第7章 城市街渠流场和污染扩散特征的研究.docx
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第7章城市街渠流场和污染扩散特征的研究
第7章城市街渠流场和污染扩散特征的研究
全球城市化进程的不断加快引发了日益严峻的环境问题,区域大气环境与城市规划、城市空气污染及居住模式选择等已逐渐受到人们的重视。
城市作为一个人口密集、交通繁忙、建筑物林立、工厂众多的生存空间,其空气质量状况直接影响人们的健康和生活质量。
因此,城市边界层(UrbanBoundaryLayer,UBL)是近代大气边界层物理学研究的重要课题之一。
城市对于周围的乡村地区而言,形成了一个独特的下垫面,表现在建筑物和水泥道路的分布面积广,使得城市下垫面的感热、潜热输送及其热量、水分循环特征均与自然状况存在很大差异。
在市区中,由于建筑群和街道的巨大热容量,以及机动车所释放的热量和空间加热作用,致使城市近地面层的空气温度高于周围郊区近地面层的气温,由此在地图上的等温线将出现一个高值中心,称之为城市热岛。
从NOAA12反演的北京地面温度分布图[1]可见,城市中心与郊区的温度相差可达7℃。
此外,在UBL中由于局地“热岛效应”可形成城市相对低压以及由郊区指向市中心的辐合气流,造成城市热岛垂直环流。
总之,城市热岛形成的特殊动力、热力下垫面,可导致城市局地多尺度环流和湍流结构的特殊性,从而影响污染物的扩散迁移。
传统的边界层研究大多集中在相对光滑均一的下垫面上,近三十年来,复杂下垫面和大气的相互作用问题已经引起了很多学者的重视。
其中,UBL的研究已成为大气边界层研究的一大热点问题,主要内容为研究控制城市表层与大气之间的辐射、热量、动量和物质的交换过程及其对热量和水汽平衡的影响,其重要意义在于,为城市污染物扩散研究提供良好的气象基础,为城市建筑物的抗风设计提供良好的依据等等。
随着城市机动车数量的增加,机动车尾气污染已经成为城市污染物的重要来源,并受到各级环保部门的高度重视。
考虑到城市中污染最严重及人类活动最频繁的空间范围往往在街道范围(街渠),因此研究城市街渠中气象场、湍流场特征,并进而研究污染物在街渠中的扩散规律,将对提高城市车流量控制、街道大气污染的监测、评价居住环境提供科学的依据,具有重要的理论和实际意义。
本章包含以下几个方面的内容:
城市街渠的描述及流动状态的一般特征;城市街渠流场和扩散特征的主要手段;现场观测与实验、物理模拟和数值模拟三种方法以及近年来取得的主要成果概述;城市街渠研究的未来做出展望。
1城市街渠的描述及流动状态的一般特征
1.1城市街渠的主要污染物
机动车尾气排放是城市街渠的主要污染源,由于街渠内的空气动力学原因,使得汽车尾气在街渠中不易扩散,且尾气的排放高度接近人的呼吸高度,对街道行人及两侧建筑物内居民的健康造成很大威胁。
因此分析街渠内部汽车尾气的扩散规律,对研究城市的空气质量,改善居民的居住环境有着重要意义。
与汽车排放有关的污染物主要有NOx、颗粒物、CO和碳氢化合物,它们以不同方式影响人们的健康[2]。
CO是由于燃料不完全燃烧造成的,同时也产生NO2和NO,其中NO占90%以上。
CO浓度过高会造成血液携氧能力的降低,短期内就会对人的身体健康造成危害。
另外,各种粒径的颗粒物(如PM10、PM2.5和超细粒子等)也对人体的健康造成危害,并可导致哮喘病的发生。
因此,对污染物浓度标准的制定也往往依污染物而分别考虑。
同时,各种汽车尾气在遇到合适的条件发生光化学作用后还会在地面附近形成二次污染物,因此它们无论对街渠尺度还是区域尺度的空气质量都会产生很大的影响。
1.2城市街渠的几何描述及其空气的流动状态
城市街渠内的流动状态主要决定于街渠的几何形状,而非中尺度作用下的边界层气象条件[3],从图1可以区分中尺度空气流动和街渠内部的局地运动,并同时可看出街渠中普遍存在的涡旋流动,显然街渠内部的局地流动是决定污染物扩散状况的主要因素。
图1典型街渠内部的污染物扩散示意图(引自Dabberdtetal.[4])
可认为,街渠的高度、宽度和长度是决定流动形态的关键几何参数,由它们组成的比值(例如高宽比、长高比)是决定街渠流场和污染扩散状况的决定因素[3],三者的几何关系见图2。
图2城市街渠的高度H、宽度W和长度L的几何关系
对流动状态而言,最重要的参数是街渠的高宽比(H/W)。
一般地,宽敞大道的高宽比小于0.5,当高宽比大于2时,则代表较深的街渠。
当来流与街渠走向垂直时,Oke[5]认为根据高宽比的不同,街渠内的风场可以分为三类。
(1)当高宽比小于0.2时,这时街渠两侧的建筑物距离比较远,形成的流动叫做孤立粗糙流(见图3(a)),初始来流越过第一个建筑物后有足够的空间进行调整,在遇到第二个建筑物之前,可以恢复到初始的来流状态。
(2)当高宽比介于0.2~1.2时,形成尾流扰流(见图3(b)),来流越过第一个建筑物后没有足够的空间进行调整便遇到第二个建筑物,在上风建筑物的后面,由于气流在建筑物上部边缘分离而产生一个低压涡旋,同时由于气流在下风向墙壁处分裂而产生另一个涡旋。
(3)当高宽比大于1.2时,这时两侧的建筑物距离很近,街渠内形成的气流叫做爬越流(见图3(c)),其特点主要是在街渠内开始形成较强而且稳定的涡旋。
随着高宽比的继续增大,街渠内形成的涡旋个数随之增加,同时每个涡旋的强度相应减弱,具体将在后面介绍。
图3不同高宽比条件下的街渠内的典型流场(引自Oke[5])
此外,长高比(L/H)也是一个影响街渠流畅的重要参数,由此把街渠按照相邻两个主要十字路口的间距大小分成三种类型[2],分别为短(L/H≈3)、中(L/H≈5)和长(L/H≈7)街渠。
最后,根据街渠二维断面的对称性可把街渠分为对称街渠和非对称街渠,其中非对称街渠又可分为两种类型[6]:
一种是上风向建筑物高于下风向建筑物的街渠,称为step-down型;另一种是下风向建筑物高于上风向建筑物的街渠,称为step-up型。
在非对称街渠中,街渠内的涡旋的形状不对称,具体流体动力学特征将在后面介绍。
2城市街渠环境问题研究的主要手段
随着对城市大气环境质量的重视,目前在城市街渠的研究上已经取得了很多进展。
相应根据不同的研究目的,采用了很多研究方法,其中有各种规模的现场和实验室实验,以及利用各种数学、物理原理的模拟实验研究。
归纳起来,常见的三种方法是:
计算机数值模拟、现场观测与实验、实验室物理模拟,实验室物理模拟主要是环境风洞模拟实验和拖曳水槽模拟实验。
通过对上世纪90年代至今发表在五种SCI收录期刊(AtmosphericEnvironment;JournalofAppliedMeteorology;JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics;EnvironmentalMonitoringandAssessment;Water,AirandSoilPollution:
Focus)中的40篇相关论文的分类统计,估算出以上三种方法在研究中所占的比例,结果见图4。
可见,数值模拟是最常用的方法,占总数的50%;另两种方法约各占1/4,这反映出数值模拟手段的日益成熟和受到的重视程度,并已经成为城市街渠环境研究的主要方法。
图4街渠问题环境研究各方法所占的比重
对比各种方法可知:
现场观测与实验是最直接的研究手段,可获得街渠内部气流运动状态和浓度分布的第一手资料,在仪器设备性能比较可靠时,得到的结论最为客观真实,但由于现场试验不仅组织难度大,再加上对人力、物力、财力的要求较高,因此目前仍不能成为主要的研究手段。
而物理模拟是在物理机理相似条件约束下,在实验室里进行模拟实验。
此方法建立在量纲与相似性原理的理论基础之上,把真实的城市街渠按比例缩小,制作成几何相似的模型,在风洞、水槽中进行实验。
其优点在于:
试验条件可以控制,并可以多次重复,亦可得到大量有意义的数据和规律性成果。
但实验所需的成本仍然较高,特别是大型风洞和水槽实验的电力和液体成本较高,且有些情况下实验条件不易满足几何、物理相似,目前也不是主要的研究手段。
然而,随着计算条件的改进,数值模拟以其实验条件容易控制、可重复性强和资源耗费低等特点,且可以提供现场观测难以进行情况下的所需信息,因此目前是最主要的研究手段。
随着经济、技术条件的改善,将利用多种观测手段的现场实验及物理模拟与计算机数值模拟相结合,必然是未来研究的发展趋势,而不是仅仅依靠单一研究手段。
水槽模拟装置(宽1.0米,高1.2米,长16米)
大型环境风洞外观
大型环境风洞内部结构
3城市街渠环境的现场观测研究
对于城市街渠内的流场和污染扩散的研究,现场观测是最为直接的研究手段,得到的信息与通过其他方式相比也最接近实际。
当然,要确保结果的真实性和说服力,不仅要求观测设备具有良好的可靠性和令人满意的精度,并要求观测量的种类尽量多些,以利于观测结果的解释。
因此,进行较大规模的全方位街渠环境的观测,需要投入大量的人力、物力和财力。
同时,观测结束后还要进行观测资料的筛选、整理,最后通过分析才能得到有价值的结果。
近年来,对于街渠环境问题研究而言,通过直接在街渠内进行现场观测,并未形成一种主要的研究手段,大概就是因为此方法的代价较大的缘故。
表1列出了国内外近年来的部分城市街渠环境的现场观测试验(以论文发表时间先后为序)。
表1近年来城市街渠的现场观测研究概况
参考文献
时间和地点
街渠建筑几何形态
气象条件和交通状况
主要观测仪器
观测量
研究目的
P.Louka
etal.[7]
(1998)
农场房之间;
英国
(1996)
宽6米、
高4.2米、长27米、高宽比0.7
来流风向垂直、平行街渠走向;
无机动车
超声风速计,二维风杯风速计
湍流脉动速度(21Hz);街渠顶部垂直速度
街渠内的流场特征;
通过分析街渠内、外不同高度处的湍流谱,探讨屋顶对流动的影响及街渠内外空气的交换运动
M.Santamourisetal.[8]
(1999)
Valaoritou
大街;
雅典;
希腊
(1997盛夏)
长150米、宽8.5米、高21米、高宽比约为2.5
各种来流方向;步行街(无机动车)
3浆叶风速计;电热调节计(气温);红外温度计(地温)
气温;地面温度;三维平均风速
盛夏时节深街渠内的流场和温度场特征;风、温的统计量分布特征;考察城市热岛强度
A.J.Manningetal.[9]
(2000)
Stockwell
大街;
Leek,Sta-
ffordshire;
英国(1997)
宽17米、
高宽比约为0.59的狭长街渠
各种气象条件,双向行驶、车流量较大
4浆叶风速计,CO分析仪;车流量表,机场、气象站信息
三维平均风速;15分钟平均CO浓度;车流量;温度,气压
街渠中的CO浓度分布特征,将观测结果与AEOLIUS模拟结果比较,验证模式,为英国地方环保部门提供参考
J.Kukkonenetal.[10](2001)
RunebergSt(Runebergin-
katu)街;
赫尔辛基;
芬兰(1997)
宽24米、高23米、长175米、高宽比0.96
层结稳定;
来流速度小;
双向四车道(2+2)
CO,NOx,NO2,O3分析仪,风速计,温度表,辐射计,车流量表,
小时平均CO,NOx,NO2,O3浓度,风速,风向,温度,太阳辐射;车流量
CO,NOx,NO2,O3在街渠中的浓度分布特征,并将四种气体的观测结果分别与OSPM模拟结果比较
G.Vachonetal.[11](2002);P.Loukaetal.[12](2002);R.Berkowiczetal.[13](2002)
RuedeStrasbourg街;Nantes城市;
法国(1999)
宽15米、长60米、高宽比1.4
太阳辐射强,来流速度<1.1m/s,三车道单行线
超声风速计,热电偶,三维风杯风速计,辐射计,
车流量表
三维风速(4Hz),CO浓度,车流量,空气和墙面温度
机动车运动造成的湍流动能(TKE)的产生[11];
辐射热效应对街渠内部流场和浓度场的影响[12];
汽车尾气在街渠内的浓度分布[13]
S.-D.Xieetal.[14](2003)
东风(Dong-feng)中街;
广州;
中国(1999)
宽32米、
高35米、长250米、高宽比约为1
7月:
29度,偏北风;
10月:
23.5度,偏西风;
车流量较大
CO,NO,NO2,O3自动采集系统,风向风速仪,温度表,车流量表
CO,NO,NO2,O3平均浓度;风速、风向,温度,车流量
汽车尾气在街渠内的浓度分布,包括浓度垂直廓线、日变化、与风向的关系,以及造成污染物在街渠内的分布特征的动力学机制
I.D.Longleyetal.[15](2004)
Princess大街;
Manchester;
英国(2001)
长120米,宽17米,非对称街渠
各种来流方向;双车道单行线
超声风速仪(20Hz);车流量表
来流风速;脉动风速;车流量
街渠流场随来流方向变化的特征;湍流脉动量的空间分布特征;机动车的运动对湍流场统计量的影响
从以上各作者的研究目的来看,目前外场观测的着眼点多在于研究各种气象条件、交通状况下,街渠内流场和污染物(主要是汽车尾气)浓度场的特征。
另外,通过微气象和脉动量的观测,亦可以研究街渠两侧建筑物、太阳辐射加热效应及机动车的运动对湍流场的改变,并由此推测对污染扩散的影响。
其次,综合性较强的观测实验,可以将街渠几何、气象和交通条件对数值模式进行初始化,通过计算,将模拟结果与实际观测结果作对比,考察数值模式的可靠程度,并加以改进,从而为大气环境质量的监测和评估部门的实际应用服务。
下面,本文选取综合性较强的现场观测实验——Nantes’99[11~13],做简略的介绍。
从1999年的六月至七月间,在法国Nantes市中心进行了街渠内的全面现场观测实验。
观测位置选为机动车较密集的三车道单行线:
RuedeStrasbourg大街,其宽度为15米,东、西两侧建筑物约高22.8米和19.4米,平均取为21米,因此高宽比为1.4,实验段取在两个相距为60米的十字路口之间。
本次观测实验所在街渠的照片见图5。
图5法国Nantes’99观测实验地点
实验中,瞬时脉动风速分量用三维风杯风速计测得,分别架设在街渠两侧各三个高度处,东侧为1.47米、3.99米和14.49米;西侧为1.47米、3.99米和10.5米。
CO被用来作为汽车尾气的代表气体,其在街渠微尺度范围内的化学转化可忽略不计,CO的采样高度在街渠两侧与风速观测高度一致。
此外在60米长的实验段中,同时在8个位置监测车流量和车速。
来流风速和CO背景浓度在西侧建筑物顶测得,此外还观测了气温和墙表温度。
本次观测实验的设备架设请见示意图6。
图6Nantes’99观测实验的设备架设与观测量示意图
Vachon等人[11]首先从观测中选取了来流方向与街渠走向垂直,且风速较低(小于1.1米/秒)的数据,研究了机动车对TKE产生的贡献,并考察了车流量与TKE、CO浓度的关系。
选择此种气象条件的数据是因为,较低的来流速度产生较弱的切变,因此对TKE的贡献和CO扩散的作用较弱,因此可专门考察机动车的作用。
结果表明,机动车对街渠低层TKE产生的贡献很明显,尤其是在背风侧。
TKE的数值首先随着车流量的增大而增大,可达到某一极大值。
若车流量继续增大,则会在街渠内形成一种“塞车”效应,车速减慢,反而不利于TKE的产生。
相应的,CO浓度也呈现出对应的规律,与车流量的相关性也比较明显。
本次观测实验数据集得到了很充分的利用。
Berkowicz等人[13]也选取了Vachon等人[11]的数据集,目的在于考察三维计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)模式MISKAM和参数型模式OSPM(OperationalStreetPollutionModel)的性能,发现两个模式的模拟结果与观测值基本一致,并对MISKAM模式作了简单的改进。
此外,Louka等人[12]研究了墙面的加热作用对街渠流场和浓度场的影响,同时利用CFD模式CHENSI进行数值模拟,比较了模拟结果和观测结果的差异,探讨了差异产生的原因。
4城市街渠的实验室物理模拟
4.1物理模拟的基本原理
城市街渠内的空气流动一般处于湍流状态,因此描述其流动的非线性偏微分方程组在大多数情况下难以得到解析解或数值解。
而现场观测的人力、物力和财力耗费巨大。
相比之下,使用缩小比例的地形模型作模拟实验,即物理模拟,具有条件可控制、结果可重复、省时省力等优点,亦可得到很多有意义的结果。
近年来,物理模拟方法在城市街渠问题研究中已经取得了不少成果,不仅为城市规划部门提供了有价值的依据,同时其实验结果也为验证数值模式的可靠性提供了参考[16]。
物理模拟实验通常在环境风洞或水槽中进行,其理论基础是量纲分析与相似性原理。
对于街渠问题的研究,最重要的是实现模拟的流场与真实流场“相似”,包括几何相似和运动学相似。
为了满足相似性约束,必须首先使模拟实验中的下述5个无量纲参数分别等于其大气现场的相应数值[17]:
雷诺(Reynolds)数
整体理查森(Richardson)数
罗斯贝(Rossby)数
普朗特(Prandtl)数
埃科特(Eckert)数
其中,
分别为长度、平均速度和绝对温度的特征值;
是标准状态下的空气密度;
,是地球自转角速度。
k是空气的传热系数;
是空气的比定压热容,g是重力加速度,
是空气的运动学粘性系数。
除了满足此条件外,还需同时保证模拟实验中的下列边界条件:
1)地形起伏;2)地面粗糙度;3)地面温度分布;4)来流平均速度分布;5)来流平均温度分布;6)来流脉动速度分布;7)来流脉动温度分布;8)径向平均压力梯度等在无量纲化之后均与大气现场情况相等,则可认为在模拟流动和真实流动之间建立了严格的相似性,以上就是建立物理模拟的具体要求。
然而同时满足全部的相似性要求是不可能的,因此实际上广为应用的“部分模拟”[17],目前被广泛接受的是放宽要求的雷诺数无关性(Reynoldsnumberindependence),即任何两个雷诺数大于临界值且边界条件相似的流动都是雷诺数相似的。
因此,模拟时一般只考虑满足部分相似的雷诺数无关性约束。
在风洞中,用来得到流场和浓度场的监测技术常见的有三种:
(a)流场显示技术,用来获得流场并由此推测污染扩散的主要机制;(b)示踪气体扩散技术,可以计算接收点处的定量浓度值;(c)激光多普勒风速测量法,用于在流场显示的同时得到更细致的流场图样。
4.2城市街渠物理模拟的研究进展
现场观测的结果是各个实际要素(包括城市街渠的几何参数、稳定度和交通状况等等)的综合反映,无法获得各个要素的独立贡献,而物理模拟通过改变实验条件,可对各要素分别研究,研究其独立影响。
近年来,物理模拟在城市街渠环境问题研究中的应用也很多,表2列出了最近4年来部分物理模拟研究的基本信息。
表2近年来城市街渠的物理模拟研究概况
参考文献
地点
实验设备
监测方法或设备
模拟条件
研究目的
P.Kastner-KleinandE.J.Plate[18](1999)
德国UniversityofKarlsruhe
大气边界层风洞
检漏器(测空气和SF6的混合浓度)
静止线源释放,
中性层结
街渠几何形状、风向和屋顶形状对污染扩散的影响
F.GerdesandD.Olivari[19](1999)
比利时
vonKarman研究所
L-2B风洞
粒子成像测速仪(速度),
光散射技术
(浓度)
各种高宽比、街渠上风向其他建筑物存在,线源释放
街渠几何形态对内部流场、浓度场的影响
M.PavageauandM.Schatzmann[20](1999)
德国
UniversityofHamburg
大气风洞
快响应火焰离子化检测器模型HFR400
高宽比为1,线源释放
浓度统计量(平均值、方差、脉动强度)的空间分布、浓度谱
K.Ueharaetal.[21](2000)
日本
国家环境科学研究所
大气扩散
风洞
激光多普勒测速法(速度)、
冷线(温度)
二维街渠、控制来流和街渠底部的温度
模拟大气层结(Rb:
-0.21~0.79)
对街渠流场的影响
J.-J.BaikandR.-S.Park[22]
(2000)
韩国
Kwangju科学技术研究所
回流式水槽
粒子摄像测速法
(油和铝粉混合粒子)
各种高宽比、对称和非对称街渠、线源释放
街渠几何形态对内部流场的影响
P.Kastner-Kleinetal.[23](2001)
德国UniversityofKarlsruhe
大气边界层风洞
激光多普勒测速法(速度)、
气体浓度(未知)
高宽比为1,长高比为5和10,静止、移动线源释放
模拟机动车单、双向行驶对街渠内风场、浓度场的影响
A.Kovar-Panskusetal.[24](2002)
英国
UniversityofSurrey
EnFlo实验室风洞
二维激光多普勒测速法(速度),K型热电偶和铂电阻电偶(温度)
高宽比为1的
二维街渠,下风墙面均匀加热(模拟入射辐射)
下风墙面的加热对街渠内流场(涡旋)的影响
A.P.G.Sagradoetal.[25]
(2002)
比利时
vonKarman研究所
L-2B风洞
粒子成像测速仪(PIV):
(速度),
光散射技术
(浓度)
孤立、非孤立的对称和非对称街渠、线源释放、层结中性
各种高宽比的街渠内的流场和浓度场特征
Cheng-HsinChangetal.[26]
(2003)
美国
ColoradoStateUniversity
工业气象学风洞
流场显示技术
(速度)
痕量物质体积分数(浓度)
孤立、非孤立的街渠、点源释放
各种高宽比的街渠内的流场和浓度场特征
LiuHuizhietal.[27](2003)
中国
北京大学
拖曳式水槽
粒子成像测速仪(速度)
街渠底部均匀加热(模拟对流)
各种高宽比、来流速度、加热强度下的街渠流场
F.Catonetal.[28](2003)
法国
回流式水槽
粒子摄像测速法
(追踪测速)
二维街渠,高宽比为1,荧光线源
街渠内污染物向外部扩散的机制
通过表2中的研究目的这一项,容易总结出当前利用物理模拟进行街渠问题研究的过程中,主要目的是研究街渠的几何形态(高宽比、长高比、对称性等)、空气层结或墙壁加热状况、机动车运动对街渠内流场和浓度场的影响,也不乏探讨脉动浓度统计量的空间分布特征和扩散机制的研究。
Chang和Meroney[26]利用流场显示技术得到了二维街渠内的三种特征流场(见图7),当高宽比为1时,得到了爬越流;当高宽比为0.25时,得到了尾流扰流;当高宽比为0.17时,得到了孤立粗糙流。
但是,在2.2节中Oke给出,当高宽比大于1.2时为爬越流,这里高宽比为1。
产生的差异可能是流场显示技术本身所依赖的粒子成像测测速方法本身的误差,亦可能是Oke先前提出的结论不准确,其原因何在仍需进一步研
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