城市交通路口机动车尾气污染物扩散的数值研究

成恒生 刘向龙

1苏州大学城市轨道交通学院

2湖南工程学院建筑工程学院

城市交通路口机动车尾气污染物扩散的数值研究

成恒生1刘向龙2

1苏州大学城市轨道交通学院

2湖南工程学院建筑工程学院

采用标准k-ε湍流模型建立了城市交通路口机动车尾气扩散的计算模型，研究了十字和丁字两类典型交通路口地面呼吸带流场和机动车尾气扩散现象，分析了气流对流、污染物扩散、建筑尾涡等对污染物分布的影响。结果表明，位于交叉路口下风向区域的污染物浓度高于上风位置；十字路口的浓度分布要高于同一水平的T路口的分布。在气流对流、污染物扩散、建筑尾涡的共同作用下，靠近交叉路口附近的街区会出现高浓度分布。本研究为城市规划、交通组织和环境管理提供重要参考。

城市交通路口机动车尾气污染物扩散数值模拟

0 前言

机动车排放的尾气已成为城市大气污染物的主要来源之一。交通路口建筑物会对过往机动车排出的尾气扩散造成阻碍，容易引起机动车排放污染物在交通路口聚积。机动车尾气无组织排放使得污染物未经过充分扩散、稀释就进入地面呼吸带，即使排放量不大也会在近距离内形成严重的局地污染，危害路人和楼内居民健康。城市道路和建筑的复杂性对道路的微环境影响严重，造成空气污染物的扩散现象复杂。因此，掌握城市交通路口处机动车尾气扩散规律，实现建筑布局与交通组织规划的合理搭配具有重要的现实意义。

城市交通道路上的污染物传输和扩散受近地层空气流动的控制，对其研究通常采用风洞试验[1]、实地测量[2]和数值模拟[3～12]三种方法。近年来，数值模拟技术被广泛用于研究城市道路风场及污染物分布。蒋维嵋等[4]比较了城市街区污染物分布的数值模拟与风洞实验结果，验证了数值模拟结果的准确性。国内外研究者[5～10]耦合机动车尾气排放模型，使用k-ε模型研究了二维或三维的街道峡谷内部气流运动、污染物扩散及浓度分布，分析了建筑物结构与尺寸[5，7，10]、湍流模型[6]、边界湍流强度[8～9]和排放源强度[10]等对污染物扩散的影响。Lee等[12]建立二维非定常模型模拟了街道峡谷内流场和污染物浓度场分布，发现不同的流场特征下污染物的扩散行为差别很大。然而，城市交通路口的形式对机动车尾气扩散及污染物分布的影响规律尚未获得充分研究。

本文以CO气体污染物为例，建立了污染物扩散的二维数值模型，研究了T字形路口和十字形路口等典型道路交叉路口处二维平面（地面呼吸带水平）的机动车尾气扩散和污染物分布规律，分析了气流对流、污染物扩散、建筑尾涡等对污染物扩散及分布的影响。本文有助于掌握交通路口形式、周围建筑物、街区格局对污染物扩散影响的规律，为城市规划、交通组织和环境管理提供重要参考。

1 数学模型及数值方法

1.1基本假设

本研究将其简化为二维平面上污染物稳态扩散的过程，采用以下假设：

1）采用稳态模型计算交通污染物扩散，将连续不断的汽车流尾气扩散简化为稳定不变的线污染源，以获得长期的、大量汽车概率统计的平均污染源分布情况；

2）机动车污染物排放高度取决于汽车的型号，大型汽车（如卡车和公共汽车）排放高度约为1m，而型号较小的汽车及摩托车排放高度约为0.7m；

3）污染物成分为CO气体，且与空气充分混合，并忽略Soret与Dufour效应，即浓度的变化对浓度场不产生影响；

4）空气混合物密度随浓度的变化遵循Boussinesq假设，其他热物性参数均视为常数；

5）建筑物对污染物不具有吸附或渗透、传输作用，忽略交通污染物(烟羽)的排放速度和沉积的影响和污染物的竖直烟羽行为。

1.2控制方程

本模型主要涉及流体流动及传质过程，采用修正标准k-ε双方程湍流模型[13]，其流动及扩散控制方程的通用形式如式（1）：

式中：φ为任一变量；Γφ为变量φ的扩散项；Sφ为变量φ的源项；矢量代表向量( u, v)。具体参数的无因次化按表1方法进行，获得的无因次控制参数见表2[13]。空气的密度ρ取为1.17m3/s，质膨胀系数βT取为3.33× 10-31/K，动力粘度v取1.685×10-3m2/s。

表1 物理参数及无因次化

表2 无因次控制参数

1.3边界条件

将所圈定的考察区域延展，以确保来流和出流边界都有充分的发展。在入流边界上，动量取Dirichlet边界条件，CO浓度为零；而出流边界上，动量和CO浓度取Neumann边界条件，即压力在出流边界上取为零。

1.4数值方法

采用有限容积法离散交错网格，对流-扩散方程采用一阶迎风格式，控制方程求解则采用SIMPLE算法[13]，方程组的迭代计算采用亚松弛法。当各变量的残差均小于10-3时，认为计算收敛。

2 计算结果与讨论

考虑十字和丁字两类典型交通路口地面呼吸带流场和机动车尾气扩散过程。假定来流风的入流角度与水平方向（West-East）成30°角（西南风）。考虑普通汽车及人行道地面呼吸带，设定离地面高度为1.50m的二维平面。交通污染物的扩散系数及浓差阿基米德数分别取为1.0和0.0（不考虑竖直方向的扩散），而道路上交通污染源的大小、位置由具体问题给定。

2.1T字形道路组织的交通污染物扩散

图1为T字形交通道路组织及周边建筑物构成示意图（A、B、C流向分别为West、South、East所替代），道路宽度为40m，流体流动的控制雷诺数为1.05×106（取参考长度20m）。首先假设面污染源均匀分布在东西路及南路中央，长度为路长，宽度为道路宽度的一半。

图1典型T字形路段的建筑物分布结构示意图

图2 为T字形交通路口空气流动速度矢量及污染物浓度分布图。在建筑物附近，浓度扩散梯度迅速增大，而在街区中央，尾气浓度维持较高值。由于气流流动影响，导致在迎风的上游位置（即西南角）几乎不受交通尾气的污染，而其下游的大片地区都为尾气污染所覆盖，但浓度值存在很大差异：在30°西南风向轴线上及其附近浓度值较高，而在远离这条轴线的区域污染物得到迅速地稀释（比较图2b中浓度分布的0.22与0.99等值线）。

图2 T字形交通路口空气流动及污染物浓度分布图

图2 中由于南路（South）的尾气扩散加剧了下风侧区域的污染物浓度分布，若南路的为稀少车流或禁止车辆通行道路、或人行通道，则令其污染源浓度为零，计算结果如图3所示。由于污染物浓度的差异性分布对水平动量分布没有影响，故图3a中的速度矢量分布与图2a中的基本相同。没有南路交通污染源释放，图3b的浓度场分布有了较大的变化，西南风轴线上下风向的浓度值比图2b有所下降。尽管南路没有污染源，但由于气流的对流及污染物扩散等作用，在靠近交叉口的南路附近出现了一定数值污染物分布。

图3 南路无污染源时T字形交通路口空气流动及污染物浓度分布图

2.2十字形道路组织的交通污染物扩散

图4为十字形交通道路组织及周边建筑物构成示意图（A、B、C流向分别为West、South、East所替代）。该交叉口分布四座方型建筑（D×D×D，D=20.0m），考虑路宽为40.0m。入流边界条件同图1所述，其中流体流动的控制雷诺数为1.05×106。假设面污染源均匀分布在东西路及南北路中央，长度为路长，宽度为道路宽度的一半。

图4 典型十字形路段的建筑物分布结构示意图

图5 十字形交通路口空气流动及污染物浓度分布图

图5为十字形交通路口空气流动速度流线及污染物浓度分布图。发现，在来流的下风侧，浓度分布值较图2中的偏大一些，并且沿30°西南风向轴线的垂直两侧，大气层流稀释道路污染物也变得困难，这是因为增加的道路行车组织，即有了容纳更多的车辆的通道，致使大气稀释更加困难。另外，十字形道路组织时交通污染物在建筑尾部的堆积更加容易。

对于十字形道路交叉路口组织形式，交叉口是通直路面车流量的好几倍，现假设交叉口核心区污染源散发浓度为1，而通直路面中央行车排放为0.25，相应的模拟结果如图6所示。这图6a中的速度矢量分布与图5a中的基本相同，但这样的污染物排放模式减轻了大气的稀释负担（如图6b），在下风向位置污染物浓度与图5b相比显著下降。在交叉口路段，污染物浓度的梯度变化相当大，这是由于交叉口路面车辆流量的巨大。由于建筑尾涡的形成，在迎风位置的建筑（位于交叉口西南角位置）右侧出现较大的浓度分布值，约为水平对面建筑左侧的三倍。

图6 十字形路口通直路面排放降低时空气流动及污染物浓度分布图

3 结论

本文以CO气体污染物为例，数值研究了T字形路口和十字形路口等典型道路交叉路口二维平面（地面呼吸带水平）的机动车尾气扩散和污染物分布规律，分析了气流对流、污染物扩散、建筑尾涡等对污染物扩散及分布的影响，得到以下结论：

1）对于典型道路交叉路口二维平面（地面呼吸带水平）的交通污染物扩散，位于下风向的区域，其污染物浓度高于上风位置；十字形交叉口的浓度分布要高于同一水平的T字形道路交叉路口的分布。

2）由于气流对流、污染物扩散、建筑尾涡等的联合作用，在靠近交叉口附近的街区出现一些高浓度的分布，如T字形路口组织中，靠近交叉口的南路附近出现了一定数值的污染物分布；而在十字形交叉口组织中，在迎风位置的建筑（位于交叉口西南角位置）的右侧出现较大的浓度分布值。

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Num e ric a l Sim ula tion of the Polluta nt Diffus ion of Ve hic le Exha us t on Urba n Tra ffic Inte rs e c tions

CHENG Heng-Sheng1,LIU Xiang-Long2
1 School of Urban Rail Transportation,Soochow University
2 Department of Building Engineering,Hunan Institute of Engineering

A numerical model of the pollutant diffusion of vehicle exhaust on urban traffic intersections is developed by using the standard k-ε turbulent method.The air flow and vehicular exhaust and pollutant diffusion at the level of off-ground breathing zone on the crossroad and T road is simulated.The effects of convective flow,pollution diffusion and eddy behind building on the pollution diffusion are studied.The results show that the pollution concentrations at the downstream of wind flow is much higher than the upstream at the intersections.Under the interplay of convective flow, pollution diffusion and eddy behind building,the high pollutant concentration zone is formed at block the near the traffic intersections.This study provides the significant guidance for the unban plan,traffic organization and environmental management.

urban traffic intersections,vehicular exhaust,pollution diffusion,numerical simulation

1003-0344（2014）06-059-4

2013-10-18

成恒生（1977～），男，硕士，讲师；江苏省苏州市苏州大学城市轨道交通学院（215137）；E-mail:chenghs@vip.qq.com

湖南省科技计划项目（2010KS3182）