道路隔声墙对交通污染物对流扩散影响的数值模拟研究
I
摘 要
本文采用 CFD 数值模拟的研究方法，探究隔声墙高度、摆放位置和道路结构
的不同对 6车道道路周围及其下风向的气流运动情况和污染物扩散的浓度分布，
揭示出道路隔声墙对道路周围及其下风向的气流运动和污染物对流扩散规律的影
响。
基于美国环境暴露污染实验室的风洞试验的道路隔声墙模型以及三维不可压
缩流动的时均化 N-S 方程、Realizable
k
湍流模型（
cS
=1.0）和污染物对流扩散
方程，构建了道路隔声墙相关研究的三维数值仿真的物理模型和数学模型，在
ANSYS FLUENT 12.1 的平台上对所建立的模型进行数值求解，并利用风洞试验数
据与数值模拟的结果进行拟合验证。结果显示：相同的工况条件，数值模拟结果
与风洞实验数据吻合较好，这说明数值模拟所采用的湍流模型和参数设置是合理
可行的。
本文根据道路中央有无隔离墙，设计了 12 种无中隔墙的工况和 6种有中隔墙
的工况。采用与风洞试验验证过的 CFD 模型和参数，对道路周围的气流运动和污
染物对流扩散规律进行了数值模拟研究。通过对道路周围及其下风向流场、污染
物浓度场以及人行高度污染物分布的对比分析，可以得出：（ 1）在相同路况条件
下，随着道路隔声墙高度的增加，道路周围的气流旋涡面积增大，气流的抬升高
度明显增大，对污染物的阻散作用增强，污染物在道路内积聚，道路下风向的污
染物落地浓度减小，扩散距离增大；（2） 在相同路况条件下，道路隔声墙摆放位
置的不同会对道路周围的气流运动和污染物扩散产生明显的影响，其中隔声墙位
于道路下风向时对污染物的阻散影响是最强的，但是其对污染物扩散的高度和扩
散距离基本没有影响；（3）在隔声墙高度和摆放位置相同的工况条件下，路况结
构的不同对污染物扩散有一定的影响，但是其影响趋势是基本相同的。
通过对两类工况的对比分析，还可以得到：道路中隔墙，有利于道路周围污
染物的对流扩散，但是污染物扩散的高度取决于道路隔声墙的影响，与中隔墙基
本无关，而且在相同的工况条件下，当下风向达到一定距离以后，污染物的浓度
基本相同。
本研究成果对于计及环境容量约束下的城市道路交通规划以及城市道路周围
的建筑布局和环境监测中科学合理布设测试点位置具有指导意义。
关键词：道路隔声墙 交通污染物 中隔墙 模型验证 数值模拟 污染
物对流扩散
II
ABSTRACT
A 3-dimensional computational fluid dynamics(CFD) 6-lane road model has been
developed to explore the different height of the noise barriers, placement and road
configurations on airflow and pollutant diffusion concentration distribution around and
downwind of the road and reveal the effects of road noise barrier on airflow and
pollutants convection diffusion law around and the downwind of road.
Road physical models are based on the wind tunnel experiment model of National
Exposure Research Laboratory of U.S. Environmental Protection Agency. And
mathematical models for evaluating the airflow and pollutant dispersion around the road
is built up, which was based on the 3-dimensional incompressible Reynolds Averaged
Navier-Stokes equations, Realizable
k
turbulence model（
cS
=1.0）and the pollutant
transportation equation. The numerical simulations of the model are conducted on
ANSYS FLUENT 12.1. And then through the comparison of the wind tunnel test data
and numerical simulation results, the results shows that: under the same road conditions,
the results of numerical simulation and wind tunnel experimental data are in good
agreement, indicating that the turbulence model and parameter settings used in the
numerical simulation are reasonable and feasible.
Based on whether there is the isolation wall in the center of the road, 12 kinds of
no central isolation wall conditions and 6 kinds of central isolation wall conditions are
designed in the study. The numerical simulation which made use of validation of CFD
and wind tunnel test models and parameters researchs on the airflow and pollutants
convection diffusion around the road. The computed air velocity vector fields, pollutant
concentration contours and the pedestrian height distribution of pollutants indicate that:
(1) under the same road conditions, with the increasing in height of the roadside noise
barriers, the area of the vortex flow around roads increases, and the lifting height of the
airflow significantly increases. And meanwhile blocking of pollutants enhances and
pollutant accumulates within the road, pollutant concentration in the ground of the
downwind of road decreases, and the diffusion distance increases; (2) under the same
road conditions, the different placements of roadside noise barriers have a significant
impact on roads surrounding airflow and diffusion of pollutants. Especially, when the
barrier is located on the road downwind, the resistance of pollutants dispersion is the
strongest, but there is no effect on the height of pollutant dispersion and diffusion
III
distance; (3) under the same barrier conditions of the height and the placements of the
road configurations, there is a certain impact on diffuse pollutants, but the trend of
impact is basically the same.
Through the comparation analysis of the two types of conditions, we can also get:
central isolation wall, is conducive to convective diffusion of pollutants around the road,
but the height of the dispersion of pollutants depends on the impact of roadside noise
barrier, has nothing to do with the central isolation wall, and in the same barrier
conditions, When the downwind of road reaches a certain distance, the concentration of
pollutants is basically the same.
The results show that: the numerical simulation results were qualitatively
agreement with those of wind-tunnel experiment in a variety of conditions. Through the
relative quantitative analysis by image processing, we also found that the numerical
simulation results were qualitatively agreement with those of wind-tunnel experiment.
Above all, appropriate parameters contribute to correct numerical simulations and actual
results.
Key Word: Roadside noise barrier，Traffic-related pollutants，Central
isolation wall，Model validation，Numerical simulation，Pollutants
convection diffusion
i
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ............................................................................................................. 1
1.1 研究背景 ..................................................................................................... 1
1.1.1 国内外交通污染概述 ........................................................................ 1
1.1.2 交通污染物对健康的影响 ................................................................ 2
1.1.3 交通污染物扩散的影响因素............................................................. 2
1.2 道路隔声墙对交通污染物扩散影响的研究方法和现状 .............................. 4
1.3 研究目的和主要内容................................................................................... 7
1.4 本论文的创新点 .......................................................................................... 8
第二章 道路隔声墙模型和 CFD 模型的构建 ........................................................... 9
2.1 隔声墙简介 .................................................................................................. 9
2.2 CFD 模拟选用的道路隔声墙模型 .............................................................. 10
2.3 CFD 模型构建 ............................................................................................ 12
2.3.1 网格敏感性 ..................................................................................... 12
2.3.2 湍流模型......................................................................................... 14
2.3.3 污染物对流扩散方程 ...................................................................... 19
2.3.4 微分方程的离散和求解方法........................................................... 20
2.4 本章小节 ................................................................................................... 22
第三章 数值模拟与风洞试验的模型验证 .............................................................. 23
3.1 物理模型及计算区域................................................................................. 23
3.1.1 物理模型......................................................................................... 23
3.1.2 计算区域......................................................................................... 23
3.2 数学模型 ................................................................................................... 24
3.2.1 气流运动控制方程 .......................................................................... 24
3.2.2 网格划分......................................................................................... 26
3.2.3 边界条件 ......................................................................................... 26
3.2.4 数值计算......................................................................................... 27
3.3 数值模拟结果的验证分析 ......................................................................... 29
3.3.1 风洞试验的拟合 ............................................................................. 30
3.3.2 数值模拟的拟合 ............................................................................. 33
ii
3.4 本章小结 ................................................................................................... 35
第四章 无中隔墙道路隔声墙周围气流运动和污染物对流扩散的数值模拟 .......... 37
4.1 无中隔墙道路隔声墙的几何结构形态 ...................................................... 37
4.2 CFD 模型 ................................................................................................... 38
4.3 数值模拟结果与风洞试验的对比 .............................................................. 38
4.4 数值模拟结果及分析................................................................................. 41
4.4.1 计算结果的流场分析 ...................................................................... 41
4.4.2 计算结果的污染物无量纲浓度场分析............................................ 44
4.4.3 道路下风向人行高度的污染物无量纲浓度分析 ............................. 47
4.5 本章小结 ................................................................................................... 49
第五章 有中隔墙道路隔声墙周围气流运动和污染物对流扩散的数值模拟 .......... 51
5.1 有中隔墙道路隔声墙的几何结构形态 ...................................................... 51
5.2 CFD 模型 ................................................................................................... 52
5.3 数值模拟结果及分析................................................................................. 52
5.3.1 计算结果的流场分析 ...................................................................... 52
5.3.2 计算结果的污染物无量纲浓度场分析............................................ 54
5.3.3 道路下风向人行高度的污染物无量纲浓度分析 ............................. 56
5.4 本章小结 ................................................................................................... 58
第六章 有无中隔墙道路隔声墙周围气流运动和污染物对流扩散的对比分析 ...... 59
6.1 道路周围流场和污染物无量纲浓度场的对比............................................ 59
6.1.1 道路周围流场的对比 ...................................................................... 59
6.1.2 道路周围污染物无量纲浓度场的对比............................................ 62
6.1.3 道路下风向人行高度的污染物无量纲浓度的对比 .......................... 63
6.2 本章小结 ................................................................................................... 64
第七章 结论与展望 ................................................................................................ 65
7.1 结论 ........................................................................................................... 65
7.2 展望 ........................................................................................................... 66
附 录....................................................................................................................... 67
参考文献 ................................................................................................................. 69
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .......................................... 75
致 谢....................................................................................................................... 76
第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着我国经济的快速增长，人民生活水平的显著提高，我国民用车辆的数量
在迅速的增加，到 2020 年我国汽车总量预测将达到 2.17 亿辆[1]，这必然会增加城市
交通的压力，造成了高峰期城市道路的拥堵。为了更好的解决这个社会问题，加
快我国的城市化进程，一些城市对于道路的新建和改建工作也在加速进行尤其是
像北京、上海、深圳等大城市为了缓解交通拥堵现象，修建了高架，隧道等道路
新结构。同时，为了减少交通噪声对道路附近居民正常生活的影响，我国在道路
建设过程中增加了对道路隔声墙的应用，尤其是在居民区周围的高架道路中应用
最为广泛。
道路隔声墙虽然能够达到很好的减声降噪的效果，但是它同时会对交通污染
物的扩散产生一定的阻散影响，从而导致新的环境问题和社会问题的出现。据研
究显示，长期暴露在交通污染物中是对我们健康产生不利影响的一个重要的危险
因素[2~4]。因此，近几年关于道路隔声墙对污染物扩散影响的研究逐渐成为一个重
要的课题，其中也得出许多重要的结论，例如，污染物浓度最高发生在道路下风向的
边缘处，只有经过长达几百米的扩散污染物的浓度才能降低到本底浓度值[5~10]，这
些结论也为城市道路规划提供了重要的理论依据。
1.1.1 国内外交通污染概述
随着机动车数量的不断增加，机动车尾气排放量也显著增加，而交通污染物
与城市大气环境质量紧密相关。衡量交通污染物对城市大气污染贡献大小的一个
重要指标是交通污染物分担率，表示机动车排放污染物的量占大气总污染物数量
的百分比。表 1-1 为我国部分城市与美国、英国、欧洲地区的两种主要大气污染物
（二氧化碳与氮氧化物）的机动车排放分担率[11~16]。表中数据显示，无论是我国
的一些大中城市还是机动车尾气排放要求严格、经济发展水平先进的欧美发达国
家，大气污染的最主要来源都是交通污染物。因此，道路交通尾气排放已经成为
交通系统能否可持续发展所面临的一个重大挑战。
表1-1 我国部分城市与欧美发达国家的机动车污染物排放分担率统计表
地区
北京
上海
天津
沈阳
杭州
美国
英国
欧洲
NOX分担率（%）
46.0
20.9
55.0
33.8
37.9
42.0
34.0
36.0
CO 分担率（%）
78.0
61.8
83.0
71.8
81.9
84.0
52.0
76.0
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作者：牛悦
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时间：2025-01-09
