CALPUFF在复杂地形条件下的近场大气扩散模拟研究

利用在湖南省丘陵河谷地区开展的高时空分辨率大气扩散综合实验资料, 研究美国国家环保局(USEPA)推荐的导则模式CALPUFF (California Puff Model)在复杂地形条件下近场应用的适用性。采用不同时间分辨率的诊断风场和不同扩散参数计算方案, 模拟不同气象条件下的近场地面浓度分布。通过与示踪实验实测采样浓度对比分析, 得到: 采用实测湍流廓线资料计算扩散参数能够较好地模拟近场浓度分布; 将实测湍流速度标准差与稳定度参数的拟合关系替代CALPUFF默认的湍流参数化方案, 能够改进默认相似性理论方案的模拟结果; 风速较大、风向稳定时, 模拟结果对风场的时间分辨率和扩散参数计算方案的敏感性较弱; 风速较小、风向多变时, 需采用逐10 min风场模拟地面浓度场分布, 且实测湍流方案模拟结果相较于相似性理论方案模拟值偏大, 并更接近实测值。总之, 采用逐时风场和实测湍流方案, 或逐10 min风场和修正后的相似性理论方案的CALPUFF模式能较好地模拟研究区域复杂地形的近场峰值浓度。     

CALMET时空分辨率对CALPUFF模拟浓度场的影响

采用WRF输出的逐小时1 km分辨率预报风场作为CALMET诊断模式的输入, 生成不同时空分辨率的CALMET诊断风场, 耦合 CALPUFF得到逐分钟50 m分辨率浓度场, 在此基础上分析CALMET气象场时空分辨率对浓度场的影响, 并统计不同气象时空分辨率方案的计算耗时。结果表明, 当风向稳定且风速较大时, 较粗的时空分辨率亦能得到满意的风场和浓度场; 当风向转变且风速较小时, 时空分辨率对诊断风场和浓度场影响显著, 不同气象方案的浓度场差异可以高达40%; 风场转变期间, 当CALMET的时间步长大于30 min时, 加密气象网格会降低浓度场的模拟精度, 时间步长越长, 浓度场偏离越显著。综合考虑计算耗时和浓度场模拟准确性, 推荐在大气污染事故应急预警中采用10 min时间步长和400 m网格距的CALMET气象方案。     

复杂地形风能评估的CFD方法

为解决传统方法不能评估复杂地形风能分布的问题,从某复杂地形的实测记录中选定两次风向稳定的强风过程为研究工况,建立了该地形40m×40m和20m×20m两种网格分辨率的六面体结构网格模型,采用SST k-ω及RNG k-ε两种湍流模型模拟了风速场分布.157°和83°两个风向的模拟结果表明,SST k-ω模型优于RNG k-ε模型,20m水平间距的网格精度更高,其中SST(20m)的模拟结果和实测风速的平均相对误差分别为6.46%和5.50%.最后,综合CFD模拟的风速比分布与当地的常年气象资料,提出了复杂地形全风向风能评估方法.     

复杂地形上气象条件对城市空气污染影响的数值模拟

本文通过实测资料分析和复杂地形上三维平流扩散方程模式的模拟，讨论了影响河谷城市兰州大气污染物浓度变化的气象因子。实测资料表明，冬季ＳＯ２浓度的变化与温度层结和风速差别相联系。本文建立的三维扩散模式，模拟值与实测值符合较好，并能显示出不同气象条件对污染物浓度的影响。参数敏感性试验表明：（１）Ｋｚ、风向、风速对地面浓度及其分布有很大影响。（２）Ｋｈ对地面浓度的分布也有一定的影响。（３）厚的贴地逆温和底     

聚光镜场和风环境耦合作用机理研究

综合现场实测、风洞实验和数值有限元模拟方法,开展了电站聚光镜场和近地面风环境相互耦合作用机理研究。进行了聚光器场的风场实时监测,分析获得镜场近地面的风速剖面、湍流度剖面、湍流强度、湍流积分尺度、湍流风速谱和峰值因子等参数,总结聚光器场的强季风场的规律和特征。进行了聚光器风荷载边界条件的原型实测和风洞实验,获得强季风作用下的聚光器脉动风压分布规律和特征,获得脉动风压功率谱密度,进而获得聚光器的风荷载边界条件。     

顾及下垫面特征的海坛岛近地面风场模拟

近地面风场模拟,目前多直接利用实测风速数据进行插值,其模拟结果不能反映地形特征对近地面风速的影响.综合考虑海拔高度、坡向、坡位等地形特征对风速的影响,提出了提高风场插值精度的方法:利用2013年10月份海坛岛离地2 m高风速实测数据进行反距离加权插值;基于数字高程模型数据,根据风速换算的指数律公式进行海拔高度的风速修订;对起伏地形区域,依据地形划分结果和不同的坡向、坡位条件进行水平方向的风速修订.对比风场修订前后结果,用本方法模拟的风场比直接内插的风场更接近实际风场分布,地形特征导致的风速分异得到了体现.     

内陆核电厂冷却塔对大气扩散影响的CFD模拟

 风场的时空变化和大气湍流特征是影响局地大气污染物迁移、扩散的重要因子。本文以某内陆核电厂址为背景,针对内陆核电厂址气象及地形条件的复杂性,选用三维计算流体动力学(CFD)模型Fluidyn-PANACHE,模拟气载放射性颗粒¹³⁷Cs、气溶胶¹³¹I和常规气态污染物CO在大气中的三维风场及浓度场分布情况。该方法可合理模拟内陆核电厂大型冷却塔等建筑物周围的湍流和绕流,弥补了标准高斯模型精细化程度不足的缺陷。此外,该方法也突破了常规CFD模型很难在一次计算中进行多风向模拟的局限性。计算获得的正常工况下年均大气扩散因子能反映出该厂址大气扩散的季节性差异,即秋季的平均大气扩散因子最大,因此,可考虑将换料大修等非运行工况安排在秋季进行,以降低污染强度。研究获得的年均大气扩散模拟结果与高斯混合排放模式推荐的厂址扩散参数较为一致,典型固定风向的模拟结果与风洞物理模拟结果符合较好,可为中国内陆核电厂址大气扩散研究和评价提供参考。     

丘陵地区深切峡谷风特性现场实测研究

根据测风塔和当地气象站数据,对江底河大桥桥址处深切峡谷的风场特性进行研究.基于数据统计分析得到桥址处风场的平均风速、风向、湍流强度、湍流积分尺度和湍流的功率谱密度函数.结果表明:该桥所在的深切峡谷地形对风向有锁定作用、对风速有加速作用、并且对各个风向下的湍流特性有明显的影响;深切峡谷顺风向湍流强度与平均速度的关系用反比例型函数拟合,拟合效果良好且高风速下接近规范值;竖风向湍流强度明显高于规范推算值.顺风向实测风谱与Kaimal谱相差较大而与von Karman谱吻合较好;竖风向实测风谱明显大于Panofsky风谱而与von Karman谱比较接近.横风向实测风谱与Panofsky谱、von Karman谱都比较接近.     

台风“梅花”作用下中国航海博物馆风场特性及风振响应实测分析

采用超声风速仪与加速度传感器,对台风"梅花"作用下中国航海博物馆周围风场及双曲面索网结构风振响应进行现场实测,对脉动风速的概率密度分布、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、风速功率谱等风场特性及加速度概率密度分布、反应谱、结构自振频率、阻尼比、振型等风振特性进行研究.结果表明:脉动风速的概率密度分布符合高斯分布;湍流度和阵风因子随平均风速的增大而减小;顺风向、横风向、竖向脉动风速影响下顺风向湍流积分尺度平均值的比值为12.1∶3.4∶1.0,湍流积分尺度与平均风速相关性较小,随湍流度的增大而减小;实测脉动风速谱与Von Karman谱较为吻合;风振具有较强的非高斯性,随振幅阈值的增长,阻尼比的变化可分为线性递增段和平稳段,利用谱分析法、随机减量法、随机子空间法等方法计算得到的自振频率较为一致.     

基于CALPUFF模型的毒害性气体泄漏事故三维动态模拟方法——以开县井喷事故为例

针对目前基于大气扩散模型开发的应急管理 GIS 系统中存在的时空分辨率低、未考虑三维地形等问题, 提出一套基于CALPUFF模型的三维气体扩散模拟方法。经过多层计算, 获得气体扩散浓度的三维时空分布数据。 通过Marching Cubes可视化技术读取并显示 , 可以实现三维空间的气体动态扩散效果 。以“12·23”开县特大井喷事故为案例进行模拟, 并开展二、三维对比以及模拟数据与实际情况对比分析。结果表明, CALPUFF模型三维计算得到的气体浓度在量级和空间分布上具有较高的精确性, 三维时空动态模拟具有较高的时空分辨率和重建效率, 可以达到较好的可视化效果, 能够更好地表达气体泄漏过程和扩散规律, 为应急管理提供重要的辅助手段。     

关于复杂地形下污染扩散的风洞实验模拟研究

文本探讨了复杂地形下污染扩散的风洞实验模拟问题,对北京门头沟王平村电站的风场及湍流场特性作了较为深入的分析。同时参考Hay和Pasquill的扩散模式,对该地区的扩散参数进行了计算。     

青草背长江大桥桥位风速脉动特性实测分析

为研究山区风场近地层风速的脉动特性,利用安装在青草背长江大桥上的高频风速仪对桥址处风场进行为期8个月的全程监控.根据实测风速序列分析了在桥址处平均风速、风向、湍流强度、阵风因子和功率谱的统计特征,并针对山区风阵风因子随湍流强度变化关系以及不同计算时距条件下阵风因子的换算关系进行了探讨.研究结果表明:受局部热力环流的影响,桥址风场具有明显周期性变化特征;高风速下顺风向湍流强度及竖向风速相对湍流强度大于桥梁抗风设计规范建议值,而横风向相对脉动强度则比桥梁抗风规范值小;阵风因子随阵风计算时距的变换规律可以用对数高斯函数加以描述;山区复杂地形、地貌导致风速中湍流成分发育更为充分,湍流高频能量相对较大,脉动风速谱在高频段比规范推荐风谱大,低频段比规范推荐谱小.     

运动学效应对登陆台风近地面风场模拟的影响

以2016年超强台风"莫兰蒂"为例,采用天气研究与预报模型(WRF)耦合加利福利亚气象模型(CALMET)的方法,提出了适用于台风条件下的CALMET运动学效应改进方案(KETT)。结果表明,KETT方案可以成功消除CALMET原有运动学效应带来的风场模拟系统性误差,并且10 m高度风速和风向模拟误差比原有方案分别降低10.8%和5.4%。在石蛇山区域,与不采用运动学效应相比,KETT方案10 m高度风速和风向的模拟误差均降低12%以上,能够更准确地反映局地地形对台风近地面精细化风场的影响。     

基于实测数据的西北地区风电场风场及尾流特性分析

基于西北地区某风电场2015—2016年的风速风向实测数据,分析了风电场风塔的尾流特性,并与现有风力机尾流模型进行了对比分析.在此基础上,对在远尾流场作用下的风速风向、湍流强度、湍流积分尺度、概率密度分布等风场特性进行了详细分析.研究结果表明:现有的Jensen模型、Park-Gauss模型与实际工程中多个尾流作用下的风电场尾流特性存在差异.在多风向多尾流叠加作用下,当风速大于10 m/s时,各风塔湍流强度随着平均风速的增长呈增大趋势,风电场内部风塔湍流强度在低湍流段更加集中,外围风塔湍流强度随平均风速的增大速率略快于内部风塔,而湍流积分尺度随平均风速的增大程度总体慢于内部风塔,且外围风塔实测风速更加接近高斯分布.     

地形起伏变化下的边界层参数化台风风场模型

对于登陆台风来说,采用平坦下垫面和单一的地表粗糙长度假设并不能与实际情况相吻合.为了更准确地模拟台风近地面风场,基于现有参数化台风风场模型,采用随地形变化的坐标系建模方法和高精度地形与土地覆盖资料,考虑了台风登陆过程中地形起伏和土地覆盖变化的影响.针对历史上影响广东省的3个台风案例,利用大量观测数据对比和验证了改进后的台风风场模型.对比结果表明:改进后的参数化台风风场模型对风速的模拟并没有表现出明显的系统偏差,并且能较好地模拟出台风登陆过程中风速风向的时程变化.     

复杂地形风能评估的CFD方法研究

不可再生能源的日益枯竭为风能的发展带来了机遇与挑战。我国风能资源丰富的东南沿海及岛屿多是复杂山地地形,传统的风能评估方法在复杂地形中并不适用,这使得风力发电机的微观选址难于实施。本文将研究复杂地形中风场分布的CFD精细化模拟方法,使其能为风机的微观选址提供依据。从海拔最高站点的记录中选定了两次风向稳定的强风过程为研究工况,并分别建立了地形的六面体结构网格模型,选用40m×40m和20m×20m两种网格分辨率,采用两种雷诺平均湍流模型,将得到的风场分布同现场观测数据进行了对比。结果表明湍流模型SST k-ε 的结果更准确,20m的水平网格分辨率对复杂地形风场的估计已有较高的精度。最后,联合风加速比分布与当地的常年气象资料,提出一套基于CFD方法的复杂山地地形全风向风能评估方法。     

洞庭湖大桥桥塔塔顶风场与风压特性试验研究

对岳阳洞庭湖大桥中塔塔顶风场和风压进行现场实测,得到了桥塔塔顶风压和风速、风向时程.分析了风场特性参数、塔顶风压分布、平均风压系数和脉动风压系数的变化规律.分析结果表明:迎风面各点平均风压系数变化趋势一致,迎风面脉动风压系数较大,背风面脉动风压系数相对较小,在同一面上脉动风压系数差别较小;塔顶周围风场平均湍流度较小且脉动风压系数是风场湍流度的2~3倍.     

基于CFD的复杂地形风能分布研究

提出一种通过计算流体力学(CFD)计算风电场风速和风能分布的方法,该方法通过Argis软件对风电场CAD等高线图进行离散处理,按照风速玫瑰图分布,利用Fluent软件对复杂地形条件下风场按照12分度进行数值计算,并按照风速风向分布概率由Tecplot软件进行后处理,得到整个风场的风速分布特点和风能分布.将计算结果与WAsP软件作比较,结合地形特点进行分析,认为本文计算方法得到的结论较为可靠.     

粒子系统在复杂风场及湍流场中的实现

为真实地模拟气溶胶在复杂风场中的输运扩散效果,提出一种将计算流体力学计算的风场结果与粒子系统相结合的方法.以一个存在障碍物的三维区域为例,采用非结构四面体网格对其进行网格划分,运用计算流体力学方法对这一区域的风场和湍流场进行求解;在仿真平台Unity 3D中建立了与计算模型对应的环境模型,并将风场和湍流场的计算结果导入环境模型中,实现了风场在虚拟环境中的可视化.在环境模型中建立了粒子系统,并在存储于非结构网格中的风场及湍流场的作用下模拟了粒子系统的运动变换,实现了虚拟环境中复杂风场、湍流场条件下的气溶胶的扩散仿真.     

冷却塔对大气扩散影响的数值模拟

利用计算流体力学模型Fluent,模拟多个冷却塔对大气流动和湍流场的作用,用拉格朗日随机粒子模式进一步模拟其大气扩散影响。针对一个内陆核电厂的设计方案进行模拟,共有4个冷却塔和4个常规烟囱排放口。取当地典型风速1.5 m/s和中性边界层条件模拟ESE,SSE和SW这3个方向来流的塔体扰动情况。对应各风向各取2个排放位置进行扩散模拟并计算扩散参数。结果显示,在扰动最小的风向条件下,冷却塔几乎对扩散没有影响,扰动严重时水平和垂直扩散参数可分别增大2个和1个稳定度级别,这种影响在1 km之内最为明显。