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含高架桥的城市道路十字路交叉口处街谷空气环境的土木工程数值模拟

时间:2018-11-28 20:53来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇土木工程论文,土木工程是指除房屋建筑以外,为新建、改建或扩建各类工程的建筑物、构筑物和相关配套设施等所进行的勘察、规划、设计、施工、安装和维护等各项技术
本文是一篇土木工程论文,土木工程是指除房屋建筑以外,为新建、改建或扩建各类工程的建筑物、构筑物和相关配套设施等所进行的勘察、规划、设计、施工、安装和维护等各项技术工作及其完成的工程实体。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇土木工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪论
 
1.1 研究背景和意义
我国改革开放后的第四十个年头,随着经济发展的不断进行,居民生活水平随之提升,机动车成为城市居民日常出行的主要交通工具。2011-2016 年,机动车的保有数量自 2.07 亿辆增至 2.75 亿辆,到 2017 年年底,我国机动车的保有数量突增至 3.1 亿辆[1]。机动车保有量的逐年递增,导致尾气排放总量不断增加[2],与此同时交通拥堵现象也随之加剧[3],对居民的身体健康和正常出行造成伤害困扰。为改善城市空气环境质量,我国出台一系列政策,将城区高浓度污染排放企业迁移至郊区,并进行产业结构的调整和生产工艺的改进,逐渐推行风电、水电、光电等清洁能源对原有煤电进行替代[4],而随着居民日益增长的出行次数以及不断增多的机动车保有量,机动车尾气逐渐成为大城市空气污染物的重要来源[5]。据统计,北京地区 PM1来源中机动车贡献了 23%,超过了工业燃煤贡献的 18%和生活燃煤贡献的 14%[6]。与工业污染排放相比,机动车尾气排放处于行人活动街区,对行人呼吸影响更为直接。机动车尾气中含有 CO、SO2、NOx、VOCs、O3 和颗粒物等污染物[7],直接伤害人体健康,其中 CO 会进入血液与血红蛋白相结合,导致人体机体组织缺氧,对心脏和大脑造成损害;SO2 有强烈的刺激性气味,溶于水中会形成亚硫酸,是酸雨的主要成分;NOx具有不同程度的毒性,会刺激上呼吸道,引发咽部不适、干咳;VOCs 会引起内分泌失调,甚至引发白血病;O3 具有强氧化性,会刺激伤害眼、鼻、喉;可吸入颗粒物具有一定的致癌性;短期吸入尾气会导致头痛、恶心,长期吸入尾气甚至会损害人体心脑血管、神经系统、免疫系统和生殖功能,持续的污染天气也会损害居民的精神状态和情绪[8]。
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1.2 国内外研究现状
为了改善提高城市居民的生活环境,探索街谷中空气流场和机动车尾气污染物的输送和扩散特征,从街道峡谷的概念由 Nicholson[20]在 1975 年提出至今,国内外学者进行了大量的研究。目前实地测量、物理模型实验(包括风洞实验与水槽实验)和数值模拟等方法,被广泛应用于探索研究城市街道峡谷内空气流场和机动车尾气污染物传输、扩散的规律。实测数据是最可靠的第一手资料,通过实地测量可以得到街道峡谷内速度场分布与污染物浓度场的分布规律,可以提供各种污染物扩散模型的验证,也可以适用于不同的预测空气污染模型[21]。Johnson[22]依据观测数据,得到街道两侧建筑物高度与街道两侧污染物浓度分布之间的关系,为其它污染物扩散模型的建立提供了设计依据。DePaul[23]的测量结果表明,在风速不小于 2m/s 且建筑物高宽比为 1.5 的情况下,街谷内部会有一个稳定的漩涡形成。周洪昌[24]用北京市前大门街的 CO 实测数据,探讨了街谷内 CO 污染物和建筑结构、尾气排放与气象条件的规律。简颖涛等[25]用南海市城区一交通干道的 NOx 观测结果,探讨了来流风速、气温、光照等参素对污染物扩散的影响规律。L.Y.Chan[26]等实地观测了香港某街道峡谷内 PM10 和 PM2.5 的分布情况,认为颗粒物浓度受街谷高宽比与主要风向的共同作用,在垂直方向颗粒物浓度呈指数下降。Kennedy[27]的测量得出在固定的街道峡谷宽高比下,进一步确认污染物浓度与高度方向符合指数性规律下降。Qin 等[28,29]实地观察统计发现街道峡谷迎风面的尾气浓度并非绝对性的低于背风面。Louka[30]对狭长的街道峡谷进行实测,认为屋顶形态与街谷内空气流场有直接的关系。实地测量的数据虽然真实, 但城市环境监测点在数量和位置上根本不能做到面面俱到,而且监测点的布置基本上是基于经验而不是科学化的指导,甚至浪费了大量的人力和物力,所以并不能完全代表城市区域的实际环境污染状况[31]。
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第二章 街道峡谷数值模拟的数学物理模型
 
街谷内的流场和污染物浓度分布受来流风向、污染源强、绿化带、热和建筑结构尺寸等不同条件的影响,随着计算流体力学的不断完善和计算机运算水平的提高,数值模拟成为了研究街道峡谷环境中传热、传质和污染物输送的重要手段[91-102]。与实验相比,数值模拟计算简单,成本低廉,通过调整改变模拟程序中的边界条件设定,可以研究不同参数条件下的街谷模型,根据数据的处理分析,经过结果分析比对能得到街谷内详细的流场和污染物特征。街谷内污染物分布规律取决于街谷内的流动规律,而街谷内的流动形态的获得取决于数值模型的选取、网格化分、离散格式以及算法。湍流计算方法的选取和确定决定了模型迭代的计算速度,网格的离散划分直接影响数值模拟的预测精度。已有众多文献对街谷数值模拟方案进行了总结和讨论[92-102],但是由于研究者们对具体研究的问题及衡量的标准各有不同,并没有统一的结论可以直接应用于含高架桥的十字路口街谷。本章针对含高架桥的典型十字路口街道峡谷内空气流场和污染物扩散问题,选取合适的湍流模型,对湍流计算方法在该街谷中的适用性进行验证对照,并对计算域离散后的网格进行分析,通过与风洞实验实测数据做比较,来检验湍流模型对数值模拟预测的正确性。
 
2.1 湍流模型
直接数值模拟方法是指在湍流尺度的网格内,对奈维斯托克斯方程直接做出求解,不需要对湍流流动作简化或近似,其计算结果精准无误,而且可以获得湍流的全部详细信息。但是直接数值模拟方法所需要的模型网格数和计算时间步长很长,对计算机的配置要求非常高,因而数值计算成本过高。目前在实际工程中无法使用直接数值模拟方法,仅能被拿来做非常简单的湍流流动运算。大涡模拟方法是对大尺度网格的湍流运动直接求解瞬态控制方程来进行计算,对小尺度网格的湍流运动则采用亚格子模型进行模拟处理。对计算机内存和计算速度要求远小于直接数值模拟方法,但一定程度上仍然偏高。目前有部分学者[100、105、106]利用大涡模拟对街谷内流场特征和污染物浓度特性进行了分析讨论,能够得到较为可靠的模拟结果,但考虑到本文含高架桥的十字街口具有较大的尺寸模型和数百万的网格划分,大涡模拟计算成本非常高,几乎是 Reynolds 平均法的百倍[107],并不是经济合理的计算模拟手段。
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2.2 计算模型
 
2.2.1 模型介绍
如图 2-1 所示,以太原市某典型城市高架路交叉街谷——南中环街与新晋祠路交叉口为研究对象,十字路口周边各建筑物高 40m,宽 20m。平行于高架桥方向的南中环街街道为主干道,宽度为 40m;在高架桥下方地面左右两侧各有 6.6m 宽度的双车道,紧邻建筑则有 3.4m 人行道。设高架桥平行于 Y 轴方向,上引桥和下引桥各长 50m,平行于地面的高架桥距地面 5m,桥体高 1m,宽为 20m。新晋祠路为辅路,设其平行于 X轴方向,其街面宽 20m,机动车路面部分宽 13.2m,邻近建筑有 3.4m 人行道。
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第三章 风向平行于高架桥方向时城市十字路交叉口的街谷空气环境...........17
3.1 风向平行于高架桥方向时城市十字路交叉口的空气流场......17
3.1.1 X 轴截面上的流场分布和气流速度.....17
3.1.2 Y 轴截面上的流场分布和气流速度.....23
3.1.3 Z 轴截面上的流场分布和气流速度.....26
3.2 风向平行于高架桥方向时城市十字路交叉口的湍流分布......28
3.3 风向平行于高架桥方向时城市十字路交叉口的 CO 浓度分布......36
3.4 本章小结......44
第四章 风向垂直于高架桥方向时城市十字路交叉口的街谷空气环境.....47
4.1 风向垂直于高架桥方向时城市十字路交叉口的空气流场......47
4.2 风向垂直于高架桥方向时城市十字路交叉口的湍流分布......57
4.3 风向垂直于高架桥方向时城市十字路交叉口的 CO 浓度分布......65
4.4 本章小结......73
第五章 结论和展望.........75
5.1 主要结论.....75
5.2 研究创新和展望..........78
 
第四章 风向垂直于高架桥方向时城市十字路交叉口的街谷空气环境
 
本章对风向垂直于高架桥方向时,风速为 3m/s 的情况下,城市十字路交叉口街谷空气环境进行了研究,讨论了十字路交叉口处街谷内典型位置处气流特征、湍流分布规律和污染物扩散情况。
 
4.1 风向垂直于高架桥方向时城市十字路交叉口的空气流场
图 4-1 分别为含高架桥的十字路交叉口处的 Y=30m 截面的空间布局示意图、流线分布图、速度场分布图和沿 Z 轴高度方向速度值。图 4-1(a)显示在 Y=30m 截面,主干道处为高宽比 1/1 的孤立理想街谷,远离十字路交叉口,为高架桥上引桥位置;观察图4-1(b)可知,气流在街谷上方形成上跃激流,下游建筑上方形成一个顺时针涡旋,气流在街谷中绕过高架桥桥面,沿 Z 轴分别自背风面、中部和迎风面位置竖直向上,流出街谷。观察图 4-1(c)和(d)可知,自地面向上沿 Z 轴方向,主干道街谷背风面 0-10m 处,速度自 0m/s 增长至 0.8m/s,在 10-40m 处,速度保持稳定不变;街谷中心沿地面 0-5m 高架桥下方处,速度由近地面的 0m/s 升高至 0.2m/s,又降低至 0m/s,在 7-20m 处,速度自 0m/s 增长至 0.8m/s,在 20-40m 处,速度自 0.8m/s 降低至 0.4m/s;街谷迎风面沿 Z轴方向 0-15m 处,速度自 0m/s 增加至 2.8m/s,在 15-35m 处,速度降低至 0.1m/s,然后在 35-40m 处又增加至 0.4m/s。街谷内部迎风面速度相对较大,中部和背风面的速度相对较低。
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结论
 
当来流风向平行于含高架桥主干道街谷方向时,受高架桥上下引桥的阻挡作用,来流在上引桥下方收缩形成低风速涡旋,造成高浓度 CO 淤积,随高架桥水平路段的延伸,高架桥下方 CO 浓度逐渐降低,改变了街道后半段污染物浓度会产生聚积的现象;高架桥上方行人呼吸高度处 CO 始终保持极高浓度,几乎是辅路同一高度的两倍;十字路口拐角处的水平涡旋会将主路上的高浓度 CO 带入辅路。在高架桥下方位置,流场流线先在高架桥上引桥下方处收缩,受高架桥上下引桥的阻挡,高架桥上引起侧边道路的速度会有一个压缩提高的突变,受上引桥的阻挡作用,上引桥下方会形成回旋涡流,速度衰减极大,经过稳定性发展后,在高架桥中后方下引桥附近再次扩张流出街谷,十字路交叉口处产生水平涡旋。高架桥下方与上方的速度分布完全不同,高架桥侧边道路上速度明显高于高架桥上方道路,其分布规律与靠近地面的摩擦,以及高架桥上下引桥的阻挡作用密不可分,当靠近地面或高架桥时,摩擦阻力的作用会导致来流速度极低。辅路位置街谷内部在靠近十字路拐角处产生涡旋,在远离十字路拐角处流线向上流出,导致各处速度分布不均匀,辅路段靠近十字路交叉口处速度较大,远离十字路交叉口速度降低很快,辅路街谷迎风面速度远大于街谷中心和背风面。在远离十字路拐角处的辅路位置,整体上体现为靠近街谷底部速度偏小,在靠近街谷中上部速度较大的分布规律;在靠近十字路拐角处的辅路位置,整体上体现为街谷中部位置速度整体较大,靠近街谷顶部和底部位置速度较小。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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