背风壁面热流对开窗建筑颗粒传播的影响

张甫仁,何潇楠,李 娜,陶嘉祥,朱世保

(1.重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆400074；2.重庆市地勘局南江水文地质工程地质队，重庆 401147)

背风壁面热流对开窗建筑颗粒传播的影响

张甫仁1,何潇楠1,李 娜1,陶嘉祥2,朱世保2

(1.重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆400074；2.重庆市地勘局南江水文地质工程地质队，重庆 401147)

以汽车尾气释放的细微颗粒作为污染物研究对象，选取某住宅小区为背景建立了相应的物理模型。以三维湍流模型为基础，采用CFD软件在不同背风壁面热流密度情况下，对不同风速、不同风向工况下的开窗建筑周围流场进行了数值模拟计算，分析了不同情况下颗粒浓度分布的规律。结果表明：背风壁面有热流的开窗建筑，偏向风更有利于建筑街区内部的颗粒污染物随风向建筑外侧的运输；风速对不同位置处的颗粒的稀释作用是有一定临界值的，超过临界值则会阻碍颗粒物的传播；背风壁面热流所形成的热效应对流场以及污染物的影响视风速大小不同而有所差异，对于较小风速，颗粒污染物的传播主要受热泳力的驱动，而较大风速时，风场则起着主导作用。

环境工程；背风壁面，热流密度，热泳力，数值模拟

0 引 言

近年我国东部部分地区经常性出现灰霾天，造成灰霾天的元凶则是空气中的细微颗粒物聚集。相关研究显示颗粒物质的浓度与儿童肺功能下降、城市居民死亡率等的关联性比较高[1-5]。在此背景下，颗粒污染物如何在建筑周围传播受到越来越多的关注。

已有相当多的学者[6-8]对建筑空间(包括街谷与建筑群)中风场对污染物扩散、温度场对污染物扩散以及室内外颗粒物污染特性等规律进行了研究，且在对风场的研究中还考虑到了建筑物模型。但是这些研究中都将建筑物简化为了封闭的长方体，鲜有针对建筑壁面存在通风口(门或窗口)时不同热流密度、风速情况下室外颗粒污染物在建筑周围传播规律的研究，笔者将针对这一问题展开讨论和研究。

1 物理模型

笔者选取了对称分布的住宅小区作为研究对象。由于该住宅小区呈对称分布，为适用计算机的内存容量，建立了物理模型，如图1。

图1 住宅小区物理模型Fig.1 Physical model of residential area

图1中，计算模型的坐标系中X=0位于前栋建筑的横向中心，Y=0位于地面，Z=0位于前栋建筑迎风面。方形建筑尺寸为45 m×15 m×15 m(长×宽×高)，建筑之间街谷的宽度为20m。计算流域的尺寸如图2。每栋建筑都布置有15个开窗房间，房间尺寸为3 m×15 m×3 m，建筑两侧的窗口面积相等，建筑立面开窗房间示意如图3。根据已有的研究结果[9]，冬季建筑壁面的热流密度很小，只考虑壁面自身散热情况，可设定热流密度为0；春秋两季壁面热流密度稍高，不可忽略，可取值为40 W/m2；而夏季太阳辐射最强，壁面热流也最高，可取70 W/m2。因此在不同壁面热流(0，40，70 W/m2)和不同风速(1，1.9，2.5 m/s)情况下分析热效应对室外颗粒污染物向室内传播规律的影响。考虑到热流密度会对流体密度产生影响，笔者采用Boussinesq假设，对密度仅仅考虑动量方程中与质量有关的项，其余各项中的密度亦作为常数。

图2 计算区域(单位：m)Fig.2 Calculation area

图3 建筑立面开窗房间示意(单位：m)Fig.3 Schematic of window opening room in building facade

2 数值模型

笔者研究颗粒污染物在大气介质中的传播过程，属于两相流研究。综合来看，研究两相流的方法，目前存在3种：欧拉-欧拉、欧拉-拉格朗日、拉格朗日-拉格朗日法等。笔者将采用欧拉-拉格朗日方法，将气体设定为连续相，颗粒设定为离散相，来研究建筑空间中颗粒污染物的传播特性。

2.1 连续相模型(标准k-ε模型)

标准k-ε模型的基础是涡黏模型，并且有别于代数模式，其在涡黏系数中增加了部分历史效应。通过这种方法考虑涡黏系数和湍动能及湍动能耗散的关系，采用量纲分析的方法，可以将涡粘系数写作：

(1)

式中：Cμ是无量纲系数。

2.2 离散相(DPM)模型

Fluent中的离散相模型假定第二相(分散相)非常稀薄，因而颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分散对连续相的影响均未加以考虑。这样就能模拟分散相质量流率不小于连续相的流动[10]。

对于稳态离散相的设定求解的过程一般如下：

1) 求解连续相流场；

2) 创建离散相喷射源(射流源)；

3) 求解耦合流动；

4) 用Plot或Report图形界面跟踪离散相。

对于非稳态离散相的设定、求解的过程如下：

1) 创建离散相喷射入口；

2) 初始化流场；

3) 设定求解的时间步数和时间步长。

2.3 边界条件的设定

文中颗粒源为1m宽的面源，位于街谷中央，颗粒源的质量流量为3g/s，由于颗粒污染物选取室外PM2.5，因此颗粒粒径选取2.5，1.0，0.1μm等3种，颗粒密度1 550kg/m3。采用数值方法模拟计算的边界条件设置如下：

连续相边界条件：连续相数学模型选用适用范围广、计算精度高的标准k-ε模型(双方程模型)。对整个计算域来说，入口采用UDF根据风速随高度变化曲线编写的速度廓线，其中地面粗糙度m=0.237 5,并设置为速度入口。出口和计算域上部截面采用压力出口，计算区域前后侧面采用对称边界，所有建筑壁面以及地面采用无滑移边界条件。求解器选择定常压力求解器。

离散相边界条件：壁面对称面均为反射边界条件，并且恢复系数均为1.0，速度入口、压力出口均采用逃逸边界条件。粒子追踪选择非定常追踪。

3 模拟计算结果及分析

3.1 对建筑周围流场分布的影响

对比分析不同风速、不同建筑背风侧壁面热流情况下，Y=3.4m截面的流场分布情况。

图4是壁面无热流情况不同风速流场。从图4中可以看出，3种风速情况下，其流场分布类似。建筑街谷内部以及建筑两侧都有涡流产生，并且越靠近建筑横向边缘所形成的漩涡越明显。在通风室内，流经房间的风的速度很小，风速为1m/s的情况不足0.4m/s，风速为1.9m/s的情况不足0.5m/s，风速为2.5m/s的情况不足0.8m/s。只在迎风侧建筑的背风室内，由于建筑街谷顺时针涡流以及室内自身存在的涡流共同作用，其流过的风速稍高。随风速增加，建筑周围流场扰动加强，街谷内部涡流也随之更加靠近背风侧建筑，通风室内房间的气流速度也有所增加。

图4 壁面无热流情况不同风速流场Fig.4 Flow field diagram at different wind speed of case without heat flux

图5是壁面热流为40 W/m2情况不同风速流场。在Y=3.4 m截面上，通过观察可以发现，风速为1 m/s时，街区两侧无明显的涡流，反而内部受热羽流的影响只在靠近迎风侧建筑背风面附近形成较小的漩涡。随风速增加，街区两侧会形成两个明显的主漩涡。并且其分布情况与图4(b)相似，不同的是，由于迎风侧建筑的背风面有一定的热流密度，在水平方向上存在温度梯度，高温区域流体膨胀，区域流体收缩，这样就产生了较强的气流交换，增加了流体之间的扰动，进而使建筑街谷内部的空气流速增大，速度大于0.5 m/s的流场区域扩大。

图5 壁面热流为40 W/m2情况不同风速流场Fig.5 Flow field diagram at different wind speed of case with heat flux of 40 W/m2

图6是壁面热流为70 W/m2情况不同风速流场。风速为1 m/s时，热羽流与街区内以及外部的对流交换增强，致使高速区集中在靠近建筑中心面处的位置，并且形成两个明显的涡流，出现分流的现象。随风速增大，在风速为1.9以及2.5 m/s时，分流现象消失，只在两侧有涡流形成。

图6 壁面热流为70 W/m2情况不同风速流场Fig.6 Flow field diagram at different wind speed of case with heat flux of 70 W/m2

综合比较4～图6，从每一截面高度处的流场分布都可以看出，壁面热流密度一定时，风速越大，建筑街谷以及通风室内的流场扰动越强，在通风室内产生的气流速度也越大。风速一定时，背风壁面热流密度对建筑周围流场的影响视风速大小而有所差异。较小风速时，背风壁面受热形成的热羽流对风场影响明显，随热流密度增加，建筑街区内部的涡流很明显地向中心面靠近，并出现分流的趋势，通风房间室内的风速也有所增加。较大风速时，壁面热流密度对流场的影响不再明显，各壁面热流密度时的流场分布相似，只在街区内部流速稍高的区域有所增加。

3.2 对建筑周围颗粒物浓度分布的影响

背风壁面热流不同情况下形成的流场分布,会直接影响到建筑街谷内细微颗粒在室内和室外的扩散传播。为了研究不同季节其规律，笔者对不同风速、建筑壁面热流情况下，建筑周围颗粒物浓度的分布情况(颗粒物浓度为在标准状态下气体每单位体积含尘重量数)进行了研究。选取的研究剖面为Y=3.4，8.2，13.0 m这3种带有开窗的典型剖面。

图7是壁面无热流情况不同风速颗粒浓度分布。观察Y=3.4 m截面上的3幅图可以看出，在建筑横向的两侧边缘均有涡流产生，并且街谷内部的污染源对迎风侧建筑通风室内几乎没影响，只对背风侧建筑有通风的房间造成污染。屋顶风速较小的情况，污染物形成的涡流在两栋建筑的中间位置，并且在迎风侧建筑背风面的位置浓度较高，随风速增加，正X方向上的涡流向背风侧建筑移动，负X方向上的涡流向迎风侧建筑移动。风速为1 m/s时由于建筑两侧有绕流，颗粒主要随流场直接从建筑两侧向前传播，对室内污染程度较低，而建筑中部风速较低，进入室内的颗粒也比较少。然而，风速为1.9 m/s时建筑周围整体风速较高，横向两侧虽有绕流，但因流经室内的风速稍高，并且与街谷内部的涡流共同作用，致使颗粒污染物进入室内，对室内空气造成污染，建筑中部也由于风压的作用，只能从室内通过，因此也有一定程度的污染，只是较边缘建筑污染程度稍低。当风速达到2.5 m/s时，背风建筑通风房间的受到污染的范围有所扩张，并且建筑横向两侧颗粒的浓度有所降低，相反，街区中部颗粒浓度反而比风速为1.9 m/s时有所增加。再观察Y=8.2 m截面上不同风速情况的颗粒浓度分布，依然是边缘区域浓度较高，中间位置浓度较低，但相比与Y=3.4 m截面上不同风速下的颗粒浓度，颗粒已经有向中间部位聚拢的趋势。Y=13 m截面上不同风速情况下的颗粒浓度与Y=8.2 m的情况相似，其规律具有一致性。

图7 壁面无热流情况不同风速颗粒浓度分布Fig.7 Particle concentration diagram at different wind speed of case without heat flux

图8是壁面热流为40 W/m2情况下不同风速颗粒浓度分布。每一高度截面上3种风速情况的颗粒浓度分布差别较大，这主要是因为风速较低时，建筑壁面受热形成的热羽流的影响显著，颗粒的运动主要受热泳力的驱动，从温度较高的区域向温度较低的区域移动，因此背风壁面处的颗粒浓度较高，向街区内部传播的速度较慢。而风速较高时，热泳力作用不如风场作用明显，颗粒传播主要随风场运动，因此整体来看传播到街区内部的颗粒浓度要高一些。

图8 壁面热流为40 W/m2不同风速颗粒浓度分布Fig.8 Particle concentration diagram at different wind speed of case with heat flux of 40 W/m2

图9是壁面热流为70 W/m2情况不同风速颗粒浓度分布。分别观察Y=3.4，8.2，13.0 m剖面上的浓度分布，不同风速情况下其颗粒浓度分布与图8相应情况下的相似，但是由于背风壁面热流更大，因此颗粒的热泳现象更加显著。3种风速情况下进入背风建筑通风房间的颗粒浓度都比低壁面热流密度的情况稍高，建筑街区内部停留的颗粒也相对减少。

图9 壁面热流为70 W/m2不同风速颗粒浓度分布Fig.9 Particle concentration diagram at different wind speed of case with heat flux of 70 W/m2

综合比较图7～图9，建筑街区内部的污染物主要对背风建筑横向两侧的通风房间造成污染。背风壁面无热流时，随风速增加，建筑街区内部的涡流逐渐从中间位置向两侧靠近建筑的方向移动，并且对背风建筑的污染区域逐渐从横向两侧向中间部位扩张，颗粒浓度也有所增加：当风速增加到一定程度时，街区横向两侧颗粒污染物浓度降低，颗粒向街区中部聚集，浓度增加。背风壁面有热流时，较低风速情况下，颗粒的传播主要受热羽流而产生的热泳力的驱动，从温度较高的区域向温度较低的区域移动，风场的作用相对较小。随背风壁面热流密度增加，颗粒热泳作用加剧，颗粒从迎风侧建筑背风面向背风侧建筑的扩散速度增加，致使街区内部颗粒分布稀疏，有利于街区污染物的扩散；而进入背风侧建筑通风室内的浓度增大，使对背风侧建筑的污染加重。而较高风速情况下，热泳力的影响较弱，颗粒传播主要受风场的作用，随空气流动而扩散，同时受热泳力的辅助影响，随壁面热流增加，街区内部的颗粒较容易被稀释，而背风侧建筑横向两侧通风房间的污染程度增加。

4 结 论

1)从流场分布来看，对于一定背风壁面热流的风场，随风速增加，其风场流动性增强。对于一定风速的风场，背风壁面热流对流场的影响视风速大小而不同，较低风速时，随背风壁面热流增加，风场流动性增强，流向通风室内的风速也有所增加。较高风速时，其热效应对流场的影响则不明显。

2)从颗粒浓度分布来看，一定的背风壁面热流时，随风速增加，颗粒随风运动向背风侧建筑的速度加快，使背风侧建筑通风房间容易受到污染；但对于街区内部的颗粒污染物来说，当风速增加到一定范围时，其对边缘区域的污染物稀释作用明显，对中部的污染物稀释有阻碍作用。低风速情况下，颗粒污染物的传播主要受热效应的影响。在热泳力的驱动下，颗粒从温度较高的区域向温度较低的区域运动，对背风侧建筑通风房间造成污染。壁面热流越大，颗粒向背风建筑的运动越剧烈，受污染程度也越大。而高风速情况下，颗粒污染物的传播过程中流场的影响起主导作用，热效应起辅助影响作用。

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The Effect of the Leeward Wall Heat Flux on the Particle Concentration Distribution of the Buildings

ZHANG Furen1, HE Xiaonan1, LI Na1,TAO Jiaxiang2, ZHU Shibao2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China; 2.Nanjiang Hydrogeological and Engineering Geological Party，Chongqing 401147，P.R.China)

A physical model was established by choosing some residential area as example to study the pollutant of fine particles existing in vehicle exhaust gas. Based on three-dimensional turbulant model and by use of CFD software, air flow field surrounding window-opened building under such conditions of different leeward wall surface heat flow density, under different wind velocity and different wind loading cases was simulated and calculated by numerical model.The law of the particle concentration distribution under different situations was analyzed. The results show that for the window-opened building with its leeward wall surface with heat flow, yaw wind facilitates more in transporting the particle pollutants along with the wind from interior of building street to outside the building area. A certain critical value exists for wind effect in diluting particles at different locations and any exceeding of the critical value will block the spreading of the particles. The thermal effect field formed by leeward wall surface heat flux and impact on pollutants vary depending on wind speeds. In case of smaller wind speed, the spreading of particle pollutants primarily is driven by thermophoretic force, while for greater wind speed, the wind field dominats.

environment engineering; leeward; heat flux density; thermophoretic force; numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.21

2015-07-01；

2016-01-12

张甫仁(1975—)，男，四川南充人，教授，博士后，主要从事暖通与热能领域方面的研究。E-mail:zh_feixue@163.com。

X502

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1674-0696(2016)05-103-07