CN105486685A - 一种城市街谷道路机动车污染物排放与扩散研究的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市街谷道路机动车污染物排放与扩散研究的实验装置，包括风墙部分、街谷建筑模型和污染物排放机动车模型部分以及配套测控部分。通过风墙部分提供风场，由上下风侧两个建筑模型组成街谷道路模型。机动车模型放置在街谷中间，由无线控制器控制其运动，车上通过一根软管连接发动机和示踪粒子添加机构。汽车模型在街谷中运动的过程中排放尾气，并夹带着示踪粒子。数码相机将拍摄由激光片光照亮的示踪粒子运动图像。放置于街谷中的尾气浓度测点将测量尾气的浓度。该实验装置大大改进了前人实验模型，对街谷道路环境下机动车排放的污染物的扩散过程能更加真实地模拟，对制定有效的机动车尾气污染的管控和消减方法具有非常重要的意义。

Description

一种城市街谷道路机动车污染物排放与扩散研究的实验装置

技术领域

本发明涉及交通污染物排放领域，尤其涉及一种街谷道路环境机动车排放污染物的流动和扩散过程监测的实验模拟装置。

背景技术

近年来，随着经济的快速发展，机动车保有量不断攀升，由机动车尾气引发的城市空气污染问题现已越来越严重，加上城市街谷道路环境不利于污染物扩散，使得机动车尾气污染问题更为突出，现已经成为交通环境领域的一个研究热点。受气象条件和环境风场影响的街谷道路机动车尾气污染现象相当复杂，实际的街谷道路环境布置有效的流场测量设备十分困难，所以对实际道路环境中的交通污染物的流动和扩散过程尚无法有效测量，只能在街道的一些点位布置探头，测量该点污染物随时间的变化过程，无法把握交通污染物在街谷道路中的总体运动过程。近年来，随着数值模拟理论和计算机技术的发展，Chang等通过CFD数值模拟平台建立了一些模型，对街谷机动车污染物扩散的流动和扩散开展研究，已取得了一定的成果，但缺乏实验结果的支持。Meroney等学者采用风洞来开展街谷交通污染物扩散的实验研究，但他们采用的是乙烷空气混合物作为模拟污染源，与实际污染源有较大的区别，也没有考虑阳光加热街道路面和墙面后形成的热浮力作用，且布置方式比较固定，仅研究了风场与街谷道路垂直的情形，并未考虑风场的角度问题。另外，刘志辉等通过盐水实验模拟了街谷存在地面加热时空气流的流场特征，但并未研究污染物的扩散特性。因此，搭建更加贴近实际情况的小尺寸实验模型，是研究街谷道路环境的污染物流动和扩散规律的很好选择，对制定有效的机动车尾气污染的消减方法具有非常重要的意义。

发明内容

为了能够开展更加贴近实际环境的街谷道路交通污染物流动与扩散过程的相关实验和研究，本发明的目的在于提供一种城市街谷道路机动车污染物排放与扩散研究的实验装置。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：一种城市街谷道路机动车污染物排放与扩散研究的实验装置，包括风墙部分、街谷建筑模型和污染物排放机动车模型部分以及配套测控部分；其中：

所述风墙部分，用于提供风场环境，包括风墙以及实验段，风速范围0-10m/s，用于提供模拟环境风作用下的街谷道路所需的风场；实验段由透明有机玻璃板构成，方便观察实验现象；

所述街谷建筑模型和污染物排放机动车模型部分，用于模拟车辆在不同光照加热环境下的街谷道路上行驶并排放污染物，包括街谷下风侧建筑模型和上风侧建筑模型、机动车模型、发动机、示踪粒子添加装置和光照辐射加热板；所述街谷下风侧建筑模型为透明有机玻璃组成，便于摄像机拍摄示踪粒子运动图像；所述机动车模型，可通过无线控制器控制车辆的行进过程，同时通过尾部的排气管排放尾气；所述发动机，为汽车污染物的提供源，并通过示踪粒子添加机构往汽车尾气中添加示踪粒子，机动车模型和发动机以及示踪粒子添加机构通过软管连接；所述光照辐射加热板，模拟不同太阳光照强度对街道的加热作用，可以调节不同的角度，并且和红外测温仪配合使用，通过光照辐射把街道加热到特定的温度；

所述配套测控部分，包括实验段侧面数码摄像机和实验段端部数码摄像机、实验段侧面激光片光和实验段端部激光片光、尾气浓度测点、数据采集器和数据记录计算机；所述实验段侧面数码摄像机，拍摄汽车尾气中由实验段顶部激光片光照亮的示踪粒子运动图像，而实验段端部数码摄像机则拍摄实验段侧面激光片光照亮的示踪粒子运动图像，两组分开使用，避免相互干扰；所述尾气浓度测点，由一组竖向气体浓度探头组成，可以根据需要移动位置，测量不同区域处排放汽车尾气浓度，测量的结果通过数据采集器转码传输到计算机。

其中，采用发动机提供污染源，发动机燃料可以采用机动车比较普遍使用的天然气、汽油和柴油，转速则通过计算机控制；采用示踪粒子添加装置添加示踪粒子进发动机尾气，并通过数码摄像机拍摄示踪粒子的运动图像；采用粒径为0.5-2μm氮化硼作为示踪粒子，由发动机尾气驱动，通过机动车模型的尾气排放口喷出，夹带到街谷中并随着发动机尾气运动。

其中，街谷下风侧建筑模型和上风侧建筑模型的尺寸和二者间距都可以根据实验需要进行改变，实现对不同距离和不同尺寸的街谷道路环境的模拟。

其中，街谷下风侧建筑模型和上风侧建筑模型在实验段摆放的形式可以调节，不仅可以垂直于风场排放，也可以按照其他的角度摆放，研究不同角度(0-90°)的风场对街谷道路交通污染物扩散的影响。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.在街谷道路交通污染物扩散模拟方面，实验装置按照量纲相似理论，搭建模拟街谷道路、机动车和环境风场的模型，能够真实反映实际街谷道路交通污染物的流动和扩散过程。风墙部分实验段和下风侧街谷建筑模型采用透明有机玻璃板建成，可方便清晰的观察和拍摄实验过程和现象。街谷模型可以根据实验需要调整其与风场的角度，研究不同角度的风场对街谷道路污染物扩散的影响。

2.在模拟污染源设置方面，直接采用发动机尾气作为污染源，通过可移动式小车释放，更加贴近实际情况。另外，在尾气中添加了示踪粒子，通过激光片光和数码摄像系统，可以实现污染物扩散过程的追踪。

3.在实验测量系统方面，先进完备的流场显示和浓度测量系统可以对污染物的流动参数进行全方位的观测和研究，以便提出有效的管控和消减街谷道路机动车污染物的措施。

4.在实验环境方面，本实验系统还设计了一个可以调节角度的光照辐射板，模拟不同的光照环境对街道的加热过程，同时辅以红外测温系统，实现对街谷道路模型加热的控制。

附图说明

图1为本发明所述一种城市街谷道路机动车污染物排放与扩散研究的实验装置示意图；

图2为本发明所述机动车模型、示踪粒子添加机构和发动机组成的尾气排放系统示意图；

图3为本发明所述街谷建筑模型按照其他的摆放方式示意图；

图中附图标记含义为：1为风墙部分；2为风墙；3为风墙实验段；4为实验段顶部激光片光；5为光照辐射加热板；6为红外测温仪；7为实验段侧面数码摄像机；8为发动机；9为示踪粒子添加装置；10为软管；11为街谷下风侧建筑模型；12为机动车模型；13为尾气浓度测点；14为数据采集器；15为实验段侧面激光片光；16为上风侧建筑模型；17为数据记录计算机；18为实验段端部数码摄像机。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

参见图1，一种城市街谷道路机动车污染物排放与扩散研究的实验装置，包括风墙部分、街谷建筑模型和污染物排放机动车模型部分以及配套测控部分。

风墙部分1由风墙2以及实验段3组成，风速范围0-10m/s，用于提供模拟环境风作用下的街谷道路所需的风场。实验段3由透明有机玻璃板构成，方便观察实验现象。

街谷建筑模型和污染物排放机动车模型部分由街谷下风侧建筑模型11和上风侧建筑模型16、机动车模型12、发动机8和示踪粒子添加装置9组成。街谷下风侧建筑模型11和上风侧建筑模型16并行放置于实验段3中，二者尺寸和之间的距离则根据实验的需要进行调节，且街谷建筑模型11由透明机玻璃板组成，便于数码摄像机18拍摄示踪粒子运动图像。机动车模型12放置在街谷道路模型中间，车上安装了一根连接发动机8尾气排放口和示踪粒子添加机构9的软管，通过无线控制器控制小车运动，实现机动车模型在街谷道路模型内污染物的排放。实验段3外部，街谷道路模型正上方安装了一块可以调节角度的光照辐射加热板5，可以调节不同的角度不同强度的光照，并且和一端放置的红外测温仪6配合使用，通过光照辐射把街道加热到特定的温度，模拟不同太阳光照加热环境下的街谷道路环境。

配套测控部分包括实验段侧面数码摄像机7和实验段端部数码摄像机18、实验段侧面激光片光4和实验段端部激光片光15、尾气浓度测点13、数据采集器14和数据记录计算机17。实验段侧面数码摄像机7和实验段端部数码摄像机18分别放置在街谷道路的侧面和一端，分别和实验段顶部激光片光4和实验段侧面激光片光15发出的激光面垂直。激光片光放置在街谷道路顶部和风墙实验段的一侧，保证所发出的片光在街谷道路中间的两个中间竖直截面上。实验过程中，由激光片光照亮发动机尾气中夹带的示踪粒子，通过数码摄像机捕捉示踪粒子的运动图像，后期采用粒子自相关算法对图像进行处理，获得尾气运动的流场。实验段侧面数码摄像机7拍摄汽车尾气中由激光片光4照亮的示踪粒子运动图像，而实验段端部数码摄像机18则拍摄激光片光15照亮的示踪粒子运动图像，两组分开使用，避免相互干扰。尾气浓度测点13由一组竖直方向等间距布置的尾气监测探头组成，第一个探头的位置高度不能干扰机动车模型12的运动，探头数量不少于6个，用于测量街谷道路模型内尾气中典型污染气体(如CO等)的浓度，其布设位置可以根据实验需要调节。尾气监测探头监测到的数据传输到数据采集器14，并通过其进行转码后传输到数据记录计算机17。

参见图2，发动机8放置在风墙外部的一侧，用于提供汽车尾气源，其排气管后连接了一个示踪粒子添加机构9，用于给汽车尾气中添加示踪粒子。而后通过软管10和机动车模型12连接，软管长度需能保证小车的运动过程不受干扰。汽车尾气的排放通过机动车模型上的排放口排放。发动机燃料可以采用机动车比较普遍使用的天然气、汽油和柴油，转速则通过计算机程序控制。采用粒径为0.5-2μm氮化硼作为示踪粒子，由发动机尾气驱动，通过汽车模型12排放口喷出，夹带到街谷中并随着发动机尾气运动。

参见图3，街谷下风侧建筑模型11和上风侧建筑模型16在实验段摆放的形式可以调节，不仅可以如图1中所示横着排放，也可以如图3所示，按照其他的角度摆放，研究不同角度的风场对街谷道路交通污染物扩散的影响。

在本发明实施例中，提供了一种城市街谷道路机动车污染物排放与扩散研究的实验装置搭建方案，该方案大大改进了前人实验模型，对街谷道路环境下机动车排放污染物的扩散过程能更加真实地模拟，对制定有效的机动车尾气污染的管控和消减方法具有非常重要的意义。

最后说明的是，以上实施例对本发明进行了进一步的详细说明，以上所述仅说明本发明的技术方案而非限制。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和原则，均应包含在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种城市街谷道路机动车污染物排放与扩散研究的实验装置，其特征在于：包括风墙部分(1)、街谷建筑模型和污染物排放机动车模型部分以及配套测控部分；其中：

所述风墙部分(1)，用于提供风场环境，包括风墙(2)以及实验段(3)，风速范围0-10m/s，用于提供模拟环境风作用下的街谷道路所需的风场；实验段(3)由透明有机玻璃板构成，方便观察实验现象；

所述街谷建筑模型和污染物排放机动车模型部分，用于模拟车辆在不同光照加热环境下的街谷道路上行驶并排放污染物，包括街谷下风侧建筑模型(11)和上风侧建筑模型(16)、机动车模型(12)、发动机(8)、示踪粒子添加装置(9)和光照辐射加热板(5)；所述街谷下风侧建筑模型(11)为透明有机玻璃组成，便于摄像机拍摄示踪粒子运动图像；所述机动车模型(12)，可通过无线控制器控制车辆的行进过程，同时通过尾部的排气管排放尾气；所述发动机(8)，为汽车污染物的提供源，并通过示踪粒子添加机构(9)往汽车尾气中添加示踪粒子，机动车模型和发动机以及示踪粒子添加机构通过软管(10)连接；所述光照辐射加热板(5)，模拟不同太阳光照强度对街道的加热作用，可以调节不同的角度，并且和红外测温仪(6)配合使用，通过光照辐射把街道加热到特定的温度；

所述配套测控部分，包括实验段侧面数码摄像机(7)和实验段端部数码摄像机(18)、实验段侧面激光片光(4)和实验段端部激光片光(15)、尾气浓度测点(13)、数据采集器(14)和数据记录计算机(17)；所述实验段侧面数码摄像机(7)，拍摄汽车尾气中由实验段顶部激光片光(4)照亮的示踪粒子运动图像，而实验段端部数码摄像机(18)则拍摄实验段侧面激光片光(15)照亮的示踪粒子运动图像，两组分开使用，避免相互干扰；所述尾气浓度测点(13)，由一组竖向气体浓度探头组成，可以根据需要移动位置，测量不同区域处排放汽车尾气浓度，测量的结果通过数据采集器(14)转码传输到计算机(17)。

2.根据权利要求1所述的一种城市街谷道路机动车污染物排放与扩散研究的实验装置，其特征在于：采用发动机(8)提供污染源，发动机燃料可以采用机动车比较普遍使用的天然气、汽油和柴油，转速则通过计算机控制；采用示踪粒子添加装置(9)添加示踪粒子进发动机尾气，并通过数码摄像机拍摄示踪粒子的运动图像；采用粒径为0.5-2μm氮化硼作为示踪粒子，由发动机尾气驱动，通过机动车模型(12)的尾气排放口喷出，夹带到街谷中并随着发动机尾气运动。

3.根据权利要求1所述的一种城市街谷道路机动车污染物排放与扩散研究的实验装置，其特征在于：街谷下风侧建筑模型(11)和上风侧建筑模型(16)的尺寸和二者间距都可以根据实验需要进行改变，实现对不同距离和不同尺寸的街谷道路环境的模拟。

4.根据权利要求1所述的一种城市街谷道路机动车污染物排放与扩散研究的实验装置，其特征在于：街谷下风侧建筑模型(11)和上风侧建筑模型(16)在实验段摆放的形式可以调节，不仅可以垂直于风场排放，也可以按照其他的角度摆放，研究不同角度(0-90°)的风场对街谷道路交通污染物扩散的影响。