绿墙对街道峡谷通风及污染物扩散的影响

刘宇辰，黄远东，张震，孙蓓莉，崔鹏义，罗杨

(上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093)

近些年来，国民经济发展迅速，城市化水平大幅度提高，机动车保有量逐年上升。与此同时也出现了一系列城市大气污染问题，例如机动车尾气中含有的CO与NOx会对人体健康与大气环境等造成不可逆的损害[1]。对于城市大气污染问题所进行的研究多集中于街道峡谷方面。街道峡谷作为城市结构的基本单元，对其进行研究具有代表性及必要性。相关研究表明，不合适的植树方略会降低街道峡谷内部的风速，进而加剧局部污染物的堆积[2-4]，而绿墙(包含壁面绿化与屋顶绿化)作为一种新兴的绿化模式，不仅能够有效缓解居民对绿化的需求与城市公共空间紧缺的矛盾，对城市通风的阻碍也较小。Cuce[5]的现场监测实验发现10 cm厚的绿墙能够降低墙体平均温度约6℃，而在多云天气该值则为4℃。Pugh等[6]研究了单一环境温度下绿墙对街道峡谷内颗粒物的影响，发现其对颗粒物的吸收效果较好。Qin等[7]就不同种植面积的绿墙对颗粒污染物PM10的吸附效果进行了数值研究，发现最大吸附效率能达到43.8%。以往对绿墙的研究多集中于其对热岛效应的改善和对颗粒性污染物的吸附，而其对气态污染物扩散的影响，则存在一定空白。

1 CFD方法

CFD方法包括物理模型(包含街道峡谷的几何模型、壁面绿化以及受热情况)、数值模型(各类控制方程以及湍流模型的选择)以及计算求解设置(即为软件内部的求解参数设置，包括离散格式，残差设置等)。

1.1 物理模型

选取的街道峡谷物理模型(图1)，目标街道峡谷由两栋连续建筑物及中央主干道组成。连续建筑物的尺寸为H×H×10H(H=20 m)，主干道的宽度为H；两栋孤立建筑的屋顶及内侧壁面种植有壁面绿化，厚度为0.01H；近地面被动性污染物CO排放源的尺寸为0.02H×0.04H×10H，排放速率为1.3×10-8kg·m-3·s-1[8]，表示极端拥挤的交通情况(约每小时5 100辆机动车经过)。除此之外，研究还考虑太阳辐射引发的壁面升温[9]以及绿墙的空气动力学效应(对气流的阻碍效应)和热力学效应(蒸腾降温效应)[10-11]，壁面升温的具体参数设置以及所有研究案例如表1所示。

表1 研究工况及壁面温度设置Table 1 Study cases and setting of wall temperature

计算域的选取原则严格遵循AIJ的指导指南[12]，确定其尺寸为24H×32H×8H。此外，经过网格敏感性分析，确定最终的网格数为380万。具体的规划如图2所示，计算区域入口面距离迎风建筑物的距离为8H，出口面距离背风建筑物的距离为21H，两侧切面距离建筑物侧面为7H,计算区域总高度为8H。

1.2 数值模型

本研究采用经验证的Standard k-е湍流模型封闭的RANS方程[13]耦合能量方程来求解稳态非等温流。另外，对于绿墙覆盖的流域，插入能量，速度分量，湍动能和湍动能耗散率源项来模拟树木的蒸腾降温效应以及其对流场的影响[10]。具体的控制方程详见参考文献[11]。

1.3 求解计算

入口采用速度入口，参考温度设为300 K。入口风速，湍动能及湍动能耗散率如下：

(1)

(2)

(3)

式(1～3)中:Uref表示参考风速(4.7m·s-1)，α表示风剖指数(0.187)，u*表示摩擦速度(0.54m·s-1)，Cμ表示模型常数(0.09)，κ表示冯卡门常数(0.4)，δ表示边界层高度(0.96 m)[15-16]。

计算域的顶部及两个侧面均使用对称边界条件(Symmetry)，壁面使用无滑移边界条件且近壁面区域使用标准壁面函数处理，出口使用流出边界条件(Outflow)。控制方程采用有限体积法(FVM)离散，压力与速度采用压力耦合方程组的半隐式方法(SIMPLE)进行耦合，对流离散项采用二阶迎风差分方案，各变量相对残差小于10-6即视为收敛[17]。

2 结果与讨论

2.1 背风面受热下流场及污染物浓度分析

图3展示了峡谷中心切面处的无量纲风速(U/Uref)云图及流场图。在背风面受热情况下，峡谷内部呈现单个顺时针主旋涡结构，且该结构不会随着绿墙LAD的提高而发生较为明显的改变,这与Li等和Bright等的研究结果相似[18-19]。随着绿墙LAD的升高，其空气动力学效应(即对气流的阻碍效应)也随之增强，这会削弱沿迎风面下洗和沿背风面上升的气流，使得近壁面和地面的低速区域拓展，峡谷内部平均速度降低，与外界的空气交换效率也随之降低。在图3e与图3f中能够发现，随着峡谷与外界空气交换效率的下降，街道峡谷底部的污染物浓度也显著提高。总而言之，在背风面受热情况下，绿墙的存在会略微加剧峡谷内部的污染物堆积。

2.2 迎风面受热下流场及污染物浓度分析

迎风面受热会大幅度改变峡谷内部的流动结构：顺时针旋涡被迎风面升温产生的强热浮力抬升，旋涡中心向上偏移，且峡谷下半部分的气流向上运动融入旋涡，形成多旋涡结构，这与胡伟等的研究结果相似[20]。随着绿墙LAD的提高，两侧壁面及屋顶周围的空气被降温并由于密度差原因沉积于峡谷底部，削弱向上运动的气流并形成两个规模相当的旋涡。

流动结构的改变会引发污染物分布特征的改变。近地面污染物被峡谷下半部分的气流输送至迎风侧底部，并沿其向上递减分布；而峡谷上半部分的顺时针旋涡会携带迎风侧附近的污染物向背风侧运动，也沿其向上分布，最终使得近迎风侧污染物浓度远高于近背风侧(图4)。另外，随着LAD的上升，峡谷下半部分的高污染物区域缩减。可以认为，在迎风面受热情况下，壁面绿化的蒸腾降温效应能够很好地抵消壁面热效应带来的负面效果。

2.3 地面受热下流场及污染物浓度分析

地面受热情况与背风面受热情况均不会大幅度改变峡谷内部的流动结构，而与背风面受热不同的是，地面受热产生的向上热浮力会大幅度提高峡谷内部的平均风速，尤其是近地面的气流，这极大地提高了峡谷内部与外部的空气交汇(图5)。与背风面受热条件下的污染物浓度分布相比，地面受热能够更好地促进污染物的扩散。而绿墙的降温效应及空气动力学效应会降低峡谷底部的空气温度并削减近地面热浮力的效果，使得峡谷内低速区域大幅度扩展，近地面污染物浓度升高。

2.4 背风面与地面复合受热下流场及污染物浓度分析

图6展示了地面与背风面受热情况下，街道峡谷内部的流动结构及污染物的分布情况。峡谷内部的流动结构依然是由单个顺时针主旋涡主导，与背风面受热和地面受热情况相似。在这种受热情况下，近地面污染物被顺时针旋涡输送至背风面附近，沿其向上递减分布。而随着绿墙LAD的增加，其蒸腾降温效应产生的冷空气使得近壁面热浮升力被削弱，其对空气的阻碍效应也削弱了峡谷内部气流的速度，使得污染物堆积略微加剧。该种受热模式能更好地增加峡谷内部的平均风速，但是对污染物扩散的促进作用与地面受热几乎相同，相较于背风面受热而言能够更好地促进污染物的扩散。

2.5 迎风面与地面复合受热下流场及污染物浓度分析

图7则展示了地面与迎风面受热情况下峡谷内部的流动结构。迎风面与地面的强热浮力使得峡谷内部的横向气流向峡谷中心汇聚，并从左下角向右上运动涌出街道峡谷，同时也将顺时针主旋涡推至下风向建筑物屋顶上方，这与Lin等[21]的风洞实验结果相似。这也导致了大量近地面污染物汇聚于峡谷右下角。随着LAD上升至1.0，上涌气流被绿墙产生的冷空气削弱，顺时针旋涡得以向峡谷中心偏移；而当LAD=2.0时，产生的大量冷空气极大地削弱壁面产生的热浮升力，流动结构再次转化为单个主旋涡，峡谷内部的污染物分布回归于沿背风面向上递减的结构。

3 结论与展望

本研究采用数值模拟的手段研究了绿墙(包含壁面绿化及屋顶绿化)对街道峡谷内部通风及污染物扩散的影响，得出以下结论。

(1)在背风面受热、地面受热和迎风面与地面复合受热时，峡谷内部均由单个顺时针主旋涡占据，且污染物浓度沿背风面向上递减。绿墙由于其蒸腾降温效应及对湍流的阻碍效应，会降低峡谷内部的平均风速，减弱与外部的空气交换，从而加剧污染物在街道峡谷底部的堆积。另外，相较于背风面受热，地面受热和复合受热能够更好地促进近地面污染物的扩散。

(2)在迎风面受热时，峡谷内部流动情况发生大幅度改变，顺时针主旋涡被向上抬升，出现了多旋涡结构，该结构会削弱峡谷，尤其是峡谷底部区域与外部的空气交换，使得峡谷内部平均污染物浓度升高。绿墙的蒸腾降温效应能够较好地抵消迎风面受热对峡谷通风负面效果，略微降低峡谷底部污染物的堆积。

(3)在迎风面与地面复合受热时，峡谷内部的横向气流聚集于峡谷中心并向上运动，使得污染物大量堆积于峡谷中心部分，而随着绿墙LAD的上升，壁面热效应被绿墙的蒸腾降温效应削弱，峡谷内部回归单旋涡结构。

绿墙这种新兴的植物类型，在未来有较好的发展前景。本研究仅考虑了日间单一天气条件变量。在以后的研究中，不仅需要考虑更为复杂的气象条件，还需要深化研究绿墙的空气动力学及热力学机理，考虑更为复杂的大气污染情况。