基于CFD理论的城市街道峡谷PM2.5分布规律研究

马鑫旺魏中华彭靖萱

摘要：由机动车尾气排放造成的PM2.5会严重影响人类的健康。目前关于城市街道峡谷内PM2.5的分布规律是近期研究的热点。本文研究理想型街道峡谷内PM2.5在不同交通量影响下的分布规律，使用计算流体动力学（CFD）技术模拟三种类型的交通流状态，并使用案列验证了模拟结果。

关键词：PM2.5扩散规律；街道峡谷

1引言

北京市机动车保有量从2007年的273.36万辆增长到2017年的563.1万辆。另一方面北京市空气污染问题也越发严重。在几个主要污染源中，车辆排放对PM2.5的贡献率为31.1％，而煤炭，工业生产，粉尘和其他主要污染源分别占22.4％，18.1％，14.3％和14.1％。因此由于汽车尾气导致PM2.5污染问题，对公民的健康和社会发展造成了相当大的危害。

图1展示了城市街道峡谷的空间结构，街道峡谷由两侧的建筑物和中央道路组成。行人，骑自行车者，居民和车辆是其中关键的组成元素。

2研究方法

在本研究中，采用计算流体力学（CFD），基于理想型街道峡谷，模拟了3中不同交通量下的PM2.5分布规律，在该实验中，假设之前由车辆排放的PM2.5在测量时完全扩散，因此不考虑车辆排放。使用ANSYSFluent14.0作为求解器完成湍流方程计算并输出可视化结果。

2.1仿真参数设置

在本模拟实验中风速设定为2m/s，这是数据采集方案期间的平均风速。气流框架采用混合框架，SIMPLEST算法用于求解压力连通动量方程。建筑物外墙和路面均采用无滑移条件。上边界是滑动条件，滑动速度是风速。车辆的表面设定为滑动条件，速度与车速相同。

2.2模拟场景建立

通过网格划分软件GAMIBIT建立了3个不同交通量下的理想型街道峡谷仿真场景，即SCER=背风侧建筑物高：道路宽度：迎风侧建筑物高为1:1:1的街道峡谷，具体交通流状态和空间尺寸如表1所示。场景1B为例，图2详细展示了场景1B的二维仿真街道峡谷尺寸。

2.3仿真结果分析

图3a)为没有车辆的街道峡谷中气流场分布，可以发现除了在街道峡谷的中间形成一个大的顺时针方向的涡流外，在背风建筑物的角落中形成了另一个小漩涡。图3b)和图3c)分别展示出了轻度和重度拥堵交通流状态的影响。在这两组模拟实验中气流场的分布类似于场景1A。由于道路中央的车辆阻挡，使得中部大涡流的中心向着迎风侧移动，导致迎风侧的风速更快，PM2.5浓度降低。此外，车辆周围的气流速率也发生了变化，导致更多的PM2.5聚集到背风建筑物街角和车辆之间的较低风速区域。

图3d)表明了场景1A中两侧建筑物垂直面的风速几乎相同，而且两侧建筑物街角处和顶部的风速均低于建筑物中部的风速，这导致这两个区域的PM2.5浓度比建筑物中部更高。然而对于场景1B和1C，背风侧建筑物垂直面的风速远低于迎风侧建筑物表面的风速。背风建筑物垂直面上的风速在0-3m，9-13m，34-39m这三个高度要低于建筑物其它垂直面高度，意味着这三个位置的PM2.5浓度比其它位置高50%以上。场景1B中，背风侧建筑物表面5m处风速约为0.2m/s，相比之下，场景1C中背风侧建筑物表面5m处的风速为0.1m/s，即车辆拥堵时背风侧建筑物街角处风速要慢50％，所以随着车辆的增加将造成背风侧PM2.5浓度的升高。

3案例验证

设计了两组实地采集实验，采集实际理想型街道峡谷内部分位置PM2.5浓度，和仿真结果对比验证其结果准确性。

3.1采集方案设计

综合考虑多种因素后，最后选择了北京市朝阳区的两个主干路理想型街道峡谷进行实地测量实验。具体采集点布置如图4和图5所示。

便携式手持式探测器BR-Smart-126用于测量PM2.5的浓度，Benetech数字风速仪GM8908用于测量风速。PM2.5的温度和背景浓度来自北京市环境监测中心APP。最终12组数据采集结果以及采集条件控制如表2所示。

3.2案例验证分析

背风侧建筑物表面的PM2.5浓度即是表中从点C到点I的PM2.5浓度（1楼到12楼），本部分通过分析这些点的规律来探索PM2.5关于垂直方向的扩散规律。公式4-3用于消除背景PM2.5浓度的影响。图6中显示了两个街道峡谷中从点C到I的PM2.5浓度。

在3月17日17：00-17：30劲松中街测量的PM2.5浓度与模拟场景中的1B最为相似。对于场景1B的仿真结果来说，街道峡谷内气流场分布和背风建筑物表面上的风速如图7所示。从图中可以看出风速在0~5m之间时较低，这使得PM2.5易聚集在1楼到2楼的位置。随着风速从12~26m逐渐升高，意味着PM2.5被风吹散，因此PM2.5浓度渐渐降低。在9层至12层左右，当风速再次减慢，PM2.5浓度在9层到12层再次出现了堆积。

在实际测量过程中，由于受到交通流量不稳定、温度变化和人员活动等因素的影响，模拟结果与测量结果略有偏差。总的来说，基于CFD理论的PM2.5浓度模拟实验可用于探索实际街道峡谷中PM2.5扩散规律的其它情况。

4结语

通过基于CFD理论的仿真模拟和实地实验验证，并结合以上分析，得出主要结论如下：背风侧街角处和背风侧建筑物顶部的行人和居民更容易受到PM2.5的影响，而且随着车辆的增加加重了背风侧的PM2.5污染。

参考文献

[1]国家统计局．中国统计年鉴[J]．北京：中国统计出版社，2008.

[2]北京市环保局.2015北京市环境状况公报[R].北京，北京市环境保护局，2016.

基金资助

北京工业大学基础研究基金（No.038000546318503）。