l d i n gh e i g h t i nt h i sa r t i c l e an u m e r i c a lm o d e lw a su s e dt os t u d yt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e e tc a n y o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i f f u s i v ea n dw i n dc h a r a c t e r i s t i c s b y u s i n go ff l u e n tc f ds o f t w a r e 。a3 - dt w oi n t e r s e c t i o nm o d e lo ft h i n es t r e e t si ss e t n ew i n d v e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dc oc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nn e a rt h ei n t e r s e c t i o na r cs i m u l a t e d u n d e r2w i n dd i r e c t i o na n d2w i n dv e l o c i t yc o n d i t i o m t h er e s u l to ft h em o d e l i n gs h o w st h a t t h el a y o u to ft h es t r u c t u r e s 、t h ew i n dd i r c c t i o na n dt h ew i n dv e l o c i t yc a nj o i n t l ya f f e c tt h e d i s t r i b u t i o no ft h ew i n dv e l o c i t ya n dt h ec oc o n c e n t r a t i o n t h es t a b l ev o r t e x e sf r o ms t r o n gt o w e a ks t r e n g t ha r ef o r m e dw i t h i nt h eu r b a ns t r e e tc a n y o n t h ed i f f u s i v el e v e l so ft h ep o l l u t a n t f r o mu r b a ns t r e e tc a n y o n sa l et h es t r e e tc a n y o n sj i lw h i c ht h eb u i l d i n gi nw i n d w a r da l eb i g h t e r t h a nt h a to f i nl e e w a r d 1 1 艙s t u d yo f t h i st h e s i sa l s os h o w st h a tt h em o d e l i n gr e s u l to f h u e n ti s r e a s o n a b l ea n dt h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to ff l u e n to na t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n ti s s u e si nu r b a n $ 缸e e t si sg o o d k e y w o r d s ： u r b a ns t r e e tc a n y o n , c o m p u t a t i o n a lh u i dd y r 枷c s ( c f d ) ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , w i n df i e l d , c o n c e n t r a t i o nf i e l d 西南交通大學(xué)四南父逋大芋 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子 版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)西南交通大學(xué)可以將本學(xué)位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、 縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1 保密口，在5 年解密后適用本授權(quán)書； 2 不保密面，適用本授權(quán)書。 西南交通大學(xué)曲南父逋大字 學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工 作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其它個(gè)人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均 已在文中作了明確的說明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：狡 日期幼。羅年占月歹日 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁 第1 章緒論 1 1 研究的背景及目的意義 1 1 1 研究背景 隨著城市機(jī)動車數(shù)量的增加和各國政府法規(guī)對城市工業(yè)源的限制，城市污 染源構(gòu)成發(fā)生了很大變化，機(jī)動車尾氣污染已經(jīng)成為城市污染物的重要來源。 進(jìn)入2 0 世紀(jì)9 0 年代后，在一些發(fā)達(dá)國家，城市交通己經(jīng)成為城市空氣污染 的首要影響因素。自1 9 5 0 年以來，全球機(jī)動車數(shù)量增長了十倍，據(jù)估測，到 2 0 3 0 年間，機(jī)動車保有量將比現(xiàn)在再增加一倍。車輛的增加主要出現(xiàn)在發(fā)展 中國家及東歐。在中國，由于人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市化進(jìn)程的不斷加快， 全國機(jī)動車保有量也隨之快速增長。截至2 0 0 3 年底，全國個(gè)人汽車保有量為 1 2 4 2 7 6 7 2 輛，比2 0 0 2 年增加2 4 7 2 4 5 0 輛，增長率為2 4 8 。雖然目前我國 機(jī)動車保有量和國外相比并不高，但這些車輛主要集中于城市交通和人口集 中度高的大城市，加之我國機(jī)動車的污染控制水平普遍相對落后，因此機(jī)動 車的平均排放水平要比美國等發(fā)達(dá)國家高得多。同時(shí)，配套的交通基礎(chǔ)設(shè)施 建設(shè)和交通規(guī)劃管理卻未能與機(jī)動車的高速增長同步發(fā)展，造成目前許多大 城市機(jī)動車的日平均車速較低，城市中心區(qū)許多重要道路長時(shí)間處于飽和狀 態(tài)，加速、減速、怠速等不利工況頻繁發(fā)生，造成中國大中城市的空氣污染 已經(jīng)逐漸由煤煙型污染轉(zhuǎn)化為交通型污染。交通空氣污染已經(jīng)成為城市環(huán)境 的主要問題之一。嘲 我國由于機(jī)動車保有量的快速增長，機(jī)動車污染物排放總量持續(xù)攀升。 2 0 0 3 年全國機(jī)動車碳?xì)浠衔? h c ) 、一氧化碳( c o ) 和氮氧化物( n o x ) 排放量 分別達(dá)到8 3 6 1 萬噸、3 6 3 9 8 萬噸和5 4 9 2 萬噸，比1 9 9 5 年增加了2 5 1 倍、 2 0 5 倍和3 0 1 倍。而在此期間，其他污染源向大氣排放的主要污染物平均下 降了1 5 左右，機(jī)動車排放污染物對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響正在日益增強(qiáng)。例 盡管目前我國的大氣污染仍以煤煙型為主，但從環(huán)境變化的趨勢分析，如果 不能有效控制機(jī)動車污染，到2 0 1 0 年，我國6 6 1 個(gè)城市中的4 0 0 個(gè)左右的城 市環(huán)境空氣污染可能從煤煙型轉(zhuǎn)化為煤煙型與機(jī)動車污染型的混合型污染。， 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 頁 經(jīng)過一些資料的查閱收集，就中國經(jīng)濟(jì)、交通最發(fā)達(dá)的幾個(gè)城市對其日 益嚴(yán)重的機(jī)動車尾氣污染現(xiàn)象進(jìn)行一些數(shù)據(jù)量化的對比分析。例如：上海1 9 9 5 年機(jī)動車一氧化碳( c o ) 排放量與8 0 年代末期相比增加了2 3 倍，非甲烷烴 ( n m n c ) 增加了0 9 5 倍，氮氧化物( n o x ) 增加了3 2 倍。例1 9 9 7 年機(jī)動車每年 排放的c o 增加到3 8 萬噸，n m h c 排放量上升至1 0 0 萬噸，而n o ，排放量 增加到8 1 5 萬噸。n ，隨著上海市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，轎車保有量將進(jìn)一步增加，1 9 9 4 年上海市私人購車的數(shù)量為4 0 2 6 輛，1 9 9 6 年增至6 0 1 6 輛，年增加率將近2 5 。 枷一輛轎車每年排出的有毒廢氣比轎車本身重量大3 倍佃，機(jī)動車排放的污染 物總量仍有增加的趨勢。隨著污染物總量的增加，上海市道路網(wǎng)空氣中污染 物的濃度進(jìn)一步增大。機(jī)動車尾氣污染排放分擔(dān)率，廣州市1 9 9 4 年c o 機(jī)動 車排放分擔(dān)率占8 8 8 ；北京市1 9 9 9 年為7 3 5 ，上海市1 9 9 8 年機(jī)動車排放 的c o 就占到了總排放的6 4 ?！邦畽C(jī)動車尾氣中另外兩種主要污染物n o 。、 h c 的排放在總排放量中的分擔(dān)率也非常高，1 9 9 4 年廣州機(jī)動車對n o ，的排 放分擔(dān)率為7 9 3 。刪2 0 0 0 年上海市機(jī)動車排放的n o x 占各類污染源排放 總量的7 4 以上o i l l ) 研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)動車保有量與n o 。濃度具有明顯的相關(guān)性。 引由于機(jī)動車擁有量的快速增長而引起的n o 、污染已有可能代替煤煙型污 染。1 9 9 5 年6 月在上海出現(xiàn)光化學(xué)煙霧，n o 。已經(jīng)成為上海市的首要污染物。 1 1 3 l 在世界上許多區(qū)域，夏季都可以觀測到高濃度的光化學(xué)氧化劑。尤其在 墨西哥、s a op a u l o 、洛杉磯、雅典、柏林及其他許多主要的歐洲城市。據(jù)估 測，在大多數(shù)歐洲城市中，道路交通貢獻(xiàn)了4 0 的v o c ，7 0 多的n o x ，9 0 多的c o ?！邦?因此，機(jī)動車尾氣所造成的環(huán)境污染越來越為人們所關(guān)注。 1 1 2 研究目的和意義 我國目前汽車單車排放水平現(xiàn)狀僅相當(dāng)于國外7 0 年代中期水平，單車污 染物排放比國際水平高出數(shù)1 0 倍。引表1 1 給出了我國和美國機(jī)動車污染物 排放系數(shù)的比較?，F(xiàn)有汽車9 0 以上是國產(chǎn)車，由于排放控制技術(shù)落后，在 同樣運(yùn)行工況下，國產(chǎn)車較發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品排放量高幾倍甚至幾十倍，加 上交通管理手段落后，在用車檢查維修制度不完善，城市交通道路擁擠和市 內(nèi)居民集中，大量車況惡劣的車輛繼續(xù)行駛，更加劇了污染物的排放。國產(chǎn) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 頁 車平均日排污量為0 6 - 0 9 k g 。n 耵與國外同類車型相比，國產(chǎn)汽車的油耗一般 高2 0 3 0 ，國產(chǎn)機(jī)動車油耗量大，排放的污染物也多。以小轎車為例，我 國國產(chǎn)車的h c ，c o 和n o x 的排放量分別是1 9 9 2 年美國新車排放量的1 4 5 倍、1 1 8 倍和3 3 倍。n 1 表1 - 1 我國和美國機(jī)動車污染物排放系數(shù)比較 單位：( g k m ) 以上海市為例，2 0 0 0 年全市n o 。年均濃度0 0 5 6 毫克立方米，比1 9 9 5 年上升了1 0 ：城區(qū)和郊縣n o x 年均濃度為0 0 9 0 毫克立方米和0 0 3 2 毫克 立方米，分別比1 9 9 5 年上升了2 3 和3 9 ( 上海市機(jī)車污染綜合防治領(lǐng)導(dǎo)小 組辦公室，2 0 0 0 ) 根據(jù)上海市交通所預(yù)測。到2 0 2 0 年上海市機(jī)動車保有量將 達(dá)到2 0 0 - 3 5 0 萬輛，是2 0 0 0 年的2 4 倍。可以預(yù)見如果不采取措施加以控制， 上海市大氣環(huán)境勢必進(jìn)一步惡化。根據(jù)國外機(jī)動車發(fā)展經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)人均國 內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá)到3 0 0 0 美元以上時(shí)，轎車將成為機(jī)動車保有量增長的主要方向。 在我國，汽車工業(yè)的發(fā)展不僅預(yù)示和帶動國民經(jīng)濟(jì)的騰飛，同時(shí)，人民生活 水平的提高也急切期待現(xiàn)代化便捷交通方式的到來和家庭汽車的普及，機(jī)動 車在今后相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)將保持快速增長的趨勢。 因此，定量評估機(jī)動車尾氣污染物排放水平，研究不同車型、不同區(qū)域、 采用不同措施下機(jī)動車對污染物的排放量，以及道路交通污染物排放后的擴(kuò) 散狀況，對于確定機(jī)動車污染控制措施和交通管理政策，定量評估多種方案 對機(jī)動車污染減排的效果，提出最為有效的機(jī)動車發(fā)展管理措施，將直接影 響我國城市空氣質(zhì)量改善的進(jìn)程。 目前模擬計(jì)算街道機(jī)動車污染擴(kuò)散有兩種方法：其一是不考慮污染源所 在街道的流場，僅考慮在一定風(fēng)速、風(fēng)向及氣象條件下，整個(gè)道路作為污染 源對臨近地區(qū)的影響，這是城市尺度的街道交通污染擴(kuò)散研究，可用于計(jì)算 城區(qū)開闊地帶或城郊公路及高速公路的交通排污在道路沿線的濃度分布；其 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第4 頁 二是在街道兩旁都有高大建筑物的情況下，考慮街道內(nèi)的空氣流動對傳輸和 擴(kuò)散的影響，考慮排放源、氣象條件和環(huán)境因素等的影響，形成的一種小尺 度污染擴(kuò)散過程，稱為街道峽谷污染擴(kuò)散，主要用于計(jì)算市區(qū)內(nèi)已形成街道 峽谷的繁忙交通路線的街道內(nèi)部及街道上空的交通污染的濃度分布、擴(kuò)散過 程及其消散過程。本文的研究主要是第二種小尺度的街道峽谷污染擴(kuò)散研究。 由于主干道承擔(dān)著城市交通運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)，是比較大的機(jī)動車污染源，因 此本文虛擬一個(gè)城市的主干道進(jìn)行研究，主要關(guān)注主干道兩側(cè)人行道2 米高 度由于機(jī)動車污染對行人造成的影響。 、由于機(jī)動車排放高度接近人的呼吸帶，因而污染物直接影響行人及周圍 建筑物內(nèi)人群的健康。街道中污染物的擴(kuò)散主要受氣象條件和街道幾何形狀 的影響，另外受到街道車流量即排放源強(qiáng)的影響較大。而每個(gè)城市的氣象條 件和街道幾何形狀都有自身的特點(diǎn)，受路況的影響，車流量變化規(guī)律也各有 不同，造成污染物的擴(kuò)散規(guī)律也有各自的特征。因此非常有必要研究街道中 污染物的產(chǎn)生因素和擴(kuò)散遷移規(guī)律，從而提出減少機(jī)動車對街道人群污染的 控制措施。 本論文利用商業(yè)c f d 軟件f l u e n t 建立三條街道交叉構(gòu)成的兩個(gè)十字路 口的三維計(jì)算模型，考慮2 種不同風(fēng)向條件( 與主街道成0 度、4 5 度角) 和2 種不同的風(fēng)速條件( 城市的平均風(fēng)速和最大風(fēng)速) ，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，弄 清楚模擬的城市峽谷中在不同的氣象條件下氣流場的擴(kuò)散軌跡和機(jī)動車排放 的c o 污染物的擴(kuò)散軌跡。希望本論文的研究可以為城市交通道路建設(shè)項(xiàng)目 環(huán)境影響評價(jià)和城市規(guī)劃部門提供參考，對道路機(jī)動車尾氣污染的實(shí)際情況 采取相應(yīng)的控制措施，做到有的放矢，為管理部門控制機(jī)動車尾氣污染提供 理論依據(jù)。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展 1 2 1 國外研究動態(tài) 國外學(xué)者從上世紀(jì)6 0 年代開始研究街道峽谷( 指兩側(cè)都有連續(xù)的高大建 筑物的相對狹長的街道，見圖1 1 ) 內(nèi)大氣流場及其近空的污染狀況，先后建 立了一些模型來模擬計(jì)算街道峽谷內(nèi)流場的分布及污染物的濃度分布。城市 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 頁 街道峽谷污染模式著重反映了污染物在街道峽谷內(nèi)部的傳輸、擴(kuò)散及消散的 運(yùn)動規(guī)律。 其肉 吐 圖1 - 1 典型街道的結(jié)構(gòu)示意圖 城市街道峽谷非數(shù)值模式主要是在過去2 0 年內(nèi)，發(fā)展起來的經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn) 模式、箱模式和高斯擴(kuò)散模式。 斯坦福研究中心( s 購于1 9 7 3 年提出了一個(gè)街道峽谷模式s k i 用來預(yù)測 峽谷內(nèi)的空氣質(zhì)量。n r n i c h o l s o n 開發(fā)的箱模式?！皞儁 a m a r t i n o 等啪，通過對城市 街渠內(nèi)流場和湍流場的描述發(fā)展了一個(gè)峽谷煙羽箱模式( c p b m ) ，該模式含有 箱模式和高斯型模式的特征。b e r k o w i c z 發(fā)展了o s p m 模式，認(rèn)為受點(diǎn)的污 染物濃度主要是由擴(kuò)散的濃度和由于街渠內(nèi)氣流渦旋造成污染物循環(huán)形成的 濃度構(gòu)成。對于直接擴(kuò)散造成的污染物濃度，采用簡單高斯煙羽模式計(jì)算，將排 放源處理成一系列垂直予風(fēng)向的微小有限長線源，污染物循環(huán)引起的濃度采用 簡單的箱模式。這個(gè)模式在對丹麥、挪威、荷蘭、英國街渠污染物的逐時(shí)預(yù) 報(bào)中都得到了滿意的結(jié)果，隨后b u c k l a n d 應(yīng)用以前一些模式的結(jié)果發(fā)展了一 套a e o l i u s 模式。恤， 城市街道峽谷數(shù)值模式是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展 起來的。計(jì)算流體力學(xué)( c f d ) 已從最初的簡單應(yīng)用發(fā)展到今天應(yīng)用于解決復(fù)雜 的實(shí)際工程問題。流體力學(xué)中描述流體運(yùn)動的核心是n a v i e r - s t o k e s 方程，各種 數(shù)值模式都建立在該方程基礎(chǔ)之上，可以針對不同的研究對象做不同的簡化得 到各自適用的模型。在街道峽谷擴(kuò)散模型中，由于流體速度較低，流體均被視為 不可壓縮的。 就湍流場而言，城市街道峽谷內(nèi)空氣擴(kuò)散與開闊平坦的公路也有很大不 同。d c p a u l 等，所做的一個(gè)外場試驗(yàn)使人們對風(fēng)向垂直于街渠情況下污染物 的擴(kuò)散理解有了飛躍性的發(fā)展。h o t c h k i s s 等塘盯人用m a c 法求解三維風(fēng)速場， 將粒子法應(yīng)用于污染物質(zhì)的擴(kuò)散模擬。日本機(jī)械學(xué)會于7 0 年代初開發(fā)出 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第6 頁 a p p s 模式，含有處理峽谷內(nèi)濃度分布的a p p s - r d m 和處理道路交叉點(diǎn)周圍濃 度分布的a p p s l d m 子模式。1 9 9 5 年z o u m a k i s 筠，應(yīng)用街道峽谷內(nèi)和街道峽 谷上面測量的空氣污染物濃度，研究城市環(huán)境中機(jī)動車車輛污染物濃度的垂直 廓線。l i u 等洶1 發(fā)展了一套可以用于街渠峽谷的空氣質(zhì)量隨機(jī)模式，該模式包含 兩部分：一個(gè)是根據(jù)街渠屋頂風(fēng)速得出街谷內(nèi)部流場分布的風(fēng)場模式，一個(gè)是 m o n t ec a r l o 擴(kuò)散模式，但是這個(gè)模式只能用于與街渠垂直風(fēng)向情況下的模擬。 對于復(fù)雜街渠而言，這種氣象與擴(kuò)散耦合模式具有很好的發(fā)展前景。近年來 m u r a k a m i 等啪1 采用k - 模式和l e s ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n 大渦模擬) 等湍流模 式，開發(fā)了用差分法求解三維風(fēng)速場和濃度場的模式。j e a n 等啪，在模擬無限長 的非對稱街道峽谷污染物濃度分布時(shí)，根據(jù)近地層經(jīng)典假設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)k - 兩方 程模型，建立了一個(gè)數(shù)值模式，研究了街道內(nèi)和屋頂上大氣污染物遷移和垂直 方向上的交換。模式計(jì)算時(shí)考慮了能量方程，詳細(xì)地分析了街道污染物的熱力 學(xué)特性。研究表明街道峽谷內(nèi)部的溫度分布對污染物的輸送和擴(kuò)散有著較大 的影響，街道表面熱源的不同會使街道內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)從單一的渦旋向多個(gè)渦旋 轉(zhuǎn)變。同時(shí)還給出了污染物濃度分布與峽谷結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。l i u 等應(yīng)用大渦 模擬來描述城市街渠的流場和湍流結(jié)構(gòu)，并且模擬了污染物在街渠中的輸送機(jī) 制，發(fā)現(xiàn)大渦模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果相吻合。 流體力學(xué)發(fā)展至今，已有多種商用軟件問世，較流行的有英國c h a m 公司 的p h o e ni c s ，美國航空航天局主持開發(fā)的c f x 和在城市大氣污染擴(kuò)散研究 中運(yùn)用較多的美國f l u e n t 公司的f l u e n t 等。h a s s o n 采用p h o e ni c s 計(jì)算了 在街道峽谷兩旁建筑物等高的情況下，不同高寬比時(shí)街道內(nèi)部的二維濃度場和 速度場。該計(jì)算采用k 模型，并作了適當(dāng)簡化，且沒有考慮能量方程，結(jié)果表 明該方法具有一定的可行性。目前f l u e n t 被廣泛應(yīng)用于與流體力學(xué)相關(guān)的航 天、水運(yùn)、汽車制造、工程設(shè)計(jì)等各個(gè)行業(yè)，其良好模擬性能享有盛譽(yù)c a p e l u t o 等曾利用f l u e n t 評估一個(gè)擬建城市商業(yè)區(qū)設(shè)計(jì)的合理性，并取得了很好效果 諍町c h a n g 等曾將f l u e n t 的模擬結(jié)果和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)f l u e n t 模擬 結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M的街道峽谷內(nèi)風(fēng)場和污染物濃度場的觀測結(jié)果吻合得很 好m ，這說明，將f l u e n t 用于街區(qū)的大氣環(huán)境研究是可行的。 1 2 2 國內(nèi)研究動態(tài) 國內(nèi)這方面的研究尚處于起步階段。但仍有不少學(xué)者就國外模型在國內(nèi) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第7 頁 實(shí)際應(yīng)用上做出了有益的嘗試，并且利用計(jì)算流體力學(xué)( c f d ) 軟件，對街區(qū)峽 谷進(jìn)行了數(shù)值模擬和研究。 金均等嘲利用3 2 0 國道某段的實(shí)測數(shù)據(jù)，對采用高斯線源模式預(yù)測開闊公 路尾氣擴(kuò)散的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果證明在有風(fēng)條件下對于源參數(shù)( 主要是 源的初始擴(kuò)散寬度和風(fēng)速) 進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚螅梢缘玫脚c實(shí)際較為符合的結(jié) 果。龔慧明m 喇用c a l 3 q b c r 模型對北京市崇文門一個(gè)開闊的十字路口進(jìn)行模 擬，發(fā)現(xiàn)能較好的模擬十字路口的機(jī)動車尾氣排放的c o 濃度時(shí)空分布。周洪 昌等m ，利用此模型對上海市的幾個(gè)周圍有高大建筑物的十字路口和街道峽谷 地區(qū)進(jìn)行模擬卻發(fā)現(xiàn)和實(shí)際結(jié)果有很大的差異，認(rèn)為高斯線源模型不適合街 道峽谷地區(qū)尾氣擴(kuò)散的模擬和預(yù)測，只適合寬闊路段的模擬。 街道十字路口在城市非常普遍，但針對十字路口的空氣污染研究還比較 少清華大學(xué)的傅立新改進(jìn)了街谷底層風(fēng)速的擬合關(guān)系，采用0 s p m 模式對北京 一街谷中的c 0 和n 0 x 濃度進(jìn)行了模擬，并取得了較好的結(jié)果。j 但是目前專門 針對十字路口的以流體力學(xué)方程為基礎(chǔ)的數(shù)值模式，還比較少李磊等刷用 c f d 軟件f l u e n t 建立了一個(gè)三維街道十字路口模型模擬結(jié)果表明，c f d 對所 建模型模擬結(jié)果合理，用于街區(qū)大氣環(huán)境問題研究有著良好前景另外，北京 大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心環(huán)境模擬與污染控制國家聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在相關(guān)方面也展 開了大量工作，但是到目前為止還沒有形成真正適合我國實(shí)際情況的比較獨(dú) 特的成型模式。 隨著計(jì)算技術(shù)和高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法越來越多地應(yīng)用于 研究城市街道內(nèi)部機(jī)動車排放物擴(kuò)散研究中。由于用數(shù)值模擬方法可以以較 低成本全面分析研究各種街道模型，從而成為理解和掌握城市機(jī)動車排放物 對環(huán)境影響的有力工具。但從公開發(fā)表的文獻(xiàn)中可以看出，基于三維的數(shù)值 模擬計(jì)算開展的并不廣泛，尤其對于一些復(fù)雜的街道結(jié)構(gòu)( 如十字路口和高架 橋) 研究的文獻(xiàn)更不多見。風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)地測量數(shù)據(jù)為數(shù)值模擬方法提供了有 效的驗(yàn)證手段。在風(fēng)洞試驗(yàn)方面，隨著測量技術(shù)的飛速發(fā)展，一些先進(jìn)的測 量手段如激光技術(shù)也開始逐步應(yīng)用于街道峽谷內(nèi)部的流場測量，成為研究城 市街道峽谷機(jī)動車污染物擴(kuò)散的又一個(gè)有效手段。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第8 頁 1 3 論文研究對象和方法及內(nèi)容 1 3 1 論文的研究對象 ( 1 ) 本文把城市的道路類型劃分為主干道、次干道和小巷。 主干道一承擔(dān)著城市主要客運(yùn)或貨運(yùn)任務(wù)的道路，車流量較大，機(jī)動車 道寬度為四車道或者更寬，道路中間一般有隔離帶。 ( 2 ) 按照道路兩旁建筑物的高度與道路寬度的比值，將道路劃分為街道 峽谷和寬闊型道路兩類。 街道峽谷一道路兩旁建筑物的高度與道路寬度的比值大于或等于1 ，這種 類型的街道內(nèi)空氣流場比較復(fù)雜。 基于以上的劃分原則，本論文的研究對象是虛擬的主干道并由于道路兩 旁建筑物布局而形成的街道峽谷，對峽谷內(nèi)的空氣湍流場和機(jī)動車排放的c o 污染物擴(kuò)散的濃度場進(jìn)行分析研究。 1 3 2 論文的研究方法及內(nèi)容 目前國內(nèi)外微尺度的街道峽谷交通大氣污染物擴(kuò)散研究主要有三種方法： 外場觀測、物理模擬和數(shù)值計(jì)算。n 町外場觀測是取得街谷擴(kuò)散研究資料的較 好方案，但是其觀測計(jì)劃設(shè)計(jì)需要很高的技巧，另外該方法對規(guī)劃項(xiàng)目失效。風(fēng) 洞實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)止葦U(kuò)散特征進(jìn)行詳細(xì)研究，成本較高是其缺點(diǎn)。飛速發(fā)展起來 的計(jì)算流體動力學(xué)( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，簡稱c f d ) 恰好克服了 前面兩種方法的弱點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的計(jì)算，就好像在計(jì)算機(jī)上 做了一次物理實(shí)驗(yàn)。其為實(shí)驗(yàn)研究和理論研究都起到的促進(jìn)作用，也為簡化 流動模型提供了更多的依據(jù)，使很多分析方法得到發(fā)展和完善。m ，并且通過對 計(jì)算結(jié)果的后處理，c f d 軟件不僅可以2 d 或3 d 效果來顯示計(jì)算結(jié)果，還可 以動態(tài)的顯示流動效果，使我們更直觀、更形象地了解流場情況。 本論文應(yīng)用c f d 軟件之一的f l u e n t 對城市街道峽谷內(nèi)空氣湍流擴(kuò)散三維 數(shù)值模擬和峽谷內(nèi)機(jī)動車排放污染物的濃度場的三維數(shù)值模擬，研究機(jī)動車 排放物在城市街道峽谷的擴(kuò)散規(guī)律，可為城市機(jī)動車排放控制，交通流量控 制，城市街道大氣污染的監(jiān)測、評價(jià)及防治提供科學(xué)依據(jù)。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第9 頁 1 3 3 論文結(jié)構(gòu)和技術(shù)路線 本論文共分為五章。 第一章：緒論。本章主要介紹了選題意義、背景及國內(nèi)外在此領(lǐng)域的研究 現(xiàn)狀及進(jìn)展。 第二章：城市街道污染物擴(kuò)散影響因素及相關(guān)氣象資料。本章通過對影響 機(jī)動車城市街道污染擴(kuò)散因素的分析，從而了解要研究城市機(jī)動車污染所需 考慮的因素和應(yīng)該收集的相關(guān)氣象資料。 第三章：c f d 軟件簡介與應(yīng)用。本章主要是對c f d 軟件f l u e n t 原理 的介紹，了解構(gòu)成f l u e n t 主要框架的動量和質(zhì)量守恒方程及確立湍流閉合 計(jì)算模式，為建立的三維街道峽谷模型進(jìn)行數(shù)值模擬作必要的理論準(zhǔn)備。 第四章：街道峽谷c f d 數(shù)值模擬。本章通過對街道峽谷流場和機(jī)動車c 0 污染物濃度場擴(kuò)散的計(jì)算模擬，弄清在設(shè)定的不同外界條件下街谷中流場和 污染物濃度場的分布情況。 第五章：結(jié)論。本章總結(jié)了本文研究內(nèi)容及結(jié)果，給出結(jié)果討論及自己 對問題的一些構(gòu)思和發(fā)展。 本論文的技術(shù)路線如圖1 - 2 所示。 資料收集 i 邊界條件設(shè)置湍流模型選擇參數(shù)確定l 模型建立 l 數(shù)值模擬優(yōu)化措施i i 鈷田士辱i p 姊i 絹禾萬倒t l 議l l 撰寫論文 圖1 - 2 技術(shù)路線圖 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第10 頁 第2 章街道污染物擴(kuò)散影響因素及氣象資料 2 1 影響街道機(jī)動車污染擴(kuò)散的氣象因素 汽車發(fā)動機(jī)燃燒產(chǎn)生的污染物排放到大氣中以后，在大氣中傳輸擴(kuò)散。傳 輸擴(kuò)散受到氣象因素和環(huán)境因素的影響。當(dāng)近地面大氣處于不易稀釋擴(kuò)散的 氣象條件時(shí)，從機(jī)動車排放的大氣污染物，將有可能造成高濃度的大氣污染： 反之，當(dāng)大氣處于易于稀釋擴(kuò)散的氣象條件下時(shí)；由于排向大氣中的污染物 能被風(fēng)和大氣湍流迅速的稀釋擴(kuò)散，即使是在與前者相同的源參數(shù)條件下， 也可能不會造成大氣污染。 2 1 1 風(fēng)速與風(fēng)向 ( 1 ) 風(fēng)速 風(fēng)速對大氣污染物起沖淡稀釋的作用，風(fēng)速越大，單位時(shí)間內(nèi)混入空氣 中的清潔空氣越多，稀釋越快：反之，風(fēng)速越小，稀釋越慢。城市街道汽車污 染擴(kuò)散過程中，最重要的一個(gè)特點(diǎn)是街道峽谷對局地流場的影響。由于上層 大氣會在峽谷內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)渦旋，因而使得峽谷內(nèi)流場完全不同于上層 大氣。8 0 年代，很多研究都證實(shí)了街道中渦旋回流的存在。d e p a u l 和s h e i h 于1 9 8 5 年在芝加哥的一個(gè)街道峽谷中進(jìn)行了一次示蹤實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)環(huán) 境風(fēng)速在2 - 5 m s 之間并與道路正交時(shí)，街道峽谷中只有一個(gè)渦流存在：當(dāng)風(fēng) 速降低到小于1 5 - 2 o m s 時(shí)，峽谷中的渦流就似乎消失了m 。盡管街道峽谷 中渦流現(xiàn)象非常復(fù)雜，但有一個(gè)規(guī)律是相同的，即上層大氣中風(fēng)速加大時(shí)， 峽谷內(nèi)污染物與上層大氣的擴(kuò)散交換也隨之加劇，從而使得峽谷內(nèi)污染物濃 度降低。在實(shí)際觀測的資料中也發(fā)現(xiàn)當(dāng)城市主要街道的高寬比一般在0 5 左右，這樣的街道是屬于寬闊街道結(jié)構(gòu)，屋頂風(fēng)容易下洗至街道底部，造成 街道底部風(fēng)速相對較大的情況。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第11 頁 l23 4 5678 9l oi l1 2 圖2 - 12 0 0 2 年西安市風(fēng)速特征變化曲線 l23456 789 l ol l1 2 圖2 - 22 0 0 5 年西安市風(fēng)速特征變化曲線 我們選擇以西安市的實(shí)測風(fēng)速為例，來觀察城市的風(fēng)速狀況變化。較 小的風(fēng)速不利于機(jī)動車污染物的擴(kuò)散稀釋，隨著城市機(jī)動車保有量的增加， 機(jī)動車污染物排放量逐年遞增，機(jī)動車城市街區(qū)污染問題將成為一個(gè)重大的 5 d 5 o 5 o 5 o 5 0 t 乞 孔& z z l l n 仉 職m v 籬匠 5 5 i 5 3 5 2 5 1 s d 屯 文 乞 l 仉 皤1 v 硝醫(yī) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第12 頁 現(xiàn)實(shí)問題。 ( 2 ) 風(fēng)向 風(fēng)對大氣污染物起到的另一個(gè)作用是整體輸送作用，風(fēng)向決定了污染物 的遷移方向，使得污染源下風(fēng)向地區(qū)比上風(fēng)向地區(qū)污染物濃度高。街道兩旁 建筑物頂部的風(fēng)向( 屋頂風(fēng)) 對街道內(nèi)大氣污染物擴(kuò)散有很重要的作用，這是 由于不同風(fēng)向的屋頂風(fēng)在街道內(nèi)將產(chǎn)生不同的氣流流場。圖2 - 3 是地面風(fēng)向 的十六方位表示法。經(jīng)常處于下風(fēng)向，也就是在十六方位圖上處于下風(fēng)向的 頻率很高，則高濃度機(jī)會多。但小風(fēng)時(shí)，下風(fēng)向近距離污染最嚴(yán)重。 s 叩 - 吣氣 i ，ak 、 z 一。、s ，一7 r 、 ，ttl n 、 s w ，、 髓 。 一， ii 。二 、s e 。k l 南話南 南 南東南 圖2 - 3 風(fēng)向的十六方位表示法 本文在后文進(jìn)行c f d 模型應(yīng)用研究時(shí)考慮兩種不同風(fēng)向條件( 與主街道 成0 度、4 5 度角) 來代表街區(qū)的風(fēng)向狀況。 2 1 2 溫度 ( 1 ) 氣溫 ， 氣溫的時(shí)間和空間上的變化是引起大氣污染物濃度變化的另一個(gè)重要?dú)?象因素。它與大氣穩(wěn)定度有密切的關(guān)系。 一4 0 p 贈3 5 r 3 0 筠 加 1 5 i o 5 o - 5 - - ( m - - 平均氣溫 卜最高氣溫 + 最低氣溫廠 、t 23j i56789i o1 1 憊 圖2 42 0 0 2 年西安市氣溫特征變化曲線 123 _ 4567891 01 11 2 圖2 - 52 0 0 5 年西安市氣溫特征變化曲線 5 o 5 d 5 o 5 o 3 3 2 2 l l p v 贈r 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第14 頁 上圖給出了西安市2 0 0 2 年和2 0 0 5 年全年平均、最高和最低氣溫的變化 趨勢，。從圖中可以看出來2 0 0 2 年7 月份平均氣溫最高，為2 8 8 2 ，1 2 月 最低，為0 1 6o c ：2 0 0 5 年6 月份平均氣溫最高，為2 7 9o c ：1 2 月最低， 為1 3o c 。西安市冬季氣溫低，氣層穩(wěn)定，大氣污染物濃度高：夏季氣溫高， 氣層不穩(wěn)定，大氣污染物濃度較低。一般來說，氣溫的日變化與年季變換一 樣，一天中，白天氣溫升高，夜間氣溫下降，形成白天大氣湍流交換強(qiáng)，大 氣污染物濃度低，夜間氣流下沉，湍流減弱，大氣污染物濃度高。氣溫的垂 直分布，決定著大氣的層結(jié)狀態(tài)，當(dāng)氣溫上高下低時(shí)，層結(jié)穩(wěn)定：氣溫上低下 高時(shí)，層結(jié)不穩(wěn)定，湍流擴(kuò)散強(qiáng)。因此，氣溫的時(shí)空分布影響著大氣污染物 的沉積和擴(kuò)散。 ( 2 ) 逆溫 在大氣對流層中，正常情況下氣溫隨高度的增加而降低。但是在對流層 下層由于氣象條件的影響，有時(shí)會出現(xiàn)氣溫隨高度增加而升高的現(xiàn)象，這種 現(xiàn)象稱為逆溫。某一高度的逆溫層就像一個(gè)蓋子一樣阻礙著它下面污染物向 外擴(kuò)散。由于它阻礙了污染物的繼續(xù)向上運(yùn)動，因而可能造成嚴(yán)重污染。 在城市中出現(xiàn)較多、影響最嚴(yán)重的是輻射逆溫，它是由于地面強(qiáng)烈輻射 冷卻而形成的逆溫。在晴朗無云或少云，風(fēng)速不大的夜間，地面很快輻射冷 卻。貼近地面的氣層也隨之降溫，空氣是自下而上的被冷卻。近地層降溫多， 離地面越遠(yuǎn)的氣層降溫越少。因而形成了自地面向上的逆溫，日落前一小時(shí) 逆溫開始形成，這時(shí)的逆溫是和地面相貼的，稱為貼地逆溫。隨著地面輻射 冷卻的加劇，逆溫逐漸向上擴(kuò)展，黎明時(shí)逆溫強(qiáng)度最強(qiáng)。日出后，太陽輻射 逐漸加強(qiáng)，地面隨之增溫，逆溫便自下而上逐漸消失，到十點(diǎn)鐘左右逆溫完 全消失。， 污染物在大氣中的擴(kuò)散稀釋的動力是風(fēng)和湍流作用。當(dāng)無風(fēng)或風(fēng)速小時(shí)， 湍流對擴(kuò)散起主要作用，它直接影響污染物的擴(kuò)散速率。在逆溫情況下，大 氣層很穩(wěn)定，暖而輕的空氣在上面，冷而重的空氣在下面，這種結(jié)構(gòu)阻礙空 氣作上升運(yùn)動，抑制污染物質(zhì)輸送和擴(kuò)散。尤其是在日出后的短暫時(shí)間內(nèi)， 地面受熱升溫，湍流開始活躍，逆溫層從底部開始破壞，而上部仍保持逆溫 狀態(tài)，這時(shí)積聚在逆溫層內(nèi)的污染物很快向下混合，形成所謂下擴(kuò)散型，致 使地面污染物濃度升高。 逆溫產(chǎn)生多，對污染擴(kuò)散是不利的因素。一般，城市的逆溫以冬季最強(qiáng)， 春季次之，最弱的為夏季。冬季夜長，逆溫層厚，強(qiáng)度大，消失慢，所以冬 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第15 頁 季最不利于機(jī)動車污染物的擴(kuò)散， 2 1 3 大氣穩(wěn)定度 大氣穩(wěn)定度表示空氣在鉛直方向的穩(wěn)定程度，即氣塊是否穩(wěn)定于原來的層 次，是否易于發(fā)生對流。它是用來描述環(huán)境大氣層對于在其中作垂直運(yùn)動的 氣團(tuán)起什么影響的一種熱力性質(zhì)。 大氣的污染狀況與大氣穩(wěn)定度有著密切的關(guān)系。大氣不穩(wěn)定，湍流和對 流充分發(fā)展，擴(kuò)散稀釋能力強(qiáng)，在同等的排放條件下，一般不會形成大氣污 染：大氣穩(wěn)定，對流和湍流不容易發(fā)展，污染物不容易擴(kuò)散開，而容易形成大 氣污染。大氣穩(wěn)定度也有明顯的日變化規(guī)律，所以導(dǎo)致污染物濃度也有相應(yīng) 的日變化。在一日中，一般清晨和夜間，大氣比較穩(wěn)定，中午1 1 - 1 4 時(shí)大氣 最不穩(wěn)定。 莫寧一奧布霍夫長度用來表示大氣的穩(wěn)定程度，定義用l m o 表示。在白天， 由于地表受熱，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)l m o 是負(fù)值；而在夜間，由于地 表輻射冷卻，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)l m o 是正值。如果它的絕對值接近于 零，表明大氣非常不穩(wěn)定( 負(fù)值時(shí)) 或非常穩(wěn)定( 正值時(shí)) 。 莫寧一奧布霍夫長度是與大氣層結(jié)密切相關(guān)的物理參數(shù)，定義如下： 乙= 三g 齋 k 。l 式中：r 平均溫度： u 廣摩擦速度： k 一卡門常數(shù)，取0 4 ： r 一一個(gè)特征溫度。 ( 2 1 3 ) k o 時(shí)，表示大氣層結(jié)穩(wěn)定，乙 1 1 0 的街道三維模型，采用c f d 流體力學(xué)軟件f l u e n t 來對該街道峽谷進(jìn)行數(shù)值模擬，研究討論街道內(nèi)空氣流 場和污染物( c o ) 擴(kuò)散規(guī)律。 2 3 污染源強(qiáng)度的影響 機(jī)動車在道路上行駛，排放的廢氣形成污染源。在氣象條件和地形條件 不變的情況下，污染源強(qiáng)度越大被稀釋所耗費(fèi)的時(shí)間越長。城市街道由機(jī)動 車污染造成的排放源強(qiáng)由道路車流量、車輛排放因子等因素共同決定。以下 是機(jī)動車排放源強(qiáng)的表達(dá)式： q = q i = n i e o 3 6 0 0 f t l 式中：o i - 第i 條道路上機(jī)動車的排放源強(qiáng)，g ( k m s ) ： n i 一第i 種車型的車流量，輛h ： e i j - 第i 種車型j 污染物綜合排放因子，g k m 輛： n 一車型分類數(shù)：根據(jù)具體車型分類定。 由上式可見，機(jī)動車的排放源強(qiáng)和街道交通流量與車隊(duì)整體的綜合排放 因子成正比關(guān)系。根據(jù)城市道路的具體情況，可通過控制街道的車流量來減 少機(jī)動車的排放源強(qiáng)。 本次論文研究討論街道內(nèi)污染物( c 0 ) 擴(kuò)散規(guī)律，不考慮化學(xué)變化，模擬 中將街道考慮為面源，源強(qiáng)為o 6 1m g ( m 2 s ) ，該值是魏雄輝等利用1 9 9 7 年 北京市的交通狀況資料進(jìn)行估算，得到的一個(gè)有實(shí)際意義的值似，。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第19 頁 2 4 本章小結(jié) 本章討論了氣象因素、地理因素和污染源強(qiáng)度三種因素對機(jī)動車污染擴(kuò)散 的影響；并且以西安市為例，討論了在實(shí)際進(jìn)行街區(qū)污染研究時(shí)應(yīng)該收集那 些有用的數(shù)據(jù)資料。 ( 1 ) 風(fēng)速、風(fēng)向等氣象因素對街道內(nèi)污染物的擴(kuò)散有重要的影響。街道 內(nèi)污染物擴(kuò)散與屋頂( 街道兩旁建筑物的頂部) 風(fēng)向密切相關(guān)，一般來說上風(fēng) 向由于風(fēng)的推動作用污染物被帶走而濃度低，下風(fēng)向是污染物的輸送方向， 濃度將增高。經(jīng)常處于下風(fēng)向，也就是在十六方位圖上處于下風(fēng)向的頻率很 高，則高濃度機(jī)會多。但小風(fēng)時(shí)，下風(fēng)向近距離污染最嚴(yán)重。 ( 2 ) 冬季氣溫低，氣層穩(wěn)定不利于污染的擴(kuò)散，大氣污染物濃度高：夏季 氣溫高，氣層不穩(wěn)定，利于污染物的擴(kuò)散，大氣污染物濃度較低。逆溫是機(jī) 動車污染擴(kuò)散的不利因素，一般城市的逆溫以冬季最強(qiáng)，春季次之，最弱的 為夏季，從這個(gè)意義來講冬季不利于機(jī)動車污染 的擴(kuò)散。 ( 3 ) 大氣的污染狀況與大氣穩(wěn)定度有著密切的關(guān)系。大氣不穩(wěn)定，湍流和 對流充分發(fā)展，擴(kuò)散稀釋能力強(qiáng)，在同等的排放條件下，一般不會形成大氣 污染：大氣穩(wěn)定，對流和湍流不容易發(fā)展，污染物不容易擴(kuò)散開，而容易形成 大氣污染。 ( 4 ) 街道的高寬比是描述街道幾何特征的一個(gè)重要參數(shù)。高寬比較大時(shí)， 建筑物對風(fēng)的阻擋作用就大，屋頂風(fēng)到達(dá)街道內(nèi)時(shí)己經(jīng)減弱：高寬比較小時(shí)屋 頂風(fēng)所遇到的阻擋小，風(fēng)速損失不大，這樣有利于街道內(nèi)污染物的擴(kuò)散稀釋。 ( 5 ) 城市街道由機(jī)動車污染造成的排放源強(qiáng)由道路車流量、車輛排放因子 等因素共同決定。在氣象、地理和機(jī)動車類型等因素不變的情況下，排放源 源強(qiáng)與街道車流量成正比關(guān)系。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 0 頁 第3 章湍流模型數(shù)值模擬 自然界中的流體流動狀態(tài)主要有兩種形式，即層流( 1 a m i n a r ) 和湍流 ( t u r b u l e n c e ) 。中外許多文獻(xiàn)研究表明城市街區(qū)的污染物擴(kuò)散屬于湍流擴(kuò)散過 程。本文所建的街區(qū)模型通過雷諾數(shù)公式計(jì)算r e 4