道路隔声墙对交通污染物对流扩散影响的数值模拟研究

3.0 牛悦 2025-01-09 10 4 4.92MB 79 页 15积分

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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





湍流模型（

=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

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





turbulence model（

=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

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

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

1.1 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

道路隔声墙对交通污染物对流扩散影响的数值模拟研究

1.1.2 交通污染物对健康的影响

交通污染物是指各种交通工具在行驶过程中排放的污染物。它们对城市环境、

河流、湖泊、海湾和海域的环境造成了严重的污染，特别是发生在事故时危害更

大。对周围环境造成污染的交通运输设施、场所和设备，包括各种交通工具、停

车场、修车场、车站等污染发生源。主要污染物有烟尘（PM10 和PM2.5）、氮氧化

物（NOX）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、碳氢化合物、苯肼并(a)芘、铅化

合物等有毒有害物质。随着交通运输工业的快速发展，现代城市光化学烟雾几乎

无一例外是由交通污染物（机动车尾气）造成的。

据中国预防医科院环境卫生监测所对部分人员如交警、骑自行车者、乘公交

车者进行监测，结果显示，交通繁忙街道交通警在执勤时对汽车废气一氧化碳、

二氧化氮的接触，骑自行车者对二氧化氮的接触，二者的个体接触量平均值均超

过我国大气卫生标准。而乘车者对二氧化氮、甲醛的个体接触量平均值也有超过

我国公共场所卫生标准。

机动车尾气是城市大气污染的重要来源之一，近年来国内外专家通过数据的

采集和分析，针对机动车尾气对呼吸系统健康的影响进行了长期大量的研究，研

究[17~22]结果显示长期生活在交通污染物中的人们（尤其是儿童）患呼吸系统疾病

（支气管炎，肺功能衰竭等[23~25]）的概率显著增高，如果不及时住院治疗严重的

甚至会导致死亡。研究结果[26]还表明交通污染物中的 PM2.5、CO、NO2和VOCs

是危害人体健康的主要污染物，这些污染物一旦进入呼吸系统，尤其是肺部组织，

会对肺功能造成巨大的损害，甚至导致哮喘、肺炎和肺癌等严重的呼吸系统疾病。

北京大学和中国环境检测总站曾经先后在北京，兰州，广州和武汉这四个中国污

染较严重的城市里对呼吸系统疾病与交通污染物的相关性进行了实验研究[27~30]，

结果表明：患咳痰、支气管炎和哮喘等呼吸系统疾病的发生率与交通污染物有显

著的正相关关系。他们在北京、兰州、广州和武汉对实验人群的肺功能研究中发

现污染较重的兰州，其人群的肺功能活力相对较低。

1.1.3 交通污染物扩散的影响因素

交通污染物的排放与人们日常生产和生活的排放源不同，它属于低空排放，

排放地点多数发生在道路网密集、交通繁忙的城区，与行人的距离非常近。影响

交通污染物扩散能力的主要因素有污染物源强、交通道路以及气象条件等。污染

物源强取决于单车排放因子和交通流量的大小，单车排放因子主要受机动车工作

状态和油料品质的影响，交通流量的大小主要取决于机动车数量的多少。交通道

路的影响包括城市道路建筑布局和交通规划管理措施。气象条件因素主要包括风、

大气湍流、温度层结和大气稳定度等[31]。

第一章绪论

（1）机动车行驶状态及流量的影响

城市机动车保有量的快速增长带来了很多负面影响。首先道路车流量的增加

直接增大了道路中的污染物源强；道路上车辆众多，车辆转弯和直行间的不协调

导致部分车辆的减速甚至怠速，机动车行驶状态不一，状况复杂。而车辆在道路

上加减速频繁，怠速时间也比正常行驶状况下高很多，其尾气排放量势必会增加，

造成对空气的污染也会更加严重。

（2）机动车燃料品质的影响

目前，我国机动车燃料主要为汽油和柴油。高速的城市化进程与机动车增速

必然引起我国城市交通行业的能耗总量持续快速上升。我国机动车保有量的大幅

增加，使机动车消耗的燃油量激增，导致我国交通运输行业汽油与柴油消费占总

消费的比重逐年上升，目前我国交通能源消费占我国柴油产量的 63%以上，汽油

产量的 92%以上。而在城市客运中，这一比重甚至更大，据测算，上海 80%以上

的汽油消费用于城市交通运输。据统计，我国城市 2005 年的交通能源消耗构成中

占主导地位的是小汽车，占交通总能源消费的 70%左右。

我国用户用车的频次密度比较高，平均每一辆车每天所消耗的油量大概是发

达国家的两倍多。2010 年我国平均每一辆机动车消耗汽油或者柴油 2.15 吨，但是

那些汽车强国，比如说德国、日本都不超过 1吨。由于我国车辆装备的平均经济

技术水平低于世界平均水平，汽车的燃油效率比较低，平均新乘用车出厂百公里

油耗比欧洲国家要高出 25%左右。

近几十年来，大气污染控制专家逐渐意识到，要有效实行清洁空气战略，必

须使用更清洁的燃料来代替石油，清洁燃料技术是整个综合有效控制交通污染物

污染策略的一个重要组成部分。燃料质量不仅能够直接减少或消除某种污染物，

而且是应用很多污染控制技术的前提条件。清洁燃料有一个非常重要的优势：它

可以迅速对新型车辆和现有车辆产生影响。例如，更严格的新型车辆排放标准需

要10 年甚至更长的时间才能完全发挥作用。但是，如果使用更清洁的燃料，将会

立即减少所有车辆的污染物排放量，从而减少对大气环境和人类健康的危害。

（3）城市道路建筑布局和交通规划管理的影响

从建筑布局来看，大部分道路两旁布满高低交错的建筑物，地形结构复杂，

而处于这些建筑物中的路段，污染物扩散缓慢，容易发生污染事故。在有风条件

下，气流团在各个建筑物间连续反射，随机形成不同方向的涡流，气流运动复杂。

由此可见，道路建筑布局在城市交通中一个明显的影响就是其不利于大气气流的

运动，从而影响了交通污染物的的扩散。

另外，道路类型、路面情况、交通标志、排放标准以及管理体系均影响交通

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