壁面受热位置对非均匀街谷内流动的影响研究.pdf

第 卷 第 期邵阳学院学报(自然科学版).年 月 ().文章编号:()壁面受热位置对非均匀街谷内流动的影响研究赵福云高菡文雅冰黄志荣(湖南工业大学 土木工程学院湖南 株洲)摘 要:为探讨弱风条件下街谷壁面受热位置给不对称街区的内部流动及扩散造成的影响对具有不稳定热分层效应的非均匀街谷进行了数值模拟研究 探讨了 种街谷壁面受热位置对非均匀城市街区通风换气特性与远场气态污染物扩散规律的影响 结果表明壁面受热位置的改变会显著影响街谷内的气流形态与污染物分布街谷壁面的热效应可以促进街谷内部的通风换气能力在非均匀街谷内远场污染物扩散路径的影响要大于气流特性的影响上阶梯型街谷的大气弥散因子显然高于下阶梯型街谷关键词:非均匀街谷壁面受热位置数值模拟通风换气远场污染物扩散中图分类号:文献标志码:():.().:收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()湖南省重点研发计划()作者简介:赵福云男教授博士主要从事建筑通风、城市通风以及计算流体力学相关研究:.邵阳学院学报(自然科学版)第 卷在城市地区建筑物表面由大量混凝土和沥青等具有低反射率和低比热容特性的物质所组成 在太阳光的辐射下城市建筑物的表面容易被加热至高温状态导致建筑物壁面附近的空气与周围空气存在一定的温度差从而使得建筑物表面产生向上的热浮升力在弱风天气下自然风来流与壁面热浮升力的强度相当两者相互作用在城市街谷内会形成较为复杂的气流形态 在上述情形下城市气流同时受到自然风来流(风压驱动力)与壁面热浮升力(热压驱动力)的共同影响建筑物表面的热效应会明显改变街谷内的气流结构此外由于城市建筑物的朝向和太阳辐射角的变化在不同的时间段太阳光辐射对城市建筑物表面的加热作用具有一定的时空变化 由此太阳光辐射对建筑物不同表面的加热情况不同见图 因此城市街谷不同区域处的热效应有明显的差异性 相关文献已经表明不同建筑物壁面受热时城市街谷内的流动状态差异显著且还会对街谷内污染物的迁移扩散产生协同作用或对抗作用 模型与方法.物理模型与计算域假定三维城市街谷在与自然风来流相垂直的方向上(方向)为无限长可将三维街谷简化成二维街谷且其数值模拟结果仍可以代表真实的三维街谷 理想化的二维非均匀城市街区模型见图 图 中二维城市街区由 个高低不等的建筑物组成其中相邻建筑物的高度分别为(较矮建筑物)和(较高建筑物)建筑物宽度为 街谷宽度也为 自然风来流方向与城市街谷相垂直且从左至右依次流经城市街区图 不同时间段太阳光辐射对城市街谷的影响.图 非均匀城市街区的几何示意图.计算域的几何尺寸见图 在二维计算域中所有建筑物都放置在剪切层以下 为了促进计算域核心区域处湍流的充分发展在城市街区与入流、出流边界之间分别设置适当的长度 、同时为保证自然风来流不受外边界层边界条件的影响计算域的垂直高度设置为 本文所考虑的远场气态污染源位于城市街区的上游区域且距离第一幢建筑迎风侧的水平距离为 .数学模型数值计算中假设流动状态为不可压缩的定常流动 采用雷诺平均纳维斯托克斯()方程以及重正化群()湍流模型来求解非等温湍流场 此外利用 近似来计算空气温度变化引起的热浮力效应 控制方程如下所示:第 期赵福云高菡文雅冰黄志荣:壁面受热位置对非均匀街谷内流动的影响研究 图 计算域的几何尺寸.()()()()()()()式中:为速度张量为笛卡尔坐标为压力为湍流黏度和分别为通过时均流动与湍流传递的附加热量在本研究中假设气态污染物从城市街区上游释放气态污染物氡的大气输运方程如下所示:()()()式中:为氡在空气中的时均浓度 为氡在空气中的对流速度 为氡的扩散系数 为源项 为衰变常量取值./为雨水冲刷系数取值./为重力沉降率取值./在 湍流模型中湍动能 和耗散率 的输运方程如下所示:()()()()/()()()()()式中:和 分别为 和 的有效普朗特数的倒数./.邵阳学院学报(自然科学版)第 卷采用无量纲理查森数 来表示不稳定热分层的强度其数学表达式如下:()式中:为格拉晓夫数表示热浮力的强度 为雷诺数表示机械剪切风力的强度 为重力加速度 为参考高度处的水平速度取值./为地面和环境空气之间的温差 为街谷内的平均空气温度.边界条件根据 指南对出口边界施加充分发展的自由出流边界()顶部采用对称边界()来实现平行流动 建筑壁面以及地面采用无滑移固体边界且使用增强壁面处理 远场气态污染物的释放采用质量流率入口()大小为./计算域入口使用沿垂直方向变化的对数律梯度风廓线 所有控制方程均通过有限体积法进行离散化采用 算法来对压力速度方程解耦 控制方程中的对流项均采用二阶迎风格式 当每个方程的残差因子均小于 时可认为数值模拟达到收敛.模型验证为了验证本研究数值模型方法的可行性与准确性根据日本国家环境研究所进行的风洞实验建立了相似几何街谷模型(风洞实验中采用的是建筑等高的街谷模型)并根据实验条件设置了相应的数值边界条件且在整体理查森数 .时进行数值模拟计算沿目标街谷垂直中心线的归一化水平速度和归一化温度见图 总体而言数值模型能够较好地预测风洞实验中/和()/()的变化趋势两者吻合较好 然而数值结果与风洞实验之间仍然存在细小偏差这种偏差可能是物理模型的差异所导致的 在风洞实验中 等使用的是三维短街谷模型而在数值计算中则采用的是无限长的二维街谷模型 此外还将本研究的数值结果与 等的数值结果进行了对比发现本文所采用的 湍流模型的预测结果要优于文献的大涡模型说明本数值模型方法能较好的保证后续数值模拟的可靠性和准确性图 数值模拟与实验值的比较.结果与讨论第 期赵福云高菡文雅冰黄志荣:壁面受热位置对非均匀街谷内流动的影响研究 .街谷气流结构与污染物分布图 显示了街谷不同壁面受热位置时的流动结构与无量纲污染物浓度 数值结果表明街谷壁面受热位置的改变会显著改变街谷内的流动结构从而影响污染物的空间分布 与无壁面受热的情况相比当街谷迎风壁面受热时壁面处的热浮升力会增强下阶梯型街谷下部的反向涡流的流动使得反向涡流向右上方拓展且变大 在上阶梯型街谷内气流形态有更为明显的改变由原来的单涡结构演变成了两种气流结构 靠近背风侧为较小的正向旋涡而在街谷迎风侧为较强的下洗气流 在这种气流结构下可以观察到上阶梯型街谷内存在较高的污染物浓度 但在这种街谷壁面受热方式下下阶梯型街谷内的气流形态无明显变化仍与无壁面受热时的情形类似当街谷背风侧受热时壁面处的热浮升力可以增强下阶梯型街谷上部的流动从而削弱了下部区域的涡流 从而使得上部涡流向下延伸造成了下阶梯型街谷内有更高的污染物分布 其次上阶梯型街谷内的气流结构继续维持原来的单涡流态浮力通量与平流通量的方向一致街谷内的流动被增强污染物浓度有略微地增大 对于街谷地面受热上阶梯型街谷内的流态同样也保持原有的特征其原因与街谷背风侧受热时类似 但下阶梯型街谷内受地面热浮升力的影响下部涡流增大上部涡流减小街谷拐角处出现新的二次涡这较好地减少了外界污染物在街谷内的积聚图 不同壁面受热位置时的流动结构与无量纲污染物浓度.邵阳学院学报(自然科学版)第 卷.气流速度特性街谷不同壁面受热位置时街谷顶部处()的归一化垂直速度/见图 可以发现街谷壁面受热方式的改变导致了街谷内涡流形态的显著变化从而在一定程度上影响街谷顶部气流垂直速度的变化趋势 在下阶梯型街谷内当街谷背风侧墙面受热时由于墙面热浮升力引起的浮力通量与上部涡流引起的平流通量方向一致两者形成协同效应增强了街谷上部涡流的流动故可以观察到靠近街谷背风侧有较大的垂直速度 在此街谷中其余壁面受热方式下的垂直速度的变化趋势较为接近 然而在上阶梯型街谷内街谷迎风墙受热时的垂直气流速度与其余案例配置的垂直气流速度有相反的变化趋势垂直速度在靠近街谷迎风墙逐渐增大这些差异主要体现在街谷内气流形态的不同迎风侧附近的下洗流促进了街谷内的垂直气流流动图 不同壁面受热位置时街谷顶部处的归一化垂直速度/./图 为街谷顶部高度水平处()的平均垂直速度 由图可知在下阶梯型街谷内不同壁面受热方式下的平均垂直速度大小为:(街谷背风墙面受热)(无墙面受热)(街谷地面受热)(街谷迎风墙面受热)而在上阶梯型街谷内则为:(街谷迎风墙面受热)(无墙面受热)(街谷地面受热)(街谷背风墙面受热)对比发现在这两种街谷中迎风墙面受热与背风墙面受热时的平均垂直速度有相反的结果且地面受热时的平均垂直速度始终小于无墙面受热时图 不同壁面受热位置时街谷顶部处的平均垂直速度.第 期赵福云高菡文雅冰黄志荣:壁面受热位置对非均匀街谷内流动的影响研究 .街谷通风性能分析采用空气交换率()来量化分析非均匀街谷内的通风换气能力 空气换气率是指城市冠层内某空间内的空气被外界新鲜空气所取代的速率 空气换气率主要包括两个部分一部分是通过时均流动来实现的对流换气率():()另一部分是通过湍流脉动实现的湍流换气率():()()街谷内的总体空气交换率():()式中:和 分别为垂直方向上的时均速度和脉动速度 为城市街谷顶部水平处的面积为了定量分析街谷内的通风换气状况对街谷不同壁面受热时的空气交换率进行了对比见图 总体而言相比于无墙面受热时的情况街谷壁面的受热可以增大街谷与外界的空气交换率这表明太阳光辐射对任意街谷壁面的加热均可以二维街谷顶部与上方空气的垂直交换率从而提高街谷的通风效果图 不同壁面受热时的空气交换率.在下阶梯型街谷内当背风墙面受热时时均流动引起的空气交换率(对流换气率)大于湍流脉动引起的空气交换率(湍流换气率)在这种壁面受热方式之下街谷上部涡流的增大在促进对流换气率的同时却在一定程度上削弱了湍流换气率但总体上还是背风墙面受热时的空气交换率最大 街谷内的空气交换率大小为:(背风墙面受热)(地面受热)(迎风墙面受热)(无墙面受热)而上阶梯型街谷内空气交换率大小为:(地面受热)(背风墙面受热)(迎风墙面受热)(无墙面受热)如前所述虽然街谷地面受热时的平均垂直速度相对较小由此引起的对流换气率较小但其湍流换气率却相对较大从而使得总的空气交换率相对较大可以说明在此种街谷内底部热流对街谷顶部气流的垂直运动有较好的促进作用.污染物扩散特性分析为了揭示远场气态污染物在城市街区中的迁移扩散特征采用大气弥散因子()来评估大气对气态污染物的稀释扩散状况 大气弥散因子是指气态污染物在大气中扩散后下游某一点的浓度与源强度的比值 越大表示大气对污染物的稀释扩散能力越 邵阳学院学报(自然科学版)第 卷差 气态污染物平均浓度 的表达式如下:()大气弥散因子 的表达式如下:()其中:表示街谷的面积 为污染源处的体积流量 是污染物的释放源强图 为沿流动方向上所有街谷内的大气弥散因子 比较 可以看出当迎风墙面受热时相邻街谷内的大气弥散因子 相差较大地面受热时次之无墙面受热和背风墙面受热时最小 这是由于两种街谷内的气流结构差异造成的迎风墙面受热时上阶梯型街谷内存在强烈的下洗气流会带入大量的外界污染物进入到街谷内使得两种街谷内的污染物浓度差异较大图 为不同壁面受热位置时街谷内的大气弥散因子 比较 虽然不同壁面受热方式时显著改变了两种街谷内的气流结构但从图中仍然可以发现上阶梯型街谷内的大气弥散因子 要高于下阶梯型街谷 这是因为下阶梯型街谷内的反向涡流阻挡了外界污染物的进入使得大部分污染物只能分布在街谷上部区域而上阶梯型街谷基本为单涡结构能使污染物更容易进入街谷此外在下阶梯型街谷内与无墙面受热的街谷相比迎风墙面受热或地面受热时街谷内的大气弥散因子 要相对低一些 由于在这两种壁面受热方式下街谷上部涡流较小外界污染物积聚在街谷的浓度有所减少 而背风墙面受热时街谷上部正向涡流增大使得更多的污染物进入到了街谷内 在上阶梯型街谷内无墙面受热、背风墙面受热和地面受热时涡流形态一致因此这三者状况下的 几乎一致 迎风面受热时街谷内的下洗流在促进通风换气的同时也造成了更高的污染物浓度图 沿流动方向上所有街谷内的大气弥散因子 比较.图 不同壁面受热位置时街谷内的大气弥散因子 比较.结论通过数值模拟方法研究不同街谷壁面受热位置对非均匀城市街区通风及远场气态污染物扩散特性的影响可得到如下主要结论:第 期赵福云高菡文雅冰黄志荣:壁面受热位置对非均匀街谷内流动的影响研究