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1、建筑物尾流区气流与污染物扩散的数值计算摘要：采用了细网格非静力能量闭合边界层形式和随机游动模拟方法建立了一套分析建筑物尾流流场和污染物扩散的数值模拟系统.作为应用研究的例子，在对某城市地下交通隧道排废气的风井塔尾流区流场和浓度场进展风洞流体物理实验的根底上，利用所建的模拟系统对风井塔尾流区气流和污染物扩散特征进展研究.结果说明，所建的模拟系统的模拟结果与风洞试验的结果吻合较好，对一些小尺度带有明显湍流不均匀性的流场和局地空气污染物分布的情况有较好的模拟效果和良好的应用前景。关键词：隧道风井塔非静力细网格边界形式能量闭合随机游动模拟风洞模拟1引言一些具有一定形式和规模的建筑物(如钝体型高楼大厦，
2、城市地下交通隧道排污气的风井塔，核工程设施中的反响堆壳体等等)对其周围地区的气流分布有明显的影响，所以由此而造成的局地空气污染扩散也会由于建筑物所致的空气动力学效应而具有独特性.建筑物背风侧存在一个尾流区，其主要特征为气流速度的亏损和湍流活动加剧，具有明显非均匀性构造.迄今为止，通常采用在风洞和水槽中进展流体物理模拟实验的途径研究其流场和污染物扩散特征，并在此根底上由经历方法建立修正的高斯模型，分析尾流区污染物的扩散1.虽然高斯模型有一定的实用价值，但就湍流及其不均匀性的物理本质和分析准确性而言，却是不可取的.于洪彬、蒋维楣(1996)在风洞试验对风井塔尾流特征分析的根底上，使用Halitsk
3、y(1977)2的拟合公式，进展修正后，得到塔后尾流区的流场和湍流场，以此作为随机游动扩散形式的输入场，得到塔后尾流区污染物的扩散分布3.但是从进步形式的模拟精度而言，使用该形式所得的流场和浓度场还比拟粗糙，与实际情况还是有较大的出入.本文建立了一种能较为细致地分析建筑物尾流区气流和污染物扩散特征的数值模拟系统，模拟系统的流场形式采用细网格非静力边界层形式，闭合方案采用工程上实用的能量闭合方法(E闭合)，模拟系统的扩散形式采用随机游动模拟方法.2形式采用三维非静力边界层形式模拟中性层结情况下建筑物尾流流场，其控制方程组，包括速度u、v、预报方程和连续方程.闭合方案用E方法，即在上述方程中参加湍
4、能和耗散率的预报方程以及湍流交换系数的诊断方程4：(1)(2)(3)式中，E为湍流动能，为湍流耗散率，一些参数如，E，s,1s,2s,的取法是比拟复杂的，本文中参考Rdi的取法5，简单地分别取为：1.00，1.30，1.44，1.92，0.09，3在中性情况下为0.Kh和Kz为程度和垂直方向的湍流交换系数.由于形式的程度网格距和积分时间步长都能获得很小(积分时间步长为0.12s，建筑物附近的程度网格距为5)，所以该形式能以较高的时空分辨率细致模拟出建筑物尾流流场的分布特征.随机游动模拟是通过施放大量标记粒子来实现的，粒子在流场中按平均风输送，同时又用一系列随机位移来模拟湍流扩散，粒子轨迹方程为
5、：(4)式中，t为时间步长，a=1，2，3，分别代表在x,y,z3个方向上的量.下标i,i+1分别代表前一时步和后一时步的量.湍流随机脉动速度由arkvhain关系得到：(5)这里-a是方差为1.0、均值为0的高斯型随机数，由计算机自动产生.a为速度方差.R-at为自相关系数，取为通用的指数形式：(6)TLa为拉格朗日时间尺度，取Hanna(1982)6的拟合公式：A.不稳定层结：B.稳定层结：.中性层结：其中，Zi为混合层厚度，Z为垂直高度，f为科氏参数，u*为摩擦速度.3建筑物尾流特征模拟分析某大城市地下交通隧道排气的风井塔的外形轮廓特殊，如图1所示，主体呈圆柱形，高67.0，直径29.7
6、，排气窗离地面48.053.0，无烟气抬升，具有1.4/s的程度出口速度主塔下方地面上有高度为20.0的附属建筑物与主体联成一体7.由风洞实验结果分析可知，在风塔排气速度一定的情况下，当环境风速(源高处)大于2.6/s时，才会出现明显的烟流下沉现象，并且根据现场实际观测资料和研究问题的需要，我们取风塔上游无穷远处的来流风速(源高处)为3.2/s和6.2/s两种典型风速，并取工程上实用的指数律，幂指数根据现场实测在中性情况下为0.15.模拟域的范围为74Hb60Hb15Hb个网格范围(Hb为风井塔的高度)，程度网格采用在建筑物附近用细网格，至边界处格距逐渐增大的拉伸网格系统.垂直网格从地面向上逐
7、渐增大.边界条件：地面采用无滑脱条件，采用固定的上边界，建筑物外表采用Vn=0作为边界条件，这里V-n为建筑物外表法线方向的速度分量，处在建筑物内的网格点上令速度为零.侧边界用固定流入、梯度输出的形式.图2给出源高处风速为3.2/s时风井塔尾流区流场的数值模拟结果.图2(a)中虚线所围区域为速度亏损大于1的区域，即此区域内程度风速与来流向相反.由图可见风塔的空气动力学效应影响范围在其下游延伸至34Hb，在塔后风速急剧减少，最大速度亏损出如今塔后腔区内，大小为117%.塔前塔后出现回流区，但塔后范围较大.塔后回流区的大致范围在离塔下游56Hb左右.湍流动能TKE的大值分布在速度切变较大处，图1某
8、城市地下交通隧道风井排放塔的轮廓Fig.1utlineftheexhaustterftheundergrundtunnelinneity图2风井塔尾流区的流场分布(Hb为风井塔的高度)(a)风井塔轴线上程度风速u的垂直廓线(b)风井塔湍流动能TKE的等值线分布(2/s2)Fig.2Thedistributinfflfieldinakeareafexhaustter(HbisthehEightftheexhaustter)图3风井塔尾流区地面轴线浓度分布图Fig.3nentratinalngthegrund-surfaeenterlineinakeareafexhaustter这与风洞实验7的结
9、果根本吻合.下面我们将使用能量闭合形式的输出结果作为随机游动形式的输入场，来研究尾流区污染物的扩散规律和特征.图4风井塔下游轴线上不同间隔 处浓度的垂直分布(a)形式计算结果(b)风洞示踪扩散试验的实测结果Fig.4Thevertialprfilefrelativenentratinnthedifferentsitesfthednstreaenterlineftheexhaustter极大值出现的位置与塔后腔区环流中心位置根本一致.尾流区污染物扩散特征模拟考虑到源的特殊排放形式(见图1)，将源排放简化成平均排放高度为50的半圆弧线源，并将线源简化成假设干个点源的叠加，每个点源施放的粒子具有一样
10、的程度出口速度(Vs=1.4/s)，但其方向因点源位置的不同而不同.风塔实际的的排放速度为43725g/s.为保证统计结果的稳定性，模拟中施放20000个粒子，时间步长取为t=0.1Tl；假设粒子在边界上为反反射.图3为风塔下游地面轴线的浓度分布，相应的源高处的风速V/Vs=2.3和4.4.由图3(a)可见，模拟系统的预测结果与风洞试验的测量值吻合较好，最大浓度点的大小和位置与测量值较为一致.图3(b)说明，模拟预测的最大浓度点的位置与风洞示踪扩散试验的结果较为吻合，但大小低估10%左右.图4(a)所示随机游动扩散形式预测风塔下游轴线上(相对)浓度的垂直分布，其中ax为该位置的最大浓度值，图4
11、(b)为风洞示踪扩散试验所测到的相应结果，由图可见，近间隔 浓度分布根本仍呈高斯型，但出现最大值的高度逐渐降低，到离源间隔 X=4.0Hb，浓度分布已呈向下逐渐递减型，然后烟流轴线缓慢抬升，直到X=10Hb处，也只抬升了14高度.轴线浓度的垂直分布与风洞试验吻合较好，充分反映了风井塔的空气动力学效应.形式预测地面的浓度分布与风洞示踪扩散试验的结果也吻合较好.5小结本文建立了一套分析建筑物尾流和污染物扩散的数值模拟系统，对某城市地下交通隧道废气的风井塔的尾流流场和污染物浓度场进展数值模拟，并与风洞流体物理模拟试验和示踪扩散试验的结果比拟.研究结果说明：1.使用非静力细网格能量闭合边界层形式能较好
12、地模拟出风井塔尾流的根本特征，得到的程度风速源不同的下风间隔 的垂直分布与风洞试验实测到的结果根本吻合.2.就地面轴线污染物浓度分布而言，模拟系统所得的结果与风洞示踪扩散试验的结果较一致，浓度最大值的大小和出现间隔 较为一致.3.模拟所得的不同下游间隔 处(相对)浓度的垂直分布，与风洞试验的结果较吻合，充分反映了建筑物的空气动力学效应.参考文献1HuberAH.indtunnelandgaussianpluedelingfbuildingakedispersin.AtspheriEnvirnent,1991,25A(7):123712492HalitskyJ.akeanddispersinde
13、lsfrtheEBR-buildingplex.AtspheriEnvirnent,1977,11:5775963于洪彬，蒋维楣.废气排放塔尾流区随机游动扩散模拟研究.空气动力学学报，1996，14：3493544王卫国等.山地露天矿自然通风风流与湍流构造的数值模拟.高原气象，1996，15：4644715Rdietal.Inturbuleneanddiffusininstableenvirnents.England:xfrdUniversityPress,19856HannaSR.In:NieustadtFT,VanDpH,eds.Appliatinsinairpllutindelinginatspheritunbuleneandairpllutindeling,hapter7REidel,drdreht.1982.2753107蒋维楣等.局地废气排放污染影响的实验模拟.应用气象学报，1991，2：2348蒋维楣等.空气污染气象学教程.北京：气象出版社.1993.11
