来流风速下街谷流场特征会产生穿睡衣

以一氧化碳为代表污染源，探究不同来流风速下街谷内风场和污染场分布特征。污染物浓度由低向高逐渐降低，且向背风面堆积。随着风速增加，中心面处回流作用增加，迎风面污染物浓度稀释；端口面处，顺时针大涡旋持续向左移动，风速高于每五米每秒该涡旋无法起到封闭作用，加速街谷内部与外界空气交换速度。污染物主要受三个区域控制，随着风速增加，整个街谷回流作用持续增加。

本文拟将就上述内容展开分析关于风速对狭长街谷内污染物扩散影响的研究。

一、前期概况

随着全球城市化加剧，机动车数量与日俱增。在机动车给更多人带来交通出行便利的同时，随之增加的汽车尾气排放也逐步超过工业废气排放，成为城市大气污染的主要源头。交通排放导致了许多气候和环境问题，为人们带来了呼吸道和肺部疾病，其甚至对社会造成了相当大的经济损失，显然空气污染已经成为了世界关注的主要问题之一。

结合实际，模拟了交通堵塞情况下，汽车尾气排放对接到峡谷造成的污染，不同污染物遵循相同的物理扩散规律，所以文章采用一种污染物为代表描述街谷中污染物扩散，由于怠速情况下机动车尾气中一氧化碳浓度所占比例较高，污染源设置为一氧化碳。

二、不同来流风速下街谷流场特征纵截面分析

来流风流到背风建筑物时，一部分产生“马蹄形涡旋”，另一部分通过“爬墙效应”，在背风建筑物尖角处形成了一条斜向上的强剪切层。不同的风速下，流场特征会产生穿睡衣，影响污染物的空间布局，通过模拟纵向中心面以及纵向端口面探究污染物在不同风速影响下的分布特征。

如图一（a）和图一（b）所示在高度十米处风速每一米每秒中心面以及端口面处风速与污染物浓度的分布。在中心面处，风速回流作用明显，整体风向向背风面上侧倾斜，并在迎风面尖角附近形成涡旋。在此风场结构的作用下，污染物向上发展，涡旋中心由于速度较小产生污染物的汇聚。整体的浓度场表现为：污染物浓度由低向高逐渐降低，由中心面向两侧递减。由于来流风的主导作用，背风面污染物浓度略大于迎风面污染度浓度。

在端口面处，街谷内上方产生一个顺时针大涡旋，下档产生了一个逆时针局部子涡旋。在此风场结构的作用下，污染物主要集中于街谷近地面处且略微向上发展，街谷上方涡旋中心由于速度较小产生污染物的汇聚并阻挠下发污染物向上扩散。整体的浓度场表现为：污染物浓度由低向高逐渐降低，近地面处污染物浓度较高，主要集中于街谷中心附近且污染物垂直浓度梯度变化较大。

在中心面处，风流回流作用增强，整体的浓度场表现为：污染物浓度由低向高逐渐降低，风速的增加加快了街谷内空气与外界空气的交换速度，导致街谷内整体污染物浓度的降低，随着回流作用的增强，污染物进一步向背风面倾斜，迎风面污染物得到略微净化。

三、不同来流风速下街谷流场特征横截面分析

来流风流到背风建筑物时，来流风在迎风建筑物与近地面之间产生“马蹄形涡旋”，该涡旋使得一米五高度处气流受到了回流扰动得影响，一部分向建筑物两侧发生扰流作用形成二次另一部分与来流风形成对流并在距离背风建筑物约十米处形成一个近似椭圆的蓝色底风速区。发生饶流作用的气流会与建筑物边缘处形成“狭管效应”，从而在建筑物两侧形成高风速的两条静压取，导致街谷内以及背风建筑物下风向涡旋的形成。在不同的风速下，流场特征会产生差异，影响污染物的空间布局，通过模拟人体呼吸面高度探究污染物在不同风速影响下的分布特征。

图三（a）所示人体呼吸面高度在风速每一米每秒时的风速流线图和污染物浓度图，风场与污染物浓度场分布均沿中心面堆成，在建筑物边缘由于“狭管效应”产生的静压区导致街谷内部以及街谷下风向产生数个涡旋，造成街谷内特殊的流场分布。

街谷内部的流场结构可以分为三个部分：区域一内流场主要受街谷内主涡控制，区域二内流场主要受两侧向街谷内流动的流场控制，区域三内流场主要受两侧角涡的控制。

由图可知，区域三污染物浓度最低，一方面由于建筑物边角产生的“狭管效应”导致该区域风速较大，大大地稀释了污染物浓度；另一方面由于两侧角涡的影响，导致建筑物两侧的洁净空气进入街谷中，促使污染物向街道中间扩散。区域二的污染物整体呈现带状结构且污染物浓度由两侧向中间逐渐升高。区域一污染物浓度最高且整体形状呈现团状，这一方面是由于区域二产生的污染物沿着气流方向在区域一聚焦，另一方面由于主涡地作用导致污染物不易扩散且向迎风面倾斜。

图三b为人体呼吸面高度在风速每三米每秒时的风速流线图和污染物浓度图，从风速流线图可以看出：相比较于风速每一米每秒之时，风速的增加导致区域三内涡影响范围略微增大，作用增强。结合污染物浓度图，角涡的增强对区域三的污染物起到了良好的净化作用，造成了洁净空气中在角涡作用下流进街谷并将污染物由街谷内输送初五，这导致了区域三下方出现了污染物低浓度区域。

如图四（a）所示人体呼吸面高度在风速每五米每秒时的风速流线图和污染物浓度图，从风速流线图可以看出：相较于风速每三米每秒时，风速的增加导致区域一与区域三的四个涡旋略微右移，区域三涡旋附近出现低风速无语，区域二的气流作用较强，结合污染物浓度图，区域三内低浓度区域较风速每三米每秒时略微右移且范围略微增大，迎风面污染物浓度整体降低。

如图四（b）所示人体呼吸面高度在风速每九米每秒时的风速流线图和污染物浓度图，从风速流线图可以看出：相较于风速每五米每秒时，风速的增加导致整个街谷回流作用明显，区域三的涡旋进一步右移，区域一的涡旋两个相互靠近。结合污染物浓度图，区域三内低浓度区域较风速每五米每秒时进一步右移，迎风面污染物浓度整体降低，区域一的团状污染物之间出现高浓度污染物区域。

四、结语

随着风速增加，街谷风场分布有较大的差异。

纵向来进行观察：在中心面处，回流作用增加，迎风面污染物浓度得到稀释；在端口面处，顺时针大涡旋持续向左移动，在风速大于每五米每秒时将无法对街谷内污染物进行完全封闭作用，加速街谷内部与外界空气交换速度，对街谷内污染物起净化作用。

横向来看：区域一内流场主要受街谷内主涡控制，区域二内流场主要受两侧街谷内流动控制，区域三内流场主要受两侧角涡控制。随着风速增加，整个街谷回流作用持续增加，区域三的涡旋右移，区域一两个涡旋相互靠近，风速增加对街谷端口处污染物起到净化作用。