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随着机动车流量增加以及自然通风较差,城市街道峡谷内的空气污染长胡处于较高水平。行人和居民遭受着超过空气质量标准的空气污染。由于机动车数目还在不断增加,街道峡谷内空气污染研究已经成为环境研究的一个热点。为了缓解日益加重的交通压力。很多大城市修建了高架桥道路。在上海市,很多高架桥穿过街道,改变了街道峡谷内的空气流动行为,增加了街道峡谷内汽车尾气的排放量,可能引起了更为严重的污染。为此,本工作使用计算流体力学(computafional fluid dynamlcs-CFO)软件地FLUENT模拟计算高架桥对街道峡谷内风场以及颗粒物输运的影响,并结合实地测量某高架路段颗粒物数目浓度分布数据,研究了街道峡谷内粒子数浓度分布规律。
本论文使用基于Reynolds平均法的标准κ-ε模型计算街道峡谷内的风场,使用离散相模型(Discrete phase Model)计算颗粒物的输运,使用随机游走模型模拟风速的涨落。
利用计算流体力数值模拟,研究了三街道道谷高宽比H/W情况下高架桥对街道峡谷内颗粒物扩散的影响。建立了街道峡谷内机动车尾气中颗粒物扩散模型,并指定了模拟计算的边界条件,并计算了高架桥对风场及颗粒物扩散的影响。结果表明H/W越大,街道峡谷内颗粒物浓度越高,同时颗粒物平均滞留时间越长,相对于没有高架桥的街道峡谷,高架桥附近区域风场变化明显,而对建筑物墙壁、地面及峡谷顶层处影响较小。街道峡谷内存在高架桥时,在墙壁较低姓颗粒物浓度增加。
使用CFO模拟研究高架桥对H/W=1的街道峡谷内风场及颗粒物输运的影响。模拟计算了高架桥宽度以及所在高度不同的情况。结果表明,街道峡谷内风场明显受高架影响:主旋涡的中心位置改变,尤其是当高架桥在0.5H处时,街道峡谷向形成两个较强的漩涡。通过研究颗粒物平均数目浓度发现,在只有街道挂放源时高架桥在特定情况下会减轻高架内的污染程度。高架桥宽度对颗粒物浓度的影响大于高架桥所在高度的影响。当街道峡谷内存在高架桥时,上风向建筑墙壁处粒物浓度较无高架情况增大。对于H=W=20m的街道峡谷,颗粒物平均滞留时间在10分钟左右;高架桥宽度为0.8W,颗粒物平均滞留时间较小。计算结果表明,高架桥在研究街道峡谷污染物输运中是一个重要的影响因素。
对实地高架桥地区进行颗粒物数目浓度测量,发现1.5m高度处的颗粒物数目浓度最大,往高处时浓度有减小趋势。将实际街道按其几何参数进行简化建立二维模型,计算颗粒物的数目浓度分布,计算结果中颗粒物浓度最大值位置,以及沿墙壁垂直分布规律和实地测量结果较好的吻合。
论文研究结果可以为城市高架桥建设、道路交通污染管理制度制定、城市规划和建设管理决策提供科学理论依据。