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流场和污染物扩散在远距离的测量和数值模拟
摘要
在住宅建筑设计中，通过自然通风，可以作为一个开放的地下空间，帮助改善邻近地下室的居住环境。为了研究这种主要由风力驱动的特殊通风现象，本文的第一部分通过风洞实验对空气流场和污染扩散进行了研究。在实验中，对宽高比为0.3 ~ 1.0的矩形空腔式空区模型进行了平均流速、湍流度、浓度的测量和流动可视化，并研究了地上建筑对空腔式空区模型的影响。实验结果表明，在远离区模型内部存在着不同的非定常涡动气流模式，这表明w/h比和地上建筑物是远离区通风的重要因素。此外，为了计算流体动力学(CFD)模型的验证，还将流场的实验结果与仿真结果进行了比较。w / h = 1的通道模型被用于这项研究和模拟进行了使用大涡模拟(LES)和标准k-ε湍流模型。数值计算结果与实验结果吻合较好。此外，还对其流场特性、污染物去除特性以及通风性能进行了进一步的研究。
- 引言
近几十年来，随着人们对城市生活空间的需求越来越大，在住宅中设计地下室作为额外的居住空间是可以接受的，尤其是在东京这样拥挤的大都市。虽然在以前的一些文献(Al-Mumin 2001)中已经讨论过地下住宅的许多优点，但仍然有必要在地下室中保持健康的空气质量水平。在这种情况下，通常需要机械通风系统。另一方面，地下室的通风主要是由风力驱动的，而使用通风口可以作为实现自然通风的另一种选择。如图1所示，作为一种被动式设计策略，areaway指的是一个开放的地下空间，通过窗户或门道等之间的开口，允许进入、空气和光线进入邻近的地下室。在日本，根据2000年修订的日本建筑规范，建议在住宅地下室前建一个通海或Karabori。在一些现代住宅建筑中，地下室被用作住宅用途。同样的概念或建筑形式也可以在世界各地的一些土方住所中找到。一个例子就是著名的尧东(图2)，即使在今天，黄土高原仍然居住着近4000万中国人(1992年的戈兰尼)。虽然当代建筑与乡土建筑有许多共同的特征，但也存在一些差异，如地上建筑的存在和几何尺度的不同。这些差异可能会导致分选性能的显著差异，这一点目前还没有得到研究。
从空气交换过程和机理上看，远缘空间的气流与街道峡谷的气流相似。因为宽度,高度(w / h)通道空间的长宽比小于1.0,长度,高度(l / h)纵横比大于1.0在大多数场合,根据好的年代流分类政权(1988年没问题的),这个空间内气流模式浏览流态,具有循环漩涡通道内的空间。即当风向垂直于空腔长轴时，顶层形成剪切层，内部流动几乎与外部盛行风隔离。在这种情况下，与平均流量对应物相比，湍流效应主导通风或空气交换过程(Louka et al. 2000)。此外，由于浮力通常比接近的风诱导或建筑物诱导的乱流小，因此，在远离的空间内的气流可以被假定为中性浮力流。
许多研究已经进行开放cavity-like空间流动模式和色散问题,如街道峡谷,主要基于计算流体动力学(CFD)建模和风洞模拟,详细审查的李et al。(李et al . 2006年),和Ahmad et al。(Ahmad et al . 2005),分别。近年来，人们提出了一些新的方法和通风效率指标来研究通风机理或评价通风性能。Liu等(2005)分别以空气交换率(ACH)和污染物交换率(PCH)为代表参数，利用假设的地面连续污染源来量化街道峡谷的通风和污染物去除性能。Hang et al.(2009)基于空气理论的时代背景，利用最初为示踪气体技术发展起来的空间均匀排放法，分析了城市冠层通风的空气交换效率。
此外，在气流和弥散特性方面，还存在其它方面的空间特征，如横向侧壁的几何限制、地上建筑物的影响、污染源的位置等。通过对上述特征的研究，可以扩展已有的空腔流动知识。
为了了解气流在离群空间中的基本特性，获得有关这一特殊通风现象的可靠信息，本文采用理想化的离群模型代替真实的离群形态进行了实验和数值研究。在风洞实验中，进行了流动可视化，给出了通道模型内部流动现象的清晰定性图像。对w/h比为0.3 ~ 1.0的矩形空腔样空区模型进行了平均速度、湍流度和浓度分布的测量，并考察了地上建筑物存在的影响。流场的数值模拟,预测进行了w / h = 1.0的通道模型使用大涡模拟(LES)和标准k-ε湍流模型。在LES计算中，还研究了加入湍流脉动的影响。并对其流场特性、污染物去除特性及通风性能进行了进一步的研究。值得注意的是，在本论文中，假设室外空间没有大的热源，只考虑了风力驱动的自然通风。
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风洞实验
- 实验布置
实验是在中性大气条件下，在东京大学工业科学研究所的边界层风洞中进行的，该风洞的工作部分长16.5米，宽2.2米，高1.8米。利用塔尖和3种粗糙度单元的组合，在试验段生成了较厚的边界层。如图3(a)和(b)所示，在风洞测试部分的地板下放置了一个由透明浇注丙烯酸制成的矩形腔体，以近似1/30的比例模拟远离空间。宽度的areaway (w)模型可以改变，允许调查的w/h高宽比从0.3到1.0。此外，在风洞层上安装了一个可拆卸的矩形盒子，模拟了地上建筑对远处空间流型的影响。本研究选取建筑模型高度ZR (200mm)作为参考高度，并以临近流的自由流平均速度UR作为参考速度。因此，参考时间TR为ZR/UR。速度测量UR为5.7 m/s，流动显示和弥散测量UR为1.3 m/s。采用稀释的乙烯(空气中含量为1.19%)作为示踪气体，从通道一侧钻出的四个直径为6毫米的孔中排放(图3(c))，以模拟假设的地下室污染物的生成。示踪气体的总排量较低，为4.0 cc/s，因此射流速度对通道内的气流影响不大。将烟雾发生器放置在试验段上游风洞底板上进行流动显示实验。
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- 测量技术
采用分束光纤探头(SFP;与恒温风速表(CTA)配合使用。SFP能够检测局部流动方向的倒转，用于测量纵向速度分量(Ishihara et al. 1999)，适用于测量区域内高湍流强度的流场。在实验中，以1 kHz的采样率采集了32 768个样品，在每个点测量了三个速度分量，以描述平均流场和研究湍流结构。实测的流向平均速度和纵向湍流强度的趋近流场分布如图4所示。在这里，速度分布服从幂律分布，指数接近0.25，底部附近的湍流强度约为30%。根据美国土木工程师协会(ASCE 1999)给出的粗糙度类别，所产生的边界层流代表了住宅郊区地形中接近的风条件。示踪气体的平均浓度由火焰离子化检测器(FID)以0.8 cc/s的采样率测量。采用激光平板法，对远场模型对称截面内流场的时间演化进行了可视化研究。所有浓度测量均以无量纲浓度K的形式进行无量纲化，
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实验结果
- 不同展弦比的流道内流场
首先，我们研究了四个w/h高宽比(1.0、0.7、0.5和0.3)的远离空间的流场，假设没有地上建筑模型。就平均流场而言，除靠近侧墙平行于流向的区域外，均可认为是二维的。
如图6和图7所示，四种情况下的速度场均属于撇渣流型(Oke 1988)，不同的w/h比导致了不同的流型。作为流场可视化的一个共同点，可以观察到区域内的期望环流流。从w/h=1的流场和可视化结果可以看出，一个沿流向和垂直方向扩散的主旋涡顺时针绕着远离中心旋转。靠近底部的涡流方向与外部靠近的流动方向相反。在展弦比减小的情况下，w/h=0.7时，主涡依然存在，但在下游壁面附近的下角出现一个小的再循环区域。在w/h=0.5的情况下，低涡的大小呈逆时针方向旋转增大，但仍相当微弱且呈间歇性。可视化结果表明，上涡受外流驱动，下涡受上涡驱动。在w/h=0.3时也发现了类似的特征，在远离区模型的下部流型表现出较弱的湍流特征(图7)。这说明高空边界层流动很难穿透到深底部，因此导致了较差的通风。此外，在可视化中还可以在远离涡的底部附近间歇地观察到第三个涡。值得注意的是，顶部的剪切层本质上是不稳定的，这导致了该区域内回流流动的强烈间歇性。这与areaway空间上临近边界层流动的高湍流度和剪切层中的开尔文-亥姆霍兹不稳定性有关，后者起源于上游角(Letzel et al. 2008)。
四种纵横比的TKE等值线如图8所示，图8是由测量的三个波动速度分量计算得到的。从图中可以看出，由于剪切力的剧烈作用和较高的入流湍流强度，在顶层以上的湍流边界层中存在较高的TKE值和较高的梯度，在背风面空间内的TKE值较高，特别是在顶部角附近，说明靠近顶部的高TKE主要是在背风面区域被平流或搬运到背风面空间。另一方面，在主涡中心附近、背风面和主涡下区域，TKE值较低。随着w/h比的减小，TKE在距离空间的下半部分减小。
此外，通过将通道长度从200mm改为100mm，进行了跨向长度对V1中段流场影响的对比试验。结果表明，这两种长径比的平均矢量场和湍流动能等值线几乎没有差异。结果表明，除离侧壁较近的区域外，沿展向的有限长度的射流流场对离侧壁较近区域的流场没有明显的影响。
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- 受地上建筑影响的流场
以地上建筑物为例，对w/h比为1.0的巷道模型进行了分析。第一个是当建筑位于背风一侧的通道,也就是说,theta;= 0(参见图3 (a)),另一个在迎风面,即theta;= 180。
显示在图9中(a)对于顺风建筑的情况,因为有一个强大的向下运动效果接近风对建筑低于驻点,动量的平流和湍流运输比那些在没有上述——地面建筑和强烈的顺时针漩涡在里面的通道空间。由于沿面速度很小，所以在对称截面V1内的测量流型近似为二维。在另外两部分，随着展向速度的增加，由于地面建筑物和远离地面的侧壁的影响，产生了三维流动模式。图9(b)所示，逆风建筑的流型与背风空间的流型也具有相似的特征。此外，在该建筑模型的尾迹区域产生了两个耦合涡:一个是远离涡外部的顺时针大涡(未显示)，另一个是远离涡内部的逆时针大涡。
图10(a)及(b)分别显示下风建筑物及迎风建筑物的TKE等值线。虽然两种情况下的外部流动条件相同，但TKE的大小和分布明显不同。对于下风建筑的情况，TKE在被调查的三个部分之间的分布有所不同，平均值是没有建筑模型的情况下的20多倍。研究还发现，在V1和V3剖面中，不仅在顶部区域附近，而且在距离的底角附近也有较大的TKE值。这与建筑物下冲效应引起的强烈平流有关。
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- w/h=1.0区域内浓度场
图11(a) (c)为三个剖面的无因次浓度场(图5(b))，其中w/h比为1.0，未设置地上建筑，四个示踪气体源均位于迎风壁上。为了比较，我们又对位于背风壁上的震源进行了一次实验，如图11(d)所示，目的是研究震源位置的影响。为了进行更定量的比较，在每个剖面上取无量纲浓度的平均值，如表1所示。与对称剖面C1相比，由于离源距离不同，其他两个剖面的浓度较低，尤其是C2剖面，K值降低了50%以上。同样如表1所示，示踪气体从背风壁释放时，虽然流场相同，但对称截面的平均浓度较迎风壁释放的平均浓度降低了近25%。因此，在这种情况下，通风效率可以得到提高，这表明污染源的位置是研究污染物在区域内扩散的一个重要因素。从图11中还可以看出，无论剖面的位置和震源的位置如何，在顶部一般都有一个陡峭的浓度梯度，而在距离较远的区域内，每个剖面的浓度都是一个数量级。此外，迎风区域内的浓度水平低于背风区域内的其他区域，特别是背风区域，因为可以观察到迎风区域内浓度相对较低的外部湍流断断续续地进入了迎风区域的迎风空间。浓度场与图8所示的TKE分布有一定的一致性，说明湍流扩散对污染物的去除起着重要的作用。
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- 不同w/h区域内浓度
如图12所示，无量纲浓度在远海空间内总体呈上升趋势，而宽高比则呈下降趋势。例如，从表1可以看出，w/h=0.3的切片平均无因次浓度是w/h=1.0的7倍多。此外，在深部远海情况下，远海空间下区浓度远高于上区浓度(w/hlt;1.0)。这主要是区域内流型变化的结果，也与污染源的位置有关。正如3.1节所讨论的，对于深水航道，w/h=1.0的主涡被偏置到上部位置，在下部区域被一个甚至更多的弱涡所取代。低涡的存在使下游地区释放的污染物难以向上迁移，从而导致高浓度的污染物。
3.5地上建筑对浓度场的影响
图13(a)和(b)显示了三部分的无量纲浓度场(见图5(b))，分别为下风建筑情况和迎风建筑情况。有关积水剖面的平均浓度值见表2。与无建筑的情况相似，对称剖面的平均浓度高于C2、C3剖面。然而，由于地上建筑物的影响，三维湍流流动结构复杂，其浓度分布存在较大差异。例如，在顺风建筑案例中，离侧翼墙最近的部分C2的底部区域比离侧翼墙最近的部分的顶部区域浓度更高。由表2还可以看出，与没有地上建筑的情况相比，下风建筑和迎风建筑的三段平均K分别降低了约70%和30%。这主要是由于高速度和高TKE分布在通道空间在这两种情况下,这意味着与顺风或逆风建筑,当地流结构有很大的不同的通道空间和通道的通风性能空间可以在很大程度上提高。
- 数值计算
近几十年来，计算流体动力学由于能够提供比测量更详细的信息结果而越来越受欢迎。特别是近年来，作为CFD模型之一的LES已成功应用于建筑通风问题(Walton和Cheng 2002;Jiang等，2003;该模型在非定常湍流现象预测方面的精度优于目前常用的雷诺平均Navier-Stokes (RANS)模型。在本节中，我们采用CFD作为另一种方法来研究w/h=1的远区模型内部的详细流场。
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- 计算描述
三个案例:case-LES case-LES-t case-RANS,仿真进行了研究,其中case-RANS是基于标准k-ε湍流模型和基于LES模型。case-LES-t与case-LES唯一的区别在于case-LES-t中湍流边界层的瞬
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