【CAE案例】城市峽谷效應(yīng)下污染物傳輸流參數(shù)化方法的驗(yàn)證
01 研究背景
城市作為人類活動(dòng)高度集中(工業(yè)、交通以及居民的活動(dòng)等)的區(qū)域，會產(chǎn)生許多隨空氣漂流的污染物；同時(shí)，城市建筑規(guī)劃整齊劃一，高聳建筑會阻礙空氣在街道內(nèi)的流通。在街道風(fēng)的作用下，污染物隨著氣流在高樓之間上下徘徊，影響其彌散，這樣的效應(yīng)叫做城市峽谷效應(yīng)。
城市峽谷效應(yīng)會導(dǎo)致城市空氣質(zhì)量的下降，對居民的健康產(chǎn)生不利影響。為了研究城市內(nèi)空氣流動(dòng)以及污染物的濃度分布，學(xué)者常對城市建立仿真模型，并使用CFD進(jìn)行計(jì)算。但由于整個(gè)城市的規(guī)模過于龐大，使用CFD仿真對整個(gè)城市進(jìn)行計(jì)算是不現(xiàn)實(shí)的，因此研究人員一般使用簡化的交叉峽谷和公路的城市網(wǎng)絡(luò)模型（Model of Urban Network of Intersecting Canyons and Highways, MUNICH）來研究這種效應(yīng)的影響。
但考慮到城市的整齊性，基于街道尺度上的城市模型，對污染物的彌散特征進(jìn)行參數(shù)化表示，從而推廣到整座城市的污染物彌散特征，在計(jì)算成本上會優(yōu)于CFD。
為了驗(yàn)證基于MUNICH街道模型的參數(shù)化方法的準(zhǔn)確性，本文基于CFD仿真軟件對城市峽谷模型的風(fēng)場進(jìn)行計(jì)算，基于仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，分別得到縱向傳輸系數(shù)以及橫向風(fēng)速，并與MUNICH多個(gè)模型進(jìn)行對比。
02 模型建立
基于MUNICH模型，為了對某條城市峽谷進(jìn)行仿真計(jì)算，本文使用的計(jì)算模型為周期性的二維城市峽谷模型，其主要特征如圖所示：
該二維模型在Y方向長度為1m，其在Y方向上周期性分布，理論上等價(jià)于無限長的街道，并且該周期性分布能夠模擬不與x方向平行的風(fēng)向存在時(shí)的風(fēng)場情況。
在模型中，僅有建筑的高度H可變，而街道的寬度W和建筑的寬度B不變，均為27.5m。根據(jù)建筑的高度，將城市峽谷模型分為寬街道峽谷(WC)，中街道峽谷(IC)以及窄街道峽谷(NC)三種模型，其特征如表所示：
模型的網(wǎng)格為規(guī)整的六面體網(wǎng)格，在Y方向上僅有一層網(wǎng)格，而在X-Z平面上的網(wǎng)格大小為0.5m×0.5m。在建筑邊界面處，會注入示蹤粒子以模擬污染物的傳輸情況。
在計(jì)算設(shè)置上，本次計(jì)算使用RANS中的k-ε Linear Production湍流模型，對動(dòng)量U、湍動(dòng)能k以及耗散率ε進(jìn)行求解，直到流場進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。
在后處理中，沿著建筑邊界和街道對示蹤粒子濃度進(jìn)行平均處理，以接近MUNICH模型的各向同性假設(shè)。通過得到街道和背景處的粒子濃度，可以計(jì)算縱向傳輸?shù)南禂?shù)。通過對街道處的水平風(fēng)速沿著X方向平均處理，可以得到街道的平均風(fēng)速，最后將每個(gè)單元風(fēng)場速度與平均風(fēng)速進(jìn)行歸一化，以表征風(fēng)的在城市峽谷內(nèi)的衰減。
以上后處理結(jié)果用于與參數(shù)化方法進(jìn)行對比，而實(shí)際情況中的化學(xué)反應(yīng)影響以及建筑對污染物的沉積效應(yīng)不予考慮。
03 仿真結(jié)果
首先，經(jīng)過計(jì)算，將基于MUNICH的參數(shù)化方法求得的歸一化縱向傳輸系數(shù)與CFD仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如下圖所示：
為了研究風(fēng)的衰減系數(shù)與城市峽谷模型寬窄的關(guān)系，本文通過改變?nèi)肷浣铅眨O(shè)計(jì)了不同的峽谷風(fēng)向進(jìn)行計(jì)算，得到歸一化風(fēng)速的豎直方向分量UY(z)/UY(H)與高度H的變化關(guān)系如圖所示：
可以看出對于寬街道峽谷，風(fēng)的衰減對于峽谷的風(fēng)向并不敏感；而對于中街道峽谷和窄街道峽谷，風(fēng)的衰減對峽谷的風(fēng)向較敏感。
為了驗(yàn)證參數(shù)化方法，其計(jì)算得到的，不同街道模型下，衰減系數(shù)與入射角關(guān)系與CFD仿真結(jié)果對比如下圖所示：
在平行于建筑的峽谷風(fēng)影響下，風(fēng)的衰減系數(shù)與街道的高寬比的關(guān)系對比如下圖所示：
可以發(fā)現(xiàn)，隨著峽谷風(fēng)角度的增大，風(fēng)的衰減效果逐漸顯著；而在相同峽谷風(fēng)的影響下，街道峽谷越寬，風(fēng)的衰減效果越不顯著，這與CFD仿真計(jì)算結(jié)果相吻合。可以發(fā)現(xiàn)，該參數(shù)化模型的描述較為準(zhǔn)確。
最后，對于不同城市峽谷模型，在不同入射方向的峽谷風(fēng)作用下，其歸一化的街道水平風(fēng)速的變化如下圖所示：
可以發(fā)現(xiàn)，隨著峽谷風(fēng)的入射角度變大，街道風(fēng)的水平風(fēng)速會增大，該效果也隨著城市峽谷的寬度增大愈加明顯。比較結(jié)果中，僅有U_mw對應(yīng)的參數(shù)化方法與CFD仿真計(jì)算結(jié)果吻合。
最后，在不同入射角度下和不同街道峽谷模型下，歸一化風(fēng)速的豎直方向分量與高度的變化關(guān)系如下圖所示：
可發(fā)現(xiàn)僅有U_mw對應(yīng)的方法的計(jì)算結(jié)果與CFD仿真計(jì)算結(jié)果較為接近。
04 研究結(jié)論
CFD仿真可進(jìn)行簡單到復(fù)雜的大氣流場的仿真，進(jìn)而對空氣質(zhì)量以及污染物的擴(kuò)散進(jìn)行仿真和研究，其計(jì)算結(jié)果具有可信度。本文比較了不同MUNICH下的參數(shù)化方法，并與CFD仿真計(jì)算結(jié)果在風(fēng)速以及示蹤粒子濃度的分布情況上進(jìn)行對比，從而驗(yàn)證了參數(shù)化方法的可行性。
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