【摘要】：機動車尾氣排放已經(jīng)成為我國甚至全世界大都市中空氣污染的主要來源,深入研究交叉口內(nèi)的氣流運動和污染物擴散對預(yù)測空氣質(zhì)量等具有現(xiàn)實意義。本文采用CFD數(shù)值模擬和風(fēng)洞實驗相結(jié)合的方法,研究風(fēng)向和建筑物偏移對交叉口內(nèi)的氣流運動和污染物擴散分布的影響。本文采用三維不可壓縮流動的時均化N-S方程、可實現(xiàn)k-ε湍流模型(Realizable k-ε模型)和污染物對流擴散方程,構(gòu)建起交叉口內(nèi)氣流運動和污染物擴散的三維數(shù)值仿真模型,并使用FLUENT軟件進(jìn)行計算,其模擬結(jié)果與德國漢堡大學(xué)環(huán)境風(fēng)洞實驗室的實驗數(shù)據(jù)以及Sabatino等學(xué)者的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析,驗證了模型的可靠性,并得到了相關(guān)模型參數(shù)。根據(jù)驗證后的CFD模型,分別對七種不同來流風(fēng)向(風(fēng)向角θ=0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)和七種不同建筑物偏移量(△y=0 m、0.01 m、0.02 m、0.03 m、0.04 m、0.05 m、0.06 m)下的交叉口內(nèi)氣流運動和污染物擴散進(jìn)行了模擬計算。結(jié)果表明:風(fēng)向和偏移量對交叉口內(nèi)的空氣通量、空氣交換率、流場分布和污染物濃度分布都具有顯著影響。對于建筑物對稱的十字交叉口,風(fēng)向的影響規(guī)律如下:(1)交叉口四條街道內(nèi)空氣通量的變化和風(fēng)向有著明顯關(guān)系。街道一(風(fēng)向角θ=0°時的上風(fēng)向街道)的空氣通量隨著風(fēng)向角θ的增加而降低;街道三(風(fēng)向角θ=0°時的右側(cè)向街道)的空氣通量變化趨勢基本和風(fēng)向角θ的一致;街道二(風(fēng)向角θ=0°時的左側(cè)向街道)和街道四(風(fēng)向角θ=0°時的下風(fēng)向街道)的空氣通量都是隨著風(fēng)向角θ的增加呈現(xiàn)先升高后降低的變化,在風(fēng)向角θ=45°時空氣通量最大。(2)交叉口中心位置的空氣交換率與風(fēng)向有著直接關(guān)系。當(dāng)來流風(fēng)向角θ=45°時交叉口中心位置處的空氣交換率最大,最利于交叉口中心位置的污染物擴散;而風(fēng)向角θ為0°和90°時中心位置處的空氣交換率最低,不利于污染物的擴散。(3)風(fēng)向的改變會導(dǎo)致交叉口四條街道內(nèi)流場的變化,從而影響各街道內(nèi)污染物的擴散。當(dāng)來流風(fēng)向角θ增加時,街道一內(nèi)基本沒有污染物的擴散;街道二內(nèi)的污染物濃度先減小后增大,當(dāng)風(fēng)向角θ=45°時污染物濃度最小;街道三內(nèi)的污染物濃度是隨著風(fēng)向角θ的增加不斷增大;街道四內(nèi)的則是一直減小,當(dāng)風(fēng)向角θ=90°時街道四內(nèi)基本沒有污染物的存在。對于風(fēng)向角θ=0°時的交叉口,偏移量△y的影響規(guī)律如下:(1)偏移量△y的變化對上風(fēng)向街道內(nèi)的空氣通量基本不產(chǎn)生影響;左側(cè)向街道和右側(cè)向街道內(nèi)的空氣通量基本隨著偏移量△y的增加而增大;下風(fēng)向街道內(nèi)的則是先降低后升高。(2)隨著偏移量△y的增加,交叉口中心位置處的空氣交換率也逐漸增大,污染物濃度隨之減少。當(dāng)偏移量△y=0.06 m(本文最大偏移量)時,交叉口中心位置處的污染物擴散效果最好。(3)偏移量△y對上風(fēng)向街道和下風(fēng)向街道內(nèi)的流場分布的影響很小,左側(cè)向街道和右側(cè)向街道內(nèi)的流場變化受其影響比較大,右側(cè)向街道內(nèi)的流場變化表現(xiàn)比較明顯。交叉口內(nèi)的污染物濃度分布受流場改變的影響也發(fā)生變化。隨著偏移量△y的增加,污染物由向下風(fēng)向街道內(nèi)擴散逐漸轉(zhuǎn)向向右側(cè)向街道內(nèi)擴散,右側(cè)向街道內(nèi)的污染物濃度逐漸增大,但變化幅度逐漸減弱。本次風(fēng)洞實驗選用雙線源污染物發(fā)放系統(tǒng),針對五種不同風(fēng)向(風(fēng)向角θ=0°、30°、45°、60°、90°)和三種不同建筑物偏移量(△y=0 m、0.03 m、0.06 m)分別進(jìn)行風(fēng)洞實驗,得到了每種工況下的污染物分布圖案。對比分析數(shù)值模擬和風(fēng)洞實驗的污染物分布圖案,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬和風(fēng)洞實驗的結(jié)果定性一致,驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確,說明數(shù)值模擬具有可行性和可靠性。本研究的成果對于城市道路交叉口建筑布局、街道設(shè)置、城市交通規(guī)劃以及環(huán)境監(jiān)測中科學(xué)合理布設(shè)測試點位置等具有一定的參考意義。
【學(xué)位授予單位】：上海理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X51;X169
【圖文】：

街道交叉口是城市道路當(dāng)中承載混合交通流的重要存在，通常是道路交問題最為集中的地方，和整個交通樞紐的正常運轉(zhuǎn)息息相關(guān)[42]。街道交叉口中通污染物的對流擴散運動受到交叉口附近建筑物形狀和高度、來流風(fēng)向、交叉道路形式等條件的影響而愈加復(fù)雜[43]。由此可見針對街道交叉口內(nèi)氣流運動和染物擴散建立數(shù)學(xué)模型是具有重大現(xiàn)實意義的[44]。交叉口是由兩條及兩條以上街道交叉而成[45]。街道交叉口形狀各異，特征各不相同。在 CFD 數(shù)值模擬過程中，通常根據(jù)街道交叉口的形狀分為十字交叉口X 型交叉口、T 型交叉口、Y 型交叉口、多路型交叉口和環(huán)形交叉口等幾種類型如圖 2-1 所示。(a) 十字交叉口 (b) X 型交叉口 (c) T 型交叉口

結(jié)果做對比驗證。1 德國漢堡大學(xué)風(fēng)洞實驗介紹物理實驗在德國漢堡大學(xué)氣象學(xué)院的環(huán)境風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行。物理模型采用統(tǒng)例尺 1：200。在該街道交叉口風(fēng)洞實驗中，利用熱膜風(fēng)速儀在兩個水平以及四個豎直采集流場數(shù)據(jù)，對街道交叉口處流場的分布情況進(jìn)行了詳盡的研究，并且些數(shù)據(jù)做出了街道交叉口處的流場分布圖。.1 風(fēng)洞實驗裝置如圖 3-1 所示，該風(fēng)洞由吸入噴嘴(收縮率為 16：1)、流動矯直裝置、艾流發(fā)生器、流動形成段、測試段、防渦流裝置和鼠籠式離心扇組成。該實裝有一個電子半導(dǎo)體開關(guān)控制系統(tǒng)的 DC 發(fā)動機，可以使測試段的速度保15m/s 之間。邊界層模擬系統(tǒng)的正下游是 7.5m 長的流動發(fā)展段，后面為高 1 1.5m、長 4m 的有效風(fēng)洞工作測試段。

第三章 交叉口內(nèi)氣流運動的 CFD 模型的驗證與分析中空。對角的兩個建筑物設(shè)計了等腰直角三角形式的斜頂，斜頂垂直高度為 0.03m。建筑物之間的四個街道的寬度均為0.06m，下風(fēng)向的兩個建筑物發(fā)生0.06m的偏移，形成有偏移不規(guī)則交叉口。整個風(fēng)洞實驗室高度約為 1 m，寬為 1.5m，測試段的長度為 4m。實驗選擇參照風(fēng)速為 6m/s，雷諾數(shù)超過 3400，從而保證交叉口中的流動與粘性效應(yīng)無關(guān)。風(fēng)向沿著 x 軸的正方向，垂直于 y 軸。

【參考文獻(xiàn)】

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1 周念清;楊一流;江思珉;;非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化方法求解地下水流數(shù)值模型[J];勘察科學(xué)技術(shù);2016年01期

2 朱志夏;;非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬[J];上海交通大學(xué)學(xué)報;2016年01期

3 齊賽;牛r

本文編號：2780367