城市大气风场及污染物扩散的模拟研究

论文摘要

城市的空气质量与人的生活密切相关,民用、工业过程排放的污染物是造成城市大气污染的主要因素。城市下垫面的基本特征是干、热、粗,其复杂性导致城市的风环境及污染物扩散变得非常复杂。探讨复杂下垫面情况下的大气流动及污染物扩散的机理和规律,对改善人们的生活环境有重要意义。课题以大气运动理论、污染物扩散理论和数值计算理论为基础,对大气的风场、温度场以及大气污染物的浓度场进行了数值计算。建立了适用于非均匀下垫面条件下的大气动力模型和污染物扩散模型:选用k-ε双方程模型闭合方程组;对于下垫面温度不均匀的大气流动,采用Boussinisq近似将方程组近似、化简;污染物扩散模型采用对流扩散方程。将大气动力方程、能量方程、和扩散方程相互耦合,开发出能够计算出复杂下垫面条件下的风场以及相应的污染物扩散的程序。计算工具采用FORTRAN语言,采用TECPLOT软件为图形处理工具。通过对模拟结果的分析和比较,获得复杂下垫面条件下风环境及污染物扩散的一些定量和定性的认识:静风情况下,污染物的扩散呈蘑菇状;随着风速的增加污染物的扩散区域变窄。建筑物能够改变梯度风的分布,建筑物的下风向和建筑物的迎风侧下部都有涡旋产生,在建筑物顶面前缘尖角处气流的抬升速度达到最大值。有城市热岛效应条件下,气流越城的流形为波状,附加的水平气压梯度力导致城市上风向出现随着高度的增加风速降低的垂直分布现象,随着风速的增加,热岛环流逐渐消失。本文的研究可以对认识建筑物周围的风环境、污染物扩散过程、污染物的控制以及突发事故的应急提供一定的理论和参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 概述
• 1.1 大气污染
• 1.1.1 大气污染物的分类、危害和影响
• 1.1.2 影响空气污染物扩散的主要因子
• 1.2 大气科学数值研究的进展
• 1.2.1 数值天气预报系统的研究现状
• 1.2.2 CFD 模拟技术在大气科学中的应用
• 1.3 课题研究的目的、内容和意义
• 2 基本理论
• 2.1 大气动力学理论
• 2.1.1 大气动力系统尺度的划分
• 2.1.2 基本控制方程组
• 2.1.3 湍流理论
• 2.2 大气扩散理论
• 2.2.1 梯度输送理论
• 2.2.2 湍流统计理论
• 2.2.3 相似理论
• 2.2.4 现代新的扩散模拟方法
• 2.3 传输方程的计算
• 2.3.1 对流扩散方程的离散
• 2.3.2 流场的计算
• 3 风速对大气输移特性影响的模拟研究
• 3.1 模型的建立
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 数学模型
• 3.2 定解条件
• 3.3 模拟结果
• 3.3.1 静风条件下污染物扩散的模拟研究
• 3.3.2 不同风速条件下污染物扩散的模拟研究
• 3.3.3 瞬时排放源排放污染物扩散的过程
• 3.4 本章小结
• 4 建筑物对风环境及污染物扩散影响的模拟研究
• 4.1 模型的建立
• 4.1.1 物理模型
• 4.1.2 数学模型
• 4.2 定解条件
• 4.3 模拟结果与分析
• 4.3.1 孤立建筑物对气流分布及污染物扩散影响的模拟研究
• 4.3.2 多个建筑物对气流分布及污染物扩散影响的模拟研究
• 4.4 本章小结
• 5 城市热岛现象的模拟研究
• 5.1 建立模型
• 5.1.1 物理模型
• 5.1.2 数学模型
• 5.2 定解条件
• 5.3 城市热岛现象的模拟研究
• 5.3.1 静风情况下的气流及污染物的分布
• 5.3.2 u=0.5m/s 时气流及污染物的分布
• 5.3.3 u=1m/s 时气流及污染物的分布
• 5.3.4 u=2m/s 时气流及污染物的分布
• 5.3.5 u=3m/s 时气流及污染物的分布
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 存在的问题与展望
• 参考文献
• 附录A 建筑间距对气流的影响
• 附录B 山体周围的气流分布及对瞬时点源扩散的影响
• 在学研究成果
• 致谢