建筑环境空气污染是严重威胁人类生存健康的大问题。城市街道峡谷作为建筑外环境的重要组成部分，既影响着户外环境的质量，同时作为换气源又影响着临街建筑室内空气的品质。建筑及周边环境中交通污染物的扩散主要受湍流的影响，湍流引起的涡流是造成质量、能量、动量交换的关键因素。现有的研究一般将影响街谷内污染物传播的因素分为：1.街谷形态，包括非对称街谷、高架桥及其配套设施、屋顶形态以及道路绿化等；2.外部环境，包括太阳辐射引起热效应产生的湍流以及环境风引起的湍流；3.车辆移动，街谷内的车流既是污染源，也是湍流源。

图1. 建筑外环境气流流动示意图

本课题组通过综合考虑上述影响因素，建立了街谷风场、温度场和污染物浓度场耦合的数值模拟模型，揭示了太阳辐射、环境风以及车辆移动三种湍流机制对污染物扩散的影响规律。对武汉市一个真实的复杂街谷形态包括交通转盘和隧道的污染物扩散情况进行了数值模拟；分析了非对称街谷中发生车流潮汐现象对污染物分布的影响。

图2 城市立体交通系统模型示意图

城市街谷污染物主要由机动车排放所致，近四十年来的大量研究将污染物视为路面某一厚度的污染源，忽略了机动车移动和排放造成的非均匀性和湍动能；极少数研究采用相对运动法模拟了车辆在环境空气流中的运动，但无法全面考虑路面和建筑静止，而车辆移动却产生10-20 m/s的强烈湍动。对此，本课题组提出了动网格模拟技术来直接描述机动车移动工况下污染物排放的动态过程，真实还原了路面和建筑物静止，环境空气流运动，机动车造成更强烈湍流运动的特征，构建了“城市街谷-移动车辆-尾气管”的污染物动态传播多尺度模拟方法，分析了不同车型对车辆移动诱导产生湍流的影响，揭示了车辆排列方式、车数量、车速以及环境风速对尾气污染物扩散的影响规律。

图3 建筑外环境移动源模型示意图

街谷污染领域的研究中，有很多对污染物稀释和通风能力的评价指标，例如污染物传播速率、净化空气流量、空气龄、空气交换率和人均吸入分数等，但这些指标只能对某一参数进行评估，缺乏对整体污染物扩散特性的理论指导。污染物扩散的实质上是在环境风、太阳辐射和车辆移动等因素驱动下的传质问题。与对流传热相同，当流体物性参数不变的情况下，流体流动速度、浓度梯度（传热则为温度梯度）以及二者之间的夹角（协同角）决定了对流传质的效果。具体到建筑外环境污染领域，环境风速和太阳辐射强度等决定了街谷内的空气流速，街谷结构、屋顶形状、车辆运动等其他影响因素决定了街谷内的涡结构和湍流情况，进而影响速度矢量和浓度梯度之间的夹角。课题组通过理论分析对比外界环境风掠过城市街道峡谷的污染扩散过程和平板间的对流换热过程，再经过数值计算证明了利用场协同理论来指导建筑外环境污染扩散研究的可行性。首次将用于受限空间传热的场协同理论推广到开敞空间污染物扩散的传质领域，大大拓展了场协同理论的适用范围。本研究团队提出的场协同数和协同角两个物理量用来定量分析污染物的扩散情况，填补了街谷污染研究领域对污染物扩散程度评价理论的空白。

图4  用场协同理论研究高架桥高度对建筑外环境污染物扩散的影响