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Atmospheric Environment 45 (2011) 4930-4940
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大气环境
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在建筑环境中，上游建筑对近场污染物扩散的影响
B. Hajraa,*，T. Stathopoulosa，A. Bahloulb
a建筑研究中心，建筑系，土木与环境工程，康考迪亚大学，蒙特利尔，加拿大
bRobert-Sauveacute;研究所,健康和劳动安全，蒙特利尔，加拿大
文章信息
文章历史：
2010年12月21日初稿
2011年5月28日修改稿
2011年6月1刊登
关键词：扩散、风洞、上游建筑、再循环区、烟囱、美国采暖、制冷与空调工程师学会2007
摘要
本文研究了近场污染物扩散特性对建筑环境的影响，并将其与2007年ASHRAE的研究模型进行了比较。对9种不同的建筑结构进行了风洞模拟，分别为3个排气动量比(M)和3个烟囱高度(hs)。此外，还研究了建筑物的上游边缘处(X)和烟囱位置之间的间距(S)的影响。在排放处和上游建筑物的屋顶和背风墙上进行气体浓度的测量。数据显示，在再循环区内，上游建筑物的风向的变化对下游建筑物的排放的稀释影响可以忽略不计。然而，发现建筑物和上游建筑物高度之间的间距是评估羽流稀释的关键参数。羽流几何形状主要由上游建筑物的风向决定。ASHRAE（2007）的所有案例的稀释度较低，导致保守或非常保守的设计。然而，ASHRAE 2007年没能模拟上游建筑的影响，因此需要对其公式进行进一步的调查。本文讨论了在建筑物顶部放置入口和烟囱的指导方针，以避免重复引入问题。
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1.介绍
近场的污染物浓度是大多数健康物理学家和监管机构关注的一个原因。在再循环区域内从屋顶堆放出的污染物质可能不仅会重新进入被释放的建筑物，而且还可能影响附近邻近的建筑物（Stathopoulos等，2008）。
大多数关于近场污染物分散的研究主要集中在隔离建筑物上（Schulman and Scire，1991）。有许多涉及城市色散模型的研究。例如Kesarkar等人（2007）试图使用印度浦那颗粒物质分散的现场数据验证AERMOD; 尽管在这种情况下，受体位于远离源的位置。对相邻的建筑效果进行了很少的研究，这当然更加符合实际。事实上，与大气湍流更重要的远场问题相反，羽流的流动结构受到邻近的建筑的影响很大，区分近场和远场色散问题并不准确。1998年，Wilson等人根据ASHRAE 2007，基于逆风建筑尺寸估算，将近场定义为源于“再循环区域”。
除ASHRAE之外，众多的分散模型也被用于在诸如PRIME和ADMS等建筑物的存在下评估羽流稀释。ADMS-BUILD在1982年在里斯本举行的EUROMECH会议上首次被描述（Hunt和Robins，1982），其当前版本ADMS 4包括当前版本的ADMS-BUILD。作者对这些模型是否适合模拟分离建筑物污染物分散的研究进行了广泛的研究（见Stathopoulos等，2008）。研究表明，大多数这些模型不能评估建筑物的再循环长度内的流量结构复杂的羽流浓度。 预测了较高的屋顶浓度，结果过于保守（Hajra等，2010）。使用田间分散问题的现场和风洞数据进行ADMS的验证研究，例如美国气体协会实验的实地研究（Engineering Science，1980）其中羽毛从堆叠堆放起，受体位于距离超过50米的地面上; 以及七个测试用例的地面集中分布（Robins和McHugh，2001）。关于ADMS和其他环境保护局（EPA）模型Riddle等 （2004年）宣布：“这种大气分散包装无法评估建筑物对流场和动荡的局部影响，以及天然气是否将被排入建筑物之中。AERMOD，ADMS和PRIME的评估由Hanna等人进行 （2010）通过与五组不同的现场测量进行比较。研究报告说，PRIME预测的浓度高于田间数据。 大多数EPA模型的一个共同特征是，尽管它们能够估计除地平面受体外的建筑物的墙壁或屋顶上的浓度; 它们在再循环区域内具有均匀的浓度，对于这种情况使得它们是不可靠的。ASHRAE是唯一基于高斯模型，考虑到建筑物后面形成的再循环区域，以估计屋顶上的羽流稀释。
本文介绍了九种不同配置的风洞结果，三个不同的堆叠高度（hs）为1,3和5 m，排气动量比（M）范围从1到3，水平方位角0°，即垂直于建筑物源的再循环区域内。M相当于排气速度（Ve）与建筑高度（UH）风速的比值。 实验在康科迪亚大学开放式边界层风洞进行。本研究中使用的建筑物有平屋顶，受体位于建筑物屋顶，上风和下风墙上。本文报告的研究是开发和改进现有ASHRAE模型的一部分。
本文第2章描述了建筑物再循环区内的气流和污染物运输，其次是ASHRAE 2007的配方即第3节。风洞实验设置和各种配置检查分别在第4章和第5章进行了讨论。第6章介绍了第7章中设计指南的结果和讨论。总结和结论见第8章
2.建筑物循环区内的气流和污染物运输
当风撞到建筑物时，其在边缘处经历分流并形成再循环区（图1中分别示为Lc和Lr）。根据ASHRAE 2007，通过使用垂直于风向的建筑尺寸来估计在尾迹处的再循环区域的尺寸（如图1中的Lr所示）：
其中：Lr是循环流量（m）区域的长度，Bs是垂直于风向（m）的较小的建筑尺寸，BL是垂直于风向（m）的较大建筑尺寸。
Lr的计算是基于Wilson（1979）的工作。 还可以使用不同的再循环长度评估方法（ADMS和PRIME），并在本文中进一步介绍和讨论结果。如图所示。 1，建筑物通常影响到距建筑物屋顶高达约1.5倍“R”的流量，其中“R”是屋顶流动图案的缩放长度，以Lr表示。 在等式（1）中。形成在屋顶上的再循环区可以夹带羽流的部分，从而使其更靠近屋顶表面，随着排气速度的增加，这种现象逐渐减少。如图3所示的羽流轨迹。 2，其基于Wilson等人的水通道研究。 （1998），只不过是一个单一的概念，随着时间的推移，将会观察到非常广泛的“轨迹”，并不是所有这些轨迹都会向上游行进。
然而，大多数以前的研究没有集中在详细的分析，考虑到各种参数的变化，例如上游建筑尺寸，堆高度和位置的变化，变化的排气速度等，这些都集中在本研究中。
3. ASHRAE 2007
2007年ASHRAE设计了两种技术：几何设计方法和高斯羽流方程。前者用于评估最小堆高以避免羽流物质进入再循环区域，而后者用于估计给定屋顶受体处的羽流稀释度。
3.1 几何设计方法
几何设计方法是基于羽流的几何形状，如图1所示。 1.建筑物和屋顶结构（RTS）上形成的流动循环区的尺寸为：
Hc=0.22R
Xc=0.5R
Lc=0.9R
其中：Hc是屋顶再循环区域的最大高度（m），Xc是从前缘到Hc（m）的距离，Lc是屋顶再循环区域的长度（m）。
3.2高斯羽流方程
为了评估屋顶受体上的羽流稀释，ASHRAE（2007）提出使用高斯方程。 评估稀释度所需的一些参数包括屋顶上羽流（h）的有效高度：
h=hs hr-hd
其中：hs是堆高度（m），hr是羽流上升（m），hd是由于在强风（m）期间夹带到堆尾中而导致的羽流高度减小。
使用Briggs（1984）的公式计算出的羽流升高，其假设是瞬间发生，仅由于动量：
其中：de是堆叠直径（m），Ve是排气速度(m/s)，UH是建筑高度的风速(m/s); 而b是堆叠封顶，对于未封装而言，值为1，堆叠为0。
不考虑羽流浮力的影响。
Wilson等人 （1998）推荐了一个堆栈唤醒降频调整hd，其定义如下：
稀释度Dr定义为：
Dr=Ce/Cr
Ce=污染物排放物质量浓度，kg /m3，
Cr =受体中的污染物质量浓度，kg/ m 3。
在最终升高羽毛高度h时发射的高斯羽流中屋顶高度的稀释为：
式中
方程（8）只是地面浓度的标准高斯羽流表达式的倒数，总发射率（Q）以源直径和排放速度表示。可以注意到，尽管Dr表示为Ce / Cr，受体浓度Cr与污染物排放率Q成正比，而不是污染物排放浓度Ce。通过添加空气可以改变排放浓度，而不影响特定情况下的受体浓度。 对于本研究，从等式（8）计算的稀释度已被转换为归一化形式，以便于以前的研究进行比较：
4. 风洞实验设置及仿真条件
在Concordia大学的开路边界层风洞进行风洞实验。 风洞截面为1.8平方米，长12.2米。用作涡度发生器的尖顶和粗糙粗糙度元素用于产生强度大气边界层，功率律指数（a）为0.31，对应于根据ASHRAE（2009）的城市地形暴露。风洞地板镶嵌有5厘米立方体，交错排列并彼此隔开约6厘米。速度和湍流强度分布如图1所示。3. 在整个试验过程中，风洞中的流动是湍流的，具有稳定的时间平均流动条件。调整隧道屋顶以确保纵向静压梯度可忽略不计。 风洞的前视图部分如图所示。纵向积分尺度的模型值为0.4 m，对应于80 m的满刻度值。上游曝光的模型粗糙度长度为3.5mm，这对应于0.7m的全尺寸粗糙度长度。梯度高度（边界层厚度）为95cm。 在风洞中测量建筑物高度（UH）的风速为6.2 m/ s。在风洞测量的湍流强度与工程科学数据单位（ESDU，1974）获得的相似条件下，发现了良好的比较。
由六氟化硫（SF6）和氮气的混合物组成的示踪气体在1至3的M范围内释放，hs从直径为3mm的堆叠的1m至5m释放，表示满量程值为0.6m。一旦经过约4分钟的操作后风洞稳定，通常进行测量。 风洞的高度足以使羽流的水平和垂直发展。 使用连接到注射器取样器的管子从每个受体收集SF6样品，其可以在1分钟的时间内吸取样品。由于有效的通风设施和实验室的体积，背景浓度不太可能影响测量。关于模型立方体表面上SF6的风洞测量的详细的以前的实验发现，减去背景浓度对结果的差异可以忽略不计（Saathoff等人，1995）。气相色谱仪（GC）用于评估注射器取样器的浓度。 浓度偏差在plusmn;15％以内，通常被认为是可接受的（Stathopoulos等，2008）。
Snyder（1981）认为，对于非浮力羽流排气的建模，需要满足以下标准：
几何相似度
雷诺数gt; 11000
堆叠雷诺数gt; 2000
风洞流与大气层的相似性
当量堆积动量比。
对于在风洞中进行的污染物分散研究，保持建筑物和堆垛周围的紊流非常重要。 在本研究中，雷诺数的建筑和堆叠数量分别为20000和1800。Saathoff等人，1995年提出，“通常不可能满足小直径叠层的堆叠雷诺数，并且难以将这种堆叠的流动跳闸”。尽管如此，雷诺数的堆叠数略小于2000，但这可能对测量结果影响不大，如Hajra等人所述。（2010年）。
当堆叠和受体彼此靠近时，如本研究所示，平均时间的影响可能不显着。事实上，ASHRAE 2007中描述的羽流传播是基于McElroy和Pooler（1968）的现场实验，也被用于EPA模型工业源复合体短期（ISCST）。ASHRAE指出，“城市ISCST方程在这里从60分钟测量的平均时间调整到2分钟平均值。然后假定在建筑物屋顶上的垂直分布在2分钟平均时间值保持恒定较长的平均时间”。如预期的那样，等效平均时间取决于模型尺度和风速，即时间尺度是Lref / Uref。 平均值也取决于存在的空间湍流尺度。既然，风洞中既没有非常大的地球物理尺度和大的昼夜尺度，所以在一些模型时间之后，所有的平均值都是相等的。一般来说，通过羽毛传播的实验比较已经发现，良好模型的风洞羽流以相当于现场平均值约1/2小时的速率传播。Hajra等人提供了更多的时间尺度论证（2010年）。然而，在本研究中，采集样品的平均时间仅为1分钟，因为用于采集样品的仪器只能在最大平均时间为1分钟时测量样品。
5.配置检查
研究中使用了六种木制建筑模型。 检查了九种不同的结构，以评估上游建筑物的近场羽流特征。每个建筑模型的尺寸如表1所示。
ADMS / PRIME的预测基于Fackrell和Pearce（1981）：
当L / H的比例超出指示的范围时，使用更近的极限来计算Lr。表1显示，基于ASHRAE计算，再循环长度的最低值为22.3 m，最高值为51.2 m。然而，ADMS / PRIME预测比ASHRAE 2007更高的价值，其使用Lr的值来评估屋顶稀释度。在等式（8）中，被定义为h和Hc之间的差值，Hc是屋顶再循环区域的最大高度，并由式（2）计算为R（Lr = R）的函数。如果ASHRAE 2007年的Lr预测值较高（如ADMS中的值），值将最终导致较低的稀释度（更高的屋顶浓度），使结果更加保守。
图5和图6显示了建筑物上的堆叠和受体位置的不同配置。受体仅沿着建筑物中心线定位，而不是在各个表面上横向设置; 它们在屋顶上相隔5米，中低层建筑物的上风和
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