城市大气微环境大涡模拟研究

发布时间：2020-06-26 13:08

【摘要】：随着现代城市化进程的加速，城市规模和人口逐年增加，城市也面临着越来越严重的大气环境问题。大量机动车尾气和工业废气等有害气体排放导致严重的空气污染，紧急事故有毒气体泄露对城市居民安全造成严重的潜在威胁。为了评估城市街区内污染物扩散范围，建立紧急事故人员疏散预案，进一步达到控制污染的目的，必须准确预测复杂城市街道中大气流动和污染物扩散过程。本文采用数值模拟方法研究城市大气微环境问题，取得了如下主要研究成果： (1)建立了实际城市小区大气微环境大涡数值模拟系统。本文基于高精度有限体积大涡模拟求解速度场、温度场和浓度场：采用Lagrange动力模式封闭亚格子应力，引入太阳辐射、地表换热和浮力效应等复杂物理过程，采用浸没边界法精细分辨重点关心区域建筑和街道，并利用阻力元法处理非重点关心区域建筑群，建立了基于分区并行的大涡数值模拟系统。 (2)应用所建立的微尺度大涡模拟系统研究了澳门荷兰园小区风场、温度场和交通污染浓度场日变化过程，模拟结果与观测数据符合良好，并分析了大气浮力效应对风场和浓度场的影响。发现与中性大气状态相比，不稳定状态下浮力效应加强近地面垂直方向大气对流作用和街区内湍流强度以及街区内污染物扩散；稳定状态下浮力效应减弱近地面垂直方向对流以及街区内湍流强度。 (3)本文提出了多尺度耦合大涡模拟方法，即采用中尺度气象预报模式模拟城市区域尺度大气流动，微尺度大涡模拟采用中尺度模式计算结果作为侧向非定常速度和温度边界条件，精细模拟实际城市小区速度场、温度场和污染物扩散过程。本文采用典型算例考核了多尺度耦合方法的可行性与准确性，并用这种方法研究了北京宝联小区交通污染扩散问题，获得了与观测数据符合良好的结果。分析了中尺度大气运动对微尺度运动的影响，考核了多尺度耦合方法的效果，并进一步分析了街区内风场、温度场和浓度场特征。总之，本文建立的多尺度耦合大涡数值模拟系统对复杂城市小区大气环境具有较强的模拟能力，在城市大气环境评估、城市规划设计和安全事故预案等方面具有良好的应用前景。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X16
【图文】：

中尺度气象,尺度空间,城市区域,城市大气环境

第 1 章引言3图1.1 城市大气环境问题尺度划分城市区域尺度空间范围跨度约数百公里，中尺度气象预报模式(如WRF,MM5,ARPS 等）是研究城市区域尺度大气环境问题的主要方法。中尺度气象模式通常采用远远大于建筑尺度的网格分辨率，采用粗糙度等参数化方法处理下垫面的建筑。目前中尺度模式可以较好模拟整个城市区域的天气变化，但是不能获得街区内部细致的流动信息。城市小区尺度空间范围约数公里量级，精细分辨建筑的 CFD(Computational Fluid Dynamics)模式是主要研究手段，可以获得多个街道内部的细致流动信息，特点是网格分辨率高，计算量大。街区尺度空间范围约百米量级，单个街区内的流动和污染物扩散是主要关心问题，CFD 模式也是主要研究手段。由于居民生活工作和城市有害气体排放都主要在城市街道内部发生

示意图,有限体积,网格,单元

限体积法的基本原理是在有限体积单元上求解积分形式的流体运动控制方程组，下面简要介绍本文采用的有限体积法离散格式。图2.1 有限体积单元和离散网格示意图如图 2.1 所示，P 点表示该控制体的中心位置，并按照方位将位于其东、西、北、南、上、下的相邻节点记作 E、W、N、S、T、B。体积元的六个控制面用小写字母表示，分别称为东面 e、西面 w、北面 n、南面 s、上面 t、下面 b。由于采用非交错网格，所有流动变量(速度，浓度，温度和压力)均匀存储在网格中心点。对大涡模拟方程组在 P 点所示体积元上积分得到如下离散形式：( ) ( ) ( ) 0e w n s t bC C y z + C C x z + C C x y = (2-7)

【参考文献】