建筑物尾流区气流与污染物扩散的数值计算

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1、建筑物尾流区气流与污染物扩散的数值计算摘要：采用了细网格非静力能量闭合边界层模式和随机游动模拟方法建立了一套分析建筑物尾流流场和污染物扩散的数值模拟系统.作为应用研究的例子，在对某城市地下交通隧道排废气的风井塔尾流区流场和浓度场进行风洞流体物理实验的基础上，利用所建的模拟系统对风井塔尾流区气流和污染物扩散特征进行研究.结果表明，所建的模拟系统的模拟结果与风洞试验的结果吻合较好，对一些小尺度带有明显湍流不均匀性的流场和局地空气污染物散布的情况有较好的模拟效果和良好的应用前景。关键词：隧道风井塔非静力细网格边界模式能量闭合随机游动模拟风洞模拟1引言一些具有一定形式和规模的建筑物(如钝体型高楼大厦，

2、城市地下交通隧道排污气的风井塔，核工程设施中的反应堆壳体等等)对其周围地区的气流分布有明显的影响，所以由此而造成的局地空气污染扩散也会由于建筑物所致的空气动力学效应而具有独特性.　　建筑物背风侧存在一个尾流区，其主要特征为气流速度的亏损和湍流活动加剧，具有明显非均匀性结构.迄今为止，通常采用在风洞和水槽中进行流体物理模拟实验的途径研究其流场和污染物扩散特征，并在此基础上由经验方法建立修正的高斯模型，分析尾流区污染物的扩散［1］.虽然高斯模型有一定的实用价值，但就湍流及其不均匀性的物理本质和分析精确性而言，却是不可取的.于洪彬、蒋维楣(1996)在风洞试验对风井塔尾流特征分析的基础上，使用Hal

3、itsky(1977)［2］的拟合公式，进行修正后，得到塔后尾流区的流场和湍流场，以此作为随机游动扩散模式的输入场，得到塔后尾流区污染物的扩散分布［3］.但是从提高模式的模拟精度而言，使用该模式所得的流场和浓度场还比较粗糙，与实际情况还是有较大的出入.本文建立了一种能较为细致地分析建筑物尾流区气流和污染物扩散特征的数值模拟系统，模拟系统的流场模式采用细网格非静力边界层模式，闭合方案采用工程上实用的能量闭合方法(E—ε闭合)，模拟系统的扩散模式采用随机游动模拟方法.2模式采用三维非静力边界层模式模拟中性层结情况下建筑物尾流流场，其控制方程组，包括速度u、v、h和Kmz为水平和垂直方向的湍流交换系

4、数.由于模式的水平网格距和积分时间步长都能取得很小(积分时间步长为0.12s，建筑物附近的水平网格距为5m)，所以该模式能以较高的时空分辨率细致模拟出建筑物尾流流场的分布特征.随机游动模拟是通过施放大量标记粒子来实现的，粒子在流场中按平均风输送，同时又用一系列随机位移来模拟湍流扩散，粒子轨迹方程为：　　　　(4)式中，Δt为时间步长，a=1，2，3，分别代表在x,y,z3个方向上的量.下标i,i+1分别代表前一时步和后一时步的量.湍流随机脉动速度由MarkovChain关系得到：　　　　(5)这里γ-a是方差为1.0、均值为0的高斯型随机数，由计算机自动产生.σa为速度方差.R-aΔt为自

5、相关系数，取为通用的指数形式：　　　　(6)TLa为拉格朗日时间尺度，取Hanna(1982)［6］的拟合公式：A.不稳定层结：B.稳定层结：C.中性层结：其中，Zi为混合层厚度，Z为垂直高度，f为科氏参数，u*为摩擦速度.3　建筑物尾流特征模拟分析某大城市地下交通隧道排气的风井塔的外形轮廓特殊，如图1所示，主体呈圆柱形，高67.0m，直径29.7m，排气窗离地面48.0—53.0m，无烟气抬升，具有1.4m/s的水平出口速度主塔下方地面上有高度为20.0m的附属建筑物与主体联成一体［7］.由风洞实验结果分析可知，在风塔排气速度一定的情况下，当环境风速(源高处)大于2.6m/s时，才会出现明显

6、的烟流下沉现象，并且根据现场实际观测资料和研究问题的需要，我们取风塔上游无穷远处的来流风速(源高处)为3.2m/s和6.2m/s两种典型风速，并取工程上实用的指数律，幂指数根据现场实测在中性情况下为0.15.模拟域的范围为74Hb×60Hb×15Hb个网格范围(Hb为风井塔的高度)，水平网格采用在建筑物附近用细网格，至边界处格距逐渐增大的拉伸网格系统.垂直网格从地面向上逐渐增大.边界条件：地面采用无滑脱条件，采用固定的上边界，建筑物表面采用Vn=0作为边界条件，这里V-n为建筑物表面法线方向的速度分量，处在建筑物内的网格点上令速度为零.侧边界用固定流入、梯度输出的形式.图2给出源高处风速为3

7、.2m/s时风井塔尾流区流场的数值模拟结果.图2(a)中虚线所围区域为速度亏损大于1的区域，即此区域内水平风速与来流向相反.由图可见风塔的空气动力学效应影响范围在其下游延伸至34Hb，在塔后风速急剧减少，最大速度亏损出现在塔后腔区内，大小为117%.塔前塔后出现回流区，但塔后范围较大.塔后回流区的大致范围在离塔下游5—6Hb左右.湍流动能TKE的大值分布在速度切变较大处，，图1　某城市地下交通隧道