CN116720416B - 基于三维模拟的城市通风性和污染物扩散的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于三维模拟的城市通风性和污染物扩散的分析方法，涉及三维模拟领域，包括：三维建模、三维仿真、分析仿真结果，针对仿真结果行道树树冠郁闭度工况和行道树冠层密度工况进行通风性分析和污染物扩散分析。本发明通过行道树树冠郁闭度和行道树冠层密度两种工况下对城市的街区峡谷进行气流模拟，根据仿真的计算结果对街区通风性和污染物扩散性进行分析，为改善街区绿化分布提供建议。

Description

基于三维模拟的城市通风性和污染物扩散的分析方法
技术领域
本发明涉及三维模拟技术领域，尤其涉及一种基于三维模拟的城市通风性和污染物扩散的分析方法。
背景技术
城市化进程的快速推进在助力社会发展的同时也带来了诸多环境问题，近年来，随着城市不断建设发展，城市街区环境的优化面临复杂工业化以及人口大量聚集等问题的挑战，越多越多的生产场所出现在城市周围，突发性的污染物泄露或长期的气体污染威胁着居民身体健康，尤其对于如氯气、挥发性有机物等重密度气态污染物，其在迁移输运过程中不仅受街区通风风压驱动流、热压驱动浮升流等作用，还受其本身与空气之间的密度差质浮升流作用(双扩散)，易在重力的作用下沉积至街区底部并聚集，因此防治重密度气态污染物在街区中的迁移扩散具有一定意义。与此同时，城市生态发展为街区通风性能带来更多不确定性，街区绿化对污染物在人居环境中的聚集和疏解起到正向还是负向的作用，并会产生多大影响尚不明确。
城市建筑群的通风行为研究是一项复杂的课题，建筑群的形态、朝向、均匀性等都是街区峡谷通风的重要影响因素。在追求生态平衡和城市绿色发展的今天，城市空间中大量绿化的设置也作为影响城市通风的重要因素而备受关注。大面积的树木绿化会显著削弱来流风的强度并增加气流扰动，并限制污染物随气流在城市空间中的迁移。
中国申请号为202210617796.X的发明专利公开了一种基于人工智能的城市风热环境调控系统及方法，其主要是通过风向风速传感器监测风速和风向，通过生态通风廊道结构、防护林带和林带分层结构对城市进行通风，改善城市的风热环境，设置的生态通风廊道结构、防护林带和林带分层结构，能够作为城市外围的防风屏障，可以达到改善城市局地小气候，起到降温、增湿和降尘的作用。该专利是以通风廊道来对城市环境的通风性进行提升，其利用的城市绿化部分主要是防护林带，并未考虑城市的其他绿化部分。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于三维模拟的城市通风性和污染物扩散的分析方法，通过行道树树冠郁闭度和行道树冠层密度两种工况下对城市的街区峡谷进行气流模拟，根据仿真的计算结果对街区通风性和污染物扩散性进行分析，为改善街区绿化分布提供建议。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种基于三维模拟的城市通风性和污染物扩散的分析方法，包括：
S1 设置目标城市的街道形态数据，包括建筑高度H、建筑阵列的走向、街谷宽度W、街谷纵深2H、行道树长度，建立三维绿化模型，三维绿化模型的中部布置代表行道树的树木冠层模型，其高度为H tree ，树木冠层离地距离为h b ，并对三维绿化模型进行网格划分、设定计算域和边界条件；
S2 选择控制方程，采用有限体积方法对控制方程进行离散，用SIMPLE算法迭代求解压力-速度耦合方程，控制方程中的对流项采用二阶迎风格式离散，当控制方程的收敛残差达到低于10-6水平时，视为结果收敛，输出三维仿真模型；
S3 通过分析三维仿真模型，获得气流速度和气流风速比的通风仿真结果，针对通风仿真结果完成在行道树树冠郁闭度工况和行道树冠层密度工况下的通风性分析；
S4 通过分析三维仿真模型，获得污染物分布和污染物浓度的第一污染物仿真结果，针对第一污染物仿真结果完成在行道树树冠郁闭度工况下的污染物扩散分析；
S5 通过分析三维仿真模型，获得污染物浓度的第二污染物仿真结果，针对第二污染物仿真结果完成在行道树冠层密度工况下的污染物扩散分析。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S1中，计算域的设定过程为：
沿x方向上，设置计算域的入口边界与外源污染物污染源距离为5H，与三维绿化模型前端距离为10H，设置计算域的出流边界距离目标城市后端30H；
沿y方向上，计算域高度设置为8H；
沿z方向上，计算域两侧边界与目标城市的距离为5H。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S1中，边界条件的设定过程为：
计算域的入口边界设置为速度入口，采用指数风廓线描述，计算域的出流边界设置为自由出流边界，计算域的顶部与两侧设置为对称边界，其中，指数风廓线的表达式为：
式中，为摩擦速度，U H 是建筑高度层流速，C u 是无量纲常数，z 0是粗糙长度，κ是卡门建模常数，α是按照建筑密集程度取得的地面粗糙指数，z为模拟高度，H是建筑高度，U(z)是模拟高度层流速，k(z)是湍流动能，ε(z)是湍流流动耗散率。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S1中，网格划分包括：
对近壁面、污染源和树木冠层模型附近采用基础网格进行网格加密，其余区域采用稀疏网格；
其中，基础网格为对第一层网格设定一个预设的网格尺寸，第一层网格的高度y p 计算公式如下：
式中：ρ 1为流体的密度；μ t 为流体的摩擦速度；μ为流体的运动速度；y + 为无量纲距离。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S2中，选择控制方程为：
根据工况在标准k-ε双方程、RNGk-ε双方程和Realizablek-ε双方程中进行控制方程的选择。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述树木冠层模型包括：
以编译程序加入动量源项和能量源项，并对绿化密度特征进行参数化表达以模拟真实的气流情况；
动量源项S ui 表达式为：
S ui =-ρ 2 LADC d Uu i [Pa·m -1 ]
湍流动能项S k 表达式为：
Sk=ρ2LADCd(βpU3-βdUk) [kgm-1s-3]
湍流扩散项S ε 表达式为：
Sε=ρ2LADCd (Cε4βpε/kU3-Cε5βdUε) [kgm-1s-4]
能量源项S E 表达式为：
S E =-P c LAD [W·m -4]
其中，ρ 2是空气密度；u i 是相应方向的风速分量；U是风速；C d 是植被的无量纲截面阻力系数，与植被的空气动力学特征相关，C d 取值范围是0.1~0.3；LAD是植被密度；β p 是由于阻隔效应平均动能转化为湍流动能的占比，取值范围0~1；β d 是湍流级联的短路涡旋无量纲系数，取值范围4~6.5；C ε4和C ε5是模型常数，取值范围分别为0.9~2和0.9~1.8；P c 为单位LAD植被的体积冷却功率降温系数；
将上述参数及表达式以UDF形式载入计算中。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S3中，采用街谷换气率评价街谷的通风性，根据非线性回归分析得到街谷换气率/>与行道树树冠郁闭度的第一函数关系式、以及街谷换气率/>与行道树冠层密度的第二函数关系式。
在以上技术方案的基础上，优选的， 第一函数关系式为：
=A 1 x 2 +B 1 x+c
其中，A 1、B 1、c均为拟合系数，x为行道树树冠郁闭度；
第二函数关系式为：
其中，y 0、A 2、B 2均为拟合系数，LAD为行道树冠层密度。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述街谷换气率根据街谷总体换气率ACH进行归一化处理后得到，街谷总体换气率ACH计算公式如下：
式中，和ACH'分别代表由时均流动和湍流脉动引起的换气，下标roof表示街谷顶部，下标side表示街谷侧面。
本发明的分析方法相对于现有技术具有以下有益效果：
（1）通过采用行道树树冠郁闭度和行道树冠层密度两种工况对城市街区峡谷进行通风性和污染物扩散性的分析，探索城市绿化中最优的行道树设置方式，对城市的道路绿化分布提供参考建议；
（2）考虑行道树在城市环境中的气动效应，通过换气率、大气弥散因子等参数对城市通风性和污染物扩散性进行数值模拟计算，能对城市的气流影响进行更准确的分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2(a)为本发明第一实施例的C1街谷的街谷换气率随行道树树冠郁闭度的变化规律示意图；
图2(b)为本发明第一实施例的C2街谷的街谷换气率随行道树树冠郁闭度的变化规律示意图；
图2(c)为本发明第一实施例的C3街谷的街谷换气率随行道树树冠郁闭度的变化规律示意图；
图3为本发明第一实施例的街谷换气率随树冠郁闭度变化及拟合曲线；
图4(a)为本发明第二实施例的C1街谷的街谷换气率随行道树冠层密度的变化规律示意图；
图4(b)为本发明第二实施例的C2街谷的街谷换气率随行道树冠层密度的变化规律示意图；
图4(c)为本发明第二实施例的C3街谷的街谷换气率随行道树冠层密度的变化规律示意图；
图5为本发明第二实施例的街谷换气率随冠层密度变化及拟合曲线；
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种基于三维模拟的城市通风性和污染物扩散的分析方法，包括：
S1 设置目标城市的街道形态数据，包括建筑高度H、建筑阵列的走向、街谷宽度W、街谷纵深2H、行道树长度，建立三维绿化模型，三维绿化模型的中部布置代表行道树的树木冠层模型，其高度为H tree ，树木冠层离地距离为h b ，并对三维绿化模型进行网格划分、设定计算域和边界条件；
S2 选择控制方程，采用有限体积方法对控制方程进行离散，用SIMPLE算法迭代求解压力-速度耦合方程，控制方程中的对流项采用二阶迎风格式离散，当控制方程的收敛残差达到低于10-6水平时，视为结果收敛，输出三维仿真模型；
S3 通过分析三维仿真模型，获得气流速度和气流风速比的通风仿真结果，针对通风仿真结果完成在行道树树冠郁闭度工况和行道树冠层密度工况下的通风性分析；
S4 通过分析三维仿真模型，获得污染物分布和污染物浓度的第一污染物仿真结果，针对第一污染物仿真结果完成在行道树树冠郁闭度工况下的污染物扩散分析；
S5 通过分析三维仿真模型，获得污染物浓度的第二污染物仿真结果，针对第二污染物仿真结果完成在行道树冠层密度工况下的污染物扩散分析。
具体地，在本发明一实施例中，步骤S1包括：
假设行道树长度铺满整个街谷纵深，植被冠层宽度稍小于街谷宽度，植被冠层距离相邻壁面2m以保证植被冠层与相邻墙体之间有足够的自由空间以免抑制峡谷通风的旋涡流动。建立四组三维绿化模型，模型中部布置代表行道树的树木冠层模型，树木冠层模型高度H tree =15m，冠层离地距离h b （树干高度）=5m，建筑高度H=20m，相邻建筑物间距，即街谷宽度，与建筑高度相等，即W=H，街谷纵深为L=2H。设定在城市街区中建筑阵列的走向与上游自然风来流的方向平行。
其中，所述树木冠层模型包括：
以编译程序加入动量源项和能量源项，并对绿化密度特征进行参数化表达以模拟真实的气流情况；
动量源项S ui 表达式为：
S ui =-ρ 2 LADC d Uu i [Pa·m -1]
湍流动能项S k 表达式为：
Sk=ρ2LADCd(βpU3-βdUk) [kgm-1s-3]
湍流扩散项S ε 表达式为：
Sε=ρ2LADCd (Cε4βpε/kU3-Cε5βdUε) [kgm-1s-4]
能量源项S E 表达式为：
S E =-P c LAD [W·m -4]
其中，ρ 2是空气密度；u i 是相应方向的风速分量；U是风速；C d 是植被的无量纲截面阻力系数，与植被的空气动力学特征相关，C d 取值范围是0.1~0.3；LAD是植被密度；β p 是由于阻隔效应平均动能转化为湍流动能的占比，取值范围0~1；β d 是湍流级联的短路涡旋无量纲系数，取值范围4~6.5；C ε4和C ε5是模型常数，取值范围分别为0.9~2和0.9~1.8；P c 为单位LAD植被的体积冷却功率降温系数；
将上述参数及表达式以UDF形式载入计算中。
根据城市街区风环境建模的AIJ导则，计算域沿x方向上，计算域入口边界与外源污染物污染源距离为5H，与三维绿化模型前端距离为10H。为保证上游来流风在计算域内充分发展，出流边界距离目标城市街区后端30H。为保证近地面气流不受顶部边界层的影响，计算域y方向高度设置为8H。沿z方向上，计算域两侧边界与城市街区的距离为5H。
计算域的入口处设置为速度入口（velocity inlet），采用指数风廓线描述，流体在计算域的末端视为充分发展湍流，出口设为自由出流边界（outflow）。计算域顶部与两侧设为对称边界（symmetry）以满足平行流要求。建筑壁面与地面设置为无滑移的刚性壁面。污染物从外源污染源面以恒定质量入口输入，不影响街区内部流形，污染物以7.93kg/s的速率匀速输入。计算域入流边界的指数风廓线表达式如下：
式中，为摩擦速度，U H 是建筑高度层流速，C u 是无量纲常数，z 0是粗糙长度，κ是卡门建模常数，α是按照建筑密集程度取得的地面粗糙指数，z为模拟高度，H是建筑高度，U(z)是模拟高度层流速，k(z)是湍流动能，ε(z)是湍流流动耗散率。
流体流动过程中会在近壁面处产生粘滞力对流动产生影响，本实施例对三维绿化模型的近壁面、污染源以及树木冠层模型附近进行基础网格划分来统计和计算模拟结果。其余区域则采用稀疏网格。
其中，基础网格为对第一层网格设定一个预设的网格尺寸，第一层网格的高度y p 计算公式如下：
式中：ρ 1为流体的密度；μ t 为流体的摩擦速度；μ为流体的运动速度；y + 为无量纲距离。
具体地，在本发明一实施例中，选择控制方程为：
根据工况在标准k-ε双方程、RNGk-ε双方程和Realizablek-ε双方程中进行控制方程的选择。
标准k-ε双方程的湍流动能k方程和湍流动能耗散率ε方程如下所示：
式中：u为运动粘度；G k 为时均速度梯度引起的湍流动能k的产生项；u t 为湍流粘度；模型常数C 1ε 、C 2ε 、α k 和α ε 的值分别为1.44、1.92、1.0和1.3。
RNGk-ε双方程的湍流动能k方程和湍流动能耗散率ε方程如下所示：
式中：μ eff 为等效粘性系数，μ eff =μ+μ t ；μ t =φC μ k 2/ε；C μ =0.0845；α k =α ε =1.39；=C 1ε -η(1-η/η 0)/(1+βn 3)；C 1ε =1.42；C 2ε =1.68；/>；；η 0=4.377；β=0.012。
Realizable k-ε双方程的湍流动能方程和湍流动能耗散率方程表示为：
式中：α k =1.0；α ε =1.2；C 2=max[0.43,η/(η+5)]。
具体地，本发明通过两种工况形成两个实施例进行仿真。
实施例一
本实施例中的工况为行道树树冠郁闭度。
树冠郁闭度是指树木冠层垂直覆盖面积与街区峡谷地表总面积的比值，体现了冠层相对街谷的空间大小。按照林冠密度分级标准和现代森林测定分级方法，本实施例将树冠郁闭度分为四个区间：零郁闭度（0%）、低郁闭度（≤35%）、中等郁闭度（35%-70%）、高郁闭度（≥70%），分别对应无树覆盖、稀疏树冠覆盖、中等树冠覆盖和稠密树冠覆盖。考虑树冠郁闭度对街区通风的影响，分别对行道树闭郁度为30%、40%、50%、60%、70%、80%的工况进行计算，冠层密度均取LAD=3m2/m3，具体设置请参阅下表1。
表1：行道树树冠郁闭度影响研究参数设置
研究工况 绿化植被设置 行道树树冠郁闭度
Case[30%] W tree=0.15W;L tree=L;h b =0.25H 30%
Case[40%] W tree=0.20W;L tree=L;h b =0.25H 40%
Case[50%] W tree=0.25W;L tree=L;h b =0.25H 50%
Case[60%] W tree=0.30W;L tree=L;h b =0.25H 60%
Case[70%] W tree=0.35W;L tree=L;h b =0.25H 70%
Case[80%] W tree=0.40W;L tree=L;h b =0.25H 80%
首先，对于三维建筑空间，来流风会从街谷的上方和侧方进入到街区内部，建筑空间的流动特征体现为两个方面：一种是在街道上部形成的垂直高度较高且相对稳定的贯穿流，另一种是在街谷内部形成流速较低且分布不均匀的旋涡流动。
本实施例中的通风仿真结果包括行道树树冠郁闭度工况下街谷中心垂直剖面的流速分布、行道树树冠郁闭度工况下行人呼吸层气流风速比分布。
对本实施例的通风仿真结果进行分析，街谷涡旋在竖直方向上呈现顺时针旋转，街谷涡旋中心在街谷中上部，流速从涡旋中心向外均匀增加，而当植被出现，即使很小的树冠郁闭度，也会对涡流结构产生明显影响：涡旋中心向上方移动并随着涡流结构由均匀环形发展为不规则型而发生畸变最终分离为两个中心，该过程体现了树木冠层发展对街谷气流的挤压，当到达稠密郁闭度时，树木冠层作为整体主导街区内部气流。速度云图展示了不同郁闭度下街谷气流流动速度的变化，植被冠层对气流的阻隔效应不止局限于植被内部，而是对整个街谷都产生明显影响。
本实施例选取行人呼吸层高度，y=1.6m处的位置进行定量分析，并取三个街谷，C1、C2、C3，进行迎风面（windward）和背风面（leeward）距离墙壁2m处的气流风速比（VR）模拟。
其中，气流风速比VR计算公式如下：
VR=V p /V ∞
其中：V p 为行人呼吸高度处的时均风速，m/s；V ∞为风边界层顶部的时均风速，m/s。风速比越大表示建筑物对气流的影响越小，行人呼吸高度处所能感受的风速越大。
根据行人活动区域观测位置气流风速比的计算，进行定量描述，零郁闭度下（CD=0%）沿着街谷纵深不同位置气流流速的差异较大，在街谷中部存在流动较慢的滞留区，街谷内气流在不同监测位置均呈现不规则性，平均流速水平均高于其他工况。当有行道树存在时，行人层高度气流风速比沿街谷纵深呈现明显的对称性，背风面流速较迎风面分布更为均衡，迎风面街谷流速呈现两个明显峰型，街谷之间的相应位置流场分布趋于相近。就迎风面和背风面的比较而言，迎风面处气体流动更为剧烈，不同位置差异也更大。
城市街区通风能力由两个方面组成：一方面是街道中的贯穿流，另一方面是城市冠层顶部的换气能力，其受到街谷内涡流结构的影响。本实施例中采用空气交换速率评价街谷的通风性，空气换气率主要包括两个部分，一部分是通过时均流动来实现的对流换气率（），另一部分是是通过湍流脉动实现的湍流换气率（ACH t ），空气交换速率的公式如下：
其中：w + 和w'分别是z方向的时均速度和脉动速度，下标＋代表空气被移出街谷空间速度，A是城市冠层顶部或街谷侧部的开口面积。
街谷换气率根据街谷总体换气率ACH进行归一化处理后得到，街谷总体换气率ACH计算公式如下：
式中，和ACH'分别代表由时均流动和湍流脉动引起的换气，下标roof表示街谷顶部，下标side表示街谷侧面。
图2(a)为C1街谷的街谷换气率随植被冠层郁闭度的变化规律示意图、图2(b)为C2街谷的街谷换气率随植被冠层郁闭度的变化规律示意图、图2(c)为C3街谷的街谷换气率随植被冠层郁闭度的变化规律示意图。就三个街谷的比较来看，最上游街谷的换气效果最为良好，其它两个街谷的表现相近，这是由于建筑迎风侧的绕流脱体增强了街谷顶部的湍流强度。C2和C3顶部湍流脉动产生的ACH在行道树出现后呈现上升，而后随着郁闭度的增加逐渐下降。类似地，街谷侧向换气也呈现不同程度的振荡，在郁闭度达到较高水平后湍流脉动产生ACH呈现统一下降。
具体地，在本发明一实施例中，第一模拟的通风性分析包括：
根据非线性回归分析得到街谷换气率与行道树树冠郁闭度的第一函数关系式：
=A 1 x 2 +B 1 x+c
其中，A 1、B 1、c均为拟合系数，x为行道树树冠郁闭度。
采用一个拟合可决系数R2的值来代表第一函数关系式与A 1、B 1、c的拟合程度，R2越接近1则拟合曲线越接近真实数据。本实施例中街谷通风换气率与植被冠层郁闭度之间的拟合参数和可决系数R2的具体数值如表2所示，拟合曲线如图3所示。
表2：街谷换气率与树冠郁闭度之间的拟合系数和拟合可决系数
街谷 A 1 B 1 c R2
C1 0.00521 -0.06412 0.62974 0.95996
C2 -0.00503 -0.01257 0.41090 0.97847
C3 0.00365 -0.07828 0.50967 0.98204
气态污染物在城市街区中的迁移扩散一方面取决于街区气流特征和街谷的通风路径，另一方面取决于污染物自身的密度、吸附沉降等特性。引入大气弥散因子ADF作为参数对污染物的扩散进行定量评估，该指标的大小反映了某空间污染物浓度与污染物源强的比值，该数值越大表示该区域污染物聚集越强烈，其表达式为：
式中：q v 为释放源的体积流量，m 3/s；C 0为污染物的初始浓度，kg/m 3；V是街谷的体积；是时均的污染物浓度；x,y,z分别代表三维的三个方向。
本实施例中，第一污染物仿真结果包括：行道树冠层密度工况下街区垂直剖面的污染物分布和行道树冠层密度工况下街谷行人层高度切面污染物浓度。
对第一污染物仿真结果进行分析可知，在对照组零郁闭度下（CD=0%）沿气流流动方向，污染物在下游街谷呈现更为明显的沉降，行道树面积逐渐增加导致街谷内部污染整体恶化；就街谷内部的差异而言，迎风面空气质量较背风面较差，这是由于街谷内气流沿顺时针流动，污染物在背风侧气流与重力作用相互对抗，而在迎风侧气流与重力形成协同效应，导致污染物易在迎风面聚集；建筑群后方污染物积聚则是因为建筑后方低压区存在的街谷尾部涡旋对污染物的卷吸。
对照组零郁闭度下（CD=0%）污染物沿贯流集中在下游街谷角涡处，行道树的布置使污染分布更为均衡，位于街谷中央的两涡交汇处污染物浓度最高，街区整体浓度水平随树冠郁闭度增加有所上升，污染物分布呈现的对称化与行人呼吸层流态和风速分布规律一致，体现了污染物随气流迁移的特性。行人呼吸高度空间ADF占比在行道树郁闭度为0%时水平较高，当郁闭度逐渐上升，该比值也随之上升。
当植被冠层郁闭度变化，行人层高度空间ADF呈现总体上升趋势，街区冠层高度空间ADF呈现先上升后下降的变化趋势。当树冠郁闭度上升到一定程度（40-50%），街谷中部空气贯穿流通道逐渐收缩直至闭合，ADF也呈现下降趋势，当郁闭度达到最大（80%）时，植被冠层整体对外源污染物起到屏障作用，此时ADF达到有行道树绿化情况下的最低水平。
实施例二
本实施例中的工况为行道树冠层密度。
本实施例设置高树冠郁闭度，行道树冠层密度LAD设置为0、0.5、1、1.5、2、2.5、3。
对不同植被冠层密度时街谷的气流流动进行模拟，涡流中心向右偏移，由规则环形涡流逐渐变形为有两个中心的角状涡旋。在树冠高度下部，气流由顺时针横向流动逐渐变为向斜上方抬升。
本实施例中的通风仿真结果包括行道树冠层密度工况下街谷中心垂直剖面的流速分布和行道树冠层密度工况下行人呼吸层气流风速比分布。
对本实施例的通风仿真结果进行分析可知，随着植被密度增加，街谷内部流速明显下降，植被冠层边缘出现流速骤变，即树冠内部流速明显低于无植被处流速，植被对空气流动的阻隔效应逐渐扩大到整个街谷，当LAD=3时，整个街谷的流速已经下降到10%U H 左右。
对行道树冠层密度工况下行人呼吸层气流风速比分布进行分析，可得到植被对该高度气流模式的减速和对称均匀化。
同样对C1、C2、C3迎风面和背风面距离墙壁2m处的行人呼吸层高度的位置流速进行定量分析，无行道树存在（LAD=0）时的气流结构沿着街谷纵深的变化较为明显，在街谷中部存在流动较慢的滞留区，街谷内气流在不同取值位置均呈现不规则性，平均流速水平高于其他工况。当有行道树存在时，行人层高度气流风速比沿街谷纵深呈现明显的对称性，街谷中部等流速区的长度随植被密度的提高而增加。就植被密度变化的影响而言，LAD在0-2时影响较为突出，之后气流风速比VR受LAD的影响逐渐不明显。就迎风面与背风面的差异而言，无行道树存在时背风面的风速整体水平较高，街谷中VR最高水平与最低水平差异不超过50%，而迎风面街谷不同位置处的VR差异较大且对称性更差，街谷中心的气流风速比更低；当有行道树存在时，街谷VR水平下降，迎风面与背风面的气流风速比整体水平差异减小，迎风面VR随街谷纵深变化更为明显，其最低点位于街口涡旋与街谷涡旋交接处，街谷中心等流速区域更长，而背风面处气流风速比分布更为均匀，整体趋势平缓，VR最高点位于街谷中心附近。
图4(a)为C1街谷的街谷换气率随行道树冠层密度的变化规律示意图、图4(b)为C2街谷的街谷换气率随行道树冠层密度的变化规律示意图、图4(c)为C3街谷的街谷换气率随行道树冠层密度的变化规律示意图，最上游街谷的换气效果最为良好，其它两个街谷的表现相近。街谷顶部通风的换气率（ACH roof ）要优于街谷侧面通风的换气率（ACH side ），顶部通风效果受植被密度的影响也更为明显。在街谷顶部，通过湍流脉动产生的换气（ACH'）要明显高于时均流动（）。
根据非线性回归分析得到街谷换气率与行道树冠层密度的第二函数关系式：
其中，y 0、A 2、B 2均为拟合系数，LAD为行道树冠层密度。
同样采用拟合可决系数R2的值来代表第二函数关系式与y 0、A 2、B 2的拟合程度。本实施例中街谷通风换气率与冠层密度之间的拟合系数和可决系数R2的具体数值如表3所示，拟合曲线如图5所示。
表3：街谷换气率与冠层密度之间的拟合系数和拟合可决系数
街谷 A 2 B 2 y 0 R2
C1 0.21126 0.66831 0.43117 0.99899
C2 0.25127 0.40205 0.15923 0.99517
C3 0.35755 0.28829 0.16839 0.99848
本实施例中，第二污染物仿真结果包括：行道树冠层密度工况下街谷垂直剖面的污染物浓度和行道树冠层密度工况下街谷行人层高度切面污染物浓度。
对本实施例的第二污染物仿真结果进行分析，可得到街谷垂直剖面和行人呼吸高度切片位置上风压驱动情况下远场污染物在城市街谷中滞留情况随行道树冠层密度变化的对比。改变植被叶片密度仅会改变污染物聚集浓度而不会改变污染物分布情况，换言之，较低的叶片密度即可实现街区内气流的均衡与稳定。
对不同高度空间大气弥散因子随冠层密度变化进行比较。结果显示，随着冠层密度的增加监测位置的大气弥散因子ADF均明显增加，行人呼吸层高度和冠层高度ADF均随叶片密度的增加而增加，C3受其影响最为明显，C2次之。改变树冠郁闭度带来的影响明显高于改变叶片密度带来的影响，换言之，对于街区附近存在远场污染物的情况，树冠叶片总面积相同情况下，具有高树冠郁闭度的街谷污染物浓度整体水平低于其他郁闭度，对远场污染物能起到一定的阻隔效应。街区底部的行人层空气质量会随着植被密度的增加受到越来越明显的消极影响，与无行道树布置时相比，三个街区案例监测点污染物浓度分别增加了59.17%、107%、61.77%（行人层高度69.34%、138.69%、56.89%），行人呼吸层高度ADF相对水平因街区换气率ACH的下降而总体上升。
根据本发明的两个实施例的仿真结果可知，行道树能有效改善街区气流不均匀性。稀疏冠层郁闭度保留了街区中部狭窄风道，外源污染物会随气流进入街区，此时行道树会限制已经进入街谷内的污染物的排除；当树冠郁闭度进一步增加，街区风道逐渐收缩至闭合，树冠整体对外源污染物起到屏障作用，街区内污染物聚集情况有所缓解。在稠密冠层郁闭度模式下，改变植被的叶片密度不会改变街区内的气流模式，此时增加树冠叶片密度会限制街区换气能力，远场气态污染物在街区内的污染情况与街区换气能力呈明显反比例相关性。
在对城市进行绿化分布时，在绿化总面积相同的情况下，改变植被密度对街区气流产生的影响高于改变树冠郁闭度产生的影响。因此，当街区附近存在远场污染物时，街区内行道树应以高郁闭度绿化为优。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于三维模拟的城市通风性和污染物扩散的分析方法，其特征在于，包括：
S1 设置目标城市的街道形态数据，包括建筑高度H、建筑阵列的走向、街谷宽度W、街谷纵深2H、行道树长度，建立三维绿化模型，三维绿化模型的中部布置代表行道树的树木冠层模型，其高度为H tree ，树木冠层离地距离为h b ，并对三维绿化模型进行网格划分、设定计算域和边界条件；
S2 选择控制方程，采用有限体积方法对控制方程进行离散，用SIMPLE算法迭代求解压力-速度耦合方程，控制方程中的对流项采用二阶迎风格式离散，当控制方程的收敛残差达到低于水平时，视为结果收敛，输出三维仿真模型；
S3 通过分析三维仿真模型，获得气流速度和气流风速比的通风仿真结果，针对通风仿真结果完成在行道树树冠郁闭度工况和行道树冠层密度工况下的通风性分析；
行道树树冠郁闭度工况包括四种工况设置，分别为零郁闭度、低郁闭度、中等郁闭度、高郁闭度，分别对应无树覆盖、稀疏树冠覆盖、中等树冠覆盖和稠密树冠覆盖；
行道树冠层密度工况的设置如下：
设置高树冠郁闭度，行道树冠层密度LAD设置为0、0.5、1、1.5、2、2.5、3；
步骤S3中，采用街谷换气率评价街谷的通风性，根据非线性回归分析得到街谷换气率/>与行道树树冠郁闭度的第一函数关系式、以及街谷换气率/>与行道树冠层密度的第二函数关系式；
第一函数关系式为：
；
其中，A 1、B 1、c均为拟合系数，x为行道树树冠郁闭度；
第二函数关系式为：
；
其中，y 0、A 2、B 2均为拟合系数，LAD为行道树冠层密度；
S4 通过分析三维仿真模型，获得污染物分布和污染物浓度的第一污染物仿真结果，针对第一污染物仿真结果完成在行道树树冠郁闭度工况下的污染物扩散分析；
第一污染物仿真结果的获得过程为：根据行道树树冠郁闭度工况下的通风性分析结果和污染物自身的特性，得到行道树树冠郁闭度工况下的污染物分布仿真结果和污染物浓度仿真结果，即第一污染物仿真结果；
S5 通过分析三维仿真模型，获得污染物浓度的第二污染物仿真结果，针对第二污染物仿真结果完成在行道树冠层密度工况下的污染物扩散分析；
第二污染物仿真结果的获得过程为：根据行道树冠层密度工况下的通风性分析结果和污染物自身的特性，得到行道树冠层密度工况下的污染物浓度仿真结果，即第二污染物仿真结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，计算域的设定过程为：
沿x方向上，设置计算域的入口边界与外源污染物污染源距离为5H，与三维绿化模型前端距离为10H，设置计算域的出流边界距离目标城市后端30H；
沿y方向上，计算域高度设置为8H；
沿z方向上，计算域两侧边界与目标城市的距离为5H。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1中，边界条件的设定过程为：
计算域的入口边界设置为速度入口，采用指数风廓线描述，计算域的出流边界设置为自由出流边界，计算域的顶部与两侧设置为对称边界，其中，指数风廓线的表达式为：
；
；
；
式中，为摩擦速度，U H 是建筑高度层流速，C u 是无量纲常数，z 0是粗糙长度，κ是卡门建模常数，α是按照建筑密集程度取得的地面粗糙指数，z为模拟高度，H是建筑高度，U(z)是模拟高度层流速，k(z)是湍流动能，ε(z)是湍流流动耗散率。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S1中，网格划分包括：
对近壁面、污染源和树木冠层模型附近采用基础网格进行网格加密，其余区域采用稀疏网格；
其中，基础网格为对第一层网格设定一个预设的网格尺寸，第一层网格的高度yp计算公式如下：
；
式中：ρ 1为流体的密度；μ t 为流体的摩擦速度；μ为流体的运动速度；y + 为无量纲距离。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，选择控制方程为：
根据工况在标准k-ε双方程、RNG k-ε双方程和Realizable k-ε双方程中进行控制方程的选择。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述树木冠层模型包括：
以编译程序加入动量源项和能量源项，并对绿化密度特征进行参数化表达以模拟真实的气流情况；
动量源项S ui 表达式为：
S ui =-ρ 2 LADC d Uu i [Pa·m -1]
湍流动能项S k 表达式为：
S k =ρ 2 LADC d (β p U 3 -β d Uk) [kgm -1 s -3]
湍流扩散项S ε 表达式为：
S ε =ρ 2 LADC d (C ε4 β p ε/kU 3 -C ε5 β d U ε ) [kgm -1 s -4]
能量源项S E 表达式为：
S E =-P c LAD [W·m -4]
其中，ρ 2是空气密度；u i 是相应方向的风速分量；U是风速；C d 是植被的无量纲截面阻力系数，与植被的空气动力学特征相关，C d 取值范围是0.1-0.3；LAD是植被密度；β p 是由于阻隔效应平均动能转化为湍流动能的占比，取值范围0-1；β d 是湍流级联的短路涡旋无量纲系数，取值范围4-6.5；C ε4和C ε5是模型常数，取值范围分别为0.9-2和0.9-1.8；P c 为单位LAD植被的体积冷却功率降温系数；
将上述参数及表达式以UDF形式载入计算中。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述街谷换气率根据街谷总体换气率ACH进行归一化处理后得到，街谷总体换气率ACH计算公式如下：
；
式中，和/>分别代表由时均流动和湍流脉动引起的换气，下标roof表示街谷顶部，下标side表示街谷侧面。
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