大气风场及污染物扩散的数学模型研究.pdf 全文免费在线阅读

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网友yuzonghong1近日为您收集整理了关于大气风场及污染物扩散的数学模型研究的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：文章编号: 1004- 9762( 2002) 04- 0376- 04大气风场及污染物扩散的数学模型研究刘长威1, 陈义胜2, 胡银枝2( 1 包头钢铁学院科研处, 内蒙古包头 014010; 2 包头钢铁学院冶金工程研究所, 内蒙古包头 014010)关键词: 大气风场; 污染物扩散; 数学模型中图分类号: X132 文献标识码: A摘要: 在湍流模型的基础上建立了大气风场数学模型和与之耦合的污染物扩散数学模型模拟给出了一个开放空间内风遇地面建筑物的绕流过程, 以及由建筑物中排放出的污染物在空气中的扩散过程The mathematical model study of polluting fountaindiffusion concentration in air pollutionLIU Chang wei1, CHEN Yi sheng2,HU Yin zhi2( 1. Department of Scientific Research, UIST Baotou, Baotou 014010, China; 2. Institute of Metallurgical Engineering, UIST Baotou, Baotou014010, China)Key words: flow field; polluting fountain diffusion; mathematical modelAbstract: Based on the turbulent mathematical model, themodels of air flow field and polluting diffusion were built. Processes in the open spacewere simulated which included both the wind flow detour while passing through buildings on the ground and the diffusion of pollutants sent outfrom the buildings into the air.分析和预报污染物在大气中的扩散过程必须要考虑大气自身的运动特点, 只有掌握了大气的运动规律才能很好地研究污染物扩散以及污染源对周边环境的影响目前, 国内外多数学者普遍采用传统的高斯模式来研究污染物在大气中的扩散问题, 而高斯模式是基于对大气流动、下垫面条件和污染物扩散等几点假设的前提下建立的, 因而, 在应用过程中存在一定的局限性[ 1~ 3]随着计算技术的飞速发展, 应用数学模型, 通过计算机模拟来分析大气污染的过程已成为研究大气污染的最有效手段之一[ 1, 4]1 大气湍流流动过程的数学描述对于近地面局部区域的大气运动规律应该具备这样的特点: ( 1) 地面是风场的固体边界, 具有湍流流动固体边界的作用[ 5]; ( 2) 地面上的建筑物对风场有扰动作用, 扰动作用的大小取决于建筑物高度和迎风面积; ( 3) 大气层结造成的空气上下对流作用对近地面风场影响相对于主风向风力影响可以忽略;( 4) 在选取相对建筑物足够大的范围研究近地风场时, 可以近似认为风沿主风向平行流动1 1 风场数学模型1 1 1 基本假设基于以上对近地风场特点的分析, 在模型建立中提出如下几点假设:( 1) 在研究区域内, 上部自由界面没有物质交换;( 2) 在选取的足够大的研究区域内, 沿主风向的2 个侧面近似为对称面1 1 2 数学模型连续性方程:xj( uj ) = 0; (1)动量方程:2002 年 12 月第 21 卷第 04 期包头钢铁学院学报Journal of Baotou University of Iron and Steel TechnologyDecember, 2002Vol.21,No.4收稿日期:2002- 10- 03作者简介:刘长威( 1964- ) , 男, 内蒙古呼和浩特人, 包头钢铁学院副研究员xj( uiuj ) = -pxi+xj[ eff(uixj+ujxi)] + gi ;(2)描述湍流运动的 k 双方程模型:k 方程:xj( ujk) =xj(effkkxj) + G - ; (3)方程:xj( uj ) =xj(effxj)+ (C1G - C2 2)/ k, (4)其中, G = tuixj(uixj+ujxi)写成统一的控制方程为:xj( uj ) =xj(effxj) + S . (5)1 1 3 边界条件(1) 地面边界用固体边界来处理, 具体为 u = v= w = 0;(2) 研究区域 2 个侧面用对称边界, 即ux= 0,wz= 0;(3) 主风向上的2个边界, 按入口和出口边界处理;(4) 顶部按自由界面处理1 2 污染物扩散数学模型1 2 1 基本假设( 1) 从建筑物排放出的污染物可以近似为点源;( 2) 污染源排放出的污染物随时间没有变化;( 3) 污染源是孤立源1 2 2 数学模型污染物扩散控制方程:uiCxi= Dx2Cx2i+ Rx (6)1 2 3 边界条件(1) 地面边界按反射边界处理, 即Cxi= 0;(2) 研究区域 2 个侧面用对称边界, 即Cxi= 0;(3) 主流出入口边界, 入口按 C = 0, 出口按出口边界计算;(4) 顶部按自由界面处理2 模拟研究方法选取长 8 km, 宽4 km, 高800 m 的 1 个包围孤立污染源的区域进行模拟研究建筑物高 60 m, 宽400 m, 长500 m, 处于研究区域的上风向平均风速2 5 m/ s 建立 1 个直角坐标系, 把研究区域划分成微元体, 进行数值模拟对以上微分方程进行差分处理, 转化成微元体上的代数方程, 然后编制成计算机程序进行迭代求解, 得到数值解3 模拟结果与讨论3 1 大气风场模拟结果分析如图1, 2 所示的模拟结果可以得出, 建筑物前方气流均匀稳定地进入模拟区域, 遇到建筑物后, 气流无论是速度还是方向都发生了很大变化在建筑物下风向后气流紊乱, 速度减小, 形成 1 个扩散型扰动尾翼, 尾翼呈扩展趋势, 向水平的 2 个侧面和高空扩展, 但影响强度在不断地减弱离开建筑物越远, 气流扰动逐渐消除, 气流有逐渐恢复到进入模拟区以前的流动状态的趋势图 1 建筑物上方大气流场图Fig. 1 Flow field upper building377刘长威等: 大气风场及污染物扩散的数学模型研究图 2 近地面风场Fig. 2 Flow field near ground3 2 污染物在运动大气中扩散模拟结果分析如图 3~ 5 所示的模拟结果可以得出, 在本模拟条件下, 由于有较强的单向风作用, 污染物的污染区域仅仅在建筑物( 污染源) 的下风向形成靠近污染源的地方, 污染物集中, 扩散程度很小; 越远离污染源, 污染物扩散程度和范围越大, 且污染区域沿着风的方向远离污染源在本模拟研究过程中, 假设将 1 个污

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