《机动车尾气在街谷中分布规律及其对建筑环境的影响》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机动车尾气在街谷中分布规律及其对建筑环境的影响（142页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 博士学位论文博士学位论文 机动车尾气在街谷中分布规律 及其对建筑环境的影响 VEHICLE EXHAUST DISTRIBUTION IN STREET CANYONS AND ITS EFFECT ON BUILT ENVIRONMENT 柳柳 靖靖 哈尔滨工业大学 2009 年 6 月 国内图书分类号：TU834.5 学校代码：10213 国际图书分类号：624.08 密级：公开 工学博士学位论文 机动车尾气在街谷中分布规律 及其对建筑环境的影响 博 士 研究生：柳 靖 导 师：孙德兴教授 申 请 学 位：工学博士 学 科、专 业：供热、供燃气、通风及空调工程 所 在 单 位：市政环境工
2、程学院 答 辩 日 期：2009 年 6 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 Classified Index：TU834.5 U.D.C.：624.08 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering VEHICLE EXHAUST DISTRIBUTION IN STREET CANYONS AND ITS EFFECT ON BUILT ENVIRONMENT Candidate： Liu Jing Supervisor： Prof. Sun Dexing Academic Degree Applied for： Doctor of
3、Engineering Speciality： Heating, Gas Supplying, Ventilating Air-Conditioning Engineering Affiliation: School of Municipal and Environmental Engineering Date of Defense: June, 2009 Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology 摘 要 - I - 摘 要 随着汽车保有量的增加，在世界范围内，交通污染物排放引起的空气质量恶化已经成为困扰当今城市的
4、主要环境问题。机动车尾气的大量散发必然对街道周边建筑室内环境产生影响。因此，有必要对交通污染物的分布规律及其向室内环境的传递过程进行深入探讨。 本文以街道峡谷这一典型城市微尺度环境作为研究对象，围绕街道峡谷环境内交通污染物的扩散、分布规律及其对建筑环境影响这一主线，开展了如下工作。 本文首先利用风洞实验结果，通过二维街道峡谷内污染物扩散和三维建筑绕流两个算例，讨论了标准 k-模型、RNG k-模型、Realizable k-模型和RSM 模型四种常用 RANS 湍流模型在本文问题中的适用性。通过比较，认为RNG k-模型最为适于本文研究的问题。 采用 CFD 模拟方法，本文对空气动力因素和热力
5、因素对街道峡谷内气流结构及交通污染物分布特征的影响进行了讨论。 对街道峡谷几何结构、来流风向等空气动力因素的研究表明，如下几种街道峡谷布局有利于减少交通污染物在街谷人员停留区域内的驻留时间： （1）街谷高宽比小于 1.6； （2）街谷长宽比小于 3； （3）峡谷周边建筑呈下降型排布（即在气流运动方向上，建筑高度逐渐降低） 。同时，研究结果显示，在城市规划中应避免街道峡谷轴线与当地主导风向垂直。而街谷周边建筑采风口位置的选取主要受街谷长宽比的影响。当街谷长宽比大于 5 时，临街建筑将风口设置在背街侧可最大限度减小交通污染物对室内环境的影响；当街谷长宽比小于5 时，街道周边建筑则应将采风口设置在建
6、筑屋顶处。 在研究热力因素对街谷内气流运动及污染物浓度分布影响时，由于直接采用 CFD 模型进行风、温耦合计算，所需计算量过大，因此本文首先建立了一个计算量较小的街道峡谷热环境预测模型来预先获得街谷壁面温度。然后将其作为边界条件代入 CFD 模型，通过 CFD 模型计算街谷内温度、风速、污染物浓度的空间分布。通过这种方法可以在 CFD 模型计算中将街谷壁面温度与街谷内空气温度和气流运动解耦，从而极大地减小了计算量。 本文以热平衡原理及大气边界层理论为基础，建立了街道峡谷热环境预测模型。该模型综合考虑了对流换热、建筑对太阳辐射的遮挡、建筑表面与路面间的辐射与反射和人为散热对当地热环境的影响。在处
7、理对流换热因素时，与哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - II - 现有同类模型相比，本文模型采用三维模型而不是目前常用的一维模型计算街谷壁面处风速，从而提高了对流换热过程的计算精度。同时，模型中给出了街道峡谷内部与顶部大气边界层间传热阻力的计算公式，并通过经典的大气边界层动力学模型，实现了不同大气稳定度下街道峡谷与大气近地层间的热量交换模拟。 通过哈尔滨市某街道峡谷的实地测量，对模型预测结果进行了验证。与实测结果的对比表明，本文模型可以较好的预测街道峡谷壁面温度，从而为热浮力作用下街谷风环境及污染物扩散模拟打下了基础。由于本文模型较 CFD 模型在运算所需时间上具有明显的优势，因此也可以用于城
8、市热环境的长期动态分析。 通过上述模型与 CFD 模型的联合计算，本文讨论了街道峡谷顶部风速为2m/s 和 1m/s 两种情况下，夏季典型日内热浮力作用对街道峡谷内气流运动及污染物分布特征的影响。计算结果显示，当街道峡谷顶部风速较小时，热浮力作用对街道峡谷换气率、街谷内气流结构及交通污染物分布均有显著影响。研究结果同时显示，目前多数数值模拟及风洞实验研究中仅考虑某一单独壁面（如路面或迎风面） 受热的简化处理方法不能真实反映实际街谷内热浮力作用对气流运动及污染物分布的影响。 最后，为了研究室外交通污染物对临街建筑室内环境的影响，本文提出了以街道峡谷热环境预测模型、室外 CFD 模型、室内多区网络
9、模型为基础的模拟方法。与文献中现有研究方法相比，该方法补充考虑了自然对流引起的热浮力作用、建筑表面压力和污染物浓度空间分布、热压作用引起的室内外气体交换等因素，较好地解决了室内外空气品质同步模拟问题。应用该方法，本文讨论了非孤立等高街谷中在不同街道峡谷高宽比、环境风速、风向情况下室外污染物向室内扩散的规律。 关键词：街道峡谷；交通污染物；热浮力作用；数值模拟；室内空气品质 Abstract - III - Abstract With the rapid increase of vehicle population, deterioration of air quality caused by
10、the emission of traffic-related pollutant becomes the main environment problem in large cities. The great deal of pollutant emitted from vehicles must influence indoor environment of buildings around streets. Hence, it is necessary to investigate the distribution of traffic-related pollutants and it
11、s transfer process into i space of buildings. In this paper, the street canyon, a typical urban microscale environment, was chosen as the research object. A series of works had been carried out around the dispersion of traffic-related pollutant in street canyons and its effect on built environment.
12、Firstly, four commonly used turbulent models based on Reynolds averaged NavierStokes equation (RANS) approach, including standard k-model, RNG k-, Realizable k-and RSM model, was evaluated using two numerical examples. One numerical example focused on the pollutant dispersion in a two-dimensional st
13、reet canyon and the other focused on air flow around a single cube building. The calculation precision of each model was validated using two extensive experimental databases obtained from the atmospheric boundary layer wind tunnel. And among the studied turbulence models, the RNG k- turbulence model
14、 was found to be the most optimum turbulence model to investigate problems in this paper. Secondly, the effects of aerodynamic and thermal factors on air flow structure and pollutant dispersion in street canyons were investigated using CFD technology. The research about street canyon configuration a
15、nd wind direction showed that following types of street canyon layout were propitious to reduce residence time of traffic-related pollutant in people stay zone: (1) street canyon aspect rate was lower than 1.6; (2) street canyon length to width ratio was lower than 3; (3) the street canyon was belon
16、ged to step-up canyons (the down-wind building was higher than the up-wind building). Moreover, axis of street canyons should be avoided to be vertical to the local main wind direction. The optimum location of air intakes was mainly affected by canyon length to width ratio. If the canyon length to width ratio was higher than 5, air intakes should be located on the back faade of buildings. 哈尔滨工
