城市街道峽谷內(nèi)機動車尾氣排放與擴散的模擬研究.pdf

1、城市化與出行機動化導(dǎo)致了街道峽谷機動車尾氣污染問題，使居民日常出行暴露在高濃度機動車尾氣中，對廣州市一個典型街道峽谷內(nèi)路邊空氣質(zhì)量的實地監(jiān)測發(fā)現(xiàn)PM10、NOx、CO平均濃度分別高達(dá)0.158、0.394和2.488mg·m-3。本文從車道位置、道路綠化帶、動態(tài)交通流排放等交通因素著手，利用交通仿真技術(shù)、機動車排放模型、CFD(Computational Fluid Dynamic)模擬技術(shù)和多孔介質(zhì)理論對街道峽谷內(nèi)機動車尾氣的排放、傳

2、輸和擴散規(guī)律展開深入的研究，旨在揭示街道峽谷內(nèi)污染形成機理，為城市規(guī)劃、交通管理和環(huán)境相關(guān)部門控制機動車尾氣污染提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與技術(shù)保障，達(dá)到改善環(huán)境，提高居民生活品質(zhì)的目標(biāo)。
　　 本文首先根據(jù)實際建筑物與車道幾何特征，建立雙車道街道峽谷物理模型。然后采用穩(wěn)態(tài)K-ε湍流模型結(jié)合組分輸運方程模擬了雙車道街道峽谷內(nèi)流場與污染物濃度場，模擬結(jié)果與風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)吻合較好。進一步模擬街道峽谷內(nèi)不同位置車道排放污染物的擴散，發(fā)現(xiàn)車道位置變化對

3、峽谷底部(＜0.3H)人群活動集中區(qū)的污染物濃度分布影響明顯，隨著車道向街道峽谷中部靠攏，背風(fēng)面建筑物底部及人行道的污染物濃度將迅速減小，但降低速率不斷下降；迎風(fēng)面污染物濃度對車道位置不敏感，但當(dāng)車道處于迎風(fēng)面次級旋渦范圍時，將導(dǎo)致迎風(fēng)面建筑物底部及人行道污染濃度迅速增長。
　　 為更深入掌握街道峽谷內(nèi)流場與污染物濃度場的特征，本文在德國Karlsruhe大學(xué)的風(fēng)洞實驗基礎(chǔ)上，假設(shè)樹冠為均勻多孔介質(zhì)，利用空氣流過樹冠的壓力損失來

4、描述多孔介質(zhì)對空氣流動的阻礙作用，建立起可用于數(shù)值模擬的綠化帶物理模型。然后采用穩(wěn)態(tài)K-ε湍流模型結(jié)合組分輸運方程模擬道路中央有綠化帶街道峽谷內(nèi)的尾氣擴散，模擬結(jié)果與風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)吻合較好。分析發(fā)現(xiàn)相比無綠化帶的情況，綠化帶導(dǎo)致峽谷內(nèi)整體風(fēng)速下降，背風(fēng)面平均濃度增大46.0％，迎風(fēng)面變化不明顯；進一步模擬不同樹冠位置的街道峽谷內(nèi)尾氣擴散發(fā)現(xiàn)，樹冠位置上升使主旋渦中心逐步上移并偏向迎風(fēng)建筑物，而擠壓外部清潔空氣下洗通道，降低峽谷內(nèi)風(fēng)速，導(dǎo)致

5、峽谷內(nèi)污染物濃度隨樹冠位置上升而增大；尤其是當(dāng)樹冠頂部超過屋頂高度而直接阻礙峽谷上方空氣流動時，峽谷內(nèi)污染物濃度上升更為迅速。
　　 為掌握動態(tài)交通流實時尾氣排放與擴散的特征，本文在分析單車尾氣排放時空變化特征的基礎(chǔ)上，提出了街道峽谷內(nèi)動態(tài)交通流尾氣排放與擴散模擬的研究框架。然后，通過構(gòu)建微觀交通仿真系統(tǒng)與機動車綜合排放模型數(shù)據(jù)交換機制和車型映射關(guān)系，將機動車綜合排放模型以插件形式耦合到微觀交通仿真系統(tǒng)中，建立了交通流實時排放仿

6、真平臺。采用該平臺建立有信號控制人行橫道道路的仿真路網(wǎng)，分析了晚高峰時段的交通流特征及其燃油消耗、CO、NOx排放，發(fā)現(xiàn)人行橫道段與排隊段的車流密度變化劇烈，車輛加速、減速、怠速工況比例較高。惡劣的行駛工況使得人行橫道段與排隊段單位道路長度的燃油消耗量、CO和NOx排放量可達(dá)巡航段的2～4倍。
　　 接下來，在上述交通流實時排放仿真平臺的基礎(chǔ)上，將動態(tài)交通流瞬時排放引入到街道峽谷內(nèi)尾氣擴散的數(shù)值研究中，建立時變的交通源物理模型。