三维城市建筑布局下街谷风环境与污染物扩散的研究

发布时间：2020-08-21 07:31

【摘要】：近些年,随着我国经济技术的飞速发展与城市化进程的加快,我国机动车保有量持续上升,机动车数量的增长虽给人民带来很多便捷,但其排放的尾气污染物已成为城市街区空气污染的重要源头。同时,城市建设用地日趋紧张,建筑群的密度迅速增加,街道道路两侧鳞次栉比的高大建筑物与街道形成众多“街道峡谷”,严重影响了街区尾气污染物的扩散稀释,使得污染物在街道内聚集,对过往行人的身体健康危害严重。因此,研究城市街道峡谷中的风环境与污染物扩散规律,对于改善城市街区空气环境,提高城市居民的生活品质至关重要。本文采用CFD数值模拟技术对三维城市建筑布局下,微尺度范围内的街谷风环境与污染物扩散进行分析,模拟过程选取标准-k?模型和组分输送模型,首先分析建筑布局和建筑相对高度两种单一影响因素对街区空气环境的影响,然后进一步分析某段城市复杂建筑格局下街区空气环境。结论如下:首先,三种城市建筑布局中,对称式布局流经建筑群周围的气流比较均匀,交错式布局中气流受建筑阻碍作用更明显,在街谷内扰流非常明显;受布局的影响,街谷上游有阻挡建筑时污染物主要聚集在街谷背风面和中心面之间,上游无阻挡建筑时污染物主要聚集在街谷迎风面和中心面之间;在街谷一内流速大小满足(布局I布局II布局III)的趋势,而街谷二内近似满足(布局II布局III布局I)的趋势。街谷一内浓度大小满足(布局III布局I布局II)的趋势,而街谷二内近似满足(布局II布局III布局I)的趋势。街谷内污染物浓度分布受流速大小和涡流结构双重因素的的影响;每种布局在街谷二中污染物平均浓度均大于街谷一,同一布局不同街谷内污染物存在差异。其次,四种上下游建筑高度有差异的街谷中,受临街建筑与上下游建筑高度的影响,不同类型目标街谷内的漩涡结构和流速大小存在一定的差别,对目标街谷内的污染物浓度扩散分布产生影响,其中凹字形街谷会有污染物扩散到上游街谷,而其它三种类型街谷内污染物未对上游街谷造成影响,污染物仅会扩散到下游街谷;每种街谷统计范围内,凹字型街谷内气流速度最小,上升型和凸字型街谷内气流速度基本最大。对于每个街谷内的污染物浓度,凸字型街谷内的污染物浓度最高,下降型污染物浓度最低;四种类型街谷中,下降型街谷最有利于污染物扩散。最后,对于较为复杂的城市街谷类型中,风向由正北流入时,针对所分析的不同典型高度平面,污染物沿高度方向依次呈现连续的线状→线状+部分团状→团状→断裂的团状等形式。通过控制建筑的连续界面引导街谷内的气流横向绕流,或在临街上游设置合适的开敞空间,以增加来流通风廊道,可有效改变街谷中污染物扩散情况;西北风下,4条主干道中气流发生了很大变化,在近地面1.6m和10m处,在支路内的平行气流转变成更为明显的绕流气流,在主干道中污染物在居中的位置大量聚集。在20m和30m的高度平面,上游开敞空间的增大,增大了来流气流的迎风面积,使得污染物整体向街区建筑群东南侧扩散;来流风向不同时每条街道中污染物停留时间不同,风向改变对每条街道内的污染物浓度分布影响不同,每段街谷中的污染物扩散不是孤立单独的系统,而是相互关联的有机整体。
【学位授予单位】：吉林建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X734.2;X51
【图文】：

街谷,有害物,流动图,汽车尾气

城市化进程的加快同时带动了交通机动化的迅猛发展，人民对道路交通工具的需求量大幅度上升。2018 年上半年，全国机动车消费水平继续保持高位，驾驶人数量仍呈高速增长态势，截至同年 6 月底，全国机动车保有量已至 3.19亿辆[1]。据相关数据表明：我国机动车保有量在 2050 年将达到 10 亿辆，届时机动车保有量将等同于目前全世界的机动车保有量[2]。机动车数量的上升虽然给居民出行带来了很大的便利，但是其尾气排放不可避免的成为了城市空气环境污染的主要源头。目前，我国空气污染的模式已从过去常规的烟煤型污染逐渐发展成尾气排放的化石能源污染[3]，持续上升的尾气污染物对居民身体健康和城市大气环境产生了较大影响。另一方面，城市化进程的加快使得建设用地的规模逐渐增大，道路两旁的临街建筑大量增高、增多，使得城市街道布局复杂多变，形成了众多纵横分布的街道峡谷。街道峡谷[4]不仅是城市下垫面非常重要的组成成分，也是目前城镇居民频繁出入的的场所，流经街道峡谷的气流风速会显著降低，严重影响了街区汽车尾气污染物的传输和扩散稀释情况，见图 1-1，危及过往行人的健康。

街道峡谷,垂直剖面图,街谷,漩涡

图 1-2 街道峡谷典型的垂直剖面图Fig.1-2 Typical vertical section of street canyon究现状谷内建筑物的空间结构决定街谷内的风环境与污染物扩条件和计算水平的限制，通常把实际模型简化为二维对境进行研究。一般而言，街谷高宽比（H/A）是影响其内散的关键影响因素。Oke[11]在来流风垂直于街谷走向，将A）下内的气流流动形态分为三种：独立粗糙流（Isolat干扰流（Wake Interference Flow）、掠流（Skimming F见图 1-3。当街道峡谷较宽时（H/A<0.3），在街谷的迎一个互不影响的漩涡，形成独立粗糙流；当街道峡谷两<H/A<0.7），街道峡谷内的气流漩涡出现相互影响，在稳定漩涡，并对迎风面附近的尾流产生干扰，形成尾干更小时（H/A>0.7），街谷内形成一个稳定的气流漩涡，

街谷,气流场,高宽比,涡流强度

吉林建筑大学工程硕士学位论文谷中会出现两个反向漩涡[12-13]，并随着高宽比的增加逐渐形成三个漩涡以至于更多的漩涡，并且街谷在顶部区域涡流强度形成最大值区域[14-15]，并沿着高度垂直向下涡流强度逐渐下降，在街谷底部涡流强度达到最小值，街谷中污染物难以向外扩散稀释，并在街谷中逐渐堆积。

【参考文献】