高层建筑室外颗粒污染物扩散的数值模拟研究∗

楚德见，金阿芳，沈广旭

(新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047)

0 引言

随着科学的不断发展和人们生活水平的不断提高，近几年农村人口不断进入大城市，伴随而来的是住房的问题，因此有高层建筑的不断涌现．现在城市已经成为各国经济中心和生产力的增长点[1]，是各种能源消耗的主要地方，其中包括电力、各种化石燃料的燃烧，再加上城市车辆的不断猛增排放出颗粒污染物，是城市中PM2.5的主要来源[2]，导致城市雾霾不断出现，给人们的呼吸系统带来影响[3]，越来越受到人们的广泛关注．乌鲁木齐位于中国的西北部，地势起伏悬殊，山地面积广大，是世界上离海洋最远的内陆城市，生态系统比较脆弱，沙漠化比较严重，可利用的土地资源比较匮乏，带来了一系列的环境问题，受雾霾影响严重[4]，PM2.5浓度较高[5,6].

高层建筑是现在大城市的典型建筑类型，大跨度超高密度建筑群的大量出现，将影响大气中的风环境，使得城市建筑中低层的风速减小并形成涡流现象，不利于空气中的颗粒污染物的扩散[7]，特别是高层建筑的背风侧会形成较大的回流区域[8]，造成局部空气的恶化，这个问题现在也越来越受到人们的关注.徐帆[9]、杨伦等[10]研究了瞬态风场对高层建筑模型周边的湍流效应，风洞实验对高层建筑风致耦合震动效应，分析了结构的震动响应和气动力随高度和时间的变化规律.崔鹏义[11]运用湍流RNG−ε模型、组分运输模型及多尺度方法，研究了高层建筑群四周街道上汽车尾气颗粒污染物在高层建间的对流扩散规律.pettersson[12]探讨了欧拉多相流方法，对多相流方程进行了改进，提高了高层建筑室外颗粒污染物扩散的计算精度.买买提明·艾尼[13]介绍了有关现代数值模拟方法和网格法研究成果，用有限元法、差分法和光滑粒子流体动力学方法探讨了现代模拟方法在模拟计算和工程中的应用.

目前研究建筑物风环境的主要方法有风洞试验法和数值模拟法，分别被称为实验流体力学和计算流体力学.而风洞实验法成本高、花费代价高，测试结果难于广泛应用于工程实践.随着计算机的飞速发展，计算流体力学（CFD）技术已经在流体模拟的各领域获得广泛应用，其中FLUENT是国际公认的最强的计算流体力学软件之一，本文采用CFD数值模拟方法，在简化模型的基础上，基于有限元法和耦合欧拉-拉格朗日法，结合当地风场的分布特点[14]，分析了高层建筑室外风的流动现象及速度、压力云图和颗粒污染物PM2.5的分布对其进行数值模拟，总结出污染物颗粒的扩散规律.对生活在高层建筑中的人们和城市的建筑规划有着比较现实的指导意义.

图1 计算域几何模型

图2 计算域网格划分

1 理论和方法

1.1 问题的描述和网格的划分

本文以新疆大学北校区为研究对象，通过对高层建筑物及其周围物体进行模型简化得到如图1所示的长方体计算区域.模拟区域内的建筑物包括高为76m的一栋高层楼房、11m的体育馆、15m的餐饮部和21m的一栋低层楼房住宅区.计算域为：长×宽×高=300×200×200m，分别对来自东南和西北两个方向的风场进行模拟.

目前ICEM CFD是CFD分析中最好的前处理器之一，在划分网格中有其独特的优点[15]．考虑到对建筑物周围的模拟精度，在划分网格时对建筑物进行加密处理，边界条件的定义也是在ICEM CFD中完成.最终生成的网格大约有250万，如图2所示，网格的密度完全符合模拟计算的要求，导入FLUENT中检查无误.

1.2 边界条件和控制方程

进口(inlet)的边界条件，采用FLUENT中的速度入口边界条件(velocity inlet)，通过UDF编程使大气在室外环境中来流按风廓线分布，即不同高度的来流速度呈现如下指数分布

式中U10为距离地面10m高的来流速度，z为距离地面的高度，α为地面粗糙系数，这里取α=0.3；设定不同的风速变化，把空气视为不可压缩的气体.流动出口和大气压力相同，出口为自由出口(outf l ow).其他的面采用无滑移的壁面条件(wall).对于所模拟的颗粒污染物，启用FLUENT中离散相模型DPM(Discrete Phase Model)，在设定的风速、浓度和步长的条件下，自由随机扩散.

对于风场的模拟是非稳态的，湍流模型采用标准k-ε模型，k方程、ε方程与动量方程、能量方程、连续相方程共同构成了空气流动与换热的基本控制方程.

动量方程

式中P为静压，τij为应力张量，ρgi是i方向的重力分量，Fi是由于阻力和能源而引起的其他能源项.

应力张量由下式给出

能量方程

式中cp为比热容，T为温度，设为常温，k为流体的传热系数，设为20W/(m∧2∗K)，ST为流体为粘性作用的粘性耗散项.

连续相方程

式中ρ为流体的密度即空气的密度，ui为流体速度沿i方向的分量.

k和ε是两个基本的未知量，对应的输运方程为[16]

Gk是由于平均速度梯度引的湍流动能k的产生项

Gb是由于浮力引起的湍流动能k的产生项

式中cµ=0.09，湍流能k对应Prandtl数σk=1.0，耗散率ε对应的Prandtl数σε=1.3，c1=1.44，c2=1.92．YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献，Sk和Si是自定义参数.

2 结果分析

2.1 速度和压力云图分析

通过对不同风向（东南风、西北风）下的数值模拟，分析了建筑物风场的速度和压力分布.图3是风速为4m/s时，高度为21m（7层楼的高度处所在的截面）的速度云图，当风受到建筑物阻挡时风速变化最为剧烈，压力都为正压分布，逼近壁面时风速迅速减小并以弧状不断向外增加，从墙壁两侧面绕过，此时风速增强达到最大值，没有建筑物阻挡的地方风速变化很小.在建筑物背面由于墙面的阻挡风速流动小，风向的不稳定性也会出现风速增加的现象，背风区压力均为负压分布，对颗粒污染物的扩散有较大的影响，将不利于颗粒污染物的扩散.

图3 Z=21m速度云图

当遇到建筑物表面时，产生的压力最大，然后向外围以弧状逐渐减弱，在迎风面大多数产生正压区，在背风面大多数会产成负压区，有涡流出现并产生回流区，因背风面受风速的影响较小，空气流动小，将不利于颗粒污染物的扩散流动，在没有高层建筑阻挡的地方受压力的影响较小，图4为压力云图.

图4 Z=21m压力云图

2.2 颗粒污染物PM2.5的分布

风场是影响颗粒污染物在空气中扩散的主要因素，在空气流动性好的空间内颗粒物的浓度较低，空气流动性差的空间颗粒物浓度升高.图5是所研究的高层建筑立面的速度风场受东南风影响时的速度云图，迎风面受到风场时，气流受迎风墙面的阻挡，风速度迅速减小，风向发生剧烈变化，沿背离墙面的方向两侧发散，空气流动性较好，此时迎风面受颗粒污染物的影响相对较小，主要分布在底层，受低层建筑物阻挡的地方.

图5 高层建筑立面速度云图

图6 高层建筑不同楼层PM2.5浓度分布

高层建筑背风面受墙壁阻挡风场较小，在不同的高度有明显的涡流出现，形成的涡流大小不同，再加上受底层建筑物的影响，阻挡风的流动性，不利于气体与外界大气的交换，污染物浓度较高.随着高度的增加风场增加，出现涡流直到顶层受风速的影响涡旋消失，风速增大.在受风场影响条件下，迎风面PM2.5的浓度较低，主要分布在低层.背风面受风场涡流和回流的影响PM2.5浓度较高，此时的背风面是居住面，因此对背风面进行浓度分析.图6为背风面不同楼层高度处PM2.5的浓度分布，与赵向伟[17]实验结果分布特征接近，底部1∼7层浓度较高，受风场的影响较小涡流较大，随后风场有所增大浓度减小，在楼层11∼14层浓度最低，与扩散有关，在19∼21层浓度有所增加再次出现浓度高峰，这与背风面的速度风场分布接近一致，风速低的和有涡流产生的楼层PM2.5浓度较高，与以上分析的速度和压力云图完全符合.

3 结论

本文通过对高层建筑室外颗粒污染物PM2.5扩散的数值模拟研究，采用标准K−ε模型和离散相模型（DPM），对入口不同流场风速的控制采用编写UDF程序和FLUENT计算软件进行结合，基于有限元法耦合欧拉-拉格朗日法，然后对研究对象进行模型简化，设定充分的计算域.分析了速度和压力的特征变化对颗粒污染物扩散的影响，高层建筑受室外风场的影响对颗粒污染物扩散规律的数值模拟，得到如下结论：

1.速度场的分布受周围建筑物的影响较大，有建筑物阻挡的地方就会产生风场的剧烈变化，建筑物背面都呈现出负压区，由于风场流动的不稳定性有时会出现涡流现象.不同风向风速条件下对污染物的扩散规律有一定影响.

2.颗粒污染物PM2.5的扩散和风场分布涡流的形成具有较好的一致性，风场流动性较小位置，大多都呈现出负压区分布，颗粒污染物浓度较高.受低层建筑物影响产生的涡流不利于空气流动，颗粒污染物的浓度较高.

3.高层建筑模型的数值模拟结果和前人的实际实验结果分布特征接近，基本上呈现双峰分布.

参考文献：

[1]张廷龙,孙慧.工业企业规模、分布与区域经济增长[J].新疆大学学报(自然科学版),2016,33(1):25-32.

[2]郑玫,张延君,闫才青,等.中国PM2.5来源解析方法综述[J].北京大学学报(自然科学版),2014,50(6):1141-1154.

[3]崔国权,康真,吕嵩,等.哈尔滨市PM2.5污染水平对人群呼吸系统疾病影响[J].中国公共卫生,2013,29(7):1046-1048

[4]邹伟进,刘万里.生态文明视角下雾霾治理的博弈分析[J].新疆大学学报(哲学·人文社会科学版),2016,44(5):30-35.

[5]蒋浩.近5年乌鲁木齐市PM2.5变化分析[J].环球人文地理,2016(16):208.

[6]刘新春,陈红娜,赵克蕾,等.乌鲁木齐气溶胶粒径分布及细颗粒物(PM(2.5))浓度变化分析[J].生态环境学报,2016,25(4):605-613.

[7]梁向丽,符永正,周传辉.空气动力阴影区对高层建筑周围污染物浓度分布的影响[J].工业安全与环保,2003(12):21-23.

[8]刘朔.高层建筑室外气流场的数值模拟研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

[9]徐枫.结构流固耦合振动与流动控制的数值模拟[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.

[10]杨伦,黄铭枫,楼文娟.高层建筑周边三维瞬态风场的混合数值模拟[J].浙江大学学报(工学版),2013,47(5):824-830.

[11]崔鹏义,徐海霞,吴志根,等.高层建筑风场对室内空气品质影响的多尺度数值模拟[C].长沙:中国环境科学学会,2012:276-283.

[12]Pettersson K,Krajnovic S,Kalagasidis A S,et al.Simulating wind-driven rain on building facades using Eulerian multiphase with rain phase turbulence model[J].Building and Environment,2016,106:1-9.

[13]买买提明·艾尼,热合买提江·依明.现代数值模拟方法与工程实际应用[J].工程力学,2014,31(4):11-18.

[14]李瑞,余锦华,李如琦.乌鲁木齐市近43年风速气候特征分析[J].干旱区资源与环境,2009,23(5):106-110.

[15]李鹏飞,徐敏义,王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战[M].北京:人民邮电出版社,2011.

[16]王松涛.高层建筑风沙流场的数值模拟[D].兰州:兰州大学,2009.

[17]赵向伟,樊越胜,司鹏飞,等.建筑室内外颗粒物污染特征研究[J].环境工程技术学报,2016,6(3):223-228.