郭栋鹏，闫 函，姚仁太，肖雪夫，范 丹

(1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.太原科技大学环境科学与工程系，太原 030024；3.山西省环境科学研究院，太原 030027；4.中国辐射防护研究院，太原 030006)

0 引言

建筑物周围的流动通常决定污染物的扩散特征，特别是城市区域以及复杂建筑物群之间流动的相互作用，使污染物进入大气中时，扩散受近场尾流中复杂、不稳定的流动控制，造成地面浓度显著不同于没有建筑物存在时的结果［1-2］。

近年来，一些预测模型与诊断模型已经发展用来估算简单建筑物周围与城市建筑物群周围的流动与污染物的扩散，然而，这些模型均不能理想地模拟小尺度范围内建筑物周围的流场结构与污染物的扩散规律［3］。关于小尺度范围内建筑物对弥散的影响，过去通常使用风洞模拟试验对其进行定性的研究，并且风洞试验是公认的有效的模拟方法，然而该方法仅能给出有限点的污染物弥散规律，而且该方法通常受到相似准则的限制，因此，风洞试验对精确地估算建筑物周围大气弥散还是有一定困难，特别是当建筑物结构比较复杂时。

随着计算流体力学(CFD)模拟技术的不断发展，CFD技术已逐渐用于预测各种建筑物环境下大气污染物的扩散规律，CFD数值模拟技术通常不受相似准则等条件的限制，并且CFD可以给出整个模拟区域内流场结构与污染物的扩散规律。LEITL等人［1］分别用风洞试验与CFD技术研究了U型建筑物对污染物迁移与扩散的影响，研究结果表明，CFD技术模拟结果与风洞试验结果吻合性较好。Gousseau等人［4］用CFD技术模拟了城市街区复杂建筑物群对污染物弥散的影响，并用相应的风洞试验对其模拟结果进行验证，结果表明，CFD技术模拟结果与风洞试验结果吻合较好，并且研究表明CFD能较好地模拟建筑物群对流动与扩散的影响。Dejoan等人［5］用CFD技术模拟了与MUST(Mock Urban Setting Test)现场试验相同建筑物群对周围流动与扩散的影响，并用该现场试验结果对CFD模拟结果验证，结果表明，CFD技术模拟结果与现场试验结果较好地吻合。在我国，一些研究者采用CFD技术研究了建筑物对流动与污染物扩散的影响［6-7］，并用相应的风洞试验结果进行验证［8］，而对复杂建筑物群对流动与污染物扩散的影响尚缺乏相关的研究。

本研究针对某一特定几何形状建筑物(A)上方有若干个通风管排放情形(通风管排放废气)，通过开展风洞模拟试验与CFD数值模拟探讨分析其周围新建一较高建筑物(B)对建筑物A周围流动与扩散的影响，模拟城市街区建筑物结构见图1。建筑物B高度为38m左右，东距建筑物A很近，最近处仅为12.26m。建筑物A高度为24m，建筑物A顶有化学实验室排放废气的通风管200余个，在建筑物A的东部和南部还分布着许多家属楼。

图1 模拟城市街区主要建筑物结构Fig.1 The main buildings of street canyons for simulation

分别采用风洞试验与CFD技术软件STAR-CD提供的k-ε(RNG：Renormalization group)模型，对某城市地区来流与建筑物B正面垂直情况下，拟建建筑物B前后对周围流场及其对附近A建筑物顶部污染源所排污染物扩散规律的影响进行研究，并用风洞试验结果对CFD数值模拟结果进行验证。通过研究，一方面可以满足解决实际问题的需要；另一方面，便于我们进一步认识和揭示建筑物近场流动和扩散规律，有助于我们今后开发和改进回流空腔区和尾流区污染物迁移的预测模式［2］。

1 风洞试验模拟

1.1 大气环境风洞及模型

试验在中国辐射防护研究院大气边界层风洞试验室进行，风洞为直流吹式，洞体全长36m，试验段长24m，宽1.5m，高1～1.4m，试验段顶板可调，以减小纵向压力梯度。试验段风速范围为0.2～9m/s。通过在试验段入口调节气流分布模拟中性大气边界层流动。试验以1∶200制作模型，风洞试验模型见图2(a)。

1.2 相似准则

根据相似理论，两个流动系统相似必须满足一套确定的相似准则，除要求模型与原型之间实现几何相似外，还要求运动相似和动力相似以及边界条件相似。

本项试验中，运动相似取上游风廓线指数和近地层大气湍流强度相似的判据，动力相似取雷诺数自准相似准则，即使得进入模型区气流的特征湍流雷诺数足够高。这样，在一定试验风速条件下，可确保试验模型和现场原型气流之间实现动力学相似［9］。

图2 风洞试验和数值模拟模型Fig.2 Wind tunnel model and numerical simulation model

试验中，进口气流满足以下条件：近地层平均风廓线幂指数P=0.28；试验段50mm高度处为2.4m/s的来流风速(对应于现场10m高处2.4m/s的年平均风速)；建筑物A(H=120mm)顶部处气流特征雷诺数Re=19200，实现雷诺数自准。通过调整试验段入口处的速度车和试验段底板阵列布置的粗糙元，调节来流速度廓线和湍流强度分布，近地面50mm高度湍流强度约为0.25，500mm高度湍流强度约为0.07左右(现场近地面附近10m高度湍流强度大于0.2，高空100m处湍流强度约为0.08左右)，风洞试验段入口风廓线、湍流强度廓线见图3。

1.3 测量技术

利用热线风速仪二维探头(X型)进行速度测量，X型热线探头由两根长度为1.25mm、直径5μm的镀铂钨丝交叉布置构成，测量输出电压信号经A/D卡信号采集处理，可确定平均速度分量U和W以及脉动速度分量的方差和协方差。示踪扩散试验选用C2H4作为示踪气体，排放源在建筑物A的顶部，排气没有动力抬升，为了较好地模拟其污染物的排放，将建筑物A的顶部做成一个空腔气室，在气室的顶部各开若干个小孔(直径φ=2mm)，将示踪气体导入空腔气室，适当地控制排气流量，源强为500ml/min，用气相色谱仪分析样品浓度。

图3 风洞试验与数值模拟来流廓线Fig.3 Normalized velocity and turbulent intensity profiles of numerical simulation and wind tunnel experiment

2 数值模拟

使用STAR-CD3.26作为计算平台，为了与风洞试验结果比较，数值模拟的计算区域设为24m×1.5m×1.0m(长×宽×高)，模型构筑物见图2(b)，网格结构采用具有良好拓扑结构的六面体网格，计算区域网格总数约为600万，区域内最大网格尺寸为20mm，最小网格尺寸为1mm。模拟过程边界层入口边界条件风廓线、湍流廓线、模型顶部处风速以及污染源排放条件均与风洞试验相同，入口风廓线、湍流强度廓线见图3。出口边界条件采用完全发展的出流边界条件，地面设置一定的粗糙度，顶部与两侧边界设为光滑，建筑物边界采用无滑移壁面。本次计算不考虑热量交换，即中性层结。

考虑到模拟的建筑物群附近流动属于锐体绕流，其流动具有分离、回流等复杂特征。标准k-ε湍流模型不能准确地模拟锐体绕流的复杂流动特征，而k-ε(RNG)湍流模型能够较好地模拟锐体的绕流问题［6］，所以本文选用 k-ε(RNG)模型封闭 N-S 方程进行计算，该模型的基本方程组由连续方程、动量方程组成，不直接求解瞬时的N-S方程，而是引入了关于湍动能k和耗散率ε的方程，两方程采用各向同性的湍动粘度来计算湍流应力。

(1)质量守恒方程

(2)动量守恒方程

(3)k-ε(RNG)湍流模型方程

式中：fx、fy、fz为运动阻力；p 为环境大气压力；ρ为环境大气密度；k为湍流动能；ε为湍流耗散率；μt为湍流粘性；Sij为平均应变率张量；PT为湍流应力；PB为浮力应力。湍流模型常数值见表1。

表1 湍流模型常数Table 1 Turbulence model constants

3 结果分析与比较

3.1 建筑物群对流场的影响

分别采用CFD技术与风洞试验研究了有、无建筑物B时，建筑物群对流场结构的影响。此处仅呈现建筑物B存在的情况下的流场结构特征。为比较方便，CFD数值模拟与风洞试验选择相同测点进行比较，测点的位置见图4。CFD技术模拟与风洞试验研究建筑物群对其周围流场影响的归一化速度比较结果见图5。不同位置处湍流强度变化的CFD数值模拟与风洞试验比较结果见图6。

图4 数值模拟与风洞试验测点位置Fig.4 Measurement points location in numerical simulation and wind tunnel experiment

图5 数值模拟与风洞试验归一化速度比较结果Fig.5 Dependence of normalized velocity profiles for numerical simulation and wind tunnel experiment on height

图6 数值模拟与风洞试验湍流强度比较结果Fig.6 Dependence of turbulent intensity profiles for numerical simulation and wind tunnel experiment on height

由图5、图6可知，k-ε(RNG)模型能较好地模拟建筑物群对流场的影响，并且与风洞试验结果吻合，均表现为由于建筑物的影响使建筑物顶上、回流区范围内速度减小，从建筑物顶开始的下风向，在近尾流区(包括回流区)风速显著减小，湍流强度显著增大，湍流强度较大的区域主要出现在回流区附近。在下风向0.5H(H3)处湍流强度增大到0.6左右，同时湍流动能也达到最大，此时速度亏损达到最大，随着下风距离的增大，气流混合逐渐均匀，湍流强度逐渐减小。

图7为有、无建筑物B情况下，建筑物群对流场结构的影响，由图7可见，建筑物B存在时对近场气流分布的影响明显大于无建筑物B时的情形，表现为受影响范围增大，显著的特征是由于建筑物的存在，使得建筑物下风向速度明显减小、速度亏损明显增大。在建筑物B背风侧会出现较大范围小风速区域，主要是该区域内空腔和尾流的存在造成的。气流的侧向绕行，导致建筑物B外侧出现较高风速值。但是随下风距离的增大，两者均逐渐恢复到接近来流状态。

3.2 建筑物群对浓度场的影响

流场决定污染物浓度分布，浓度分布反应了流场的特征［8］。本次风洞试验在有、无建筑物B的情况下，分别对其下风向不同距离地面浓度场进行测量，图8为风洞试验地面采样点分布图。CFD数值模拟过程同样选择有、无建筑物B的情况下，建筑物群对污染物扩散的影响进行模拟。

为了验证k-ε(RNG)模型对污染物扩散模拟的合理性，引入了统计学上吻合因子(FAC：factor)、归一化均方误差(NMSE：the normalized mean squareerror)与部分偏差(FB：fractional bias)对相同位置处CFD技术模拟结果与风洞试验测量结果进行统计分析［10］，为方便比较，本文采用归一化浓度计算不同位置处浓度值K=进行相互验证分析，其中C*为下风向不同距离处的体积浓度值，U为环境风速，Q为源强(烟羽的体积排放速率)。

图7 建筑物群周围流场结构模拟结果Fig.7 The simulation results of flow field structure around the buildings

图8 风洞试验地面浓度采样点分布Fig.8 Measurement points location of ground concentration in wind tunnel experiment

其中：

式中，Kn为数值模拟不同点的归一化浓度值；Km为风洞试验不同点的归一化浓度值；K¯n为数值模拟所有测点归一化浓度的平均值；K¯m为风洞试验所有测点归一化浓度的平均值；K为风洞试验与数值模拟所有测点归一化浓度差的平均值。

由模拟结果与试验测量结果之比的分布函数表征模拟和试验数据之间的吻合程度。如果比值总数的50%集中在1/a～a之间，就说吻合因子为a，一般情况下，a取2或5，即FAC2(或FAC5)≥50%，同时NMSE＜4，|FB|＜0.3认为模拟结果与试验结果吻合性较好［10］。

有、无建筑物B情况下，排放源下风向不同距离处归一化地面浓度的CFD模拟与风洞试验吻合因子比较结果见图9，表2为CFD数值模拟与风洞试验结果地面归一化浓度的统计学分析。

表2 数值模拟与风洞试验地面浓度统计学分析Table 2 Validation metrics for the normalized concentration of numerical simulation and wind tunnel results

由图9可知，无论有、无建筑物B，CFD模拟结果与风洞试验结果的吻合因子均在1/5～5的范围内，无建筑物B时，污染物会在建筑物A中间积聚形成高浓度区，风洞试验最大浓度主要分布在C7采样点附近(见图8)，最大浓度为7.83×10-3m-2，CFD数值模拟最大浓度为8.16×10-3m-2，同样在C7采样点附近。当建筑物B存在时，由于建筑物尾流高湍流度的影响，较大程度地稀释空气浓度，表现为污染物在y方向散布增大，地面浓度减小。高浓度区仍出现在建筑物A中间，风洞试验地面浓度最大值为1.06×10-3m-2，出现在C5采样点附近，该值约为没有建筑物B时的最大浓度的0.14；数值模拟最大浓度为2.06×10-3m-2，同样出现在C5采样点附近，该值约为没有建筑物B时的最大浓度的0.25倍。综合分析表明，CFD数值模拟结果对建筑物后方浓度的模拟结果均高于试验值，但是随着下风方向距离的增加，计算值与试验值逐渐接近，主要是因为CFD技术中所有模型均较高的估算了建筑物后方的回流［8，11］。

图9 有、无建筑物 B情况下，风洞试验与CFD模拟结果归一化比较Fig.9 CFD validation of normalized concentrations with B building and without B building

由CFD数值模拟与风洞试验结果可知，由于建筑物B的存在，背风侧尾流区风速明显减小、湍流强度显著增大，以及由于建筑物下风向尾流、空腔区的作用，使得建筑物A顶部排放的污染物向上抬升，并向建筑物A的上风向夹卷，在两个建筑物之间形成局部高浓度区，而在没有建筑物B存在时在建筑物A迎风侧观测的污染物浓度为零。当建筑物B存在时，可以观测到污染物被夹卷输送到建筑物B的顶部(C2)和迎风侧地面(C1)。

由表2可知，有、无建筑物B的情况下，FAC2与FAC5均大于50%，NMSE均小于4，|FB|均小于0.3，即从统计学上分析，CFD技术能较好的模拟复杂建筑物群对流动与扩散的影响。

为了进一步说明，建筑物群对流动与污染物扩散的影响，同时进行了PIV流动显示研究。用液体石蜡油雾发生器产生的油雾从模型通风口排放，利用激光照射烟流，由照相机记录获得烟流弥散形状照片。图10分别给出了其中一个有、无建筑物B时风洞试验的烟流显示对比结果。

图10 风洞试验烟流显示结果Fig.10 Flow visualization of wind tunnel experiments with B building and without B building

由图10可知，建筑物B的存在，污染物烟羽明显向建筑物A上风向输送，使得建筑物A顶部排放的污染物向上抬升，并向建筑物A的上风向夹卷，在两个建筑物之间形成局部高浓度区，并且在建筑物A下游形成了一个较大的高浓度区。该结果支持了本研究风洞测量结果与数值模拟结果。在烟流显示试验中，发现在建筑物背风侧，烟羽混合并不是完全均匀，试验中观测到烟羽涡流中的低浓度区域，但有时烟羽的积聚较为严重。此外，建筑物近场尾流中，烟羽分布状况随时间变化较为显著。在没有建筑物B存在时，建筑物A迎风侧没有观测到污染物的聚集，建筑物A下游污染物浓度相对较低。

总之，风洞试验烟羽流显结果表明，建筑物B下风向尾流区的作用使得污染物向排放源上风向夹卷，在两个建筑物之间形成一个高浓度区，在建筑物A下游形成了一个较大的高浓度区。

4 结论

通过风洞模拟试验与CFD数值模拟相结合，研究了复杂建筑物群对流动与扩散的影响，分析了某拟建建筑物B对原有建筑物A顶部排放污染物所产生的地面浓度的影响。从统计学上分析了CFD数值模拟结果与风洞试验结果的吻合性，分析结果表明，CFD数值模拟结果与风洞试验结果的吻合较好，变化趋势基本一致。

CFD数值模拟与风洞试验结果均表现为，建筑物对污染物弥散的影响表现出非均匀、非定常等特征；当建筑物B不存在时，污染物的最大浓度值分别约为建筑物B存在时的0.25倍与0.14倍，有、无建筑物B的情况下，FAC2与FAC5均大于50%，NMSE均小于4，|FB|均小于0.3。烟流显示试验中观测到烟羽涡流中的低浓度区域，但有时烟羽的积聚较为严重。下一步的研究重点是验证各种湍流模型对复杂建筑物群对流动与扩散影响模拟的有效性，以及不同风向条件下，各种湍流模型模拟结果的合理性。

综合分析表明，对于复杂建筑物群对周围流动与污染物扩散影响的模拟，采用风洞试验和CFD数值模拟技术相结合的方法是一种较为有效的途径，特别是当建筑物结构比较复杂时，数值模拟技术更加能显现出其对流场和污染扩散模拟的优点，并且风洞试验可以为数值模拟提供充足、有效的检验资料。

［1］ LEITL M B，KLEIN PK，RAU M.Concentration and flow distributions in the vicinity of U-shaped buildings：Windtunnel and computational data［J］.Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1997，67＆68：745-755.

［2］ 姚仁太，乔清党，俞学曾，等.复杂建筑物近场扩散的风洞模拟［J］.辐射防护通讯，2002，22(3)：1-6.

［3］ MURAKAMI S.Comparison of various turbulence models applied to a bluff body［J］.Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1993，46/47：21-36.

［4］ GOUSSEAU P，BLOCKEN B，STATHOPOULOS T，et al.CFD simulation of near-field pollutant dispersion on a highresolution grid：a case study by LES and RANS for a building group in downtown montreal［J］.Atmospheric Environment，2011，45：428-438.

［5］ DEJOAN A，SANTIAGOJL，MARTILLI A，et al.Comparison between large-eddy simulation and Reynolds-averaged navier-stokes computations for the MUST field experiment，Part II：Effects of incident wind angle deviation on the mean flow and plume dispersion［J］.Boundary Layer Meteorology，2010，135：133-150.

［6］ 张宁，蒋维楣.建筑物对大气污染物扩散影响的大涡模拟［J］.大气科学，2006，30：212-220.

［7］ 蒋维楣，苗世光，刘红年，等.城市街区污染散布的数值模拟与风洞实验的比较分析［J］.环境科学学报，2003，23：652-656.

［8］ 郭栋鹏，姚仁太，乔清党.建筑物对污染物扩散影响的数值与风洞模拟研究［J］.实验流体力学，2010，24(6)：10-21.

［9］ 蒋维楣，吴小鸣，周朝辅，等.大气环境物理模拟［M］.南京：南京大学出版社，1991.

［10］ EFTHIMIOU G C，BARTZIS J G，KOUTSOURAKIS N.Modelling concentration fluctuations and individual exposure in complex urban environments［J］.Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2011，99：349-356.

［11］ LI W，MERONEY R N.Gas dispersion near a cubical model building，Part I：Meanconcentration measure-ments［J］.Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1983，12：5-33.