分层流水槽实验在大气风环境研究中的应用

李佩聪 王怡 吴松恒 曹嘉璇

1 省部共建西部绿色建筑国家重点实验室

2 西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

大气风环境作为通风领域中的一个重要组成部分，其不仅会直接影响建筑室外空气质量，而且会通过建筑通风系统影响室内空气质量[1]。对大气风环境的研究通常需要考虑大气层结状态，其中稳定层结会抑制大气在垂直方向的对流，许多大气污染事件发生于此。在稳定层结大气流动的研究中，密度分层流水槽实验一直是备受青睐的研究方法，利用水槽内流体密度的垂直梯度来代表大气的位温梯度，可以模拟实际大气中各种不同的大气层结状态[2-4]。本文首先对密度分层流水槽实验原理进行了简要介绍，然后对密度分层的营造以及流场的可视化方法进行了梳理，最后总结其在大气风环境研究中的应用现状。本文可以为密度分层流水槽实验的设计和应用提供更加系统高效的指导。

1 分层流水槽模拟层结大气流动的相似性原理

分层流是大气和海洋中很常见的一种自然现象，分层流中由于密度变化引起的内波对流体流动有很大的影响。密度分层流水槽实验是以相似理论为基础的室内缩尺实验平台，广泛运用在研究海洋内波现象的水动力学和层结大气流动的空气动力学研究中。在分层流水槽实验研究大气流动问题时，通常采用盐水密度梯度来反应实际层结大气中的温度梯度，这与均匀流体的主要区别在于密度或熵的非均匀性。由于密度和的非均匀性在分层流体中主要产生惯性效应和浮力效应，这与实际温度层结大气流动过程出现的物理特征是完全一致的，这一研究特点在以往多项研究工作中得到证实[5]。因此可以根据分层流盐水中扩散运动模拟实际层结大气流动。

水和空气的运动特性相差巨大，水的密度是空气的800 多倍，动力黏性系数50 多倍，要保证水槽模拟实际大气流动现象的相似，必须在满足几何相似的前提下，保证两个系统中无量纲相似准则数相等。实现相似准则的方法是从流体力学基本方程组出发，选取适当的特征量将控制方程组无量纲化后，可以推导得到层结大气流动动力学相似准则数（Re，Fr，Pr，Ro）[6]。理论上，只有当这4 个相似准则数在两个系统中完全相等时，水槽模拟层结大气流动现象才相似。但是，水槽实验中一般只能做到“部分相似”，表1 为上述4 个相似准则数在水槽中所能达到的数量级与实际层结大气中的数量级比较。研究一种具体问题时，并非所有的相似准则数都同等重要，必须根据各个相似准则的物理意义，并结合具体研究的内容，讨论相似准则数的选取。在盐水分层流水槽模拟层结大气流动的实验中，重点需要保证Fr 的相似，以体现大气浮力的影响，其他相似准则数可放宽要求[7]。

表1 实际层结大气的准则数与水槽模拟中的数量级比较

2 密度分层流水槽实验方法

2.1 水槽内线性密度分层的实现方法

采用盐水分层流水槽实验模拟稳定层结大气流动时，首先需要制备线性密度分层的盐水。早期通常采用多层不同浓度盐溶液扩散的方法得到线性密度分层盐水，将整个分层设计为若干均匀层，然后通过分子扩散以达到预先设置的密度剖面。北京大学湍流与复杂系统研究国家重点实验室[8]的分层流水槽就是通过这种多层不同浓度盐水静置扩散所得，配置所需的盐水密度剖面通常需要10 h 以上。采用多层不同浓度盐溶液扩散的方法得到盐水密度线性分层往往得不到预先设置的密度剖面，而且制取分层密度盐水的时间过长，因此具有一定的实验局限性。Oster[9]设计的“双缸法”能一次性获得盐水线性分层，无需静置通过分子扩散获得分层。图1 为“Oster 双缸法”示意图。

图1 “Oster 双缸法”示意图

“Oster 双缸法”需要2 个尺寸相同的水箱以及一个实验水槽，2 个水箱分别装有相同体积，但不同密度ρA和ρB（ρA>ρB）的盐水。2 个水箱处于相同高度，水箱底部相连通形成连通器。在制备线性密度分层流体的时候，水箱B 中盐水以流量QB注入到实验水槽的底部，此时水箱B 中的水量减少，底部压强变小，在大气压力的作用下盐水箱A 中的盐水会以流量QA流入混合水箱中。可以近似认为2 个水箱中的液面时刻处于相同的高度，则可以得到。随着水箱A 中高密度盐水不断流入水箱B 中，经计算当时，水箱B 中的盐水密度随时间呈线性形式递增。由于水箱B 中盐水是通过实验水槽的底部注入到实验水槽中，因此实验水槽中盐水密度随高度会减下。当实验水槽的截面形状保持不变时，经过计算可得到实验水槽中的盐水的密度随深度线性递增。“Oster 双缸法”广泛应用在盐水分层流水槽中层结盐水的制备[3、22-25]。

2.2 水槽内流动显示方法

流动显示方法是在流体中加入可视粒子，当流场运动或变化时，可视粒子随同流场运动，通过目视，照相或者其它探测手段能对流场的分布结构和运动状态进行有效观测，便于流场的结构分析和状态研究。刘可器[8]和宣捷[10]介绍了分层流水槽流动的显示方法。在水槽中常用的流动显示主要有彩液示踪法，激光诱导荧光法，PIV 等方法。

1）彩液示踪法。彩液示踪法已经广泛应用于拖曳水槽研究污染物扩散实验的流动显示中[10，29，32，33]，在水槽注入外加的彩色液体，可以认为彩色液体的运动代表大气污染物的扩散运动，可以清楚的观察到污染物在不同大气状态下的扩散特性。释放彩液时，彩液本身的发散应尽可能小，否则会影响示踪效果，释放出的彩液除必须满足相似条件外，要求所配制的彩液密度必须与出口处环境介质的密度相同，以避免人为地造成彩液释放后的上浮或下沉，造成流型失真。释放彩液应与该处的速度方向一致，以避免垂直动量对流场的干扰[10]。

2）激光诱导荧光法。激光诱导荧光法是将荧光染料注入水槽中，在激光的照射下荧光可发出一定波长的可见光，可以清楚的显示流动现象，并且可以通过光学技术处理荧光强度可以定量分析流动特性。该方法具有定量获取瞬时全场浓度信息、捕捉微小湍流结构、可视化显示流场内部结构的优势。吴昊坤[3]将激光荧光诱导技术运用在盐水分层流拖曳水槽中，定量分析了不同大气层结条件下，单体建筑污染物扩散的浓度分布。

3）PIV 技术。PIV 称为粒子图像测速法，PIV 可测量和显示流场的整体结构和瞬态场的变化，它是利用图像处理技术发展起来的一种新的光学测量技术，既具备单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像[5]。在研究空气动力学问题的水槽实验中，水槽内流动速度较小，粒子很容易撒播，在水槽中很方便实现PIV 光学测量技术。

3 分层流水槽的实验研究现状

3.1 热力对流方面的研究

密度分层流水槽实验最初用来研究平坦地形下垫面对流边界层特征，其中最著名是Deardorff 等人[11-13]的对流水槽实验，他们最早在水槽内利用热对流的方法研究野外观测实验中大气边界层的特性。在此基础上，我国学者袁仁民[14-16]采用温度分层水槽对对流边界层的发展做了大量的研究，不仅总结了一系列关于水槽内温度场、边界层高度、速度场等的测量方法，而且在对流边界层的湍流结构以及热泡结构等方面得到了一系列结论。

密度分层流对流水槽也运用在静风下中尺度局地热力环流的研究中。Fernando[17]采用盐水密度分层流水槽对城市热岛环流进行了实验研究，实验结果与实地测量对比发现，密度分层盐水能很好的模拟实际大气中温度分层的城市热岛环流。桑建国[18]采用加热水槽底部的方式模拟了香港九龙地区地面热源作用下的城市热岛环流特性，采用可视化手段对不同层结大气的环流特征做了直观的流动显示。香港大学Fan[19-20]利用盐水层结对稳定层结下的城市热岛进行了水槽实验，采用粒子成像测速（PIV）对城市热岛环流发展特征进行了可视化研究，分析了不同城市形态的城市热岛环流特征，同时对多个城市之间的热岛环流流场特性进行了研究。梁彬等人[21-22]采用拖曳水槽对非对称山谷谷底加热引起的局地热力环流进行了流场研究，分析了局地环流与大尺度天气风共同作用下的山谷内流场的基本特征。梁彬等人[23]采用分层流水槽研究了海陆风强度与内边界层之间的关系。Reuten[24]采用密度分层流水槽实验研究了山谷地形日间太阳辐射不均引起的上坡风流动特征，分析了上坡风流动边界层结构及其对山谷内空气污染输送的影响，研究发现上坡风会将山谷内污染物带出山谷，但是又会被回流的下沉气流带回谷内。

刘辉志等人[25-26]首次利用盐水分层流水槽实验研究了温度梯度存在时城市街谷的流场特性，利用PIV技术观测了流场的基本结构，证实了近地层大气层结对街谷流场结构有明显影响。Jiang[27]采用数值模拟和水槽实验相结合的方法研究了两类不同形态比街谷的污染物扩散特性，在水槽内采用彩液示踪法对污染物在街谷内的扩散做了直观的研究，并通过数值模拟分析了街谷的流场特征。

3.2 大气污染物扩散方面的研究

由于稳定层结对大气的对流发展具有抑制作用，因此研究大气污染物在稳定层结下的扩散有十分重要的意义。国外对污染物在层结大气下的扩散实验研究比较著名的是澳大利亚大气研究分部（这是一个啥）用于对流边界层污染扩散的盐水槽实验。Hibberd[28]对此进行了详细描述，并研究了不同对流边界层的扩散机制。

从上世纪八十年代起，我国学者张伯寅教授[29-33]就在拖曳水槽中采用盐水密度分层模拟不同大气层结，通过彩液示踪法对大气污染物在复杂地形下的扩散做了可视化研究。通过对比水槽实验彩液示踪结果与实际大气中测量得到污染物扩散数据，水槽实验模拟污染物在不同层结大气下扩散的可靠性得到了验证。后来，张伯寅[34]对大亚湾地区进行污染物扩散模拟实验时，利用烟流扩散投影值灰度的变化进行定量化测量，分析了污染物浓度场的扩散规律，并辅以数值模拟对水槽模拟的趋势性结果进行了验证。

梁彬等人[35]采用拖曳水槽对实际香港铜锣湾地区的大气污染物在不同风场下的扩散做了可视化研究，分析了不同大气层结下和不同风场下污染物扩散范围。谢东[36-37]利用水槽内盐水溶液在水中的扩散研究了铀矿通风尾气核素大气扩散特性，揭示了铀矿通风尾气核素大气迁移扩散和浓度分布规律，并将数值模拟得到的结果与水槽实验的结果得到的浓度场进行了对比分析，结果表明拖曳盐水水槽实验可以广泛应用到烟囱、矿山等污染扩散问题。朱凤荣[38]对销毁工程厂区在复杂地形的烟气扩散地形进行了水槽模拟研究，分析了不同大气层结下的烟气扩散规律。秦颂[39]、蒯念生[40]、郑远攀[41]等人采用盐水分层流水槽对重气扩散进行了模拟研究，研究结果表明盐水分层流水槽可以运用到重气扩散的研究中。

吴昊坤[3]在拖曳水槽中首次利用平面激光诱导荧光技术，建立了适用于大气扩散浓度场定量化测量方法，并初步运用于单体建筑物附近的污染物扩散研究。实验结果表明，该方法能够模拟不同层结下大气污染物扩散的浓度场。

4 分层流水槽实验存在不足

从已有的研究成果来看，密度分层流水槽实验拥有在实验室条件下，对实际稳定层结大气风环境进行研究的优势，但是不可忽视的是此方法同样存在一些不足之处。首先是相似性，密度分层流水槽实验是以相似理论为基础的室内缩尺实验，在相似准则数的选取中，通常无法满足所有相似准则数都接近真实大气，而是选取对实验结果影响相对较大的Fr 数作为相似的判断依据。但是其它相似准则数会对实验结果造成一定程度的影响，例如当研究区域足够大时，若不考虑因地球自转造成的科氏力而出现的Ro 数，实验结果将与实际大气存在较大差异。其次是实验过程中边界条件的创造，在目前密度分层流水槽实验中，无论是热力边界条件还是动力边界条件都与实际大气有一定差异。由于实际大气环境中太阳辐射造成的热力边界条件不断变化，而在水槽实验中热力边界条件通常保持不变。在动力边界条件上，实际大气中的风速与高度有一定关系，而在水槽中通常用拖车来拖动模型模拟大气风场，风速随高度保持不变，这些都会造成水槽实验结果与实际大气存在一定差异。

5 结论与展望

密度分层流体水槽实验是模拟层结大气流动的重要研究手段，本文结合相关文献对密度分层流体水槽实验的实验原理，密度分层的营造和流场可视化技术以及研究现状等方面进行了系统的总结梳理，主要结论如下：

1）密度分层流水槽实验的基本原理是利用盐水密度或熵的非均匀性在分层流体中产生惯性效应和浮力效应，以体现大气温度梯度中的浮力作用的影响。在分层流水槽实验研究稳定层结大气流动相似准则数选取中，Fr 数通常是实验必须考虑的相似准则数。

2）目前密度分层流水槽主要运用于热力作用下的大气对流和动力作用下的层结大气污染物扩散两方面的实验研究中。在涉及到存在温度梯度的对流流动中，盐水分层流水槽实验具有独特的优势。从早期的主要针对大气对流边界层的发展研究，逐渐发展到用于中尺度局地热力环流以及小尺度城市街谷热力作用的对流中。密度分层流水槽实验能很好的再现复杂地形下大气污染物扩散现象，同时结合相关可视化技术，分层流水槽实验可以定量得到层结大气中污染物扩散的浓度场。

近年来，随着城市化进展的不断推进，源自燃煤、工业、机动车，扬尘等方面的大气污染物已经逐渐超过了环境容量，雾霾问题正变得日益严重，尤其是在静稳天气状况频发的冬季。当大尺度的气象风缺失时，探究如何合理有效地利用自然热压驱动所形成的中尺度局地环流（诸如城市热岛环流，海-陆风，湖-陆风，山谷风等）对城市进行通风，对未来城市的规划发展有着重要的指导意义。从目前的研究成果看来，密度分层流水槽实验在稳定层结状态下的大气对流和污染物的扩散研究中有独特的优势，未来可以更多地将密度分层流水槽实验运用在城市通风领域上。