不同建筑物宽高比的街道峡谷内部气流场数值模拟

研究了道路绿化带对街道峡谷内流场与机动车尾气扩散的影响特征.假设绿化带树冠为均匀多孔介质,采用压力损失系数表征树冠对空气流动的阻碍作用,建立可用于数值模拟的绿化带多孔介质物理模型.采用稳态k-ε湍流模型结合组分输运方程模拟道路中央有绿化带街道峡谷内的尾气扩散过程,模拟结果与风洞试验数据对比吻合较好.分析发现,有绿化带街道峡谷内存在一个围绕树冠的顺时针旋涡,旋涡中心略偏向右上方,背风面污染物浓度显著增大,较无绿化带的污染物平均浓度增长46.0%.进一步模拟了不同绿化带树冠高度情况下街道峡谷内流场与浓度场,发现随着树冠位置的上升,峡谷内流场旋涡中心逐步上移且偏向迎风建筑物,峡谷内整体气流速度下降,污染物浓度逐步升高,树冠底部高度为8m时其污染物浓度可达4m时的2倍多;尤其是当树冠顶部超过屋顶高度时,峡谷内污染物总体浓度增长迅速.

http://www.***.*** 街谷流场及其中污染物扩散数值模拟研究综述 郭辉，吴建军 河海大学环境学院（210098） e-mail：persevere_gh@126.com 摘要：本文综述了街谷流场及其中污染物运移的主要研究方法，具体描述了数值模拟研究 方法的研究现状和进展，总结了街谷内流场和污染物的扩散运移特征。 关键词：街谷，流场，污染物扩散，数值模拟 1.引言 随着城市的规模不断的扩大，而土地资源总量是不变的，因此，城市街道两旁高楼耸立。 “街道峡谷”指两旁有连续排成一线的建筑物的街道[1]。近年来，随着经济的发展，环境的 污染也更加严重。城市街区中空气污染程度不断加深，空气中充满汽车尾气、工厂排出的废 气和其他等有害气体，直接影响到城市居民的生活质量的污染成份。研究表明 [3-6] ，当高大 建筑物分布于狭长街道两旁时,污染物容易被困其中

建筑物绕流是一种典型的钝体绕流形式,而钝体绕流通常具有非稳态流动特征,本文主要工作是对建筑物绕流的非稳态流场进行数值模拟研究。首先采用了rngk-ε模型对方柱绕流进行非稳态数值模拟研究,通过与实验以及大涡模拟结果进行比较,发现rngk-ε模型可以获得满意结果;接着又对一种典型的建筑物绕流形式进行数值模拟研究,分别采用了稳态和非稳态模拟方法,模拟结果表明了采用非稳态数值模拟方法可以获得与实验以及大涡模拟更为接近的结果。

选用不同的差分格式(upwind,hybrid,hquick)对城市街道峡谷内部汽车污染物排放浓度进行了预测,并于风洞实验结果对比。研究表明,三种格式的计算结果和实验结果总体趋势一致,即背风面建筑物附近浓度远高于迎风面建筑物附近的浓度,地面附近浓度高于峡谷上方的浓度。相比之下,hquick格式的预测性能最佳,应为首选。

用非静力、能量闭合的大气边界层模式对建筑物附近的气流和湍流特征进行了模拟，为了检验模拟结果，将风场和湍流场输入到扩散模式获得了建筑物附近腔区和尾流区内的污染物浓度分布。结果与同样条件下的风洞测试的结果吻合。本文研究结果表明，在来流风速增大的情况下，建筑物下游的尾流区范围变化不大，而腔区范围增大，湍流运动增强。本文所用方法比采用拟合经验公式描述尾流、腔区的特征更能反映不同建筑物、不同来流的影响。

针对某公司研制的td150型管道泵在试验中出现设计点扬程偏低、小流量下噪声较大等问题,对泵内部流场进行了全流道数值模拟,提出了优化方案,对优化后的管道泵进行了性能及噪声试验,结果表明,试验和数值模拟结果相差较少,小流量下泵的噪声显著降低,额定点扬程明显提高。

基于不同的气流组织利用cfd技术对空调客房室内的速度场、温度场、pmv、ppd值进行数值模拟,通过对3种气流组织速度场、温度场比较,结果显示散流器送风能够得到均匀的温度场、速度场。同时,pmv、ppd值更靠近推荐值范围,热舒适性更好,从而为改善空调客房的热舒适性设计提供了方法和理论依据。

利用大涡模式对大空间建筑物室内气流进行模拟研究,并取得了良好的效果。模拟的内容包括:(1)在机械通风情况下,当存储货物的仓库发生火灾时,将会改变室内的温度场和流场的分布;(2)在自然通风情况下,简单方形钝体建筑物以及大型体育馆室内的流场状况。对以上模拟结果的分析表明,发生火灾时,室内流场主要是由热力作用支配,通风口的位置、通风气流的热力性质、室内物品的堆放方式以及室内物品的热力属性都会在很大程度上影响室内的流场和温度场。在自然通风情况下,室外的气流状况和通风口的位置对室内的气流都有很大的影响,室外的风速大小和风向分别对室内风速的大小和流场分布有重要影响,而通风口的位置主要影响室内气流分布状况。由于决定室内气流的因素很多,所以像体育馆这种对室内气流和空气质量要求比较高的建筑物,要评价以及设计其通风效果及室内空气品质必须针对具体情况从多个方面作具体分析。

脉冲射流相对于恒定射流可较大程度提高液气射流泵效率,利用计算流体力学软件fluent对脉冲液气射流泵内部流场进行数值模拟和分析。首先研究在脉冲射流情况下,停止工作射流后液气射流泵内部流场的状况;然后对相同工作条件、不同脉冲频率下的液气射流泵进行数值模拟,并研究分析各个脉冲频率下液气射流泵效率,得出最佳工作频率。

采用雷诺时均n-s方程和标准k-ε湍流模型,应用三维非结构四面体网格建模,选用旋转流体机械模型中的多重参考坐标系模型(mrf),对设计工况下旋流自吸泵叶轮和蜗壳耦合的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,得到了其内部流场的压力分布和速度分布情况.对叶轮内部的相对速度流场和压力场进行了细致的分析,证实了叶轮和蜗壳由于相对位置不同,相互作用而引起的叶轮内部流场具有一定的非对称性.对蜗壳速度流场进行了分析,得到了蜗壳内靠近叶轮出口处的速度值较大的结论,并指出,由于蜗壳结构复杂而导致的内部流动紊乱,会造成一定的损失.另外,还对导壁附近区域和分离室内流场进行了深入研究,揭示了导壁附近区域和分离室内存在旋涡这一现象,并对旋涡形成的原因进行了分析和探讨.

利用数值模拟的方法,以采用分层空调的某大空间为例,模拟了全部采用中部侧送风和采用中部侧送风与侧墙孔板送风相结合的两种气流组织方式下的流场,分析了两种不同气流组织方式下流场的特点,得到了有利于大空间建筑实现节能和舒适热环境的气流组织方式。

为研究不同湍流模型和壁面边界处理方法对射流泵性能和内部流场模拟的影响,尝试寻找一种能够准确预测射流泵性能和内部流场的湍流模型与相应壁面处理方法的组合.将6种湍流模型(即3种k-ε模型,标准和sstk-ω模型以及rsm模型)和2种壁面处理方法(标准壁面函数和增强壁面处理方法)进行搭配.3种k-ε模型和rsm模型分别采用2种壁面处理方法,2种k-ω模型作为低雷诺数模型使用,不采用壁面处理方法,由此共得到10种组合.以某射流泵为例,将其壁面静压分布和性能试验数据作为参考来验证这10种组合的效果.结果表明:当流量比较小时,10种组合均与试验结果吻合较好;当流量比较大时,10种组合的模拟误差均大于10%.通过修正湍流模型常数,部分组合的模拟结果与试验数据之间的误差可以降低到5%以内.模型常数c2ε比σε对计算结果影响更大.湍动能的最大值随着c2ε或σε值的减小而减小,而湍动能的分布区域却相应的增大.

基于n-s方程和标准κ-ε模型对出口等速度环量的轴流式模型泵在不同工况下进行了全流道数值模拟,给出了叶片表面相对速度和压力的分布规律,并将叶轮出口处速度分量计算结果和球形五孔探针测量结果进行比较。分析结果表明:叶片表面的相对速度沿径向逐渐增大,流动分布规律符合圆柱层无关性假设;叶片发生汽蚀的危险区域约位于吸力面外缘进口边到出口边的1/4位置;最优工况下叶轮出口处流场呈螺旋形向外运动趋势,出口旋转动能占出口总动能的34%左右;速度环量测量值从轮毂至轮缘逐渐减小,设计中应适当减小轮毂处圆周分量值,增加轮缘处圆周分量值。研究结果揭示了叶轮表面和出口流动规律,为轴流泵优化设计提供了理论和实际应用参考。

本文运用已建精细城市pbl模式,用拖曳力法考虑城市建筑物的影响,并以北京前三门地段板房为例,通过8个数值试验具体研究了建筑物对气象场的影响。结果表明:前三门地段板房的有无对风速、湍能和nox浓度的影响较明显。有板房比没有板房时30m处水平总风速减少0.03～0.10m/s,湍能增大0.02～0.14m2/s2。板房对水平总风速的影响大于0.01m/s的范围为:迎风向和背风向约400～500m,侧风向约100～200m;垂直方向的影响高度约为150m,在30m高度附近影响最大。对湍流动能的影响范围与风速的类似。对nox浓度的影响以地面为最大,其影响程度及影响范围和板房与污染源的相对位置以及板房与周围建筑物的距离有关。总之,在高分辨的边界层模式中,用拖曳力法考虑城市建筑物的影响是可行和必要的。

某双线盾构隧道近距离旁穿一幢12层高层建筑,为合理评估隧道施工对建筑物的影响,进行了考虑盾构动态施工及排桩加固的的远端(左线)、近端(右线)以及双线均开挖后隧道横断面及建筑物沉降的flac3d数值模拟分析,并对工程现场进行了沉降实测。数值模拟和实测结果表明:不采取加固措施,建筑物基础靠近隧道侧的最大沉降为5.2mm,最大水平位移达25.8mm;基地土体出现拉剪破坏;数值模拟分析结果与现场实测结果较为一致;若采用排桩加固,建筑物基础靠近隧道侧的最大沉降为2.4mm,最大水平位移不足10mm,基地土体未出现拉剪破坏;排桩加固能有效降低围岩变形及地表沉降,有利于建筑物的保护。

通过广州某地铁车站的施工对周边既有建筑物影响的三维数值模拟分析,探讨了地表钻孔帷幕注浆对既有建筑物的保护作用。实践证明,帷幕注浆起到了阻隔地层变形及地下水渗流的作用,有效地减小了建筑物的沉降量及倾斜度,保证了建筑物的安全。

爆破拆除高耸建筑物时,爆破切口的爆炸荷载必然产生爆破震动,但有关拟爆物自身震动危害的研究较少,一般以经验来估计爆破震动的影响。采用数值模拟,通过分析爆炸荷载引起的拟爆烟囱上部结构的动力响应来研究爆破震动对过早断裂的影响。结合现场爆破观测的结果,其结论是爆破切口产生爆炸荷载对上部结构的断裂有相当影响,是筒体过早断裂及反向倾转的主要原因,爆炸荷载作用下,烟囱简体高度的55%～75%范围内是断裂危险区,对风化严重等强度低的砖烟囱进行爆破拆除时,尤其应控制单响起爆药量与起爆的间隔时间。

为了研究超高压压缩机管道单独使用孔板能否取得理想的脉动消减效果的问题,阐明了孔板配合缓冲器消减脉动的原理;采用数值模拟软件fluent建立了超高压乙烯压缩机出口管道二维非定常流动模型;分别计算了孔板在不同孔径比情况下的脉动状况,并与不加孔板时的情况进行了对比。通过数值模拟表明:单独添加适当尺寸的孔板能起到一定的脉动消减效果,且此效果随孔径比减小而逐渐增强;当孔径比为0.4时,可将压力不均匀度降低至原来的50%左右;当孔径比为0.3时,最多可将压力不均匀度降低至原来的38%。此外,应该注意孔板的阻力作用,并综合考虑后续工艺条件等因素,以取得最佳的综合效益。

采用正交曲线坐标对赤水河鲢鱼溪码头河段计算域进行了坐标拟合,用有限体积法(simplec程式)对拟合坐标系下的水流基本控制方程进行了离散,在求解过程中采用了欠松弛技术和逐线迭代法。分析了鲢鱼溪码头工程前后河段内水位、比降及水流流速的变化。研究了码头前沿船舶泊稳条件和码头工程建设对洪水位的影响,得出了在赤水河鲢鱼溪弯道凹岸建港可以将岸线适当推向河心的认识。

利用有限分析法数值模拟了风对建筑物体的绕流，对高雷诺数问题引进了一个经验公式较好地克服了实际中的困难，对方形、圆形及两头尖等各种形状物体绕流的计算结果表明数值方法在准确模拟各种形状建筑物体的绕流流场方面是成功的。

用pro/e软件建立喷头内流道的三维实体模型,选择rngk-ε模型在cfd软件fluent中模拟了雨鸟30psh型摇臂式喷头在10种入口压力和4种主喷嘴直径组合下的内流道流场,分析了喷头主副喷嘴的流量、入口压力与出口平均速度等参数的关系。研究结果表明:主喷嘴直径增大时,副喷嘴流量几乎不变;主、副喷嘴的流量分配比例由主喷嘴直径决定,与入口压力无关。入口压力增大,主喷嘴出口平均速度增大,但副喷嘴出口平均速度不变。喷头主、副喷嘴的平均湍动能随入口压力增大而增大,不受主喷嘴直径变化的影响。主喷嘴出口静压力、湍动能和速度的标准差、副喷嘴出口静压力标准差与入口压力近似成正比;而副喷嘴出口湍动能和速度的标准差随主喷嘴直径或入口压力增大产生较大的无规律变化。喷头内流道流场的可视化结果显示喷头副喷嘴与弯管连接处静压力较大,接近喷头入口静压力。

介绍了在地图缩编中因道路符号所对应的实际尺寸加宽而破坏了建筑物与道路符号的正确关系时,针对第二、三、四类建筑物进行移位所涉及的数学方法,并给出了实验结果。最后,介绍了用栅格探测加矢量计算法对移位后可能产生的要素间的后继图形冲突所进行的探测,以及消除后继冲突的方法。