风向与建筑物偏移对交叉口内气流运动及污染物扩散的影响研究

发布时间：2020-08-04 09:35

【摘要】：机动车尾气排放已经成为我国甚至全世界大都市中空气污染的主要来源,深入研究交叉口内的气流运动和污染物扩散对预测空气质量等具有现实意义。本文采用CFD数值模拟和风洞实验相结合的方法,研究风向和建筑物偏移对交叉口内的气流运动和污染物扩散分布的影响。本文采用三维不可压缩流动的时均化N-S方程、可实现k-ε湍流模型(Realizable k-ε模型)和污染物对流扩散方程,构建起交叉口内气流运动和污染物扩散的三维数值仿真模型,并使用FLUENT软件进行计算,其模拟结果与德国汉堡大学环境风洞实验室的实验数据以及Sabatino等学者的数值模拟结果进行了对比分析,验证了模型的可靠性,并得到了相关模型参数。根据验证后的CFD模型,分别对七种不同来流风向(风向角θ=0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)和七种不同建筑物偏移量(△y=0 m、0.01 m、0.02 m、0.03 m、0.04 m、0.05 m、0.06 m)下的交叉口内气流运动和污染物扩散进行了模拟计算。结果表明:风向和偏移量对交叉口内的空气通量、空气交换率、流场分布和污染物浓度分布都具有显著影响。对于建筑物对称的十字交叉口,风向的影响规律如下:(1)交叉口四条街道内空气通量的变化和风向有着明显关系。街道一(风向角θ=0°时的上风向街道)的空气通量随着风向角θ的增加而降低;街道三(风向角θ=0°时的右侧向街道)的空气通量变化趋势基本和风向角θ的一致;街道二(风向角θ=0°时的左侧向街道)和街道四(风向角θ=0°时的下风向街道)的空气通量都是随着风向角θ的增加呈现先升高后降低的变化,在风向角θ=45°时空气通量最大。(2)交叉口中心位置的空气交换率与风向有着直接关系。当来流风向角θ=45°时交叉口中心位置处的空气交换率最大,最利于交叉口中心位置的污染物扩散;而风向角θ为0°和90°时中心位置处的空气交换率最低,不利于污染物的扩散。(3)风向的改变会导致交叉口四条街道内流场的变化,从而影响各街道内污染物的扩散。当来流风向角θ增加时,街道一内基本没有污染物的扩散;街道二内的污染物浓度先减小后增大,当风向角θ=45°时污染物浓度最小;街道三内的污染物浓度是随着风向角θ的增加不断增大;街道四内的则是一直减小,当风向角θ=90°时街道四内基本没有污染物的存在。对于风向角θ=0°时的交叉口,偏移量△y的影响规律如下:(1)偏移量△y的变化对上风向街道内的空气通量基本不产生影响;左侧向街道和右侧向街道内的空气通量基本随着偏移量△y的增加而增大;下风向街道内的则是先降低后升高。(2)随着偏移量△y的增加,交叉口中心位置处的空气交换率也逐渐增大,污染物浓度随之减少。当偏移量△y=0.06 m(本文最大偏移量)时,交叉口中心位置处的污染物扩散效果最好。(3)偏移量△y对上风向街道和下风向街道内的流场分布的影响很小,左侧向街道和右侧向街道内的流场变化受其影响比较大,右侧向街道内的流场变化表现比较明显。交叉口内的污染物浓度分布受流场改变的影响也发生变化。随着偏移量△y的增加,污染物由向下风向街道内扩散逐渐转向向右侧向街道内扩散,右侧向街道内的污染物浓度逐渐增大,但变化幅度逐渐减弱。本次风洞实验选用双线源污染物发放系统,针对五种不同风向(风向角θ=0°、30°、45°、60°、90°)和三种不同建筑物偏移量(△y=0 m、0.03 m、0.06 m)分别进行风洞实验,得到了每种工况下的污染物分布图案。对比分析数值模拟和风洞实验的污染物分布图案,发现数值模拟和风洞实验的结果定性一致,验证了数值模拟结果的正确,说明数值模拟具有可行性和可靠性。本研究的成果对于城市道路交叉口建筑布局、街道设置、城市交通规划以及环境监测中科学合理布设测试点位置等具有一定的参考意义。
【学位授予单位】：上海理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X51;X169
【图文】：

交叉口,数值模拟,形状,十字交叉口

街道交叉口是城市道路当中承载混合交通流的重要存在，通常是道路交问题最为集中的地方，和整个交通枢纽的正常运转息息相关[42]。街道交叉口中通污染物的对流扩散运动受到交叉口附近建筑物形状和高度、来流风向、交叉道路形式等条件的影响而愈加复杂[43]。由此可见针对街道交叉口内气流运动和染物扩散建立数学模型是具有重大现实意义的[44]。交叉口是由两条及两条以上街道交叉而成[45]。街道交叉口形状各异，特征各不相同。在 CFD 数值模拟过程中，通常根据街道交叉口的形状分为十字交叉口X 型交叉口、T 型交叉口、Y 型交叉口、多路型交叉口和环形交叉口等几种类型如图 2-1 所示。(a) 十字交叉口 (b) X 型交叉口 (c) T 型交叉口

分布情况,街道峡谷,风洞试验模型,测试段

结果做对比验证。1 德国汉堡大学风洞实验介绍物理实验在德国汉堡大学气象学院的环境风洞内进行。物理模型采用统例尺 1：200。在该街道交叉口风洞实验中，利用热膜风速仪在两个水平以及四个竖直采集流场数据，对街道交叉口处流场的分布情况进行了详尽的研究，并且些数据做出了街道交叉口处的流场分布图。.1 风洞实验装置如图 3-1 所示，该风洞由吸入喷嘴(收缩率为 16：1)、流动矫直装置、艾流发生器、流动形成段、测试段、防涡流装置和鼠笼式离心扇组成。该实装有一个电子半导体开关控制系统的 DC 发动机，可以使测试段的速度保15m/s 之间。边界层模拟系统的正下游是 7.5m 长的流动发展段，后面为高 1 1.5m、长 4m 的有效风洞工作测试段。

物理模型,单位,交叉口,建筑物

第三章交叉口内气流运动的 CFD 模型的验证与分析中空。对角的两个建筑物设计了等腰直角三角形式的斜顶，斜顶垂直高度为 0.03m。建筑物之间的四个街道的宽度均为0.06m，下风向的两个建筑物发生0.06m的偏移，形成有偏移不规则交叉口。整个风洞实验室高度约为 1 m，宽为 1.5m，测试段的长度为 4m。实验选择参照风速为 6m/s，雷诺数超过 3400，从而保证交叉口中的流动与粘性效应无关。风向沿着 x 轴的正方向，垂直于 y 轴。

【参考文献】