一种街谷型道路交叉口内氮氧化物扩散及分布研究实验模型

摘要

本发明公开了一种街谷型道路交叉口内氮氧化物扩散及分布研究实验模型，包括风墙系统、城市街谷交叉路口模型、线性排放源模型、PIV示踪系统、氮氧化物检测系统，其中通过风墙系统为实验提供风场，城市街谷交叉路口模型由四个建筑模型围成的十字形交叉口组成，线性氮氧化物排放源布设在街道上，并通过软管和氮氧化物生成装置以及示踪粒子添加器相连，在街谷交叉口内释放出混有示踪粒子的氮氧化物，并由放置在街谷交叉口的氮氧化物检测器测定交叉口内的浓度，同时数码相机将记录由激光光源照亮的示踪粒子扩散图像，该装置能够模拟街谷型道路交叉口机动车排放的氮氧化物扩散，对制定街谷道路交叉口消减氮氧化物污染物方案具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及交通污染物排放领域，尤其涉及一种街谷型道路交叉口内氮氧化物扩散及分 布研究实验模型。

背景技术

近些年来，随着快速的城市化，城市机动车的保有量持续增长，导致机动车排放的尾气 逐渐成为城市大气污染物的主要来源之一。与工业废气一样，机动车排放的氮氧化物也会受 到气象、地形、建筑物形状等因素的影响，特别是道路两侧的建筑物对气流的阻碍作用，严 重削弱尾气中氮氧化物的输送和扩散，致使城市街谷附近的氮氧化物含量严重超标，尤其是 街谷道路交叉口处，大量机动车在怠速情况下等待通行以及当发生交通拥堵时，会产生大量 氮氧化物。基于目前的技术条件，实际的城市交叉口环境布置有效的流场测量仪器十分困难， 只能布置少量的测点，测的污染物随时间变化的规律，不能确定污染物在交叉口总体的扩散 行为，而且实际城市街谷道路交叉口偶然因素过多，不利于实验的控制。随着计算机技术的 不断发展CFD方法成为数值模拟复杂建筑物条件下污染物扩散行为的重要途径之一，虽然 国内外学者通过数值模拟的方法已经取得一定的成果，但缺少实验结果的支持，因此构建贴 近现实的小尺寸实验模型，是研究城市街谷型道路交叉口机动车污染物扩散的重要选择，对 于制定有效的交叉口空气环境改善方法具有参考作用。

发明内容

为了开展城市街谷道路交叉口环境典型污染物(氮氧化物)扩散和分布的研究，本发明 的目的在于提出了一种城市街谷型道路交叉口内氮氧化物扩散和分布研究的实验装置。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：一种街谷型道路交叉口内氮氧化物扩散及分 布研究实验模型，包括风墙系统、城市街谷交叉路口模型、线性排放源模型、PIV示踪系统 和氮氧化物检测系统，其中风墙系统、街谷道路交叉口模型、线性氮氧化物排放源模型、氮 氧化物检测系统，部分或全部放置于风墙实验段内，其材质为透明有机玻璃，便于观察实验 现象；

所述的风墙系统，用于提供实验所需的风场环境，由风墙部分、整流段以及街谷道路交 叉口模型所处的风墙实验段组成，风墙系统可以提供风速在0～10m/s范围内，模拟城市街 谷道路交叉口所需风场环境；

所述的街谷道路交叉口模型，用于提供实验所需的城市街谷道路交叉口环境，由上风侧 的两个建筑物和下风侧面的两个建筑物，其材质为透明有机玻璃，四个建筑物尺寸规格相同， 呈田字形分布组成十字型的交叉口；

所述的氮氧化物线性释放源系统，用于模拟现实中连续车辆通过交叉口释放低浓度氮氧 化物的行为，由横向线性释放源A、横向线性释放源B、纵向线性释放源A、纵向线性释放 源B、软管、示踪粒子添加器、氮氧化物气罐组成，其中各线性释放源模型和示踪粒子添加 器以及氮氧化物气罐通过软管顺次相连通，氮氧化物气罐产生的氮氧化物经软管与示踪粒子 添加器相连，示踪粒子添加器将示踪粒子添加到氮氧化物气体中，示踪粒子添加器含有分流 阀装置，将混有示踪粒子的氮氧化物气体分流到四个与线性释放源装置相连的软管中去，其 中示踪粒子采用粒径大小为1-5μm的氮化硼颗粒，分流阀用于控制线性释放源氮氧化物的释 放速率；线性释放源分别占据一条车道，对应着一个方向上的车队，模拟街谷机动车穿越交 叉口的行为；

所述的PIV示踪系统，用于显示在街谷道路交叉口及街谷内示踪粒子的分布状况，以及 运动状态，包含侧面激光片光源、端部激光片光源、侧面数码相机、端部数码相机，其中激 光片光源用于照亮示踪粒子，数码相机用于拍摄记录示踪粒子的运动轨迹，其中两个激光片 光源照亮的面相互垂直；

所述的氮氧化物检测系统，用于检测街谷道路交叉口内空气中氮氧化物的浓度并将测得 实验数据通过数据收集装置汇总发送给计算机，包括5组竖向氮氧化物检测仪、数据收集器 和计算机；其中一组竖向氮氧化物检测仪位于交叉口的正中心位置，其余四组竖向氮氧化物 检测仪可以根据需要移动位置探测不同区域氮氧化物的浓度，测得的实验数据通过数据采集 器发送至计算机；

其中，所述的组成街谷道路交叉口的上风侧的两个建筑物和下风侧面的两个建筑物的尺 寸大小和四个建筑之间的间距根据实验需要可以做出调整，实现研究氮氧化物在不同尺寸街 谷道路交叉口内的扩散过程。

其中，所述的车队的释放源是由氮氧化物气罐提供，目的在于提供实验所需的低浓度氮 氧化物气体，通过气罐上的气阀控制气体释放的速率；所述的示踪粒子添加器，将示踪粒子 混入到氮氧化物气体中，并通过四个线性释放源释放到街谷道路交叉口中，由侧面数码相机、 端部数码相机记录被侧面激光片光源、端部激光片光源照亮的示踪粒子的运动图像，其中采 用粒径为1-5μm氧化硼作为示踪粒子。

其中，4组竖向氮氧化物检测仪可以移动和1组固定于交叉口正中心位置，四组竖向氮 氧化物检测仪可以位于四个进口中点，也可位于四个建筑物拐角处。

其中，街谷道路模型内不仅可以实现单层道路污染物排放的模拟，也可以在街谷道路上 架设高架桥模型，实现对立体复杂街谷道路交叉口环境下氮氧化物的扩散过程模拟研究。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本实验装置根据相似理论，等比例缩放现实中的真实的街谷道路交叉口的建筑物， 街谷道路交叉口模型、线性释放源模型以及风场环境，真实的模拟现实中连续车流排放的氮 氧化物分布和扩散现象，街谷模型放置于风墙实验段中，便于观察实验现象，风墙风速以及 角度可以根据实验要求进行调整，交叉口的长宽比根据实验要求进行改变，可以研究不同风 向的风场和不同尺寸街谷道路交叉口对污染物扩散的影响；

2.本实验利用PIV示踪技术，通过示踪粒子添加器把示踪粒子添加入模拟气源中，通 过激光片光源照亮示踪粒子，由数码相机记录示踪粒子运动图像，将污染物在交叉口内扩散 的情况直观、准确的记录下来；

3.本实验装置能够在不同区域监测交叉口内以氮氧化物为主的污染物浓度，使得实验 数据更加全面，真实有效；

4.街谷道路模型内不仅可以实现单层道路污染物排放的模拟，也可以在街谷道路上架 设高架桥模型，实现对立体复杂街谷道路交叉口环境下氮氧化物的扩散过程模拟研究。

附图说明

图1是本发明提出的一种街谷型道路交叉口内氮氧化物扩散及分布研究实验装置示意 图；

图2是所述一种街谷型道路交叉口内氮氧化物扩散及分布研究实验装置的俯视图；

图3是所述一种街谷型道路交叉口内氮氧化物扩散及分布研究实验装置的添加高架桥示 意图。

上述附图中，1为风墙部分；2为出风墙；3为侧面激光片光源；4为侧面数码相机；5 为风墙实验段；6为示踪粒子添加器；7为软管；8为氮氧化物气罐；9为端部激光片光源； 10为端部数码相机；11为下风面建筑物；12为数据采集器；13为竖向氮氧化物检测仪；14 为计算机；15为上风面建筑物；16为纵向线性释放源A；17为横向线性释放源A；18为横 向线性释放源B；19为纵向线性释放源B。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

参见图1，一种街谷型道路交叉口内氮氧化物扩散及分布研究实验模型，包括风墙系统、 街谷道路交叉口模型、线性释放源模型、PIV示踪系统和氮氧化物检测系统。

其中风墙系统，由风墙部分1和出风墙2和两端开口的风墙实验段5组成，风墙部分1 产生稳定的风流从出风墙2里吹出，用于提供风速范围为0-10m/s的稳定风流，风墙实验段 5为透明玻璃，便于观测实验现象；

如图2所示，街谷交叉模型，由两个上风侧建筑物15和两个下风侧建筑物11组成，建 筑物位置成田字形，相邻建筑物之间有街道通过，两条街道相互垂直交叉形成十字路口，且 街谷模型位于风墙实验段5中，街谷道路交叉口的形状和规模由各建筑物之间的尺寸以及彼 此间的距离根据实验需要进行调整；四个建筑物模型均采用透明有机玻璃板搭建，便于侧面 数码相机4和端部数码相机10拍摄示踪粒子扩散图像；

参见图2，氮氧化物排放系统，包含横向线性释放源A17、横向线性释放源B18、纵向 线性释放源A16、纵向线性释放源B19、软管7、示踪粒子添加器6、氮氧化物气罐8组成， 其中纵向线性释放源A16、纵向线性释放源B19、放置在纵向街谷街道中间，横向线性释放 源A17、横向线性释放源B18放置在横向街谷街道中间。氮氧化物释放源与示踪粒子添加器 6用软管7相连，其中软管7的长度足够长。氮氧化物气罐8储存的氮氧化物由软管7经示 踪粒子添加器6加入示踪粒子后输送到线性释放源排放，其中氮氧化物气罐8和示踪粒子添 加器6位于透明风墙实验段5外部，在本实施例中，氮氧化物气罐8的氮氧化物释放速率由 气阀控制，PIV示踪粒子采1-5μm氧化硼，同氮氧化物一同经线性释放源在街谷道路交叉口 处排出；

PIV示踪系统和氮氧化物检测系统，包括端部激光片光源9、侧面激光片光源3、侧面 数码相机4、端部数码相机10、竖向氮氧化物检测仪13、数据采集器12和计算机14。其中 端部激光片光源9、侧面激光片光源3、侧面数码相机4、端部数码相机10和计算机14均位 于风墙实验段5的外部，端部激光片光源9位于风墙实验段出口端，用于照亮示踪粒子，侧 面数码相机4放置在实验段5一侧，用于拍摄被激光片光源9照亮的示踪粒子扩散的图像； 侧面激光片光源3和端部数码相机10则用于监控另一垂直方向上的氮氧化物运动图像。端 部激光片光源9发出的片光与侧面激光片光源3发出的片光相互垂直且通过街谷道路交叉口 的正中心，实验过程中，氮氧化物气体中夹杂的示踪粒子经激光片光源照亮，并被数码相机 捕捉到示踪粒子运动图像，后期通过自相关算法对图片进行后处理，获得相应的氮氧化物扩 散流场，其中由端部数码相机10拍摄被侧面激光片光源3照亮的示踪粒子的运动轨迹，侧 面数码相机4拍摄被端部激光片光源9照亮的示踪粒子的运动轨迹，两组装置分开使用，避 免干扰；氮氧化物浓度测点13，用于检测交叉口处空气中的氮氧化物的浓度(如NOx等) 由五组竖向氮氧化物检测仪13组成，每组的探头的数目不少于8个，在竖直方向上等间距 布置，且最下面的一个探头高度应高于线性释放源高度，如图2所示，五组竖向氮氧化物检 测仪13的放置为一组位于交叉口中心位置，且不应阻碍激光光源的光路，用于检测交叉口 中心处的氮氧化物浓度，其余四组位于各建筑于交叉口处的拐角处，其布设位置可以根据实 验需要进行调整，各监控点的检测数据经数据采集器12传送至计算机14进行储存分析；

参见图3，街谷道路模型内不仅可以实现单层道路污染物排放的模拟，也可以在街谷道 路上架设高架桥模型，实现对立体复杂街谷道路交叉口环境下氮氧化物的扩散过程模拟研 究。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施 例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修 改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。