基于车辆冠层模式的城市街谷模型及其行人风热环境的动力学影响机理研究

With the development of Chinese economy, a rapid increase trend of vehicles presents in recent years. Traffic wind induced by vehicle moving has a significant effect on wind and thermal environment, pollutant dispersion and exposure risk of pedestrians in street canyons. However, the effect of traffic wind on turbulent dispersion and pedestrian thermal comfort in street canyons has not be fully understood yet and a further in-depth research is necessary. Thus, this project takes wind and thermal environment at pedestrian height level in street canyons as object, focuses on the influence of vehicle moving on turbulent dynamic in street canyons, proposes key factors influencing the characteristics of wind and thermal environment at pedestrian height level in street canyons by employing in-situ measurement of three dimensional fluctuating viscosity and traffic flow. A vehicle canopy model including main turbulent dynamic process is established based on the basic turbulent viscosity models and field measurement data. Through CFD simulation, street canyon models combining key factors are built and the incidence of vehicles on wind and thermal environment at pedestrian height level in street canyons is evaluated. The consequence of this project could be a guideline and basis of the further research on space-temporal variation of wind and thermal environment at pedestrian height level, dynamic factors, heat and mass transfer on account of dynamic characteristics and pollutant dispersion in street canyons.

随着中国经济的发展，汽车保有量快速增加，车辆在街谷中行驶状态已成为影响街谷风热环境的关键因素之一。车辆行驶诱导形成的“交通风”对街谷风热环境、污染物扩散和行人暴露风险评价的影响已不可忽略。然而，上述动力学过程对湍流扩散与行人风热环境舒适性的相关性及其影响机理尚不清楚。本项目以城市街谷行人风热环境为对象，以车辆行进对湍流动力学过程的影响为出发点，采用定点式现场实测手段，辨识影响行人风热环境动力学特性分布的关键因素，基于涡粘性湍流计算模型和现场测试数据，构建车辆行进相关的主要动力学过程的车辆冠层模型，利用CFD数值模拟手段，构建在城市街谷关键因素影响下的城市街谷模型，探寻车辆对行人风热环境动力学作用过程的显著区域和作用机理。为正确认识城市街谷行人风热环境的时空动态变化规律，完善城市街谷中动态因素的动力学效应研究体系，深入开展基于动力学特性的传热传质分析及污染物扩散机制提供指导和依据。

街谷风热环境分布规律对行人热感觉和污染暴露等具有重要影响，而随着城市中机动车保有量的快速增长，车辆运动形成的交通风对街谷风热环境及污染扩散的作用愈发增强，车辆冠层模型预测精度和水平将直接决定街谷风热环境的评价与分析；本项目针对上述关键问题，从有效提升车辆冠层模型预测精度角度出发，开展了系统性的研究，主要成果如下：.（1）完成了大连地区3条主要街谷市场街（单向双排车道）、唐山街（双向四排车道）和胜利路（双向六排车道）全年4个季节的行人风热环境及污染水平现场实测工作，提炼出车流量、温湿度、风速风向及颗粒物等参数的逐时变化规律；.（2）针对影响街谷行人风热环境及污染扩散规律的主要因素，进行了车流量、温湿度、风速风向等参数的相关性分析，并凝练出主要影响因素及影响程度；.（3）考虑到街谷方向建筑物高低不一、高宽比变化显著等特点，本项目采用在与街谷环境尺度相同的隧道内部，完成了隧道环境车辆运动交通风特性的归纳总结，针对多排车运动复杂工况提炼出车辆交通风计算过程的关键参数之一曳力系数取值范围，有效提升了车辆冠层模型中对车辆行驶交通风的预测精度及水平。.（4）基于上述完善后的车辆冠层模型，本项目进一步完成了复杂街谷中的行人风热环境特性、湍动变化规律及污染物传播及暴露风险的数值模拟研究工作，模拟过程中将车辆冠层模型嵌入到已有的Realizable k-ε模型中，总结归纳出街谷行人风热环境变化规律及污染物暴露风险。.本项目研究成果为进一步评估街谷中行人的热舒适性以及后续的街谷形态规划和城市尺度的通风廊道设计等提供了基础与依据。同时结合大数据和物联网技术手段，本项目研究成果未来可与城市气象及空气指数预报系统互联互通，实现城市街区尺度的风热环境与污染扩散精准预测。