环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (2): 254-264  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.73

引用本文  

李政桐, 蔡存金, 黄晓明, 等. 深街道峡谷内高架桥对污染物传播特性影响的模拟研究[J]. 环境科学研究, 2018, 31(2): 254-264.
LI Zhengtong, CAI Cunjin, HUANG Xiaoming, et al. Numerical Simulation on the Effect of Viaduct Settings on the Air Flow and Pollutants Dispersion in the Deep Street Canyon[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(2): 254-264.

基金项目

国家自然科学基金项目(No.51778511, 51608405, 51576077)
National Natural Science Foundation of China (No.51778511, 51608405, 51576077)

责任作者

蔡存金(1978-), 男, 福建漳州人, 讲师, 硕士, 主要从事建筑环境及污染物扩散研究, E-mail:cunjincai@163.com

作者简介

李政桐(1992-), 男(壮族), 广西柳州人, zhengtongli@hust.edu.com

文章历史

收稿日期:2017-06-27
修订日期:2017-10-13
深街道峡谷内高架桥对污染物传播特性影响的模拟研究
李政桐1 , 蔡存金2,3 , 黄晓明1 , 窦鸿文2 , 方炜杰2 , 明廷臻2     
1. 华中科技大学能源与动力工程学院, 湖北 武汉 430074;
2. 武汉理工大学土木工程与建筑学院, 湖北 武汉 430070;
3. 空军勤务学院航空四站系, 江苏 徐州 221000
摘要:城市化进程导致在城市中出现通风条件较差的深街谷,建设于深街谷内的高架桥会加重周边街谷内空气污染.用计算流体力学模拟方法(CFD)探索在不同环境风速下的深街谷中,高架桥的高度和宽度对街谷内气流组织与污染物扩散的影响.结果表明:高架宽度小于0.8倍街谷宽度时的高架桥不会抑制桥下空间的流动;桥宽增加会改变桥下空间的涡旋结构和涡旋方向,近地面流动方向由之前的从右至左流动变为从左至右流动,因而桥下空间污染分布也发生明显改变;高架桥宽度的增加导致两侧低层住户受到较大影响,对背风面住户的影响更为明显;但高架宽度为0.5倍街谷宽度的高架桥能对迎风面中层住户造成影响;增加高架桥的高度,其下方污染物浓度增加;当高架桥位于街谷冠层时,下部空间的污染物浓度急剧增加;冠层处及涡旋交界面高架桥对两侧住户产生较大影响,而其他高度高架桥对两侧住户影响不大;随着环境风速的增加,高架桥对近地面源污染物扩散的阻碍作用逐渐减弱.研究显示,深街谷中增加高架桥的宽度、高度都会导致街谷内空气质量的恶化,而高架桥会阻碍因环境风速增加对街谷内空气质量的改善.
关键词街道峡谷    高架桥    风场    污染物    
Numerical Simulation on the Effect of Viaduct Settings on the Air Flow and Pollutants Dispersion in the Deep Street Canyon
LI Zhengtong1 , CAI Cunjin2,3 , HUANG Xiaoming1 , DOU Hongwen2 , FANG Weijie2 , MING Tingzhen2     
1. School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;
2. School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;
3. Department of Aviation Four Stations, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China
Abstract: The progress of urbanization definitely leads to the occurrence of deep street canyon with poor ventilation condition, and the viaduct erected in deep street canyon absolutely further contributes to air pollution, thus it is imperative for the researchers to attach great importance to the effect of viaduct settings on the air flow and pollutants dispersion in the deep street canyon. Computational Fluid Dynamic (CFD) simulation was employed to investigate the influence of the height and width of viaduct on the air flow and pollutants dispersion in the deep street canyon under different ambient wind speed. The result shows that when the width of viaduct is less than B=0.8D (B is the width of the canyon, D is the width of the viaduct), the viaduct could not depress the flow of air under the viaduct, which is different from the case of shallow street canyon; with the increase of the width of viaduct, the viaduct alter the structure and rotate direction of lower vortex under the viaduct, thus the air near the ground flow from the left side to the right side instead of flowing from right side to left side, and the pollutant distribution under the viaduct is change; the low-rise residents on both sides are highly affected, when the width of viaduct increases; the pollutant concentration beneath the viaduct increases with the height of viaduct; when the viaduct is set in the canopy of street canyon, the pollutant concentration within the canyon dramatically increases; when the viaduct is set in the interface of these two overlapped vortexes, the viaduct can depress the escape of pollutants into the upper vortex, which is different from the case of shallow street canyon; the viaduct located in the canopy and interface can affect the residents living on the both side, but the viaducts of other height have a little effect on these inhabitants; with the increase of ambient wind speed, the depression of viaduct on the pollutant dispersion diminishes gradually. The study shows that the increase of width and height of viaduct can lead to the deterioration of air quality within the deep street canyon, and the presence of viaduct can hamper the improvement of outdoor air quality induced by the increase of ambient wind speed.
Keywords: street canyon    viaduct    wind field    pollutant    

随着我国经济和城市化进程的快速发展,城市道路两侧建筑高度不断增加[1-2],城市公交和私家车日益增多,形成难以扩散的污染堆积于街道峡谷之内[3],城市街道峡谷内的气流组织与污染物传播特性已经广泛被研究[4-7],通过风洞试验、实地测量以及数值模拟仿真等研究手段对不同气象条件下不同建筑结构、不同建筑密度的城市街谷进行了大量的分析.

城市街谷内的流体流动和污染物稀释扩散主要来源于建筑顶部环境风的驱动,其流动形态受到街谷形状因子(高宽比)的影响[8-10],其中高宽比为建筑高度与街道宽度的比值.根据街谷高宽比由小到大的顺序,空气流动形态依次可分为孤立粗略流(高宽比<0.3)、干扰流(0.3<高宽比<0.7)及掠流(高宽比>0.7).通常情况下,街谷内只出现单一的涡旋结构(高宽比=1)[11].而LI等[12]通过水槽试验发现,高宽比为2的街谷出现两个反方向的漩涡.相似地,HANG等[13]认为,当高宽比大于1.67时,街谷内出现两个上下叠加而方向相反的涡旋,这与常规街谷内单一的涡旋结构不同,因而可将高宽比大于1.67的街谷定义为深街谷. Murena等[14]依据相似的分类标准,将高宽比大于1.5的街谷称为深街谷.由于深街谷中多个叠加的涡旋结构,严重限制街谷内空气流动而导致街谷底部更差的通风条件及空气质量[15-16]. LI等[17]对高宽比为3的深街谷研究显示,污染物浓度在高度方向梯度极大,街谷底部浓度约为顶部的100倍.当环境风速大于1.2 m/s时,街谷内的空气流动主要受到顶部环境风速的影响[18],反之,则更容易受到交通诱导湍流[19-20]及大气温度的影响[21]. XIE等[22]的研究表明,街谷内的污染物浓度与街谷顶部的风速和风向关系密切,环境风向的微小改变可对污染物分布产生显著影响.

高架桥的设计缓解了城市局部的交通拥堵,而其“盖子效应”又会使街谷内空气质量恶化.现有研究[23-25]考虑了高架桥的高度、宽度、桥面厚度、地面污染源以及高架污染源等研究参数的影响.研究表明,街谷中高架桥的存在会加重桥下空间的空气污染,同时当桥面宽度越大且越靠近地面会进一步恶化桥下空间的空气质量;高架桥下空间的车流诱导湍流与流动不可忽略[26],不同高宽比、不同对称性的街谷结构中的高架桥[27]以及高架桥隔音围栏[28]的影响也不可忽视.

综上,现有对街谷中高架桥的研究中,通常考虑浅街谷(高宽比<1.67)中高架桥的影响,而关于深街谷(高宽比≥1.67)中污染物的传播规律及其机理的研究尚缺乏相关报道.基于此,该研究以不同环境风速下的深街谷为研究对象,考虑高架桥的主要几何参数(高度以及宽度)对街谷内气流组织与污染物扩散特性的影响,分析高架桥的特征参数对桥下空间、行人层面及临街建筑附近空气质量的影响,以期为城市规划布局和空气质量预测提供参考.

1 物理数学模型 1.1 几何模型及边界条件

高架桥-深街谷模型采用二维计算域.假设:①高架桥的厚度记为a;②临街建筑对称排列,将街谷设定为深街谷;③建筑物高度(H),取值40 m,街道峡谷宽度(D),取值20 m;④高架桥距地面的距离记为h,高架桥宽度记为B.为研究不同高、宽尺寸高架桥及环境风速(v0)对街道峡谷内流场和污染物扩散的影响,改变hBv0的值,相应的计算工况如图 1表 1所示.

图 1 高架-深街谷模型以及网格分布 Fig.1 Schematic diagrams of deep street canyon with a viaduct and mesh distribution

表 1 高架桥-深街谷模拟算例 Table 1 Simulated cases of deep street canyons with different configuration viaducts

图 1所示,环境风速入口为速度进口边界,来流风自左向右垂直于街道,速度入口设定为梯度风;考虑出口流动状态充分发展,定义出口边界条件为outflow;根据Solazzo等[20]的研究结果,沿流动方向上顶面在达到距离模型一定尺寸时,可认为边界面为无滑移壁面,即所有流动变量中对称面的法向梯度为零,为此将模型的上边界定义为对称性边界条件;建筑物墙壁和地面采用固体壁面边界,高架桥下地面污染源设污染源项.

速度梯度风沿高度方向分布可表示为

$ {U_z} = {U_{\rm ref}}{\left( {\frac{{y - H}}{{{y_{\rm ref}}}}} \right)^\alpha } $ (1)

湍动能以及湍流耗散沿高度风向分布可表示为

$ k = {U_*}^2/\sqrt {{C_\mu }} $ (2)
$ \varepsilon = {U_*}^3/\left( {\kappa y} \right) $ (3)

式中:Uref为参考高度yref上的参考速度,m/s,其中yref设定为20 m;y为距离地面高度,m;指数参数a =0.2代表下垫面粗糙度为中等密度[29]U*=0.54 m/s代表摩擦速度[30]κ为冯卡门常数,取0.4;经验常数Cμ=0.09.

对污染物浓度进行无量纲处理:

$ K = {\rho _{\rm CO}}c{U_{\rm ref}}LH/Q $ (4)

式中:K为CO无量纲浓度;ρCO为CO的密度,取1.295 kg/m3c为污染物的质量分数;Uref为特征入口速度,m/s;L为被研究街谷长度,取200 m;Q为污染源源强,kg/(m3 ·s).

1.2 数学模型

大量研究表明,采用k-ε模型模拟街道峡谷内流场和污染物浓度效果较好[23-31],因此该研究亦采用二维k-ε模型.将空气视为不可压流体,污染物扩散采用组分输运方程,流场与污染物浓度场可由连续性方程、动量方程来描述,控制方程如下:

$ \frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \frac{{\partial (\rho {u_i})}}{{\partial {x_i}}} = 0 $ (5)
$ \frac{{\partial (\rho {u_i})}}{{\partial t}} + \frac{{\partial (\rho {u_i}{u_j})}}{{\partial {x_j}}} = - \frac{{\partial p}}{{\partial {x_i}}} + \frac{{\partial {\tau _{ij}}}}{{\partial {x_j}}} $ (6)
$ \begin{array}{c} \frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho k} \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}(\rho k{u_i}) = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _k}}}} \right)\frac{{\partial k}}{{\partial {x_j}}}} \right] + \\ {G_k} + {G_{\rm b}} - \rho \varepsilon - {Y_{\rm M}} + {S_k} \end{array} $ (7)
$ \begin{array}{c} \frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho \varepsilon } \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}(\rho \varepsilon {u_i}) = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _\varepsilon }}}} \right)\frac{{\partial \varepsilon }}{{\partial {x_j}}}} \right] + \\ {C_{1\varepsilon }}\frac{\varepsilon }{k}({G_k} + {C_{3\varepsilon }}{G_{\rm b}}) - {C_{2\varepsilon }}\rho \frac{{{\varepsilon ^2}}}{k} + {S_\varepsilon } \end{array} $ (8)

式中:ρ为空气的密度,kg/m3t表示时间,s;u为空气风速,m/s;p为压力,pa;τij为应力张量;Gk为由于平均速度梯度产生的湍动能:$ {G_k} = - \rho \overline {{u_i}' {u_j}' } \frac{{\partial {u_j}}}{{\partial {x_i}}}$,其中,$ \overline {{u_i}' {u_j}' }$表示湍流脉动速度相关的平均值;Gb表示浮力项;YM表示脉动扩张量;SkSε为源项;σkσε分别表示湍动能k以及耗散率ε对应的普朗特数,其中,σk=1.0,σε=1.3;C1εC2εC3ε为湍流常数,分别取1.44、1.92、0.09;μ为流体的黏度,定义为μt=Cμρk2/ε.

求解浓度场的分布的组分输运方程为

$ \frac{{\partial {C_i}}}{{\partial t}} + {u_j}\frac{{\partial {C_i}}}{{\partial {x_j}}} = \frac{1}{\rho }\frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {{D_i} + \frac{{{\mu _t}}}{{{S_{\rm ct}}}}} \right)\frac{{\partial {C_i}}}{{\partial {x_j}}}} \right] $ (9)

式中,Ci为组分浓度,Di为湍流扩散系数,Sct为湍流施密特数,该研究中设为0.7.

1.3 计算方法及网格生成

采用有限体积法离散方程,收敛标准均取10-6.计算时采用单精度的分离隐性求解器进行求解,压力离散格式为PRESTO,压力与速度的耦合运用SIMPLE算法,两个坐标方向的速度方程和k-ε方程的对流项离散采用二阶迎风差分格式,扩散项的离散采用二阶中心差分格式.采用CO作为污染物,污染物释放强度为10-6 kg/(m3 ·s).

在计算域内采用均匀分布的结构化网格,同时考虑网格独立性,分析3种网格尺寸:网格间距分别设为Δxy =0.025 D、0.02 D、0.015 D,将3套网格系统按照网格数从小至大定义为M1、M2、M3,网格数分别为6 400、24 300、40 000.对同一工况(来流特征风速为4 m/s,高架桥h =0.6 H, B =0.5 D),比较3种网格系统下在行人层上(y =1.5 m)的平均风速与平均污染物浓度计算值.结果显示,平均风速分别为0.086、0.092、0.095 m/s时,在M1与M2网格系统下计算的平均风速相差为6.2%,而M2与M3相差为3.3%;相应地CO平均浓度为0.76×10-8、0.72×10-8、0.69×10-8 kg/(m3 ·s).在M1与M2网格系统下计算的CO平均浓度相差6.1%,而M2与M3相差3.6%.因而Δxy =0.02 D的网格质量可以保证结果对网格的独立性.因而该研究计算选取Δxy =0.02 D的M2网格系统.

2 结果与讨论 2.1 深街谷中高架桥宽度影响

图 23为高架桥宽度对城市街谷内流体速度及流线分布的影响.如图 3(a)所示,当街谷中无高架桥时,会形成上下两个旋转方向不同的漩涡,由于上方涡旋的抑制,下方的流体速度远小于上方的流体速度.而如图 3(b)~(e)所示,当架设了高架桥时,街谷内漩涡的结构、大小及组成特征均发生了明显变化;一个大的漩涡将高架桥包含其内,桥上桥下空间通过两侧空隙进行物质交换.

注:图中数值为风速,单位为m/s. 图 2 街谷内风速随高架桥宽度变化 Fig.2 Velocity distributions for different width of viaduct

图 3 街谷内流线随高架桥宽度变化 Fig.3 Streamlines for different width of viaduct

随着高架桥宽度的增加,高架桥下部较小的漩涡逐渐增大,而取代了无高架桥时街谷下部空间的漩涡,旧的涡旋被挤压于迎风面(右侧面)下部〔见图 3(c)〕.在B =0.8 D时,下方新产生的涡旋占满了高架桥下部的空间,高架桥几乎隔绝了高架上下两侧的流动,下部空间的流动速度与无高架桥的街谷相比相对滞止.然而随着高架桥宽度的增加,下部空间的风速并未产生明显的减小(B<0.7 D),直至B =0.8 D时,其风速才会明显减小,这是由于在深街谷中,上方的涡旋已经对下方的涡旋产生明显的抑制作用,因而当高架桥设置于上方涡旋中时,高架桥的设置对高架桥下方的流场速度抑制作用并不明显.只有当高架桥宽度增至一定程度时(B =0.8 D),才会对高架桥下方空间流场的风速产生明显抑制作用.

图 4可见,高架桥宽度对桥下空间的CO无量纲浓度分布影响显著,主要是由于高架桥的宽度改变破坏了桥下空间的涡旋结构以及涡旋方向.由于无高架桥时,街谷下方的逆时针涡旋导致在街谷迎风面下部(右侧)附近的CO无量纲浓度变大.当B =0.5 D时,从图 3(b)可以看出,桥下空间的涡旋只是向右上方产生了凸起,除了涡旋中心的位置向迎风面偏移外,涡旋大小及方向(逆时针)并没有明显改变,因而在图 4(b)中,CO浓度场并没有产生太大变化,只是在迎风面下部聚集了更多的CO.

CO无量纲浓度/102: 1—0.50;2—1.22;3—1.94;4—2.67;5—3.39;6—4.11;7—4.83;8—5.56;9—6.28;10—7.00. 图 4 街谷内CO无量纲浓度随高架桥宽度变化 Fig.4 Pollutant concentration distribution for different width of viaduct

B增至0.6 D、0.7 D时,如图 3(c)(d)所示,紧贴着高架桥下方的涡旋逐渐增大,与街谷上方的涡旋产生嵌套关系,街谷近地面附近空气的流动方向反而由上方涡旋的方向决定,最终近地面流动方向由之前从右至左流动,变为从左至右,桥下空间的CO无量纲浓度分布从而也产生了明显改变.从图 4(c)(d)可以看出,CO反而聚集于街谷的背风面(左侧面),导致背风面下部附近的CO无量纲浓度增加.同时由于高架桥宽度增加,街谷下部原有的涡旋进一步缩小〔见图 3(d)〕,而新产生的涡旋进一步增大,因而图 4(d)背风面附近的CO无量纲浓度明显更大.当B增至0.8 D时,如图 3(e)所示,高架桥切断上下部分空间的联系,虽然近地面的流动方向没有改变,但流动速度已经明显减少.因而如图 4(e)所示,近地面行人层(y =1.5 m)附近的CO无量纲浓度急剧增加,在背风面附近的增加更为剧烈.

图 5所示,比较不同高架桥宽度下CO无量纲浓度在临街建筑附近沿着高度方向的分布,发现高架桥的存在影响两侧建筑物附近的CO无量纲浓度,进而对街道两侧的居民健康造成影响.由于高架桥宽度的增加,改变了高架桥下方空气的流动方向,使得CO聚集于街谷的背风面(左侧面),导致背风面建筑附近的CO无量纲浓度增加.

图 5 不同高架桥宽度下两侧建筑物附近CO无量纲浓度沿高度方向分布情况 Fig.5 Normalized pollutant concentration distribution in the vicinity of buildings along the altitude direction for different width of viaduct

图 5(a)可以看出,随着高架桥宽度的增加,背风面附近的CO无量纲浓度明显增长,尤其在低层(0~10 m)住户附近.当宽度增至0.8 D时,低层住户附近的CO无量纲浓度几乎是没有高架桥的4倍,同时高层住户附近也出现较大浓度的CO聚集.图 5(b)为迎风面附近CO无量纲浓度的分布情况,由于高架桥对桥下空间的涡旋结构破坏,与背风面一样,高架桥的存在也使得在迎风面低层住户附近产生浓度较大的区域.但与背风面不同,B =0.5 D宽度的高架桥不仅对低层住户产生影响,对中层的住户也产生较大影响(10~35 m).这是由于图 3(b)中,高架桥对下方涡旋的影响,而使得涡旋中心向迎风面偏移而导致更多的CO聚集于迎风面附近.

2.2 深街谷中高架桥高度的影响

为了研究参数的独立性,在研究高架桥高度的影响时尽量避免高架桥宽度的干扰,设定B =0.5 D.由于高架桥为了保证一定的离地高度,将高架桥设置于两涡旋交界面(h =0.4 H)与街谷冠层(h =1.0 H)之间.由图 6(a)~(e)所示,随着高架桥高度的抬升,下涡旋的大小以及结构发生了改变,但是涡旋的方向没有发生改变.

图 6 街谷内流线随高架桥高度变化 Fig.6 Streamlines for different height of viaduct

当高架桥处于两涡旋交界面(h =0.4 H)时,街谷内整体的涡旋组成没有明显改变.当高架桥继续上移(h =0.6 H),上涡旋被拉长,在桥下产生了一个较小涡旋,而下部空间原有的涡旋被挤压.高架桥继续抬升(h =0.8 H),桥下较小的涡旋逐渐增大,但是该涡旋的增加对于整个上涡旋的大小并没有太大的贡献,因而下涡旋没有继续被挤压.然而当高架桥处于街谷冠层(h =1.0 H)时,上涡旋的范围急剧增加,而下涡旋却急剧缩小,这可能是由于处于冠层的高架桥一定程度上隔绝了街谷内部的空气与街谷顶部自由流场的能量交换,因而街谷上涡旋获得更少的能量.由于下涡旋的能量是由于上涡旋传递而获得,因而下涡旋能量更低而被进一步压缩.如图 7所示,对于高架桥下部空间的流动速度来说,当高架桥没有处于街谷冠层时,桥下空间空气的流动速度与没有高架桥时相比略有减小;而当高架桥处于街谷冠层时,其流动速度急剧减小.

注:图中数值为风速,单位为m/s. 图 7 街谷内风速随高架桥高度变化 Fig.7 Velocity distributions for different height of viaduct

图 8为街谷内CO无量纲浓度分布随高架桥高度的变化情况.值得注意的是,当高架桥处于两涡旋交界面时(h =0.4 H),背风面下部CO无量纲浓度突然增加,而当高架桥继续上移时(h =0.6 Hh =0.8 H),背风面CO无量纲浓度急剧增加的情况消失.因为下部空间地面源产生的CO若要进入上部空间,必须通过上下两个涡旋交界面上的湍流扩散得到.如图 6(a)所示,上下两个涡旋在交界处,流动都基本处于水平状态,那么在交界面处垂直方向的流动几乎不存在,即垂直方向的速度梯度近乎为0,那么下涡旋需要通过湍流扩散的形式将CO扩散至上部空间.然后如图 6(b)所示,当高架桥处于两涡旋交界面,高架桥的存在一定程度上隔绝这种形式的污染物扩散,导致CO无量纲浓度突然在迎风面增加.但由于高架桥的存在将下涡旋略微往上抬升了,因而高架桥并未完全隔离上下两涡旋的质量交换,部分CO仍然可以扩散出去.而当高架桥继续上移时(h =0.6 Hh =0.8 H),与无高架桥的情况相比,背风面浓度只是略有增加,这是因为没有隔绝上下涡旋的交换.当高架桥处于这两个位置时,其浓度分布基本一致.但是当高架桥处于街谷冠层时,整个下部空间的CO无量纲浓度都急剧增加,相应地整个街谷的CO无量纲浓度也随着增加,高架桥阻碍了气流在街道峡谷的流动,其下方的CO无量纲浓度最大.

CO无量纲浓度/102:1—0.50;2—1.22;3—1.94;4—2.67;5—3.39;6—4.11;7—4.83;8—5.56;9—6.28;10—7.00. 图 8 CO无量纲浓度分布随高架桥高度变化 Fig.8 Pollutant concentration distribution for different height of viaduct

图 9所示,位于街谷冠层的高架桥(h =1.0 H)对两侧临街建筑内的居民影响都最大,其次是位于涡旋交界处的高架桥(h =0.4 H),而其他高度的高架桥对两侧居民影响不大.

图 9 CO无量纲浓度随着高架桥高度变化在两侧建筑物附近沿高度方向分布情况 Fig.9 Normalized pollutant concentration distribution in the vicinity of buildings along the altitude direction for different height of viaduct

首先分析背风面的分布情况,当高架桥位于h =0.4 H处,只对低层住户产生影响. CO无量纲浓度在近地面达到最大,约为无高架桥时的2倍,但随着高度增加而逐渐下降.当其位于h =1.0 H时,几乎对整栋背风建筑内的住户产生影响,尤其对低层住户影响最大.近地面的CO无量纲浓度几乎为无高架桥时的4倍,而在中高层建筑附近的CO无量纲浓度仍保持较高水平(约为2.3),明显大于无高架桥时的CO无量纲浓度水平(约为0.7).交界面处高架桥仅将大部分CO抑制于下层涡旋处,因而其只对背风面低层住户产生影响;冠层处高架桥将大部分CO局限在整个街谷空间内,因而能够影响整个背风面住户.

其次对迎风面进行分析,相比于背风面,高架桥的存在对迎风面的临街住户都产生不同程度的影响,但其影响主要集中在中、低层住户附近,对于高层住户影响不大.对于低层住户,冠层处的高架桥影响最大,其次是交界面处高架桥,最后为h =0.6 Hh =0.8 H处.冠层处高架桥对两侧高层住户影响的差异可通过峡谷上方顺时针的涡旋方向而解释,由于冠层高架桥抑制CO向街谷外传播,同时被抑制的CO基本聚集于背风面的高层区域,使得冠层处高架桥对背风面高层住户影响较大而对迎风面高层住户影响较小.通过图 6(c)~(d)来解释位于h =0.6 Hh =0.8 H的高架桥对迎风面住户的影响,高架桥的存在稍微改变了下方涡旋的结构,使其向迎风面偏移,因而使得更多的CO聚集于背风面低层区域.

2.3 环境风速的影响

不同环境风速下,有无高架桥对城市街谷内流动速度及流线的影响如图 1011所示.

注:图中数值为风速,单位为m/s.h=0.6H, B=0.6D. 图 10 街道峡谷内风速随环境风速变化 Fig.10 Velocity distributions for different ambient wind velocity

注:h=0.6HB=0.6D. 图 11 街道峡谷内流线随环境风速变化 Fig.11 Streamlines for different ambient wind velocity

图 1011可见,结果显示,当街谷存在高架桥且Vref=2 m/s时,街谷下部有一个连续的逆时针主涡旋,而当Vref增至4 m/s时,整个连续的下部涡旋拆分为两个较小的逆时针次涡旋.当环境风速继续增加,整个流场的涡旋结构以及大小变化不大,只是下部空间的风速加快了.虽然涡旋结构不会随着环境风速而变化,但是通过对比图 10有无高架桥对街谷内风速分布的影响可以发现,环境风速增加对有高架桥的城市街谷内速度的影响与对无高架桥的城市街谷的影响仍然存在差异.从图 10可以看出,虽然环境风速增加,由于高架桥的隔绝作用,使得高架桥上部空间的风速明显增加,但下部空间的风速增加并不明显.因而,由于高架桥的存在削弱了环境风速增加对街谷近地面流场的影响,但这样的削弱作用随着风速的增加其影响减弱.

由速度场的分析可知,高架桥的存在会削弱环境风速增加对街谷近地面流场的影响,但随着风速的增加其影响减弱.通过对比有无高架桥时污染物的分布情况(见图 12)发现,在深街谷中,风速越低,高架桥对污染物扩散的抑制作用越明显,而风速越高,高架桥的作用越弱.

CO无量纲浓度/102:1—0.50;2—1.22;3—1.94;4—2.67;5—3.39;6—4.11;7—4.83;8—5.56;9—6.28;10—7.00.
注:h=0.6HB=0.6D.
图 12 有无高架桥时街道峡谷内CO无量纲浓度随环境风速的变化 Fig.12 Pollutant concentration distribution for different ambient wind velocity

进一步对街谷内行人层(y<1.5 m)的平均污染物浓度进行统计,结果显示,当Vref从2 m/s增至8 m/s时,无高架桥的街谷内行人层(y<1.5 m)平均CO无量纲浓度分别为456.84、304.56、241.11与198.81,而有高架桥的行人层(y<1.5 m)平均CO无量纲浓度分别为638.73、359.55、258.03与207.27.通过对比可知,随着风速的增加,高架桥对近地面污染物扩散的阻碍作用逐渐减弱.

笔者将理想深街谷作为研究对象,探索高架桥的特征参数包括高架桥的高度、宽度对街谷内流场与污染扩散情况的影响.同时将污染源设定为地面源,研究地面源污染物的分布情况.在该研究中,高架桥上方的涡旋能够与下方的涡旋相互影响,因而对于高架桥桥面上方的污染源的影响需要进一步的研究.同时,在实际交通情况下的上下班高峰期,常会出现车流潮汐现象,即道路两侧的交通流量差异极大,一侧交通拥堵而另一侧则相当顺畅,车流潮汐现象造成了污染物分布的不均匀性,当车流潮汐现象发生在高架桥下时,高架桥对桥下空间流场的改变可能会对污染物分布的不均匀性造成影响.最后,由于高架桥对其下方空间的抑制作用,桥下空气流动相对较慢,而交通诱导的湍流以及流动相应地扮演更加重要的角色.

3 结论

a) 高架桥对其下游流场速度的抑制作用不明显,只有当高架桥宽度增至临界值(如B =0.8 D)时,风速抑制才会产生明显;高架桥的宽度对桥下的污染物分布产生明显改变.宽度增加时,近地面流动方向由宽度较小时的从右至左流动,变为从左至右流动.

b) 高架桥宽度的增加导致背风面附近污染物浓度增加,尤其是低层住户区域,宽度增至0.8 D时,整个背风面住户都受到影响,而迎风面附近污染物浓度也在低层住户区域增加,宽度为0.5 D的高架桥还能对中层住户产生影响.

c) 随着高架桥高度的增加,深街谷下方的CO浓度增加,当高架桥位于街谷冠层时,下部空间的CO浓度急剧增加.但在深街谷中,当高架桥位于上下两个涡旋交界面时,高架桥阻碍下方污染物的扩散,导致浓度突然增加.

d) 冠层处的高架桥使得整个背风面以及迎风面中低层住户附近CO浓度急剧增加,而上下漩涡交界处的高架桥使得两侧低层住户附近CO浓度略有增加,而其他高度的高架桥对两侧住户影响不大.

e) 随着环境风速的增加,高架桥对近地面污染物扩散的阻碍作用逐渐减弱.

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