大气微环境多尺度耦合模拟界面湍流条件研究

发布时间：2022-01-01 20:24

　　城市大气微环境的精细研究对于改进城市冠层模式、快速预测模型以及城市环境评估等具有重要意义。多尺度耦合模拟方法采用中尺度大气模式为微尺度精细模拟提供边界条件,是一种颇具潜力的数值模拟方法,其难点之一是多尺度耦合界面的小尺度脉动补充方法。以此为目标,本文的主要研究工作和成果如下:（1）研究了大粗糙元边界层内外区湍流的特性,验证了外区湍流场具有外尺度相似关系,而内区湍流场与建筑物等地面设施的几何形状及分布密切相关;（2）采用理论分析与数值模拟相结合的方法研究了大粗糙元边界层入流湍流对下游湍流场的影响。研究发现大粗糙元边界层中与地表距离越远的空间位置上,入流湍流的流向影响范围越大。进一步分析入流内区、外区湍流对下游湍流场演化的影响发现:内区的湍流生成演化较快,因而入流的内区湍流主导下游近场,外区湍流演化较慢,可在远场区域通过扩散和对流的方式影响内区湍流场;（3）提出了内外区组合湍流脉动生成的新方法。外区入流湍流由预计算的脉动场通过外尺度相似关系变换得到。内区入流预计算的下垫面参数、外流速度与目标问题一致。内外区分别产生的湍流脉动加权平均得到入流界面上的湍流。通过模型建筑群算例对该方法进行了考核... 

【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：83 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

大气水平速度的频谱

主要关注一个或数个建筑物周围的详细流动结构、动力热力特性和精细的污染物扩散过程。由于尺度小，模型简单，街区尺度的流动容易实现精细模拟。小区尺度（或称为微尺度）介于城市尺度和街区尺度之间，垂直方向可分为城市冠层、粗糙子层和对数层[4]（见图 1.2）。城市冠层为建筑物平均高度以下的空间区域；粗糙子层指直接受到地面粗糙元影响的空间区域，流动呈现出空间的非均匀性；在对数层，流动的空间非均匀性消失，动量通量和热通量近似为常数。小区尺度的研究关注粗糙子层内精细的流动信息，该尺度冠层内的短程污染物扩散受下垫面分布影响显著。小区尺度的下垫面分布是城市的基本单元[11]。根据下垫面的地表结构可将城市分为不同的热分区[13]，对典型小区热特性的精细研究将更有效地了解城市大气环境的特征和演化机制。小区尺度与中尺度气象模式的亚网格水平尺度相当，因此对小区尺度流动的精细研究可为冠层模式的改善提供依据和技术支持。此外，小区尺度的标量扩散研究有助于建立复杂下垫面标量短程扩散模型。因此城市小区尺度的研究具有重要的科学意义和应用价值，是本文研究的重点。

图 2.1 控制单元和离散网格示意图程(2-1)至(2-4)在控制单元上积分得到：( ) ( ) ( ) = ( ) ( ) ( ) = ( ) S制单元上体积平均的任意物理量，存储在控制单元 )表示单元面上平均通量，例如

【参考文献】：
期刊论文
[1]A Microscale Model for Air Pollutant Dispersion Simulation in Urban Areas:Presentation of the Model and Performance over a Single Building[J]. Ning ZHANG,Yunsong DU,Shiguang MIAO.  Advances in Atmospheric Sciences. 2016(02)
[2]大涡模拟与大气边界层研究——30年回顾与展望[J]. 蒋维楣,苗世光.  自然科学进展. 2004(01)



本文编号：3562780