建筑物尾流區(qū)氣流與污染物擴散的數(shù)值計算

建筑物尾流區(qū)氣流與污染物擴散的數(shù)值計算摘要：采用了細網(wǎng)格非靜力能量閉合邊界層模式和隨機游動模擬方式成立了一套分析建筑物尾流流場和污染物擴散的數(shù)值模擬系統(tǒng).作為應用研究的例子，在對某城市地下交通隧道排廢氣的風井塔尾流區(qū)流場和濃度場進行風洞流體物理實驗的基礎上，利用所建的模擬系統(tǒng)對風井塔尾流區(qū)氣流和污染物擴散特征進行研究.結果表明，所建的模擬系統(tǒng)的模擬結果與風洞實驗的結果吻合較好，對一些小尺度帶有明顯湍流不均勻性的流場和局地空氣污染物散布的情形有較好的模擬效果和良好的應用前景。關鍵詞：隧道風井塔非靜力細網(wǎng)格邊界模式能量閉合隨機游動模擬風洞模擬一些具有必然形式和規(guī)模的建筑物（如鈍體型高樓大廈，城市地卜交通隧道排污氣的風井塔，核工程設施中的反映堆殼體等等）對其周圍地域的氣流散布有明顯的影響，所以由此而造成的局地空氣污染擴散也會由于建筑物所致的空氣動力學效應而具有獨特性.建筑物背風側存在一個尾流區(qū)，其主要特征為氣流速度的虧損和湍流活動加重，具有明顯非均勻性結構.迄今為止，通常采用在風洞和水槽中進行流體物理模擬實驗的途徑研究其流場和污染物擴散特征，并在此基礎上由經(jīng)驗方式成立修正的高斯模型，分析尾流區(qū)污染物的擴散[1].雖然高斯模型有必然的實用價值，但就湍流及其不均勻性的物理本質和分析精準性而言，卻是不可取的.于洪彬、蔣維楣(1996)在風洞實驗對風井塔尾流特征分析的基礎上，利用Halitsky(1977)[2]的擬合公式，進行修正后，取得塔后尾流區(qū)的流場和湍流場，以此作為隨機游動擴散模式的輸入場，取得塔后尾流區(qū)污染物的擴散散布[3].可是從提高模式的模擬精度而言，利用該模式所得的流場和濃度場還比較粗糙，與實際情形仍是有較大的出入.本文成立了一種能較為細致地分析建筑物尾流區(qū)氣流和污染物擴散特征的數(shù)值模擬系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)的流場模式采用細網(wǎng)格非靜力邊界層模式，閉合方案采用工程上實用的能量閉合方式(E-8閉合)，模擬系統(tǒng)的擴散模式采用隨機游動模擬方式.2模式采用三維非靜力邊界層模式模擬中性層結情形下建筑物尾流流場，其控制方程組，包括速度u、v、w預報方程和持續(xù)方程.閉合方案用E-8方式，即在上述方程中加入湍能和耗散率的預報方程和湍流互換系數(shù)的診斷方程[4]:⑴(2)(3)式中，E為湍流動能，￡為湍流耗散率，一些參數(shù)如，。E,。s,C1s,C2s,C^的取法是比較復雜的，本文中參考Rodi的取法[5],簡單地別離取為：，，，，，C3在中性情形下為和Kmz為水平和垂直方向的湍流互換系數(shù).由于模式的水平網(wǎng)格距和積分時刻步長都能取得很小(積分時刻步長為s,建筑物周圍的水平網(wǎng)格距為5m),所以該模式能以較高的時空分辨率細致模擬出建筑物尾流流場的散布特征.隨機游動模擬是通過施放大量標記粒子來實現(xiàn)的，粒子在流場中按平均風輸送，同時又用一系列隨機位移來模擬湍流擴散，粒子軌跡方程為：(4)式中，應為時刻步長，a=1,2,3,別離代表在x,y,z3個方向上的量.下標i,i+1別離代表前一時步和后一時步的量.湍流隨機脈動速度由MarkovChain關系取得：(5)這里Y\-a是方差為、均值為0的高斯型隨機數(shù)，由運算機自動產(chǎn)生."為速度方差.R\-a^t為自相關系數(shù)，取為通用的指數(shù)形式：(6)TLa為拉格朗日時刻尺度，取Hanna(1982)[6]的擬合公式：不穩(wěn)固層結：穩(wěn)固層結：中性層結：其中，Zi為混合層厚度，Z為垂直高度，f為科氏參數(shù)，u*為摩擦速度.3建筑物尾流特征模擬分析某大城市地下交通隧道排氣的風井塔的外形輪廓特殊，如圖1所示，主體呈圓柱形，高m，直徑m，排氣窗離地面一m，無煙氣抬升，具有m/s的水平出口速度主塔下方地面上有高度為m的附屬建筑物與主體聯(lián)成一體[7].由風洞實驗結果分析可知，在風塔排氣速度必然的情形下，當環(huán)境風速（源高處）大于m/s時，才會出現(xiàn)明顯的煙流下沉現(xiàn)象，而且按照現(xiàn)場實際觀測資料和研究問題的需要，咱們?nèi)★L塔上游無窮遠處的來流風速（源高處）為m/s和m/s兩種典型風速，并取工程上實用的指數(shù)律，冪指數(shù)按照現(xiàn)場實測在中性情形下為?模擬域的范圍為74HbX60HbX15Hb個網(wǎng)格范圍（Hb為風井塔的高度），水平網(wǎng)格采用在建筑物周圍用細網(wǎng)格，至邊界處格距逐漸增大的拉伸網(wǎng)格系統(tǒng).垂直網(wǎng)格從地面向上逐漸增大.邊界條件：地面采用無滑脫條件，采用固定的上邊界，建筑物表面采用Vn=0作為邊界條件，這里V\-n為建筑物表面法線方向的速度分量，處在建筑物內(nèi)的網(wǎng)格點上令速度為零.側邊界用固定流入、梯度輸出的形式.圖2給出源高處風速為m/s時風井塔尾流區(qū)流場的數(shù)值模擬結果.圖2（a）中虛線所圍區(qū)域為速度虧損大于1的區(qū)域，即此區(qū)域內(nèi)水平風速與來流向相反.由圖可見風塔的空氣動力學效應影響范圍在其下游延伸至34Hb，在塔后風速急劇減少，最大速度虧損出此刻塔后腔區(qū)內(nèi)，大小為117%.塔前塔后出現(xiàn)回流區(qū)，但塔后范圍較大.塔后回流區(qū)的大致范圍在離塔下游5—6Hb左右.湍流動能TKE的大值散布在速度切變圖1某城市地下交通隧道風并排放塔的輪廓Outlineoftheexhausttoweroftheundergroundtunnelinonecity圖2風井塔尾流區(qū)的流場散布(Hb為風井塔的高度)(a)風井塔軸線上水平風速u的垂直廓線(b)風井塔湍流動能TKE的等值線散布(m2/s2)Thedistributionofflowfieldinwakeareaofexhausttower(Hbistheheightoftheexhausttower)圖3風井塔尾流區(qū)地面軸線CO濃度散布圖COconcentrationalongtheground-surfacecenterlineinwakeareaofexhausttower這與風洞實驗［7］的結果大體吻合.下面咱們將利用能量閉合模式的輸出結果作為隨機游動模式的輸入場，來研究尾流區(qū)污染物的擴散規(guī)律和特征.圖4風井塔下游軸線上不同距離處CO濃度的垂直散布(a)模式計算結果(b)風洞示蹤擴散實驗的實測結果TheverticalprofileofrelativeCOconcentrationonthedifferentsitesofthedownstreamcenterlineoftheexhausttower極大值出現(xiàn)的位置與塔后腔區(qū)環(huán)流中心位置大體一致.尾流區(qū)污染物擴散特征模擬考慮到源的特殊排放形式(見圖1)，將源排放簡化成平均排放高度為50m的半圓弧線源，并將線源簡化成若干個點源的疊加，每一個點源施放的粒子具有相同的水平出口速度(Vs=m/s)，但其方向因點源位置的不同而不同.風塔實際的CO的排放速度為43725mg/s.為保證統(tǒng)計結果的穩(wěn)固性，模擬中施放20000個粒子，時刻步長取為△t二；假設粒子在邊界上為反反射.圖3為風塔下游地面軸線CO的濃度散布，相應的源高處的風速V/Vs=和.由圖3(a)可見，模擬系統(tǒng)的預測結果與風洞實驗的測量值吻合較好，最大濃度點的大小和位置與測量值較為一致.圖3(b)表明，模擬預測的最大濃度點的位置與風洞示蹤擴散實驗的結果較為吻合，但大小低估10%左右.圖4(a)所示隨機游動擴散模式預測風塔下游軸線上CO(相M)濃度的垂直散布，其中Cmax為該位置的最大濃度值，圖4(b)為風洞示蹤擴散實驗所測到的相應結果，由圖可見，近距離濃度散布大體仍呈高斯型，但出現(xiàn)最大值的高度逐漸降低，到離源距離X二，濃度散布已呈向下逐漸遞減型，然后煙流軸線緩慢抬升，直到X=10Hb處，也只抬升了14m高度.軸線濃度的垂直散布與風洞實驗吻合較好，充分反映了風井塔的空氣動力學效應.模式預測地面CO的濃度散布與風洞示蹤擴散實驗的結果也吻合較好.5小結本文成立了一套分析建筑物尾流和污染物擴散的數(shù)值模擬系統(tǒng)，對某城市地下交通隧道廢氣的風井塔的尾流流場和污染物濃度場進行數(shù)值模擬，并與風洞流體物理模擬實驗和示蹤擴散實驗的結果比較.研究結果表明：1.利用非靜力細網(wǎng)格能量閉合邊界層模式能較好地模擬出風井塔尾流的大體特征，取得的水平風速源不同的下風距離的垂直散布與風洞實驗實測到的結果大體吻合.2.當場面軸線污染物濃度散布而言，模擬系統(tǒng)所得的結果與風洞示蹤擴散實驗的結果較一致，濃度最大值的大小和出現(xiàn)距離較為一致.3.模擬所得的不同下游距離處(相對)濃度的垂直散布，與風洞實驗的結果較吻合，充分反映了建筑物的空氣動力學效應.參考文獻HuberAH.Windtunnelandgaussianplumemodelingofbuildingwakedispersion.AtmosphericEnvironment,1991,25A(7):1237—1249HalitskyJ.WakeanddispersionmodelsfortheEBR-IIbuildingcomplex.AtmosphericEnvironment,1977,11:577—596于洪彬，蔣維楣.廢氣排放塔尾流區(qū)隨機游動擴散模擬研究.空氣動力學學報，1996,14:349—354王衛(wèi)國等.山地露天礦自然通風風流與湍流結構的數(shù)值模擬.高原氣象，1996,15:464—471RodiWetal.Inturbulenceanddiffusioninstableenvironments.England:OxfordUniversityPress,1985HannaSR.In:Nieuwstadt