城市大气微环境大涡模拟研究

良好的空气质量是居民生活环境的重要条件之一,大气微环境研究与居民区的空气质量密切相关．大气环境由多尺度的空气运动主宰,而城市居民区空气流动属于微尺度大气流动．介绍城市居民区微尺度大气环境的现代数值方法——大涡数值模拟方法．针对居民小区复杂流动的特点,讨论如何正确应用大涡数值模拟方法,比较不同数值方法对预测城市微环境流动的影响,如：下垫面阻力元法与浸没边界法,亚格子模式的影响等．以模型小区和实际小区为例计算了风场（包括湍流统计特性）,污染物浓度等物理量分布,数值计算结果和模型小区及实际小区的实验测量数据符合良好．     

兰州城区街道峡谷内流场及机动车排放污染物扩散规律研究

利用数值模拟方法对兰州城区街道峡谷内流场及机动车排放污染物扩散特征与街道峡谷风场、几何结构及两侧建筑物对称性这间的复杂关系进行了数值实验。结果表明：在街道峡谷特殊地形和当地气象条件共同作用影响之下，峡谷内会形成一个完整的涡旋流场，其强度随着街道两侧建筑物屋顶来流强度的增大而增大，机动车排放污染物浓度的高层建筑物背风面及街道地面产生堆积，形成高浓度区，随着建筑物屋顶来流风速的增大，涡旋强度增大，湍流混合加强，大气扩散速率增大，峡谷内污染物浓度相对减小。     

城市小区环境流场及污染物扩散的风洞实验研究

介绍了一次有关城市小区环境流场和污染物扩散规律的风洞实验研究．实验以位于北京市东南部的方庄小区为研究对象，以1：250的缩尺比在南京大学MU环境风洞中建立模型并进行实验．实验包括：小区气流分布测量、小区空气污染物浓度分布测量、建筑物周边气流分布测量、建筑物周边空气污染物浓度分布测量．实验结果表明：小区内水平流场分布受不同高度建筑物影响，但风速垂直分布总体上仍符合幂指数律．小区内污染物分布亦受到建筑物及环境风速大小的影响．单体建筑物流场试验结果清晰显示了气流遇建筑物后的抬升翻越过程，以及街渠内的抽风效应，该效应可使街渠内风速达到来流的2～3倍．单体建筑物污染物分布试验结果显示随着离源的距离增大污染物浓度逐渐减小，其垂直分布仍符合地面源排放的扩散分布形式，实验结果与实际观测结果相比较为接近．相应数值模拟结果与风洞实验结果进行比较表明：两的气流和污染物浓度分布除个别有差异外，总体上相当吻合．     

现代城区热环境与污染物扩散的大涡模拟研究

本文以北京(CBD)中心商业区为例,模拟了典型夏季晴天CBD小区大气流动,考察了CBD小区风场、温度场和污染物扩散过程.数值求解过滤的不可压缩流体Navier-Stocks方程组,采用有限体积的离散方法,时间方向推进采用三阶Runge-Kutta法,按照SIMPLE算法求解不可压缩大涡模拟方程组.为适应城市小区内复杂的湍流流动,采用Lagrange动力模式封闭亚格子雷诺应力.通过表面能量平衡关系确定建筑表面的温度分布.结果表明壁面温度主要由太阳辐射决定,而空气温度主要由对流换热决定.通过研究风向和浮力对污染物浓度分布的影响,发现污染源近场的扩散过程受建筑分布、风向和局部流场的影响显著,冠层内羽流偏转明显;浮力促进垂向对流,扩大垂向羽流宽度,但对展向羽流宽度影响不大.     

不同气象条件小区通风与污染物扩散模拟

利用三维微尺度气象模拟软件ENVI-met,对广州市海珠区中山大学小区冬夏季水平和垂直流场特征以及污染物扩散情况进行了模拟研究,并通过实地观测CO质量浓度进一步检验了模拟结果。研究表明,ENVI-met适用于模拟街区尺度近地面污染物的分布特征,研究区域内存在角隅大风、气流爬坡滑坡及回流等显著特征,由此造成的污染物在不同区域和高度形成高低质量浓度区。当来流与街道峡谷平行时,在风速辐合区形成污染物高值区;当来流与街道峡谷垂直时,存在2种情况:对于独立建筑物和上风向建筑低于下风向建筑的街道,存在与来流反方向风分量,导致街道背风一侧为污染物高值区;而对于上风向建筑物高于下风向建筑物的街道,低层气流方向相同,街道中东部为高污染区。街谷中垂直扩散效率,上风向建筑物低的路段最好,其次为上风向建筑高的路段,独立建筑物的路段最差。研究结果对于城市小区的规划设计布局具有实际借鉴意义。     

街谷结构内流场和污染浓度场的数值模拟研究

从三维尺度出发,对6种不同几何尺寸的街谷结构内流场和污染浓度场进行了数值模拟.流场计算模型采用Spalart-Allmaras湍流模型,污染物浓度场采用与流场耦合的对流扩散方程模拟,采用有限元方法离散微分方程.模拟结果表明,街谷结构的几何尺寸对其中流场和污染场的分布有很大的影响.宽度较小,高度较大的街谷结构内流场较复杂,污染物在其中比较不容易扩散.本文对不同街谷结构内流场和污染物浓度场的分布进行了对比分析,对城市规划设计、城市气候以及城市空气质量控制等领域具有重要意义.     

大气环境数值模拟在城市小区规划中的应用

城市规划中必须考虑大气环境的影响。从规划布局与大气环境的关系和影响的角度出发,在北京市奥林匹克公园、五棵松文化体育中心和金融街中心区等重点小区的规划编制过程中,运用城市小区尺度气象和污染物扩散模式,以多种方案分别模拟计算出它们在一定环境条件下的气流场、风速场、温度和空气污染物浓度分布,并运用小区规划大气环境效应评估指标体系进行评分,为优选方案提供科学依据。结果表明:上述3个小区分别有一个方案得分较高,它们的大气环境效应较优,因此被作为优选推荐方案。     

城市大气环境的数值模拟

空气质量是城市可持续发展的保证,是改善人居环境的重要条件之一。大气环境是多尺度的流体运动,本文介绍了城市尺度和居民小区尺度大气环境的现代数值预测方法——大涡数值模拟方法,着重说明该尺度下复杂环境流动的特点和数值模拟需要注意的问题,例如下垫面的处理方法、边界条件的合理提法等;以典型城市和模型小区为例,说明数值预测方法的应用,展示不同下垫面对城市大气环境的影响、风速与小区空气质量的关系等。     

平面交叉口汽车排放（CO）污染规律

根据市区平面交叉口的交流流特征，汽车有害物排放规律及周围建筑物的结构形式，采用风洞试验和数值计算的研究方法，分析了汽车排放污染物的产生，扩散及污染分布规律，提出了城市交叉口大气环境质量运行分析方法。     

城市街谷大气环境研究进展

机动车尾气排放不断增加以及城市通风能力降低,常导致城市街谷内的空气污染。城市街谷大气环境主要研究方法包括外场观测、实验室物理模拟和数值计算。外场观测和物理模拟可以考察街谷内污染物的传输扩散规律并对数值模式进行检验,另外,复杂的数值模式则可对城市冠层内大气扩散问题进行详细模拟,数值模拟和外场观测及物理模拟相配合,可用于环境质量评价、污染控制决策及交通规划。重点介绍了近十年内城市街谷大气环境研究的主要成果。     

城市街道汽车排放物扩散过程的风洞试验

采用风洞模拟试验方法，通过１／２５０模型街道示踪气体浓度分布规律的研究，探讨了城市道路交通排放污染物的扩散过程及其与街道建筑物结构、风向及排放源强度等微观因素之间的关系，为城市道路交通大气环境质量监测，评价及防治提供了基础。     

上海青浦城区西北片河网调水的数学模型构建与验证

基于河道几何特征以及污染物对流、湍动扩散和混合稀释的不同机制,构建起模拟上海青浦城区西北片河网内污染物浓度时空分布的二维数学模型;采用两种不同的实际调水工况(先排后引和边引边排),对所建模型进行了验证计算.结果表明,河网内各取样点的污染物浓度实测值与计算值都基本一致.从而证明了所建模型具有工程适用性,可用于模拟上海青浦城区西北片的河网水质调节过程.     

基于标准k-epsilon湍流模型的实验室微环境数值模拟

为了研究实验室微环境的气体污染物浓度分布问题,提出了基于标准k-epsilon湍流模型的数值模拟方法.建立"回"形和"一"形楼道二维简化模型,对其进行网格划分.以浓度为7.73ppm的NO_2作为研究对象,设置不同位置的气体污染物入口,对两种二维模型的风场和NO_2浓度场进行数值模拟和分析.结果表明,"回"形楼道不利于污染物的扩散,各区域都有污染物的分布,浓度最低区域降幅在87.6%~96.7%;"一"形楼道模型中,inlet10、inlet14和inlet19分别作为入口时,B区域NO_2浓度值很低,monitor5-9浓度接近0.模拟结果符合理论,可以为实验室设计选址提供一定参考,也可以为污染气体泄露应急预案和事故预报预警机制提供依据.     

污染物在江河中的流动扩散——扩散模型的应用

各种污染物在江河中的流动扩散是一很复杂的过程。因为污染物除随河水流动方向流动以外,还会向河水流动不同方向扩散。污染物也可能由于水体的自净作用而在流动过程中逐渐消失。由于扩散与自净作用,使江河下游污染物的浓度分布与上游者颇不相同。弄清这种污染物浓度分布规律,即在不同时间、不同距离的浓度变化,是环境工程中一个很重要的问题。本文以扩散模型对此问题作一些探讨。     

基于多尺度耦合的城市小区风环境大涡模拟研究

随着生活水平的不断提高,人们对小区的居住舒适度有了更高的要求,然而风环境作为城市舒适度的重要评价指标,目前对其研究还存在明显的不足.为揭示城市小区风场的详细分布规律,本文以长沙梅溪湖国际新城为研究对象,利用WRF与CFD软件多尺度耦合的手段,对不同来流作用下梅溪湖小区风环境进行了数值模拟,实现了城市小区风场数值模拟入口边界条件的精细化研究.研究结果表明:地表粗糙度是引起局部风场复杂多样的主要原因;小区风场受局部地物地貌的影响较大,在建筑群的背风侧风速较低,迎风侧风速较大;不同风向角条件下,风速大小受地形影响较大,且在超高建筑群附近,风速容易发生加速效应.     

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。     

街道峡谷形态对污染物扩散的数值模拟

机动车排放的尾气污染物,在城市街道峡谷内的稀释扩散及分布特性,主要由街道内流动结构决定,而街道布局和结构对流动结构有重要影响。基于二维不可压缩流动的Navier-Stocks方程、污染物组分输运方程及标准k-?湍流模型,获取所构建模型的数值解。采用验证的模型参数,构建了9种2类高宽比H/W为1的二维城市街道截面形态构造,在来流平均风速为3 m/s情况下,研究了街道截面形态对机动车尾气污染物扩散传递的影响。结果表明:下沉式道路结构不会改变街道峡谷内主涡结构和污染物分布;随着下沉深度的增加,机动车道内污染程度将进一步加剧;廊道内污染物浓度分布受廊道高度的影响较大,其人行呼吸高度处背风侧附近污染物浓度值相对参考工况增加大约5%,廊道深度对街谷内污染物扩散影响不大。     

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。     

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。     

太原市冬季气象条件对污染物PM10迁移扩散的模拟研究

利用CALPUFF和HYSPLIT模式,以太原一电厂为污染源,模拟了初冬时段PM10的扩散过程,在分析地形及复杂风场对污染物扩散的影响时,研究了PM10在典型气象条件下的迁移扩散.模拟计算结果表明:气象条件不利于污染物扩散,造成太原市区西部古交和万柏林间高PM10浓度区;同时,小静风条件下的局地环流造成市区PM10浓度较高.还探讨了利用模式结果和监测数据估算源项的方法,研究表明,数值模式可以用来进行大气质量模拟并进行污染源管理.