1. 引言

隨著城市發(fā)展，高層建筑物、高架道路的建設(shè)。因此在城市街道上形成一種特殊地形，即“高架街道峽谷”地形。而伴隨著城市汽車保有量增加，研究城市的污染問(wèn)題就顯得越來(lái)越重要，本文將通過(guò)應(yīng)用Abaqus/CFD模塊，對(duì)城市特有的“高架街道峽谷”進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)分析。城市街道的風(fēng)場(chǎng)分析，無(wú)疑對(duì)于城市建設(shè)規(guī)劃、污染防治方面，具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

2. 街道峽谷高架橋模型

在上海市中環(huán)路街道兩旁，由多層、高層建筑形成的“街道峽谷模型”很多。本文將以上中路段上的實(shí)際地形建立“街道峽谷高架橋模型”，其中街道兩旁左側(cè)建筑物（高度20米，寬度50米）；右側(cè)為一層商鋪（高4米，深8米）連接高層建筑（高30米，寬15米）的建筑物構(gòu)成，兩旁建筑沿著街道長(zhǎng)度均大于100米。高架道路為雙向3車道，橋?qū)挾?4米，在所研究區(qū)段高度為12米。高架橋下面的地面，同樣有雙向6條機(jī)動(dòng)車道，上面的高架橋猶如一把傘將下面大部分道路遮蓋，只有兩邊部分非機(jī)動(dòng)車道和人行道未被遮蓋。

由于ABAQUS/CFD流體計(jì)算模塊中的κ-ε流體動(dòng)力學(xué)方程，該程序采用了混合有限體積法和有限元法的求解方法，因此在計(jì)算不可壓縮的層流和湍流問(wèn)題時(shí) ，具有求解精度高和求解適用范圍廣的特點(diǎn)。 為了盡量避免該算法消耗計(jì)算存儲(chǔ)資源等的缺點(diǎn)，本文采取的計(jì)算策略是粗算與細(xì)算相結(jié)合的方法。即首先建立街道峽谷高架橋的全局模型，采用三維流體力學(xué)單元，劃分了1萬(wàn)余個(gè)單元，得到整體結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)有限元模型（圖1）。然后通過(guò)忽略高層建筑邊緣效應(yīng)，街道峽谷高架橋中段，再建立一個(gè)平面問(wèn)題的細(xì)化模型，詳細(xì)研究由高架橋下街道風(fēng)場(chǎng)的影響。

圖 1. 高架峽谷街道的 3 維有限元模型圖

由計(jì)算得到的風(fēng)場(chǎng)云圖（圖 2-5）可知，如果風(fēng)向與街道成垂直角度，由低層建筑吹向較高層建筑物在“峽谷”內(nèi)風(fēng)場(chǎng)比相反風(fēng)向的風(fēng)場(chǎng)要復(fù)雜。在上述兩種風(fēng)向的街道峽谷風(fēng)場(chǎng)中，兩個(gè)建筑物之間的街道上方，形成多個(gè)較大和較小的渦流氣團(tuán)。因此在機(jī)動(dòng)車行駛街道路面上方，渦流氣團(tuán)是機(jī)動(dòng)車污染物擴(kuò)散的主要方式之一。 在街道的兩旁建筑物下方，空氣流動(dòng)速度較小，建筑物背風(fēng)面的風(fēng)速大約比迎風(fēng)面的風(fēng)速小 2-3 倍。說(shuō)明在街道兩側(cè)建筑物下方，空氣流動(dòng)是污染物擴(kuò)散主要方式之一。

圖 2. 風(fēng)向與街道方向相互垂直（X 正方向）時(shí) 3 維模型的風(fēng)速場(chǎng)云圖

圖 3. 風(fēng)向與街道方向相互垂直（X 正方向）時(shí)平面模型的風(fēng)速場(chǎng)云圖

圖 4. 風(fēng)向與街道方向相互垂直（X 正方向）時(shí)，無(wú)高架橋平面模型的風(fēng)速場(chǎng)云圖

比較有高架橋和無(wú)高架橋的有限元流體力學(xué)計(jì)算得到的街道風(fēng)速場(chǎng)計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖 3和 4），可知街道上方有高架橋與吳高架橋時(shí)，兩者風(fēng)速場(chǎng)明顯不同，即有高架橋時(shí)，街道上污染物擴(kuò)散速度要慢。在有高架橋的街道峽谷高架橋模型中，由于高架橋的遮蓋，橋下方流場(chǎng)比較復(fù)雜，有多個(gè)較小渦流。最大風(fēng)速不超過(guò)無(wú)遮擋物風(fēng)速的 30%。

圖 5. 風(fēng)向由高層吹向低層建筑 （- X 正方向）時(shí)，有高架橋的風(fēng)速場(chǎng)云圖

如果考慮風(fēng)順著街道吹向街道峽谷高架橋的街道內(nèi)部，由三維街道峽谷高架橋模型的空氣流場(chǎng)知，在兩旁建筑物和高架橋的邊界，風(fēng)場(chǎng)情況復(fù)雜，在街口兩旁建筑物邊緣部位，有空氣旋渦存在。風(fēng)進(jìn)入街道內(nèi)時(shí)，主要部分空氣順著街道流過(guò)，流過(guò)街道的風(fēng)速高于街口風(fēng)速（圖 6）。

圖 6. 風(fēng)向順著街道 （Z 正方向）時(shí)，風(fēng)速場(chǎng)云圖

高架橋下有 2 根直徑 2.5 米相距 4 米的支撐柱墩，其所產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)如圖 7，8 所示。根據(jù)風(fēng)速場(chǎng)云圖可知，高架橋墩對(duì)于風(fēng)速場(chǎng)的影響區(qū)域很小，因此在重點(diǎn)研究街道兩側(cè)風(fēng)場(chǎng)時(shí)，可以忽略其影響。

圖 7. 風(fēng)向向上（Y 方向）時(shí)，橋墩剖面風(fēng)速場(chǎng)云圖

圖 8. 風(fēng)向 向右吹（X 方向）時(shí)，橋墩剖面風(fēng)速場(chǎng)云圖

3. 討論

本文利用 Abaqus 軟件的 Abaqus/CFD 模塊，根據(jù)上海市中環(huán)的典型地形，建立了 3 維和2 維的高架橋街道峽谷的風(fēng)場(chǎng)流體力學(xué)模型和高架橋橋墩的流體力學(xué)模型。得到了以下的主要結(jié)論：

（1）當(dāng)街道上方有高架橋，形成高架橋街道峽谷地形時(shí)，該地形的風(fēng)速場(chǎng)與無(wú)高架橋的峽谷地形有明顯的不同；

（2）在風(fēng)向與街道走向之間夾角垂直時(shí)，高架橋街道峽谷風(fēng)速場(chǎng)比風(fēng)向順著街道時(shí)的風(fēng)場(chǎng)要復(fù)雜；

（3）有高架橋比無(wú)高架橋情況下，污染物擴(kuò)散較慢。

 計(jì)算表明，Abaqus 軟件的 Abaqus/CFD 模塊，可以方便和有效地用于模擬計(jì)算城市高架橋街道峽谷模型的風(fēng)場(chǎng)問(wèn)題。

資料來(lái)源：達(dá)索官方