城市建筑物产生的大气漩涡结构对污染物扩散的影响研究

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1、广东建材2013年第10期工程试验与研究城市建筑物产生的大气漩涡结构对污染物扩散的影响研究刘程鹏(贵少l,lmJ币范大学材料与建筑工程学院)摘要：应用雷诺时间平均N—s方程组的数值模拟方法，利用Realizablek—e模型对圆柱和平板射流的发散比率有更加精确的预测。研究了建筑结构产生的大气漩涡结构对街道峡谷、周围环境污染物扩散的影响。计算结果与Rafailidis等进行的风洞试验结果相近。研究发现，建筑物体的形状、特别是屋顶形状以及建筑物之间的相对位置、建筑高度都会产生不同形式、不同强度的气流漩涡结构，进而影响到街道峡谷、周围环境的污染物扩散

2、。合理设计及规划城市建筑对街道峡谷、周围环境的污染物扩散会产生有益的效应。关键词：数值模拟；建筑物；漩涡结构；污染物扩散1引言如何应对城市建筑物产生的气流旋涡带来的污染物扩散影响，是城市建设及城市规划的重要课题之一。目前，研究城市街道峡谷内大气流动以及污染物扩散的方法研究主要有风洞试验模拟法、数值模拟法和实地测量法[1]。实地测量是最可靠的第一手资料，但实地测量法往往会由于实施上受到许多条件的限制。所以，一般是验证理论的正确性及为制定规范提供依据时采用这种方法。风洞试验是现今城市建筑风场及城市街道峡谷内大气流动以及污染物扩散研究的主要手段，但成

3、本高、周期长，一般用于对数值模拟结果的有效性进行验证。数值模拟是随着计算机技术的快速发展，而产生的一门新型的科学计算技术。由于周期短、成本低、效率高，重复性好等优点逐步应用到城市建筑风场、街道峡谷问题的模拟中[2]。目前国内外数值模拟求解大气湍流漩涡问题一般采用以下三种方法：①直接数值模拟(DNS)；②雷诺时间平均N—s方程组(RANS)[3]；③大涡模拟方法(LES)。文章采用雷诺时间平均N—S方程组的优点并采用分离式求解方法，对湍流模型、对流项、扩散项和源项线性化进行离散，求解积分形式的N—S方程组，分析了街道峡谷两侧建筑屋顶对街道峡谷内流

4、场以及污染物扩散的影响，将数值模拟结果与RafailidiS[4]、Kast—ner—KleinES]等在德国汉堡大学进行的风洞试验结构进行了对比，以验证数值模拟结果的可靠性。2数值方法2．1边界条件的确定计算中不考虑车辆对街道峡谷内空气的扰动影响，采用下列边界条件：(1)进流面：输入关键的两项参数，采用速度入口边界条件：进口处的速度：采用实际建筑物所在地的大气边界层风速指数剖面。v／z＼百2【iJ式中：v，，Zr——分别为屋顶参考点风速。v，z——分别为所求点的风速和高度Q——地面粗糙度指数，根据我国规范规定的四类地面粗糙度类别指数确定。(2

5、)出流面：用数学模型描述是：a(：l：)／an=O，：l：表示出流面所有变量(压力除外)，如u、v、w、k、e和温度T等。由于出流面处的流动是充分发展的，该面处的速度和压力均是未知量，采用出流边界条件用上述模型表示。(3)流域的顶部和两侧面：该条件使用时是在对称面上，所有物理量在其垂直方向上的梯度为0，边界条件为对称。(4)建筑物的表面和地面：采用无滑移壁面边界条件。一51—工程试验与研究广东建材2013年第10期2．2湍流物理模型的选定选用湍流模型为标准k—e模型，该模型在目前计算风工程中使用较多，标准k—e模型的特点是把表征涡粘性系数的两个

6、特征量都由相应的微分方程控制，即引入湍动能k的方程和湍动能耗散率e的方程：p熹+叭鲁=击”+告)等卜。等(瓦OUi+等)-pe(式1)p鲁Ⅷ。岳2击”昔)鲁卜}p。面OUi(等+等)-c2p}(式2)其中：湍动能k=告(r+_-+--)湍琥耗散率e-}(等)(等)，通常写成13／2￡=c。牛，CD为常数12湍流粘性系数：u。=PC．，旦(c。=0．09)c1、c广为经验常数，通常取c1=1．44，C2=1．92o。、o。——为与湍动能k和耗散率e对应的Prandtl数，通常取ok=1．0，O。=1．3。标准k—e模型在求解弯曲壁面流动、强旋流或

7、弯曲流线流动时，会产生一定的失真，影响计算精度。假定的粘性系数u。都是相同的，即假定u。是各向同性的标量，对于Reynolds应力的各个分量，但是在弯曲流线的情况下，湍流是各向异性的，u。应该是各向异性的张量。为此，人们提出了一些改进的k—e模型，如RNGk一￡模型、Realizablek一￡模型、LK模型、MMK模型、k—e一①模型等等[引，这些模型各有特点。在本文中，参考一些现有的研究成果，选用Real—izablek一￡模型。Realizablek一￡模型对平板和圆柱射流的发散比率有更精确的预测，利用它对于强逆压梯度的边界层流动、旋转流动

8、、二次流和流动分离有很好的表现，列出该模型中的湍动能k方程和湍动能耗散率￡方程如下[7]：业+业≯=击[+P't)Ok_]+GkOtOX{IiJ—P￡