《基于CFD模拟的城市道路汽车尾气扩散分布规律》-工学论文，工程论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

基于CFD模拟的城市道路汽车尾气扩散分布规律

范文

杨恺邓建华

摘要：城市道路的空间形态对其内部的尾气污染物的扩散分布有显著影响。文章基于CFD建立城市建筑-道路模型，模拟高宽比分别为0.5：1、1：1、1.5：1、2：1的情况下不同风向的尾气污染物分布规律，总结影响尾气扩散的因素以及规划建议，为更科学的防治汽车尾气带来的危害提供依据。

Abstract： The spatial form of urban roads has a significant impact on the diffusion and distribution of exhaust pollutants. Based on CFD， this paper establishes the urban building road model to simulate the distribution of tail gas pollutants in different wind directions when the height width ratio is 0.5：1， 1：1， 1.5：1 and 2：1 respectively， summarizes the factors that affect the diffusion of tail gas and the planning suggestions， so as to provide a basis for more scientific prevention and control of automobile tail gas hazards.

关键词：CFD;城市;尾气污染;分布规律

Key words： CFD;city;tail gas pollution;distribution law

中图分类号：X513? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編号：1006-4311（2020）03-0261-02

0? 引言

在环境污染日益严重以及汽车保有量激增的背景下，由汽车尾气引发的城市污染已得到广泛的关注，汽车尾气污染已成为城市污染物中最主要的组成部分。城市道路的特点是两边矗立着大量建筑物，由街道和建筑物组成的峡谷绵延几公里，且汽车尾气的排放又是低空排放，这就使得城市近地面容易堆积污染物，不易稀释和扩散，会造成城市区域污染物浓度升高，形成污染。汽车尾气的排放高度接近人体呼吸带高度，其污染物将严重危害行人和周围居民的身体健康。

汽车所排放的主要污染物有 NOx、CO、烃类、Pb和颗粒物等[1]。研究发现，尾气污染物在城市道路中的分布具有一定的规律，不同的道路由于建筑物高度和街道宽度的不同，其污染物的分布规律也不相同。尤学一、李莉[2]采用二维RNG k-ε湍流模型，通过模拟不同位置污染源和建筑物不同规划位置，研究了单栋建筑物和双排多建筑物情况下，污染源对建筑物或建筑群的影响，得到了相应的污染物浓度分布。刘水长[3]等以当地常年气象风向作为重要的边界条件之一，应用CFD多相流技术，模拟了十字交叉口车辆队列怠速等候35s时的尾气扩散过程，发现城市空间结构对汽车尾气扩散影响较大。

1? 研究思路

苏州位于中国华东地区，江苏省的东南部，四季分明气候温和，以平原为主要地貌形态。夏季多为东南风，冬季多为西北风，年平均风速约为2.5m/s。文章以苏州市的城市街道为参照，利用CFD软件包建立模型研究城市道路在不同建筑物高度、不同风向下的尾气污染物CO的扩散分布规律。

2? CFD模拟步骤

运用ANSYS 18.2软件包中的SCDM建立几何模型，导入Workbench中自带软件Meshing中划分网格，因其集成在工作界面里，容易导入且操作简便，对于体网格的划分也比较完备;Fluent是目前市场上最优秀的CFD软件且前后处理以及数值计算方法非常强大，能够精确模拟文章所设置的各种模型环境，将绘制完毕后的网格导入Fluent中设置边界条件、模拟所用模型、流体域的气体材料以及排放速度。

3? 模型建立的方法

根据Herbret[4]提出的模型比例构建方案，模拟区域的上风侧为建筑物高度的2倍，下风侧为建筑物高度的5倍，两侧宽度是建筑物高度的1/2，高度为建筑物高度的4倍。文章根据上述模型建立方法研究城市建筑物高度与街道宽度（以下简称高宽比）为0.5：1、1：1、1.5：1、2：1的情况下不同风向的尾气污染物分布规律。模型如图1。

模型中两建筑物之间间距为30m，建筑物长度100m，宽度10m，污染物流速设置为2.5m/s，模型选用标准k-？着模型，以及组分运输模型。将污染物入口边界设置为速度入口（velocity-inlet），污染物出口边界设置为自由出口（outflow），建筑物壁面设置为wall且壁面无滑移，流体域底面设置为wall，两个侧面以及顶面设置为对称边界（symmetry）。污染物为Fluent自带的CO，流体域的材料设置为Air和CO的混合物，但CO占比为1。

4? 模拟结果分析

文章统一选取行人呼吸带高度Z=1.5m处的水平剖面污染物分布图作为分析研究对象，研究街道中心线上的污染物分布规律，此处污染物分布更具有代表性。

①当污染物来流与街道方向平行时，模拟出污染物浓度分布见图2。

可知当污染物来流向与街道方向平行时，无论高宽比为多少，污染物浓度与街道中心线距建筑迎风面的距离x成正比关系。高宽比为0.5时街道尾部污染物浓度较大，是因为低矮的建筑物不容易阻挡自然风的扩散，自然风更容易从建筑物的上方扩散出去，随着街道的延伸风速随之减小，建筑物尾部风速最低，污染物容易堆积，导致街道尾部易形成污染。高大的建筑物更容易使自然风聚集在街道内部，左右两边的自然风受建筑表面低压区的吸引会形成一股强劲的下冲方向自然风，这会迅速的带走滞留在此高层建筑物底部的污染物，有利于污染物的扩散。高宽比为1、1.5、2时污染物浓度分布差別不大，可见建筑物的高度并不是越高越好，超过一定高度的建筑物对于污染物的扩散并没有起到决定性作用。

②当污染物来流向与街道方向成45°夹角时，模拟出污染物浓度分布见图3。

高宽比为0.5时，街道入口处和街道中心区域污染物浓度最小，街道前部有一个明显的污染物堆积区，这是由于街道入口处建筑物的阻挡使得此处风速低，污染物不易扩散。同样街道尾部也有一个污染物堆积区，参照①的结论可知，自然风经过街道内部多次的阻挡以及扩散，经过街道尾部时风速已经很低，造成局部污染。高宽比为1时，污染物的分布趋势和高宽比0.5的情况相似，其污染物浓度最小区域出现在街道后半部分。高宽比为1.5和2这两种情形都是在街道入口处污染物浓度相对偏低，其后污染物维持在一个较高的程度，随着建筑物高度的增加，污染物浓度峰值会向街道后方移动。随着建筑物高度的增加，街道内部污染物浓度会逐渐提高，污染物越来越不容易扩散。

5? 结论

①污染物来流进入街道时，街道入口处风速较大，污染物浓度相对较低。污染物来流向平行于街道时，污染物浓度与街道中心线距建筑迎风面的距离x成正比关系。

②高宽比为1：1以下时，污染物来流向无论是平行于街道还是成一定夹角，街道内部污染物扩散情况都较好;高大建筑物对自然风的阻挡作用使自然风聚集在街道内部，左右两边的自然风受建筑的影响会形成一股强劲的下冲方向自然风，这会迅速的带走滞留在此高层建筑物底部的污染物，有利于污染物的扩散。而迎风侧靠后建筑物的增高对于街道中心处的污染物扩散是不利的，迎风侧建筑物高度对于污染物扩散有决定性作用。

③当污染物来流向与街道方向成45°夹角、高宽比为1及以上时，随着建筑物高度的增加，污染物浓度峰值会向街道后方移动。

参考文献：

[1]梁文艳，孙德智，黄珊.编制城市交通道路环境空气质量监测技术规范的探讨[J].环境科学研究，2010，23.

[2]尤学一，李莉.污染源对建筑小区影响的数值模拟[J].环境科学研究，2006，19（3）：13-17.

[3]刘水长，张勇，余勇，赵万东.城市空间结构对汽车尾气扩散影响规律研究[J].工业安全与环保，2014，40.

[4]J M Herbert，G T Johnson，A J Arnfield. Modeling the Thermal Climate in City Canyons[J]. Environment Modeling and Software，1998，13（324）：267-277.

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。