181围栏高度对施工扬尘迁移扩散影响的数值模拟研究_邓济通黄远东

181围栏高度对施工扬尘迁移扩散影响的数值模拟研究_邓济通黄远东张强

大气污染防治

AirPollutionControl83

围栏高度对施工扬尘迁移扩散影响的数值模拟研究

邓济通1，2*黄远东1张强2

（1．上海理工大学，上海200093；2．上海市建筑科学研究院（集团）有限公司，上海200032）

摘要：以CFD数值模拟为研究方法，研究了不同施工围栏高度对施工扬尘迁移扩散的影响规律。选取了4种施工围2.2，2.5，3.0m。选取速度分别为3，5，8，12，15m/s的来流风均匀流过不同围栏高度的，分别为1.8，

施工场地，研究场地内风场情况以及施工扬尘的迁移扩散规律。结果表明：在土方区域背风面，来流风形成回流，不利于扬尘向外扩散。在土方区域迎风面，施工扬尘随上升流扩散到工地其他区域，造成扬尘污染。1.8m的围栏围成的

2.2m高的围栏围成的施工工施工工地，施工扬尘相比其他围栏高度围成的施工场地，会更多的扩散到外界环境中，

地施工扬尘扩散到外界环境相对较少，二者差距最大可达7.4%。不过随着风速的增大，围栏高度防止扬尘扩散到外。

关键词：CFD；施工围栏；施工扬尘；围栏高度；外界环境

DOI：10.13205/j．hjgc．201404020

ACFDSTUDYONEFFECTSOFFENCEHEIGHTONMIGＲATIONAND

DIFFUSIONOFCONSTＲUCTIONDUST

DengJitong1，2HuangYuandong1ZhangQiang2

（1．UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093，China；

2．ShanghaiＲesearchInstituteofBuildingScience，Shanghai200032，China）

Abstract：BasedonthemethodofCFDnumericalsimulation，itwasstudiedtheeffectsofdifferentfenceheightsonmigrationanddiffusionofconstructiondust．Fourdifferentfenceheights，1.8m，2.2m，2.5mand3.0mwereselected，and5windspeedlevels，3m/s，5m/s，8m/s，12m/sand15m/sthroughtheconstructionsitewereused，anditwasstudedthewindfieldinconstructionsitesandthelawofmigrationanddiffusionofconstructiondust．Theresultsshowthatintheleewardofearthworks，backflowhappensanditcancausedustpollution．Inthewindwardofearthworks，upstreamcarriesdusttootherareasinsites，whichcancausedustpollution．Theconstructiondustofconstructionsitesaround1.8mfencesismucheasiertodisperseintoexternalenvironmentcomparedtoothers，theconstructiondustofconstructionsitesaround2.2mfencesishardertodisperseintoexternalenvironment，andthemaximumdifferenceis7.4%．Withtheincreaseofwindvelocity，theeffectofdifferentheights’fencespreventingdustintoexternalenvironmentbecomesless．

Keywords：CFD；constructionfence；constructiondust；fenceheight；externalenvironment

0引言在城市市政基础设施建设、建筑物建造与拆迁、

设备安装及装饰修缮等施工场所和过程中，会产生大

量施工扬尘。施工扬尘在外界风的作用力下，会迁移

扩散至大气环境中，造成大气污染。Cheng等［1］空气污染事当前中国的空气污染形势相当严峻，件的相关报道屡见不鲜。2012年国家最新颁布的GB3095—2012《环境空气质量标准》中新增了颗粒

物PM2.5项目，旨在积极采并调整了PM10浓度限值，

取措施改善空气环境。

02）；上海市*国家“十二五”重大科技支撑计划项目（2012BAJ03B03-

研究生创新基金项目（JWCXSL1202）。

收稿日期：2013－06－15应用AＲPS-CMAQ，MM5-得出2002年北京市施工扬尘对PM10浓度的贡献率为10.7%；张雯婷等［2］得出2002年贵阳市应用CALPUFF模型，得出2003年11—12月ISC3模型，施工扬尘对整个城区PM10的年均贡献接近12%；

赵普生等［3］

环境工程EnvironmentalEngineering

天津市施工扬尘贡献了大气PM10浓度的13.3%。可见建筑施工扬尘对大气颗粒物污染的贡献较大，治理施工扬尘刻不容缓。

当前国内研究施工扬尘主要以现场实测为主。赵普生等等

［5］

［4］

1ε+1CG－+uj=αεμeff

ρxjρε1kkxjtxj

[]

式中：μeff

ε2

Cμρη3（1－η/η0）ε2+

k1+βη3

]

（4）

以天津市某处典型住宅楼施工工地作为

研究对象，研究了施工扬尘的性质、粒径分布等；田刚

研究了建筑工地边界施工扬尘垂直扩散规律，

［6］

=μ+μt；μt=ρCμ；Cμ=0.0845；

η（1－η/η0）1+βη3

αk=αε=1.39。

*C1ε=C1ε－

得出了施工扬尘垂直、水平扩散模型；黄玉虎等对

（5）

处于不同施工阶段的扬尘污染物的特征进行了研究。

但是基于计算流体动力学的施工扬尘研究目前国内报道甚少。故本文则基于计算流体动力学，研究了围栏高度对施工扬尘迁移扩散的影响。1

理论基础

计算流体动力学，简称CFD（ComputationalFluidDynamics），是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行计算机模拟和分析研究，以解决各种与流体相关的问题。

本研究中气流运动视为不可压缩流动，采用的控S方程，制方程包括连续性方程、不可压缩流动的N-湍流模型采用ＲNGκ－ε模型，扬尘颗粒流动采用拉格朗日法。

1）连续性方程：

Ui

=0xi

—

式中：C1ε=1.42；C2ε=1.68；η0=4.377；β=0.012；η=（2Eij·Eij）

3）拉格朗日法：

拉格朗日法是以研究单个颗粒物质点运动过程为基础，因此所有颗粒物质点的运动，构成了整个离散相的运动。其思想核心就是以某一起始时刻每个颗粒物质点的坐标位置（x0，y0，z0）作为该颗粒物质点的标志，把运动过程中任意时刻该颗粒物质点的坐标位置（x，y，z）表示成（x0，y0，z0）和时间t的函数，描绘出该颗粒物质点的轨迹曲线，然后通过描绘出所有颗粒物质点的轨迹曲线，构成整个离散相流动，得出颗粒物分布规律。2

模型与网格设置

本研究计算区域设置为长（x轴方向）、宽（z轴

1/2

k1uiuj

；Eij=（+）。

2xjxiε

i=1，2，3（1）

100，15m的长方方向）、高（y轴方向）分别为200，体。施工场地长×宽=200m×100m，总面积为20000m2。施工场地中央设置为土方施工区域，长×宽×高=60m×20m×2m。施工围栏高度分为1.8，2.2，2.5，3.0m四种设置进行研究。

计算区域采用四面体混合网格（Tetra/Mixed）。土方区域高度方向以及围栏采用0.6m，土方区域与施工工地地面采用2m的网格，其他区域网格大小均采用5m。大小网格之间以增长网格连接。计算区域内生成网格数目为45万。

式中：U表示流体平均流速；x表示流体位置。

动量方程：

—Ui—Ui1p(2

+Uj=－－uiuj)+νUi（2）txjρxixj—

—

式中：t表示时间；ρ表示流体密度；p表示流体平均压强。

2）ＲNGk－ε模型：

ＲNGk－ε模型由Yakhot及Orzag

［7］

－

ＲNG提出，

3边界条件设置

根据2012年上海市天气数据分析可得，上海市

是“renormalizationgroup”的缩写，即重整化群的意思。ＲNGk－ε模型是通过用大尺度运动和修正后的黏度项来体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动可以系统的从控制方程中去除。ＲNGk－ε模型中的常数与标准k－ε模型中的不同，但所得到的k方程和ε方程非常相似

［8］

全年平均风力等级在4级（5.5～7.9m/s），最小为3级3.4～5.4m/s）级（13.9～17.1m）（一般出现于夏季台风期）。因此，5，8，分别研究，12，15m/s共5种风速下的扬尘扩散情况。

本文计算区域进口采用速度进口边界条件，出口采用压力出口边界条件，地面与围栏均采用无滑移墙面边界条件。设置扬尘颗粒空气动力学直径为

：

1kkk+Gk－ε+uj=αkμefftρxjρxjxj

[]

（3）

大气污染防治

AirPollutionControl85

10μm，扬尘颗粒从土方区域表面均匀发出，度为零，，即不考虑二次扬尘，扬尘一接触进口或出口即发生逃逸，逃出计算区域。

4计算结果与讨论

通过模拟计算，以下主要讨论不同围栏高度对施工扬尘迁移扩散的影响规律。

5，8，12，15m/s的不依据计算结果，绘制出在3，

同来风速度下，土方基坑作业区域的风速分布情况，详见图1。

由于在土方区域流动紊乱程度较大，流动比较复杂，为更好地表现复杂的气流，网格进行了加密处理，矢量在土方区域分布较为密集。由于来流设置为均匀流，因此可以观察到土方区域上方流动很平稳。

由图1分析可得：在土方区域背风面，可观察到气流明显呈涡旋状，形成回流，速度较小。这会导致施工起尘，由于速度不大，并不利于扩散到外面。在土方区域的右侧即桩基迎风面，风遇迎风面阻碍，风向改变而形成向上气流，向上速度较大。这会使得施工扬尘随上升流扩散到工地其他区域，造成扬尘污

8，12，15m/s时施工场地染。观察分析得出，风速5，

内流场与风速3m/s时流场情况相似。

2.2，2.5，图2显示的是4种围栏高度（1.8，

3.0m）时逃逸比的变化情况。Ｒatio1、Ｒatio2、Ｒatio3、Ｒatio4、Ｒatio5分别表示速度为3，5，8，12，15m/s时的逃逸颗粒数与总颗粒数的比值，简称逃逸比。逃逸比是颗粒物扩散到工地区域之外的数目占总颗粒物的比值，反映了工地扬尘对外界空气环境的影响程度。逃逸比（Ｒatio）越大，工地扬尘对外界空气环境影响越严重；反之，逃逸比越小，对外界空气环境影响越小。其计算方法见式（5）。

Ｒatio=EscapeNumbers×100%Sum（6）

式中：Sum=EscapeNumbers+TrapNumbers；EscapeNumbers指扬尘逃逸数；Sum表示释放扬尘总数。

如图2所示：不同风速下围栏最大逃逸比基本上都是在1.8m处出现（8m/s风速下在1.8m处逃逸比与3m处逃逸比差值仅为0.6%）；不同风速下围栏最小逃逸比基本上都是在2.2m时出现（8m/s风速下在2.2m处逃逸比与2.5m处逃逸比差值仅为0.4%）。总结这种规律，在1.8m到3.0m