李云鹏，张俊芳，李若洁，李 煜，姚仁太

(中国辐射防护研究院，太原 030006)

污染物通过建筑物顶部通风管或烟囱进入大气环境中，建筑物形状、风速、温度层结等因素都会影响污染物流动和扩散规律。其中，温度层结是一个重要的因素，其会影响大气边界层的厚度、结构以及边界层内的风、温和湍流强度廓线[1]。根据我国已建和拟建核电厂址的气象观测数据，滨海核电厂址有32%～58%(根据ΔT～u分类法)的时间出现非中性大气层结，一些内陆核电厂址该比例高达63%～73%.因此，有必要研究温度层结对大气流动和污染物扩散的影响。

国外关于建筑物周围流场与污染物扩散研究大多是在中性层结条件下开展的，结果表明，建筑物尖锐边缘会导致污染物浓度降低[2]；建筑物顶部回流区污染物浓度随着烟囱高度或释放速率的升高而降低[3]。只有部分学者研究了温度层结对建筑物尾流区污染物扩散的影响。KOTHARI et al[4]，HIGSONE et al[5]以及MAVROIDIS et al[6]研究了不同温度层结条件下建筑物尾流区的污染物扩散。UEHARA et al[7]研究了温度层结对城市街区峡谷中污染物流动和扩散的影响。YASSIN et al[8]模拟了不同温度层结条件下对建筑物周围流场和污染物扩散的影响，但只研究了下风向1.5倍建筑物高度距离处的规律。MARUCCI et al[9]通过风洞在壁面加热的基础上研究了稳定边界层对二维街道峡谷中污染物流动与扩散的影响。在我国，一些学者已在中性层结下对建筑物或建筑物群周围的流场与污染物扩散问题开展相关研究[10-11]，结果表明，建筑物和建筑物群对污染物扩散的影响非常复杂，这种影响与建筑物几何形状、来流方向、烟囱高度以及边界层流动的性质和尺度密切相关。然而，这些研究均处于中性层结条件下。

本研究参照核电站主要建筑物，以方形建筑物为研究对象，围绕中性和稳定层结条件下建筑物周围流场与污染物扩散的风洞模拟展开研究，建立了稳定层结风洞模拟方法，摸索出稳定层结模拟技术，弥补了我国在温度层结条件下污染物大气扩散风洞模拟方面的欠缺，为今后深入开展不同温度层结条件下，复杂地形、复杂建筑物对流场和污染物扩散影响规律研究奠定基础。

1 风洞实验模拟

1.1 大气环境风洞及模型

实验在中国辐射防护研究院大气边界层1号风洞中进行，该风洞为直流下吹式。风洞洞体全长36 m，试验段长17 m，宽1.5 m，高1 m.试验段风速范围为0.2～20.0 m/s，通过在试验段入口调节尖劈、粗糙元分布和温度层结模拟系统模拟中性和非中性大气边界层流动。实验中选用模型长、宽、高(H)均为150 mm的立方体建筑物。

为模拟温度层结，风洞配有温度层结模拟系统，它可控制风洞内部气流温度变化，形成温度梯度，从而实现大气理查逊数和大气边界层的模拟。温度层结模拟系统主要由来流温度控制系统、温度车和下均温板三部分组成。来流温度控制系统能够使得进入风洞内部的气流处于同一温度，减少外部气流温度不均对实验的干扰，温度控制范围为4～10 ℃.温度车可以分层调节气流温度，温度调节范围为10～85 ℃，以模拟温度层结流动。下均温板可进行加热和冷却，温度调节范围是10～90 ℃，用来模拟水陆交界面的流动。

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。

中性大气边界层通过3个79 cm高的尖劈和两种粗糙元(7.5 cm×6 cm×4.5 cm和3 cm×3 cm×2 cm)生成，中性条件下风廓线幂指数为0.15，0.04 m高度处湍流强度为0.14，0.4 m高度处湍流强度为0.075.稳定层结条件下尖劈和粗糙元的排列与中性一致。实验中采用的实验参数详见表1.中性和稳定条件下的来流风速廓线、温度廓线、湍流强度廓线见图1.

表1 中性和稳定层结条件下主要参数Table 1 Main parameters under neutral and stable stratifications

图1 中性和稳定条件下的风速廓线、湍流强度廓线、温度廓线Fig.1 Velocity profile, turbulence intensity profile, and tem- perature profile under neutral and stable stratifications

1.3 流场与浓度测量

实验中，利用热线风速仪二维热丝探头(X型)与一维冷丝探头进行速度剖面、温度及湍流特性的测量，采样频率1 kHz，采样时长16 s.见图2，定量研究不同层结与建筑物对流动的影响。

图2 流场和温度场测量示意图Fig.2 Flow field and temperature field measurement diagram

本实验模拟污染源在立方体建筑物顶部，来流与建筑物迎风侧呈90°时污染物的扩散规律，污染源释放高度为165 mm(1.1H)，释放源内径4 mm，外径6 mm，污染源、建筑物与来流的相对关系见图3.选用CO为示踪气体，释放速率为建筑物高度处风速的85%，用同步自动化示踪采样测量系统分析样品CO浓度，采样时长为120 s.

图3 污染源、建筑物与来流的相对关系Fig.3 Relative relationship between pollution source, building and incoming flow

2 结果分析与比较

2.1 流场结果分析

本文主要研究中性与稳定层结下立方体建筑物周围流场与污染物扩散规律，分别在沿建筑物中心线x/H=1/3，1.0，2.0，3.0，4.0，6.0和8.0七个不同位置进行流场特征的研究。采用归一化速度消除不同模拟风速引起的建筑物对流场结构的影响差异。归一化纵向速度(u/vH)为局地纵向平均速度(u)与来流建筑物顶部纵向平均速度(vH)之比，归一化垂向速度(w/vH)为局地垂向平均速度(w)与来流建筑物顶部纵向平均速度(vH)之比。下风向不同距离处归一化纵向速度、归一化垂向速度、纵向湍流强度和垂向湍流强度比较结果见图4-图7.

图4、图5分别为中性和稳定层结条件下，下风向不同距离处归一化纵向和垂向速度廓线。由图4可知，纵向速度在建筑物背风向减小，当x/H=1/3时，在01时，随着下风向距离的增加，气流混合逐渐均匀，风速逐渐恢复到来流状态，但是大气处于稳定层结时，风速恢复相对较慢。由图5可知，垂直速度廓线清楚地反映了流体的流动。稳定层结条件下，在建筑物近场，即x/H<1，垂向速度在z/H<0.8变化不明显，略小于中性层结，在z/H>0.8的区域，稳定层结下的垂向速度小于中性层结。随着下风向距离的增加(x/H>1)，受建筑物扰动影响减弱，气流恢复来流状态。

图6、图7分别为中性和稳定层结条件下，下风向不同距离处纵向和垂向湍流强度廓线。可以看出，在烟囱附近的上部，即x/H=1/3，观察到纵向和垂向湍流强度的峰值，z/H=1.2附近处，中性和稳定条件下出现了最大湍流强度，最大纵向湍流强度分别为0.30和0.25，最大垂向湍流强度分别为0.13和0.10.在x/H<1时，垂向湍流强度和纵向湍流强度在00.8的区域内，当大气处于稳定层结时，垂向湍流强度和纵向湍流强度的变化显著低于中性层结。当x/H>1时，稳定层结下纵向湍流强度和垂向湍流强度均小于中性条件。主要原因是由于大气处于稳定层结时，垂直方向大气的温度梯度处于逆温状态，抑制了大气在垂直方向上的湍流运动，从而湍流强度减小，并且湍流强度的变化对流场与浓度场的影响较大。

图4 中性和稳定层结条件下，下风向不同距离处归一化纵向速度廓线Fig.4 Normalized longitudinal velocity profiles at different downwind distances under neutral and stable stratification

图5 中性和稳定层结条件下，下风向不同距离处归一化垂向速度廓线Fig.5 Normalized vertical velocity profiles at different downwind distances under neutral and stable stratification

图6 中性和稳定层结条件下，下风向不同距离处纵向湍流强度廓线Fig.6 Longitudinal turbulent intensity profile at different downwind distances under neutral and stable stratification

图7 中性和稳定层结条件下，下风向不同距离处垂向湍流强度廓线Fig.7 Vertical turbulence intensity profile at different downwind distances under neutral and stable stratifications

综合分析表明，建筑物对中性和稳定条件下流场的影响规律是一致的，都会引起建筑物背风向风速减小，湍流增大，随着下风向距离的增加，建筑物的影响减小，风速廓线、湍流强度趋近于来流状况。相比于中性层结，稳定层结条件下会造成建筑物背风向速度亏损增大，垂向湍流强度和纵向湍流强度减小。

2.2 浓度场结果分析

图8为中性和稳定层结条件下，下风向不同位置处中轴线上污染物扩散的归一化浓度垂直分布图。由图8可知，两种层结条件下，建筑物下风向均出现下洗现象，这主要是因为烟囱的排放速度低于自由流速度。靠近建筑物的位置(x/H=1/3)，中性和稳定条件下均在z/H=1.2高度处出现峰值，中性条件下最大归一化浓度达到7，稳定条件下归一化浓度达到11.随着下风向距离的增加，峰值出现的高度下降。在x/H<1.0时，近地面(z/H<0.8)受建筑物产生的机械湍流影响，中性和稳定条件下垂直方向下部归一化浓度并没有太大的差异，中部位置(0.81.0时，随着下风向距离的增加受建筑物产生的机械湍流影响逐渐减弱，层结产生的影响逐渐增加，垂直方向下部(z/H<0.8)稳定条件下的归一化浓度逐渐开始大于中性条件下的归一化浓度。

图8 中性和稳定层结条件下，下风向不同位置处归一化浓度随高度(z/H)的变化Fig.8 Normalized concentration profiles at different downwind distances under neutral and stable stratification

图9给出了中性和稳定层结条件下归一化浓度的垂直剖面图。从图中可以看出，两种条件下都出现下洗现象，稳定层结下垂直方向上的扩散范围相对中性要窄，在下风向较远的区域可以观测到较高的污染物浓度。

图9 中性和稳定层结条件下，归一化浓度垂直剖面等值线图Fig.9 Normalized concentration contour at the central plane under neutral and stable stratifications

图10给出了中性和稳定层结条件下，地面场归一化浓度等值线图，可以看出，相较中性而言，稳定层结地面污染物浓度较高，水平方向散布范围变窄。造成这一现象的主要原因是稳定层结抑制了垂直方向上的湍流混合以及湍流强度的减弱使得水平和垂直方向上的扩散范围较小。

图10 中性和稳定层结条件下，地面场归一化浓度等值线图Fig.10 Normalized concentration contour on the ground under neutral and stable stratifications

图11给出了中性和稳定层结条件下地面轴线归一化浓度随距离的变化。由图中可以看出，中性层结条件下最大归一化浓度出现在x/H=2/3处，K=0.52，稳定层结条件下最大归一化浓度出现在x/H=5处，K=0.85.相比中性层结条件下，稳定层结最大浓度出现的距离变远，稳定层结会使得轴线浓度升高，这正是由于稳定层结对烟羽垂直扩散的抑制造成的。

图11 中性和稳定层结条件下，地面轴线归一化浓度随距离的变化Fig.11 Ground-level normalized concentrations along the central axis under neutral and stable stratifications

3 结论

本文在大气边界层风洞中模拟了不同温度层结下建筑物周围流场与扩散规律，研究结果表明：

1) 纵向速度在建筑物背风向减小，当大气处于稳定层结时，速度亏损略大于中性层结条件。纵向和垂向湍流强度的最大值出现在靠近建筑物的位置(x/H=1/3，z/H=1.2)，稳定层结下的湍流强度峰值小于中性层结下。在建筑物近区(x/H<1.0)时，近地面(z/H<0.8)垂向和纵向湍流强度变化不大，随着下风向距离的增加，稳定层结下纵向和垂向湍流强度小于中性条件下。

2) 浓度的垂直分布清楚地表明建筑物下风向出现下洗现象，最大归一化浓度出现在x/H=1/3，z/H=1.2处，随着下风向距离的增加，浓度峰值出现高度下降，且相比于中性层结，稳定层结浓度峰值较大，出现高度较低。由于稳定层结抑制了垂直方向上的湍流混合以及湍流强度的减弱使得水平和垂直方向上的扩散范围较小，稳定层结下污染物在垂直方向上的扩散范围相对中性要窄，地面污染物浓度较高，污染物浓度最大值出现位置较远。中性和稳定层结下地面轴线污染物浓度最大的位置分别出现在x/H=2/3，x/H=5处，浓度值分别为K=0.52，K=0.85.