建筑物尾流區(qū)氣流與污染物擴(kuò)散的數(shù)值計(jì)算

建筑物尾流區(qū)氣流與污染物擴(kuò)散的數(shù)值計(jì)算摘要：采用了細(xì)網(wǎng)格非靜力能量閉合邊界層模式和隨機(jī)游動(dòng)模擬方式成立了一套分析建筑物尾流流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的數(shù)值模擬系統(tǒng).作為應(yīng)用研究的例子，在對(duì)某城市地下交通隧道排廢氣的風(fēng)井塔尾流區(qū)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)洞流體物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用所建的模擬系統(tǒng)對(duì)風(fēng)井塔尾流區(qū)氣流和污染物擴(kuò)散特征進(jìn)行研究.結(jié)果表明，所建的模擬系統(tǒng)的模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果吻合較好，對(duì)一些小尺度帶有明顯湍流不均勻性的流場(chǎng)和局地空氣污染物散布的情形有較好的模擬效果和良好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：隧道風(fēng)井塔非靜力細(xì)網(wǎng)格邊界模式能量閉合隨機(jī)游動(dòng)模擬風(fēng)洞模擬一些具有必然形式和規(guī)模的建筑物（如鈍體型高樓大廈，城市地卜交通隧道排污氣的風(fēng)井塔，核工程設(shè)施中的反映堆殼體等等）對(duì)其周圍地域的氣流散布有明顯的影響，所以由此而造成的局地空氣污染擴(kuò)散也會(huì)由于建筑物所致的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)而具有獨(dú)特性.建筑物背風(fēng)側(cè)存在一個(gè)尾流區(qū)，其主要特征為氣流速度的虧損和湍流活動(dòng)加重，具有明顯非均勻性結(jié)構(gòu).迄今為止，通常采用在風(fēng)洞和水槽中進(jìn)行流體物理模擬實(shí)驗(yàn)的途徑研究其流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散特征，并在此基礎(chǔ)上由經(jīng)驗(yàn)方式成立修正的高斯模型，分析尾流區(qū)污染物的擴(kuò)散[1].雖然高斯模型有必然的實(shí)用價(jià)值，但就湍流及其不均勻性的物理本質(zhì)和分析精準(zhǔn)性而言，卻是不可取的.于洪彬、蔣維楣(1996)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)風(fēng)井塔尾流特征分析的基礎(chǔ)上，利用Halitsky(1977)[2]的擬合公式，進(jìn)行修正后，取得塔后尾流區(qū)的流場(chǎng)和湍流場(chǎng)，以此作為隨機(jī)游動(dòng)擴(kuò)散模式的輸入場(chǎng)，取得塔后尾流區(qū)污染物的擴(kuò)散散布[3].可是從提高模式的模擬精度而言，利用該模式所得的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)還比較粗糙，與實(shí)際情形仍是有較大的出入.本文成立了一種能較為細(xì)致地分析建筑物尾流區(qū)氣流和污染物擴(kuò)散特征的數(shù)值模擬系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)的流場(chǎng)模式采用細(xì)網(wǎng)格非靜力邊界層模式，閉合方案采用工程上實(shí)用的能量閉合方式(E-8閉合)，模擬系統(tǒng)的擴(kuò)散模式采用隨機(jī)游動(dòng)模擬方式.2模式采用三維非靜力邊界層模式模擬中性層結(jié)情形下建筑物尾流流場(chǎng)，其控制方程組，包括速度u、v、w預(yù)報(bào)方程和持續(xù)方程.閉合方案用E-8方式，即在上述方程中加入湍能和耗散率的預(yù)報(bào)方程和湍流互換系數(shù)的診斷方程[4]:⑴(2)(3)式中，E為湍流動(dòng)能，￡為湍流耗散率，一些參數(shù)如，。E,。s,C1s,C2s,C^的取法是比較復(fù)雜的，本文中參考Rodi的取法[5],簡(jiǎn)單地別離取為：，，，，，C3在中性情形下為和Kmz為水平和垂直方向的湍流互換系數(shù).由于模式的水平網(wǎng)格距和積分時(shí)刻步長(zhǎng)都能取得很小(積分時(shí)刻步長(zhǎng)為s,建筑物周圍的水平網(wǎng)格距為5m),所以該模式能以較高的時(shí)空分辨率細(xì)致模擬出建筑物尾流流場(chǎng)的散布特征.隨機(jī)游動(dòng)模擬是通過(guò)施放大量標(biāo)記粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，粒子在流場(chǎng)中按平均風(fēng)輸送，同時(shí)又用一系列隨機(jī)位移來(lái)模擬湍流擴(kuò)散，粒子軌跡方程為：(4)式中，應(yīng)為時(shí)刻步長(zhǎng)，a=1,2,3,別離代表在x,y,z3個(gè)方向上的量.下標(biāo)i,i+1別離代表前一時(shí)步和后一時(shí)步的量.湍流隨機(jī)脈動(dòng)速度由MarkovChain關(guān)系取得：(5)這里Y\-a是方差為、均值為0的高斯型隨機(jī)數(shù)，由運(yùn)算機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生."為速度方差.R\-a^t為自相關(guān)系數(shù)，取為通用的指數(shù)形式：(6)TLa為拉格朗日時(shí)刻尺度，取Hanna(1982)[6]的擬合公式：不穩(wěn)固層結(jié)：穩(wěn)固層結(jié)：中性層結(jié)：其中，Zi為混合層厚度，Z為垂直高度，f為科氏參數(shù)，u*為摩擦速度.3建筑物尾流特征模擬分析某大城市地下交通隧道排氣的風(fēng)井塔的外形輪廓特殊，如圖1所示，主體呈圓柱形，高m，直徑m，排氣窗離地面一m，無(wú)煙氣抬升，具有m/s的水平出口速度主塔下方地面上有高度為m的附屬建筑物與主體聯(lián)成一體[7].由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，在風(fēng)塔排氣速度必然的情形下，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速（源高處）大于m/s時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)明顯的煙流下沉現(xiàn)象，而且按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)資料和研究問(wèn)題的需要，咱們?nèi)★L(fēng)塔上游無(wú)窮遠(yuǎn)處的來(lái)流風(fēng)速（源高處）為m/s和m/s兩種典型風(fēng)速，并取工程上實(shí)用的指數(shù)律，冪指數(shù)按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)在中性情形下為?模擬域的范圍為74HbX60HbX15Hb個(gè)網(wǎng)格范圍（Hb為風(fēng)井塔的高度），水平網(wǎng)格采用在建筑物周圍用細(xì)網(wǎng)格，至邊界處格距逐漸增大的拉伸網(wǎng)格系統(tǒng).垂直網(wǎng)格從地面向上逐漸增大.邊界條件：地面采用無(wú)滑脫條件，采用固定的上邊界，建筑物表面采用Vn=0作為邊界條件，這里V\-n為建筑物表面法線方向的速度分量，處在建筑物內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)上令速度為零.側(cè)邊界用固定流入、梯度輸出的形式.圖2給出源高處風(fēng)速為m/s時(shí)風(fēng)井塔尾流區(qū)流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果.圖2（a）中虛線所圍區(qū)域?yàn)樗俣忍潛p大于1的區(qū)域，即此區(qū)域內(nèi)水平風(fēng)速與來(lái)流向相反.由圖可見(jiàn)風(fēng)塔的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)影響范圍在其下游延伸至34Hb，在塔后風(fēng)速急劇減少，最大速度虧損出此刻塔后腔區(qū)內(nèi)，大小為117%.塔前塔后出現(xiàn)回流區(qū)，但塔后范圍較大.塔后回流區(qū)的大致范圍在離塔下游5—6Hb左右.湍流動(dòng)能TKE的大值散布在速度切變圖1某城市地下交通隧道風(fēng)并排放塔的輪廓Outlineoftheexhausttoweroftheundergroundtunnelinonecity圖2風(fēng)井塔尾流區(qū)的流場(chǎng)散布(Hb為風(fēng)井塔的高度)(a)風(fēng)井塔軸線上水平風(fēng)速u的垂直廓線(b)風(fēng)井塔湍流動(dòng)能TKE的等值線散布(m2/s2)Thedistributionofflowfieldinwakeareaofexhausttower(Hbistheheightoftheexhausttower)圖3風(fēng)井塔尾流區(qū)地面軸線CO濃度散布圖COconcentrationalongtheground-surfacecenterlineinwakeareaofexhausttower這與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)［7］的結(jié)果大體吻合.下面咱們將利用能量閉合模式的輸出結(jié)果作為隨機(jī)游動(dòng)模式的輸入場(chǎng)，來(lái)研究尾流區(qū)污染物的擴(kuò)散規(guī)律和特征.圖4風(fēng)井塔下游軸線上不同距離處CO濃度的垂直散布(a)模式計(jì)算結(jié)果(b)風(fēng)洞示蹤擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果TheverticalprofileofrelativeCOconcentrationonthedifferentsitesofthedownstreamcenterlineoftheexhausttower極大值出現(xiàn)的位置與塔后腔區(qū)環(huán)流中心位置大體一致.尾流區(qū)污染物擴(kuò)散特征模擬考慮到源的特殊排放形式(見(jiàn)圖1)，將源排放簡(jiǎn)化成平均排放高度為50m的半圓弧線源，并將線源簡(jiǎn)化成若干個(gè)點(diǎn)源的疊加，每一個(gè)點(diǎn)源施放的粒子具有相同的水平出口速度(Vs=m/s)，但其方向因點(diǎn)源位置的不同而不同.風(fēng)塔實(shí)際的CO的排放速度為43725mg/s.為保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的穩(wěn)固性，模擬中施放20000個(gè)粒子，時(shí)刻步長(zhǎng)取為△t二；假設(shè)粒子在邊界上為反反射.圖3為風(fēng)塔下游地面軸線CO的濃度散布，相應(yīng)的源高處的風(fēng)速V/Vs=和.由圖3(a)可見(jiàn)，模擬系統(tǒng)的預(yù)測(cè)結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的測(cè)量值吻合較好，最大濃度點(diǎn)的大小和位置與測(cè)量值較為一致.圖3(b)表明，模擬預(yù)測(cè)的最大濃度點(diǎn)的位置與風(fēng)洞示蹤擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的結(jié)果較為吻合，但大小低估10%左右.圖4(a)所示隨機(jī)游動(dòng)擴(kuò)散模式預(yù)測(cè)風(fēng)塔下游軸線上CO(相M)濃度的垂直散布，其中Cmax為該位置的最大濃度值，圖4(b)為風(fēng)洞示蹤擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)所測(cè)到的相應(yīng)結(jié)果，由圖可見(jiàn)，近距離濃度散布大體仍呈高斯型，但出現(xiàn)最大值的高度逐漸降低，到離源距離X二，濃度散布已呈向下逐漸遞減型，然后煙流軸線緩慢抬升，直到X=10Hb處，也只抬升了14m高度.軸線濃度的垂直散布與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)吻合較好，充分反映了風(fēng)井塔的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng).模式預(yù)測(cè)地面CO的濃度散布與風(fēng)洞示蹤擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也吻合較好.5小結(jié)本文成立了一套分析建筑物尾流和污染物擴(kuò)散的數(shù)值模擬系統(tǒng)，對(duì)某城市地下交通隧道廢氣的風(fēng)井塔的尾流流場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并與風(fēng)洞流體物理模擬實(shí)驗(yàn)和示蹤擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較.研究結(jié)果表明：1.利用非靜力細(xì)網(wǎng)格能量閉合邊界層模式能較好地模擬出風(fēng)井塔尾流的大體特征，取得的水平風(fēng)速源不同的下風(fēng)距離的垂直散布與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)到的結(jié)果大體吻合.2.當(dāng)場(chǎng)面軸線污染物濃度散布而言，模擬系統(tǒng)所得的結(jié)果與風(fēng)洞示蹤擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的結(jié)果較一致，濃度最大值的大小和出現(xiàn)距離較為一致.3.模擬所得的不同下游距離處(相對(duì))濃度的垂直散布，與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果較吻合，充分反映了建筑物的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng).參考文獻(xiàn)HuberAH.Windtunnelandgaussianplumemodelingofbuildingwakedispersion.AtmosphericEnvironment,1991,25A(7):1237—1249HalitskyJ.WakeanddispersionmodelsfortheEBR-IIbuildingcomplex.AtmosphericEnvironment,1977,11:577—596于洪彬，蔣維楣.廢氣排放塔尾流區(qū)隨機(jī)游動(dòng)擴(kuò)散模擬研究.空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，1996,14:349—354王衛(wèi)國(guó)等.山地露天礦自然通風(fēng)風(fēng)流與湍流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬.高原氣象，1996,15:464—471RodiWetal.Inturbulenceanddiffusioninstableenvironments.England:OxfordUniversityPress,1985HannaSR.In:Nieuwstadt