[摘 要]随着城市车辆的增加和道路拥堵现象的人日益严峻，汽车尾气成为城市污染源中的重要组成部分。城市中的建筑尤其是临近主干道建筑小区的环境质量也明显降低，所以研究建筑小区内汽车尾气污染物的扩散状况具有重要的现实意义。本文以某建筑小区为模型，用数值模拟的方法模拟了建筑小区在冬季环境常态风速条件下的流场和受道路高峰时期汽车尾气污染物中CO的浓度场。结果发现：汽车尾气污染物CO的浓度的扩散与小区内空气速度以及速度变化有关，距离污染物越近且污染源位于迎风处空气流速突然减小地方的污染物浓度越高，建筑小区内部风速越大的地方污染物浓度就越低，风速越高越有助于污染物较快的扩散和稀释。
[关键词]建筑小区;数值模拟;汽车尾气;CO
[中图分类号]X169 [文献标识码]A
1 引言
随着社会的不断进步和城市化的快速发展，高层建筑成为城市的主要标志，高层建筑小区一般紧邻城市主干道，汽车尾气成为小区内主要污染源之一，而汽车尾气中CO占较大比重，因此对建筑周围的环境尤其是汽车尾气污染物CO的扩散规律的研究迫在眉睫。对典型城镇建筑小区内的流场的研究，到建筑小区流场与建筑小区污染物浓度场的相互关系及影响机理，探索建筑周围污染物浓度流动及扩散规律，对建筑的整体规划、绿建设，提高居民生活质量以及实现城市合理发展都具有十分重要的意义。
数值模拟方法在现实中应用非常广泛，该方法较实际测量方法优点是耗费人力物力较少，能对不同的环境条件得出较为精确的分析，国内外对建筑区的污染分析有很多，Chang模拟了台湾某建筑物在自然通风条件下室内的污染物扩散的情况，分析了影响室内污染物浓度场分布的因素。王建辉利用数值模拟的方法对高层住宅的外表面的平均风压系数的分布规律特性进行了系统的研究，得到了建筑外形结构和来流风向的不同可以影响到无量纲浓度的波动特性。同时，无量纲浓度的波动特性更受到建筑的开窗效果影响。王丽明通过数值模拟对建大花园小区进行了冬夏季不同的风速场、压力场的数值模拟，得到了建大花园设计布局的合理性。因小区内建筑格局不同以及不同地区不同的环境条件，小区内空气流场以及污染物的扩散规律不同，故本文以济南某建筑小区为模型，用CFD模拟的方法模拟分析该建筑
小区在冬季环境常态风速条件下，早晚高峰期间主干道汽车污染物对小区内的影响，为该小区后期项目建设及小区环境的优化提供理论指导。
2 数值模拟
2.1 物理模型
模拟研究用小区建筑作为研究对象，小区位置平面图如图1所示，小区紧靠城市道路主干道，污染物主要来自于城市主干道，小区为两排8栋建筑物。模拟简化模型如图2所示，其中楼房高度31.5m，取长度500m，宽度300m以及五倍楼高150m的空气区域作为研究对象。
2.2 数学模型
2.2.1 控制方程
以小区内空气以及城市主干道汽车尾气中较容易扩散的CO气体为污染源作为研究对象，因近地面空气流动为湍流形式，因此以下各守恒方程均适用于本研究中的模拟。
图1 小区平面图
图2 物理模型
连续性方程：
（1）
动量方程：
（2）
式中u为动力粘性系数，-为雷诺应力。
扩散方程是用来描述污染物在大气中传输、扩散过程的数学表达式，可以用下式所示：
（3）
式中，ci表示第i种污染物的浓度，Di表示大气中气体的扩散系数，Ri表示污染物的化学反应的变化速率，Si表示污染物源项，u、v、w分别表示各个方向的分速度。
2.2.2 初始条件和边界条件
空气边界层的流动由于受到地势高低、建筑、绿化带等阻碍物的摩擦作用，导致平均风速随着高度的变化而变化，靠近地面处风速比较低。边界层顶部的风速被称为梯度风速，风速在不同地形下随着条件变化情况如图3所示，以冬季常态大气风速的高度方向风速函数的形式作为模型入口风速，楼面为无滑移边界条件。
图3 大气边界层速度分布图
2.3 数值模拟方法
采用有限元法（finite element method）。即将连续的求解域离散为一系列的单元体，然后在单元体上选取几个点作为节点，然后用控制方程组进行积分处理，得到离散方程组进行计算。有限元法是一种高效常用的计算方法，常用于解决微分方程复杂以及边界条件复杂的数学模型。
3 模拟结果与分析
在冬季北风情况下，因建筑物的阻挡作用，空气流速在前排建筑迎风面处减小，东西方向建筑之间空气流速升高，且在两排建筑峡谷区域形成复杂的旋转气流，使其速度突然降低。小区第一排建筑迎风面前形成强烈的顺时针旋转气流，旋转中心位于高度5m且距离建筑迎风面10至15m处。两排建筑峡谷区域形成形态复杂的旋转气流，在第一排建筑背风面上部形成较小的顺时针旋转气流，后排建筑迎风面处形成较大的逆时针旋转气流从而导致前排建筑背风面下部气流方向向下但是上部气流向上，后排建筑迎风面气流向上的复杂空气流动状态。后排建筑背风面处形成顺时针旋转气流，旋转中心位于距离建筑背风面30m且高度15m汽车尾气污染处。
污染物浓度的扩散与小区内空气速度以及速度变化有关，距离污染物越近且污染源位于迎风处空气流速突然减小地方的污染物浓度越高，迎风面第一排建筑前在高度15m后污染物浓度急剧降低是由于其迎风面强烈的湍流漩涡的影响，15m高度上空气流速急剧增大，使污染物浓度降低。第一排建筑背风面中下部和第二排建筑整个迎风面高度污染物浓度升高，主要是由于背风面形成了具有强烈的瑞流运动的漩涡，将污染物带离背风面，且在迎风面处使得污染物积累，由于建筑间复杂的湍流运动，使得污染物不易随着空气流动的继续进行而降低。第二排建筑背风面处污染物不断降低，这是由于背风面处上升的旋转的新鲜空气气流不
断带走污染物，这同时也说明了大气的流动对污染物有分解的能力。
4 结论
基于有限元的方法，利用CFD软件进行模拟，模拟了建筑小区在冬季环境常态风速条件下的流场和受道路高峰时期汽车尾气污染物的浓度场，获得了以下结论：（1）受旋转气流的影响，建筑峡谷区域建筑迎风面上方污染物较其他区域更容易进入室内。（2）汽车尾气污染物CO浓度的扩散与小区内空气速度以及速度变化有关，距离污染物越近且污染源位于迎风处空气流速突然减小地方的污染物浓度越高。（3）建筑小区内部风速越大的地方污染物浓度就越低，风速越高越有助于污染物较快的扩散和稀释。
[参考文献]
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