基于片狀激光CCD濃度測試系統研究屋頂形狀對街谷內污染物擴散的影響

黃遠東 周家正 崔鵬義

文章編號： 1005-5630（2018）06-0001-06

摘要： 基于風洞實驗平臺，利用研發的片狀激光CCD濃度測試系統結合數值模擬，研究不同屋頂形狀對街道峽谷內線源污染物擴散分布的影響。結果表明，采用的濃度測試系統可以在不影響流場的情況下清晰再現街道峽谷內部污染物分布的特征，并且測試結果與數值仿真結果有較好的一致性。當迎風建筑屋頂低于背風建筑屋頂時，街谷內為一順時針主渦，污染物主要聚集在街谷背風側;迎風建筑屋頂高于背風建筑時，街谷內形成順時針旋渦在上、逆時針旋渦在下的兩個耦合旋渦，此時污染物在街谷迎風側聚集。

關鍵詞： 風洞; 激光測試系統; CCD系統; 污染物擴散; 屋頂形狀

中圖分類號： O 435文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.001

引言

隨著我國城市化進程的加快，城市地區機動車保有量持續增加，交通污染成為城市地區空氣污染的主要來源[1]。氣象條件（風速[2]、風向[3]、太陽輻射[4]、湍流強度等）及街道峽谷兩側建筑物幾何形狀[5-6]、機動車流特性引起污染源的位置、排放量等因素，對城市街道峽谷內空氣流通及污染物遷移擴散都有重要影響。國內外對于該類問題的研究，主要采用數值模擬與風洞實驗相結合的方法[7-9]。數值模擬，即計算流體力學技術（computational fluid dynamics，CFD），通過求解描述流動、傳熱、擴散等方程可以獲得豐富的預測數據，從而節省成本。然而數值模型需要實測或實驗數據的驗證，在滿足相似準則的前提下，采用風洞實驗對數值模擬結果進行檢驗是常用的方法。

風洞實驗對建筑環境的研究，需要使用按比例縮放的建筑模型。在傳統的采樣檢測方法中，流場容易受到采樣使用的儀器的干擾，且采樣數目也十分有限，難以充分反映整個街谷截面的污染物濃度分布情況，難以對數值仿真結果進行充分驗證。黃遠東等研發的片狀激光系統[10]，已可以在不干擾流場的同時，將整個激光照射平面上污染物濃度轉化為散射光的強度，使用高速攝像機CCD系統可以連續清晰地記錄流場內光強變化，經過處理之后，得到激光照射截面上污染物濃度分布，可以定性地對數值模擬結果進行檢驗[11]。

1實驗設備

實驗平臺為上海理工大學環境風洞實驗室，該環境風洞參數為：總長為33 m，實驗段長為18 m，寬為2.5 m，高為1.8～2.1 m;風速為0.5～20 m/s;風機電機功率為90 kW，可控硅供電且無極調速（DC motor）。風洞實驗段內流場品質為：速度不均勻性≤±1%;最大速度的 50%～80%范圍內，動壓脈動量≤1%;俯仰方向≤±0.5°，偏航方向≤±1°，湍流度≤1%。

實驗所用儀器和裝置如下：

（1） 煙霧發生裝置。由變頻器、旋渦氣泵和煙霧發生器等組成，其原理為利用燃燒產生均勻煙霧的材料作為發煙裝置，發煙后與一定氣速的氣流混合，在實驗段指定位置向風洞內部釋放，主要構造如圖1所示。

（2） 片狀激光CCD濃度測試系統。該系統是我們集成開發的非接觸式、全場測量的濃度測試系統，其主要由激光器（型號：MGLW532Anm10W141069，如圖2所示）、高速數字圖像記錄系統組成。激光器發射出的光束直徑小于4 mm，發散角小于0.7 mrad，偏振比大于50∶1，輸出光是波長為 532（±1） nm的激光束，具有極高的連續性及穩定性。光束經過光學鏡片轉化為線光源，線光源經煙氣粒子的散射，形成污染物無量綱濃度分布圖，使用高速數字圖像記錄系統將結果儲存于電腦中。CCD系統如圖3所示，該系統由電腦（記錄軟件）、尼康AF鏡頭（相機）、CORE傳輸主機、固態硬盤（存儲設備）、連接線等構成。

2數值方法

本文基于上述片狀激光CCD濃度測試系統，結合數值模擬研究不同屋頂形狀對街道峽谷內污染物擴散分布的影響。

3結果與分析

風洞實驗時，自由來流風速為5 m/s，風向自左向右，垂直于街道峽谷長度方向。工況1～3為下風向建筑屋頂不低于上風向建筑的情況，實驗及數值模擬結果如表1所示。

工況1街道峽谷兩側均為同高的平頂建筑，由表1結果可知：街道峽谷內形成一個順時針旋渦，地面道路上污染物在順時針方向旋渦的作用下，向街谷背風面聚集，因此背風側近地面污染物濃度最高;隨著背風側向上運動氣流，污染物向上擴散傳遞，一部分在街道峽谷上部剪切流作用下流出街道峽谷，另一部分從迎風面又回到街谷內;另外，激光測試的濃度分布與數值模擬結果吻合較好，驗證了數值模型的精確性。

工況2街道峽谷背風側為較高的平頂建筑，從速度矢量圖可以看出，工況2形成的順時針旋渦渦心位置較工況1偏上偏右，且氣流分離的位置更高，這使得渦心左側污染物高濃度區域面積增加，導致街谷內污染物散布程度增加，且較高的背風側建筑更不利于污染物流出街道峽谷，迎風面側建筑屋頂處污染物濃度明顯升高。

工況3街谷內污染物分布情況與工況2類似，不同之處在于當氣流經過背風建筑物三角形屋頂時，未產生劇烈分離，近乎貼近屋頂壁面流動，使得進入街谷的來流風速進一步弱于工況2中的平屋頂。街道峽谷內同樣形成順時針旋渦，污染物高濃度區主要集中在背風側，但街谷內污染物分布更趨均勻，迎風側污染物濃度有所增加。

表2為工況4～6的實驗及數值模擬結果。工況4由于迎風建筑為矩形平屋頂，進入街谷的氣流在迎風建筑的迎風面產生劇烈分離，順時針旋渦被抬升至街道峽谷上方，直接阻礙了氣流向街道峽谷內流動，在街道峽谷內部產生了與之耦合的逆時針的旋渦，污染物主要聚集在背風建筑街道峽谷側，污染物濃度自下而上逐漸升高。相對于工況4，工況5街谷上方的順時針旋渦在迎風建筑的三角形屋頂作用下被扭曲，在迎風建筑街谷側屋頂處進入街谷內的氣流進一步減弱，導致街道峽谷內污染物比較分散，污染物濃度較高的區域覆蓋街谷的一半區域。對于工況6，迎背風建筑上方均為三角形屋頂，在街谷上方、兩三角形屋頂處形成的順時針旋渦加大，擠壓街谷下方的逆時針旋渦，使街谷內逆時針旋渦的中心下移，而街谷上方的順時針旋渦對街谷內與街谷外氣流的交換仍起阻礙作用，街谷內污染物濃集更加明顯。

綜合比較工況1～6，可以看出：工況1～3在街谷內同樣形成順時針旋渦，當背風屋頂形狀改變，街谷內形成的旋渦中心略微上升，順時針主渦整體增大;工況4～6由于迎風面有增高的屋頂，對于自由來流的氣流運動有阻擋作用，使街谷內順時針旋渦的中心高度上升至街谷上方的屋頂處，街谷內產生的逆時針旋渦是與順時針旋渦耦合而成。數值模擬結果與經CCD系統測得的濃度分布結果相比，二者一致性較好，可清晰判斷主渦的結構，但仍存在兩個缺陷：在建筑物邊緣處仍容易受到反光的影響;街谷上方污染物濃度較低的區域由于感光較弱，很難獲取測試數據。

4結論

基于風洞實驗，利用研發的片狀激光CCD濃度測試系統，結合數值模擬，研究了屋頂形狀對街谷內污染物擴散分布的影響。研究結果表明：片狀激光CCD濃度測試系統在不影響流場的情況下能夠清晰再現街谷內污染物分布的特征，并且與數值模擬結果有較好的一致性，兩者可以相互驗證。迎風建筑屋頂低于背風建筑屋頂時，街谷內為一順時針主渦，此時背風建筑屋頂的形狀和高度會影響街谷內的渦心位置和流動結構;迎風建筑屋頂高于背風建筑時，街谷內形成順時針旋渦在上、逆時針旋渦在下的兩個耦合旋渦，迎風建筑屋頂的高度與形狀主要影響上方旋渦的結構與渦心的位置，進而影響街谷內污染物的分布與擴散。

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（編輯：劉鐵英）