城市街道峡谷汽车尾气污染的数值模拟

街道峡谷形态对污染物扩散的数值模拟雷林清;崔鹏义;黄远东【摘要】机动车排放的尾气污染物,在城市街道峡谷内的稀释扩散及分布特性,主要由街道内流动结构决定,而街道布局和结构对流动结构有重要影响.基于二维不可压缩流动的Navier-Stocks方程、污染物组分输运方程及标准k-?湍流模型,获取所构建模型的数值解.采用验证的模型参数,构建了9种2类高宽比H/W为1的二维城市街道截面形态构造,在来流平均风速为3 m/s情况下,研究了街道截面形态对机动车尾气污染物扩散传递的影响.结果表明:下沉式道路结构不会改变街道峡谷内主涡结构和污染物分布;随着下沉深度的增加,机动车道内污染程度将进一步加剧;廊道内污染物浓度分布受廊道高度的影响较大,其人行呼吸高度处背风侧附近污染物浓度值相对参考工况增加大约5％,廊道深度对街谷内污染物扩散影响不大.【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2018(040)003【总页数】8页(P282-289)【关键词】城市街道峡谷;街道峡谷形态;污染物扩散;数值模拟【作者】雷林清;崔鹏义;黄远东【作者单位】上海理工大学环境与建筑学院,上海 200093;上海理工大学环境与建筑学院,上海 200093;上海理工大学环境与建筑学院,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】X169机动车排放的尾气污染物及其形成的二次污染，是城市大气污染的重要来源，对其采取主动控制措施的前提是要掌握机动车尾气等污染物在街道峡谷内流动扩散及其分布的规律[1]。

街道峡谷的概念最早由Nicholson[2]提出来，它是指两侧具有连续高大建筑物的狭长街道。

后来街道峡谷这一概念被中国学者王宝明等[3]进行了扩展，即使街道两旁的建筑物高低不平，不连续甚至有一定的缺口也可称作街道峡谷。

目前，对于街道峡谷内污染物扩散传递规律的影响研究，国内外有关科学工作者已经取得了一定的研究进展。

Yang等[4]通过数值模拟研究了街道峡谷内不同建筑物布局的空气对流对街谷内气流运动和污染物扩散的影响。

街道峡谷内汽车排放污染物浓度分布的观测与数值模拟
叶春;王嘉松;李新令;周校平;黄震
【期刊名称】《环境化学》
【年(卷),期】2006(25)3
【摘要】在上海某典型街道峡谷内按一定的空间布点,在一定时段内同时对各布点进行采样并做一氧化碳浓度分析,同时记录车辆种类、车流量、气象条件等,分析街道峡谷内污染物浓度的分布.运用风向频率加权(WDFW)方法,结合大气流动和污染物扩散的CFD模型进行数值模拟计算.结果表明,数值模拟结果和现场观测结果较吻合,建筑物低的一侧污染物浓度远高于建筑物高的一侧污染物浓度,两侧的污染物浓度随着高度的增加而降低.
【总页数】4页(P363-366)
【关键词】风向频率;汽车尾气;数值模拟;现场实验
【作者】叶春;王嘉松;李新令;周校平;黄震
【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】X51;TV698.235
【相关文献】
1.街道峡谷内汽车污染物扩散的模拟研究 [J], 赵静;王远成;马金花;白忠权
2.街道峡谷内不同车道污染物扩散的数值模拟 [J], 徐伟嘉;余志;蔡铭;刘永红
3.街道峡谷内机动车排放污染物的数值模拟 [J], 王远成;吴文权;张懿
4.城市街道峡谷内污染物扩散分布的数值模拟 [J], 程云章;黄远东;李文孟
5.城市街谷几何结构对街谷内流场及污染物浓度场影响的数值模拟 [J], 吕萍;袁九毅;张文煜
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Numerical Simulation of Gaseous Pollutants Dispersion at Street-Canyon Road Intersection 作者： 田丰[1];余志[1];蔡铭[1]
作者机构： [1]中山大学工学院,广东广州510275
出版物刊名： 环境科学研究
页码： 79-83页
主题词： 污染扩散;街道峡谷;道路交叉口;数值模拟
摘要：对大气边界层内大气湍流和建筑物对道路交叉口处机动车排放气态污染物扩散的影响进行了研究.在计算区域内建立了三维街道峡谷型道路交叉口及其内部机动车排放的模型,并在中性层结条件下,采用CFD（Computational Fluid Dynamics）稳态κ-ε湍流模型和被动标量的输运方程模拟了模型内外的流场和CO浓度场.结果表明：①在相同高度条件下,交叉口处与处于下风向的街区内CO浓度明显高于其他街区;②风向对污染物的输运起决定性作用,在不同高度平面内CO浓度最大值均出现在平行风向的街区内;③外部大气湍流的驱动使得垂直风向的街区内产生强烈涡旋,涡旋的输运作用导致相同高度下上风向CO浓度较高;④交叉口处气流的掺混导致气流速度降低,使得平行风向的街区内CO可以向两侧垂直风向的街区内扩散,起到了稀释交叉口处地面附近CO浓度的作用.模拟结果与风洞实验结果符合较好,验证了方法的可靠性.。

城市街谷风热环境及污染物分布的数值模拟研究城市街谷风热环境及污染物分布的数值模拟研究1.引言随着城市化的进程加速，人们对城市环境质量的需求也越来越高。

城市街谷是城市中狭窄的街道和矮高建筑之间的空间，其微气象环境和污染物分布对城市居民的健康和舒适感至关重要。

然而，由于城市街谷内部的复杂形状和交通情况，影响其风热环境和污染物分布的因素非常复杂，需要进行深入的研究。

本文通过数值模拟的方法，对城市街谷中风热环境和污染物分布进行研究，以提供科学依据和理论支持。

2.数值模拟方法数值模拟是通过计算机建立数学模型，利用数值方法对模型进行求解并得到结果的一种研究方法。

在本研究中，我们基于Navier-Stokes方程和能量方程，采用计算流体力学（CFD）的数值模拟方法，模拟城市街谷中的风场和温度场，并利用扩散方程模拟污染物的传输和分布。

3.城市街谷风热环境模拟通过数值模拟，我们可以得到城市街谷中的风速和温度分布。

在模拟过程中，考虑到城市建筑的阻挡作用和街道的形状对风场和温度场的影响。

模拟结果显示，城市街谷中的风速和温度分布具有明显的空间变化，狭窄的街道和高建筑的阻挡作用导致风速减小和温度升高。

此外，交通流量、排放物和气象条件等也对风热环境产生显著影响。

4.污染物传输和分布模拟除了风热环境外，城市街谷中的污染物分布也是研究的重点。

通过模拟污染物的传输和分布，我们可以了解城市街谷中污染物的来源、传播路径和浓度分布，为减少污染物排放和改善空气质量提供科学依据和技术方案。

模拟结果表明，污染物的分布受到街谷形状、风场、建筑物和交通流量等因素的影响，不同风速和风向下的污染物浓度差异明显。

5.风热环境和污染物分布关系研究在数值模拟的基础上，我们进一步研究了城市街谷中的风热环境和污染物分布之间的关系。

结果显示，空气流动和热扩散对污染物的传输和分布起着重要作用。

狭窄的街道和高建筑限制了风的流动，导致污染物在街谷中滞留时间增加，进一步加剧了污染物的扩散。

城市街道峡谷高架桥机动车污染物扩散的数值模拟刘长虹;杨存攀;郑枫戈;何家隆;梁雨【摘要】针对城市机动车污染物扩散问题,提出了街道峡谷高架桥污染物扩散控制方程,建立了一个三维街道峡谷高架桥模型,采用计算机数值模拟方法,分析了在不同风向影响下的街道峡谷高架桥内空气流场的情况.研究表明,机动车污染物稳态扩散方程,是一种计算机动车污染物在街道峡谷高架桥情况下的扩散分布情况的简便又有效的方法.因此,研究成果可为城市建设规划,污染防治提供理论和应用参考.【期刊名称】《上海工程技术大学学报》【年(卷),期】2016(030)003【总页数】4页(P199-202)【关键词】街道峡谷;城市交通;高架桥;机动车污染;扩散模拟【作者】刘长虹;杨存攀;郑枫戈;何家隆;梁雨【作者单位】华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237;华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237;华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237;华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237;华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237【正文语种】中文【中图分类】X169随着城市的发展，高层建筑物、汽车保有量和交通流量的增长,城市街道的峡谷地形已经成为典型的大城市的地貌特征之一.由于城市污染严重,研究城市的污染物扩散问题就显得越来越重要.研究方法大致可分为3种：通过建立模拟城市典型地形特征的街道峡谷、街区楼群的比例模型的试验方法研究[1-2];通过不同风向对所研究区域的空气流场影响[3-4]的实地试验测试方法;采用有限元、有限差等算法的流体动力学计算机软件,数值模拟的方法计算出污染物扩散和空气流场的情况[5-7]. 本研究采用计算机数值模拟方法对上海市中环路一段典型道路,建立高架—街道峡谷三维模型,研究车辆尾气污染扩散的情况.采用κ-ε流体动力学方程和大气对流扩散方程,模拟机动车污染物在街道峡谷高架桥模型中空气污染物扩散问题[5-6],街道峡谷高架桥模型的机动车污染物扩散控制方程为在上海市中环路街道两旁,由多层、高层建筑形成的街道峡谷很多.本文以上中路的一段典型地形建立的街道峡谷高架桥模型,A为大卖场,高20 m,宽50 m;B为一层商铺,高4 m,宽8 m;D为高层建筑,高30 m,宽15 m.3个建筑物沿着上中路街道的长度均大于100 m，高架道路为双向6车道,桥宽24 m,在所研究区段高度为12 m.高架桥下面的地面,同样有双向6条机动车道,上面的高架桥犹如一把伞将下面大部分道路遮盖,只有两边部分非机动车道和人行道未被遮盖.该路段为上海市的拥堵路段之一,机动车每天发生拥堵的时间段为7:00～9:00、13:00～15:00、16:00～20:00.这时地面道路通行的车辆,大多以怠速状态缓慢行驶通过这条路段.本研究应用有限软件(ABAQUS)计算流体动力学(CFD)模块中的κ-ε流体动力学方程,确定街道峡谷高架桥模型的空气流动场.由于采用了混合有限体积法和有限元法的求解方法,在计算不可压缩的层流和湍流问题时,具有求解精度高和求解适用范围广的特点.本研究主要关注高架桥附近街道空气流动场的情况,并兼顾计算机的计算能力和效率.在忽略高架桥支撑柱导致的风场影响前提下,首先，采用粗、细算相结合的方法,即先建立一个长、宽、高为70 m×67 m×60 m的街道峡谷高架桥三维立体模型的流体动力学计算区域,模拟全局大致空气流场;然后，根据三维全局计算结果,进一步建立一个三维局部模型,详细研究街道峡谷高架桥内的流场情况.考虑到建筑物B 与D间隔距离很小,忽略了两者之间距离影响,处理成为一体结构(结构B).根据相关的研究资料[5],在研究中不考虑温度对流场的影响及流体(即空气)的浮力，假设流体为不可压缩流体，污染物质点与环境质点具有相同的流体力学规律.在建立街道峡谷高架桥的全局模型中,采用三维流体力学单元,共划分约1万个单元,得到整体结构的风场.忽略高层建筑边缘效应,取街道峡谷高架桥中段,建立一个细化模型,采用三维流体力学单元,划分了约5千个单元,研究由高架桥所产生的影响.根据已有研究成果[1-4],机动车污染物浓度与空气的扩散与空气流动速度和涡流有关.因此采用ABAQUS/CFD软件中,风速与旋涡矢量点积计算功能,显示出风速与旋涡气团云图,即“HELICITY”云图,表示风速与漩涡场对污染物扩散的影响.由图2可见,在没有高架桥影响下,如果风向与街道成90°垂直角度,“HELICITY”云图可见,在街道上方有一个较大的漩涡气团,当风从高层建筑吹过时,高层建筑下方空气流速较低,而且风场比较复杂,存在一些小的漩涡.再通过不同风向的计算和比较可知,由低层建筑吹向较高层建筑物在“峡谷”内风场比相反风向的风场要复杂.在上述两种情况的街道峡谷模型中,一个成人高度位置上的最大风速不超过无遮挡物时风速的20%;两个建筑物之间的街道上方,形成一个较大的和数个较小的涡流气团,使得污染空气能够较快地扩散,因此,在机动车行驶路面上方,涡流气团为机动车污染物扩散的主要方式之一.在街道两旁的建筑物下方,空气流动速度较小,建筑物迎面的风速大约比背面的风速大2～3倍.与研究报道[2,4,5]中街道背风侧的机动车污染物浓度是迎风侧2～3倍的结论一致.说明在街道两侧建筑物下方,空气流动为污染物扩散主要方式之一.同时表明,本研究计算结果与前人相关研究成果一致.在有高架桥的街道峡谷高架桥模型中,由于高架桥的遮盖,桥下方流场比较复杂,存在多个较小的涡流，最大风速不超过无遮挡物风速的30%，风从低层建筑吹向高层建筑时,在高架桥下面的风场,比高层吹向低层的风场要复杂.此外,由于建筑物A靠近街道边缘的风速规律是,随着高度的增加,风速也增大,其风速分布规律可以用二阶多项式表示.但是在高度接近于建筑物高度的3/4时,风场变得复杂，有漩涡存在，如图3所示.图4为风向顺着街道流动时的风速场云图.如果考虑风从街口吹向街道峡谷高架桥的街道内部,由三维街道峡谷高架桥模型的空气流场可知,在两旁建筑物和高架桥的边界,风场情况复杂,有空气旋涡存在.风进入街道内时,部分空气顺着街道流过,流过街道的风速高于街口的风速.考虑到风速较低,空气具有不可压缩的流体性质.因此,街内风速与街口风速有如下关系,在本研究中,根据模型可以得出,高架下面的风速边界影响系数η=7.26/8.947 =0.811 4;高架上面风速的边界影响系数η=6.80/7.39= 0.920 2.由上述计算,边界影响系数η近似取0.8～1.0数值,近似估算街道内的风速.根据本研究对街道峡谷高架桥模型风场的数值模拟分析可知,如果风向顺着街道时,风速不受地形的影响,机动车污染物将会很快地随风扩散;但是如果风向垂直于街道方向,则在街道内的风速将会大大地减小,机动车污染物扩散将会受到很大的影响.根据观察实际交通状况,由于下午拥堵时间段较长,并且机动车以缓慢车速行驶.因此，在拥堵阶段后期,例如在18:00～19:00时段,可以忽略污染物质量浓度与时间的关系，并且假设污染源为固定在街道峡谷高架桥模型的机动车道上,方程式(1)成为机动车污染物空气稳态扩散方程，即进一步假设街道峡谷高架桥模型区域内的风速为零的特例情况,则式(3)中风速因子U=0.这时可以方便地运用Matlab程序中偏微分方程工具箱(PDETOOL),建立与上述街道峡谷高架桥相同尺寸的街道峡谷高架桥平面模型.在模型中,假设机动车尾气排放高度为1 m,在高架桥上和地下路面双向6车道为污染源,并假设建筑物上方天空无污染,这时污染物将由机动车行驶的高架上、下道路污染源处向上方天空扩散.由Matlab计算得到的街道峡谷高架桥模型污染扩散三维网格云图如图5所示.计算结果表明,污染空气由浓度高的区域向着污染物浓度低的高处天空扩散,整个模型中,在高架桥上机动车行驶路面上方,空气污染物浓度最高；其次是在高架道路的下方.特别是在高架桥下方道路污染物在扩散时,需要绕过街道两旁建筑物和街道上方高架桥的阻挡,因此在高架桥下方和两旁建筑物旁边的下方区域,都存在较高浓度的污染空气.本文根据上海市中环道路的典型地形,建立了街道峡谷高架桥的风速场流体力学模型,并进行污染物扩散的定性分析,得到了以下的主要结论:1) 具有高架桥的街道峡谷高架桥模型比无高架桥的街道峡谷模型对机动车污染物扩散产生的影响明显;而且高架桥高度、遮盖道路的宽度与街道宽度等,都会对机动车污染物扩散产生很大的影响.2) 在风向与街道走向之间的夹角相互垂直时,高架桥下方污染物的扩散方式,是以空气流动漩涡和浓度扩散为主.在街道内建筑的背风面下方,污染浓度高于建筑的迎风面.如果风由较高建筑吹向较低建筑时,在高架桥下方道路污染物扩散效果好于风从低向高建筑的情况.3) 当风向与街道走向一致时,污染物扩散将随着通过街道的气流迅速扩散,街道内风速,可利用街口风速与街道有效面积关系公式估算出.此外，在位于街道交叉口的高层建筑物边界,无论风向如何,污染物扩散速度比街道峡谷高架桥模型内部要快.致谢:本项工作得到上海工程技术大学陈力华、徐富民、黄虎老师和美国达索公司上海办事处彭军先生的支持和帮助.【相关文献】[1] NICHOLSON S E.A pollution model for street-level air [J].Atmospheric environment,1975,9(1):19 - 31.[2] JOHNSON G T,HUNTER I J.Urban wind flows:wind tunnel and numerical simulation-a preliminary comparison [J].Environmental Modelling and Software,1998,13(3/4):279-286.[3] CRAIG K J,KOCKDe D J,Snyman J A.Minimizing the effect of automotive pollution in urban geometry using mathematical optimization [J].Atmosphericenvironment,2001,35(3):579-587.[4] 傅立新,郝吉明,何东全,等.街道峡谷汽车污染模拟研究[J].清华大学学报(自然科学版),1999，39(6):99-101.[5] 吴志军,黄震,谢拯，等.城市街道峡谷机动车污染物扩散的模拟研究[J].吉林大学学报(工学版),2002,32(2):28-32.[6] 朱楚雄,梁志勇.不同形式的高架桥对街道峡谷气流和污染物分布的数值分析[J].沈阳大学学报(自然科学版),2014,26(6):446-451.[7] 刘长虹,沈柳青,黄虎,等.延安路机动车排气污染物扩散街道峡谷扩散模式[J].环境科学与技术,2007,30(1):24-26.。

城市街道峡谷内污染物扩散分布的数值模拟
程云章;黄远东;李文孟
【期刊名称】《环境科学与技术》
【年(卷),期】2009(32)8
【摘要】采用通过实测分析得到的机动车综合排放因子表达式,实现了交通流性态参数与CFD仿真系统的联接,在此基础上模拟了不同车流量和平均车速组合下城市斜顶建筑物街道峡谷内机动车排放污染物(一氧化碳)的扩散分布。

结果表明:(1)在自由来流风速一定时,峡谷内的一氧化碳浓度随平均车速的提高而降低(保持车流量不变),随车流量的增加而升高(保持平均车速不变);(2)联接交通流性态参数与CFD 仿真系统而开展数值模拟,可为基于环境容量和道路交通容量双约束条件下的交通配流过程提供不同交通流分配方案下的大气环境质量评价信息。

【总页数】4页(P183-186)
【关键词】城市街道峡谷;交通流性态;污染物分布;数值模拟
【作者】程云章;黄远东;李文孟
【作者单位】上海理工大学
【正文语种】中文
【中图分类】X823;X169
【相关文献】
1.城市带廊道街道峡谷内气流运动及污染物扩散的数值研究 [J], 王超;邱卫国;李文孟;黄远东;吕品
2.行驶车辆对城市街谷内空气流动与污染物扩散影响的数值模拟 [J], 张云伟;顾兆林;段翠娥;苏磊杰
3.街道峡谷内不同车道污染物扩散的数值模拟 [J], 徐伟嘉;余志;蔡铭;刘永红
4.街道峡谷内汽车排放污染物浓度分布的观测与数值模拟 [J], 叶春;王嘉松;李新令;周校平;黄震
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