《Journal of Xenobiotics》：Numerical Simulation of Atmospheric Pollutant Dispersion on Campus: Impacts of Wind Environment and Newly Constructed Buildings’ Height
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甲苯作为大学校园学术实验室中常见的有机溶剂，对校园内师生构成潜在暴露风险。因此，研究人员利用计算流体力学（CFD）模拟，研究了广州某校园在气象条件下甲苯的扩散特征以及新建建筑对甲苯浓度的影响。数值模拟结果表明，在盛行东风条件下，甲苯易在自由活动区累积；在盛行北
甲苯作为大学校园学术实验室中常见的有机溶剂，对校园内师生构成潜在暴露风险。因此，研究人员利用计算流体力学（CFD）模拟，研究了广州某校园在气象条件下甲苯的扩散特征以及新建建筑对甲苯浓度的影响。数值模拟结果表明，在盛行东风条件下，甲苯易在自由活动区累积；在盛行北东北风条件下，则易在行政办公区累积；而在盛行南风条件下，则易在教学区累积。其中，教学建筑TB3–TB6相较于其他功能区域拥有最高的甲苯平均浓度。在新建建筑存在时，南东南风条件下甲苯浓度降低，而东南风条件下则加剧。随着建筑高度增加，在南东南风条件下，涡旋结构的合并持续降低TB3和TB4处的甲苯浓度，而尾流区的扩张使TB5和TB6处的甲苯污染回升；在东南风条件下，扩展的垂直涡旋结构加剧了TB3和TB5处的甲苯污染，但减轻了TB4和TB6处的甲苯污染。研究人员的结果表明，目标校园的教学区是夏季潜在学生暴露的关键区域，需特别关注。该研究为了解盛行风条件与校园形态对挥发性有机物（VOCs）扩散特征的耦合效应提供了新见解，并增进了对复杂校园环境中气流与污染物相互作用的理解。
大学校园中学术实验室排放的挥发性有机物（VOCs）是室内外空气质量的重要污染物来源，其中甲苯作为常见有机溶剂的主要成分，对密集人群的暴露风险不容忽视。已有研究多关注理想化街道峡谷或简化建筑阵列中的污染物扩散，但真实校园环境中实验室排放VOCs的扩散特征尚不清晰，特别是盛行风向与新建建筑高度对气流结构和污染物积累的耦合影响仍缺乏系统认知。为此，研究人员选择广州某大学校园为研究对象，以甲苯为代表性VOC，开展此项研究。
研究人员采用基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的标准k-ε湍流模型，利用ANSYS Fluent 2021 R1进行计算流体力学（CFD）模拟。网格敏感性分析使用粗、中、细三套非结构化多面体网格（单元数分别为0.28×10?、0.93×10?、1.78×10?），中等网格在精度与效率间取得平衡。模型验证采用乙烯作为示踪气体的风洞实验数据，归一化均方误差（NMSE）为0.1381，分数偏差（FB）为0.2066，归一化平均偏差（NMB）为0.1873，决定系数（R2）为0.9535，均满足接受准则。排放源基于广东工业大学工程3号楼实测数据（总VOC浓度129.2 ppbv，甲苯占芳烃38.7%），简化为屋顶面源，甲苯排放率为6.54×10?1? kg/h。模拟设定常温常压（298.15 K，101.325 kPa），根据广州年气象条件设置三种盛行风向（东风、北东北风、南风）及教学区南东南风和东南风情景，并考察新建建筑高度（0、25、35、45 m）的影响。
**3.2 甲苯在校园的扩散特征**：研究发现，盛东风下甲苯主要向自由活动区（FMA）传输，其平均浓度（9.6×10?? ppb）高出其他区域1~7个数量级；盛北东北风下，行政办公区（DA）污染最重，其中北部建筑OB1甲苯平均浓度更高（2.8×10?1 ppb），源于较短的稀释混合时间；盛南风下，教学区（TA）甲苯平均浓度最高（1.6×10?2 ppb），教学建筑TB3–TB6浓度显著高于TA东部建筑（TB1–TB2）。南东南风时TB3浓度最高（7.0×10?2 ppb），南风时TB1浓度最高（3.5×10?2 ppb），表明风向决定污染物在TA内的积累位置。
**3.3 新建建筑存在下的甲苯扩散特征**：新建建筑（NCB）高度25 m时，南东南风下TB3–TB6的甲苯平均浓度均降低（TB3下降6.98%），而东南风下则升高（TB3上升36.07%），污染呈相反变化。随着NCB高度增至35 m和45 m，南东南风下TB3和TB4的浓度持续下降（TB3在45 m时下降30.77%），但TB5和TB6的浓度出现反弹（TB6在45 m时上升45.17%），归因于涡旋合并加强通风与尾流区扩张的双重作用；东南风下，垂直涡旋结构随高度扩大加剧了TB3和TB5的污染（TB5在45 m时浓度达2.10×10?2 ppb），而改善了TB4的通风（浓度降低超30%）。风向差异导致最高浓度出现在不同建筑（南东南风下为TB3，东南风下为TB5），且高度变化的影响方向相反。
讨论部分指出，污染物扩散受风向、通风和尾流效应的空间差异控制，与已有CFD研究结论一致。研究揭示了风向与建筑高度改变涡旋强度和位置，从而改变污染物运输主路径，导致校园局部积累。研究结论强调，目标校园的教学区在5–7月主导南风影响下是学生暴露的关键区域，需特别关注；新建建筑的影响需结合高度与盛行风向综合评估，为校园规划与空气质量管控提供指导。同时指出，标准k-ε模型在解析瞬态混合和小尺度涡旋方面存在局限，结果应视为相对扩散模式，而非直接暴露估计，未来需结合现场测量、变排放、非等温边界及高精度湍流模型以提升定量预测能力。
