城市街道峡谷中反应性污染物扩散的CFD建模：几何结构、风速、辐射和大气化学的影响

《Atmospheric Environment》：CFD modeling of reactive pollutant dispersion in urban street canyons: Effects of geometry, wind speed, radiation and atmospheric chemistry

　　

摘要

本研究采用标准k-ε湍流模型，对理想化城市街道峡谷中的NO–NO?–O?三元组进行了二维非定常Reynolds平均Navier-Stokes（RANS）计算流体力学（CFD）研究。在评估活性化学机制、太阳天顶角、风速和峡谷纵横比（H/W）对车辆排放的反应性污染物扩散的影响之前，首先使用实验和数值基准数据对模型进行了验证。为确保数值精度，进行了网格收敛分析，并实现了网格独立性，随后采用中等分辨率网格进行所有反应性模拟。模拟使用reactingFoam求解器进行，实现了简化的光稳态化学机制。此外，对标准reactingFoam源代码进行了小幅修改，以考虑城市峡谷内的太阳阴影效应。

结果表明，忽略化学作用（仅传输）会系统性地低估NO?浓度，而光稳态机制能够正确恢复NO–NO?–O?的动态平衡。敏感性分析显示，风速从0.95 m/s增加到3.8 m/s，由于通风效率提高，体积平均NO?水平降低高达14.6%。值得注意的是，峡谷几何形状产生双重效应：对于深峡谷配置（H/W=2），与浅峡谷配置（H/W=0.5）相比，体积平均浓度降低43%。然而，由于污染物在下部再循环区被困住，深峡谷的行人层暴露水平高出33%。由于太阳相对位置造成的全遮光和部分遮光产生了显著影响。例如，全遮光导致的NO?浓度与夜间条件下的浓度相似，而峡谷半遮光情况使NO?浓度比全日照条件下增加约54%。这些发现凸显了耦合流-化学模型在研究更复杂城市地形对空气质量影响方面的重要性。

引言

研究城市空气质量是一个日益增长的挑战，这不仅因为其影响公共健康，还因为涉及物理化学过程的复杂性。在高交通密度和/或紧凑建成环境的城市中，氮氧化物（NOx）和对流层臭氧是最令人担忧的大气污染物之一。它们的分布和化学转化取决于车辆排放、湍流传输和大气光化学过程之间的相互作用。

氮氧化物在城市大气化学中起着核心作用。一氧化氮（NO）主要由车辆中化石燃料的直接燃烧产生，而二氧化氮（NO?）可以通过两条途径形成：较少程度是通过直接燃烧排放，或者更显著地通过NO的氧化。值得注意的是，NO?的健康风险更大，它不仅作为一次污染物，还作为颗粒物和臭氧（O?）的前体物。NO?暴露与不良的呼吸和心血管影响、住院率增加以及呼吸原因死亡率升高相关（COMEAP, 2018, 世界卫生组织, 2021）。

对流层臭氧是一种高度活性的二次氧化剂，会引发炎症反应并加重哮喘等症状（Pope等, 2002, 世界卫生组织, 2021）。这些影响在脆弱人群中更为严重，凸显了理解这两种污染物在城市地区时空变异性的重要性。

预计到2030年，城市人口将比2000年增加三倍。这种快速城市化通常导致更高的建筑密度和城市形态的重大转变，从而影响空气污染物的扩散和积累（Montalvo和Horna, 2025）。因此，城市中污染物的时空演化强烈受城市几何形状的影响。具体来说，具有狭窄街道和有限通风的紧凑城市配置被称为街道峡谷。这些区域产生以再循环和死区为主的流动模式，降低空气更新并促进污染物的局部积累。描述这些配置的一个关键参数是建筑高度与街道宽度之间的纵横比H/W，它决定了城市峡谷内不同的通风机制（Oke, 1988, Meroney等, 1996）。这个纵横比直接影响污染物扩散和太阳辐射入射，影响行人层和建筑窗户高度的空气质量。

多个研究者通过现场测量、风洞实验和数值建模研究了街道峡谷内的流动和扩散特征。在纵横比接近1且风垂直于街道方向的配置中，观测到通风主要由一个主涡旋主导，该涡旋在峡谷内再循环空气，促进污染物在底部积累。风洞实验表明，涡旋动力学和湍流间歇性决定性地控制街道峡谷与上层边界层之间的垂直交换，产生显著的水平浓度梯度（Baker等, 2004）。非定常数值模拟再现了这些机制，表明即使在简化配置中，湍流过程也是污染物传输和逃逸的主要原因（Baik等, 2007）。这些观测强调了充分建模流体动力学与化学反应相互作用（包括辐射效应）的必要性。

使用计算流体力学（CFD）和大气化学的耦合数值建模已确立为分析这些过程的重要工具（Sánchez等, 2016, Hang等, 2022）。虽然存在SAPRC-07等详细光化学机制，但其在高分辨率三维（3D）模拟中的实施需要高计算成本。因此，许多二维（2D）街道尺度研究采用聚焦于NO–NO?–O?系统的简化方案，根据多位研究者的观点，这些方案足以捕捉城市环境中的主导光化学反应（Baker等, 2004, Baik等, 2007, Wu等, 2021）。这些模型能够准确分析传输与化学转化的耦合，为反应性污染物分布提供适当表示。

本工作的目标是通过二维计算流体力学（CFD）模拟，使用非定常RANS reactingFoam求解器和标准k-ε湍流模型，模拟高度紧凑城市环境中NO?的分布和转化。与Sánchez等（2016）使用商业软件的先前行数值研究不同，以及Wu等（2021）和Hang等（2022）开发定制内部模型不同，本研究采用OpenFOAM?-v2412发布的reactingFoam版本。为研究太阳遮光对城市光化学的影响，求解器被扩展以考虑街道峡谷内的阴影效应，从而能够分析部分遮光和全遮光配置。

研究分为三个阶段：首先，对参考配置进行严格的网格收敛和化学验证。其次，通过比较不同的化学机制来明确评估化学作用的角色，即纯对流-扩散传输、夜间化学（无光解）和完整光稳态方案。最后，通过变化关键环境和几何参数（包括太阳天顶角、风速、峡谷纵横比和太阳阴影条件）进行系统的敏感性分析。

这一框架表明，使用可访问的开源工具可以实现对反应性污染物的高保真评估，为密集建成城市环境的空气质量分析提供稳健且可复现的方法。

章节摘要

CFD模型描述

本研究使用OpenFOAM（v2412）中的reactingFoam求解器进行。虽然reactingFoam最初是为建模具有详细化学动力学的燃烧过程而开发的（Borujeni和Norouzi, 2020, Lahaye等, 2022），但其稳健性使其成功应用于城市边界层内大气动力学和化学反应物扩散的分析（Zhong等, 2017, Hang等, 2022）。

reactingFoam求解守恒方程……

CFD模型评估

数值模拟的准确性通过与Meroney等（1996）、Sánchez等（2016）和Hang等（2022）报道的实验和数值数据比较进行验证程序评估。验证聚焦于城市街道峡谷建模的三个基本方面：平均气流的流动模式、被动示踪剂的扩散和光化学反应。

结论

本研究通过OpenFOAM的开源reactingFoam求解器，对理想化城市街道峡谷中的反应性NO–NO?–O?系统进行了全面的CFD研究。与文献中的实验和数值数据相比，该模型能够再现流动结构和污染物扩散。

网格收敛分析表明，中间网格提供网格独立解，同时保持合理的计算成本。

CRediT作者贡献声明

Melisa I. Mendoza：研究。Santiago F. Corzo：研究。Damian E. Ramajo：研究。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢CONICET和国立里奥哈内格罗大学（资助），阿根廷。

Melisa I. Mendoza | Santiago F. Corzo | Damian E. Ramajo

计算方法研究中心（CIMEC CONICET-UNL），CONICET圣菲"Dr. Alberto Cassano"场地，Colectora Ruta Nac. Nro. 168 s/n, Paraje El Pozo, 3000 Santa Fe, Argentina