| 建筑物尾流区气流与污染物扩散的数值计算 |
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| 作者：徐 敏 王… 点击数： 更新时间：2007-1-5 19:27:07 |
摘要：采用了细网格非静力能量闭合边界层模式和随机游动模拟方法建立了一套分析建筑物尾流流场和污染物扩散的数值模拟系统.作为应用研究的例子，在对某城市地下交通隧道排废气的风井塔尾流区流场和浓度场进行风洞流体物理实验的基础上，利用所建的模拟系统对风井塔尾流区气流和污染物扩散特征进行研究.结果表明，所建的模拟系统的模拟结果与风洞试验的结果吻合较好，对一些小尺度带有明显湍流不均匀性的流场和局地空气污染物散布的情况有较好的模拟效果和良好的应用前景。
关键字：隧道风井塔 非静力细网格边界模式 能量闭合 随机游动模拟 风洞模拟
1 引 言
一些具有一定形式和规模的建筑物(如钝体型高楼大厦，城市地下交通隧道排污气的风井塔，核工程设施中的反应堆壳体等等)对其周围地区的气流分布有明显的影响，所以由此而造成的局地空气污染扩散也会由于建筑物所致的空气动力学效应而具有独特性. 建筑物背风侧存在一个尾流区，其主要特征为气流速度的亏损和湍流活动加剧，具有明显非均匀性结构.迄今为止，通常采用在风洞和水槽中进行流体物理模拟实验的途径研究其流场和污染物扩散特征，并在此基础上由经验方法建立修正的高斯模型，分析尾流区污染物的扩散［1］.虽然高斯模型有一定的实用价值，但就湍流及其不均匀性的物理本质和分析精确性而言，却是不可取的.于洪彬、蒋维楣(1996)在风洞试验对风井塔尾流特征分析的基础上，使用Halitsky(1977)［2］的拟合公式，进行修正后，得到塔后尾流区的流场和湍流场，以此作为随机游动扩散模式的输入场，得到塔后尾流区污染物的扩散分布［3］.但是从提高模式的模拟精度而言，使用该模式所得的流场和浓度场还比较粗糙，与实际情况还是有较大的出入.本文建立了一种能较为细致地分析建筑物尾流区气流和污染物扩散特征的数值模拟系统，模拟系统的流场模式采用细网格非静力边界层模式，闭合方案采用工程上实用的能量闭合方法(E—ε闭合)，模拟系统的扩散模式采用随机游动模拟方法.
2 模 式
采用三维非静力边界层模式模拟中性层结情况下建筑物尾流流场，其控制方程组，包括速度u、v、w预报方程和连续方程.闭合方案用E－ε方法，即在上述方程中加入湍能和耗散率的预报方程以及湍流交换系数的诊断方程［4］：
 (1)
 (2)
 (3)
式中，E为湍流动能，ε为湍流耗散率，一些参数如，σE，σs,C1s,C2s,Cμ的取法是比较复杂的，本文中参考Rodi的取法［5］，简单地分别取为：1.00，1.30，1.44，1.92，0.09，C3在中性情况下为0.Kmh和Kmz为水平和垂直方向的湍流交换系数.由于模式的水平网格距和积分时间步长都能取得很小(积分时间步长为0.12 s，建筑物附近的水平网格距为5 m)，所以该模式能以较高的时空分辨率细致模拟出建筑物尾流流场的分布特征.
随机游动模拟是通过施放大量标记粒子来实现的，粒子在流场中按平均风输送，同时又用一系列随机位移来模拟湍流扩散，粒子轨迹方程为：
 (4)
式中，Δt为时间步长，a=1，2，3，分别代表在x,y,z 3个方向上的量.下标i,i+1分别代表前一时步和后一时步的量.湍流随机脉动速度由Markov Chain关系得到：
 (5)
这里γ\-a是方差为1.0、均值为0的高斯型随机数，由计算机自动产生.σa为速度方差.R\-aΔt为自相关系数，取为通用的指数形式：
 (6)
TLa为拉格朗日时间尺度，取Hanna(1982)［6］的拟合公式：
A. 不稳定层结：
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